Новые возможности датчиков влажности Galltec+Mela D серии

1. Влажность воздуха: способы и особенности контроля влажности и температуры воздуха

В системах вентиляции помещений зачастую реализована только возможность поддержания температурного режима с помощью калорифера зимой и охладителя летом, но очень редко можно встретить систему по поддержанию относительной влажности воздуха в помещении. Между тем, согласно различным нормативным документам (ГОСТ 30494-2011, ГОСТ 12.1.005-88, СанПиН 2.1.2.2645-10 и СанПиН 2.2.4.548-96), в жилых и производственных помещениях относительная влажность воздуха должна находиться в пределах 40-75 %, с небольшими вариациями, в зависимости от климатических условий региона. В свою очередь, простой нагрев воздуха в зимнее время без дополнительного увлажнения делает воздух намного суше, чем допускается нормами.

Для примера возьмем средние температурно-влажностные показатели по Москве за февраль, взятые с сайта weatherarchive.ru: средняя температура составляет -6,3 °C, средняя относительная влажность 81 %.

Холодный воздух, проходя вентиляционные каналы и теплообменник, нагревается до температуры, например, 23 °C. Количество водяного пара в воздухе при этом остается постоянным, зато изменяется насыщающая способность воздуха – при нагреве воздуха он способен поглотить больше паров воды до состояния насыщения. В связи с этим, в данном примере относительная влажность воздуха снижается с 81 % до 11,5 %.

Датчик влажности и температуры
Рисунок 1 — Цифровой датчик температуры и влажности Galltec-Mela серии D

Такая относительная влажность является слишком низкой согласно любым нормативам, и приводит к:

  • пересыханию слизистой оболочки и повышению сухости кожи;
  • развитию острых респираторных заболеваний;
  • гибели комнатных растений;
  • повышенной запыленности;
  • повышенному уровню статического электричества (что особенно критично для вентиляции серверных комнат).

Тем не менее, в системах вентиляции жилых помещений установка по увлажнению воздуха встречается достаточно редко, ввиду её относительно высокой стоимости. Намного чаще поддержание влажности реализовано в производственных помещениях, связанных с электроникой (серверные, операторские и т.д.), либо в так называемых «чистых» помещениях: больницах, операционных, цехах подготовки и хранения фармакологических препаратов и т.д. В таких применениях в качестве датчика обратной связи для автоматики поддержания микроклимата используются цифровые датчики серии D фирмы Galltec-Mela (Германия).

Датчик влажности в системе вентиляции операционной
Рисунок 2 — Датчик влажности в системе вентиляции операционной

Датчики влажности обладают следующими особенностями:

  1. Датчики выполнены на базе микропроцессора, что делает их одними из самых точных датчиков для систем вентиляции — имеют основную абсолютную погрешность измерения ± 2 % в диапазоне 10...90 % относительной влажности, а также дополнительную погрешность из-за влияния температуры всего 0,05 % на каждый °C вне температуры окружающего воздуха 10...40 °C;
  2. Датчики имеют дисплей, который отображает измеренные или рассчитанные параметры, в зависимости от настройки датчика. Благодаря этому любой сотрудник или проверяющий может подойти и визуально оценить параметры окружающего воздуха в помещении;
  3. Датчики измеряют непосредственно температуру и относительную влажность окружающего воздуха. Однако не всегда по технологии требуется контролировать эти величины, и часто требуется контроль других параметров влажного воздуха.
    В датчиках серии D реализована возможность расчета следующих параметров на основе измеренных показателей относительной влажности и температуры без использования внешнего ПЛК для расчетов:
    • абсолютная влажность (absolute humidity) (0...100 г/м³) — объемное содержание влаги в воздухе;
    • влагосодержание (mixing ratio) (0...100 г/кг) — содержание влаги на килограмм сухого воздуха;
    • температура мокрого термометра (web bulb temperature) (-10...50 °C) — температура, которую бы показал «влажный» термометр при психрометрическом способе измерения;
    • температура точки росы (dew point temperature) (-20...70 °C) — температура, при достижении которой относительная влажность воздуха становится 100 %;
    • энтальпия (specific enthalpy) (0...80 кДж/кг) — количество теплоты, содержащееся в одном килограмме сухого воздуха.

      Примечание: все вычисления, производимые датчиком, актуальны только в диапазонах температуры -30...+70 °C и влажности 5...95 %: в случае выхода за заданные диапазоны, расчетная величина перестанет изменяться и будет соответствовать последнему рассчитанному значению параметра.
    Формулы, по которым производится расчет всех параметров влажного воздуха, приведены в приложении к статье - они могут использоваться для реализации расчетов с помощью внешнего ПЛК на основании показаний любого другого датчика влажности и температуры, таковыми могут быть датчики серии L. Пример расчета для контроллера Delta DVP12SE11T и панели оператора DOP-BS 211; для среды CODESYS.
  4. Датчики влажности внесены в Государственный реестр средств измерений под номером 62191-150, что позволяет производить поверку датчиков и в дальнейшем применять их на предприятиях, где действует государственный метрологический надзор.
  5. Датчики имеют выходные аналоговые сигналы 4...20 мА или 0...10 В по 2-м каналам, а также 2 исполнения корпуса: для монтажа в вентиляционные каналы (DK) или для монтажа на стену (DW). Всё это позволяет применять датчики практически в любых системах автоматики вентиляции.

2. Сравнение стандартной и новой модификаций датчиков влажности Galltec Mela

Ранее датчики серии D в стандартной модификации имели существенное ограничение — пользователь не имел возможности свободной конфигурации измерительных диапазонов или вывода любого расчетного параметра по его желанию, и требовалось каждый раз заказывать нужную модификацию датчика на заводе. Пользователю была доступна исключительно возможность калибровки датчика с помощью двух кнопок и светодиода, расположенных под крышкой.

Однако, в обновленной модификации измеритель влажности и температуры получил логичное развитие: производитель добавил порт microUSB. Теперь датчик подключается пользователем к ПК с помощью стандартного кабеля USB – microUSB, и легко настраивается и калибруется посредством бесплатной программы Galltec USB Config.

Таблица 1 — Сравнение модификаций
Модификация
Стандартная Обновленная
Стандартная модификация датчика влажности Обновленная модификация датчика влажности
Кнопочная калибровки датчика влажности Порт microUSB на датчике влажности для калибровки параметров

3. Возможности обновленных датчиков температуры и влажности воздуха Galltec-Mela

С помощью обновлённых измерителей влажности серии D пользователь может:

  • настроить привязку любой из расчетных величин на каждый канал, с одновременным выводом этих величин на дисплей (заводские настройки датчика 0...100 % по каналу влажности и -30...70 °C по каналу температуры);
  • настроить диапазон преобразования величины в аналоговый сигнал для каждого канала в пределах, обозначенных в таблице. Это особенно актуально для канала температуры, если вход вторичного прибора настроен на нестандартный диапазон преобразования;
Преобразование показателей датчика влажности  в аналоговый сигнал
Рисунок 3 — Таблица преобразования величин в аналоговый сигнал
  • настроить выбор единицы измерения температуры - °C или °F;
  • задавать величину атмосферного давления (total preassure) (в диапазоне 600...1070 гПа) или высоту над уровнем моря (altitude) (в диапазоне -402...4207 м) (параметр доступен для расчетных параметров влагосодержания, температуры мокрого термометра и энтальпии, зависящих от атмосферного давления);
  • конфигурировать датчики без подключения к внешнему питанию — в сервисном режиме датчик питается от USB порта.

4. Настройка параметров измерителя влажности и температуры в интерфейсе Galltec USB-Config

После подключения в окне Probe и Device появятся цифры, соответствующие внутренней кодировке датчиков. Далее пользователю следует нажать Read Data, и текущие настройки датчика отображаются в программе. После изменения параметров, пользователь должен нажать Write Data для записи параметров в энергонезависимую память датчика.

Настройка параметров датчика влажности в интерфейсе ПО
Рисунок 4 — Настройка параметров датчика в интерфейсе ПО

Также, возможна калибровка датчика с помощью кнопки Adjustment. Данная процедура калибровки подробно изложена в описании к программному обеспечению.

Примечание: для режима калибровки необходимо подать внешнее питание на датчик. Для датчика с выходным сигналом 4...20 мА необходимо обеспечить гальваническую развязку между USB портом и внешним питанием, во избежание повреждения датчика.

Благодаря внедрению порта micro USB, обновлённые датчики серии D получили еще более широкое применение в задачах контроля относительной влажности и температуры воздуха с высокой точностью, например, в системах микроклимата производственных помещений.

5. Приложение

1. Относительная влажность воздуха

φ = P d P s * 100 % {italic "φ" =italic "P"_italic "d" over italic "P"_italic "s" italic "*" italic "100" italic "%"}

где:
φ – относительная влажность, % (при расчетах, используется без умножения на 100%);
Pd – парциальное давление паров воды, гПа;
Ps – парциальное давление насыщенных паров воды, гПа.

2. Парциальное давление насыщенных паров (формула Ардена Бака)

для Т > 0:

P s = 611,21 e ( 18,678 T 234,5 ) * T ( 257,14 + T ) {italic "P"_italic "s" =italic "611,21" italic "e"^{ \( italic "18,678" - italic "T" over italic "234,5" \) italic "*" italic "T"} over { \( italic "257,14" + italic "T" \)}}

для Т < 0:

P s = 611,15 e ( 23,036 T 333,7 ) * T ( 279,82 + T ) {italic "P"_italic "s" =italic "611,15" italic "e"^{ \( italic "23,036" - italic "T" over italic "333,7" \) italic "*" italic "T"} over { \( italic "279,82" + italic "T" \)}}

где:
Т– температура окружающего воздуха, °C.

3. Парциальное давление насыщенных паров (формула Гоффа-Гретча)

для Т > 0:

l g ( P s ) = 7,90298 ( T s t T + 273,15 1 ) + 5,02808 l g ( T s t T + 273,15 ) 1,3816 * 10 7 * ( 10 11,344 ( 1 T + 273,15 T s t ) 1 ) + + 8,1328 * 10 3 * ( 10 3,49149 * ( T s t T + 273,15 1 ) 1 ) + l g ( P s t ) {italic "l" italic "g" \( italic "P"_italic "s" \) =-italic "7,90298" \( italic "T"_{italic "s" italic "t"} over {italic "T" + italic "273,15"} -italic "1" \) +italic "5,02808" italic "l" italic "g" \( italic "T"_{italic "s" italic "t"} over {italic "T" + italic "273,15"} \) -italic "1,3816" italic "*" italic "10"^{-italic "7"} italic "*" \( italic "10"^{italic "11,344" \( italic "1" - {italic "T" + italic "273,15"} over italic "T"_{italic "s" italic "t"} \)} -italic "1" \) +italic "8,1328" italic "*" italic "10"^{-italic "3"} italic "*" \( italic "10"^{- italic "3,49149" italic "*" \( italic "T"_{italic "s" italic "t"} over {italic "T" + italic "273,15"} - italic "1" \)} -italic "1" \) +italic "l" italic "g" \( italic "P"_{italic "s" italic "t"} \)}

для Т < 0:

l g ( P s ) = 9,09718 ( T 0 T + 273,15 1 ) 3,56654 l g ( T 0 T + 273,15 ) + 0,876793 * ( 1 T + 273,15 T 0 ) + l g ( P s i ) {italic "l" italic "g" \( italic "P"_italic "s" \) =-italic "9,09718" \( italic "T"_italic "0" over {italic "T" + italic "273,15"} -italic "1" \) -italic "3,56654" italic "l" italic "g" \( italic "T"_italic "0" over {italic "T" + italic "273,15"} \) +italic "0,876793" italic "*" \( italic "1" -{italic "T" + italic "273,15"} over italic "T"_italic "0" \) +italic "l" italic "g" \( italic "P"_{italic "s" italic "i"} \)}

где:
Tst – температура кипения воды, К (для атмосферного давления 373,15);
Pst – парциальное давление пара в точке кипения, гПа (1013,25);
T0 – тройная точка воды, К (273,16);
Psi – парциальное давление пара в точке замерзания, гПа (6,1173).

Формула Гоффа-Гретча является более точной, чем формула Ардена Бака – однако из-за сложности в расчетах зачастую применяется формула Бака.

4. Температура точки росы

T p = 241,2 17,5043 17,0543 * T 241,2 + T + l n ( φ 100 ) 1 {italic "T"_italic "p" =italic "241,2" over {italic "17,5043" over {{italic "17,0543" italic "*" italic "T"} over {italic "241,2" + italic "T"} + italic "l" italic "n" \( italic "φ" over italic "100" \)} - italic "1"}}

где:
Tp– температура точки росы, °C.

5. Влагосодержание

D = 622 * P d P a P d = 622 * φ * P s P a φ * P s {italic "D" ={italic "622" italic "*" italic "P"_italic "d"} over {italic "P"_italic "a" - italic "P"_italic "d"} ={italic "622" italic "*" italic "φ" italic "*" italic "P"_italic "s"} over {italic "P" italic "a" - italic "φ" italic "*" italic "P"_italic "s"}}

где:
D – влагосодержание, г/кг;
Pa – атмосферное давление, гПа.

6. Энтальпия

J = ( 1,00545 + 0,00185894 * D ) * T + 2,500877 * D {italic "J" = \( italic "1,00545" +italic "0,00185894" italic "*" italic "D" \) italic "*" italic "T" +italic "2,500877" italic "*" italic "D"}

где:
J – энтальпия, кДж/кг.

7. Температура мокрого термометра

P d = P s ( T w ) 0,65 * ( T T w ) * ( 1 + 0,000944 * T w ) * P a 1006,6 {italic "P"_italic "d" =italic "P"_italic "s" \( italic "T"_italic "w" \) -italic "0,65" italic "*" \( italic "T" -italic "T"_italic "w" \) italic "*" \( italic "1" +italic "0,000944" italic "*" italic "T"_italic "w" \) italic "*" italic "P"_italic "a" over italic "1006,6"}

где:
Tw — температура мокрого термометра, °C;
Ps, Tw – давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра, гПа.

Данное уравнение является функциональным, поэтому нахождение Tw возможно программно методом последовательных приближений.

8. Барометрическая формула

P a = 101,325 * e 0,00012 h {italic "P"_italic "a" =italic "101,325" italic "*" italic "e"^{- italic "0,00012" italic "h"}}

где:
h – высота в метрах над уровнем моря.

9. Абсолютная влажность

А = P s φ M в RT А = {P_s %varphi M_в} over RT

где:
А — абсолютная влажность, г/м³;
R — универсальная газовая постоянная, Джоуль/моль*К (8,31);
Т — температура окружающего воздуха, К;
Мв — молярная масса воды, г/моль (18,015).

Список использованной литературы:

  1. ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
  2. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны
  3. СанПиН 2.1.2.2645-10 Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы
  4. СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
  5. М.Г. Тарабанов, В.Д. Коркин, В.Ф. Сергеев. НП «Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике». ABOK справочное пособие. Москва, 2004
  6. Von R. Wernecke. Industrielle Feuchtemessung – Grundlagen, Messmethoden, technische Anwendungen. 2003
  7. Arden L. Buck. «New Equations for Computing Vapor Pressure and Enhancement Factor». National Center for Atmospheric Research, 1981 US Standard Atmosphere. NASA, 1976.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.


 Наверх