Дистанционный измеритель и регулятор влажности в производственных помещениях

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»

Специальность 080801 «Прикладная информатика в электрооборудовании и электрохозяйстве предприятий, организаций и учреждений»

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

на тему

Дистанционный измеритель и регулятор влажности в производственных помещениях

Омск 2009

Задание

на выполнение дипломного проекта дипломированного специалиста

Тема дипломного проекта «Дистанционный измеритель и регулятор влажности в производственных помещениях»

Целью дипломного проекта является разработка устройства измерителя и регулятора влажности в производственном помещении с возможностью передачи информации на центральный процессор.

Исходные данные к проекту:

1. Область применения - производственное помещение

2. Диапазон значений измерения относительной влажности, % - 0 ч 100

3. Погрешность измерения, % - 2

4. Температура окружающей среды, °С -40, +60

5. Тип интерфейса - RS232

6. Максимальная потребляемая мощность, Вт - 5

7. Напряжение питания, В - 220

8. Отклонение напряжения питания, % - +10,-15

9. Тип индикаторного табло - светодиодный

10. Надежность (наработка на отказ) не менее, час - 8000

11. Максимальная влажность окружающей среды, % - 80

Безопасность жизнедеятельности:

1. Основные требования и нормы испытаний изолирующих электрозащитных средств.

Экономика:

1. Расчёт стоимости материалов и оборудования.

2. Расчет фонда заработной платы с учетом районного коэффициента и отчислений в фонд социального страхования.

3. Расчет затрат на создание дистанционного измерителя и регулятора влажности в производственных помещениях.

Аннотация

Дипломный проект «Дистанционный измеритель и регулятор влажности в производственном помещении» представляет собой разработку устройства регулирования влажности в целях улучшения комфорта человека в помещении. Данная работа является актуальной, так как работоспособность и самочувствие человека зависит от увлажненности воздуха. Дипломный проект состоит из введения, 11 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 100 страниц, в том числе 17 таблиц и 7 рисунков.

Ключевые слова: влажность, измеритель. регулятор, микроконтроллер.

The summary

Degree work « the measuring Instrument - regulator of humidity » represents development of a measuring instrument - regulator of humidity with a view of improvement of comfort of the person in a premise(room). The given work is actual as serviceability and state of health of the person depends from увлажненности air. Degree work consists of introduction, 11 chapters, the basic results and conclusions, the list of the literature and appendices. Work contains 100 pages, including 17 tables and 7 figures.

Key words: humidity, the measuring instrument. the regulator, the microcontroller.

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания. Постановка задачи проектирования

2. Обзор методов и средств измерения влажности

2.1 Физические параметры влажности

2.2 Методы и технические средства измерения влажности

2.2.1 Емкостные датчики влажности

2.2.2 Цифровые датчики

2.2.3 Электролитические датчики влажности

2.2.4 Датчик влажности для контроля образования конденсата

2.2.5 Платиновые датчики влажности

2.2.6 Полупроводниковые датчики влажности

2.2.7 Конвертор влажность/частота

2.2.8 Конвертор влажность/напряжение

2.3 Методы калибровки датчика влажности

3. Методы регулирования влажности

3.1 Основные способы увлажнения воздуха

3.1.1 Выбор системы увлажнения воздуха для предприятия

3.2 Основные методы осушения воздуха

4. Обоснование выбора типа микроконтроллера

4.1 Микроконтроллер PIC фирмы Microchip

4.2 Микроконтроллер AVR фирмы Atmel

5. Описание структурной схемы

6. Описание функциональной схемы

7. Описание принципиальной схемы

8. Конструкторский раздел

8.1 Конструкция устройства

8.2 Разработка печатной платы

9. Расчет надежности устройства

9.1 Условия эксплуатации

9.2 Расчет коэффициентов электрической нагрузки

9.2.1 Расчет коэффициентов электрической нагрузки конденсатора

9.2.2 Расчет коэффициентов электрической нагрузки резистора

9.2.3 Расчет коэффициентов электрической нагрузки диода

9.3 Оценка надежности нерезервированных систем

10. Экономический раздел

11. Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

В данном дипломном проекте представлена разработка измерителя-регулятора влажности на микроконтроллере PIC16F877А фирмы Microchip. Протекание многих технологических процессов, а также самочувствие человека зависит от уровня увлажненности воздуха.

Данное устройство предназначено для измерения влажности различных объектов в диапазоне 0…100% с шагом 0.1% и регулирования влажности с шагом 1%. Регулирование влажности осуществляется с помощью коммутации двух нагрузок постоянного или переменного тока в моменты, когда влажность объекта становится выше или ниже установленной на величину заданного допустимого отклонения. Индикация измеряемой влажности осуществляется при помощи светодиодных индикаторов, которые можно переключить нажатием одной из трех многофункциональных кнопок. С помощью этих же кнопок устанавливается заданная влажность и максимально допустимое отклонение. Также предусмотрена возможность передачи данных на компьютер по последовательному интерфейсу RS-232 в асинхронном режиме, для чего используется встроенный в микроконтроллер модуль универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART. Формат передачи данных - стартовый бит, 8 бит данных, один стоповый бит. Дипломный проект состоит из [9] введения, 11 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 100 страниц, в том числе 17таблиц и 7 рисунков.

1. Анализ технического задания. Постановка задачи проектирования

Поставленная в техническом задании задача разработки устройства измеряющего и регулирующего влажность в производственном помещении, является, несомненно, актуальной.

Известно [20], что как в офисных, так и в промышленных помещениях, параметры температуры и влажности имеют исключительно важное значение. Эти параметры регламентированы нормами СНиП 2.04.05-91. Для основных типов помещений они приведены в таблице 1.1. В настоящее время наиболее полно разработаны методы измерения температуры, измерение и регулирование влажности применяется только в производственных помещениях, в хранилищах промышленной и сельскохозяйственной продукции, а так же музеях и книгохранилищах, где жестко регламентируются нормы температуры и влажности.

Офисные помещения, общепромышленные производства, несмотря на наличие норм по влажности, устройствами для измерения и регулирования влажности в настоящее время не оборудуются.

Очевидно, что только измерение и регулирование влажности не является достаточным для реализации данной задачи.

Необходимо также производить мониторинг и фиксацию параметров температуры и влажности в различных помещениях, относящихся к конкретному производству. Нет необходимости устанавливать в каждом помещении специальную аппаратуру, реализующую данные функции. Достаточно иметь центральный контроллер, на который передается информация с периферии. Для этого в проекте необходимо предусмотреть устройство передачи информации по определенному стандартному протоколу связи с ПК.

Для решения поставленной задачи в проекте рассмотрены основные исходные данные для построения устройства:

- методы измерения влажности,

- методы регулирования влажности,

- выбор элементной базы для построения устройства.

На основании этих данных разработаны все стандартные элементы проекта (структурная, функциональная и принципиальная схемы с соответствующим описанием, конструкторская разработка, экономическое обоснование проекта, необходимые вспомогательные материалы).

Таблица 1.1

Нормы влажности промышленных помещений [20]

Сфера применения	Наименование для увлажнения	Температура, С°	Относительная влажность, с,%
Здания	Офисные помещения Банки Компьютерные комнаты Телефонные узлы	21-22 21-22 24 20-22	45-50 45-50 45-50 50-60
Полиграфия	Печатный цех Склад бумаги Брошюровка	20-24 15-20 22-24	60 60 50-60
Птицефабрики	Инкубатор Курятник Хлев	37-39 24-28 20-25	70-75 60-65 70-80
Деревообработка	Хранение шпона Склейка шпона Мебельный склад Склад фанеры	15-22 22-24 12-18 12-18	50-55 50-55 50-55 50-55
Текстильная промышленность	Хлопок-Очистка Прядильное производство Перемотка нитей	22-25 22-25 22-25 22-25	50-60 55-60 65-70 55-65
Пекарни	Помещения для брожения Расстоечная камера Хранение дрожжей	30-40 23-25 1-5	70-80 60-70 60-75
Холодные склады	Мясо Яйца Сыр	2-3 10 3-10	80-85 70-80 75-85
Теплицы	Выращивание цветов Грибы в период роста Хранение грибов	9 15-17 2	80-95 80-85 80-85
Табачная промышленность	Хранение сырого табака Производство сигарет	22-25 20-25	70-80 55-60

2. Обзор методов и средств измерения влажности

2.1 Физические параметры влажности

Влажность -- показатель содержания в физических телах воды.

Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность) или её объёма (объёмная влажность).

Абсолютная влажность (dv)

Масса воды, фактически содержащаяся в единице объема насыщенного газа, называется абсолютной влажностью dv, и зависит от самого объема; она может быть подсчитана с помощью уравнения состояния для газов [17]

(2.1)

Степень увлажненности или коэффициент смешанности (Х)

Во многих областях промышленности человек обращается к сухому состоянию газа чаще, чем к его влажному состоянию. В результате чего были введены термины "степень увлажненности" или "коэффициент смешанности X", выражающий количественную характеристику. Они выражают массу воды, содержащуюся в единице массы сухого газа, и, в противоположность абсолютной влажности, зависят от давления и типа газа. Следующее уравнение применимо для воздуха.

(2.2)

Относительная влажность (с, RH^*-для импортных приборов)

Относительная влажность - это переменная, к которой на практике обращаются очень часто. Она выражает собой отношение между абсолютной влагой, реально содержащейся в газе при определенной температуре и максимально возможной влажностью. Относительная влажность выражается в процентах или долях.

(2.3)

2.2 Методы и технические средства измерения влажности

Классическим методом измерения относительной влажности является психрометрический [17].

Данный метод предусматривает использование двух термометров - “сухого” и “влажного”. Температура “влажного” термометра всегда ниже температуры “сухого” и при 100% относительной влажности температуры уравниваются.

Значение влажности определяется по психрометрической таблице (Приложение 1) или, для современных гигрометров с использованием микроконтроллерной техники - программными методами с использованием аппроксимирующих функций, или таблицами, занесенных в память микроконтроллера.

Психрометры измеряют относительную влажность, основываясь на физическом эффекте охлаждения при процессах испарения. При данном способе измерений один термометр измеряет температуру окружающего воздуха (сухого термометра), а другой так называемую температуру смоченного термометра.

Влажный термометр должен быть обернут мокрой хлопковой тканью, и обдуваться воздухом со скоростью от 2 до 3 м/с. Происходящее испарение охлаждает термометр, и при наступлении состояния равновесия, влажность может быть подсчитана по показаниям сухого и смоченного термометра. Абсолютная погрешность ± 1% относительной влажности может быть достигнута при использовании точных термометров и при условии бережного обслуживания оборудования.

Ниже приводятся характеристики гигрометров, построенных на данном принципе измерения.

Гигрометр ВИТ-1

Гигрометр психрометрический типа ВИТ-1 предназначен для измерения относительной влажности и температуры воздуха в помещении.

Он представляет собой прибор, собранный на основании из фенопласта или других материалов, аналогичных по свойствам. К основанию крепятся два термометра со шкалой, психрометрическая таблица, стеклянный питатель, заполняемый дистиллированной водой. Резервуар термометра под надписью "Увлажн." увлажняется из питателя с помощью фитиля из батиста или шифона. Диапазон измерения относительной влажности, с%: 20ч90

Гигрометр ГП 2

Гигрометр (Рисунок 2.1) выполнен с учетом неблагоприятных условий промышленной эксплуатации.

Рисунок 2.1 - Конструкция промышленного гигрометра

Воздушный фильтр

Корпус

Бак с водой

Соединительная трубка

Вентилятор

Фитиль

Смоченный термометр

Сухой термометр

9.Капельница

В конструкцию корпуса включён воздушный фильтр 1 (в виде насыпного пластикового наполнителя). Наполнитель представляет собой мелкие пластмассовые бочонки. Этим достигается хорошая очистка воздуха от пыли и многоразовое использование фильтра. Для этого достаточно промыть и просушить бочоночки, и фильтр готов к новой работе. Увлажнение психрометрического фитиля 7 производится капельным методом. Для этого служит регулируемая капельница 9.

Регулятор температуры и влажности «Овен МПР51-Щ4»

Программный задатчик-регулятор предназначен для управления температурой и влажностью газовой среды (воздуха) по заданной программе. Управление может происходить по законам регулирования:

П - пропорциональному;

ПД - пропорционально-дифференциальному;

ПИ - пропорционально-интегральному;

ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальному;

Т - релейному закону.

Прибор может использоваться как регулятор температуры по двум независимым каналам (не обязательно газовой, но и жидкой и твердотельной среды).

Прибор позволяет управлять многоступенчатыми технологическими процессами при производстве мясных и колбасных изделий, в хлебопекарной промышленности, в инкубаторах, изготовлении железобетонных конструкций.

Прибор осуществляет измерение трех параметров:

- температуры камеры («сухого» термометра) Т_сух, А,

- температуры «влажного» термометра Т_влаж, А,

- температура продукта T_npod, U.

Вычисление двух дополнительных параметров:

- разновидности температур ДTYT_{сух Тпрод}

- влажности ш психрометрическим методом (по показаниям «сухого» и «влажного» термометров).

Психрометр аспирационный МВ-4-2М

Рисунок 2.2 - Психрометр аспирационный МВ-4-2М

Конструкция:

1 - резиновая груша,

2 - зажим,

3 - пипетка,

4 - ветровая защита,

5 - крюк подвес,

6 - заводной ключ,

7 - окошечко,

8 - головка аспиратора,

9 - трубка,

10 и 11 - сухой и смоченные термометры,

12 - защитные планки,

13 - тройник,

14 - изоляционные втулки,

15 и 16 - защитные трубки.

Психрометр аспирационный МВ-4-2М предназначен для определения относительной влажности (от 10 до 100%) и температуры воздуха (от -25 до +50°С) в помещении и на открытом воздухе.

Влажность воздуха определяется по показаниям сухого и смоченного термометров по специальным психрометрическим таблицам (П1) и психрометрическому графику, а температура воздуха - по показаниям сухого термометра.

Диапазон измерения относительной влажности воздуха, с%: 10 ч 100

Диапазон измерения температуры воздуха,°С: -25 ч +50

Погрешность в зависимости от температуры, °С: +2 ч +6

Скорость воздушного потока (аспирация) при работе вентилятора должна быть, м/с: на 4-ой минуте не менее 2,0.

Одним из наиболее традиционных методов измерения относительной влажности воздуха является свойство человеческого волоса обратимо изменять свою длину при увлажнении или высыхании. На данном методе построен ряд приборов.

Гигрограф М-21А

Назначение: гигрограф М-21А предназначен для измерения и регистрации относительной влажности воздуха в наземных условиях. Прибор состоит из чувствительного элемента (пучка обезжиренных человеческих волос), передаточного механизма, регистрирующей части, корпуса.

Описание: принцип действия прибора основан на свойстве обезжиренного человеческого волоса, изменять длину при изменении влажности воздуха. Изменение длины пучка волос, вызванное изменением относительной влажности, преобразуется с помощью передаточного механизма в перемещение стрелки с пером по бланку. Бланк крепится к барабану с часовым механизмом, обеспечивающим регистрацию показаний во времени (1 сутки, 1 неделя).

Гигрограф снабжен приспособлением - отметчиком времени, дающим возможность, не открывая крышки, делать на бланке отметки времени наблюдений. Отметки времени производятся легким нажимом на кнопку отметчика, находящегося на торцевой стенке корпуса.

Вероятность безотказной работы за 1000, час: 0,94

Температура окружающего воздуха, °С: -35 ч +45

Гигрометр М19

Назначение: предназначен для определения относительной влажности воздуха на метеорологических станциях

Описание: состоит из чувствительного элемента, передаточного механизма, стрелки, шкалы и металлической рамки, на которой закреплены детали прибора. Чувствительным элементом служит обезжиренный человеческий волос.

Основная погрешность в диапазоне 30-90%, %: 15

Основная погрешность на точке 100%, %: 5

2.2.1 Емкостные датчики влажности

В настоящее время широкое применение находят приборы построенные на использовании ёмкостных датчиков влажности [18].

Емкостные датчики влажности в последнее время становятся всё более распространенными. Они не дороги, просты в эксплуатации и обеспечивают очень точные показания. Основа этих датчиков - емкостные влагочувствительные элементы, которые представляют собой тонкую стеклянную или керамическую основу, на которой находится система электродов, гигроскопичный полимерный слой и слой золота, который проницаем для паров воды. Учитывая тот факт, что полимерный гигроскопический слой может впитывать молекулы воды, которые изменяют относительную диэлектрическую проницаемость, эта система представляет собой влагозависимый конденсатор. Емкость этого конденсатора - это единица измерения относительной влажности окружающего его воздуха. Изменение емкости конвертируется в выходной электрический сигнал электроникой, которая располагается непосредственно возле влагочувствительного элемента. Таким образом, при объединении этих двух элементов получается емкостной датчик влажности, который откалиброван по стандартам влажности.

Достигаемая степень точности, которая существенно зависит от линейности отклонений, гистерезиса и температурной зависимости, составляет около 2% RH*.

Емкостные влагочувствительные элементы, производимые компанией Mela Sensortechnik могут быть использованы во всем спектре влажности, т.е. от 0% до 100%, они устойчивы к оттаиванию и могут быть использованы в температурном диапазоне от -40°С до +200°С.

Датчики влажности, основанные на этом принципе, также перекрывают весь диапазон влажности от 0% до 100% RH* и могут использоваться внутри температурного диапазона от -20°С до +80°С. Специальные серии датчиков могут использоваться при более высоких температурах (до 200°С). Статическая характеристика датчиков практически линейная; отклонения линеарности менее чем 2%. Если датчики работают длительное время в условиях экстремально низкой или высокой влажности, может произойти увеличение отклонения до 2% RH*; однако, это явление исчезает при многократном проведении датчика через весь спектр влажности. Кроме того, отклонения могут появляться, если датчик не был защищен от различных загрязняющих субстанций. Благодаря своей высокой чувствительности, емкостные датчики влажности идеальны для измерения равновесной влажности гигроскопичных материалов, если известны изотермы поглощения гигроскопических материалов.

Таким же образом можно определить степень влажности твердых материалов.

Датчики FK120J (влажности)/TFK80J (влажности и температуры) измеряют влажность воздуха с помощью влагозависимого конденсатора. Емкостной элемент, измеряющий влажность, производится с использованием тонкопленочной технологии, и состоит из основы, на которой впаяны электроды, и гигроскопического полимерного слоя, находящегося сверху.

Гигроскопичный полимерный слой абсорбирует молекулы воды из окружающей среды или испаряет их, тем самым, изменяя емкость конденсатора.

В электронном устройстве изменения емкости преобразуется посредством интегрированного сигнала в сигналы 0...20мА, 0...10В постоянного тока или 4...20мА.

Измерительный элемент защищен корпусом датчика. Данные сенсоры сконструированы для систем с нормальным атмосферным давлением без коррозийных агентов. TFK120J имеет температурный сенсорный элемент Pt100 для одновременного измерения температуры. Измеренные значения таким же образом конвертируются в стандартные сигналы 0...20мА, 0…10В постоянного тока или 4…20 мА.

2.2.2 Цифровые датчики

Одним из широко используемых датчиков влажности является цифровой датчик (модуль) влажности PMU_G, который работает по асинхронному протоколу передачи ASCII и откалиброван для измерения относительной влажности [18].

Описание датчика: сменный цифровой сенсор «PMU_G» снабжен апробированным и протестированным влагочувствительным элементом FE 09/4. Чувствительный элемент предназначен для измерения влажности воздуха и защищен фильтром PTFE. Фильтр состоит из пористого материала, пропускающего пары воды и защищающего чувствительный элемент от грязи, пыли и других вредных агентов. Электронная часть и соединительные контакты задней части модуля покрыты прессованным пластиком для придания им водостойкости.

Электрический разъем имеет класс защиты IP40. Емкостной чувствительный элемент, созданный с использованием тонкопленочной технологии, состоит из основания, в которое впаяны электроды и гигроскопичного полимера, накрывающего их. Гигроскопичный полимерный слой абсорбирует молекулы воды из окружающего его воздуха или испаряет их, тем самым, изменяя емкость конденсатора. Электронные компоненты получают сигнал, пропорциональный значению влажности, сопоставляют их со значениями калибровки, хранимыми в их памяти, и передают откалиброванные значения через разъем по цифровому протоколу ASCII. С учетом наличия цифрового выхода датчика его головка может быть заменена в любое время.

2.2.3 Электролитический датчик влажности

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для непрерывного контроля влажности воздуха и газов и может быть использовано, например, в химической промышленности, в сельском хозяйстве для контроля режима влажности в помещениях или в емкостях. Принцип действия датчика основан на эффекте обратимого равновесного поглощения влаги электролитом датчика с последующим измерением электрических свойств электролита [18].

С использованием данного принципа работают следующие гигрометры:

Гигрометр БАЙКАЛ-5Ц

Назначение: предназначен для измерений объемной доли (ОДВ) влаги и абсолютной влажности в азоте, воздухе, инертных газах, углекислом газе, водороде, кислороде и их смесях и представляет собой промышленный, автоматический, цифровой, стационарный прибор непрерывного действия. Гигрометр выпускается в 3-х исполнениях в зависимости от диапазона измерений.

Диапазон измерений объемной доли влаги, ррм: 0ч1000

Основная приведенная погрешность, %: ±2,5ч4

Диапазоны измерений абсолютной влажности, мг/м3: 0ч750

Термогигрометр ТГЦ-1У

Назначение: предназначен для измерения влажности воздуха в диапазоне 0ч100% и температуры неагрессивных газов в диапазоне -55 +85°С, в различных отраслях промышленности, медицине и сельском хозяйстве.

Описание: прибор конструктивно выполнен в виде двух блоков, показывающего и выносного зонда, соединенных между собой кабелем.

Диапазон измерения относительной влажности воздуха, %: 0ч100

Диапазон измерения температуры, °С: -55 ч +85

Основная погрешность измерения влажности, %: не более +1

Дополнительная погрешность измерения влажности, %: не более +0,1

Термогигрометр ИВТМ-7

Назначение: предназначен для измерения относительной влажности и температуры воздуха в лабораториях, банковских хранилищах и офисах, библиотеках, музеях, гостиничных комплексах, киноконцертных залах, в производственных, складских, торговых и жилых помещениях и вне их.

ИВТМ-7М может использоваться как автономный регистрирующий прибор для сопровождения грузов. Конструктивно прибор выполняется в виде двух блоков - измерительного зонда и блока индикации и измерений. Измерительный зонд может устанавливаться непосредственно на корпус прибора или соединяться с ним при помощи кабеля. Индикация показаний прибора осуществляется с помощью жидкокристаллического индикатора. В приборе предусмотрен вывод результатов на компьютер.

Диапазон измерения относительной влажности воздуха, %: 0ч99

Диапазон измерения температуры, °С: -20 (-40) ч +80

Разрешающая способность, в диапазоне от 0 до 10%, %: 0,1

Разрешающая способность, в диапазоне от 10 до 99%, %: 1

Погрешность измерения температуры, °С: ±0,5 (0,2)

2.2.4 Датчик влажности для контроля образования конденсата

Датчик контроля точки росы монтируется на охлаждаемые поверхности и контролирует понижение температуры ниже температуры точки росы. Он измеряет относительную влажность непосредственно на поверхности охлаждаемых частей и может, таким образом, использоваться для: регулирования мощности охлаждающих систем; для включения и выключения систем охлаждения; для сигнализации о температуре, при которой выпадет конденсат. Таким образом, контуры охлаждения смогут работать более эффективно даже при критических климатических значениях, так как не будет происходить формирование конденсата [27].

2.2.5 Платиновые датчики влажности

Датчики влажности представляют собой многослойный чувствительный элемент с чередованием губчатой платины и полимера, нанесенный на подложку из кремния, на которой выполнена схема нормализации и усиления сигнала, Благодаря такой многослойной структуре датчика его чувствительный элемент защищен от воздействий пыли, масел и грязи. Датчики выпускаются в металлическом корпусе с термосопротивлением, в корпусе с пылезащищенным фильтром и термосопротивлением или в бескорпусном исполнении. Датчики работоспособны в интервале температур -40...85°С и относительной влажности от 0 до 100% (без конденсации влаги на поверхности чувствительного элемента).

Датчики с суффиксом -А имеют встроенный термистор, суффикс -С означает встроенный платиновый терморезистор. Датчик HIH-3602-А имеет паспорт индивидуальной калибровки [27].

Преимущества:

- высокая точность,

- компактность,

- малое потребление,

- широкий диапазон влажности,

- защита от воздействия химических веществ,

- идеальны для измерения относительной величины влажности.

Рисунок 2.3 - Внешний вид датчиков влажности

Платиновый датчик HIH3602А:

Диапазон рабочих температур, °С: -40 ч +85

Напряжение питания, В: 5

Диапазон относительной влажности, с%: 0 ч 100

Время ответа, сек.: 50

Потребляемый ток, мА: 2

Точность, %: 2

Выходной ток, мА: 0.1

Чувствительность, B/%RH: 0.044

Диапазон выходных напряжений, В: 0.887 ч 4.06

Измеряемая среда: Газ

2.2.6 Полупроводниковые датчики влажности

Тонкопленочные полупроводниковые датчики [18]. Действие датчиков такого типа основано на изменении проводимости тонкого слоя полупроводника под действием зарядов, адсорбированных на его поверхности, или поверхности расположенного на нем диэлектрического слоя полярных молекул, в том числе молекул воды.

Первые датчики этого типа выполнены в виде диода Шотки, образованного переходом Si (или Ge) - двуокись олова.

Контакты наносят на противоположные поверхности структуры. Недостатками датчика являются достаточно большая постоянная времени и низкая чувствительность при малых уровнях влажности.

Для увеличения чувствительности на поверхность тонкого слоя (50- 80 нм) окиси олова, расположенного на диэлектрической подложке с двумя электродами, наносят слой диэлектрика, толщиной 10-40 нм. Диэлектриком служит тефлон (при определении влажности более 80%) или полимер, полученный конденсацией в плазме тетраэтоксисилана (при определении влажности в диапазоне 0-100%). Измерения проводят на постоянном токе, сопротивление датчика изменяется от 100 Мом до нескольких сотен кОм в диапазоне влажности 0-100%. Для повышения точности измерений на поверхность диэлектрического слоя наносят дополнительный электрод из алюминия, при этом его площадь не должна превышать 45-50% площади диэлектрического слоя. Подавая на электрод положительный или отрицательный потенциал можно смещать характеристику датчика в заданный диапазон и обеспечивать оптимальную чувствительность и точность измерений. В качестве полупроводника можно также использовать окиси цинка, марганца, меди, никеля, титана, кадмия, железа, серебра, висмута, вольфрама.

В качестве датчика влажности используется также кремниевый МОП-транзистор с открытым затвором. Для увеличения чувствительности на открытую часть подзатворного окисла толщиной 0.1 мкм наносят полимерную плёнку толщиной 0.3 мкм. Канальная проводимость такого транзистора зависит от количества адсорбированных молекул воды и приложенного к затвору управляющего напряжения. Влажность определяют по времени задержки отпирания канала сток-исток, зависящей от сопротивления полимерной плёнки.

Полупроводниковые датчики влажности обладают высокой чувствительностью, однако, они имеют и серьёзные недостатки, главным из которых является значительная временная нестабильность характеристик, обусловленных изменением поверхностных свойств сорбционных покрытий и электродов.

2.2.7 Конвертор влажность/частота

Конверторы влажности конвертируют сигнал влажности в калиброванный сигнал по частоте [18].

Данные влагочувствительные элементы обладают следующими достоинствами:

- компактные размеры,

- откалиброванный выходной сигнал (рисунок 2.4),

- низкое рабочее напряжение,

- низкое потребление тока,

- долговременная стабильность,

- хорошие динамические свойства,

- устойчивости к конденсату,

- малый гистерезис.

Датчик обладает рядом недостатков:

Налёт пыли не повреждает элемент, однако нарушает его динамические свойства. Недопустимо прикосновение к элементу - он очень чувствителен к ним. Контактная емкость (когда части конструкции соединены с землей) может привести к дополнительным погрешностям.

Рисунок 2.4 - Зависимость выходной частоты от влажности

2.2.8 Конвертор влажность/напряжение

Конверторы влажности в напряжение конвертируют сигнал влажности в калиброванный сигнал по напряжению [18]. Они поставляются в виде модулей печатных плат или печатных плат, комбинированных с трубками и проводами.

Данные влагочувствительные элементы обладают следующими достоинствами:

- компактные размеры,

- откалиброванный выходной сигнал (рисунок 2.5),

- возможность модернизации температурного чувствительного элемента,

- низкое рабочее напряжение,

- низкое потребление тока,

- долговременная стабильность,

- практически линейная кривая выходного сигнала,

- хорошие динамические свойства,

- устойчивость к конденсату,

- низкий температурный коэффициент,

- малый гистерезис.

Рисунок 2.5- Зависимость напряжения от влажности

2.3 Методы калибровки датчика влажности

Для правильной работы датчика влажности необходимо производить калибровку с помощью установленных стандартом эталонов влажности [18].

В замкнутой системе над насыщенным солевым раствором устанавливается определенное значение парциального давления, величина которого воспроизводима. Солевой раствор насыщает пространство влагой и тогда соль выпадает в осадок или абсорбирует влагу и нерастворенная соль переходит в раствор. Этот процесс продолжается до тех пор, пока давление насыщенного водяного пара в объеме воздуха не станет таким же, как насыщенный солевой раствор. Относительная влажность, которая формируется в объеме воздуха (тестовой камере) зависит от типа солевого раствора и его температуры. Тестовая камера и солевой раствор разделены мембраной, которая проницаема для водяных паров.

Датчик влажности и эталон влажности должны иметь одинаковую температуру во время теста, в противном случае результат будет некорректным. Температура может находится в пределах 10...40°С, но должна оставаться неизменной в течение всей процедуры. Перед проведением теста датчик должен быть выдержан в условиях неменяющейся влажности (в пределах от 30 до 50% относительной влажности) в течение 24 часов.

Солевой раствор в эталоне влажности необходимо проверять перед каждым проведением теста, т.к. значения, приведенные в таблице, могут быть получены, только в случае, если соляной раствор насыщен.

Таблица 2.1

Типы датчиков

Тип	Диапазон измерений влажности, с,%	Принцип измерения	Выход	Погрешность,%
МВ4-2М	10ч100	психрометрический	визуальный	2ч6
ТГЦ-1У		гигрометрический		1
FK120J	0ч100	емкостной	0…20мА 0…10В	2
Байкал-5У	абсолют. влажность 0ч750мг/м3	электролитический	цифровой	4
НIH-3610	0ч100	платиновый	0-5В	2
	0ч100	полупроводниковые	0-5В	4

В качестве измерительного первичного преобразователя относительной влажности в электрический сигнал (напряжение) в настоящем проекте выбран платиновый датчик типа HIH 3602-А, выпускаемый фирмой Honeywell Inc. [27] и имеющий следующие технические данные:

Диапазон измерения относительной влажности, % 100

Зависимость выходного напряжения от влажности линейная

Крутизна характеристики, мВ/% RH - 31,709

Выходное напряжение при 0% RH, В - 0,887

Линейность характеристики, % - 2

Напряжение питания, В - 5

3.Методы регулирования влажности

3.1 Основные способы увлажнения воздуха

Существующие системы увлажнения воздуха отличаются друг от друга принципом действия или способом увлажнения [17]. Среди большого разнообразия существующих систем увлажнения воздуха можно выделить следующие их разновидности, получившие наибольшее распространение:

- паровые увлажнители,

- ультразвуковые распылители,

- механические дисковые распылители,

- сопловые распылители (форсунки) высокого давления,

- сопловые распылители (форсунки) низкого давления с использованием сжатого воздуха.

Паровые увлажнители широко применяются в системах с «центральным кондиционером», но могут быть использованы и для увлажнения воздуха в тех помещениях, где они установлены. В паровом котле вода с помощью электронагревателей нагревается до кипения. Образующийся при кипении воды пар подается либо в систему вентиляции, либо непосредственно в помещение, в котором установлен паровой увлажнитель. Подача пара в помещение производится вентилятором, который засасывает воздух через фильтр.

Паровые увлажнители относятся к дорогостоящим системам. Они требуют как больших капитальных затрат на приобретение и монтаж оборудования, так и больших эксплуатационных расходов. Это оборудование имеет большие габариты и вес, в его конструкции используется специальные жаропрочные и теплоизоляционные материалы.

Автономное использование парового увлажнителя затрудняет равномерное увлажнение воздуха по всей площади помещения, так как воздух увлажняется только в месте установки системы.

К преимуществам паровых увлажнителей следует отнести их бесшумную работу, а также отсутствие в водяном перегретом паре микроорганизмов.

Ультразвуковые распылители для распыления воды используют явление акустической кавитации. Для этого ультразвуковой обработке подвергается тонкий слой воды. Источником ультразвуковых колебаний являются электромеханические вибраторы, расположенные в ванне с водой. Образующийся аэрозоль может подаваться как в увлажнительную камеру «центрального кондиционера», так и непосредственно в помещение. Для подачи распыленной воды используется вентилятор. Воздух очищается фильтром.

Ультразвуковые распылители имеют высокую стоимость. Срок службы электромеханических вибраторов невелик, поэтому их частая замена требует существенных дополнительных расходов. Как и все системы с открытыми резервуарами для воды, ультразвуковые распылители требуют еженедельной чистки и дезинфекции. Увлажнение воздуха происходит только в месте установки ультразвукового распылителя.

Ультразвуковые распылители позволяют получить очень мелкие капли воды, что обеспечивает их быстрое испарение. Эти распылители бесшумны в работе. Процесс испарения сопровождается адиабатическим охлаждением воздуха, сокращая расходы на кондиционирование.

Механические дисковые распылители устанавливаются либо на стене, либо на потолке. Вода из ванны распыляется посредством вращающегося диска. Вентилятор выдувает капли воды в помещение. Крупные капли падают назад в ванну. Воздух, подаваемый вентилятором, очищается предварительно фильтром.

Основное преимущество этих систем увлажнения - невысокая стоимость оборудования и его монтажа. Механические распылители отличаются небольшим расходом электроэнергии. Как и в других процессах, связанных с испарением распыленной воды, происходит адиабатическое охлаждение воздуха. Но дисковые системы распыления воздуха в наибольшей степени подвержены загрязнению пылью из окружающей среды, которая скапливается как в ванне с водой, так и на влажных поверхностях распылителя. Такого рода системы создают наибольшую опасность заражения персонала болезнетворными вирусами и микроорганизмами, поэтому требуют частой очистки и дезинфекции. Периодичность очисток - не реже одного раза в неделю. Часто, при высокой запыленности помещений, рекомендуют и более короткие интервалы между очистками. Очистке или замене должны подвергаться и воздушные фильтры.

Дисковые распылители образуют большое количество крупных капель, часть которых не падает обратно в ванну с водой, а выносится вентилятором в помещение цеха и, не успевая испариться, попадает на оборудование, полуфабрикаты и готовую продукцию.

Такие распылители очень чувствительны к содержанию в распыляемой воде солей и минералов. Образование известковых наслоений на диске ведет к увеличению доли крупных капель в факеле распыления и увеличивает вероятность их выброса в помещение цеха. Известковые отложения на диске нарушают его динамическую балансировку, приводя к увеличению уровня шума от работы таких систем.

Сопловые распылители (форсунки) относятся в настоящее время к наиболее распространенному виду оборудования, применяемому для увлажнения воздуха.

Форсунки имеют небольшие габариты и вес и могут удобно распределяться по помещениям любой конфигурации, обеспечивая равномерное увлажнение воздуха. Требуемая производительность распыления достигается простым изменением количества форсунок, а блоки управления, поддерживающие заданную влажность воздуха, могут включать и выключать либо все форсунки системы, либо отдельные группы форсунок, в зависимости от влажности воздуха в отдельных зонах. Иными словами, этот вид оборудования позволяет создавать гибкие модульные системы увлажнения в наибольшей степени учитывающие конкретные условия того или иного технологического процесса, особенности помещения, вентиляции и т.п.

Форсунки позволяют использовать системы подачи воды, в которых не происходит контакта воды с атмосферным воздухом. Поэтому не возникает условий для размножения болезнетворных микроорганизмов.

Системы увлажнения с форсунками отличаются сравнительно низким потреблением электроэнергии.

Дополнительные преимущества форсунок - подавление пыли и адиабатическое охлаждение воздуха, снижающее расходы на кондиционирование.

Указанными выше преимуществами обладают оба типа форсунок, используемых в настоящее время: форсунки высокого давления, которые распыляют воду, подаваемую под давлением порядка 80-120 Бар, и форсунки низкого давления, в которые подается распыляемая вода из водопровода под давлением до 4 Бар, а также воздух под давлением до 6-8 Бар.

Тому и другому типу форсунок присущи определенные преимущества и недостатки.

Форсунки высокого давления работают бесшумно и обеспечивают высокую дисперсность распыления воды.

Стоимость форсунок высокого давления и арматуры для подачи воды высока. Это во многом объясняется требуемой прочностью всех элементов системы высокого давления. Несмотря на применение высокопрочных материалов, форсунки и различного рода управляющие элементы (клапаны, вентили и т.п.) часто изнашиваются и в процессе эксплуатации требуют замены. Запасные части стоят дорого. Монтаж систем высокого давления также дорог.

Чтобы форсунки высокого давления не засорялись в процессе эксплуатации, обязательно должна проводиться предварительная обработка воды - снижение жесткости и фильтрация в установках обратного осмоса. Это объясняется малым диаметром канала, через который вода поступает в зону распыления.

По расходу электроэнергии системы увлажнения с форсунками высокого и низкого давления примерно одинаковы. В одном случае электроэнергия расходуется на создание высокого давления воды, а в другом случае на создание низкого давления воздуха.

Форсунки низкого давления обеспечивают высокую дисперсность распыления. Системы увлажнения воздуха с форсунками низкого давления имеют меньшую стоимость, чем системы увлажнения с форсунками высокого давления. Трудоемкость и стоимость монтажа таких систем увлажнения также ниже. Форсунки низкого давления, трубопроводы, клапаны, вентили и другие элементы, регулирующие подачу воды и воздуха, изнашиваются редко.

Форсунки низкого давления имеют проходные сечения каналов подачи воды и воздуха большей площади, чем площадь сечения канала подачи воды в форсунках высокого давления. Поэтому форсунки низкого давления менее подвержены засорению и их легче прочищать. Форсунки низкого давления - самоочищающиеся. Каналы для подачи воды и сжатого воздуха продуваются воздухом и прочищаются подвижными иглами.

Самоочищающиеся форсунки позволяют использовать воду непосредственно из водопровода. Вода не должна обязательно (как для форсунок высокого давления) подвергаться предварительной обработке в устройствах снижения жесткости и установках обратного осмоса.

К числу недостатков систем увлажнения воздуха с форсунками низкого давления следует отнести необходимость применения сжатого воздуха, а также шум, возникающий при их работе.

Рассмотрев основные разновидности систем увлажнения воздуха, можно сделать вывод о том, что системы увлажнения, использующие способ распыления воды через форсунки низкого давления, безопасны для здоровья работников и наиболее эффективны с токи зрения суммарных затрат на их приобретение и обслуживание. Такие системы обеспечивают мелкодисперсное распыление воды и равномерное увлажнение воздуха по объему помещения.

3.1.1 Выбор системы увлажнения воздуха для конкретного предприятия

На первом этапе создания системы увлажнения для конкретного предприятия очень важно определить точные исходные данные: о выполняемом в цехе технологическом процессе, требуемой для него относительной влажности воздуха и соответствующей ей температуре, объеме помещения и особенностях конструкции здания, производительности приточной и вытяжной вентиляции, фактических значениях температуры и относительной влажности в цехе и на улице (зимой и летом), качестве применяемой воды и др. Эти данные должно предоставить предприятие, желающее установить у себя систему автоматического увлажнения воздуха.

Мощность системы увлажнения измеряется количеством литров воды, которое нужно распылять в данном помещении за один час, чтобы обеспечить достижение требуемой относительной влажности воздуха в наиболее неблагоприятных климатических условиях.

Исходные данные могут повлиять на расчетную величину мощности системы увлажнения. Заниженное значение мощности может не обеспечить поддержание в цехе требуемой относительной влажности воздуха. Завышенное значение мощности системы увлажнения приведет к необоснованному увеличению состава оборудования и цены системы. Однако, благодаря модульному принципу построения системы увлажнения, всегда представляется возможным добавить или убрать необходимое количество форсунок и таким образом откорректировать ее мощность.

Состав системы увлажнения - это необходимое количество форсунок или готовых к подключению аппаратов увлажнения, количество блоков управления, шлангов и арматуры для подачи воды и воздуха, а также элементов их крепления в цехе предприятия. В состав системы могут войти также глушители шума и оборудование для предварительной обработки воды.

Важным моментом этого этапа проектирования системы увлажнения является определение допустимой производительности форсунки.

Чем выше производительность распыления форсункой воды, тем меньше дисперсность распыления и однородность факела аэрозоля. Поэтому при высокой производительности распыления в факеле больше крупных капель, для испарения которых при одних и тех же величинах температуры и относительной влажности воздуха требуется больше времени.

Увеличение времени испарения можно получить, располагая форсунки как можно выше над уровнем оборудования, полуфабрикатов и готовой продукции, находящихся в помещении. Тогда время, в течение которого капля воды пройдет путь от зоны распыления до оборудования, людей или материалов, будет больше и капля воды успеет испариться.

При высоте потолков до 3,5 метров целесообразно использовать форсунки с производительностью распыления воды 2 л/час. Форсунки с максимальной производительностью распыления воды - 8 л/час рекомендуется применять в помещениях с потолками 9 метров и выше. При высоте помещений от 3,5 до 9 метров используют форсунки с производительностью от 3 до 6 л/час.

Зная мощность системы увлажнения и производительность распыления воды из одной форсунки можно определить количество форсунок в системе.

Общее количество форсунок в системе увлажнения является одном из условий для определения количества блоков управления, т.к. блоки управления могут управлять работой ограниченного числа форсунок или аппаратов увлажнения. Другими не менее важными условиями являются: конфигурация помещения, характер размещения в нем оборудования и особенности установленной в помещении вентиляции. Все эти факторы влияют на направление воздушных потоков, образование сквозняков или застойных зон, что сказывается на равномерности распределения увлажняемого воздуха по объему помещения.

Если в помещении имеются явно выраженные зоны с различным значением относительной влажности воздуха, то целесообразно управлять работой не всех форсунок одновременно, а отдельными группами форсунок, расположенными в зонах, где влажность воздуха изменяется во времени неодинаково. Тогда для каждой группы форсунок следует установить отдельный блок управления.

Схема размещения форсунок или аппаратов увлажнения воздуха по помещению должна определяться с учетом мест размещения оборудования, полуфабрикатов, готовой продукции, а также их высотой над полом.

По схеме размещения форсунок в помещении определяется необходимая длина и сечения шлангов для подачи воды и воздуха, количество и тип элементов крепления всех устройств системы.

На этом этапе проектирования становится возможным определить стоимость системы увлажнения и ее монтажа.

Изложенная выше последовательность выполнения основных этапов проектирования системы увлажнения воздуха показывает, что ее технические параметры и окончательный состав зависят от большого числа различных факторов, которые необходимо учитывать в каждом конкретном случае. Поэтому специалисты-проектировщики, как правило, выезжают на предприятие для получения дополнительной информации о помещении, в котором предлагается установить систему увлажнения воздуха. Совместная работа заказчиков и проектировщиков приводит к созданию технически оправданной и экономически эффективной системы автоматического увлажнения воздуха.

3.2 Основные методы осушения воздуха

Избыточная влага является одной из главных причин повреждения и разрушения зданий, особенно в российских условиях, когда намокшие стены под действием низких температур замерзают, в результате чего бетон и кирпичная кладка подвержены растрескиванию, что приводит к преждевременному выходу сооружений из строя. Не столь катастрофичны, но, тем не менее, значительны последствия избыточной влажности при хранении различного рода материалов и изделий. Для всех материалов существует состояние, в котором они находятся в равновесии с окружающей средой. Чаще всего колебания влажности являются единственным либо наиболее важным фактором, вызывающим нестабильность свойств материалов. Ниже приводятся несколько примеров проявления негативного влияния повышенной влажности:

- заржавевшие металлические изделия,

- слежавшиеся порошки и сахар,

- пораженные коррозией выключатели и контакты,

- пониженное электрическое сопротивление изолирующих материалов,

- плесень на текстильных изделиях и мехах,

- размягчившиеся и разрушенные картонные коробки,

- потеря окраски и появление пятен на упаковках и готовой продукции.

При использовании эффективных методов и средств борьбы с избыточной влажностью достигаются следующие результаты:

- продолжительность хранения увеличивается, так как сдерживается развитие различных процессов, вызывающих ухудшение потребительских свойств,

- сохраняется стабильность упаковочного материала,

- достигается оптимальное содержание влаги в продукции.

Наряду с указанным, поддержание необходимого уровня влажности является ключевым фактором обеспечения ряда технологических процессов производства. При этом достигается следующее:

- сохраняются первоначальные характеристики активных компонентов в сырьевых материалах и полуфабрикатах,

- снижается рост бактерий,

- уменьшаются затраты на техническое обслуживание и длительность простоев в результате предотвращения прилипания перерабатываемых продуктов к технологическому оборудованию и его засорения,

- устраняются колебания качества вследствие изменения влажности или температуры.

Известны три основных метода борьбы с избыточным влагосодержанием воздуха внутри зданий и сооружений.

Ассимиляция. Метод основан на физической способности теплого воздуха удерживать большее количество водяных паров по сравнению с холодным. Указанный метод реализуется средствами вентиляции с предварительным подогревом свежего воздуха. Данный метод в ряде случаев (бассейны, погреба, складские помещения, гальванические цеха и т.п.) является недостаточно эффективным в силу двух причин:

- способность поглощения воздухом водяных паров ограничена и не постоянна, будучи зависима от времени года, температуры и абсолютной влажности атмосферного воздуха;

- рассматриваемый метод характеризуется повышенным энергопотреблением в связи с наличием безвозвратных потерь явного (расходуемого на подогрев приточного воздуха) и скрытого (содержащегося в удаляемых с воздухом парах воды) тепла.

...