2 ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

2.1 Классификация датчиков влажности

В любой системе автоматического управления одну из важнейших ролей играет датчик.

Любой датчик служит для сбора сведений о системе, для контроля над физическими параметрами и преобразования их в унифицированный электрический сигнал.

В нашем сушильном барабане одним из важнейших составных элементов является датчик влажности, который служит для контроля влажности высушиваемого материала. Измерение содержания влаги в окружающем воздухе, веществах и материалах представляет интерес во многих областях. Чтобы выбрать подходящий к нашей системе датчик необходимо классифицировать датчики влажности или, как их называют, гигрометры. Влажность воздуха на выходе сушильни является очень важным параметром при расчете ее энергопотребления. Действительно, в энергетическом балансе работы сушильни с горячим воздухом иногда до 80% потерь тепла связано с уходящим воздухом. Поэтому выгодно осуществлять процесс сушки при минимальном расходе воздуха и выбрасывать воздух наружу при максимальной влажности (однако без снижения скорости сушки).

Датчик влажности по выполняемым функциям относится к средствам получения информации; по виду энергии сигнала к электрической ветви; по метрологическим характеристикам к средствам измерения.[2.1]

Гигрометры можно разделить на две группы:

а) гигрометры, основанные на физическом законе, позволяю­щем непосредственно определять влажность; это - конденсационные гигрометры, психрометры, электролитические и сорбционные гигрометры.

б) гигрометры, принцип действия которых основан на изме­рении свойств тела, связанных с влажностью, например, импедансные гигрометры.

Эти гигрометры позволяют в соответствии с принципами, положенными в их основу, определить один из параметров влажного воздуха. Вот эти параметры и гигрометры, обеспечивающие их измерение:

а) температура точки росы Т_d (°С), определяемая конден­сационными, сорбционными и электролитическими гигрометрами, а также гигрометрами на основе оксида алюминия;

б) температура влажного термометра T_h (°С), измеряемая психрометрами;

в) относительная влажность U (%), определяемая с помо­щью гигрометров на основе изменения сопротивления и емко­сти.[2.2]

Сопоставление различных типов гигрометров затруднено, поскольку они предназначаются для определения различных параметров влажного воздуха.

При сопоставлении результатов измерения двумя гигромет­рами различных типов может потребоваться перейти от одной характеристики влажного воздуха к другой.

Например, при сопоставлении показаний резистивного и конденсационного гигрометров можно сравнивать относитель­ную влажность, которую показывает датчик первого типа, и значение, рассчитываемое из температуры точки росы и темпе­ратуры сухого термометра, которые получают с помощью вто­рого гигрометра.

Чтобы оценить точность сопоставления, необходимо учиты­вать, что ошибка в измерении температуры точки росы ∆Т_d приведет к ошибке в величине относительной влажности ∆U, изменяющейся в зависимости от значений Т_d и U в соответст­вии с линией насыщения. Действительно, погрешности в определении этих двух величин связаны между собой множителем, равным тангенсу угла наклона кривой (dU/dТ_d )_T=const; так, например, при показании сухого термометра 10 °С ошибка оп­ределения Т_d в 1 °С приводит к ошибке в величине U 3% при Т_d = -5 °С и 5 % при Т_d = + 5 °С.

Поэтому перед выбором типа гигрометра важно выделить параметр, который хотят измерить, и, исходя из этого, следует подбирать прибор, который позволит измерять этот параметр с минимальной погрешностью.

Рассмотрим основные типы гигрометров и выберем из них наиболее подходящий к нашей системе.

Конденсационный гигрометр.

Принцип действия и конструкция гигрометра.[2.3]

Тело, температуру которого в любой момент времени можно измерять, постепенно охлаждают до появления росы или инея на его поверхности. Затем процесс стабилизируют таким обра­зом, чтобы между воздухом и каплями росы поддерживалось равновесное состояние. Измеряемая температура представляет собой, следовательно, «точку росы», T_d (индекс d соответствует английскому dew point) или «точку инея», T_f (f от англ, frost point). Начиная именно от этой точки росы, определяют давление пара во влажном воздухе.

Гигрометры на основе точки росы приобрели достаточную точность и стали конкурентоспособными после их автомати­зации. На рис. 2.1 изображены принципиальная, конструктив­ная и электрическая схемы автоматического конденсационного гигрометра.

Основными элементами гигрометра являются зеркало и си­стема регулирования его температуры, датчик для измерения температуры зеркала (платиновый термометр сопротивления или термопара), источник светового пучка и оптический детектор.

Источник света освещает металлическое зеркало таким об­разом, чтобы в отсутствие конденсата свет на детектор не по­падал. Затем производится охлаждение зеркала (эффект Пелетье, блок охлаждения, сухой лед, жидкий азот и т. п.) вплоть до появления конденсации. При появлении слоя росы или инея рассеянный свет попадает на детектор, который через систему подстройки дает команду на подогрев зеркала. При повышении температуры роса исчезает и исчезает также рас­сеянный свет, что вновь приводит к охлаждению зеркала. С по­мощью надлежащей настройки можно получить слой конден­сата определенной толщины и достичь таким образом равновес­ного состояния между паром и его конденсатом. Датчик температуры, прикрепляемый к обратной стороне зеркала, по­зволяет измерить его температуру.

рис.2.1

Сорбционный гигрометр.

Принцип действия и конструкция гигрометра.[2.3]

Принцип действия сорбционното гигрометра состоит в на­гревании насыщенного солевого раствора до тех пор, пока в растворе не установится давление пара, равное давлению пара

в окружающем воздухе. Зная эту температуру, можно опреде­лить давление пара и, следовательно, температуру точки росы.

Поэтому при измерениях влажности используют насыщенные растворы солей, для которых давление пара было бы при дан­ной температуре минимальным. На практике наиболее удобен хлорид лития. Линия давления его паров приближенно соответ­ствует линии относительной влажности 12% (табл. 2.1). Ис­пользуемая область на диаграмме, соответствующая влажному воздуху, заключается между этой линией и линией насыщения. Таким образом, из рис. 2.2 видно преимущество использования хлорида лития по сравнению с другими солями.

Рис.2.2

Таблица 2.1. Равновесное давление пара над водой			и над насыщенным
раствором хлорида лития для различных температур [1]
Температура раствора, °С	Давление пара над водой ps (вода. Т),	Давление пара над LiCl ps (LiCl, T),	Относительная влаж­ность U=ps (LiCl, Г)/
	Па	Па	lps (вода. Г), %
5	872,469	119,2	13,7
10	1227,94	157,6	12,8
15	1705,32	203,6	11,9
-20	2338,54	260,6	11,1
25	3168,74	353,2	11,1
30	4245,20	473,9	11,2
35	5626,45	628,7	11,2
40	7381,27	823,6	11,2
45	9589,84	1066,1	11,1
50	12344,78	1364,6	11,1
55	15752,26	1727,5	11,0
60	19933,09	2163,4	10,9
65	25023,74	2681 , 1	10,7

После испарения воды ток, проходящий между электродами, резко уменьшается, поскольку проводимость кристаллического хлорида лития значительно ниже проводимости раствора, и со­ответственно снижается температура датчика. Одновременно хлорид лития, гидрофильность которого очень высока, снова адсорбирует водяной пар, что приводит к увеличению силы тока и температуры датчика. Таким образом, обеспечивается равно­весие между твердым хлоридом лития и его раствором. В соот­ветствии с указанным принципом это равновесие наступает при температуре, непосредственно связанной с давлением пара и, следовательно, также с точкой росы, так что определяется имен­но эта температура.

Рис 2.3