Устройство для измерения температуры, относительной влажности и освещенности Советский патент 1992 года по МПК A01G7/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам контроля параметров вегетационных климатических установок или фитотронам малого объема.

Известно устройство для измерения параметров внешней среды и физиологических функций растений в микрофитбтронах, содержащее набор датчиков температуры и измерительного блока, позволяющее определить температуру воздуха (листьев, стеблей, корней), относительную влажность воздуха и скорость транспирационного потока по стеблю.

Однако, данное устройство не позволяет получить информацию о нескольких измеряемых величинах с малых по объему участков объекта исследований и препятствует дальнейшей миниатюризации фитотро- нов и различного рода климатических установок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения температуры и

влажности воздуха, содержащее многофункциональный датчик, выполненный в виде плода растения, ости которого механически связаны с индуктивным преобразователем, и измерительный блок, состоящий из мостовой измерительной схемы постоянного тока, выход которой соединен с входом первого усилителя постоянного тока, генератор переменного тока, усилитель переменного тока, выход которого подключен к входу выпрямителя, блок управления, первый вход которого соединен с установочным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового индикатора. Несмотря на то, что в устройстве для измерения двух величин«ис- пользован один многофункциональный датчик - конструктив, он не может быть выполнен достаточно миниатюрным, так как датчик нельзя выполнить на основе современных технологических методов производства с использованием интегральной технологии. Это связано в первую очередь с

ю ю ho

трудностью изготовления индуктивного преобразователя в микроэлектронном исполнении. Наличие в датчике проволочного элемента - индуктивного преобразователя, механических подвижных узлов снижает на- дежность устройства в целом. Далее при исследовании растений в микрофитотронах (с использованием известного устройства) при условии воздействия электромагнитных полей погрешность измерения влажности увеличивается, так как параметры индуктивного преобразователя изменяются. Устройство требует специальной индивидуальной градуировки и поверки, так как чувствитель- ные элементы (плоды растений) трудно идентифицировать вследствие того, что их параметры из-за видовых и других различий могут резко отличаться друг от друга. Устройство обладает неширокими функциональными возможностями, так как не позволяет регистрировать освещенность в фитокамере. Получение информации о видимом излучении - фотосинтетически активной радиации (ФАР) крайне важно при исследовании растений, так как под его дей- ствием образуется основная масса растительной продукции. Энергия ФАР является необходимым условием существования и нормальной жизнедеятельности растений, помещенных в фитотрон.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, представляющий собой фотоэлемент структуры металл - диэлектрик - металл в виде пленочного конденсатора, состоящего из подложки 2, обкладки 3, диэлектрика 4, обкладки 5 с контактными пло- щадками 6 и 7 и выводами 8-10, и измерительный блок, состоящий из первого электронного коммутатора 11 с ключевыми элементами 12-16, второго электронного коммутатора 17 с ключевыми элементами 18-20, первого 21 и второго 22 усилителей постоянного тока, мостовой измерительной схемы 23 постоянного тока с резисторами 24-26 и источником 27 постоянного тока, генератора 28 переменного тока, усилителя 29 переменного тока, выпрямителя 30, аналого-цифрового преобразователя 31, цифрового индикатора 32 и блока 33 управления.

Элемент 1 может быть выполнен, на- пример, путем вакуумного последовательного напыления на подложку 2 из ситалла структуры Ti - TiOa - Аи (титан - двуокись титана - золото), при этом обкладка 3 выполняется из титана, диэлектрик 4 - из окиси

титана, вторая обкладка 5 - из золота. Обкладка 5 выполнена в виде меандра и представляет собой пленочный термометр сопротивления, на которой нанесены две контактные площадки 6 и 7, к которым методом компрессионной сварки приварены выводы 8 и 9 из золота. Обкладка.3 также может содержать контактную площадку, к которой приварен вывод 10.

Работает устройство следующим образом.

Ввиду того, что обкладки 5 выполнены в виде пленочного термометра сопротивления, то в зависимости от изменения температуры меняется активное сопротивление этого термометра (выводы 8 и 9). При измерении относительной влажности воздуха влага сорбируется диэлектриком 4, так как он имеет микропоры, при этом диэлектрические свойства его изменяются, а следовательно, изменяется его проводимость между обкладками 3 и 5 (выводы 8 и 10). Т.е. при измерении влажности чувствительный элемент 1 представляет собой емкостный микроэлектронный датчик влажности на основе окислов металлов. При измерении искусственной освещенности чувствительный элемент 1 работает как фотоэлемент, так как в системе металл - диэлектрик - металл возникает фотоэффект, который находит объяснение в том, что фотоэлектроны возбуждаются в металлических электродах. Так как длина волны поглощения горячих электронов мала, создающие фотоэффект электроны возбуждаются у поверхности раздела металла с окислом. После возбуждения электроны проникают в диэлектрик через трапецеидальный барьер, образующийся в системе металл - диэлектрик - металл. Таким образом, при воздействии электромагнитного излучения (видимая часть спектра) на обкладках чувствительного элемента 1 (выводы 10 и 8) возникает ЭДС.

Процесс измерения физических величин разбит на несколько тактов. В первый такт по команде блока 33 ключевые элементы 13 и 14 первого коммутатора 11 и ключевой элемент 19 второго коммутатора 17 устанавливаются в положение замкнуто, остальные ключевые элементы коммутаторов 11 и 17 - в положение разомкнуто, АЦП 31 устанавливается в исходное состояние. Обкладка 5 подключается к мостовой измерительной схеме 23 и на ее измерительной диагонали возникает напряжение, несущее информацию о измеряемой температуре. Начальное сопротивление термометра выбирается таким, что остаточное сопротивление ключевых элементов 13 и 14 первого

коммутатора 11 не оказывает влияния на погрешность измерения температуры. Напряжение с измерительной диагонали усиливается первым усилителем 21, который выполняет и функцию нормирования передаточной характеристики канала измерения температуры (в соответствии с принятой шкалой измерений температуры, например Цельсия), а при необходимости и функцию линеаризации этой характеристики. С выхода усилителя 21 через нормально замкнутый ключевой элемент 19 напряжение поступает на информационный вход АЦП 31, который преобразовывает это постоянное напряжение в цифровой код и информация о температуре отображается на цифровом индикаторе 32. Во второй такт производится измерение влажности воздуха, при этом ключевые элементы 12 и 15 первого коммутатора 11 и ключевой элемент 18 второго коммутатора 17 устанавливается в положение замкнуто, остальные ключевые элементы - в положение разомкнуто, АЦП 31 устанавливается в исходное состояние, информация о измеряемой температуре сбрасывается. В данном случае структура чувствительного элемента 1 выступает в качестве чувствительного элемента влажности (3-4-5), т.е. на диэлектрик 4 через обкладки 3 и 5 подается переменный ток с генератора 28, молекулы воды абсорбируются гигроскопным диэлектриком 4, вызывая изменение его диэлектрических характеристик и соответственно его проводимости. Ввиду того, что на диэлектрик подается стабильный электрический сигнал (ток), падение напряжения на выводах 8 и 10, несет информацию о изменении относительной влажности воздуха. Это падение напряжения усиливается усилителем 29, который может содержать элементы компенсации начальной составляющей входного напряжения, для обеспечения нулевого сигнала при принятой нулевой влажности. Выходное переменное напряжение, пронормированное в соответствии с шкалой измерения влажности, преобразовывается с помощью выпрямителя 30 в постоянное напряжение и через нормально замкнутый ключевой элемент 18 второго коммутатора 17 поступает на информационный вход АЦП 31, где преобразовывается в цифровой код и информация о измеряемой относительной влажности воздуха отображается на цифровом индикаторе 32. Нормирующий усилитель 29 также может проводить операцию линеаризации передаточной характеристики канала измерения влажности. Следует заметить, что при измерении влажности на обкладках 3 и 5 чувствительного элемента

возникает паразитное медленно меняющее напряжение от воздействия третьей измеряемой величины освещенности (или упругого электромагнитного излучения оптического диапазона), Чтобы данное напряжение не оказывало влияние на процесс измерения влажности, применяются известные приемы, например на входе усилителя 29 устанавливают узкополосный фильтр,

0 настроенный на частоту генератора 28.

В третий такт производится измерение освещенности, при этом АЦП 31 устанавливается в исходное состояние, ключевые элементы 16 и 15 первого коммутатора 11 и

5 ключевой элемент 20 второго коммутатора 17 устанавливаются в положение замкнуто, остальные ключевые элементы коммутаторов 11 и 17 - в положение разомкнуто. Выходной сигнал с обкладок 3 и 5

0 чувствительного элемента 1 (выводы 8 и 10) усиливается вторым усилителем 22, который также выполняет функцию нормирования передаточной характеристики канала измерения освещенности и при необходимости

5 операцию линеаризации этой характеристики. Напряжение, несущее информацию об освещенности, с выхода усилителя 22 через нормально замкнутый ключевой элемент 20 второго коммутатора 17 поступает

0 на вход АЦП 31, где преобразовывается в цифровой код, и информация о уровне освещенности отображается на цифровом индикаторе 32. В данном такте чувствительный элемент 1 выступает в качестве источника,

5 напряжение которого изменяется от изменения освещенности. При изменении влажности изменяется внутреннее сопротивление источника (проводимость диэлектрика 4), поэтому, чтобы на процесс

0 измерения освещенности не оказывали влияние возможные вариации влажности, входное сопротивление усилителя 22 выбирается большим. Далее все такты измерения повторяются. В случае, если динами5 ческие характеристики практически реализованного датчика при измерении влажности не удовлетворяют заданным требованиям, не исключено использование термометра сопротивления в качестве подо0 гревателя для интенсивного испарения влаги в промежутках между измерениями. Это может осуществляться с помощью извест- . ных приемов, например подключением термометра к источнику переменного тока и

5 т.п.

Таким образом, устройство имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надежность работы. Более простое выполнение устройства позволяет измерять три физические величины, а все это расширяет

функциональные возможности устройства в целом.

Формула изобретения Устройство для измерения температу- ры, относительной влажности и освещенности, содержащее чувствительный элемент и измерительный блок, включающий мостовую измерительную схему постоянного тока, выход которой соединен с входом первого усилителя постоянного тока, генератор переменного тока, усилитель переменного тока, выход которого подключен к входу выпрямителя, блок управления, первый вход которого соединен с установочным входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового индикатора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, чувствительный элемент вы- полней в виде пленочного конденсатора

(структуры металл - диэлектрик - металл), одна из обкладок которого имеет два вывода, а измерительный блок снабжен первым и вторым коммутаторами, вторым усилителем постоянного тока, причем выводы соединены с коммутационными входами первого коммутатора, коммутационные выходы которого подключены соответственно к входам мостовой измерительной схемы, усилителя переменного тока, второго усилителя постоянного тока и выходу генератора переменного тока, а выходы выпрямителя, первого и второго усилителей постоянного тока соединены соответственно с коммутационными входами второго коммутатора, выход которого подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, причем второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами первого и второго коммутаторов.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к универсальным средствам измерения физических параметров. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей. Она достигается тем, что чувствительный элемент 1, выполнен в виде напыленного на подложку 2 структуры Ti - ТЮ2 - Аи и работает как фотоэлемент или изменяет свои свойства при изменении влажности. Изменение освещенности приводит к генерации постоянного напряжения, которое регистрируется как и другие параметры на цифровом индикаторе 32.

I 3 Ч