Автоматическая система непрерывного дистанционного контроля влажности и температуры воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Иванченко, Олег Иванович

• Иванченко, Олег Иванович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванченко, Олег Иванович

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Актуальность работы.

2. Цель работы.

3. Задачи для достижения цели.

4. Краткое описание материала диссертации.

5. Основные положения, выносимые на защиту.

6. Апробация работы. Публикации.

Глава

Современные методы и приборы измерения влажности газов.

1.1 Анализ методов измерения относительной влажности воздуха.

1.2 Технические требования к разрабатываемому гигрометру, выбор метода измерения.

1.3 Выводы по главе.

Глава

Инструментальные и метрологические аспекты измерения относительной влажности и температуры воздуха.

2.1 Генератор относительной влажности воздуха на принципе смешения двух потоков.

2.2 Разработка вариантов схемотехники прецизионных измерений температуры воздуха.

2.3 Выбор метода автоматической компенсации влияния температуры на результаты измерения относительной влажности воздуха.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3

Исследование температурно-влажностных характеристик чувствительного элемента гигрометра.

3.1. Расчет оптимальных параметров чувствительного элемента гигрометра.

3.2. Расширение диапазона измеряемой влажности газов с помощью изменения топологии датчика.

3.3. Температурно-влажностные характеристики с автоматической компенсацией влияния температуры.

3.4. Исследование влияния длины соединительного кабеля на измеряемые параметры.

3.5. Выводы по главе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматическая система непрерывного дистанционного контроля влажности и температуры воздуха»

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 10(Х метров 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.

Глава 2 содержит в себе информацию об инструментальных и метрологических вопросах реализации измерения относительной влажности и температуры воздуха. Приведено подробное описание установки задания влажности воздуха, основанной на методе смешения двух потоков воздуха(сухого и влажного). Рассмотрены основные факторы возникновения погрешностей при использовании данной установки. Представлены варианты точных измерений температуры, основанные на определенных схемотехнических исполнениях измерительных преобразователей и возможность их использования для разрабатывемой системы измерения относительной влажности и температуры воздуха. Приведено обоснование и выбор метода использования автоматической компенсации влияния температуры.

Глава 3-является итоговой экспериментальной частью данной диссертации. В данной главе приведено описание метода определения оптимальных геометрических и физических параметров чувствительного элемента измерительного преобразователя. Также представлен весь перечень используемого оборудования, позволяющего проведение экспериментов. Описаны возможные схемы измерения, определена более подходящая для проведения данного эксперимента. Приводятся данные экспериментов, построены по этим данным температурно-влажностные характеристики. Наряду с этим представлено описание использования автоматической коррекции влияния температуры на измерения относительной влажности воздуха. Рассмотрено возможное влияние длины соединительного кабеля на результаты измерений.

5. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод измерения влажности воздуха и создание на его основе первичных преобразователей, удовлетворяющих условиям измерения влажности воздуха на удаленных объектах до 100 метров.

2. Теоретический способ расчета геометрических параметров датчиков измерения влажности воздуха.

3. Метод расширения диапазона измерения влажности воздуха от 0 до 100%.

4. Способ автоматической температурной коррекции гигрометра при помощи определенного схемотехнического исполнения измерительного преобразователя.

6. Апробация.

Доклад на XI Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2006», вошедший в сборник тезисов докладов.

7. Публикации.

1. Иванченко, О. И. Установка для поверки и аттестации гигрометров/ О. И. Иванченко, Катушкин В. П.// Вестник Метрологической Академии (С-ЗФ).-выпуск 15,2005.- с.42-47.

2. Иванченко, О.И.Датчик с полным диапазоном измерения влажности/ Иванченко О.И., Катушкин В.П. ГОУ ВПО СПбГТИ(ТУ)- СПб., 2005.- 5с.:ил.-2. Деп. в ВИНИТИ.- 14.01.05.-№29В-2005.

3. Иванченко О.И., Катушкин В.П. Термогигрометр для химической промышленности.//Тезисы докладов конференции «Наукоемкие химические технологии -2006».- Самара, 2006г.- с. 167-168.

4. Иванченко, О.И. Сорбционно-резистивный термогигрометр/ О.И. Иванченко, В.П. Катушкин// Научное приборостроение.-2007.-Т. 17, №2.- с.94-95.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Иванченко, Олег Иванович

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° + +40°С и относительной влажности воздуха 0>=О-И)О%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванченко, Олег Иванович, 2007 год

1. Берлинер, М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности / М.А Берлинер.- М.: Энергия, 1965.- 488с.

2. Спенсер-Грегори, К. Гигрометрия/ К. Спенсер-Грегори, Е. Роурке.- М.: Металлургиздат, 1963.-204с.

3. Усольцев, В.А. Измерение влажности воздуха/ В.А.Усольцев.- J1.: Гидрометеоиздат, 1959.- 192с.

4. Берлинер, М.А. Состояние и направления развития средств измерения и автоматического регулирования влажности за рубежом (обзор)/ М.А. Берлинер.-М.: ЦНИИТ энефтехим, 1967.- 143с.

5. Кларк В. JT., Нудо А., Джин П. Определение влагосодержания ракетного топлива. В кн.: Влажность. JL, Гидрометеоиздат, 1968, т.4.

6. Щукин, А.Н. Классификация и анализ методов измерения влажности газообразных сред/ А.Н. Щукин, В.И. Михайленко, Мотузова А.А.- М.: ОНТИПрибор, 1966.

7. Матвеев, Л.Т. Основы общей метрологии. Физика атмосферы / JI.T. Матвеев.- JL: Гидрометеоиздат, 1965.

8. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике/ А.П. Меркулов.- М.: Машиностроние, 1969.

9. O.Ford S.H. Патент США, класс 73-17, № 3.460.378. 12.08.691. .Ильярский, О.И. Термоэлектрические элементы/ О.И Ильярский, Н.П. Удалов.- М.:Энергия, 1970.

10. Берлинер М.А. Структурные схемы и математические модели гигрометров точки росы и с подогревными датчиками. В кн.: Приборы и методы контроля и регулирования влажности. (Тезисы конференции). JL, ЛОСНТО, 1969.

11. Bigberg, A. A. miniature solid-state dew-point sensor/ A. A. Bigberg "19-th Annual ISA Conf. Proc., New York, 1964, vol.19, part 3". Pittsburg, 1964,№ 11, 2/1.

12. Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях и технике.- JL: Гидрометеоиздат, 1967-69, т.1-4.

13. Acheson D.T. Vapour presseres of saturated aqueous salt solutions. "Humidity and moisture", vol. 3, New York, Reinhold, 1965.

14. Берлинер, M.A. Новые подогревные датчики и гигротермические равновесные влагомеры/ М.А. Берлинер, Якобишвили А.З.// Приборы и системы управления.- 1970. № 1.

15. Берлинер, М.А., Якобишвили А.З. Авторское свидетельство № 214155.// Бюллетень изобретений.- 1968 .-№ 11.

16. Усольцев, В.А. Приборы для измерения влажности воздуха на метеорологических станциях/ В.А. Усольцев//Приборы и системы управления,-1970.-№1.

17. Scheibe, W. Fehlerverhalten von LiCl Feuchtigheits - messgeraten/ Scheibe, W: "PTB - Mitt".- 1970.-№3.

18. Schaffer, W.A. A simple theory of the electric hygrometer. Bullet. Amer/ W.A. Schaffer: Meteorological Soc.- 1946.- № 4.

19. Матьюс, Д.А. Хлористолитиевые разнозондные гигрометры./ Д.А. Матьюс.- JL: Гидрометеоиздат.- 1967.- т.1.

20. Гершкович, Е.А. Электрические гигрометрические датчики/ Е.А. Гершкович// Приборы и системы управления.- 1970.- № 1.

21. Джонс, Ф. Изучение изменений поверхностного электрического сопротивления пленок PbJ2 в функции относительной влажности при комнатной температуре/ Ф. Джонс. Л. :Гидрометеоиздат, 1967.- т. 1.

22. Муза, Р. Полиэлектрические датчики влажности/ Р. Муза, Г. Шнейба.- JL: Гидрометеоиздат, 1967.-т.1.

23. Коган, В.А. Разработка и исследование сорбционного датчика влажности воздуха на основе термообработанного полиакрилопитрида: Диссертация канд. тех. наук/ В.А. Коган.- Л., 1967.- 123с.

24. Джоветт, Ч.Е. Статическое электричество в электронике/ Ч.Е. Джоветт,-М.:Энергия.- 1980.

25. Иноу, Мацуо//Журнал ОмДэнкидзасси.- 1977,- т. 64.- № 4.- 48-49 е.

26. Раухфус, Ш.//Журнал "Electro-Practiker".- 1974.- № 18.-№ 6- 186-189 е.

27. Каверзнев, В.А Статическое электричество в полупроводниковой промышленности/ В.А. Каверзнев, А. А. Зайцев, Ю.А. Овечкин.- М.: Энергия, 1975.- 267с.

28. Леб, Л. Основные процессы электрических разрядов в газах/ Л. Леб.- М.-Л., 1950.-236с.31 .Быстрое, Б.П. Выбор размеров и конструкции электродов односторонних емкостных датчиков/ Быстрое Б.П.// Изв. Вузов СССР: Электромеханика.-1964.-№ 8.- с. 1003-1009.

29. Ветров, В.В. Исследование емкостных систем для измерения влажности воздуха: Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. тех. наук/ В.В. Ветров.- Ленинград, 1970.-c.21

30. Табаке, К.К. Расчет электрических полей для некоторых задач высокочастотного нагрева/ К.К. Табаке// Тр. Московского энерг. ин-та.- 1953.-вып. 14.- с. 157-165.

31. Форейт, И. Емкостные датчики неэлектрических величин/ И. Форейт.- М.-Л. .-Энергия, 1966.- с. 159

32. Кононов, А.П. Расчет емкости плоского конденсатора с учетом краевого эффекта/А.П. Кононов//Изв. вузов СССР.-1966.- №3.

33. Кочанов, Э.С. Паразитные емкости при печатном монтаже радиоаппаратуры/ Кочанов Э.С.// Радиотехника.- 1967.- № 7(т.22).

34. Кононович, Л.М. Расчет паразитных емкостей при печатном монтаже радиоаппаратуры/ Л.М. Кононович: Радиотехника, 1956.- т.11,- № 8.- 144с.

35. Быстров, В.П. Расчет емкости одностороннего датчика/ В.П. Быстров, Гикис

36. A.Ф., Ксюпин А.Г. // Известия вузов СССР.- 1965.- № 2.

37. Берлинер, М.А.Измерение влажности/ М.А. Берлинер.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергия, 1973.- 400с.

38. Берлинер М.А. Оценка погрешностей влагомеров/ Берлинер М.А.// Измерительная техника.- 1969.-№4.

39. Гордеев, Д.А. Генератор относительной влажности газов на принципе смешения потоков: Дис. на соискание уч. ст. канд. тех. наук/ Д.А. Гордеев.-Санкт-Петербург, 2000.-123 с.

40. Бегунов, А.А. Поверочные схемы для гигрометров/ Бегунов, А.А.// Измерительная техника.- 1979,- № 3.- с.50.

41. Барбар, Ю. А. Измерения температуры портативными микропроцессорными приборами с низковольтным питанием с точностью до 0.1 °С/ Ю.А. Барбар,

42. B.П. Катушкин// Вестник Метрологическая Академия.- Санкт-Петербург,-2004.- вып. 14.- с.54-61.

43. Иванченко, О. И. Установка для поверки и аттестации гигрометров/ О. И.Иванченко, В. П. Катушкин //Вестник Метрологической Академии (С-ЗФ).-выпуск 15.- 2005.- с.42-47

44. Электронно-технические измерения при физико-химических исследованиях /Ветров В.В., Долгов Е.Н., Катушкин В.П., Маркелов А.А.- Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1979.-272 с.

45. ГОСТ 8.221-76 Влагометрия и пирометрия (Основные понятия). М:. Из-во стандартов, 1976. - 4с.

46. Бегунов, А.А. Теоретические основы и технические средства пирометрии: Метрологические аспекты/ А.А. Бегунов. М.: Из-во стандартов. 1988. - 350с.

47. Соков, И.А. Метрологическое обеспечение гигрометрии. Обзорная информация/ И.А. Соков. М.: ВНИИКИ. 1987. - вып.1.- 32с.

48. Лыжникова С.А. Приборы для измерения влажности газов и их поверка: Конспект лекций / Гос.ком. СССР по стандатам. М.: Из-во стандартов, 1988. -53с.

49. Sonntag, D. Hygrometrie/ Sonntag D.- Berlin: Akadimie Verlag. - 1968. - p. 1086.

50. Соков, И.А. Метрологическое обеспечение гигрометрии. Обзорная информация/ И.А. Соков. М.: ВНИИКИ, 1982. - вып.5,- 35с.

51. Бегунов, А.А. Метрологический анализ современного состояния отечественной гигрометрии/ А.А.Бегунов, В.П. Шустова // Приборы и системы управления. -1975.-№3.- с.30.

52. Мандрохлебов В.Ф., Арутюков Ю.В. Состояние и перспективы разработки и производства гигрометров и средств их метрологического обеспечения/ В.Ф. Мандрохлебов, Ю.В. Арутюков // Измерительная техника. 1982. - №9.- с.46.

53. Иванченко, О.И. Сорбционно-резистивный термогигрометр / О.И. Иванченко, В.П. Катушкин//Научное приборостроение.-2007.- Т. 17, №2.- с.94-95.

54. Мартюшев К.И. Нелинейные полупроводниковые резисторы/ К.И. Мартюшев, Ю.В Зайцев: Энергия.- 1968.- 192 с.

55. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Н. Дулина, М.С., Жука. М.: Энергия, 1978,- с.575.

56. Маркелов А.А., Кузьмин В.К., Торопова Н.В., Машек А.Ч. Исследование и разработка диэлькометрического комплекса приборов контроля влажности и механических свойств формовочных смесей. Отчет о научно-исследовательской работе. Ленинград, 1980.

57. Noboru, Yamazoe Humidity sensors: principles and applications/ Noboru Yamazoe, Yasushiro Shimizu//. Sensors and Actuators.- 10 (1986). p.379-398.

58. УДК 681.586уЗЗ. Ивченко Ю.А., Федоров А.А. Импедансные гигрометры фирмы «Michell Instruments». Датчики и системы,№9.2003.

59. Dunmore, F.W. An.electrometer and its application to radio meteorography/ F.W. Dunmore: J. Res. Nat. Bur. Std.- 20. 1938.-p. 723-744.

60. Dunmore, F.W. An improved electric hygrometer/ Dunmore, F.W.: J. Res. Nat. Bur. Std.- 23 1939,- p.701-714.

61. Shida, K. Measurement of detailed distribution of humidity/ К .Shida // Asahi-kagaku.- 16 .- 1956.- p. 79-83.

62. Yamada, Y. Lithium chloride humidity sensor/ Y.Yamada: Denshi-gijutsu.- 21(9).-1979.- p. 26-30.

63. Nakaasa Instrument Co. Ltd, Catalogue, C911 -8400-15K-2D(1984) p.78.

64. Гровини JI. и Актис А, Генератор влажности для точки росы от -15°С до 90°С, Труды Конгресса Международной Метрологии, Париж, Франция, 21-23 ноября 1989, С.58-64.

65. Хасегава С., Национальное основание точности в измерениях влажности, Труды 1985 Международного Симпозиума по Влаге и Влажности, Вашингтонский Округ Колумбия 15-18 апреля 1985, (Общество Приборов Америки).- с.15-19.

66. Шолз Г., Стандартный калибратор для воздушных влагомеров, Бюллетень OIML Номер 97, декабрь 1984, с. 18-27.

67. Стивене М. Стандартный генератор влажности NPL анализ неопределенности проверкой работы дискретного компонента/ М. Стивене, С.А. Бэлл.- Meas. Sci. Technol.- 3,1993.- с.943-952.

68. Соннтаг Д, Важные Новые Значения Физических констант 1986, Составов давления пара, базирующиеся на ITS -90, и Формулы Психрометра, Z.Meteorol. 70 (1990) Номер 5,340-344.

69. Видерхолд Питер Р., "Измерение Водяного пара, Методы и Аппаратура", (книга), Нью-Йорк, NY, Марсель Деккер, 1997.

70. Датчики фирмы «Honeywell». Библиотека электронных компонентов, выпуск 15: Изд. «Додэка».- М., 2000г., с.18-21.

71. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах/ Гутников B.C.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988.- 304 с.

72. Environmental Condition Sensor. Catalog 15. Micro Switch Honeywell Inc. USA, September 1998, p. 155.

73. Single Supply Rail-to- Rail, Low Cost Instrumentation Amplifier AD 623. ANALOG DEVICES Inc. USA, 1999.

74. Ветров B.B. Исследование емкостных систем для измерения влажности воздуха: Дис— канд. тех. наук.- Ленинград, 1970.- 195с.

75. Коппенфельс, В. Практика конформных отображений/ В. Коппенфельс, Штальман Ф., 1963.- с.287

76. Фильчаков, П.Ф. Приближенные методы конформных отображений/ П.Ф. Фильчаков: Киев, 1964.- с.351

77. Hijikigawa, М. A thin-film resistase humidity sensor / M. Hijikigawa, S.Miyoshi, T.Sugihara ,A. Jinda//Sensors and Actuators.- 1983.- 4.- p.307-315.

78. Sujihara, T.Humidity sensor using poly electrolyte/ T.Sujihara, S.Miyoshi: Sensa-gijutsu: 3(7).- 1983.-p.41-44.

79. S. Humidity sensor using ionic copolymer Tsuchitani, T. Sugawara, H. Kinjo, S. Ohara: Digest of Technical Papers.- 3rd Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators (Transdusers'85), Philadelphia.- PA.- U.S.A. .-1985.- p. 210-212.

80. Sakai, Y. Humidity sensors composed of graft copolymers/ Y. Sakai, Y. Sadaoka, K. Ikeuchi: Digest of Technical Papers.- 3rd Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators (Transdusers'85), Philadelphia.- PA.- U.S.A.- 1985.- p. 213-216.

81. Polymer-based capacitive humidity sensor; characteristics and experimental results /G. Delapieree, H. Grange, B. Chambaz, L. Destannes,// Sensors and Actuators.- 4.1983.- p. 97-104.

82. Glenn, M.C. An 1С compatable polymer humidity sensor/ M.C. Glenn, J.A. Schuetz.-Digest of Technical Papers, 3rd Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators(Transdusers'85) Philadelphia.- PA.- U.S.A., 1985.- pp.217-220.