Идентификация переходной характеристики ёмкостного датчика относительной влажности воздуха

Представлены результаты решения задачи идентификации переходной характеристики ёмкостного датчика относительной влажности воздуха. Показано, что ёмкостный датчик относительной влажности воздуха является комплексной микропроцессорной системой, которая осуществляет совместную обработку показаний чувствительного элемента абсолютной влажности и датчика температуры. Предложена математическая модель процесса измерения относительной влажности. Переходные характеристики чувствительного элемента абсолютной влажности и датчика температуры заданы в предположении, что они соответствуют апериодическим звеньям первого порядка. На основе соотношений термодинамики, формулы А. Бака и заданных переходных характеристик получены аналитические зависимости, идентифицирующие параметры переходной характеристики ёмкостного датчика относительной влажности воздуха. Проведены натурные эксперименты, результаты которых обработаны и проанализированы в соответствии с предложенной математической моделью. Обнаружен эффект аномальных показаний датчика относительной влажности воздуха: при одновременном ступенчатом изменении влажности и температуры датчик регистрирует изменение относительной влажности с противоположным знаком. Установлено, что причиной возникновения аномальных результатов измерений относительной влажности воздуха является большая кратная разница между постоянными времени отклика чувствительного элемента абсолютной влажности и датчика температуры. Предложены меры по предотвращению аномальных результатов измерений относительной влажности воздуха.

относительная влажность, абсолютная влажность, датчик относительной влажности, датчик абсолютной влажности, датчик температуры, идентификация, постоянная времени, relative humidity, absolute humidity, humidity and temperature sensor, identification, time constant

1. Feng Y., Cabezas A. L., Chen Q., Zheng L. R., Zhang Z. B., IEEE Sensors Journal., 2012, vol. 12., no. 9, pp. 2844-2850. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2202390

2. Ravikant Singh S., Gupta G., Yadav S., Dubey P. K., Ojha V. N., Kumar A., Sensors and Actuators A: Physical, 2019, vol. 295, no. 15. pp. 133-140. DOI: 10.1016/j.sna.2019.05.023

3. Zhou W. H., Wang L. C., Wang L. B., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 15, pp. 5979-5986. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2579644

4. Li X., Chen X., Yu X., Chen X., Ding X., Zhao X. A., IEEE Sensors Journal, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 962-966. DOI: 10.1109/JSEN.2017.2777871

5. Feng Y., Xie L., Chen Q., Zheng L. R., IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 6, pp. 3201-3208. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2385154

6. Yu X., Chen X., Ding X., Zhao X., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018, vol. 67, no. 3, pp. 715-721. DOI: 10.1109/TIM.2017.2784082

7. Qiu X., Tang R., Zhu J., Oiler J., Yu C., Wang Z., Yu H., Sensors and Actuators B: Chemical, 2010, vol. 147, no. 2, pp. 381-384. DOI:10.1016/j.snb.2010.04.012

8. Lu D., Zheng Y., Penirschke A., Jakoby R., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 13-14. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2468082

9. Korenko B., Rothhardt M., Hartung A., Bartelt H., IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 10, pp. 5450-5454. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2444100

10. Soltanian M. R. K., Sharbirin A. S., Ariannejad M. M., Amiri I. S., De La Rue R. M., Brambilla G., Rahman B. M. A., Grattan K. T. V., Ahmad H., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 15, pp. 5987-5992. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2573961

11. Steele J. J., Fitzpatrick G. A., Brett M. J., IEEE sensors journal, 2007, vol. 7, no. 6, pp. 955-956.

12. Wenhe Z., Xuan H., Jianyun W., Liangbi W., Liangcheng W., Journal Micro/Nanolith, Mems moems, 2017, vol. 16, no. 3, pp. 1-9. DOI: 10.1117/1.JMM.16.3.034503

13. Hong H. P., Jung K. H., Min N. K., Rhee Y. H., Park C. W., IEEE Sensors-Taipei, Taiwan, 2012. DOI: 10.1109/ICSENS.2012.6411151

14. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 c.

15. Islam T., Pramanik C., Saha H., Microelectronics Reliability, 2005, vol. 45, no. 7, pp. 697-703.

16. Кирьянов А. П., Коршунов С. М. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Просвещение. 1977. 159 c.

17. Buck A. L., Journal of Applied Meteorology, 1981, vol. 20, no. 12, pp. 1527-1532.

18. Dijksman J. F. Design of Piezo Inkjet Print Heads. From Acoustics to Applications, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2018. 430 p.

19. Капля Е. В. Идентификация и компенсация статических погрешностей фазовых координат элементов оптического энкодера // Измерительная техника. 2014. № 5. C. 13-18.

20. Алхимов Е. А., Довгаль А. Н., Иванова О. Б., Бурцев А. Г., Капля В. И., Носенко В. А. Идентификация электрических параметров печи сопротивления // Измерительная техника. 2011. № 7. C. 46-48.

21. Филлипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. 616 c.

22. Ellis G. Control System Design Guide (Fourth Edition), Waltham: Elsevier Inc. 2012. 498 p.

23. Дэннис Дж., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988. 440 c.

24. Feng Y., Cabezas A. L., Chen Q., Zheng L. R., Zhang Z. B., IEEE Sensors Journal, 2012, vol. 12, no. 9, pp. 2844-2850. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2202390

25. Ravikant Singh S., Gupta G., Yadav S., Dubey P. K., Ojha V. N., Kumar A., Sensors and Actuators A: Physical, 2019, vol. 295, no. 15. pp. 133-140. DOI: 10.1016/j.sna.2019.05.023

26. Zhou W. H., Wang L. C., Wang L. B., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16. no. 15, pp. 5979-5986. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2579644

27. Li X., Chen X., Yu X., Chen X., Ding X., Zhao X., IEEE Sensors Journal, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 962-966. DOI: 10.1109/JSEN.2017.2777871

28. Feng Y., Xie L., Chen Q., Zheng L. R., IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 6, pp. 3201-3208. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2385154

29. Yu X., Chen X., Ding X., Zhao X., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2018, vol. 67, no. 3, pp. 715-721. DOI: 10.1109/TIM.2017.2784082

30. Qiu X., Tang R., Zhu J., Oiler J., Yu C., Wang Z., Yu H., Sensors and Actuators B: Chemical, 2010, vol. 147, no. 2, pp. 381-384. DOI:10.1016/j.snb.2010.04.012

31. Lu D., Zheng Y., Penirschke A., Jakoby R., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 13-14. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2468082

32. Korenko B., Rothhardt M., Hartung A., Bartelt H., IEEE Sensors Journal, 2015, vol. 15, no. 10, pp. 5450-5454. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2444100

33. Soltanian M. R. K., Sharbirin A. S., Ariannejad M. M., Amiri I. S., De La Rue R. M., Brambilla G., Rahman B. M. A., Grattan K. T. V., Ahmad H., IEEE Sensors Journal, 2016, vol. 16, no. 15, pp. 5987-5992. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2573961

34. Steele J. J., Fitzpatrick G. A., Brett M. J., IEEE Sensors Journal, 2007, vol. 7, no. 6, pp. 955-956.

35. Wenhe Z., Xuan H., Jianyun W., Liangbi W., Liangcheng W., Journal Micro/Nanolith, MEMS MOEMS, 2017, vol. 16, no. 3. pp. 1-9. DOI: 10.1117/1.JMM.16.3.034503

36. Hong H. P., Jung K. H., Min N. K., Rhee Y. H., Park C. W., IEEE Sensors-Taipei, Taiwan 2012. DOI: 10.1109/ICSENS.2012.6411151

37. Fraden J. Handbook of modern sensor. Physics designer and application. Third edition. Springer-Verlag, New York, Inc., 2004, 589 p.

38. Islam T., Pramanik C., Saha H., Microelectronics Reliability, 2005, vol. 45, no. 7, pp. 697-703.

39. Kir’yanov A. P., Korshchnov S. M. Termodinamika i molekulyarnaya fizika [Thermodynamics and molecular physics]. Moscow, Prosveshcheniye, 1977, 159 c.

40. Buck A. L., Journal of Applied Meteorology. 1981. vol. 20, no. 12, pp. 1527-1532.

41. Dijksman J. F., Design of Piezo Inkjet Print Heads. From Acoustics to Applications, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018, 430 p.

42. Kaplya E. V., Measurement Techniques, 2014, vol. 57, no. 5, pp. 493-500.

43. Alkhimov E. A., Dovgal A. N., Ivanova O. B., Burtsev A. G., Kaplya V. I., Nosenko V. A., Measurement Techniques, 2011, vol. 54, no. 7, pp. 808-812.

44. Charles L. Phillips, Royce D. Harbor., Feedback control systems. Prentice-Hall, Inc., 2000.

45. Ellis G. Control System Design Guide (Fourth Edition), Waltham: Elsevier Inc., 2012.

46. Dennis J. E., Schnabel R. B., Numerical Methods for Unconstrained Optimization and Nonlinear Equations. Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1983, 378 p.