Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы и приборы измерения влажности газов 9
1.1 Анализ методов измерения относительной влажности воздуха 9
1.2 Технические требования к разрабатываемому гигрометру, выбор метода измерения 42
1.3 Выводы по главе 46
Глава 2. Инструментальные и метрологические аспекты измерения относительной влажности и температуры воздуха 47
2.1 Генератор относительной влажности воздуха на принципе смешения двух потоков 47
2.2 Разработка вариантов схемотехники прецизионных измерений температуры воздуха 55
2.3 Выбор метода автоматической компенсации влияния температуры на результаты измерения относительной влажности воздуха 56
2.4 Выводы по главе 62
Глава 3. Исследование температурно-влажностных характеристик чувствительного элемента гигрометра 64
3.1. Расчет оптимальных параметров чувствительного элемента гигрометра 64
3.2. Расширение диапазона измеряемой влажности газов с помощью изменения топологии датчика 75
3.3. Температурно-влажностные характеристики с автоматической компенсацией влияния температуры 78
3.4. Исследование влияния длины соединительного кабеля на измеряемые параметры 97
3.5. Выводы по главе 99
Выводы 100
Список литературы 101
- Технические требования к разрабатываемому гигрометру, выбор метода измерения
- Разработка вариантов схемотехники прецизионных измерений температуры воздуха
- Выбор метода автоматической компенсации влияния температуры на результаты измерения относительной влажности воздуха
- Температурно-влажностные характеристики с автоматической компенсацией влияния температуры
Введение к работе
1. Актуальность работы.
Влажность воздуха является одним из основных технологических параметров. В жилых и производственных помещениях и в общественных зданиях влажность воздуха - это один из факторов, определяющих самочувствие человека и условия комфорта для него. Регулирование влажности воздуха (наряду с другими его параметрами) необходимо во всех установках для создания искусственного климата, начиная с лабораторных камер-гигростатов вплоть до современных фитотронов.
В промышленности актуальны задачи контроля и регулирования влажности воздуха в складских и производственных помещениях, связанных с гигроскопическим сырьем, полуфабрикатами и готовыми изделиями (пищевая, текстильная, бумажная, полиграфическая, кино-фотоматериалов и другие отрасли промышленности), на некоторых машино- и приборостроительных предприятиях (для предотвращения коррозии изделий, создания необходимых условий при сборке и испытаниях приборов), в промышленности полупроводниковых материалов и приборов, электронной и т.д. Поддержание определенной влажности необходимо в ряде биологических процессов (например, в микробиологической промышленности, процессах ферментации табака). Аналогичные задачи возникают и в сельском хозяйстве - при выращивании растений в закрытом грунте (теплицы, оранжереи), в животноводстве и птицеводстве - в инкубаторах и помещениях для содержания скота, продуктивность которого зависит от влажности окружающего воздуха, в зернохранилищах и помещениях для хранения и дозревания овощей и фруктов. Технологические процессы химической промышленности выдвигают задачи контроля и регулирования влагосодержания чистых газов: азота, водорода, кислорода, метана и др., во многих случаях необходимо контролировать с большой точностью степень осушки воздуха и различных газов. Аналогичные задачи ставят современные электровакуумная промышленность и металлургия (черная, цветная, в том числе редких металлов и полупроводников). Следует
отметить, что перечисленные современные задачи и их решения могут быть реализованы на базе уже существующих систем контроля и регулирования влажности газов. Однако, чувствительные элементы в таких системах находятся в непосредственной близости от электронной части прибора. Предлагаемая разработанная система контроля, измерения и регулирования влажности газов имеет существенное преимущество, заключается в возможности удаления первичных преобразователей (датчиков) от измерительной схемы до 1 Омметров при этом, не теряя своих технических характеристик. Тем самым создание такой системы контроля влажности газов можно отнести к важной научно-технической задаче.
2. Цель работы.
Разработка системы измерения и контроля влажности воздуха на базе электрических гигрометрических датчиков с улучшенными характеристиками от уже имеющихся и возможностью удаления первичных преобразователей от измерительной схемы до 100 метров.
3. Задачи для достижения поставленной цели.
Разработка системы измерения и контроля влажности воздуха на базе электрических гигрометрических датчиков с улучшенными характеристиками на объектах, удаленных от измерительной схемы до 100 метров. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
устранение основного недостатка ЭГД - недостаточной устойчивости их
характеристик во времени, т.е. старения датчиков в процессе эксплуатации
и хранения;
разработка и внедрение метода расширения диапазона измерения
относительной влажности воздуха на базе рассматриваемых
преобразователей;
разработка методики расчета оптимальных геометрических параметров для
датчиков измерения влажности воздуха;
внедрение и практическое применение разработанной системы контроля и
измерения влажности воздуха в условиях предприятия;
внедрение автоматической компенсации влияния температуры измеряемой
среды с предложениями ее реализации на основе определенного исполнения
измерительного преобразователя. 4. Краткое описание материала диссертации: Глава 1 построена на базе литературного обзора, позволяющего определить сферы, где тербуется измерение влажности воздуха; существующие методы и перечень приборов измерения относительной влажности воздуха. Более детальное рассмотрение позволяет определить достоинства и недостатки представленных методов. На основании используемых в главе источников информации также определены рабочие диапазоны измерения относительной влажности воздуха^ существующего парка приборов и их точность. Наряду с этим указаны общие требования, предъявляемые для всех типов преобразователей.
Технические требования к разрабатываемому гигрометру, выбор метода измерения
Рассмотрим следующий тип первичных преобразователей - подогревные электролитические датчики.
Принцип действия подогревных электролитических датчиков основан на зависимости максимальной упругости водяного пара над поверхностью насыщенного раствора гигроскопической соли от температуры. Чувствительный элемент датчика может изготавливаться с применением кристаллов ионной соли или водного насыщенного раствора. Использование кристаллов чистых солей основано на постоянстве значения влажности, при котором при неизменной температуре могут сосуществовать в равновесии друг с другом твердая соль, насыщенный раствор на ее поверхности и водяной пар в окружающей среде. Для значений влажности ниже указанного (назовем его "влажностью перехода") поверхностный слой насыщенного раствора отсутствует. Этот слой возникает при достижении влажности перехода, при ее превышении толщина слоя увеличивается. Достижение влажности перехода легко установить по резкому увеличению электрической проводимости кристалла; дальнейшее повышение влажности влечет за собой увеличение проводимости.
Описанные свойства кристаллов солей использовались в некоторых простейших (релейного типа) сигнализаторах влажности воздуха.
Электрический гигрометр, использующий хлорид лития, разработанный Dunmore [61], работает на принципе, при котором раствор хлорида лития, погруженный в пористую смесь, изменяет ее ионную проводимость[62,63,64,65], зависящую от относительной влажности окружающего атмосферного воздуха.
Широкое распространение получили электролитические подогревные датчики, у которых влагочувствительным элементом служит насыщенный водный раствор соли, покрывающий поверхность чувствительного элемента термометра, как и в гигрометрах точки росы, состояние равновесия с окружающей средой достигается изменением (повышением) температуры чувствительного элемента, которая однозначно характеризует влажность окружающего газа. Преимуществом подогревных датчиков является то, что равновесие достигается подогревом датчика, который осуществляется легче и проще, чем охлаждение зеркальца в гигрометре точки росы. Обычно используется раствор насыщенный хлористого лития, для которого минимальная равновесная влажность достаточно низка (д = 12-13% при комнатных температурах).
Главной особенностью рассматриваемых датчиков является наличие следящей системы, непрерывно и автоматически приводящей чувствительный элемент к равновесной температуре. Это еще одна аналогия с автоматическими гигрометрами точки росы. Обычно датчик имеет чулочек, надеваемый на чувствительный элемент термометра и изготовленный из тонкого слоя гигроскопической ткани, пропитанным насыщенным раствором LiCI. Чулочек снабжается двумя проволочными электродами, позволяющими пропускать через него ток (во избежание поляризации применяется переменный ток). Ток нагревает раствор до температуры кристаллизации LiCl; образование твердой соли влечет за собой резкое увеличение сопротивления между электродами, уменьшение силы тока и температуры датчика. Понижение температуры продолжается до тех пор, пока вследствие поглощения влаги из окружающей среды вновь не повысится проводимость раствора между электродами, что повлечет за собой увеличение силы тока и повышение температуры датчика. В датчике, следовательно, будет иметь место колебательный процесс регулирования температуры вблизи среднего значения, равного равновесной температуре, соответствующей влажности газовой среды, окружающей датчик. В датчиках рассматриваемого типа используются термометрические измерительные преобразователи различных видов, чаще всего электрические термометры сопротивления. общепринятым материалом для изготовления чулочка является стеклянное волокно, а для электродов - голая платиновая или серебряная проволока. Устройство электролитического подогревного датчика.
Проволочные электроды намотаны спирально поверх чулочка из стекловолокна, уложенного на термометр сопротивления. Последний имеет защитную металлическую трубку, покрытую слоем лака для электрической изоляции и защиты от коррозии.
Защитное покрытие металлического кожуха увеличивает инерцию датчика; кроме того, ввиду большой агрессивности солевого раствора, находящегося при высоких и переменных температурах, возможен выход из строя термометра сопротивления, вызванный коррозией кожуха при образовании трещин в защитной лаковой пленке, иногда защитную трубку изготавливают из нержавеющей стали или вводят термометр сопротивления в стеклянную трубку; в последнем случае инерция датчика еще больше увеличивается. В конструкции датчика в качестве чувствительного элемента применены малогабаритные и малоинерционные термометры сопротивления: остеклованные или керамические. В обоих случаях термочувствительный элемент герметизирован и покрыт слоем стекла, имеющим толщину не больше десятых долей миллиметра, или размещен в каналах керамического каркаса. Чулочек надевается непосредственно на термометр сопротивления. У датчиков этого типа отпадает необходимость в противокоррозионной защите и значительно уменьшается постоянная времени - до 25-30 секунд (у остеклованного) или 30-40 секунд (у керамического). Значительно реже применяют в подогревных датчиках термисторы и термопары.
Электроды датчика включаются в цепь переменного тока, получаемого обычно от сети 50 Гц, через трансформатор, вторичное напряжение которого равно 24В (иногда ЗОВ). Величина этого напряжения несколько влияет на быстродействие датчика, однако повышение напряжения сверх указанных значений не дает заметного эффекта.
Если включить датчик после длительного выключения питания электродов, после пропитки свежим раствором или пребывания его в среде с высокой влажностью, то вследствие низкого сопротивления электролита ток через электроды может возрасти в 10 раз и более. Во избежание этого последовательно с электродами датчика в цепь низкого переменного напряжения включают ограничивающее сопротивление. Предлагалось также использовать понижающий трансформатор с круто падающей зависимостью вторичного напряжения от нагрузки; такая зависимость обеспечивает установление малой силы тока в цепи электродов, если их сопротивление понижается.
Разработка вариантов схемотехники прецизионных измерений температуры воздуха
Проводимость а складывается из всех факторов, связанных с диссипацией энергии. Сюда относятся как истинно омическая проводимость, вызванная перемещением носителей заряда, так и потери энергии, проявляющиеся в той части зависимости 4 от частоты, которая учитывает трение, возникающие при переориентации диполей. Величина со4 представляет собой реактивную составляющую подводимой энергии, она связана с потерей энергии в материале.
Указанным параметрам соответствуют интегральные величины, регистрируемые измерительными приборами: емкость Сиы и активная проводимость gUiU (или сопротивление R ,) емкость См, и tgSun, (или добротность Qux„= 1/tgSuui). Как известно, диэлектрическая проницаемость, как свойство материала, связывается именно с поляризационными явлениями. Поляризация - это процесс смещения электрических зарядов под действием электрического поля. В зависимости от характера зарядов, их взаимной связи и других факторов различают несколько видов поляризации: 1) электронная поляризация атомов и ионов; 2) атомная поляризация ионов смещения; 3) дипольная ориентационная поляризация; 4) макроструктурная (объемная) поляризация; 5) электролитическая поляризация; Во влажном материале, как правило, имеет место все пять видов поляризации [58]. Для уменьшения их влияния сопротивление электролитических датчиков всегда измеряют при переменном токе и низкой плотности тока через электроды. Ослаблению эффекта поляризации способствуют также некоторые добавки к электролиту (например, поливинилацетата к LiCl) и электроды из благородных металлов (платина, золото, палладий). Динамические характеристики электролитических ЭГД определяются параметрами влагочувствительного элемента, а также внешними факторами (параметрами объекта измерения). К первой группе факторов относится размер влагочувствительного слоя, особенно его толщина, природа электролита и его концентрация. Минимизация массы влагочувствительного элемента, осуществленная в описанных выше миниатюрных и тонкопленочных датчиках, позволяет получить высокое быстродействие электролитических ЭГД.
Согласно формуле Rx=Px - 0-9), для увеличения чувствительности измерения необходимо увеличить расстояние между электродами /; датчик должен иметь максимально развитую поверхность при минимальном объеме -это необходимо и для повышения его быстродействия.
Из числа параметров исследуемого газа на инерционность ЭГД сильно влияет температура. У хлористолитиевых и некоторых других датчиков установлено значительное увеличение постоянной времени при низких отрицательных температурах.
Скорость газового потока оказывает такое же влияние, как и у других гигрометров, - быстродействие их растет с ростом скорости газа. Этим обусловлено значение расположения плоскости чувствительного элемента относительно направления потока (при перпендикулярном расположении инерция меньше, чем при параллельном) и конструкции защитного чехла ЭГД.
Как уже указывалось, в измерительных устройствах гигрометров с электролитическими датчиками используется переменный ток промышленной и иногда низкой звуковой частоты. Если сопротивление датчика Rx изменяется в сравнительно узких пределах (2-3 порядка), применяются омметры или мосты переменного тока различных типов, в том числе с автоматическим уравновешиванием. Для измерения величин Rx, изменяющихся в широких пределах, требуются более сложные схемы, например, логарифмические, позволяющие получить линейную градуировку в процентах относительной влажности. В радиозондах применяются схемы с преобразованием величины Rx в низкую звуковую частоту [1].
Важнейшим с практической точки зрения параметром ЭГД является степень устойчивости их характеристик. Испытания и опыт эксплуатации электролитических ЭГД в различных условиях показали наличие необратимых процессов старения. Кратковременная (в течение 10-15 дней) и долговременная неустойчивость характеристик вызваны физическими и химическими воздействиями на электроды и влагочувствительную пленку. К химическим процессам можно отнести взаимодействие влагочувствительного элемента с компонентами газа, гидратацию и другие необратимые изменения пленки под воздействием влаги и электрического тока, коррозию электродов. К физическим воздействиям относятся механические повреждения пленки, ухудшение ее адгезии подложки и загрязнение механическими примесями. Экспериментальное исследование старения хлористолитиевых датчиков показало, что основной причиной неустойчивости является воздействие повышенной влажности ((р 90-95%). От этого недостатка свободны ЭГД некоторых типов, например, с пленкой из смеси сегнетовой и поваренной солей, а также тонкопленочные. У датчиков с пленкой BaF2 кратковременное пребывание в среде с относительной влажностью (р = 100% и длительное с tp = 95% не оказывало влияния на характеристики датчика. У полосковых ЭГД существенное улучшение кратковременной устойчивости достигалось использованием в качестве связующего смеси поливинилового спирта с желатином при изготовлении основания из оргстекла. Для повышения устойчивости характеристик предлагались также различные режимы искусственного старения, хранение хлористолитиевых ЭГД в атмосфере с влажностью, близкой к нулю (например, в контейнерах с силикагелем), а также специальные рецептуры влагочувствительной пленки и методики изготовления ЭГД. В целом, задача предотвращения старения электролитических ЭГД не решена до настоящего времени. Хотя у некоторых датчиков характеристики не меняются в течение нескольких месяцев, и даже лет, нет уверенности в устойчивости характеристик всех типов и даже всех экземпляров одного типа ЭГД. Нередко предприятия-изготовители ЭГД рекомендуют периодически (через 2-3 месяца) проверять градуировку и в случае необходимости корректировать ее. Это, разумеется, препятствует широкому производственному использованию подобных ЭГД.
Выбор метода автоматической компенсации влияния температуры на результаты измерения относительной влажности воздуха
На погрешность задания влажности влияет неполное насыщение влажного потока. Степень неполного насыщения оценивалась экспериментальным путем. Для этого проводили измерения влажности потока паровоздушной смеси на выходе из насытителя. Установлено, что неполное насыщение составляет не более -0,3 %.
При расчете была задана требуемая степень осушки воздуха, которая является источником погрешности задания влажности и составляет +0,3 % при максимальной температуре 60 С.
Этот влияющий фактор не удается оценить количественно, поэтому для обеспечения герметичности соединений были приняты все возможные меры как для системы в целом, так и для всех ее элементов. Причиной возникновения источника погрешности является, в основном, проникновение влаги или атмосферного воздуха через неплотные соединения трубок со штуцерами. Качество герметичности соединений системы в целом исследовалось с помощью манометра, а потом вакуумметра. Для этого систему оставляли под избыточным давлением или разрежением на сутки. Спад давления или разрежения контролировали по образцовому прибору с учетом изменений температуры. На основании исследований приняли, что оценка погрешности задания влажности из-за негерметичности соединений не превышает ±0,6 %.
Исследования неравномерности температур и влажности по объему измерительной камеры показали, что меры, приятые при выборе конструкции измерительной камеры, являются достаточными для того, чтобы свести неравномерность температур и влажностей к пренебрежимо малому значению.
На погрешность задания, влажности влияет точность соблюдения условия равенства температур сухого и влажного потоков при смешении. С целью уменьшения разности температур потоков перед камерой смешения используется специальный двойной трубопровод с тонкой стенкой, по которому одновременно проходит сухой и влажный потоки. Теоретически максимальная разность температур двух потоков не может превышать градиента температур в термостате, составляющего (0,09+0,03) С. Оценим погрешность задания влажности из-за разности температур двух потоков -0,12 С (предельное значение): оценка значений составляющей погрешности задания влажности неравномерности температур при смешении [%] при Qi/Qc Изменение температуры при смешении сухого и влажного потоков
При смешении сухого и влажного потоков, имеющих одинаковые температуры, произойдет изменение температуры смеси, что приведет к погрешности задания влажности. Трубопровод за точкой смешения и измерительная камера расположены в рабочей камере термостата, что приближает значение температуры поверочного потока к заданной. Также, в измерительной камере выполняется контроль температуры потока поверочной парогазовой смеси. Следовательно, источником погрешности задания влажности из-за изменения температуры при смешении сухого и влажного потоков можно пренебречь. Поскольку процесс смешения происходит при давлениях близких к атмосферному, то на основании зависимости фактора сжимаемости Z сухого воздуха и водяного пара от температуры и давления, влажный газ можно рассматривать как идеальный. Нестабильность атмосферного давления и перепад давления, необходимый для движения воздуха по трубопроводу, могут быть источниками погрешности задания влажности. Экспериментальные исследования показали, что избыточное давление в трубопроводе не превышает 0,03 МПа. Парциальное давление насыщенных паров практически не зависит от изменения атмосферного давления в пределах близких к 0,1 МПа. Следовательно, источником погрешности из-за нестабильности и неравномерности давления, можно пренебречь. Инструментальная погрешность контрольно-измерительной аппаратуры Значение относительной влажности в измерительной камере генератора при заданной температуре находится расчетным путем по измеренным значениям расходов сухого и влажного потоков. Погрешность задания влажности зависит от инструментальной погрешности используемой, а именно, погрешности измерения расходов и температуры. Предел допускаемой относительной основной погрешности средства измерения расхода равен 2,5 %. Учитывая, что проводилась градуировка ротаметров, предел допускаемой относительной основной погрешности измерения расходов был принят 1 %. Тогда погрешность измерения расхода равна: AQ=0.0l-Q, где Q - измеренное значение расхода. Предлагаемая установка отличается тем, что в схему включены теплообменник - донасытитель НС и теплообменник сухого воздуха AT- их наличие обуславливает уменьшение погрешности. Так же применение в установке фиксаторов расходов сухого и влажного воздуха ФР1 и ФР2 позволяет проводить работу с одними и теми же точками без дополнительной подстройки и не проводить измерения расхода при помощи ротаметров[45].
Температурно-влажностные характеристики с автоматической компенсацией влияния температуры
В результате расчета для Rx= 0.2053 МОм при Г=30С и =50% для корректной работы (при использовании автоматической компенсации) требуется RK = 205 кОм или же изменять чувствительность рабочего датчика Rx, путем уменьшения количества сорбента (изменять концентрацию при изготовлении нового датчика или путем обмывки существующего дистиллированной водой). Однако, изготовление компенсационного датчика достаточно трудоемкая процедура, RK возможно заменить подходящим по номиналу терморезистором, причем полупроводниковым с отрицательным ТКС.
Для определения значений RK при различных температурах, требуемых для подбора терморезистора были построены температурно-влажностные характеристики по экспериментальным данным, приведенным в таблице 3.4.
Использование полученных характеристик позволило рассмотрение значений Rx во всем допустимом диапазоне изменения относительной влажности ср.
Для получения правильной характеристики работы температурной коррекции используем полученные при проведении эксперимента значений UBblx. Корректной температурной компенсацией можно считать совпадение выходного сигнала погрешностью до 1% по влажности при температурах Г=20 ;30 ;40 С. Таким образом, используя экспериментальные значения иеых (рисунок 3.13) и значения Rx (рисунок 3.14) при заданных температурах (соответственно 7,=200;30;40С), возможно получить значения RK требуемого терморезистора или компенсационного датчика при указанных температурах. 1. Рассмотрены методы определения оптимальных геометрических и физических параметров чувствительных элементов; выбран метод определения оптимальных параметров емкостных преобразователей, на основе которого разработан метод расчета чувствительного элемента сорбционно-резистивных датчиков измерения относительной влажности воздуха. 2. Представлен метод расширения диапазона измерения относительной влажности воздуха с указанием рекомендаций для подбора номинала добавочного сопротивления Rdog, позволяющего реализацию разработанного метода. 3. Проведены исследования температурно-влажностных характеристик созданных датчиков с применением двух схем подключения рабочего и компенсационного измерительных преобразователей. В результате проведения ряда экспериментов была определена подходящая схема подключения - последовательная, как оптимальная при измерении относительной влажности воздуха. 4. Экспериментально было доказано необходимое использование автоматической коррекции температуры при измерении относительной влажности воздуха с применением компенсационного датчика, имеющего определенные характеристики в рабочем температурном режиме. 5. Исследовано влияние длины соединительного кабеля. В результате проведенного эксперимента получены результаты, подтверждающие отсутствие значительного влияния на измерения относительной влажности соединительного кабеля длиной до 100 метров, что позволяет использовать разработанные сорбционно-резистивные датчики влажности воздуха на удаленных от измерительной схемы объектах. Основные результаты работы по созданию и исследованию системы контроля и измерения относительной влажности воздуха для удаленных объектов до 100 метров можно сформулировать следующим образом: 1. Разработана и создана система контроля и измерения относительной влажности воздуха на удаленных объектах до 100 метров при использовании сорбционно-резистивных первичных преобразователей. 2. Проведен анализ структуры разрабатываемых датчиков ЭГД измерения влажности воздуха, по результатам которого определена возможность использования адаптированного метода расчета геометрических и физических параметров для используемых первичных преобразователей. 3. Разработан метод расширения диапазона измерения относительной влажности воздуха. 4. С помощью применения предложенного схемотехнического исполнения измерительного преобразователя реализован способ автоматической температурной коррекции гигрометра. 5. По результатам экспериментальных данных определена предпочтительная схема измерения - схема последовательного включения рабочего и компенсационного датчиков, использование которой позволяет поддержать чувствительность на высоком уровне. 6. Созданная система контроля и измерения влажности воздуха соответствует условиям использования на хлебозаводах при температурном режиме Т= +20 + +40С и относительной влажности воздуха =0+60%.
