Надіслати статтю
вул. Інститутська 11, м. Хмельницький, 29016
visnyk.khnu@khmnu.edu.ua
(0382) 67-51-08

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРИСТРОЮ З ЧАСТОТНИМ ВИХОДОМ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ

MATHEMATICAL SIMULATION OF A DEVICE WITH FREQUENCY OUTPUT FOR MEASUREMENT OF HUMIDITY

Сторінки: 124-130. Номер: №3, 2021 (297)
Автори:
О. В. ОСАДЧУК, Л. В. КРИЛИК, Я. О. ОСАДЧУК, О. С. ЗВЯГІН
Вінницький національний технічний університет
A. V. OSADCHUK, L. V. KRYLIK, I. A. OSADCHUK, O. S. ZVIAHIN
Vinnytsia National Technical University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2021-297-3-124-130
Надійшла / Paper received :  11.05.2021 р
Надрукована / Paper Printed : 30.06.2021 р

Анотація мовою оригіналу

Розроблено пристрій для вимірювання вологості з вологочутливим резистивним елементом HR202. На основі математичного моделювання електричних характеристик розробки отримано аналітичні вирази для функції перетворення та рівняння чутливості. Експериментально встановлено, що збільшення температури навколишнього середовища при діапазоні відносної вологості W=30÷85%  приводить до розширення діапазону генерації автогенераторного перетворювача вологості і до збільшення чутливості пристрою до вимірюваної величини – відносної вологості. Діапазон генерації автогенераторного перетворювача вологості при температурі T=20 °С набуває значення 823 кГц (середнє значення чутливості – 16,18 кГц/%), а при температурі T=50 °С – 1323 кГц (середнє значення чутливості – 29,10 кГц/%). Для підтвердження теоретичних результатів схемотехнічного рішення розробленого пристрою проведено комп’ютерне моделювання в середовищі LTSpice. Результати математичного моделювання відповідають експериментальним даним.
Ключові слова: пристрій для вимірювання вологості,  частотний перетворювач, вологочутливий резистивний елемент,  функція перетворення, рівняння чутливості.

Розширена анотація англійською мовою

The device for measuring humidity with a moisture-sensitive resistive element HR202 has been developed. The self-generating transducer is designed as a hybrid integrated circuit based on a bipolar transistor VT1 and a field-effect two-gate transistor VT2. The negative differential resistance, which is formed by the parallel connection of the impedance with a capacitive component at the collector electrodes of the bipolar transistor VT1, the drain of the field-effect transistor VT2 and inductance L1, leads to the occurrence of electrical oscillations in the circuit. When exposed to moisture on the sensitive resistive element RW, the capacitive component of the impedance at the electrodes of the transistor structure changes, which causes an effective change in the frequency of the oscillatory circuit. On the basis of mathematical modeling of electrical characteristics, analytical expressions for the transformation function and the sensitivity equation are obtained. It has been experimentally established that an increase in the ambient temperature in the range of relative humidity W = 30 ÷ 85% leads to an expansion of the generation range of the autogenerating humidity transducer, as well as to an increase in the sensitivity of the device to the measured value. The generation range of the autogenerating humidity transducer at a temperature of T = 20 °C acquires a value of 823 kHz (the average value of the sensitivity is 16.18 kHz /%), and at a temperature of T = 50 °C – 1323 kHz (the average value of the sensitivity is 29.10 kHz / %).
To confirm the theoretical results of circuit solutions developed device in the computer modeling of LTSpice modeling environment. The studies were carried out at different temperatures (20°C, 30°C, 40°C, 50°C) in the range of change in the resistance of the moisture-sensitive resistive element from 1750 kOhm to 2.1 kOhm, which corresponds to an increase in the value of the relative air humidity from 30 % to 90 %.
The results of theoretical and experimental studies have shown that at the output there are periodic oscillations device for measuring the humidity rate which increases with increasing values ​​of relative humidity. The obtained theoretical and experimental studies are in good agreement, the relative error does not exceed 2.5%.
Keywords: device for measuring humidity, frequency transducer, humidity-sensitive resistive element,  conversion function, sensitivity equation.

References

  1. Datchiki : spravochnoe posobie / pod obsh. red. V. M. Sharapova, E. S. Polishuka. – Moskva : Tehnosfera, 2012. – 624 s.
  2. Dzhekson R. G. Novejshie datchiki / R. G. Dzhekson. – Moskva : Tehnosfera, 2007. – 384 s.
  3. Bozhi, Yang. Compliant and Low-cost Humidity Sensors using Nano-porous Polymer Membranes [Electronic resource] / Bozhi Yang, Burak Aksak, Qiao Lin, Metin Sitti // Appeared in Sensors and Actuators B: Chemical. – 30 March 2006. – 114, – № 1. – P. 254 – 262. – Mode of access: https://biomems.me.columbia.edu/research/PDFs/jour/Bozhi_06_Compliant_Low-Cost_Humidity_Nanosensor.pdf (date of access 10.05.2021). – Title from screen.
  4. Ashis, Tripathy. Design and Development for Capacitive Humidity Sensor Applications of Lead-Free Ca,Mg,Fe,Ti-Oxides-Based Electro-Ceramics with Improved Sensing Properties via Physisorption [Electronic resource] / Ashis Tripathy, Sumit Pramanik, Ayan Manna, Satyanarayan Bhuyan, Nabila Farhana Azrin Shah, Zamri Radzi, Noor Azuan Abu Osman // – 2016. – № 16. –  Р. 1135; doi:10.3390/s16071135. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/305522000_Design_and_Development_for_Capacitive_Humidity_Sensor_Applications_of_Lead-Free_CaMgFeTi-Oxides-Based_Electro- Ceramics_with_Improved_Sensing_Properties_via_Physisorption (date of access 10.05.2021). – Title  from screen.
  5. Hamid, Farahani. Humidity Sensors Principle, Mechanism, and Fabrication Technologies: A Comprehensive Review [Electronic resource] / Hamid Farahani, Rahman Wagiran, Mohd Nizar Hamidon // Sensors. – 2014. – № 14. – P. 7881 – doi:10.3390/s140507881. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/262015128_Humidity_Sensors_Principle_Mechanism_and_Fabrication_Technologies_A_Comprehensive_Review/link/00b495368b08331ae9000000/download (date of access 10.05.2021). – Title  from screen.
  6. Nathan, Lazarus. CMOS-MEMS Capacitive Humidity Sensor [Electronic resource] / Nathan Lazarus, Sarah S. Bedair, Chiung-C. Lo, and Gary K. Fedder // Journal of microelectromechanical system. – february 2010. – 19, – № 1. – P.183 –191. doi: 10.1109/JMEMS.2009.2036584. – Mode of access: https://www.researchgate.net/publication/224088790_CMOS-MEMS_capacitive_humidity_sensor (date of access 10.05.2021). – Title from screen.
  7. Osadchuk V. S. Sensory volohosti : monohrafiia / V. S. Osadchuk, O. V. Osadchuk, L. V. Krylyk. − Vinnytsia : UNIVERSUM – Vinnytsia, 2003. – 208 s.
  8. Osadchuk V. S. Reaktyvni vlastyvosti tranzystoriv i tranzystornykh skhem : monohrafiia / V. S. Osadchuk, V. Osadchuk. – Vinnytsia : UNIVERSUM – Vinnytsia, 1999. – 275 s.
  9. Osadchuk A.V. Optical transducers with frequency output / A.V. Osadchuk, V.S. Osadchuk, I.A. Osadchuk, Maksat Kolimoldayev, Paweł Komada, Kanat Mussabekov // Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments, 2017, 104451X (2017). – Mode of access: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/10445/104451X/Optical-transducers-with-frequency-output/10.1117/12.2280892.full?SSO=1 (date of access 10.05.2021). – Title  from screen.
  10. Osadchuk A.V. Theory of photoreactive effect in bipolar and MOSFET transistors / A.V. Osadchuk,
    S. Osadchuk, I.A. Osadchuk, O.O. Seletska, P. Kisała, K. Nurseitova // Proceedings SPIE Volume 11176, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, 2019; 111761I (2019). – Mode of access: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11176/111761I/Theory-of-photoreactive-effect-in-bipolar-and-MOSFET-transistors/10.1117/12.2538264.full (date of access 10.05.2021). – Title from screen.
  11. Osadchuk A. Microelectronic Transducer of Gas Concentration based on MOSFET with an Active Inductive Element» / A. Osadchuk, V. Osadchuk, O. Seletska, L. Krylik // PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, R. 95. Warszawa,  Poland.  – 2019. − NR 4.  – Р. 237 – 241.  ISSN 0033-2097, doi:10.15199/48.2019.04.45.  – Mode of access: http://pe.org.pl/articles/2019/4/45.pdf (date of access 10.05.2021). – Title  from screen.
  12. Osadchuk O. V. Matematychna model parametrychnoho peretvoriuvacha volohosti z chastotnym vykhodom / O. V. Osadchuk, L. V. Krylyk, Ya. O. Osadchuk // Prykladni pytannia matematychnoho modeliuvannia. − 2020. − T. 3, № 2.1. – S. 206–215. − Rezhym dostupu:
  13. https://mkmm.org.ua/archive_mkmm/%D0%9F%D0%9F%D0%9C%D0%9C%20%D0%A2.3%20%E2%84%962%20%D0%A7.1.pdf (data zvernennia 10.05.2021). – Nazva z ekrana.
  14. Osadchuk O. V. Matematychna model mikroelektronnoho vymiriuvacha volohosti z chastotnym vykhodom / O. V. Osadchuk, L. V. Krylyk, O. O. Seletska // Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Tekhnichni nauky. − 2019. − № 5(277). – S. 195–198. − Rezhym dostupu: http://journals.khnu.km.ua/vestnik/wp-content/uploads/2021/01/277-2019-5-t.pdf (data zvernennia 10.05.2021). – Nazva z ekrana.
  15. Osadchuk O.V. The radiomeasuring humidity sensor with the frequency output signal / O. V. Osadchuk, O. S. Zviahin, A. Yu. Savytskyi, S. V. Baraban, O. O. Seletska // Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. − 2016.  – №6.  –  216–218. − Rezhym dostupu:
  16. http://journals.khnu.km.ua/vestnik/pdf/tech/pdfbase/2016/2016_6/(243)%202016-6-t.pdf (data zvernennia 10.05.2021). – Nazva z ekrana.
  17. Volodin V. Ya. LTspice : kompyuternoe modelirovanie elektronnyh shem / V. Ya. – SPb. : BHV-Peterburg, 2010. – 400 s.

Post Author: npetliaks

Translate