какую температуру измеряет датчик s5

Как пользоваться пульсоксиметром

Пульсоксиметр — прибор, который помогает измерять концентрацию кислорода в артериальной крови, этот показатель называется сатурацией кислорода, или SpO₂.

Пульсоксиметр используют при заболеваниях легких, чтобы не пропустить момент, когда уровень кислорода в крови станет опасно низким. От недостатка кислорода страдают все органы и ткани, в первую очередь — сердце и мозг.

Воспаление легких — частое осложнение тяжелой коронавирусной болезни. Однако это не значит, что пульсоксиметр необходим всем без исключения заразившимся людям. В этой статье мы расскажем, кому может пригодиться этот прибор, как им правильно пользоваться, чтобы получить точный результат, и как его правильно выбрать.

Зачем врачи используют пульсоксиметр при коронавирусной болезни

Пульсоксиметр — гаджет 2020 года. В клинической практике он позволяет врачу в спорных случаях своевременно направить пациента на госпитализацию. При госпитализации пульсоксиметрия в числе комплекса исследований помогает принять решение, куда направить пациента, — в обычное или реанимационное отделение, подобрать ему режим кислородотерапии и отслеживать ее эффективность. На этапе реабилитации пульсоксиметрия может быть использована, чтобы оценивать прогресс в переносимости физических нагрузок.

Отслеживать SpO₂ крайне важно, так как при COVID-19 даже тяжелый дефицит кислорода очень часто субъективно переносится достаточно легко, иногда практически бессимптомно.

Кому нужно измерять кислород в крови при коронавирусной болезни

Существуют российские и международные клинические рекомендации — это постоянно обновляющиеся инструкции для врачей о том, как правильно лечить коронавирусную болезнь. В них подробно указано, кому нужно измерять кислород в крови. Клинические рекомендации разных стран могут различаться в деталях, но в ключевых моментах они похожи. Согласно им, людям, которые лечатся от коронавируса дома, смысла использовать пульсоксиметры нет.

Временные методические рекомендации МинздраваPDF, 11,2 МБ

Клиническое ведение COVID-19 — рекомендации ВОЗPDF, 2,1 МБ

Чтобы не пропустить момент, когда станет хуже, достаточно следить за этими тремя симптомами. Но некоторые специалисты считают, что пульсоксиметр может быть полезен в качестве дополнительного средства самоконтроля.

Кому действительно нужен пульсоксиметр

Четыре заболевших человека из пяти переносят коронавирусную болезнь в легкой форме, им измерять SpO₂ в принципе не нужно. Многие будут неправильно пользоваться прибором. При этом, с врачебной точки зрения, нормальные значения SpO₂, измеренные пациентом, не исключают необходимости его осмотра и опроса — как и сообщение о снижении сатурации. Будет ли пациенту психологически спокойнее иметь под рукой пульсоксиметр, или, наоборот, он станет поводом для дополнительных тревог, зависит от психологических особенностей человека.

Вероятно, домашний персональный пульсоксиметр мог бы быть действительно полезным, если:

Как разобраться с показаниями пульсоксиметра

Норма SpO₂ — международный учебник для студентов-медиков

У пациентов в тяжелом состоянии SpO₂ равен 93% или меньше.

В течение дня уровень кислорода в крови может колебаться, поэтому имеет смысл делать измерения как минимум дважды, утром и вечером.

Чтобы результаты можно было сравнить, измеряйте SpO₂ в одной и той же позе, в одно и то же время и на одном и том же пальце одной и той же руки. По некоторым данным, SpO₂ на указательном пальце чуть ниже, чем на среднем пальце той же руки. На пальцах разных рук результаты тоже отличаются.

На какие показатели пульсоксиметра нужно обращать внимание при коронавирусной болезни?

Пропустить сатурацию 93% легко. Пациенты не чувствуют одышки субъективно, зато имеют выраженную слабость, и она является аналогом одышки. Сатурация 93% может не сопровождаться возбуждением и тревогой. Часто при этом пациент просто не может встать и дойти до компьютера, телефона, туалета; испытывает повышенную сонливость.

Повод для повторного вызова врача у пациентов младше 60 лет:

Как работает пульсоксиметр

Принцип работы всех пульсоксиметров одинаковый. Во всех есть источники красного света — диоды, чувствительные к свету датчики и монитор с дисплеем, на который выводится результат.

Пульсоксиметр обычно похож на прищепку, которую нужно цеплять к пальцу. Диоды и датчики у прищепки находятся внутри, а дисплей — снаружи. Когда прищепку надевают на палец, луч света проходит сквозь него. А поскольку насыщенная кислородом артериальная кровь пропускает свет иначе, чем артериальная кровь, в которой кислорода мало, датчик фиксирует отклонение от нормы и выводит результат на экран.

Как правильно измерять сатурацию пульсоксиметром

Измерять сатурацию нужно примерно как давление — правила очень похожи:

У парализованных людей пульсоксиметр-прищепка занижает сатурацию. Для них нужен пульсоксиметр с клеящимися электродами.

Как выбрать пульсоксиметр

В интернет-магазинах можно встретить три типа приборов, которые называются пульсоксиметрами. Для самодиагностики при коронавирусной болезни подходят не все.

Пульсоксиметры-прищепки. Надеваются на палец, предназначены для однократного измерения SpO₂. Работают такие устройства на двух батарейках типа AAA.

Производители обязаны регистрировать пульсоксиметры-прищепки как медицинские изделия и выдавать им регистрационные удостоверения — РУ. Поэтому перед покупкой имеет смысл проверить приглянувшееся устройство в государственном реестре медицинских изделий. Для этого достаточно зайти на сайт Росздравнадзора и ввести название пульсоксиметра в поисковую строку.

В 2016 году исследователи протестировали шесть пульсоксиметров такого типа и пришли к выводу, что в целом они не так точны, как анализы на газы крови, которые делают в больнице. Однако, если у пациента SpO₂ в пределах 90—100%, эти устройства оказались почти такими же точными, как анализы крови. Это значит, что пульсоксиметры можно использовать для самопроверки при коронавирусной болезни.

Пульсоксиметры круглосуточного наблюдения. Эти устройства тоже крепятся на палец, при этом от них отходит шнур, который идет к браслету с монитором. Такие устройства предназначены для круглосуточного мониторинга SpO₂ у лежачих пациентов, их носят не снимая. Питается такое устройство от сети, в среднем выдерживает 500 перезарядок. Пульсоксиметры для круглосуточного наблюдения зарегистрированы как медицинские изделия, у них должно быть РУ.

Эксперимент показал, что пульсоксиметры с браслетом, как правило, помогают получить достаточно надежные результаты даже у людей, которые занимаются домашними делами. Однако движение все-таки мешает определению SpO₂, поэтому иногда прибор ошибается и выдает неправильный результат.

«Прищепки» и «браслеты» никто пока не сравнивал. Но пока кажется, что здоровым людям, которые постоянно двигаются и не лежат в кровати, для самоконтроля при коронавирусной болезни все-таки надежнее использовать пульсоксиметры-прищепки.

Как проверить качество пульсоксиметра

Пульсоксиметры бывают дорогими и дешевыми. Дорогие пульсоксиметры стоят более 20 000 Р и в целом устойчиво выдают точные показатели в условиях воздействия неблагоприятных факторов.

Дешевые пульсоксиметры стоят менее 10 000 Р и делятся на две категории: дешевые хорошие, которые в случае неблагоприятных условий измерения просто выключаются, и дешевые плохие, которые в неоптимальных условиях начинают выдавать ложные значения.

Отличить их друг от друга позволяет простой тест. Если поднять над головой палец с пульсоксиметром во время измерения, то в определенный момент хороший пульсоксиметр отключится. Плохой пульсоксиметр в этой ситуации станет занижать значение сатурации.

Подробнее всего о своем устройстве рассказала компания «Эпл». На задней поверхности часов есть и светодиоды, и датчики. Как и в пульсоксиметрах, светодиоды «просвечивают» артерии, однако свет не проходит насквозь, а отражается от кровеносных сосудов и попадает на датчики, которые передают его в приложение.

Компания «Эпл» планирует выяснить, можно ли использовать умные часы для диагностики и контроля за состоянием при коронавирусной болезни. Однако, пока результатов исследования нет, доверять этому гаджету преждевременно, потому что измерения могут быть неточными.

Предварительные результаты тестирования умных часов с функцией определения SpO₂ пока неутешительны. Обозреватель новых технологий из газеты «Вашингтон-пост» протестировал Apple Watch Series 6 и очень похожие на них часы Fitbit Sense. При каждом тесте он получал разные результаты, которые не совпадали с данными от пульсоксиметра-прищепки.

Ни одни умные часы с функцией пульсоксиметрии, включая Apple Watch Series 6, не зарегистрированы в качестве медицинского изделия. Представители «Эпла» пишут, что умные часы не предназначены для использования в медицинских целях.

Источник

USB термометр RODOS-5S

Цифровой USB термометр RODOS-5S полезен для тех мест, где необходимо измерить одну точку температуры.

Цена: 1350 ₽ с НДС

USB термометр RODOS-5S позволяет получить цифровой термометр, подключаемый к персональному компьютеру через USB-порт. Устройство будет полезно для применения в быту, дома, на даче, в бане. С его помощью можно производить измерения температуры окружающей среды, контролировать рабочую температуру морозильников и холодильных установок, протоколировать измеренную температуру, формировать файл с текущими показаниями в HTML-формате (то есть контролировать текущую через Интернет).

Конструктивно цифровой термометр выполнен в прочном миниатюрном корпусе из ABS пластика. Через USB-разъём термометр подключается к ПК.

Центральная часть термометра – микроконтроллер ATtiny45, работающий на частоте 16.5 МГц.

Рис.1 – Конструкция USB термометра RODOS-5S

Внимание! Проверьте правильность подключения датчиков температуры к винтовому разъему: в случае неправильного подключения возможен их выход из строя.

Устройство поддерживает операционные системы Windows и Linux.

USB термометр RODOS-5 так же выпускается в модификациях:

Данный USB термометр легко интегрируется и работает в системе “НАРОДНЫЙ МОНИТОРИНГ“.

Скачать и ознакомиться с бесплатным программным обеспечением, а так же с более подробным техническим описанием Вы можете нажав на вкладку “Файлы для скачивания“.

Часто задаваемые вопросы по RODOS-5S

Какой интерфейс реализован в сторону компьютера? Этот чип эмулирует COM-порт?

Данное устройство определяется системой как стандартное HID-устройство (USB1.1), работает по уникальному протоколу. Это не COM-порт, поэтому таким образом опросить его не удастся. Но это и не требуется: при работе программы создаётся файл BM1707.temp со значениями даты и времени съёма показаний температурных датчиков, значениями температур на этот момент времени. Кроме того, эти данные накапливаются в файле BM1707.dat. Таким образом, Вам требуется, запустив и настроив программу, только анализировать текстовый файл BM1707.temp.

Как подключить несколько устройств к одному компьютеру?

1. Создаём отдельную папку. 2. Скачиваем в неё (или копируем) программу BM1707.exe не младше 11 версии. 3. Запускаем программу и читаем ID устройства (Вид-Управление, Информация-Идентификатор USB). 4. Закрываем программу, открываем BM1707.ini. Находим в нём [USB] заменяем * на номер устройства (8 символов!). Сохраняем файл, закрываем. 5. Запускаем программу. Ini-файл можно скопировать старый, и добавить в секцию [USB] запись Для запуска 2-ой копии повторяем шаги 1-5.

Какая точность показания температуры у датчика?

Точность сенсора, заявленная производителем ±0,5 °С

Есть ли возможность ввести поправочные коэффициенты?

Такая возможность существует, подробная инструкция как это сделать во вкладке “Файлы для скачивания“, далее “Подробное руководство по программе под Windows к RODOS-5B” пункт 3.4.

USB термометр RODOS-5S производится исключительно на заводе в России и перед тем как попасть к Вам в руки проходит 100% контроль качества с включением и проверкой работоспособности.

Источник

Датчики и микроконтроллеры. Часть 2. Климат-контроль

Продолжим рассказ о датчиках и в этой части рассмотрим разнообразные датчики самых востребованных DIY-сообществом типов — это многочисленные датчики температуры и датчики влажности. Кроме того, затронем датчики давления воздуха и присутствия газов. Приведем описание номенклатуры датчиков и сошлемся на полезную литературу.

Содержание

5. датчики температуры

Ни один проект по автоматике системы климат-контроля не обходится без датчика температуры, главная задача которого — с необходимой точностью выдавать температуру требуемого объекта, будь то воздух в помещении, охлаждающая жидкость, прожаренный стейк или расплавленный металл(В климат-контроле, ага).

5.1 Термопары

Рисунок 1 Термопара типа К для печей сопротивления
А вот так выглядят всеми известные термопары типа К, которые идут в комплекте с мультиметрами(фото из моей коллекции):

Рисунок 2: Термопары типа К для мультиметров.

Рисунок 3: Термопара.

Но здесь появляется первая проблема — ЭДС зависит от разности температур между горячим и холодным спаями, поэтому температуру холодного спая следует знать с необходимой точностью, чтобы определить температуру горячего конца.
Проблему добавляет и то, что фактически, точки подключения термопары к измерительной системе также являются точками спая двух разных металлов, что вносит свою погрешность. Поэтому поместим оба холодных конца рядом, дабы выровнять их температуру и будем контролировать ее еще одним датчиком:

Рисунок 4: Программная компенсация холодного спая

В этом случае, измерив с конечной точностью абсолютным датчиком температуры температуру холодного спая мы программно сможем ее скомпенсировать. Почему нельзя сразу воспользоваться одним абсолютным датчиком? Покажите мне еще один датчик, способный измерить температуру расплавленного металла.
Если абсолютного датчика под рукой нет, а измерять надо, возьмем еще одну термопару, подключим ее последовательно в противофазе и поместим в среду, температура которой нам известна — например вода со льдом:

Рисунок 5: Аппаратная компенсация холодного спая

Но на мой взгляд при наличии широкодоступных точных датчиков температуры использовать бачок с тающей водой, требующей постоянного контроля, немного не технологично. Поэтому в документации встречаются варианты термостатированных холодных спаев, в которых с помощью точного термостата поддерживается заданная температура.

Например, генераторы опорного сигнала «гиацинт», стоящие в советской измерительной аппаратуре представляют собой кварцевый резонатор, обмотанный проволокой высокого сопротивления и помещенный в маленький сосуд Дюарда, в котором поддерживается определенная температура. В результате достигается стабильность частоты до 7-8 знака после запятой.

С проблемой относительности разобрались, теперь попробуем снять показания с термопары. И тут нас поджидают еще две проблемы:
Проблема номер раз — термоЭДС измеряется в микровольтах. Например, для термопары типа K температурный коэффициент составляет 41мкВ/градус. Это означает, что милливольтами запахнет только градусов через 25 разницы температур.
Напомню из прошлой части, что 12-разрядный АЦП при опорном напряжении 3,3В имеет чувствительность 800мкВ. т. е. В нашем случае 20 градусов/деление. Неплохая однако погрешность. Конечно нужно учитывать малый рабочий диапазон выходного напряжения термопары и ставить усилители на базе ОУ, или включать усиление в самом АЦП.

Там возникнут другие сложности вроде точности оцифровки АЦП, собственных шумов аналоговых трактов ОУ и АЦП и т. п. В последующих главах мы подробно рассмотрим вопрос отношения сигнал/шум, а пока можете почитать книгу Data Conversation Handbook, глава 2
Будем следовать одной истине — использовать прецизионные и малошумящие ОУ и АЦП. В списке дополнительной литературы есть множество различных вариантов схем подключения. Однако одна из наиболее распространенных схем в большинстве массовых измерительных приборов — с использованием терморезистора:

Рисунок 6: Использование терморезистора для компенсации температуры холодного спая

Проблема номер два — термопара нелинейна. Нелинейность выглядит следующим образом:

Рисунок 7: Нелинейность термопары

Но благо все в курсе этой нелинейности, каждые поверенные измерения аккуратно занесли в табличку и высчитали точные коэффициенты полиномов вида:

(1)

Для расчета температуры исходя из значения ЭДС и наоборот:

(2)

Для каждого типа термопары в ГОСТ 8.585-2001 заботливо приведены все необходимые коэффициенты аппроксимирующих полиномов для температур относительно 0 градусов цельсия. Вот список коэффициентов полинома для распространенной термопары типа К:

Рисунок 8: Список полиномов для термопары типа К в диапазоне температур от 0 до 500 градусов цельсия

В принципе, особой проблемы посчитать итоговое значение труда не составит, однако если ваш холодный спай болтается в воздухе при неизвестной температуре — кому это надо?

Как итог — термопара — один из лучших датчиков для точного измерения очень горячих, либо очень холодных вещей.

А в моей любимой книге детства — «Радиоэлектронные игрушки» Войцеховского, можно найти описание конструкции термогенератора, от которого предлагается запитать, например, транзисторный радиоприемник. А на марсе от термогенератора аналогичной конструкции, только самую малость потехнологичнее, питается марсоход Curiosity – На Geektimes есть обзорный пост про РИТЭГи.

Рисунок 9: Темроэлектрическая батарея 0,6В 8мА

Минутка бессмысленной и беспощадной практики.

У нас есть отладочная плата на микроконтроллере ATmega1280, пара термопар и желание измерить температуру с хорошей точностью. И у нас это не получится.
АЦП контроллера — 10-разрядный, минимальное опорное напряжение может быть выставлено в 1,1В.
Тогда чувствительностью АЦП составит:

(3)

Аналоговые входы АЦП позволяют работать в дифференциальном режиме с максимальным усилением в 200 раз. Правда с таким усилением опорное напряжение может быть только 2,56В, да и эффективных остается лишь 7 разрядов. Тогда чувствительность АЦП составит:

(4)

Что примерно в 2,5 раза меньше чем чувствительность термопары типа К(41мкВ). т. е. Теоретически, точность измерительного тракта составит не лучше ± 2,5 градусов. Практически, нам помешают шумы. А их согласно таблице 31-8 датащита целых +-10 знаков — т. е. итоговая точность составит не лучше +-25 градусов. Хе-хе. Это мы еще не учли два полуметровых провода до термопар, отсутствие должной фильтрации аналогового питания и питание всей системы от неплохо шумящего USB. Дай скотче хотя бы в ± 50 градусов уложиться.

Напишем программу, которая будет работать на прерываниях (я набросал ее для одного из комментариев). Средой Arduino воспользуемся как загрузчиком:

Рисунок 10: Натурный эксперимент с двумя термопарами, стаканами и скрепками

Для кипятка вокруг одной термопары и стакана с тающим льдом вокруг другой на выходе сплошная каша со средним значением первых двух строк 124 градуса, что очень даже хороший результат — будем считать что в точность +-25 градусов мы уложились.

Рисунок 11: Сырой вывод данных

Разумеется, практической значимости данная халтурка не представляет и для измерения температуры с помощью термопары нужно использовать более точные АЦП. Хорошим встроенным АЦП обладает к примеру микроконтроллер ADuCM360, причем он рассчитан именно на столь малые входные сигналы. Существуют специализированные внешние АЦП для термопар — например компания Maxim Integrated выпускает несколько микросхем для термопар — MAX31850, MAX31851, MAX31855, MAX31856. Есть драйверы и у компании Analog Devices Бюджетным будет вариант использования предварительных усилителей на малошумящих ОУ для нашего АЦП. У меня хорошие результаты показывал LMP2011.

5.2 Термометры сопротивления и терморезисторы

Как известно, сопротивление металла изменяется от температуры окружающей среды. Этот эффект используется для проведения высокоточных (до тысячных долей градуса) измерений температуры с помощью термометров сопротивления. Будучи сделанным не из металла, а из полупроводника, мы получим терморезистор.

Рисунок 12: Платиновые RTD от Honeywell

(5)

Таким образом, зная текущее сопротивление терморезистора и зная его ТКС и номинальную температуру, можно вычислить текущую температуру:
(6)

(7)

А для диапазона 0-850 градусов вида:

(8)

Со следующими значениями коэффициентов:

(9)

Одни из популярных — эталонные платиновые термометры серии 700 от Honeywell. Хотя по стоимости платиновые термометры не из дешевых — от 5$ и выше в зависимости от диапазона температур и точности прибора.

Измерить сопротивление можно различными методами. Наиболее простой и рекомендуемый ГОСТ-ом — измерительный мост с источником напряжения. С другой стороны, подключение к источнику тока и использование дифференциального входа АЦП даст линейность измерений.

Рисунок 13: Различные способы подключениях двухпроводных RTD

Процитирую тов Stross из комментариев к предыдущей части:

Мост можно рассмотреть как два резистивных делителя, включенных параллельно. Один из них задает «опорное напряжение» для второго. И таким образом, при использовании моста вы будете своим дифференциальным АЦП измерять напряжение на делителе не относительно нуля, а относительно некой опоры. Это хорошо скажется на чувствительности — вы сможете задать АЦП больший коэффициент предусиления и добиться того, что рабочий диапазон АЦП будет соответствовать узкому диапазону сопротивлений.

Рисунок 14: Таблица соответствия ТКС, номинального сопротивления и температуры

По этой таблице не составит особого труда построить кусочно-линейную функцию и использовать ее для определения сопротивления.

5.3 Линейные аналоговые преобразователи

Рисунок 16: Точность датчика в зависимости от температуры

Больше про этот датчик особо сказать нечего, так что расходимся.

5.4 Цифровые датчики температуры

Цифровые датчики температуры за своим огромным ассортиментом скрывают удобные интегрированные решения, предоставляющие возможность получать показания температуры в готовом виде посредством цифровых интерфейсов.
Как правило, цифровые датчики температуры подключаются по интерфейсам SPI и I2C. Что касается меня — датчики температуры — это низкоскоростные устройства и тратить на них SPI расточительство.

В качестве примера рассмотрим комбинированный датчик температуры и влажности SHT10:

Рисунок 17: Датчик SHT10 общий вид

Рисунок 18: Погрешность датчика

Но и этот датчик не без косяка — его интерфейс «оптимизирован». Типа для того, чтобы его было удобнее считать. А еще к нему нельзя адресоваться как к I2C устройству.

Благо датчик позволяет подключать себя совместно с другими устройствами и нужно лишь программное переключение протокола общения. На нем остановимся чуть подробнее:

Для старта передачи команды необходимо передать стартовую последовательность:

Рисунок 19: Стартовая последовательность

После стартовой последовательности передается байт команды, состоящий из 0 бит адреса (поддерживается только адрес 000) и 5 бит команды.

Рисунок 20: Список команд

После отправки команды на измерение температуры или влажности, в зависимости от разрядности измерений 8, 12 или 14 бит, процедура измерения займет 20, 80 или 320мс. По завершению процесса измерений датчик притянет линию DATA в ноль и уйдет спать. Как только контроллер получает данный сигнал, путем тактирования линии SCK можно получить два байта данных и байт контрольной суммы(если она активирована), причем по окончанию приема каждого байта необходимо контроллером притягивать землю в ноль. Дапнные передаются с правым вырваниванием, т. е. Для 14-разрядного значения старший бит данных появится только на 5 тик линии SCK. За подробностями отправляю к датащиту.
Датчик температуры имеет линейную характеристику и полученное значение датчика пересчитывается с учетом напряжения питания и наклона характеристики:

Рисунок 21: Расчет температуры

Разумеется, есть датчики температуры с нормальным I2C интерфейсом. Например, LM75A от NXP.

Его диаграмма считывания данных подчиняется базовым принципам I2C:

Рисунок 22: Считывание данных температуры с датчика LM75

Это 11-разрядный датчик, с разрешением 0,125 градуса цельсия, выходные данные хранятся в двух регистрах данных, имеющих определенный адрес. С помощью команд прогтокола I2C для нашего устройства, имеющего адрес 1001XXX (три младших бита выставляются пользователем и позволяют подключать к одной шине до 8 таких датчиков) выставляем указатель адреса регистра с которого начнем производить считывание и с помощью команды чтения считываем два регистра. Полученное знаковое значение умножаем на 0,125 и получаем итоговое значение температуры в градусах цельсия. Удобно.

5.5 DS18B20

Рисунок 23: Цифровой датчик DS18B20

Рисунок 24: Назначение бит конфигурационного регистра

Девятым байтом регистровой памяти идет CRC. Рассчитываемый по следующей формуле на основании первых 8 регистров:

(10)

Для того, чтобы запустить команду вычисления температуры необходимо отправить команду 0x44. По завершению процесса измерения данные будут лежать в первых двух байтах регистровой памяти вплоть до следующего измерения. Считывание 9 байт данных регистровой памяти осуществляется путем подачи команды 0xBE
В целом данный датчик, имея весьма демократичную цену, позволяет, используя длинные линии связи, организовать сеть датчиков, покрывающую ту или иную площадь. Например, можно сеткой разместить датчики в теплице и контролировать температурный градиент внутри нее.

5.6 ИК-датчик температуры

Рисунок 25: ИК-термодатчик

Есть и аналоговые решения. Например датчики TPS333 от Excelitas имеют внутри себя встроенный термистор.

Рисунок 26: датчики TPS333 от Excelitas

Наиболее интересны конечно же бесконтактные ИК матрицы, на основе которых делаются тепловизоры. Например датчик D6T-44L-06 от Omron за 35 долларов представляет собой матрицу 4х4 бит, с помощью которой можно измерить температуру от 5 до 50 градусов на расстоянии до 3метров.

Рисунок 27: Область детектирования

Вот тут есть классная видеопрезентация от производителя:

Разрешение датчика конечно так себе, да и диапазон температур не шибко большой, но свою нишу такая матрица имеет, да и цена лично меня порадовала. Можно взять на заметку.

5.7 Дополнительная литература

6 Датчики влажности

Ни одна система климат-контроля не будет полноценной без измерения относительной влажности воздуха, так как от нее зависит комфорт человека, находящегося в контролируемом помещении. Думаю многим знаком график зоны комфорта:

Рисунок 28: Зона комфорта в помещении

В России допустимые значения температуры и влажности в жилых помещениях регламентируются СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях»(Приложение 2).
Задача датчиков влажности — определить относительную влажность воздуха. Относительная влажность воздуха — это отношение парциального давления водяного пара в воздухе к равновесному давлению насыщенных паров при данной температуры:

(11)
Где — парциальное давление паров воды в воздухе, — равновесное давление насыщенного пара.
Есть несколько способов измерить влажность воздуха.
Конечно же стоит упомянуть классические психрометры — сборка сухого и влажного термометра, по разности показаний которых довольно точно определяется текущая влажность воздуха. Никто не запрещает взять два датчика температуры, один из них снабдить сырой ваткой и на основе их показания вычислять влажность.

Рисунок 29: Психрометр

Далее следуют механические гигрометры, где в качестве чувствительного элементы выступает обезжиренный волос либо полимерная пленка, изменяющие свою длину в зависимости от влажности.

Но нам больше интересны решения с электрическим сигналом на выходе.
Такие сенсоры реагируют на влажность изменением емкости или сопротивления гигроскопичного материала, насыщаемого влагой в количестве, пропорциональном парциальному давлению пара измеряемого воздуха. Широкое распространение получили именно емкостные датчики. Поэтому только их мы и рассмотрим.

Рисунок 30: Структура датчика влажности.

6.1 Датчики влажности с емкостным выходом

Самый простой по своей сути датчик. Представляет собой конденсатор с изменяемой емкостью. Емкость такого конденсатора в первую очередь зависит от влажности. Но не последним показателем является температура воздуха. Например, для датчика серии HCH-1000 от Honeywell чувствительность датчика составляет в среднем 0,6 пФ/%RH. При этом температурный коэффициент составляет 0,16пФ/градус. Наглядно, график изменения емкости выглядит следующим образом:

Рисунок 31: Изменение емкости датчика HCH-1000

В отличие от сопротивления. Емкость измерить гораздо сложнее. Точные профессиональные приборы — измерители иммитанса (RLC-метры) — не самое дешевое оборудование.

Простой способ измерения емкости — определение скорости заряда и разряда RC цепочки. Определяя с необходимой точностью постоянную времени заряда и зная точное сопротивление резистора, мы можем определить емкость конденсатора.

Рисунок 32: заряд конденсатора

Так как наша емкость изменяется в пределах 300-360пФ, для получения постоянной времени в 1-2мс (что будет легко поймать большинством таймеров и АЦП) потребуется сопротивление . При таком методе измерений нам требуется с необходимой точностью измерять текущий уровень заряда конденсатора, а также отмечать время, за которое конденсатор достигнет значения 63,2%. Процедуру для надежности можно повторить несколько раз.

Есть еще один способ, правда менее стабильный: раз мы измеряем период, то пусть у нас будет импульсный сигнал. Пусть емкостной датчик отвечает за частоту генерации сигнала. Изменяется влажность — изменяется выходная частота. На выходе буферного элемента D1.3 будет сигнал, частота которого зависит от емкости нашего датчика. Единственный вопрос к точности пороговых напряжений логических элементов. К слову, точность самого датчика HCH-1000 ±2%.

Рисунок 32: Простой генератор на логике

Не забудем, что для повышения точности показаний необходимо учитывать текущие показатели температуры.

6.2 Датчики влажности с выходом по напряжению

Электронная промышленность уже поработала за нас и создала приборы, выдающие готовый аналоговый сигнал. Примером таких датчиков являются датчики HIH-4010 от Honeywell, с точностью ± 8%.

Рисунок 33: Датчики влажности с выходом по напряжению. Общий вид

Для таких датчиков в датащите указываются графики зависимости выходного напряжения от влажности:

Рисунок 34: Зависимость выходного напряжения датчика от влажности

6.3 Датчики влажности с цифровым выходом

Последним нашим датчиком в этой категории будет цифровой датчик влажности.
Один из них мы уже рассмотрели в секции датчиков температуры — это SHT1x. Однако, существует множество комбинированных датчиков влажности и температуры и честно говоря мне не попадались цифровые чисто датчики влажности, что впрочем неудивительно — одно без другого никуда.

Продолжим наш дискус касаемо расчета влажности с датчика SHT1x. Получаемые с этого датчика необходимо преобразовать. В датащите указаны необходимые формулы:

(12)

И коэффициенты полинома:

Рисунок 35: Коэффициенты полинома для версии V4

Следует отметить, что относительная влажность зависит от температуры и требует корректировки по следующей формуле:

Рисунок 36: Корректировка относительной влажности в зависимости от температуры

7 Датчики давления

Датчик давления — это датчик, регистрирующий давление измеряемой среды, которой может быть воздух, газ или жидкость.

В зависимости от задачи, может потребоваться измерять как абсолютное давление, давление относительно атмосферного давления, и дифференциальное давление — т. е. разницу давлений между двумя точками измерения.

Рисунок 37: Давление.

Датчик давления представляет собой чувствительный элемент, помещенный между двумя камерами — в одной присутствует измеряемое давление, в другой — опорное. В абсолютных датчиках воздействие на кристалл идет только с одной стороны. Рассмотрим схему датчика MPX2100 от Freescale в разрезе:

Рисунок 38: Конструкция относительного и абсолютного датчика давления

На рисунке показан чувствительный элемент, который под разницей давлений изменяет свои свойства. Есть несколько видов чувствительных элементов. Один из самых распространенных — тензорезистивный — изменение сопротивления материала под воздействием деформации. Часто в качестве материала такого датчика берется монокристалл кремния. Одной из проблем является зависимость сопротивления датчика от температуры, но, как правило, во всех датчиках присутствует термокомпенсация.

Другой чувствительный элемент под воздействием давление изменяет свою емкость. В секции датчиков влажности мы уже обсудили, что данный метод проблематичен для последующих измерений, да и датчики давления с емкостным выходом мне ни разу не попались.

Также есть пьезоэлектрический эффект, где чувствительный элемент генерирует напряжение под воздействием определенного давления. У меня кстати есть один такой — он установлен в зарядной станции ЗД-6 комплекта индивидуальных дозиметров ИД-1. Зарядное устройство содержит 4 параллельно соединенных пьезоэлемента и механический усилитель, давящий на пьезоэлементы; давление создается вращающейся ручкой. Он используется для генерации напряжения в 180-250В для заряда дозиметра

Рисунок 39: Измеритель дозы ИД-1

Есть датчики и других типов — индуктивные, резонансные и прочие, но они встречаются в очень промышленных объектах и мы их рассматривать в рамках данной статьи не будем.

7.1 Аналоговые датчики давления

На выходе аналоговых датчиков давления присутствует уровень тока или напряжения, которое необходимо подать на измерительный тракт нашего прибора.
Сделаем небольшое лирическое отступление и упомянем датчики с промышленными уровнями аналогового сигнала 0-10В и 4-20мА, предназначенные для подключения к промышленной автоматике. Суровые промышленные датчики видно сразу:

Рисунок 40: Суровые промышленные датчики давления

Однако схема их включения аналогична всему тому, что было описано в разделе 3:

Рисунок 41: Подключение промышленного датчика

Установив делитель напряжения, либо подобрав шунтирующее сопротивление так, чтобы уровень выходного сигнала соответствовал входному диапазону АЦП, эти датчики можно подключать и к обычным микроконтроллерам.

С датчиками давления построенными по мостовой балансной схеме часто имеется та же проблема, что и с термопарами — многие датчики выдают всего порядка 40мВ на весь свой диапазон. Например вот так выглядит зависимость выходного напряжения от давления для датчика MPX2100:

Рисунок 42: Зависимость выходного напряжения датчика от давления

Так что вооружаемся дифференциальным малошумящим АЦП и вперед.

С другой стороны существуют более удобные, но и более дорогие датчики, имеющие на выходе сигнал 0-5В, или 0-3.3В и подобные в зависимости от напряжения питания.
К таким датчикам относится 40PC от Honeywell:

Рисунок 43: датчик серии 40PC от Honeywell

7.2 Цифровые датчики давления

Цифровой датчик давления позволяет получать все данные более технологичным способом. Суть его та же — пьезорезистивный мост, дифференциальный АЦП и интерфейс.

Вот так выглядит внутри MEMS-датчик LPS331 от ST в корпусе 3х3х1мм:

Рисунок 44: Структурная схема датчика давления LPS331

Все цифровые датчики давления имеют встроенный датчик температуры и, соответственно, термокомпенсацию. Чувствительность конкретно этого датчика давления — ± 200Па. Разумеется температуры с этого датчика также доступна, с точностью ± 2 градуса.

Одно из применений датчика давления — это барометрическая альтиметрия — т. е. определение относительной высоты. Как известно, с изменением высоты уменьшается давление воздуха. Так что выставим на земле нулевую высоту и поднявшись ввысь, или опустившись внизь можно определить пройденный путь.
Зависимость давления воздуха от высоты выглядит следующим образом:

Рисунок 45: зависимость давления воздуха от высоты

Рисунок 46: Через несколько минут они покажут 4500. Метров.

8 Датчики присутствия газов

Рисунок 47: датчик присутствия газа

Датчик определенного типа рассчитан, как правило, только на один конкретный газ, так что если вы хотите контролировать различные газы, то нужно использовать несколько датчиков.

Наибольшее распространение имеют различные датчики FIGARO, так что именно их и рассмотрим на примере датчика угарного газа TGS2442. Чувствительным элементом таких датчиков является оксид олова (SnO2). Датчик имеет многослойную структуру.

Рисунок 48: Структура датчика газа

Сначала идет селективный фильтр, пропускающий целевой газ и уменьшающий влияние других газов. После имеется камера с чувствительным элементом о четырех контактах. Два контакта предназначаются для нагревателя и еще два — для резистора, сопротивление которого зависит от концентрации газа.
Подключение датчика производится следующим образом:

Рисунок 49: Подключение датчика газа

Точность определения концентрации напрямую зависит от точности времени подогрева и времени снятия сигнала. Обе цепи подключаются к питанию на короткое время чтобы предотвратить перегрев чувствительного материала.
На нагреватель подается напряжение в 4.8В каждую секунду, длительностью 14мс. Средний ток нагревателя 200мА. За 5мс до включения нагревателя на 5мс включается схема измерителя и производится замер сопротивления.

Рисунок 50: Цикл работы датчика газов

Итоговая концентрация газа определяется в зависимости от отношения измеренного сопротивления к сопротивлению при концентрации газа 100 пропромилле. Зависимость хорошо видно на следующем графике:

Рисунок 51: Чувствительность к газам. Ro = Rs при 100 ppm CO

Данная часть получилась больше справочной чем практической, но я надеюсь что этот материал поможет в выборе типа датчиков для вашей будущей системы климат-контроля.

В заключительной части цикла про датчики я расскажу о датчиках тока и напряжения, знания о которых мы применим при создании самодельного прибора учета электроэнергии и расчете энергетических параметров. Вопросы анализа частоты, реактивной и активной мощности, коэффициента мощности и гармонических искажений я решил разбить и вынести в отдельный цикл.

Источник