デジタル湿度センサーで環境を追跡する

投稿日三月 15, 2019
更新日六月 25, 2023

微量ガスの測定を行う場合、理想的な環境や敏感な化学反応を作り出す場合、または厳しい環境のシステムにフィードバックループを構成する場合でも、湿度センサーはシステムにおいて重要な役割を果たします。デジタルおよびアナログの湿度センサーが利用可能ですが、デジタル湿度センサーはデジタル電子システムとの通信を簡素化します。

現在では、ほとんどの湿度センサーは圧力センサー、温度センサー、またはその両方と組み合わされています。一部の湿度センサーは、水蒸気の存在が特定の大気化学反応の触媒として機能するため、大気測定用のガスセンサーと組み合わされていることもあります。これにより、ガス監視が実際の懸念事項であるさまざまな環境にシステムを適応させるための、システム設計者に大きな柔軟性が与えられます。

デジタル湿度センサーおよび組み合わせセンサーは、さまざまなアプリケーション向けの多様なフォームファクターで提供されています。密閉された環境システムを構築する場合、環境室の外部にあるPCBまたはDAQモジュールに接続される温度プローブを使用できます。また、これらのセンサーは、カスタムPCBや評価ボードに直接配置できるICとしても提供されています。

応答と信号出力

ICにパッケージされたデジタル湿度センサーは、一般に相対湿度で3％以内の精度であることが多いですが、この精度範囲は非常に高温または低温で1〜2％増加することがあります。非常に正確な分析グレードの測定が必要な場合は、プローブ型の湿度センサーの使用が推奨されます。これらのセンサーは、安定した湿度読み取りを提供するために内部で多数の測定を行うため、応答時間が長くなることがあります。

最も単純な湿度センサーは、ADCで読み取ることができるアナログ信号を出力するか、内部ADCから出力されるデジタル信号を出力します。マイクロコントローラーとのインターフェースが必要な場合、多くの湿度センサーICはI2CまたはSPI経由でデータを送信します。SPIを使用するオプションにより、これらのデバイスをセンサーネットワークに簡単に統合し、アドレスの衝突を防ぐことができます。

湿度、ガス、位置、およびCO2センサーのセット

湿度センサーを選択する際に考慮すべきパラメーター

環境センサーは、他の電子システムが決して踏み入れない場所に行く必要があるかもしれません。そのため、動作温度や圧力などの問題を考慮する必要があります。PCB上に配置されたICとしてパッケージされた湿度および湿度/温度組み合わせセンサーは、このセンサーが非常に湿度の高い環境で使用される場合、特にボードの敏感な領域に結露が発生しないように、パッケージングされるべきです。

もう一つの問題は、テスト環境における腐食性ガスの存在です。一部の環境には腐食性ガスが含まれており、水は金属部品の腐食の触媒として機能することがあります。この場合、PCB上にICを配置するのではなく、プローブ型の湿度センサーを使用することを検討するかもしれません。これは、プローブをコントローラーボードやDAQモジュールから隔離する方が簡単だからです。

複数の電子部品やセンサーを使用してシステムを構築している場合、データ処理のために別のマイクロコントローラーを必要としないプローブ型デジタル湿度センサーは、LabVIEWとの統合が容易です。これらのセンサーからの出力は一般に、特定の湿度範囲にわたって線形応答を持つADCからの直流電圧であり、出力信号と湿度の実際の値との間の簡単な変換を可能にします。

Sensiron, SHTC1

SHTC1は、湿度/温度センサーが一体となった製品で、コンパクトなフットプリントの表面実装ICとしてパッケージされています。非常に正確な湿度測定には適していませんが、その価格は十分に低く、大量消費者向けアプリケーションに登場することがあります。このセンサーは、最大400 kHz SCLクロック周波数での高速I2Cデジタル通信をサポートしています。電源供給ピンとグラウンドピンを100 nFのキャパシタでデカップリングすることを確認してください。Sensironは、このコンポーネントの評価ボードも販売しています。

SHTC1は、サイズ、消費電力、および価格対性能比の従来の限界を克服するように厳密に設計されており、現在および将来の要件を満たすためにです。SensirionのCMOSens^®技術は、キャパシティブ湿度センサー、バンドギャップ温度センサー、アナログおよびデジタル信号処理、A/Dコンバーター、校正データメモリ、およびI2Cファストモードをサポートするデジタル通信インターフェースを含む、単一チップ上の完全なセンサーシステムを提供します。

Sensiron SHTC1データシートの6ページからの典型的なアプリケーション回路

Texas Instruments, HDC1080

HDC1080は、6ピンICパッケージで低消費電力で非常に正確な湿度および温度測定を提供します。システムの消費電力が懸念される場合、このセンサーはアクティブ時に約100 uA、スリープモードでは100から200 nAで動作します。I2C経由の8、11、または14ビットのシリアル通信により、このセンサーは高解像度の測定を提供します。ただし、大規模なネットワークにこのセンサーを統合する場合、アドレス衝突のリスクがあります。

HDC1080の主な特徴の一つは、低消費電力であり、これによりデバイスはバッテリーやパワーハーベスティングアプリケーションに適しています。これらのアプリケーションではHDC1080はほとんどの時間をスリープモードで過ごし、スリープモードでの典型的な100nAの電流消費により、平均電流消費は最小限に抑えられます。測定モードでの低消費電力は、自己発熱を最小限に抑えます。

HDC1080データシートの9ページに記載されている

Adafruit Industries, BME680

非常に汎用性の高い組み合わせセンサーの一つに、Adafruit BME680があります。これは、湿度、温度、VOCガス、気圧を一つのボードで検出するセンサーです。このボードは、I2CおよびSPI通信オプションを内蔵しており、小型フォームファクターで、Arduinoを含む任意のマイクロコントローラに配線することができます。センサーが多数あるシステムでアドレス衝突を避けるために、I2C通信は最大3.4 MHz、SPI（3または4線式）は最大10 MHzで使用できます。

Adafruitは、このボードをPythonやCircuitPython BME680モジュールで簡単に制御できるようにしました。このモジュールを使用すると、湿度、温度、VOC濃度、圧力をセンサーから簡単に読み取るPythonコードを書くことができます。さらに、測定された圧力を海面の圧力と比較することで、気圧読み取りを使用して高度を計算することもできます。このセンサーは、任意のCircuitPythonマイクロコントローラボードで使用できます。

BME680には、小型のMOXセンサーが含まれています。加熱された金属酸化物は、空気中の揮発性有機化合物（VOC）に基づいて抵抗値が変化するため、エタノール、アルコール、一酸化炭素などのガスやアルコールを検出し、空気品質の測定を行うことができます。ただし、全体的なVOC含有量を示す1つの抵抗値を提供するだけで、ガスやアルコールを区別することはできません。