Датчики влажности

В заключение кратко остановимся  на методах измерения влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое – что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе – что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно. Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Выбор наиболее  приемлемого решения

а) Большие и  малые входные величины

Первичные преобразователи  емкостного типа

• Емкостной тип чувствительного элемента.

Диапазон измерения  – от 0 до 100%

 

Первичные преобразователи  резистивного типа

• Резистивный тип чувствительного элемента

Диапазон измерения  – от 20 до 90%;

Датчики для измерения влажности и температуры

• Резистивный или емкостной типы чувствительного элемента для определения влажности;

Диапазон измерения– от 10 до  95%

 

Датчики влажности

• На основе первичного преобразователя емкостного типа (осуществляется преобразование «влажность-емкость-напряжение»).

Диапазон измерения  – от 0 до 100%

 

б) Высокая  точность измерений

 

Электронный психрометр точность  измерения  ± 0,1°С

Гигрометр точность  измерения    ±1 °С

Влагомер точность измерения ± 2 %

 

в) Энергоэкономия

Влагомер экономия энергии около 63%

Электронный психрометр экономия энергии – свыше 50%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Обзор  технического решения с приведением  технических данных и реализация  на готовых компонентах

3.1 Описание  и применение гигрометров

Гигрометр —  измерительный прибор для определения влажности воздуха. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: весовой, волосной, плёночный и прочих.

Виды  гигрометров

Весовой (абсолютный) гигрометр состоит из системы U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом, способным поглощать влагу из воздуха. Через эту систему насосом протягивают некоторое количество воздуха, влажность которого определяют. Зная массу системы до и после измерения, а также объём пропущенного воздуха, находят абсолютную влажность.

Действие волосного  гигрометра основано на свойстве обезжиренного  волоса изменять свою длину при изменении  влажности воздуха, что позволяет  измерять относительную влажность  от 30 до 100 %. Волос натянут на металлическую  рамку. Изменение длины волоса передаётся стрелке, перемещающейся вдоль шкалы.

Плёночный гигрометр  имеет чувствительный элемент из органической плёнки, которая растягивается  при повышении влажности и  сжимается при понижении. Изменение  положения центра плёночной мембраны передаётся стрелке. Волосной и плёночный гигрометр в зимнее время являются основными приборами для измерения влажности воздуха. Показания волосного и плёночного гигрометра периодически сравниваются с показаниями более точного прибора — психрометра, который также применяется для измерения влажности воздуха.

В электролитическом  гигрометре пластинку из электроизоляционного материала (стекло, полистирол) покрывают  гигроскопическим слоем электролита  — хлористого лития — со связующим  материалом. При изменении влажности воздуха меняется концентрация электролита, а следовательно, и его сопротивление; недостаток этого гигрометра — зависимость показаний от температуры.

Действие керамического  гигрометра основано на зависимости  электрического сопротивления твёрдой  и пористой керамической массы (смесь  глины, кремния, каолина и некоторых  окислов металла) от влажности воздуха.

Конденсационный гигрометр определяет точку росы по температуре охлаждаемого металлического зеркальца в момент появления на нём следов воды (или льда), конденсирующейся из окружающего воздуха. Конденсационный гигрометр состоит из устройства для охлаждения зеркальца, оптического или электрического устройства, фиксирующего момент конденсации, и термометра, измеряющего температуру зеркальца. В современных конденсационных гигрометрах для охлаждения зеркальца пользуются полупроводниковым элементом, принцип действия которого основан на Пельтье эффекте, а температура зеркальца измеряется вмонтированным в него проволочным сопротивлением или полупроводниковым микротермометром.

Всё большее  распространение находят электролитические  гигрометры с подогревом, действие которых основано на принципе измерения  точки росы над насыщенным соляным раствором (обычно хлористым литием), которая для данной соли находится в известной зависимости от влажности. Чувствительный элемент состоит из термометра сопротивления, на корпус которого надет чулок из стекловолокна, пропитанный раствором хлористого лития, и двух электродов из платиновой проволоки, намотанных поверх чулка, на которые подаётся переменное напряжение.

Применяется для:

измерения относительной  влажности воздуха и температуры  в складских помещениях, материальных комнатах, шелковичных, тепличных, птицеводческих хозяйствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Принцип действия. Схема конструкции

Электролитический гигрометр

Электролитические гигрометры позволяют определить очень  низкие содержания водяного пара в  воздухе, содержащем другие газы.

Чувствительный  элемент такого гигрометра (рис.1.11) состоит из трубки длиной 10 см, в которой размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (P₂0₅) между ними.

Рис. Конструктивная схема электролитического датчика (фирма Beckaman):

1–оболочка  из тефлона; 2–трубка для пропускания  воздуха; 
3–электроды; 4–корпус из нержавеющей стали; 5–соединительные зажимы. 

 

Исследуемый газ  циркулирует в измерительной  трубке, а содержащийся в нем водяной  пар поглощается фосфорным ангидридом, который превращается при этом в фосфорную кислоту. Между электродами создается постоянное напряжение около 70 В, вызывающее электролиз воды с выделением кислорода и водорода и регенерацию фосфорного ангидрида. Согласно закону Фарадея, который определяет соотношение между количеством электричества, проходящим между электродами, и количеством воды, подвергнутой электролизу, для того, чтобы произошла диссоциация 1 г-эквивалента (т.е. 9 г) воды, необходимо 96500 Кл электричества. Один моль воды содержит 16 г кислорода и 2 г водорода и включает две связи. Если обозначить массу воды, расщепленной в ходе электролиза за единицу времени, через dm_e /dt, то сила электрического тока составит:

где I выражено в амперах, a dm_e /dt в кг/с. Обозначив расход воздуха (м³/с), циркулирующего в датчике, через Q, а концентрацию водяного пара, выраженную в кг пара на 1 м³ воздуха, через С, значение dm_e /dt можно выразить соотношением:

,

где a - коэффициент захвата молекул воды слоем Р₂0₅.

При подходящей геометрии датчика и определенной величине расхода значение a можно довести практически до единицы. Однако в любом случае при заданной геометрии этот коэффициент остается постоянным, если постоянна скорость воздуха, и благодаря градуировке можно определить его действительную величину.

Поскольку электролитический  гигрометр пригоден только для измерений  очень малых концентраций воды, различие между расходами влажного и сухого воздуха здесь не делается.

Вышеприведенное соотношение для тока I можно записать как:

  либо

, где 

При заданном объеме воздуха ток в электролите  пропорционален концентрации водяного пара С, выраженной в кг пара на 1 м³ воздуха.

Рассматриваемый гигрометр лучше всего подходит для измерений в газах с  очень малым содержанием воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции воды трубопроводами, которые делают результаты промышленных измерений сомнительными при достижении температуры точки росы –70 °С (10 – 20 ppm). Действительно, даже при использовании труб из нержавеющей стали вследствие этих явлении сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч при концентрациях ниже 10 ppm (Т_d < –70 °С).

Рабочий диапазон некоторых моделей таких гигрометров  распространяется вплоть до 30000 ppm (Т_d = +30 °С), однако при переходе уровня 10000 ppm возникает опасность разрушения датчика теплотой, выделяемой электролитом; кроме того, коэффициент захвата молекул воды изменяется при высоких значениях влажности. Постоянная времени прибора зависит, главным образом, от направления, в котором происходит изменение влажности: при повышении влажности (от 10^-2 до 10^-1%) постоянная времени обычно не превышает 30 с; при снижении влажности (от 10^-1 до 10^-2%) эта величина может достигать нескольких минут.

Меры предосторожности. В соответствии с принципом действия датчика происходит непрерывная регенерация фосфорного ангидрида P₂O₅. Однако срок службы этого слоя не безграничен и необходимо периодически производить регенерацию прибора.

Частота регенерации  зависит от условий использования  и от чистоты анализируемого газа. Ее можно уменьшить путем использования фильтров из термообработанной нержавеющей стали. Не рекомендуется использовать гигроскопичные фильтры.

Электролитические гигрометры позволяют измерять влажность различных газов: азота, водорода, воздуха, метана, двуокиси углерода, хладагентов (фреонов и т. д.). Однако в некоторых газах проводить измерения не рекомендуется, поскольку они могут разрушить датчик или повлиять на его функционирование: это — аммиак, пары спиртов, амины, которые вступают в химические реакции с P₂O₅.

 

 

4. Симулинк  модель

Для построения схемы моделируемого объекта  в подприложении Simulink (приложение, ориентированное на моделирование динамических систем с использованием функциональных блоков) воспользуемся следующими блоками:

 –  Constant - константа;

 –  Gain - умножение на константу или переменную;

 –  Sum - суммирование;

 –  Integrator - интегрирование сигнала;

 –  Scope - просмотр результата (визуализация графиков);

– Product – умножение сигналов

–  Fcn - преобразование входного сигнала в выходной в соответствии с заложенной в блоке функцией.

 

 

 

 

 

 

Сначала строим блок-схему для модели объекта.

Модель объекта в MATLAB

Возмущающим воздействием в нашей системе является изменение влажности поступающей в емкость опары.

 

Переходная  характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары на 20% будет выглядеть следующим образом (рисунок 7):

 

 

 

 

 

 

Переходная  характеристика объекта при ступенчатом изменении влажности опары

 

 

 

 

 

 

 

 

Созданный нами объект маскируем в подсистему :

Рисунок  –  Маскированная подсистема «Объект»

Вход «Vozm» необходим для подачи возмущения.

На вход «Qo» поступает сигнал от исполнительного устройства, изменяющий расход опары.

Выход «Ct» служит для передачи сигнала, выходного параметра, влажности в контур регулирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Анализ  внешних и внутренних негативных  факторов

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влажности, напряжения питания и пр.) и времени. В функции измеряемой величины систематические погрешности входят при поверке и аттестации образцовых приборов.

Причинами возникновения  систематических составляющих погрешности  измерения являются:

• отклонение параметров реального средства измерений от расчетных значений, предусмотренных схемой;
• неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;
• упругая деформация деталей средства измерений, имеющих малую жесткость, приводящая к дополнительным перемещениям;
• погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;
• неточность подгонки шунта или добавочного сопротивления, неточность образцовой измерительной катушки сопротивления;
• неравномерный износ направляющих устройств для базирования измеряемых деталей;
• износ рабочих поверхностей, деталей средства измерений, с помощью которых осуществляется контакт звеньев механизма;
• усталостные измерения упругих свойств деталей, а также их естественное старение;
• неисправности средства измерений.