Курсовая работа: Система управления установкой для измерения влажности и давления
Его параметры представлены в таблице 2.7
Таблица 2.7
| Параметр | Обозначение | Условия | Min. | Typ. | Max. | Unit | |
| Input High Level | VIH | 4.5 | – | 1 | Vs | ||
| Input Low Level | VIL | 0 | – | 0.5 | Vs | ||
| Output Low Level | VOL | Open Drain IOL = -4 mA | – | 0.1 | Vs | ||
| Pull up Current | VOH | Pin SCL and SDA | 5 | – | 20 | μA | |
| Load Capacitance SDA | CL_SDA | - | – | 400 | pF | ||
| SCL clock frequency | fSCL | - | – | 100 | kHz | ||
| Bus free time between STOP and START condition | tBUF | 4.7 | – | – | μs | ||
| Hold time (repeated) START condition | tHD,STA | To first clock pulse | 4.0 | – | – | μs | |
| LOW period of SCL | tLOW | 4.7 | – | – | μs | ||
| High period of SCL | tHIGH | 4.0 | – | – | μs | ||
| Setup time repeated START condition | tSU, STA | 4.7 | – | – | μs | ||
| Data hold time | tHD, DAT | 0 | – | – | ns | ||
| Data setup time | tSU, DAT | 250 | – | – | ns | ||
| Rise time of both SDA and SCL | tR | – | – | 300 | ns | ||
| Fall time of both SDA and SCL | – | – | 300 | ns | |||
| Setup time for STOP condition | tSU, STO | 4 | – | – | μs | ||
| Input filter spike suppression | tsp | Spikes on SDA or SCL of that length are suppressed | – | – | 50 | μs | |
2.3 Выбор датчика влажности
В настоящее время на практике для измерения относительной влажности применяется несколько технологий, использующих свойство различных структур изменять свои физические параметры[3] (емкость, сопротивление, проводимость и температуру) в зависимости от степени насыщения водяным паром. Каждой из этих технологий свойственны определенные достоинства и недостатки (точность, долговременная стабильность, время преобразования и т.д.). В таблице 2.8 приведен сравнительный анализ характеристик емкостных и резистивных датчиков относительной влажности, при производстве которых применяются различные материалы.
Таблица 2.8.
| Технология производства HONEYWELL | Технологии производства других производителей | ||||||
| Активный материал | Термо- реактивный полимер | Термо- реактивный пластик | Термо- реактивный пластик | Однородный термо- пластик | Однородная триокись алюминия | Хлорид литиевая пленка | Испари- тельный психрометр |
| Подложка | керамическая или кремниевая | керамическая, кремниевая или стеклянная | полистирол или майлар | нет | нет | керамическая | нет |
| Изменяющийся параметр | емкость | емкость | емкость | сопро- тивление | сопро- тивление | прово- димость | темпе- ратура |
| Измеряемый параметр | % RH | % RH | % RH | % RH | % RH | % RH | Температура влажной и сухой колбы |
| Диапазон измерения | 0…100 % RH | 0…100 % RH | 0…100 % RH | 20…100 % RH | 2…90 % RH | 15…< 100 % RH | 20…100 % RH |
| Точность | ±1,0…±5,0% | ±3,0…±5,0% | ±3,0…±5,0% | ±3,0…±10,0% | ±1,0…±5,0% | ±5,0% | 3,0…4,0% |
| Взаимозаменяемость | ±2,0…±10,0% RH | ±3,0…±20,0% RH | ±2,0…±20,0% RH | ±5,0…±25,0% RH | плохая | ±30…±10,0% RH | отличная |
| Гистерезис | < 1,0…3,0 % | 2,0…5,0% | 2,0…5,0% | 3,0…6,0% | < 2% | очень высокий | высокий |
| Линейность | ±1,0% | ±1,0% | ±2,0% | плохая | плохая | очень плохая | плохая |
| Время отклика | 15,0…60,0 сек | 15,0…90,0 сек | 15,0…90,0 сек | 2,0…5,0 мин | 3,0…5,0 мин | 3,0…5,0 мин | 2,0…5,0 мин |
| Диапазон рабочих температур | -40…+185°C | -30…+190°C | -25…+100°C | +10…+40°C | -10…+75°C | - | 0…+100°C |
| Температурный эффект | -0,0022%RH/°C | 0,3/%RH/°C | < 0,3/%RH/°C | >1,0/%RH/°C | >1,0/%RH/°C | >1,0/%RH/°C | < 0,5/%RH/°C |
| Долговременная стабильность | ±1,0%RH/5лет | ±1,0%RH/1год | ±1,0%RH/1год | ±3,0%RH/1год | >1,0/%RH/°C | >1,0%RH/год | ±0,1%RH/1год |
| Стойкость к загрязнению | отличная | хорошая | очень хорошая | очень хорошая | очень хорошая | ±1,0/%RH/°C | очень хорошая |
| Стойкость к конденсату | отличная | очень хорошая | хорошая | очень хорошая | очень хорошая | очень хорошая | очень хорошая |
Среди всех типов емкостные датчики, благодаря полному диапазону измерения, высокой точности и температурной стабильности, получили наибольшее распространение как для измерения влажности окружающего воздуха, так и применения в производственных процессах.
Компания Honeywell производит семейство емкостных датчиков влажности, применяя метод многослойной структуры (рис. 2.8), образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и диэлектрическим термореактивным полимером, заполняющим пространство между ними. Термореактивный полимер, по сравнению с термореактивной пластмассой, обеспечивает датчику более широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую стойкость к таким агрессивным жидкостям и их парам, как изопропил, бензин, толуол и аммиак. В дополнение к этому датчики на основе термореактивного полимера имеют самый большой срок службы в этиленоксидных стерилизационных процессах.
Рисунок 2.8 Метод многослойной структуры, применяемый при изготовлении датчиков влажности
В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора (рис. 2.8) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой — снижает время отклика.
Выходной сигнал любого (емкостного или резистивного) абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы. Именно для этих целей некоторые модели датчиков Honeywell имеют встроенный платиновый терморезистор сопротивлением 1000 Ом, который расположен с обратной стороны подложки (рис. 2.9).
Рисунок 2.9 Структура датчика влажности со встроенным платиновым датчиком температуры
Датчики влажности Honeywell — это интегрированные приборы. Помимо чувствительного элемента и термосенсора, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на объемной диаграмме (рис. 2.10).
Рисунок 2. 10 Связь между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой
Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений:
Прямая наилучшего соответствия при 25 °C (жирная линия на диаграмме), описывается выражением Uвых = Uпит (0,0062 · (%RH25 ) + 0,16). Из этого уравнения определяется процент RH25 при температуре 25 °C.
Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH: RHистинная = (%RH25 ) · (1,0546 - 0,00216T), где T измеряется в °C.
Выражения выше соответствуют характеристикам реальных датчиков со следующими отклонениями:
Рисунок 2.11 Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell при различных температурах
Особенности применения датчиков серии HIH-3602 [4]
Для работы в суровых климатических условиях и наиболее точного определения значения влажности вблизи точки росы фирма Honeywell выпускает серию HIH-3602 с модификациями. Датчики выпускаются в корпусе ТО-5, в который встроен датчик температуры, для модели HIH-3602-A это NTC термистор номиналом 100кОм, для HIH-3602-С платиновый датчик температуры номиналом 1кОм. Возможны ситуации, когда при высоком значении относительной влажности (более 95%) при понижении температуры возможна конденсация паров воды, что влечет за собой «залипание» показаний на уровне 100% относительной влажности. Для предотвращения этого случая в датчиках серии HIH-3602 предусмотрен гидрофобный фильтр, выполненный из специально обработанной нержавеющей стали. Вывести из «спящего» состояния также помогает подача на датчик несколько повышенного напряжения питания, однако при этом возможно некоторое смещение калибровки на 2…3 %. Сама по себе конденсация и последующее испарение влаги не оказывает влияния на калибровку датчиков.
Основные преимущества серии HIH-3602
- наличие встроенного датчика температуры
- корпус с гидрофобным фильтром
- каждый датчик снабжен паспортом с индивидуальными данными