Цифровий вологомір

Міністерство освіти і науки України

Вінницький державний технічний університет

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу

з дисципліни «Метрологія і вимірювання»

Назва курсової роботи «Цифровий вологомір»

Вихідні дані: фізична величина – вологість

діапазон вимірювання 1÷100 %

похибка – 0,5

тип засобу вимірювання – цифровий вологомір

тип вимірювального перетворювача – ємнісний

тип аналого-цифрового перетворювача – вимірювач

параметрів електричного кола

Зміст графічної частини: функціональна схема вологоміра

Зміст пояснювальної записки: вступ, огляд методів та приладів вимірювання вологості, розробка структурної схеми АЦП, розробка функціональної схеми вогогоміра, висновки, література, додаток А.

ВСТУП

Кількісне визначення вологості газів, твердих і сипучих матеріалів необхідне майже в усіх галузях народного господарства. Характерною особливістю вимірювання вологості є широкий діапазон вимірювання: кількох мільйонних часток відсотка (при контролі вологості чистих газів) до значень, близьких до 100 % ( при вимірюваннях вмісту вологи в рослинах та інших біологічних об’єктах).

Вологість повітря характеризує кількість водяної пари в повітрі. Розрізняють абсолютну та відносну вологість.

Абсолютна вологість – це парціальний тиск водяної пари, яка знаходиться в повітрі за даної температури.

Парціальним тиском газу називається такий тиск, який би газ чинив, займаючи об’єм одноосібно.

Абсолютну вологість можна розглядати і як густину водяної пари (г/м³), яка знаходиться в повітрі при даній температурі.

Відносна вологість (φ) показує, на скільки близька дана водяна пара до насичення.

Відносна вологість вимірюється у відсотках і може бути обчислена за формулами

φ = (1)

або φ = (2)

Відносна вологість – це відношення абсолютної вологості до густини (1) або тиску (2) насиченої пари при даній температурі.

Точкою роси називається та температура, за якої дана водяна пара стає насиченою.

Відносна вологість може бути також визначена за допомогою психрометра та психрометричної таблиці, а також за допомогою гігрометра та ємнісними перетворювачами включеними у вимірювальну схему.

1 ОГЛЯД МЕТОДІВ ТА ПРИЛАДІВ ВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ

Для вимірювання відносної вологості газів при позитивних температурах (0…100 ^оС) широко використовується психрометричний метод оснований на вимірюванні різниці температур двох термоперетворювачів: сухого, який знаходиться в газовому середовищі, і мокрого, який змочений водою і знаходиться в термодинамічній рівновазі з оточуючим газовим середовищем.

При цьому відносна вологість визначається по формулі

φ = (3)

де – Е_с і Е_м - максимальні пружності водяного пару відповідно при температурах і ;

р - атмосферний тиск;

А - психрометричний коефіцієнт, який визначається по спеціальних психрометричних таблицях, складених для відповідних конструкцій психрометрів.

В автоматичних психрометрах різницю температур вимірюють за допомогою термоперетворювачів опору і автоматичних мостів, шкала яких проградуйована в одиницях відносної вологості .

Вимірювання абсолютної вологості газів методом точки роси заклечається у визначенні температури, до якої необхідно охолодити при постійному тиску ненасичений газ для того, щоб він став насиченим.

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

U_c = U₀ (1 – e^-t/t) (7)

де U₀ – напруга на виході ОДН;

t = R₀C_х – постійна кола.

У момент часу t₁ (t = t)

U_c = U₀ (1 – e^-1) @ 0,632 U_o

і на виході пристрою порівняння ПП формується сигнал “Стоп”, який встановлює тригер Т в одиничний стан на прямому виході та в нульовий стан на інверсному, що приведе до закриття схеми збігу SW.

Частота імпульсів, що надійшли на лічильник за інтервал часу Т_х,

N = t f₀ =f₀ R₀ C_х (8)

пропорційна значенню С_х.

t

t

t

2t

Рисунок 2 – Структурна схема (а) і часові діаграми роботи (б) цифрового вимірювача параметрів електричних кіл

З даного рівняння випливає, що число імпульсів, які пройшли на лічильник, пропорційне зміні ємності перетворювача і відповідно вологості.

Тому статична характеристика цього вимірювача є лінійною (рисунок 3).

N_x

С_x

Рисунок 3

Рівняння похибки квантування матиме вигляд

(9)

звідки випливає нелінійність характеристики (рисунок 4).

d

С_x

Рисунок 4

3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ВОЛОГОМІРА

Аналізуючи сказане в попередньому розділі цифровий вологомір можна представити як сукупність ємнісного перетворювача включеного в цифровий вимірювач параметрів електричних кіл. За умовою завдання діапазон вимірювання вологості від 1 до 100 %. Похибка d = 0,5 %.

Розглянемо циліндричний ємнісний перетворювач.

В реальних конструкціях циліндричних ємнісних перетворювачах присутня власна ємність, тобто перетворювач має додаткову конструктивну складову ємності С₀, яка не змінюється в залежності від вологості. Тоді загальна ємність перетворювача буде складатися із ємності двох паралельно з’єднаних конденсаторів, тобто:

С = С₀+С₁ (10)

де С₀ - ємність конструктивних елементів перетворювача, яку можна визначити як

(11)

де D - діаметр зовнішнього електрода;

d – діаметр внутрішнього електрода;

ε ₀ - 8.854 (пФ/м) - абсолютна діелектрична проникність вакууму.

Якщо перетворювач використовувати для вимірювання не електропро-відних рідин (чи газів), то розрахункова формула перетворювача будуть мати вигляд

(12)

Загальна ємність перетворювача

(13)

Розглянемо ємнісний перетворювач, який має наступні параметри:

- загальну довжину l = 10³ мм;

- діаметр зовнішнього електрода D - 13 мм;

- діаметр внутрішнього електрода - 6 мм;

- абсолютна діелектрична проникність вакууму ε ₀ = 8.854 (пФ/м).

- діелектрична проникність води ε = 81.

Тоді, погонна геометрична ємність перетворювача при нульовій вологості

При максимальній вологості W = 100%

C = 18,7·10^-12 + 18,7·10^-12 ·100 = 205,7 [пФ].

Таким чином ємність перетворювача буде змінюватися в діапазоні від 18,7 до 205,7 пФ.

З рівняння похибки квантування (9) визначимо частоту генератора зразкових імпульсів.

Для цього виберемо зразковий резистор опором R₀ = 1,0 МОм.

Тоді

f₀ = = ≈ 10 МГц.

Визначимо максимальне значення коду N_x з рівняння перетворення

N_х = t f₀ =f₀ R₀ C_х,

N_х = 10∙ 10⁶∙ 1∙ 10⁶∙ 205,7∙ 10^-12 = 2057.

Визначимо розрядність двійкового лічильника СТ2:

D = log₂ N_x ≈ 11 .

ВИСНОВКИ

В ході виконання курсової роботи було проведено огляд методів та приладів для вимірювання вологості.

В якості первинного перетворювача вибрано ємнісний перетворювач.

В якості вимірювального приладу вибрано вимірювач параметрів електричного кола.

Отримано рівняння перетворення та похибки квантування цифрового вимірювача параметрів електричного кола.

Проведено необхідні розрахунки.

Розроблено функціональну схему цифрового вологоміра.

ЛІТЕРАТУРА

1. Поджаренко В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсових робіт./ Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.

2. Основы метрологии и электрические измерения / Под ред. Душина Е.М.‑ М.: Энергоатомиздат, 1987. ‑ 480с.

3. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1984.

4. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.

5. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп’ютерно-вимірювальна техніка. - Київ.: МК ВО, 1991.- 240 с.