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 %.
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).
Рисунок 2 — Датчик влажности в системе вентиляции операционной
Датчики влажности обладают следующими особенностями:
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;
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;
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.
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
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;
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.
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
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:
для Т < 0:
где: Т– температура окружающего воздуха, °C.
3. Парциальное давление насыщенных паров (формула Гоффа-Гретча)
для Т > 0:
для Т < 0:
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
где: Tp– температура точки росы, °C.
5. Влагосодержание
где: D – влагосодержание, г/кг; Pa – атмосферное давление, гПа.
6. Энтальпия
где: J – энтальпия, кДж/кг.
7. Температура мокрого термометра
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
где: h – высота в метрах над уровнем моря.
9. Абсолютная влажность
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:
ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны
СанПиН 2.1.2.2645-10 Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы
СанПиН 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
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
Von R. Wernecke. Industrielle Feuchtemessung – Grundlagen, Messmethoden, technische Anwendungen. 2003
Arden L. Buck. «New Equations for Computing Vapor Pressure and Enhancement Factor». National Center for Atmospheric Research, 1981 US Standard Atmosphere. NASA, 1976.