Статьи Новые возможности датчиков влажности Galltec+Mela D серии

Новые возможности датчиков влажности Galltec+Mela D серии

Содержание:

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.

Стандартная модификация датчика влажности
Стандартная модификация датчика влажности
Обновленная модификация датчика влажности
Обновленная модификация датчика влажности
Кнопочная калибровки датчика влажности
Стандартная модификация. Кнопочная калибровки датчика влажности
Порт microUSB на датчике влажности для калибровки параметров
Обновленная модификация. 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 % {φ = P_d over P_s*100%}

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 ) {P_s=611,21 e^{ \(18,678 - T over 234,5 \) * T} over { \( 257,14 +T \)}}

для Т < 0:

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

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

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 ) { l g \( P_ s \) =- 9,09718 \( T_ 0 over { T + 273,15} - 1 \) - 3,56654 l g \( T_ 0 over { T + 273,15} \) + 0,876793 * \( 1 -{ T + 273,15} over T_ 0 \) + l g \( P_{ s i} \)}

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 { T_ p = 241,2 over { 17,5043 over {{ 17,0543 * T} over { 241,2 + T} + l n \( φ over 100 \)} - 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 { D ={ 622 * P_ d} over { P_ a - P_ d} ={ 622 * φ * P_ s} over { P a - φ * P_ s}}

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

6. Энтальпия

J = ( 1,00545 + 0,00185894 ∗ D ) ∗ T + 2,500877 ∗ D { J = \( 1,00545 + 0,00185894 * D \) * T + 2,500877 * 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 { P_ d = P_ s \( T_ w \) - 0,65 * \( T - T_ w \) * \( 1 + 0,000944 * T_ w \) * P_ a over 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 { P_ a = 101,325 * e^{- 0,00012 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).

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.

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.

Читайте также:

 Наверх