Міністерствоосвіти і науки України
Вінницькийдержавний технічний університет
ЗАВДАННЯ
накурсову роботу
здисципліни «Метрологія і вимірювання»
Назвакурсової роботи «Цифровий вологомір»
Вихідні дані:фізична величина – вологість
діапазонвимірювання 1÷100 %
похибка – 0,5
тип засобувимірювання – цифровий вологомір
типвимірювального перетворювача – ємнісний
типаналого-цифрового перетворювача – вимірювач
параметрівелектричного кола
Зміст графічноїчастини: функціональна схема вологоміра
Змістпояснювальної записки: вступ, огляд методів та приладів вимірювання вологості, розробкаструктурної схеми АЦП, розробка функціональної схеми вогогоміра, висновки,література, додаток А.
ВСТУП
Кількісневизначення вологості газів, твердих і сипучих матеріалів необхідне майже в усіхгалузях народного господарства. Характерною особливістю вимірювання вологості єширокий діапазон вимірювання: кількох мільйонних часток відсотка (при контролівологості чистих газів) до значень, близьких до 100 % ( при вимірюваннях вмістувологи в рослинах та інших біологічних об’єктах).
Вологість повітряхарактеризує кількість водяної пари в повітрі. Розрізняють абсолютну тавідносну вологість.
Абсолютнавологість – це парціальний тиск водяної пари, яка знаходиться в повітрі заданої температури.
Парціальнимтиском газу називається такий тиск, який би газ чинив, займаючи об’ємодноосібно.
Абсолютнувологість можна розглядати і як густину водяної пари (г/м3), яказнаходиться в повітрі при даній температурі.
Відноснавологість (φ) показує, на скільки близька дана водяна пара до насичення.
Відносна вологістьвимірюється у відсотках і може бути обчислена за формулами
φ = /> (1)
або φ = /> (2)
Відносна вологість– це відношення абсолютної вологості до густини (1) або тиску (2) насиченоїпари при даній температурі.
Точкою росиназивається та температура, за якої дана водяна пара стає насиченою.
Відносна вологістьможе бути також визначена за допомогою психрометра та психрометричної таблиці,а також за допомогою гігрометра та ємнісними перетворювачами включеними увимірювальну схему.
1 ОГЛЯД МЕТОДІВ ТА ПРИЛАДІВВИМІРЮВАННЯ ВОЛОГОСТІ
Для вимірюваннявідносної вологості газів при позитивних температурах (0…100 оС)широко використовується психрометричний метод оснований на вимірюванні різницітемператур двох термоперетворювачів: сухого, який знаходиться в газовомусередовищі, і мокрого, який змочений водою і знаходиться в термодинамічнійрівновазі з оточуючим газовим середовищем.
При цьомувідносна вологість визначається по формулі
φ = /> (3)
де – Есі Ем — максимальні пружності водяного пару відповідно притемпературах /> і />;
р — атмосфернийтиск;
А — психрометричний коефіцієнт, який визначається по спеціальних психрометричнихтаблицях, складених для відповідних конструкцій психрометрів.
В автоматичнихпсихрометрах різницю температур вимірюють за допомогою термоперетворювачівопору і автоматичних мостів, шкала яких проградуйована в одиницях відносноївологості.
Вимірюванняабсолютної вологості газів методом точки роси заклечається у визначеннітемператури, до якої необхідно охолодити при постійному тиску ненасичений газдля того, щоб він став насиченим.
В сучаснихдзеркальних гігрометрах точки роси в потоці аналізованого газу розміщуютьметалеве дзеркальце, яке охолоджується за допомогою напівпровідниковогоелемента Пельтьє. Температура дзеркальця регулюється за допомогою фотоелемента,який фіксує насичення газу по створенню на дзеркальці роси. Температура, якавимірюється за допомогою контактного термоперетворювача служить показникомточки роси.
Абсолютну вологістьгазів вимірюють також електрометричними підігрівними датчиками, які являютьсобою чехол із склотканини, яка оброблена водним розчином хлористого літію(LiCl), та надітий на чутливий елемент термоперетворювача. Поверху чохланамотані дві проволочки до яких подається невелика напруга змінного струму.Внаслідок протікання струму через провідний шар розчину LiCl останнійнагрівається і гігроскопічний шар висихає. При цьому протікання струмузупиняється і шар охолоджується до тих пір, поки знову не стане поглинати вологуіз аналізованого газу. В проміжку між висиханням гігроскопічного шару іпоглинанням води встановлюється рівновагова температура, яка залежить тількивід абсолютної вологості газу. В якості термоперетворювача можевикористовуватися терморезистор, включений в схему автоматичногозрівноважувального моста.
В залежності віделектричних властивостей матеріалів, розрізняють кондуктометричний і ємніснийметоди вимірювання вологості.
Кондуктометричнийметод оснований на залежності питомої об’ємної провідності, яка вимірюється напостійному струмі, від вмісту вологи. Залежність активного опору Rxдосліджуваного матеріалу, що розміщений між електродами перетворювача, відвологості W визначають за формуло.
Rx = /> (4)
де с і k –позитивні і постійні коефіцієнти, які залежать від досліджуваного матеріалу іпараметрів перетворювача.
Для низькоївологості (W ≈ 20 %) використовують наближену формулу, яка виражається влогарифмічних координатах:
Lg Rx= a – bW (5)
Нижня межавимірювання кондуктометричних вологомірів для більшості твердих матеріалівобмежена значеннями вологості W = 5…8 %, що пов’язано з вимірюванням дужевеликих опорів (Rx > 1012 Ом).
Ємнісний методоснований на залежності діелектричних властивостей матеріалу від вологості.Оскільки для сухих речовин діелектрична проникність ε = 2…5, а для водиε = 81, невелика зміна вологості матеріалу приводить до значної зміниε.
Ємнісні перетворювачіявляють собою конденсатор, електричні параметри якого змінюються під дієювхідної величини.
В якостіємнісного перетворювача широко використовується плоский конденсатор, ємністьякого визначається по формулі
С = /> (6)
де δ –відстань між електродами;
S – їх площа;
εд– відносна проникність діалектрика.
ε0– електрична постійна;
Зміна любого зцих параметрів веде до зміни ємності конденсатора.
Для вимірюваннявологості можна використати функцію С = f(ε ) ./> /> /> /> /> /> />
/>
/>
Рисунок 1
Принцип діїємнісного вологоміра полягає у вимірюванні ємності ємнісного перетворювача,наприклад, циліндричного конденсатору, вміщеного у резервуар, у якому требавиміряти вологість.
Конденсатор можебути утворений стінками резервуара та щупом, які і будуть його електродами.
Необхідною умовоюроботи ємнісного перетворювача вологості є відмінність діелектричних проникностейрідини та повітря, тобто εР ¹ εП. На ційособливості базується принцип дії ємнісного вологоміра.
Перевагоюємнісних перетворювачів є простота конструкції, висока чутливість та можливістьодержання малої інерційності перетворювача, недоліками — вплив зовнішніх електричнихполів, паразитних ємностей, температури, вологості, відносна складністьланцюгів включення та необхідність в спеціальних джерелах живлення підвищеноїчастоти.
В якостівимірювальних кіл в ємнісних вологомірах частіше всього використовуютьсятрансформаторні мости з тісним індуктивним зв’язком, резонансні вимірювальнікола та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) параметрів електричних кіл.2 РОЗРОБКАСТРУКТУРНОЇ СХЕМИ АЦП
Виберемо в якостіпервинного перетворювача ємнісний перетворювач, а в якості вимірювального кола- схему цифрового вимірювача параметрів електричних кіл (рисунок 2).
Основнимиелементами наведеної схеми є пристрій порівняння ПП, тригер Т для виділенняперіоду інформативного сигналу, генератор зразкової частоти G, схема збігу SW,двійковий лічильник СТ2, перетворювач коду DC, опорне джерело напруги ОДН іцифровий відліковий пристрій.
Принцип діїтакого пристрою ґрунтується на визначенні постійної часу електричного кола,складеного з активного і реактивного елементів. У такому цифровому приладі наколо, складене з R0і конденсатора Сх, подається напруга Uo відопорного джерела напруги. При цьому тригер сигналом “Пуск” встановлюється внульовий стан на прямому виході, а на інверсному виході при цьому встановиться“1”, яка відкриє схему збігу SW, і на лічильник СТ почнуть поступати імпульсиопорної частоти fo від генератора G.
Потенціалконденсатора підвищується за залежністю
Uc= U0(1 – e-t/t) (7)
деU0– напруга на виході ОДН;
t = R0Cх– постійна кола.
Умомент часу t1 (t = t)
Uc= U0(1 – e-1) @ 0,632 Uo
іна виході пристрою порівняння ПП формується сигнал “Стоп”, який встановлюєтригер Т в одиничний стан на прямому виході та в нульовий стан на інверсному,що приведе до закриття схеми збігу SW.
Частотаімпульсів, що надійшли на лічильник за інтервал часу Тх,
N= />t f0=f0 R0 Cх (8)
пропорційназначенню Сх.
/>
R0
f0
“Пуск” />/>/>
G /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
ОДН /> />
N /> /> /> />
U0
Cх />/>/>/>/>/>/>/>/>/>
UC />
“Стоп” />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/> a)/> /> /> /> />
0.632U0 /> /> />
t1
t
t
“Пуск”
t
Tx=τ
t
T 1 t
/>2 t
Рисунок2 – Структурна схема (а) і часові діаграми роботи (б) цифрового вимірювачапараметрів електричних кіл
З даного рівняннявипливає, що число імпульсів, які пройшли на лічильник, пропорційне змініємності перетворювача і відповідно вологості.
Тому статичнахарактеристика цього вимірювача є лінійною (рисунок 3).
/>/> Nx
/>
Сx
Рисунок 3
Рівняння похибкиквантування матиме вигляд
/> (9)
звідки випливаєнелінійність характеристики /> (рисунок 4).
/>/> d
/>
Сx
Рисунок 4
3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ВОЛОГОМІРА
Аналізуючисказане в попередньому розділі цифровий вологомір можна представити яксукупність ємнісного перетворювача включеного в цифровий вимірювач параметрівелектричних кіл. За умовою завдання діапазон вимірювання вологості від 1 до 100%. Похибка d = 0,5 %.
Розглянемоциліндричний ємнісний перетворювач.
В реальнихконструкціях циліндричних ємнісних перетворювачах присутня власна ємність,тобто перетворювач має додаткову конструктивну складову ємності С0,яка не змінюється в залежності від вологості. Тоді загальна ємністьперетворювача буде складатися із ємності двох паралельно з’єднанихконденсаторів, тобто:
С = С0+С1 (10)
де С0 — ємність конструктивних елементів перетворювача, яку можна визначити як
/> (11)
де D — діаметр зовнішнього електрода;
d – діаметр внутрішнього електрода;
ε 0 — 8.854 (пФ/м) — абсолютна діелектрична проникність вакууму.
Якщо перетворювачвикористовувати для вимірювання не електропро-відних рідин (чи газів), торозрахункова формула перетворювача будуть мати вигляд
/> (12)
Загальна ємністьперетворювача
/> (13)
Розглянемоємнісний перетворювач, який має наступні параметри:
— загальну довжину l = 103мм;
— діаметр зовнішнього електрода D — 13 мм;
— діаметр внутрішнього електрода — 6мм;
— абсолютнадіелектрична проникність вакууму ε 0 = 8.854 (пФ/м).
— діелектричнапроникність води ε = 81.
Тоді, погоннагеометрична ємність перетворювача при нульовій вологості
/>/>
При максимальнійвологості W = 100%
C = 18,7·10-12+ 18,7·10-12 ·100 = 205,7 [пФ].
Таким чиномємність перетворювача буде змінюватися в діапазоні від 18,7 до 205,7 пФ.
З рівнянняпохибки квантування (9) визначимо частоту генератора зразкових імпульсів.
Для цього виберемозразковий резистор опором R0= 1,0 МОм.
Тоді
f0= />= />≈ 10МГц.
Визначимо максимальнезначення коду Nx з рівняння перетворення
Nх= />t f0=f0 R0 Cх,
Nх =10∙ 106∙ 1∙ 106∙ 205,7∙ 10-12= 2057.
Визначиморозрядність двійкового лічильника СТ2:
D = log2Nx ≈ 11 .
ВИСНОВКИ
В ході виконаннякурсової роботи було проведено огляд методів та приладів для вимірюваннявологості.
В якостіпервинного перетворювача вибрано ємнісний перетворювач.
В якостівимірювального приладу вибрано вимірювач параметрів електричного кола.
Отриманорівняння перетворення та похибки квантування цифрового вимірювача параметрівелектричного кола.
Проведенонеобхідні розрахунки.
Розробленофункціональну схему цифрового вологоміра.
ЛІТЕРАТУРА
1. Поджаренко В.О. та ін. Метрологіята вимірювальна техніка. Для самостійної роботи студентів та виконання курсовихробіт./ Вінниця: ВДТУ, 2000 – 65с.
2. Основы метрологии и электрическиеизмерения / Под ред. Душина Е.М.‑ М.: Энергоатомиздат, 1987. ‑480с.
3. Электрические измеренияэлектрических и неэлектрических величин. Под ред. Е.С.Полищука.-К.: Вища шк.Головное изд-во, 1984.
4. Автоматические измерения и приборы(аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский.- К.: Вища шк., 1986.
5. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В.Вимірювання і комп’ютерно-вимірювальна техніка. — Київ.: МК ВО, 1991.- 240 с.