[=AK= 10]

Для интересующихся темой, начинаю неспешно выкладавать результаты измерений разных датчиков относительной влажности воздуха. Слово "неспешно" значит, что процесс растянется на недели или даже месяцы.

Цель - продемонстрировать, как меняются во времени результаты измерений, когда тот или иной датчик находится в среде с постоянной температурой и влажностью.

Для начала, датчик SHT35 фирмы Sensirion. Температура 25 С +/- 0.2С, влажность 75%.  Датчик находится в небольшой герметичной коробке с влажной поваренной солью, температура контролируется термостатом. Поскольку коробка маленькая, а интересующие меня времена составляют часы, то принудительного перемешивания воздуха в коробке не сделано.

Фиг.1

Согласно даташиту, SHT35 имеет точность +/-1.5 %RH typ, или +/-2 %RH max.

[HardEgor 66]

10 часов назад, =AK= сказал:

Датчик находится в небольшой герметичной коробке с влажной поваренной солью, температура контролируется термостатом.

Как обеспечивается герметичность? Ну и влага и соль разве не начнет корродировать схему?

[=AK= 10]

Используется пластиковый контейнер с силиконовым уплотнением, показанный ниже.

Схема не имеет прямого контакта с солью, отделена толстой прослойкой из проницаемого для воздуха пластика. Прослойка сделана из защитной сетки из вспененного пластика, которую надевают на винные бутылки.

 

[=AK= 10]

Тот же сенсор SHT35 в коробке с селикагелем, что называется, "не первой свежести". Значение влажности в этой коробке, согласно другим измерениям, лежит в пределах примерно 17...18 %RH.  На основании многократных измерений разных экземпляров сенсоров SHT35 было замечено, что в установившемся режиме при значении влажности порядка 20 % они завышают показания примерно на 1.5...2 %.

Возможно, что после выдержки в среде с очень низкой влажностью, при переносе в среду с влажностью порядка 20 % получится график, похожий на Фиг.1, т.е. начиная с 1 часа выдержки показания сенсора будут укладываться в обещанные +/- 2 %RH max.

Фиг.2

Надо отметить, что Sensirion меряет точность своих сенсоров весьма своеобразно, что отражено в документе Sensor Specification Statement and Testing Guide.

 

[=AK= 10]

Следующим будет сенсор Texas Instruments HDC3022, который заявлен как "сверхточный" (Accuracy: ±0.5% typical).

Поведение в коробке с влажной поваренной солью. Через час, в течении небольшого интервала времени, он, действительно, очень точно показывал 75 %.

Фиг.3.

В коробке с селикагелем та же история, ровно через час некоторое время его показания были точными.

Фиг.4.

Сенсор HDC3020 без фильтрующей мембраны тоже тестировался, отличий не замечено. Удивительно, но мембрана не оказывает никакого видимого влияния на результаты измерений, по крайней мере, в "медленной" шкале времени, при измерениях раз минуту. В том числе это верно и для SHT35. 

[=AK= 10]

Поведение сенсоров HDC3022 выглядит не таким уж странным, если принять во внимание, как тестируются устройства в аккредитованных тестовых лабораториях. Вот лог, показывающий как тестировалось устройство с сенсором SHT35.

• Предварительно оно было выдержано час при 45%.
• Затем влажность была установлена 20%, и ровно через час тестовая лаборатория зафиксировала показания, которые составили 23%.
• После этого влажность установлена 45%, через час тестовая лаборатория зафиксировала показания, которые составили 48.5%.
• И, наконец, влажность установлена 75%, через час тестовая лаборатория зафиксировала показания, которые составили 75.6%.

В своем отчете лаборатория указала, что тестирование проводилось в соответствии с методом EADA-8.2.35.

Будь на месте SHT35 сенсор HDC3022, он, очевидно, прошел бы этот тест "на отлично".

Фиг.5

Ну а Sensirion, насколько я могу судить, выбрал иной подход, хоть на мой взгляд и странный, но все же, наверное,  чуть менее авантюрный, чем подход тексаса - Sensirion стал встраивать в свои новые сенсоры довольно мощные нагреватели. Нагрев сенсора примерно соответствует помещению его (надолго) в сухую атмосферу.  Остывает сенсор достаточно быстро, но при этом примерно через час после нагрева покажет вполне корректное значение влажности. Правда, через сутки покажет значение, завышенное на 2%, но об этом знают только очень дотошные пользователи.

[=AK= 10]

Сенсор HTE301 фирмы E+E Elektronik. Обозначенные в даташите характеристики довольно неброские: точность +/- 1.8 %RH typ в режиме периодических измерений. Но зато реальные результаты превосходят все ожидания.

Сенсор в коробке с поваренной солью. Колебания показаний в районе 20 часов вызваны падением температуры на 0.5 градусов ночью: термостат не справился - нагреватель слабоват.

 

Фиг.6

Два сенсора в двух коробках с селикагелем. Через 4 часа я поменял сенсоры местами, чтобы убедиться, что разница показаний вызвана в основном не разбросом показаний сенсоров, а разной влажностью в коробках с селикагелем.

Фиг.7

Интересно отметить, что перемена сенсоров местами заняла секунд десять, наверное, однако после такого стресса (влажность в комнате порядка 60 %) сенсоры "приходили в себя" очень долго.

Частично это можно списать на то, что селикагель довольно медленно высасывает лишнюю влагу из воздуха в коробке. Однако если сопоставить поведение графиков в начале теста и после перемены сенсоров местами, становится очевидным, что доминирует совсем иной процесс, происходящий в самом сенсореё, а не в окружающей среде. Начальная реакция датчика на изменение влажности воздуха очень быстрая, секунды, но выход на установившееся значение занимает примерно сутки.

Все рассмотренные датчики - емкостные. Плоский конденсатор состоит из подложки, на которой находится одна обкладка из металла (обычно золота или платины), затем идет диэлектрик из чувствительного к влаге материала, пластика или оксида, поверх которого нанесен второй электрод из пористого металла. Очевидно, идет диффузия молекул воды в диэлектрике: верхние (т.е. обращенные к пористому электроду) слои обмениваются молекулами воды с воздухом очень быстро, но к полному равновесию сенсор приходит только за сутки.

[=AK= 10]

Как иллюстрация того, насколько медленно влага уходит из чувствительного элемента сенсора, график показаний SHT35, пролежавшего сутки в коробке с силикагелем и затем перемещенного в коробку с сухим хлоридом кальция,  CaCl

 

Фиг.8

В даташитах датчиков влажности обычно приводятся два параметра, характеризующие их точность: собственно, сама "точность" и "гистерезис". Реальная точность, очевидно, должна быть  суммой заявленных "точности" и "гистерезиса".

Проблема в том, что никто из производителей  обычно толком не определяет ни то, как он измерял "точность", ни что такое "гистерезис". Кто-то из производителей меряет "гистерезис" через 40 минут после перепада влажности, кто-то через два часа, а большинство просто умалчивает про то, как проводились измерения. Из приведенной выше выдержки из аппнота Сенсириона можно более-менее догадаться, как конкретно этот производитель проводит свои измерения, но выудить из приведенных данных реальные свойства сенсора крайне затруднительно. 

В свете приведенных графиков, здравый смысл диктует, что измерения точности и гистерезиса должны проводиться не ранее чем через сутки после нахождения сенсора при стабильной влажности, но этого, очевидно, никто не делает. Кроме того, неплохо бы иметь значения точности показаний  после какого-то оговоренного перепада влажности - через час при стабильной влажности, но об этом можно только мечтать.

В определенном смысле особняком стоит сенсор HTE301. Согласно даташиту, при работе в периодическом режиме у него отсутствует гистерезис.

В представленном ниже графике фиг.9 сенсор HTE301 в периодическом режиме (одно измерение в 2 секунды, черная линия), после получасовой выдержки при комнатной влажности, был помещен в коробку с влажной поваренной солью (75%), а затем в коробку с влажным ацетатом калия (23%).

Как видим, в оличие от фиг.6 и фиг.7, в этом режиме HTE301 выходит в установившийся режим менее чем за полчаса.

Коробка с ацетатом калия имеет объем 5 литров. Kогда я туда поместил сенсор HTE301, влажность в ней резко скакнула вверх и затем полчаса вoсстанавливалась. Это видно по зеленой линии, которую дал второй сенсор HTE301, заранее помещенный в коробку.

Фиг.9

Полезная справочная табличка украдена с сайта https://www.engineeringtoolbox.com/salt-humidity-d_1887.html

 

[=AK= 10]

Сенсор SHT45 фирмы Sensirion

В коробке с влажной поваренной солью (75%)

Фиг.10

В коробке с селикагелем

Фиг.11

Второй экземпляр сенсора в коробке с ацетатом калия (23%)

Фиг.12

Таким образом, SHT45 набирает влагу гораздо медленнее, чем теряет.

[rudy_b 1]

Еще хороший тест - разместите датчик над водной поверхностью, подержите сутки и посмотрите что он покажет. Затем поместите в тестовые условия и посмотрите сколько времени он будет прочухиваться.

 

 

[=AK= 10]

52 minutes ago, rudy_b said:

Еще хороший тест - разместите датчик над водной поверхностью, подержите сутки и посмотрите что он покажет. Затем поместите в тестовые условия и посмотрите сколько времени он будет прочухиваться.

А какой в этом смысл? Такой тест никак не отражает условий эксплуатации моих пользователей. Чаще всего они используют наши устройства в самых ординарных условиях. Например, контролируют влажность воздуха в музее, и т.п. У них влажность находится в довольно узком диапазоне и не сильно меняется во времени.

Мой интерес - обеспечить их прибором, который в таких условиях покажет корректное значение влажности с точностью не хуже, скажем, 2%. И, одновременно, хотелось бы получить сертификат от аккредитованной лаборатории, который бы более-менее соответствовал реальной точности моего прибора в тех условиях, в которых пользователь его эксплуатирует.

Пока что из продемонстрированных сенсоров лучше всего этим двум противоречивым требованиям удовлетворяет HTE301. Остальные или пройдут тесты, но будут врать пользователю (HDС3020), или завалят тесты, но покажут пользователю правильное значение влажности (SHT45), или и тесты завалят, и будут врать пользователю (SHT35).

[=AK= 10]

Недорогой датчик ENS210 фирмы ScioSense.

В коробке с влажной солью (75%), флюктуации показаний вызваны незначительными (0.1 С) колебаниями температуры. Причина в том, что сам датчик меряет температуру довольно грубо (0.2 С) и время от времени скачками пытается скорректировать показания влажности на основе своих измерений температyры. Через час датчик выдавал 71.5% (горизонтальная линия).

Фиг.13

 

В коробке с селикагелем

Фиг.14

 

[=AK= 10]

Сенсор HTE301 в коробке с влажной поваренной солью. Зеленая линия - влажность, синяя - температура. Через час показания были 73.7%. Сенсор предварительно был выдержан час в комнате с влажностью воздуха более 50%.

Фиг.15.

[vov4ick 35]

Оптические датчики не планируете попробовать?

[=AK= 10]

7 hours ago, vov4ick said:

Оптические датчики не планируете попробовать?

Таких планов нет