Датчик вологості еусу
2.1 Класифікація датчиків вологості
У будь-якій системі автоматичного управління одну з найважливіших ролей відіграє датчик.
Будь-датчик служить для збору відомостей про систему, для контролю над фізичними параметрами і перетворення їх в уніфікований електричний сигнал.
У нашому сушильному барабані одним з найважливіших складових елементів є датчик вологості, який служить для контролю вологості висушуваного матеріалу. Вимірювання вмісту вологи в навколишньому повітрі, речовинах і матеріалах становить інтерес у багатьох областях. Щоб вибрати відповідний до нашої системи датчик необхідно класифікувати датчики вологості або, як їх називають, гігрометри. Вологість повітря на виході сушарні є дуже важливим параметром при розрахунку її енергоспоживання. Дійсно, в енергетичному балансі роботи сушарні з гарячим повітрям іноді до 80% втрат тепла пов'язано з йдуть повітрям. Тому вигідно здійснювати процес сушіння при мінімальній витраті повітря і викидати повітря назовні при максимальній вологості (проте без зниження швидкості сушки).
Д
Гігрометри можна розділити на дві групи:
а) гігрометри, засновані на фізичному законі, дозволяю-щем безпосередньо визначати вологість; це - конденсаційні гігрометри, психрометри, електролітичні і сорбційні гігрометри.
б) гігрометри, принцип дії яких заснований на изме-рении властивостей тіла, пов'язаних з вологістю, наприклад, імпедансні гігрометри.
Ці гігрометри дозволяють відповідно до принципів, покладених в їх основу, визначити один з параметрів вологого повітря. Ось ці параметри та гігрометри, що забезпечують їх вимір:
а) температура точки роси Тd (° С), що визначається кондом-саціоннимі, сорбційними і електролітичними гігрометрами, а також гігрометрами на основі оксиду алюмінію;
б) температура вологого термометра Th (° С), яка вимірюється психрометрами;
в) відносна вологість U (%), що визначається за допомогою на-гою гігрометрів на основі зміни опору і ємко-сти. [2.2]
Зіставлення різних типів гігрометрів утруднено, оскільки вони призначаються для визначення різних параметрів вологого повітря.
При зіставленні результатів вимірювання двома гігромет-рами різних типів може знадобитися перейти від однієї характеристики вологого повітря до іншої.
Наприклад, при зіставленні показань резистивного і конденсаційного гігрометрів можна порівнювати щодо відповідності-ву вологість, яку показує датчик першого типу, і значення, що розраховується з температури точки роси і температури сухого термометра, які отримують за допомогою вто-якого гігрометра.
Щоб оцінити точність зіставлення, необхідно враховувати-вать, що помилка у вимірі температури точки роси ΔТd призведе до помилки в величині відносної вологості ΔU, що змінюється в залежності від значень Тd і U у відповід-ності з лінією насичення. Дійсно, похибки у визначенні цих двох величин пов'язані між собою множником, рівним тангенсу кута нахилу кривої (dU / dТd) T = const; так, наприклад, при свідченні сухого термометра 10 ° С помилка оп-ределенном Тd в 1 ° С призводить до помилки в величині U 3% при Тd = -5 ° С і 5% при Тd = + 5 ° С.
Тому перед вибором типу гігрометра важливо виділити параметр, який хочуть виміряти, і, виходячи з цього, слід підбирати прилад, який дозволить вимірювати цей параметр з мінімальною похибкою.
Р
Принцип дії і конструкція гігрометра. [2.3]
Тіло, температуру якого в будь-який момент часу можна вимірювати, поступово охолоджують до появи роси або інею на його поверхні. Потім процес стабілізують таким обра-зом, щоб між повітрям і краплями роси підтримувалося рівноважний стан. Вимірюється температура є, отже, «точку роси», Td (індекс d відповідає англійському dew point) або «точку інею», Tf (f від англ, frost point). Починаючи саме від цієї точки роси, визначають тиск пари у вологому повітрі.
Гігрометри на основі точки роси придбали достатню точність і стали конкурентоспроможними після їх автомати-зації. На рис. 2.1 зображені принципова, конструктив-ва і електрична схеми автоматичного конденсаційного гігрометра.
Основними елементами гігрометра є дзеркало і сі-стема регулювання його температури, датчик для вимірювання температури дзеркала (платиновий термометр опору або термопара), джерело світлового пучка і оптичний детектор.
Джерело світла висвітлює металеве дзеркало таким об-разом, щоб під час відсутності конденсату світло на детектор не по-падав. Потім проводиться охолодження дзеркала (ефект Пелетье, блок охолодження, сухий лід, рідкий азот і т. П.) Аж до появи конденсації. При появі шару роси або інею розсіяне світло потрапляє на детектор, який через систему підстроювання дає команду на підігрів дзеркал. При підвищенні температури роса зникає і зникає також рас-сіяний світло, що знову призводить до охолодження дзеркала. З по-міццю належної настройки можна отримати шар кондом-сата певної товщини і досягти таким чином равновес-ного стану між парою і його конденсатом. Датчик температури, що прикріплюється до зворотної сторони дзеркала, по-зволяет виміряти його температуру.
Принцип дії і конструкція гігрометра. [2.3]
Принцип дії сорбціонното гігрометра полягає в на-прогрівання насиченого сольового розчину до тих пір, поки в розчині встановиться тиск пара, що дорівнює тиску пари
в навколишньому повітрі. Знаючи цю температуру, можна визна-лити тиск пара і, отже, температуру точки роси.
Тому при вимірах вологості використовують насичені розчини солей, для яких тиск пари було б при дан-ної температурі мінімальним. На практиці найбільш зручний хлорид літію. Лінія тиску його парів наближено відпо-ствует лінії відносної вологості 12% (табл. 2.1). Іс-пользуемя область на діаграмі, відповідна вологому повітрю, укладається між цією лінією і лінією насичення. Таким чином, з рис. 2.2 видно перевага використання хлориду літію в порівнянні з іншими солями.
Після випаровування води струм, що проходить між електродами, різко зменшується, оскільки провідність кристалічного хлориду літію значно нижче провідності розчину, і з-відповідально знижується температура датчика. Одночасно хлорид літію, гідрофільність якого дуже висока, знову адсорбує водяна пара, що призводить до збільшення сили струму і температури датчика. Таким чином, забезпечується одно-весіе між твердим хлоридом літію і його розчином. У соот-но до зазначеним принципом ця рівновага наступає при температурі, безпосередньо пов'язаної з тиском пари і, отже, також з точкою роси, так що визначається імен-но ця температура.
Гігрометри на основі зміни імпедансу.
Принцип дії і конструкція гігрометра. [2.3]
Гігрометри на основі змінного імпедансу мають чувст-вітельно елемент, що складається з гігроскопічного речовини, у якого відбувається зміна будь-якого електричного па-параметра (опору або ємності) при зміні навколишнього-щей вологості.
Зазвичай ці чутливі елементи мають дуже малі розміри і дозволяють виробляти порівняно точні вимірювань-ня з малою постійною часу.
Імпедансні гігрометри можна розділити на три групи:
- ємнісні гігрометри на основі полімерних діелектрі-ков;
- ємнісні гігрометри на основі діелектричного оксиду алюмінію.
І
Розглянемо імпедансний гигрометр резистивного типу.
У деяких варіантах конструкції в якості гігроскопічний-ного речовини використовується рідина. Електроліти проводять електричний струм, і їх опір залежить від обсягу, кото-рий пропорційний вмісту води в них. Також відомий спосіб перетворення відносної вологості в електричних-кий сигнал. Залежність між відносною вологістю і опором можна зобразити у вигляді ізотерми сорбції. На рис. 2.4 представлена типова крива залежності со-спротиву від відносної вологості чутливого еле-мента резистивного гігрометра. Відзначимо, що інтервал зраді-ня опору може охоплювати від менш 1 до 80 МОм. Насправді опір Rm гігрометра залежить од-ночасно від вологості і від температури: вплив останньої можна компенсувати за допомогою потенциометрической схеми (рис. 2.5), де опір ra включається послідовник-но з Rm і його залежність від температури така ж, як у Rm.
Принцип дії і конструкція. [2.3]
Шар полімерного ді-електрика товщиною кілька мікрон поглинає з навколишнього-ного повітря молекули води, в результаті чого встановлює-ся рівновагу з повітрям. Це призводить до зміни діелектрі-чеський постійної шару і, відповідно, зміни ємності: конденсатора, в якому використовується цей діелектрик.
Досвід показує, що при цьому зміна ємності в зави-ності від відносної вологості досить добре описи-ється лінійним законом, а коефіцієнт пропорційності, слабо залежить від температури.
Існують різні способи виготовлення тонкошарових, конденсаторів. Описувана нижче конструкція (рис. 2.6, а)
являє собою датчик, розроблений Лабораторією елект-РОНІКА та інформаційної техніки (LETI) і випускається фір-мій CORECI.
Технологія виготовлення включає осадження полімеру на перший танталовий електрод, а потім нанесення на полімер тонкого (завтовшки від 100 до 10000 А) шару хрому шляхом вакуум-розумного напилення. Цей шар викликає поява тріщин в діелектричному шарі (рис. 2.6,6), що, зокрема, усуває залежність постійної часу запізнювання від товщини це-го шару. Тут хром використовується для того, щоб зробити дат-чик нечутливим до серосодержащим домішкам. У некото-яких ємнісних гігрометри як пористий електрода використовується дуже тонкий (
100А) шар золота.
Ємнісний гігрометр на основі діелектричного шару оксиду алюмінію
Принцип дії і конструкція. [2.3]
Використовуваний діелектрик являє собою шар оксиду алюмінію, нанесений посеред-ством анодного осадження на алюмінієву пластинку, пред-складову собою перший електрод; в якості іншого елект-роду служить шар металу, нанесений на діелектрик (рис. 2.7, а). Імпеданс гігрометрів цього типу, як і описаних в попередньому розділі, змінюється в залежності від відносної вологості навколишнього середовища (рис. 2.7, б).
І
Анодное осадження здійснюється шляхом електролізу вод-ного розчину сірчаної кислоти, причому анод виготовляється з алюмінію. Вирізняється на цьому електроді кисень перетворюється-щает метал в оксид, при осадженні якого виникає мно-дружність точок схлопування, що призводить до пористій структурі шару.
Гігрометри, засновані на цьому принципі, найбільш зруч-ни для вимірювання низьких значень вологості. У цьому випадку необхідно, щоб товщина пористого шару була мінімальною; після анодного осадження шар полірують, щоб зменшити його товщину і зробити датчик чутливим виключно до температури точки роси конкретної навколишнього середовища.
Другий металевий електрод наноситься на поверхню оксиду алюмінію; для цього можуть бути використані алюми-ний, мідь, золото, срібло, платина, паладій, ніхром. Зазначений електрод повинен бути досить малим, щоб не закривання вать зверху пористий шар оксиду алюмінію більш, ніж це не-обходимо.
Принцип дії і конструкція. [2.3]
Електролітичні гігрометри дозволяють визначити дуже низькі вмісту водяної пари в повітрі, що містить дру-Гії гази.
Чутливий елемент такого гігрометра (рис. 2.8) з-стоїть з трубки довжиною 10 см, в якій розміщуються скручений-ні в спіраль електроди з платини або родію, з шаром фос-Форн ангідриду (Р2 ПРО5) між ними.
Досліджуваний газ циркулює в вимірювальної трубці, а з-тримається в ньому водяна пара поглинається фосфорним ангід-Рідом, який перетворюється при цьому в фосфорну кислоту. Між електродами створюється постійна напруга близько 70 В, що викликає електроліз води з виділенням кисню і водню і регенерацію фосфорного ангідриду. Згідно зако-ну Фарадея, який визначає співвідношення між кіль-вом електрики, що проходить між електродами, і кількістю-ством води, підданої електролізу, для того, щоб вироби, йшла дисоціація 1 г-еквівалента (т. Е. 9 г) води, необхідно 96500 Кл електрики. Один моль води містить 16 г кисло-роду і 2 г водню і включає дві зв'язку. Якщо позначити масу води, розщепленої в ході електролізу за одиницю часу, через dmeldt, то сила електричного струму складе
де I виражено в амперах, a dme / dt в кг / с. Позначивши витрату повітря (м 3 / с), що циркулює в датчику, через Qv, а концентрацію водяної пари, виражену в кг пара на 1 м 3 повітря, через Cv, значення dme / dt можна виразити співвідношенням
де a - коефіцієнт захоплення молекул води шаром Р2 О3. При підходящої геометрії датчика і певною величиною расхо-да а можна довести практично до 1. Однак в будь-якому випадку при заданій геометрії цей коефіцієнт залишається постійним, якщо постійна швидкість повітря, і завдяки градуировке можна визначити його дійсну величину.
Висновок: для нашої системи (сушильний барабан) найбільш гідною кандидатурою, на наш погляд,
є ємнісний гігрометр на основі оксиду алюмінію.
2.2 Розрахунок звужено устрою.
