Курсовая работа: Цифровий вологомір

В сучасних дзеркальних гігрометрах точки роси в потоці аналізованого газу розміщують металеве дзеркальце, яке охолоджується за допомогою напівпровідникового елемента Пельтьє. Температура дзеркальця регулюється за допомогою фотоелемента, який фіксує насичення газу по створенню на дзеркальці роси. Температура, яка вимірюється за допомогою контактного термоперетворювача служить показником точки роси.

Абсолютну вологість газів вимірюють також електрометричними підігрівними датчиками, які являють собою чехол із склотканини, яка оброблена водним розчином хлористого літію (LiCl), та надітий на чутливий елемент термоперетворювача. Поверху чохла намотані дві проволочки до яких подається невелика напруга змінного струму. Внаслідок протікання струму через провідний шар розчину LiCl останній нагрівається і гігроскопічний шар висихає. При цьому протікання струму зупиняється і шар охолоджується до тих пір, поки знову не стане поглинати вологу із аналізованого газу. В проміжку між висиханням гігроскопічного шару і поглинанням води встановлюється рівновагова температура, яка залежить тільки від абсолютної вологості газу. В якості термоперетворювача може використовуватися терморезистор, включений в схему автоматичного зрівноважувального моста.

В залежності від електричних властивостей матеріалів, розрізняють кондуктометричний і ємнісний методи вимірювання вологості.

Кондуктометричний метод оснований на залежності питомої об’ємної провідності, яка вимірюється на постійному струмі, від вмісту вологи. Залежність активного опору R_x досліджуваного матеріалу, що розміщений між електродами перетворювача, від вологості W визначають за формуло.

R_x = (4)

де с і k – позитивні і постійні коефіцієнти, які залежать від досліджуваного матеріалу і параметрів перетворювача.

Для низької вологості (W ≈ 20 %) використовують наближену формулу, яка виражається в логарифмічних координатах:

Lg R_x = a – bW (5)

Нижня межа вимірювання кондуктометричних вологомірів для більшості твердих матеріалів обмежена значеннями вологості W = 5…8 %, що пов’язано з вимірюванням дуже великих опорів (R_x > 10¹² Ом).

Ємнісний метод оснований на залежності діелектричних властивостей матеріалу від вологості. Оскільки для сухих речовин діелектрична проникність ε = 2…5, а для води ε = 81, невелика зміна вологості матеріалу приводить до значної зміни ε.

Ємнісні перетворювачі являють собою конденсатор, електричні параметри якого змінюються під дією вхідної величини.

В якості ємнісного перетворювача широко використовується плоский конденсатор, ємність якого визначається по формулі

С = (6)

де δ – відстань між електродами;

S – їх площа;

ε_д – відносна проникність діалектрика.

ε₀ – електрична постійна;

Зміна любого з цих параметрів веде до зміни ємності конденсатора.

Для вимірювання вологості можна використати функцію С = f(ε ) .

Рисунок 1

Принцип дії ємнісного вологоміра полягає у вимірюванні ємності ємнісного перетворювача, наприклад, циліндричного конденсатору, вміщеного у резервуар, у якому треба виміряти вологість.

Конденсатор може бути утворений стінками резервуара та щупом, які і будуть його електродами.

Необхідною умовою роботи ємнісного перетворювача вологості є відмінність діелектричних проникностей рідини та повітря, тобто ε_Р ¹ ε_П . На цій особливості базується принцип дії ємнісного вологоміра.

Перевагою ємнісних перетворювачів є простота конструкції, висока чутливість та можливість одержання малої інерційності перетворювача, недоліками - вплив зовнішніх електричних полів, паразитних ємностей, температури, вологості, відносна складність ланцюгів включення та необхідність в спеціальних джерелах живлення підвищеної частоти.

В якості вимірювальних кіл в ємнісних вологомірах частіше всього використовуються трансформаторні мости з тісним індуктивним зв’язком, резонансні вимірювальні кола та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) параметрів електричних кіл.

2 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП

Виберемо в якості первинного перетворювача ємнісний перетворювач, а в якості вимірювального кола - схему цифрового вимірювача параметрів електричних кіл (рисунок 2).

Основними елементами наведеної схеми є пристрій порівняння ПП, тригер Т для виділення періоду інформативного сигналу, генератор зразкової частоти G, схема збігу SW, двійковий лічильник СТ2, перетворювач коду DC, опорне джерело напруги ОДН і цифровий відліковий пристрій.

Принцип дії такого пристрою ґрунтується на визначенні постійної часу електричного кола, складеного з активного і реактивного елементів. У такому цифровому приладі на коло, складене з R₀ і конденсатора Сх, подається напруга Uo від опорного джерела напруги. При цьому тригер сигналом “Пуск” встановлюється в нульовий стан на прямому виході, а на інверсному виході при цьому встановиться “1”, яка відкриє схему збігу SW, і на лічильник СТ почнуть поступати імпульси опорної частоти fo від генератора G.

Потенціал конденсатора підвищується за залежністю