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 %.

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).

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

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;

• 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.

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

$$\text{φ}=\frac{{\text{P}}_{\text{d}}}{{\text{P}}_{\text{s}}}\text{*}\text{100}\text{\%}$$

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

2. Парциальное давление насыщенных паров (формула Ардена Бака)

для Т > 0:

$${\text{P}}_{\text{s}}=\text{611,21}\frac{{\text{e}}^{(\text{18,678}-\frac{\text{T}}{\text{234,5}})\text{*}\text{T}}}{(\text{257,14}+\text{T})}$$

для Т < 0:

$${\text{P}}_{\text{s}}=\text{611,15}\frac{{\text{e}}^{(\text{23,036}-\frac{\text{T}}{\text{333,7}})\text{*}\text{T}}}{(\text{279,82}+\text{T})}$$

где:
Т– температура окружающего воздуха, °C.

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

для Т > 0:

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

для Т < 0:

$$\text{l}\text{g}({\text{P}}_{\text{s}})=-\text{9,09718}(\frac{{\text{T}}_{\text{0}}}{\text{T}+\text{273,15}}-\text{1})-\text{3,56654}\text{l}\text{g}(\frac{{\text{T}}_{\text{0}}}{\text{T}+\text{273,15}})+\text{0,876793}\text{*}(\text{1}-\frac{\text{T}+\text{273,15}}{{\text{T}}_{\text{0}}})+\text{l}\text{g}({\text{P}}_{\text{s}\text{i}})$$

где:
T_st – температура кипения воды, К (для атмосферного давления 373,15);
P_st – парциальное давление пара в точке кипения, гПа (1013,25);
T₀ – тройная точка воды, К (273,16);
P_si – 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

$${\text{T}}_{\text{p}}=\frac{\text{241,2}}{\frac{\text{17,5043}}{\frac{\text{17,0543}\text{*}\text{T}}{\text{241,2}+\text{T}}+\text{l}\text{n}(\frac{\text{φ}}{\text{100}})}-\text{1}}$$

где:
T_p– температура точки росы, °C.

5. Влагосодержание

$$\text{D}=\frac{\text{622}\text{*}{\text{P}}_{\text{d}}}{{\text{P}}_{\text{a}}-{\text{P}}_{\text{d}}}=\frac{\text{622}\text{*}\text{φ}\text{*}{\text{P}}_{\text{s}}}{\text{P}\text{a}-\text{φ}\text{*}{\text{P}}_{\text{s}}}$$

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

6. Энтальпия

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

где:
J – энтальпия, кДж/кг.

7. Температура мокрого термометра

$${\text{P}}_{\text{d}}={\text{P}}_{\text{s}}({\text{T}}_{\text{w}})-\text{0,65}\text{*}(\text{T}-{\text{T}}_{\text{w}})\text{*}(\text{1}+\text{0,000944}\text{*}{\text{T}}_{\text{w}})\text{*}\frac{{\text{P}}_{\text{a}}}{\text{1006,6}}$$

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

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

8. Барометрическая формула

$${\text{P}}_{\text{a}}=\text{101,325}\text{*}{\text{e}}^{-\text{0,00012}\text{h}}$$

где:
h – высота в метрах над уровнем моря.

9. Абсолютная влажность

$$А=\frac{P_s\phi M_{в}}{\mathit{RT}}$$

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