Математична модель мікроелектронного вимірювача вологості з частотним виходом

Abstract

Розроблено мікроелектронний вимірювач вологості з частотним виходом з вологочутливим резистором HR202. Виконано математичне моделювання характеристик розробленого вимірювача вологості, в тому числі отримано аналітичні вирази для функції перетворення та рівняння чутливості. Досліджено вплив температури на характеристики мікроелектронного вимірювача вологості, в результаті чого встановлено, що зі зростанням температури діапазон відносної вологості та частота генерації розробленого мікроелектронного вимірювача вологості зменшується. Зокрема, найбільшу чутливість вимірювач вологості має при температурі 20 °С, а середнє значення чутливості при температурі 20 °С в діапазоні вимірювання відносної вологості 20÷95% дорівнює 45 кГц/%. Результати моделювання підтверджено отриманими експериментальними даними.

A microelectronic humidity meter with a frequency output signal that includes humidity-sensitive resistor HR202 has been developed. The self-oscillating meter is developed using a transistor structure with negative resistance based on field-effect double-gate and bipolar transistors. Negative differential resistance, which is formed by parallel connection of the inductance and the impedance with a capacitive component on the electrodes of the emitter and collector of the bipolar transistor, causes the occurrence of electrical oscillations in the circuit. The voltage divider is formed by two resistors, one of which is moisture-sensitive. In addition, the electric power supply of fieldeffect and bipolar transistors depends on the magnitude of the variation of the resistance in the moisture-sensitive resistor with a changing of the humidity in the studied environment. The protective capacitor prevents the flowing of AC through a direct voltage source. Consequently, at the moisture-sensitive resistor, the capacitive component of the impedance of the electrodes emitter and collector of the bipolar transistor is changing, that results to an effective change in the frequency of the oscillatory circuit. Mathematical simulation of the measuring device is carried out, that enabled to obtain the analytical expressions of the transfer function and the sensitivity equation. It has been experimentally and theoretically determined that the range of relative humidity and the generation frequency of the developed microelectronic humidity meter decreases, with increasing temperature. The developed humidity meter has the highest sensitivity at a temperature of 20 °C. The average sensitivity at a temperature of 20 °C within the range of measuring relative humidity of 20 ÷ 95% is 45 kHz /%.