湿度計

秋月のキット

  1. センサー湿度90%のインピーダンスを20Kオームとしていますが、 これは片対数グラフの読み間違いです。正しくは2Kオームです。 これは致命的な誤りで設計ミスであり、調整が正しく行われるはずがありません。
  2. センサーへ供給する三角波の電圧が0.1Vpp程度と低いため、 オペアンプのオフセット電圧、ノイズなどの影響で正しい値を引き出せません。 湿度30%-90% を 電圧100mV-0.2mV に変換するように設計されていますが、 LM324 オペアンプのオフセット電圧は 3mV 程度あるので、これ以下の電圧は 正しく扱うことができません。おそらく湿度50%以上はまったくあてにならない 数値になります。(たとえ正しく調整したとしても)

回路設計のポイント

実用的な湿度計を目標に回路設計しました。
  1. センサーへの供給電圧はデータシートの測定のとおり、最大1 Vpp としました。 これにより、オペアンプの扱う電圧範囲は 1V - 2mV になります。 オフセット電圧が 3mV 程度ですので、これでも微妙です。本来ならもっと オフセット電圧の低い、高性能なオペアンプを使用するべきですが、 アマチュアであることと、そもそもセンサーが完全に対数変化しない ことによる誤差を考えれば、これくらいの誤差はあきらめます。 直読できるように湿度30%-90% を 電圧0.3V-0.9V に変換します。
  2. ログアンプの特性をセンサーの中ほどに設定しています。 これは46%-68%の領域にあたり、この範囲では精度が良いはずです。 室内の湿度は通常この範囲にあることも考慮してのことです。 湿度の両側がもっとも誤差が大きくなります。
  3. ログアンプで温度補償をしています。抵抗2Kを同じ程度の抵抗を持つ サーミスタに変更するとさらによいでしょう。
  4. 部品は入手が容易なことと、安価であることに配慮しました。 LM324の代わりにNJM2902でもかまいません。
  5. できるだけ再現性がよく、しかも調整が容易であるように配慮しました。

回路図


注意事項

  1. ログアンプ、三角波、絶対値のオペアンプは同じICパッケージ内で構成してださい。 これは特性をあわせるためです。(回路図ではICピンの自動割り振りを行っていますので 好ましくありません。)
  2. 2mV という微小電圧を扱うので、ノイズに注意して配線ください。
  3. ログアンプのトランジスタは同じ特性のものが好ましいです。 同じロットのものを使用するといいでしょう。なお、Y ランクで 回路を設計しています。GR ランクは使えません。 できればエポキシ樹脂で2つのトランジスタを温度結合すると良いでしょう。
  4. 実用に耐える程度の湿度計ですが、完全に誤差を取り除くことはできません。 特に両端では10%程度の誤差があると思ってください。 そもそもセンサー(HS15P)の特性があまりよくないため、高性能なオペアンプを 使用しても精度は期待できません。
  5. オペアンプは単電源で動作しますが、ログアンプなどでマイナス電源が必要と なるため、仮想的なGNDを生成しています。この仮想 GND を基準にしてオペアンプ が動作しています。出力を外部で使用するときにはご注意ください。 もう一段、オペアンプを入れてオフセット調整すると扱いやすくなります。

調整方法

  1. VR1が三角波のデューティ比調整です。センサーの代わりに 1Mオームを接続し、きれいな三角波になるように調整してください。 オシロがない場合には、-0.5V(Gndに対して)程度にしてください。
  2. VR2がセンサー部のオフセット調整です。センサーを接続し センサー間の電圧がゼロになるように調整してください。 センサーは直流に弱いのでこれを防ぐためです。
  3. VR3がゲイン調整です。センサーの代わりに100Kオームを接続し 出力が0.46Vになるように調整してください。 10Kオームを接続したときに約0.68Vになるはずです。

基板例


評価

設計した回路を実際に組み、実測してみました。データを片対数に描いて比較してみます。
入力理想実測1実測2ログ
2mV0.875V0.773V(2KΩ)0.790V(2KΩ)0.702V
10mV0.680V0.665V(10KΩ)0.693V(10KΩ)0.593V
0.1V0.460V0.429V(100KΩ)0.456V(100KΩ)0.367V
1.0V0.300V0.193V(1MΩ)0.199V(1MΩ)0.108V

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