TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Bakalářský projekt Michal Jadrný
Liberec
2011
Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Abstrakt Cílem tohoto bakalářského projektu je navrhnout a realizovat ucelené měřicí pracoviště, sloužící studentům k měření vlhkosti vzduchu. V první části práce se čtenáři seznámí se základními principy, se kterými dnes pracuje velká většina komerčně vyráběných senzorů vlhkosti. Druhá část pojednává o návrhu, výrobě boxu podle zadaných požadavků a dále o úpravě pracoviště, ke které došlo z důvodů neúplné funkčnosti původního návrhu. V poslední části práce je úspěšně demonstrováno zkušební měření na novém boxu a dále jsou zde popsány možnosti rozšíření a vylepšení pracoviště do budoucna. Tento text vznikl jako ročníková práce studenta druhého ročníku bakalářského studia oboru Elektronické informační a řídicí systémy na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci.
2
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Abstact The aim of this bachelor project is to design and realize an integrated measurement workplace, which will serve students for measuring air humidity. In the first part, readers learn the basic principles about measurement humidity. On this principle works most commercially produced humidity sensors. The second part deals with the design, manufacturing box according to the specified requirements and adjusting the workplace, because the original design was not functional. Test measurement is successful demonstrated in last part of my project and there are describe the possibilities of extending and expanding in the future. This text created student of second year, which studies bachelor's degree program Electronic information and control systems at the Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies
on Technical University of Liberec as his annual project.
3
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Obsah Prohlášení ................................................................... Chyba! Záložka není definována. Abstrakt ............................................................................................................................. 2 Abstact ............................................................................................................................... 3 Obsah ................................................................................................................................. 4 1. Úvod ............................................................................................................................. 6 1.1. Fyzikální základy měření vlhkosti vzduchu........................................................ 6 1.2. Měřící principy .................................................................................................... 7 1.2.1. Mechanické senzory ................................................................................ 7 1.2.2. Psychrometrické senzory......................................................................... 8 1.2.3. Senzory na principu rosného bodu .......................................................... 9 1.2.4. Kapacitní senzory .................................................................................... 9 1.2.5. Odporové senzory ................................................................................. 10 1.2.6. Křemíkové senzory ............................................................................... 11 1.2.7. Senzory na bázi polymerů ..................................................................... 11 1.2.8. Keramické senzory ................................................................................ 11 1.2.9. Infračervené senzory ............................................................................. 12 1.2.10. Oscilační senzory .................................................................................. 12 2. Návrh a realizace měřicího pracoviště........................................................................ 13 2.1. Požadavky na pracoviště ................................................................................... 13 2.2. Návrh pracoviště ............................................................................................... 13 2.2.1. Skleněný box ......................................................................................... 13 2.2.2. Vytápění boxu ....................................................................................... 14 2.2.3. Výroba studené vodní páry ................................................................... 14 2.3. Realizace pracoviště pro měření vlhkosti vzduchu ........................................... 14 2.3.1. Realizace podle návrhu ......................................................................... 15 2.3.2. Úprava pracoviště .................................................................................. 16 3. Zkušební měření vlhkosti vzduchu ............................................................................. 18 3.1. Příprava měření ................................................................................................. 18 3.1.1. Příprava senzorů a boxu ........................................................................ 18 3.1.2. Tvorba programu pro záznam hodnot ................................................... 19 3.2. Zkušební měření ................................................................................................ 21 4. Závěr ........................................................................................................................... 23 Seznam použité literatury ................................................................................................ 24 Příloha A – Výrobní výkres ............................................................................................ 25 Příloha B – 3D model boxu ............................................................................................. 26 Příloha C – Technické parametry psychrometrického senzoru FNA846 ........................ 27 Příloha D – Technické parametry kapacitního senzoru FHA646-E1 .............................. 28
4
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha E – Technické parametry měřicího přístroje Almemo 2590 .............................. 30
5
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
1. Úvod S měřením vlhkosti se v technické praxi setkáváme neustále. Velký význam má měření v potravinářském a zemědělském průmyslu, při skladování výrobků i při samotné výrobě. Nadměrná vlhkost může způsobit vážné škody na elektronických zařízeních a přispívá ke zvýšení koroze. Ve vlhkém prostředí se dobře daří plísním a dalším mikroorganismům, což je nežádoucí při skladování potravin, ale i při dlouhodobém pobytu osob v takovém prostředí. Další odvětví, které je závislé na měření vlhkosti, je meteorologie. Množství vodních par ve vzduchu určuje podnebí a spolu s atmosférickým tlakem a teplotou má podstatný význam při předpovědi počasí. V meteorologii se můžeme setkat s pojmy izohumida a izograma. Izohumida je pomyslná čára, spojující místa se stejnými hodnotami relativní vlhkosti vzduchu, izograma pomyslně spojuje místa se stejnými hodnotami měrné vlhkosti. Vlhkost vzduchu je závislá na poloze na Zemi a na teplotě, protože se zvyšující se teplotou je vzduch schopen pojmout větší množství vodních par. 1.1. Fyzikální základy měření vlhkosti vzduchu Běžný atmosférický vzduch, který je všude kolem nás, je směsí suchého vzduchu a vodních par, případně vody (například mlha). Jednou z jeho základních vlastností je absolutní vlhkost vzduchu. Ta udává jaké hmotnostní množství vodních par je obsaženo v určitém objemu vzduchu. (1)
Relativní vlhkost vzduchu je dána poměrem hmotnosti vodní páry obsažené ve vzduchu a hmotnosti páry, kterou by měl vzduch při téže tlaku a teplotě, pokud by byl plně nasycen. Relativní vlhkost je udávána v procentech. (2)
Relativní vlhkost se dá také vyjádřit jako poměr absolutní vlhkosti vzduchu a vlhkosti vzduchu plně nasyceného vodními párami za stejného tlaku a teploty, tzn. maximální absolutní vlhkostí vzduchu.
6
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
(3)
Měrná vlhkost se vypočítá jako poměr hmotnosti vodních par na 1kg suchého vzduchu. Nejčastěji se tato veličina využívá při dimenzování klimatizačních jednotek. Vzhledem k nízkým řádům se spíše než [kg . kg-1] používá jednotka [g . kg-1]. (4)
1.2. Měřící principy K měření vlhkosti se využívá celá řada metod, protože je moje práce zaměřená na měření vlhkosti vzduchu, budu se dále zabývat jen těmi principy, které jsou vhodné pro měření vlhkosti plynů. Většina senzorů je konstruována na podobném principu, hlavní rozdíl je mezi použitými materiály, které se s vývojem moderní chemie obměňují tak, aby bylo měření co nejrychlejší, nejpřesnější a samotný senzor měl co nejširší uplatnění. 1.2.1. Mechanické senzory Mechanické senzory pracují na principu změny délky vlhkostně citlivého materiálu, jako jsou lidské vlasy nebo hedvábí. V případě vlasů se používá srolovaný pramen, kterým se pomocí převodu přenáší změna délky na kalibrovanou stupnici. Tento senzor poskytuje informaci o relativní vlhkosti. Výhodou je jednoduchá konstrukce, nízká cena a skutečnost, že senzor není potřeba napájet. Nevýhodou je nelineární výstup a omezený teplotní rozsah. [3]
Obr. 1.2.1: Vlasový vlhkoměr [5]
7
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
1.2.2. Psychrometrické senzory Psychrometrické senzory jsou jedny z nejrozšířenějších pro měření vlhkosti vzduchu. Vlhkost se stanovuje pomocí dvou teploměrů. Jednoho, měřícího teplotu plynu a druhého, tzv. mokrého teploměru, který je obalen savým materiálem, zajišťující trvalé vlhčení vodou. Čím menší je relativní vlhkost, tím více se odpařuje voda ze smočeného teploměru a tím větší je rozdíl mezi hodnotami na teploměrech. Podle tohoto rozdílu se určuje tlak vodní páry v plynu a z toho relativní vlhkost plynu. Pro správné měření je nutné zajistit dostatečný průtok plynu s konstantní rychlostí podél teploměrů. To zajišťuje turbínka, poháněná elektromotorem, umístěná v těle senzoru. Takové senzory se nazývají aspirační psychrometry. Dříve se ještě využívaly psychrometry mávací, kde byl průtok plynu zajištěn ručním otáčením kolem pevné osy a stabilní psychrometry bez nucené cirkulace, které ale dosahovaly chybovosti až 20% relativní vlhkosti.
Obr. 1.2.2: Psychrometr [6]
8
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Výhodou psychrometrických senzorů je přímé měření relativní vlhkosti, jejich jednoduchost, nízká cena a dobře dostupné teoretické poznatky. Nevýhodou může být nutnost pravidelného doplňování destilované vody pro mokrý teploměr. [1] [2] 1.2.3. Senzory na principu rosného bodu Rosný bod je teplota, při které je vzduch maximálně nasycen, tzn. jeho relativní vlhkost je 100%. Rosný bod je různý pro různé hodnoty absolutní vlhkosti vzduchu, čím více je vodní páry ve vzduchu, tím je vyšší teplota rosného bodu. Pokud je teplota nižší než rosný bod, dochází ke kondenzaci na povrchu ploch, které jsou v kontaktu se vzduchem. Při měření teploty rosného bodu se nejčastěji ochlazuje senzor (zrcátko) až do chvíle, kdy se na jeho povrchu objeví kondenzát. Po vytvoření tenké vrstvy kondenzátu se reguluje teplota čidla tak, aby nedocházelo ke zmenšení ani zvětšení tloušťky vrstvičky. Další možností je snižovat teplotu zrcátka do doby, kdy se orosí, poté zapnout ohřev a zjišťovat, kdy kondenzát zmizí a výslednou teplotu určit ze středních hodnot naměřených teplot. Toto měření, ale není, v porovnání s předchozí metodou, příliš přesné, protože závisí na čistotě, opracování a kvalitě materiálu, rychlosti ochlazování, atd. Pro zjištění orosení se používá paprsek z LED diody, který zrcátko odráží do snímače. Pokud dojde k orosení, sníží se světelný tok a toto snížení vyhodnotí elektronika senzoru. Vlhkost elektronika vypočte z teploty okolního vzduchu a teploty rosného bodu. Výpočet je možné provést i ručně za použití Mollierova diagramu vlhkého vzduchu. Výhodou je velký měřící rozsah a přesnost, je ale nutné pravidelné čištění zrcátka, filtrování měřeného plynu a není možné použití pro kondenzující plyny. [1] [2]
Obr. 1.2.3: Senzor na principu rosného bodu [7]
1.2.4. Kapacitní senzory
9
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Kapacitní vlhkoměry využívají pohlcování vody některými látkami, především polymery. Tyto polymery v senzoru přestavují dielektrikum kondenzátoru. Kondenzátor má dvě elektrody, z toho jedna je děrovaná a umožňuje průchod plynu k dielektriku. I když je absorbované množství velmi malé, velká dielektrická konstanta zaručuje, že jsou změny měřitelné. Změna kapacity je pak změnou vlhkosti. Pravděpodobně nejrozšířenější kapacitní senzory jsou ty, které využívají oxidu hlinitého. Uprostřed senzoru je drát, destička nebo proužek čistého hliníku. Jeho povrch se nechá zoxidovat, tím dojde k vytvoření pórovitého oxidu hlinitého, který má funkci dielektrika. Jako druhá elektroda slouží tenká vrstva zlata, schopná díky své malé tloušťce propouštět plyn. Kapacitní senzory jsou levné, malé, nepotřebují žádnou složitou údržbu a mají velký teplotní rozsah. Zároveň ale vyžadují kalibraci, nejsou vhodné pro měření vlhkosti některých korozivních plynů a při vysokých teplotách se prodlužuje čas potřebný k měření. [2]
Obr. 1.2.4: Příklad provedení kapacitního vlhkoměru [8]
1.2.5. Odporové senzory Na velmi podobném principu jako kapacitní senzory pracují senzory odporové. Opět se zde vlhkost měří na základě pohlcování vody polymery, solnými roztoky nebo oxidy kovů. Čidlo má dvě elektrody, většinou tvar destičky, vyrobené z keramiky či vhodného polymeru a na této destičce je nanesena vrstva iontového solného roztoku (chloridu lithného). Elektrody jsou vyrobeny z ušlechtilého kovu, uspořádané do šroubovice okolo skelné vaty napuštěné solným roztokem a z vrchu pokryté děrovaným ochranným krytem. Na elektrody je přiveden zdroj napětí díky průchodu proudu se odpařuje voda a roztok krystalizuje. Tím se sníží jeho vodivost, velikost procházejícího proudu a teplota. Po snížení začne roztok znovu pohlcovat vodu, dochází ke zvýšení vodivosti a opětovnému odpařování. Rovnovážná teplota, daná obsahem páry v plynu a teplotou čidla, je závislá výhradně na tlaku vodní páry v plynu. [2] 10
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Obr. 1.2.5: Odporový vlhkoměr [9]
Nevýhodou je náchylnost na orosení a možnost měření nepříliš vysokých teplot, ale na druhou stranu je tato metoda měření pro daný teplotní rozsah velmi přesná, v řádu desetin %. 1.2.6. Křemíkové senzory Jedná se o kapacitní senzory, které jsou v některých ohledech velmi podobné senzorům na bázi oxidu hlinitého s tím rozdílem, že místo hliníku je zde jako materiál senzoru použit křemík. Křemík kompenzuje nevýhody hliníku, senzor je možné použít pro měření korozivních nebo chemicky nestálých plynů a na rozdíl od hliníku má velmi rychlou odezvu i při vysokých teplotách. Jeho velkou nevýhodou je několikanásobně vyšší cena a opět nutnost přesné kalibrace. [1] 1.2.7. Senzory na bázi polymerů Mnoho senzorů vlhkosti používá části organických polymerů, které pohlcují a vylučují vodu se změnou relativní vlhkosti plynu. Přidáním sulfo – akrylátu do povrchové vrstvy senzoru získáme velmi rychlou odezvu. Impedance nebo kapacita povrchové vrstvy je měřitelná a závisí na relativní vlhkosti okolního plynu. Jedná se o chemicky nejnáchylnější senzory vlhkosti, například při kontaktu s oxidy dusičitým nebo siřičitým může dojít ke zničení senzoru. Výhodou je nízká cena, minimální údržba senzoru a rychlá odezva na změnu vlhkosti, nevýhodou je chemická citlivost a náchylnost na nečistoty. [1] 1.2.8. Keramické senzory Pracují na velmi podobném principu jako vlhkoměry na bázi polymerů, ale jejich výhodou je možnost nasazení v prostředích s vysokou teplotou a vyšší odolnost vůči některým anorganickým výparům. Senzor se skládá z tenké vrstvy keramiky, která je v kontaktu s plynem a jejíž odpor či kapacita je závislá na relativní vlhkosti plynu. 11
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Výhodou je vyšší chemická stabilita než u polymerních senzorů a velmi přesné měření ve vysoce vlhkém prostředí. Nevhodný je pro měření nízké vlhkosti. [1] 1.2.9. Infračervené senzory Vodní pára pohlcuje záření v mnoha částech spektra, nejvíce v infračervené oblasti. Senzory měří zeslabení světelného toku, ke kterému dochází při průchodu vrstvou, obsahující vodní páru. Čím je vrstva silnější a nasycenější vodou, tím dochází k většímu zeslabení světelného toku, ze kterého řídící elektronika vypočítá vlhkost plynu.
Přepočet se většinou provádí pomocí
Lamberto – Beerova zákona, zahrnujícího všechny faktory způsobující zeslabení světelného toku. Senzory je možné použít k měření vysoce korozivních plynů a velkých rozsahů vlhkostí. Vysoká cena a potřeba přesné kalibrace je nevýhodou. [1]
Obr. 1.2.9: Infračervený vlhkoměr [10]
1.2.10. Oscilační senzory Vlhkost plynu je zjišťována na základě rezonanční frekvence oscilátoru. Jedna elektroda křemenného rezonátoru je opatřen hydroskopickým nátěrem, případně tenkou vrstvou polymeru, a připojen k oscilátoru. Pokud je rezonátor vystaven vlhkému plynu, začne docházet k pohlcování vody, tím se zvýší jeho hmotnost a klesá rezonanční frekvence. Čím je větší relativní vlhkost plynu, tím více rezonátor pohltí vody, zvětší se jeho hmotnost a klesne rezonanční frekvence. V obvodu je zapojen ještě jeden pevný oscilátor s frekvencí blízkou vlhkostně citlivému oscilátoru a stejnou tepelnou závislostí jako proměnný rezonátor. Vyhodnocovací obvod poté zpracovává rozdíl frekvencí obou oscilátorů. [1] 12
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
2. Návrh a realizace měřicího pracoviště 2.1. Požadavky na pracoviště Prací, které se zabývají měřením vlhkosti potažmo návrhem měřícího pracoviště, je na naší univerzitě zpracováno několik. U většiny je ale nemožné měření vlhkosti pomocí psychrometrického senzoru FNA846, protože měřící pracoviště nejsou dostatečně velká a proto nelze senzor na pracovišti optimálně umístit. Dalším společným jmenovatelem všech prací je způsob výroby vodní páry. Ta je získávána z horké vody, jejíž ohřev se realizuje rychlovarnou konvicí. Horká voda, ne vroucí, se nalije do nádobky umístěné vespod skleněného boxu, odkud se vlhkost šíří do celého boxu. Nevýhodou tohoto způsobu výroby páry je její teplota, která zvyšuje teplotu na celém pracovišti, a z toho vyplývající nemožnost měření vlhkosti studeného vzduchu, protože se snižující se teplotou dochází ke kondenzaci vodní páry a vlhkost na pracovišti se snižuje. Hlavními požadavky, které se pokusím při návrhu dodržet, jsou tedy velikost uzavřeného měřícího boxu a technologie výroby vodní páry. 2.2. Návrh pracoviště Mojí představou je navrhnout box tak, aby sloužil jako ucelené pracoviště pro měření vlhkosti vzduchu. Mimo boxu bude pracoviště obsahovat ještě výrobnu páry a počítač. Podle tohoto plánu budou v boxu od horní podstavy zavěšeny dva senzory – psychrometrický a kapacitní. Na dně boxu bude umístěno topení a v bočnicích budou otvory pro kabeláž a přívod páry, který bude realizován krátkým potrubím. Přední stěna boxu bude celá výklopná a spojená se zbytkem boxu pomocí dvou pantů. Co se týče materiálu, ze kterého bude box vyroben, tak je na výběr sklo nebo plexisklo. Po konzultacích s vedoucí práce jsem se rozhodl zvolit sklo, z důvodu jeho ceny a tepelné odolnosti. U plexiskla je sice možnost pozdější úpravy boxu, například vrtání, na druhou stranu je ale náchylnější na povrchové poškození. 2.2.1. Skleněný box Výška boxu se převážně odvíjí od rozměrů psychrometrického senzoru FNA846. Výška senzoru je 45 cm, protože senzor zespodu nasává vzduchu a shora ho vyfukuje, je potřeba nad i pod senzorem alespoň 10 cm volného místa. Po připočtení rezervy na zavěšení senzorů a umístění topení je celková vnitřní výška boxu 70 cm. Topení, které má být umístěno na dně boxu má rozměry 25x15 cm, velikost podstavy je proto 30x20 cm. V boxu jsou celkem tři otvory,
13
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
v levé bočnici dva menší o průměru 2 cm. Horní slouží k vyvedení kabeláže od senzorů, dolní slouží pro kabeláž k topení. 2.2.2. Vytápění boxu Po domluvě s vedoucí práce použiji topení, které v minulém akademickém roce vyrobil student Vladimír Kadavý v rámci své bakalářské práce zabývající se také měřením vlhkosti vzduchu. Topení se skládá z topné spirály navinuté na nevodivé destičce a regulovaného zdroje, který má šest výstupů s různými hodnotami střídavého napětí, což umožňuje poměrně dobrý základ pro regulaci teploty v boxu. 2.2.3. Výroba studené vodní páry Poslední otvor slouží pro připojení externí výrobny páry. Ten se skládá z nádoby na vodu, ve které je umístěno zařízení na výrobu studené páry. Jeho výběru jsem přikládal velkou důležitost, protože se jedná o jeden z hlavních požadavků, které jsem si stanovil při návrhu boxu. Ve své podstatě se jedná o vysokofrekvenční ultrazvukový oscilátor a jeho pomocné obvody umístěné v kovovém, neprodyšně uzavřeném pouzdře, které se vkládá do vody. Na vrchní straně pouzdra je malá kruhová membrána, která je v přímém kontaktu s vodou. Membrána kmitá s takovou rychlostí, že rozstřikuje vodu do kapiček o průměru cca 1 – 5 µm. Tyto kapičky se po smísení se suchým vzduchem odpařují a tím dochází ke zvýšení vlhkosti vzduchu v okolí bez toho, aby došlo k ovlivnění teploty. Tímto principem můžeme dosáhnout v boxu relativní vlhkosti vzduchu 80% -90% při teplotě okolo 20° C. Zařízení, umožňující výrobu studené páry jsem získal z nepoužívaného pokojového zvlhčovače vzduchu. Bohužel nemá vlastní trafo, a tak je nutné měřicí pracoviště rozšířit ještě o laboratorní zdroj s výstupem 24V stejnosměrných. 2.3. Realizace pracoviště pro měření vlhkosti vzduchu Kvůli realizaci mého návrhu jsem oslavil dva sklenáře z okolí, kteří se mimo přípravy skleněných desek zabývají i lepením akvárií. Jeden sídlí přímo v Liberci na Františkově, druhý je z Turnova. Oba sklenáře jsem oslovil a požádal je o cenovou nabídku. Sklenář z Liberce mi po deseti dnech zaslal na můj email, nabídku, která mě svou cenou velmi příznivě překvapila. Od turnovského sklenáře jsem se, ani po telefonické urgenci, cenové nabídky nedočkal. Proto jsem se s jedinou nabídkou obrátil na vedoucí práce, která musela celou záležitost projednat. Poté, co jsem od ní obdržel kladné stanovisko, jsem se obrátil na sklenáře pro upřesnění a zkonzultování mého návrhu. Díky konzultaci jsme pozměnili mechanismus otvírání boxu. Čelní deska je nyní rozdělená na tři části. Dvě malé destičky, které jsou nalepeny shora a zdola a zpevňují celou 14
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
konstrukci. Na koncích jsou nalepeny hliníkové U-profily, ve kterých se posunuje velká deska, zakrývající zbylý volný prostor čelní stěny. Takto pozměněný návrh (viz. Příloha A, Příloha B) jsem zadal do výroby. Mezitím jsem se pustil do přípravy nádoby na výrobu páry. Do víka jsem vyřezal dva otvory, jeden na připojení potrubí spojující box s výrobnou páry, a druhý na protažení kabeláže od oscilátoru. Tímto byly všechny přípravné práce hotovy. 2.3.1. Realizace podle návrhu Po dokončení boxu jsem ho převezl na univerzitu do laboratoře a začal postupně zapojovat pracoviště podle původního návrhu, ale zatím bez vytápění. Do boxu jsem umístil senzory, na počítači v programu Almemo 4.4 jsem vytvořil šablonu pro měření, výrobnu páry jsem připojil na napětí a propojil ji se skleněným boxem.
Obr. 2.3.1.1: Pracoviště podle původního návrhu
Bohužel, na takto zapojeném pracovišti nebylo možné nic naměřit. Problém nastal u výroby páry, kde i když byla výroba předem vyzkoušená, tak došlo k tomu, že pára sama nebyla schopná přejít potrubím do boxu. Nad hladinou vody ve výrobně páry se sice vytvořila hustá, mléčně bílá pára, ta ale nestoupala vzhůru, tak jak jsem původně předpokládal. Pokusil jsem se tedy dostatečný tah na přemístění páry dostat ventilátorkem, umístěným v boxu hned u ústí potrubí. Nyní již bylo měření možné, ale ventilátorek byl mokrý vlivem kontaktu s párou a při měření by
15
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
hrozil zkrat. Navíc by bylo třeba vyřešit napájení ventilátoru, jeho optimální otáčky a montáž do boxu. Rozhodl jsem se tedy zkusit pracoviště upravit.
Obr. 2.3.1.2: Výroba páry podle původního návrhu
2.3.2. Úprava pracoviště Úprava spočívala v odstranění externí výrobny páry a její přesunutí dovnitř boxu. Vodu jsem tedy nalil přímo na dno boxu, spodní otvor pro kabeláž od topení jsem ucpal zátkou a otvor pro připojení výrobny páry jsem provizorně zakryl. Díky tomu, že psychrometrický senzor má ve svém těle namontovaný ventilátor, se podařilo dosáhnout cirkulace páry uvnitř boxu bez větších obtíží. Navíc jsem v praxi ověřil, že box je vodotěsný. Nechal jsem senzory připojené k počítači a měřil, jak roste vlhkost vzduchu v uzavřeném skleněném boxu. Maximální hodnota, které vlhkost dosáhla, byla 96% relativní vlhkosti při měření psychrometrickým senzorem a 93% při měření kapacitním senzorem. Změřená teplota uvnitř boxu byla 21,4° C. Takto úspěšné měření rozhodlo o úpravě celého pracoviště. Výroba páry se přesunula přímo do boxu, s tím rozdílem, že voda není na dně boxu přímo, ale je umístěná v plastové nádobce a kabel od oscilátoru je protažený spodním otvorem. Další úprava se týkala odstranění topení z důvodu nedostatku místa v boxu po přesunutí výrobníku páry. Horní otvor slouží k protažení kabelů od senzorů, které jsou zavěšeny v horní části boxu. Otvor, který dříve sloužil pro připojení páry je nyní zaslepen korkovou zátkou, která má v sobě umístěný motorek. Tento motorek se bude v budoucnu starat o ještě lepší cirkulaci vzduchu uvnitř boxu. Bohužel, tuto inovaci jsem nestihl uspokojivě odzkoušet a proto se ve zkušebním měření zatím neobjeví.
16
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Obr. 2.3.2: Výroba páry uvnitř boxu
Na takto sestaveném pracovišti jsem provedl zkušební měření, které má ukázat možnost měření vysoké vlhkosti vzduchu o nízké teplotě a které na univerzitě zatím chybí.
17
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
3. Zkušební měření vlhkosti vzduchu Tato kapitola popisuje zkušební měření, kterým chci demonstrovat možnosti takto navrženého měřicího pracoviště a dále by mělo sloužit k otestování jeho plné funkčnosti. 3.1. Příprava měření 3.1.1. Příprava senzorů a boxu Prvním krokem k přípravě pracoviště je zavěšení senzorů do měřícího boxu. Před zavěšením je třeba z psychrometrického senzoru sejmout průhledný plastový kryt, pod kterým je umístěná plastová šroubovací nádobka, do které je potřeba nalít destilovanou vodu. Psychrometrický senzor je v boxu umístěn vlevo, kapacitní senzor vpravo. Konektory od obou senzorů jsou z boxu vyvedeny horním otvorem v levé bočnici boxu a poté připojeny k univerzálnímu měřicímu přístroji (datalogeru) Almemo 2590, případně 3290. Senzory se připojují do zdířek označených M0 a M1. Dataloger se dále připojí na napájení a pomocí výstupní zdířky A1 k sériovému portu PC. Do plastové nádoby se umístí výrobník páry, jeho kabeláž se vyvede spodním otvorem v levé bočnici a otvor se uzavře zátkou umístěnou na kabelu. Výrobník páry se připojí ke zdroji stejnosměrného napětí 24 V, s proudovou pojistkou 400 mA. Při připojení ke zdroji je třeba dodržet správnou polaritu výstupů (červená – kladná svorka zdroje, černá – záporná svorka zdroje). Plastová nádobka se naplní vodou tak, aby byl celý výrobník páry ponořen. Otvor v pravé bočnici se zaslepí korkovou zátkou. Celý box se uzavře a je připraven k započetí měření.
Obr. 3.1.1: Pracoviště pro zkušební měření
18
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
3.1.2. Tvorba programu pro záznam hodnot K zobrazení a záznamu naměřených hodnot v PC se využívá programu Almemo ve verzi 4.4. Po startu programu musíme nejdříve překontrolovat hodnoty v nabídce Komunikace / Nastavení portu, zde je třeba určit sériový port, přes který se bude přístroj připojovat, v našem případě COM1 a rychlost komunikace, jejíž hodnota musí být 9600. Nyní je možné navázat spojení s datalogerem, to provedeme v nabídce Komunikace / Připojení přístroje. Po úspěšném připojení je třeba načíst konfiguraci přístroje, opět v nabídce Komunikace / Číst z přístroje / Konfiguraci. Pokud bychom u volby Číst z přístroje zvolili možnost Obsah paměti, došlo by ke stažení posledních měřených dat do PC. Toho můžeme využít, pokud bychom měřili bez možnosti připojení k počítači, ale naměřená data bychom chtěli později strojově zpracovávat. S takto připojeným přístrojem můžeme v nabídce Zobraz / Nastavení přístroje nastavit výstupní cyklus, který určuje, v jakých pravidelných intervalech bude prováděno měření. Dále vytvoříme tabulku, graf a displej, který bude zobrazovat aktuální hodnotu měřené veličiny. Tabulka se vytváří po stisku Zobraz / Tabulku / Vytvořit novou. V okně, které se otevře, můžeme vybrat hodnoty, které se mají v tabulce zobrazovat. V mém případě je v prvním sloupci aktuální čas, ve druhém teplota v boxu, ve třetím je relativní vlhkost měřená psychrometrickým senzorem, ve čtvrtém relativní vlhkost měřená kapacitním senzorem a v posledním pátém je teplota rosného bodu.
Obr. 3.1.2.1: Tvorba tabulky pro automatický záznam hodnot
Podobně se vytváří displej, v nabídce Zobraz / Displej / Vytvoř nový. Nastavení parametrů se víceméně neliší od nastavení tabulky, můžeme se vybrat barvu pozadí okna a barvy písma
19
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
jednotlivých zobrazovaných veličin. U mého displeje je na prvním řádku zobrazuje teplota v boxu, na druhém řádku relativní vlhkost měřená psychrometrickým senzorem a na posledním řádku relativní vlhkost měřená kapacitním senzorem. Poslední je nastavení a zobrazení grafu. Po stisku Zobraz / Graf / Vytvoř nový se zobrazí dialogové okno, zde nás nejvíc zajímá poslední záložka Položky, ve které přidáme relativní vlhkosti od obou senzorů a získáme tak závislost relativní vlhkosti na čase. V dalších záložkách je možné upravit styl zobrazování legendy u grafu nebo omezit časový rozsah, to pokud by nás zajímala pouze určitá část charakteristiky. Tímto máme hotovou šablonu pro měření hotovou, v nabídce Soubor / Uložit jako šablonu je možné jí uložit pro pozdější použití. Samotné měření započneme po stisku tlačítka Start / stop měření. V okně zvolíme možnost Nesynchronizovat a v závislosti na zvolené hodnotě výstupního cyklu bude nyní docházet k zápisu naměřených hodnot do tabulky, aktualizaci hodnot na displeji a k vykreslování průběhu grafu.
Obr. 3.1.2.2: Prostředí programu Almemo 4.4 během měření
Měření je ukončeno opětovným stiskem tlačítka Start / stop měření. Získanou tabulku nyní můžeme uložit v nabídce Soubor / Export, kde je možné zvolit několik výstupních formátů, včetně formátu xls (listu aplikace Microsoft Office Excel).
20
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
3.2. Zkušební měření Pracoviště jsem připravil podle návodu uvedeného výše. Na počítači jsem spustil připravenou šablonu pro měření a zapnul laboratorní zdroj, který napájí výrobník páry. Na monitoru jsem sledoval, jak se s rostoucím časem zvyšovala vlhkost v boxu a jak moc se lišily hodnoty na obou senzorech. Tab. 1: Tabulka zkušebního měření
Čas měření [s]
Teplota vzduchu [°C]
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510
21,28 21,41 21,50 21,44 21,48 21,48 21,48 21,44 21,43 21,47 21,46 21,45 21,43 21,45 21,51 21,51 21,45 21,42 21,48 21,52 21,49 21,47 21,53 21,48 21,51 21,49 21,52 21,52 21,52 21,52 21,51 21,54 21,50 21,47 21,54
Relativní vlhkost Relativní vlhkost vzduchu vzduchu (psychrometr) (kapacitní senzor) [%] [%] 59,20 59,20 59,10 60,20 60,90 61,10 62,10 62,60 63,50 63,90 64,60 65,70 66,40 68,30 68,90 69,40 70,00 70,90 71,50 72,00 72,90 73,60 74,70 75,00 76,10 76,40 77,10 77,40 78,70 78,80 80,20 80,70 81,80 82,20 83,10
52,00 50,50 52,60 56,00 56,90 57,50 58,40 59,80 61,60 62,40 64,00 65,00 66,30 67,10 67,90 69,90 71,20 71,70 71,90 72,70 74,10 74,80 74,80 76,20 77,00 77,80 77,80 78,40 79,20 79,70 80,10 80,40 81,40 82,40 81,90
Teplota rosného bodu [°C]
15,21 15,11 15,48 15,90 16,06 16,14 16,27 16,44 16,67 16,80 17,02 17,15 17,30 17,43 17,58 17,84 17,95 18,00 18,07 18,22 18,36 18,44 18,50 18,63 18,76 18,84 18,88 18,95 19,04 19,10 19,14 19,20 19,29 19,39 19,39
21
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
525 540 555 570 585 600 615 630 645 660 675 690 705 720 735 750 765 780 795 810 825 840 855
21,49 21,46 21,52 21,51 21,53 21,52 21,50 21,57 21,52 21,52 21,48 21,53 21,47 21,51 21,51 21,53 21,51 21,50 21,45 21,50 21,52 21,53 21,46
83,80 84,30 84,70 85,20 85,60 85,90 86,60 87,20 87,40 87,60 88,20 88,90 89,30 89,60 90,00 90,80 90,80 90,70 91,30 92,10 92,60 92,80 92,80
82,80 83,40 83,30 83,60 83,90 84,30 84,70 84,40 85,30 85,70 86,40 86,20 87,50 87,40 87,50 87,80 88,20 88,30 88,90 88,90 88,80 89,10 89,70
19,46 19,50 19,55 19,57 19,62 19,67 19,70 19,73 19,79 19,84 19,88 19,91 20,01 20,03 20,05 20,10 20,13 20,14 20,16 20,20 20,21 20,26 20,27
Graf 1: Závislost relativní vlhkosti na času
22
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
4. Závěr Ze zkušebního měření je jasně vidět, že pracoviště splňuje požadavky, které byly na začátku práce stanoveny. V boxu je možné umístit oba vlhkoměry, které jsou na univerzitě k dispozici, vodní pára není získávána z vroucí vody, ale vysokofrekvenčním rozstřikováním a díky tomu je její teplota závislá pouze na teplotě vody, ze které je vyráběna. Při realizaci pracoviště jsem narazil na řadu problémů, ale většinu se mi podařilo uspokojivě vyřešit. Rád bych ve své práci pokračoval formou bakalářské práce v příštím roce tak, abych dořešil vytápění a lepší cirkulaci v boxu. Topení se z důvodu velikosti bude muset upravit, případně vyrobit úplně nové. Co se týče cirkulace, tak ventilátor i jeho umístění je vyřešeno, problémem zůstává jeho napájení. Zkouškou bude potřeba určit vhodné napájecí napětí a proud tak, aby došlo k nastavení vhodných, nepřiliž vysokých otáček. Při moc vysokých otáčkách totiž dochází k prudkému rozmíchání suchého a vlhkého vzduchu a vodní pára, která vysokou rychlostí stoupá vzhůru, způsobí při kontaktu s kapacitním senzorem plné nasycení dielektrika a tím vyřadí senzor z provozu. S tímto problémem jsem se bohužel setkal při jedné ze zkoušek funkčnosti, a proto jsem rozhodl o vyřazení ventilátoru ze zkušebního měření. Poté co se podaří najít vhodné otáčky ventilátoru, bych rád sestavil přípravek pro jeho napájení tak, aby nepotřeboval vlastní zdroj, ale aby napájecí napětí a proud získával vhodnou úpravou ze zdroje pro výrobník páry. Jsem přesvědčený, že jsem splnil cíle této práce a s drobnou úpravou, ale i bez ní může pracoviště sloužit studentům Technické univerzity v Liberci v rámci předmětů, které se zabývají měřením neelektrických veličin.
23
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Seznam použité literatury [1] CARR-BRION, K. Moisture Sensors in Process Control. 1. vydání London: Elsevier, 1986. 122 stran. ISBN: 1-85166-005-4. [2] FEXA, Josef; ŠIROKÝ, Karel. Měření vlhkosti. 1. vydání Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1983. 262 stran. ISBN: 04-601-83. [3] MATUŠKA, Tomáš. Experimentální metody v technice prostředí. 1. vydání Praha: Česká technika – Nakladatelství ČVUT, 2005. 200 stran. ISBN: 80-01-03291-4. [4] PLÍVA, Zdeněk; DRÁBKOVÁ, Jindra. Metodika zpracování diplomových, bakalářských a vědeckých prací na FM TUL. 1. vydání Liberec: TUL, 2009. 38 stran. ISBN: 978-80-7372-189-3. [5] Soubor: HairHygrometer.PNG. 20. 11. 2010. url:
[6] Soubor: Psychrometer.PNG. 20. 11. 2010. url: [7] Soubor: HYGROMETER_MIRROR4.jpg. 8. 5. 2011. url: < http://www.instrumentregister.com/images/ HygrometerChilledMirrorDualDetector_BCE9/HYGROMETER_MIRROR4.jpg > [8] Soubor: Hygrometer probe rotronic DV-2.jpg. 8. 5. 2011. url:
Hygrometer_probe_rotronic_DV-2.jpg >
[9] Obrázek: Obr. 4.3: Odporový hygrometr s chloridem lithným. Strana 42. 8. 5. 2011. MATUŠKA, Tomáš. Experimentální metody v technice prostředí. 1. vydání Praha: Česká technika – Nakladatelství ČVUT, 2005. 200 stran. ISBN: 80-01-03291-4. [10]Soubor: HYGROMETER_INFRARED4.jpg. 8. 5. 2011. url: < http://www.instrumentregister.com/images/HygrometerInfraredAbsorption_ BDA5/HYGROMETER_INFRARED4.jpg>
Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně.
24
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha
A
–
Výrobní
výkres
25
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha
B
–
3D
model
boxu
26
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha C – Technické parametry psychrometrického senzoru FNA846
27
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha D – Technické parametry kapacitního senzoru FHA646-E1
28
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha D
29
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha E – Technické parametry měřicího přístroje Almemo 2590
30
Návrh a realizace boxu pro měření vlhkosti vzduchu
Příloha E
31