Дипломная (вкр): Проектирование подсистемы контроля влажности

При положительной температуре воздуха психрометры работают с погрешностью ±1…2 %, при отрицательной температуре точность их показаний резко снижается из-за образования у баллончика мокрого термометра корочки льда, выделения теплоты затвердевания и т.п.; при температуре менее 0 °С данным видом психрометров практически не пользуются. [3]

2.2     Метод точки росы

Принцип измерения влажности с помощью метода росы заключается измерении температуры tрос воздуха, охлаждаемого, например, металлической неокисляемой зеркальной поверхностью (в момент начала выпадения капельной влаги на зеркале фиксируется его температура).

Зная tрос и температуру tA воздуха, можно в диаграмме, изображенной на рис. 3, поднимаясь из точки B на кривой насыщения по линии d = const до изотермы tA, найти точку А их пересечения, а значит, влажность φA и другие параметры состояния воздуха.

Данный метод измерения влажности также реализуется с применением электролитических подогревных датчиков. Температуру точки росы определяют, подогревая до достижения равновесного состояния насыщенный солевой раствор, покрывающий чувствительный элемент температурного преобразователя.

2.3     Сорбционный метод

Сорбционный метод измерения влажности основан на применении гигроскопических тел, свойства которых изменяются в функции количества поглощенной влаги. В зависимости от использованного для измерения параметра влагочувствительного материала можно различить сорбционные гигрометры следующих типов:

-       деформационные;

-       электрические;

-       весовые;

-       цветовые и др.

Наибольшее практическое значение имеют первые две группы.

В сорбционных гигрометрах деформационного типа используется свойство некоторых гигроскопических твердых материалов изменять свои линейные размеры в функции влажности окружающего воздуха. К наиболее старым и распространенным до настоящего времени приборам этого типа относятся волосные гигрометры, в них чувствительным элементом служит пучок обезжиренных человеческих волос. Кроме того, вместо волосных гигрометров нашли некоторое применение приборы с использованием животной пленки, обладающей сравнительно небольшим коэффициентом инерции. Этим преимуществом обладают также гигрометры с вальцованным (сплющенным при помощи вальцов) человеческим волосом. В некоторых гигрометрах применяются чувствительные элементы из капроновой нити, целлофана и других материалов.

Приборы этого типа отличаются простотой конструкции. Однако их инерционность возрастает с понижением температуры и относительной влажности; постоянная времени при десорбции чувствительного элемента больше, чем при увлажнении. Стабильность показаний этих гигрометров невысока, и им присуще явление гистерезиса. Недостатком волосного гигрометра является также незначительность усилий, которыми можно нагружать его чувствительный элемент. Это затрудняет оснащение гигрометров данного типа электрическими преобразователями (омическими, индуктивными и т. п.) для дистанционных измерений и автоматического контроля. В связи с этим гигрометры деформационного типа имеют сейчас ограниченную область применения: метеорологические измерения, контроль влажности воздуха в помещениях, грубые регуляторы влажности воздуха в помещениях. Но и в этих областях они вытесняются другими, более совершенными приборами.

Электрические гигрометрические датчики используют зависимость электрических свойств чувствительного элемента от влажности окружающей среды. Необходимо отметить кулонометрические датчики, в которых происходит непрерывный электролиз поглощенной влаги.

Сорбционно-термический метод предполагает измерение количества тепла, выделяемого при сорбции влаги сухим гигроскопическим материалом или (значительно реже) серной кислотой.

2.4     Другие методы

Заслуживают внимания также и менее распространенные методы измерения влажности.

Метод полного поглощения основан на пропускании определенного объема воздуха через вещество, способное поглощать водяной пар, и оценке изменения параметров этого вещества в результате полного поглощения влаги. Известны две разновидности метода: гравиметрическая и химическая. В первой влагосодержание воздуха определяют по приросту в весе поглотителя. Химические методы основаны на химической реакции поглотителя с влагой исследуемого воздуха. К наиболее известным относятся методы: газометрический и титрования реактивом Фишера. В ацетиленовом методе используется реакция водяного пара с карбидом кальция с выделением ацетилена, а в гидридном - с гидридом кальция с выделением водорода, однако, эти методы мало распространены. При применении метода Фишера анализируемый газ поступает в реакционный сосуд, где барботируется через реактив до окончания титрования, фиксируемого электрометрическим или иным способом. Влагосодержание газа определяют по объему прошедшего газа и количеству реактива в сосуде.

Методы полного поглощения можно рассматривать как абсолютные, и их точность в принципе высока, однако, практически она ограничена погрешностями измерительных операций (взвешивание поглотителя, измерение количества газа) и наличием примесей в газе и используемых реактивах. Процесс измерения длителен и трудоемок, в связи с чем эти методы используются только в качестве лабораторных. Гравиметрический метод поглощения применяют в качестве наиболее точного образцового при градуировке и испытаниях гигрометров. Такие же функции возлагаются на метод Фишера в области весьма малых влагосодержаний.

Конденсационно-сгустительный метод, в котором исследуемый газ охлаждается в холодильнике до полной конденсации, содержащейся в нем влаги. Количество последней определяют измерением количества газа и объема воды, выделившейся в холодильнике.

Конденсационный метод, как и метод полного поглощения, является абсолютным, одним из его преимуществ является возможность определения влажности газов при высоких температурах.

Диффузионный метод основан на явлении диффузии газов через пористую, перегородку. В диффузионных гигрометрах измеряется разность давлений контролируемой внешней среды и газа в камере, отделенной от этой среды пористой мембраной. В камере с помощью увлажнителя или осушителя поддерживается определенная величина упругости водяных паров.

Отдельную группу образуют методы, основанные на непосредственном измерении физических свойств газа, изменяющихся в функции влажности. Достоинствами этих методов являются пригодность для автоматизации измерений и безынерционность функции преобразования.

К ним относятся диэлькометрический метод и его разновидность - измерение диэлектрических свойств газа на сверхвысоких частотах (СВЧ рефрактометрия), поглощения инфракрасных, ультрафиолетовых и радиоизотопных излучений; последние методы можно рассматривать как спектрометрические, отличающиеся между собой используемым участком спектра электромагнитных колебаний. К этой же группе методов можно отнести и измерения, использующие теплофизические свойства влажного воздуха, например, теплопроводность.

3.       Сравнительный обзор существующих подсистем контроля влажности, выбор датчика влажности

Методы измерения влажности нашли широкую практическую реализацию в производстве гигрометров. Текущее предложение насчитывает сотни тысяч приборов и потребность в них растет.

Диапазон измерений большинства гигрометров лежит в промежутке от 5 до 98 % по влажности и от 5 до 60 °С по температуре. Значение основной абсолютной погрешности большинства приборов составляет 2,5 % по относительной влажности, что предопределяет основные метрологические требования к техническим средствам их метрологического обеспечения. Технические параметры распространенных приборов контроля относительной влажности и температуры приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Многоканальные приборы контроля относительной влажности и температуры воздуха.

Измерение влажности более трудно, чем измерение большинства других свойств типа потока, температуры, уровня и давления. Одна из причин этого - чрезвычайно широкий динамический диапазон, который может начинаться с одной миллиардной или меньше (-112°С - точка замерзания), представляя частичное давление пара приблизительно 0,8·10-6 мм ртутного столба до пара при 100°С (212°F), представляя частичное давление пара 760 мм ртутного столба. Это составляет динамический диапазон приблизительно 109. Другая причина - то, что измерения, вероятно, придется сделать в широко изменяющихся атмосферах, например, от температур -80°С (-112°F) до 1000°С (1832°F), и часто в присутствии широкого диапазона газов, которые могли быть коррозирующие или некоррозирующие, и в присутствии разнообразия макрочастицы Загрязняющих примесей.

Отечественные гигрометры также можно некоторым образом классифицировать по методу контроля и измерения относительной влажности газов. Технические и метрологические характеристики приборов приведены в таблице 2.

Таким образом, при разработке новых средств и приборов измерения относительной влажности, необходимо учитывать метрологические характеристики существующих гигрометров, а именно, диапазоны измерения относительной влажности - 5…98 %, температуры - +10…+60 °С и погрешность измерения - 2,5 %.

Таблица 2 - Технические и метрологические характеристики гигрометров относительной влажности

Согласно техническому заданию были выбраны датчик влажности QFM3160 и контроллер SYNCO 700, удовлетворяющие условиям для обеспечения заданных параметров и точности измерения температуры и влажности.

4.       Описание подсистемы контроля влажности

Данный раздел выпускной работы посвящен описанию принципов работы и функционирования разрабатываемой подсистемы контроля влажности. В пунктах раздела проводится описание двух основных функциональных узлов (блоков) подсистемы - датчика влажности и контроллера.

4.1     Описание датчика влажности QFM3160

QFM3160 - датчик влажности с точкой росы. Датчик применяется для измерения относительной влажности и температуры воздуха. Внешний вид датчика приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Датчик влажности QFM3160

Технические характеристики датчика приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Технические характеристики датчика влажности QFM3160

Места возможного применения данного датчика:

-       склады и производственные помещения в бумажной, текстильной, фармацевтической, пищевой, химической отрасли и в электронике;

-       лаборатории;

-       больницы;

-       компьютерные центры и центры электронной обработки данных;

-       закрытые плавательные бассейны;

-       оранжереи.

Датчик QFM3160 также может применяться в качестве управляющего датчика в воздуховоде приточного или вытяжного воздуха, ограничительного датчика для ограничения максимальной влажности приточного воздуха после пароувлажнителя, ограничительного датчик, например, для индикации измеренных значений или для подключения к системам автоматизации и управления зданиями.