univerza v ljubljani fakulteta za...

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

Seminarska naloga pri predmetu

Merilni pretvorniki

Merjenje vlanosti

Mentor: prof.dr.Peter Zajec

Matej Gazvoda 64080030

Simon Mihi 64080221

tudijsko leto 2010/2011

Hygrometer

[Vnesite besedilo] Stran 2

Kazalo 1. Uvod ..................................................................................................................................3

2. Vlanost .............................................................................................................................3

Absolutna vlanost .............................................................................................................3

Relativna vlanost ..............................................................................................................3

Temperatura rosia ............................................................................................................3

3. Metode mejenja ..................................................................................................................5

Higroskopska metoda......................................................................................................5

Rosina metoda .............................................................................................................5

Absorbcijska metoda .......................................................................................................5

Psihometrina metoda .....................................................................................................5

4. Problemi natannega merjenja vlage ...................................................................................5

5. Mehanski higrometer ..........................................................................................................6

6. Uporovni higrometer ..........................................................................................................6

7. Kapacitivni senzorji ............................................................................................................8

8. Termini higrometer ......................................................................................................... 11

9. Rosini higrometer .......................................................................................................... 12

10. Psihrometer .................................................................................................................... 13

Piezoelektrini merilniki vlage .......................................................................................... 14

12. IR higrometer ................................................................................................................. 15

13. Literatura ........................................................................................................................ 16

Kazalo slik

Slika 5.1: mehanski higrometer...............................................................................................6

Slika 6.1: prevodni senzor vlanosti ........................................................................................6 Slika 6.3: solid-state humidity senzor .....................................................................................7

Slika 7.1: Blokovna shema kapacitivnega merilnega sistema ..................................................8 Slika 7.2: (A). Integrirana oblika elektrode (B). Popreni presek ............................................9

Slika 7.3: sprememba kapacitivnosti s poveanjem vlage pri 25C .........................................9 Slika 7.4: poenostavljen elektrini tokokrog tankoslojnega senzorja vlanosti....................... 10

Slika 8.1: Termini higrometer in prenosna karakteristika..................................................... 11 Slika 9.1: shema Chilled mirror senzor Slika 9.2:Rosini hygrometer ............................ 12

Slika 10.1: Psihrometeri........................................................................................................ 13 Slika 10.2: Tabela Pihrometra ............................................................................................... 13

Slika 11.1: Elektrolizni higrometer ....................................................................................... 14 Slika 12.1: blokovna shena IR higrometra............................................................................. 15

Hygrometer


1. Uvod

Zakaj merimo vlanost? Vlanost oz. vsebnost vode v zraku, je pomemben faktor, ki vpliva

na poutje in razpoloenje ljudi, kot tudi pravilno delovanje naprav. Na nae razpoloenje in

poutje vpliva predvsem kombinacija zrane vlanosti in temperature zraka. Primer taknega

stanja je visoka vlanost zraka pred nevihto poleti, ko se slabe poutimo. Zrana vlaga v

zraku pa lahko vpliva tudi na elektrine elemente in posamezne komponente. Taki primeri so

predvsem visokoimpedanni elektrini krogi, obutljive elektrostatine komponente,

visokonapetostne naprave, Zato je potrebno predvsem v labotatorijih meriti in vzdrevati

relativno zrano vlanost.

2. Vlanost

Vlanost podaja koliino vodnih hlapov v zraku ali kakem drugem plinu. Pri izrazu vlaga v

zraku predvsem mislimo na vodo, ki je v plinastem stanju. Zrak oz. plin lahko sprejme le

doloeno koliino vlage. e je vlage v zraku preve, se zane kondenzirati. Koliko vlage

lahko sprejme zrak, je odvisno predvsem od njegove temperature (veja kot je temperatura,

ve vlage lahko zrak sprejme).

Absolutna vlanost Absolutna vlanost je izraena kot masa vodne pare na kubini meter zraka, torej kot delna

gostota vodne pare v vlanem zraku. Absolutno vlanost izmerimo tako, da spustimo znano

prostornino vlanega zraka skozi higroskopno snov, ki mono vee vodo, s tehtanjem

ugotovimo poveanje mase te snovi, in to poveanje preraunamo na kubini meter zraka.

Najveja mogoa absolutna vlanost pri dani temperaturi je tista, kjer je parni tlak vodne pare

enak nasienemu parnemu tlaku.

Relativna vlanost Relativna vlanost je doloena kot razmerje med absolutno vlanostjo in nasieno vlanostjo

(najvejo mogoo absolutno vlanostjo) pri doloeni temperaturi.

Temperatura rosia Rosie je temperatura, pri kateri se zane iz vlanega zraka izloati voda. Rosie je odvisno

od vsebnosti vodne pare v zraku. Na predmetu, ki je ohlajen pod temperaturo rosia, se iz

zraka izloi vlaga in nastane rosa. Na predmetu, ki je istoasno ohlajen pod temperaturo

rosia in ledia, pa nastane ivje (sprememba vodne pare iz plinastega agregatnega stanja

neposredno v trdno). Ko se vodna para spremeni v kapljice, nastanejo v atmosferi vidni pojavi

v obliki megle in oblakov. V prosti atmosferi, kjer ni tal in predmetov, se zane vodna para v

obliki kapljic izloati na kondenzacijska jedra (prah, saje, kristale soli, hlape kislin in

podobno). Ta jedra so seveda zelo majhna, s prostim oesom nevidna.

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vodahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Izhlapevanjehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Zrakhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Plinhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Masahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Parahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Kubi%C4%8Dni_meterhttp://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Delna_gostota&action=edit&redlink=1http://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Delna_gostota&action=edit&redlink=1http://sl.wikipedia.org/wiki/Higroskopnosthttp://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Nasi%C4%8Deni_parni_tlak&action=edit&redlink=1http://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Nasi%C4%8Dena_vla%C5%BEnost&action=edit&redlink=1http://sl.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Zrakhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Vodahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Rosahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Ledi%C5%A1%C4%8Dehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Ivjehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Agregatno_stanjehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Parahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Ozra%C4%8Djehttp://sl.wikipedia.org/wiki/Meglahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Prahhttp://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Saje&action=edit&redlink=1http://sl.wikipedia.org/wiki/Solhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Kislina

Hygrometer


Slika 2.1: Odvisnost tlaka nasiene vodne pare (pnp) od temperature zraka

T0 temperatura rosia

Pnp(T0) tlak nasiene vodne pare pri temperaturi rosia

Atmosferski tlak zraka (pa) je enak vsoti parcialnega tlaka suhega zraka (psz) in parcialnega

tlaka vodne pare (pvp).

P = psz + pvp

Vsaki temperaturi zraka odgovarja maksimalna mogoa koliina vodne pare katero zrak pri

tej temperaturi je zmoen zadrevati. Pri tej maksimalni vlagi pravimo da je zrak nasien z

vodno paro. e bi v zrak dodali dodatno koliino vodne pare, bi prilo do kondenzacije.

T [C] [kPa]

0 0,611

10 1,229

20 2,34

30 4,245

40 7,381

50 12,339

60 19,932

70 31,179

80 47,376

90 70,15

100 101,396

Hygrometer


3. Metode mejenja

Higroskopska metoda Higroskopske metode izkoriajo dejstvo, da nekatere snovi , ko se navlaijo z vodo iz plina,

ki jih obdaja, spremenijo nekatere fizikalne lastnosti(fizine dimenzije, elektrina prevodnost,

dielektrinost).

-Mehanski higrometri

-Uporovni higrometri

-Kapacitivni higrometri

Rosina metoda Pri rosini metodi merjenja vlanosti plinov detektiramo temperaturo, pri kateri pride do

kondenzacije vlage iz merjenega plina, to temperaturo potem pretvorimo v elektrino napetost, ki

pa je odvisna od vlanosti plina.

Absorbcijska metoda Pod pojmom absorbcijska metoda merjenje vlanosti zraka, imamo v mislih metodo elektrolize

Psihometrina metoda Psihometrina metoda temelji na merjenju temperaturne razlike suhega in vlanega termometra

pri konstantnem zranem toku in iz tega podatka z ustreznega e izdelanega psihometrskega

diagrama, oditamo relativno zrano vlanost.

4. Problemi natannega merjenja vlage Merjenje relativne vlage je eden najtejih parametrov za natanno merjenje, eprav lahko bistveno

vpliva na iri del industrije. Vlanost ima monost, da vpliva na pomembne aplikacije, ki jih je

teko odkriti, dokler ne gre nekaj katastrofalno narobe. Zato je nujno imeti dobro testirane,

kalibrirane intrumente.

Senzorji vlanosti s asom izgubljajo na natannosti. Za razliko od temperaturnih

senzorjev, morajo biti senzorji vlanosti v neposrednem stiku z okoljem. Ne samo, da zrak skozi

spreminja temperature, ampak tudi vsebuje delce, ki vplivajo na sensor. Sam RH senzor pa nima

nobene direktne zaite pred temi delci. Posledino zmonost natannega merjenja pada skozi as.

Ko gledamo specifikacije RH senzorja se moramo zavedati dveh dejstev. Prva je zaetna

natannost, druga pa natannost naprave po enem letu (as po katerem moramo sensor ponovno

kalibrirati).

Hygrometer


5. Mehanski higrometer Nekateri materiali, kot so ivalske in loveke dlake, kot tudi ve sintetinih vlaken spreminja

dolino, v odvisnosti od relativne vlanosti. Senzor uporablja vlakna, ki so na eni strani rahlo

prednapeta preko vzmeti, na drugi strani pa fiksno pritrjena. Sprememba doline vlaken,

zaradi sprememb vlanosti zraka se pozna, ko se zane mehanizem z kazalcem na skali

odklanjat in pokae vrednost relativne vlanosti.

Merilno obmoje taknega higrometra gre sicer od 20% do 95% , vendar je merilna

natannost pod 50% vlage e zelo slaba. Mehanski higrometer se lahko uporablja za merjenje

v temperaturnem razponu od -10 C do 60C s predhodnim umerjenjem za delovno

temperaturo. Umerjeravati se morajo pogosto. Problem je tudi odzivnost, saj so asovne

konstante reda nekaj minut.

Slika 5.1: mehanski higrometer

6. Uporovni higrometer Princip delovanja uporovnega higrometra je spreminjanje upornosti senzorja s poveanjem

vlanosti. Glavna komponenta senzorja je material z relativno majhno upornostjo, katera pa se

s stopnjo vlanosti spreminja (LiCl). Ta material je naneen na vrh elektrod tako, da imamo

im vejo dotino povrino. Ko se molekule vode absorbirajo, se upornost med elektrodama

zmanja, kar pa lahko izmerimo.

Slika 6.1: prevodni senzor vlanosti

Hygrometer


Slika 6.2: primer uporovnega senzorja

Druga vrsta uporovnih senzorjev so solid-state humidity senzorji. Izdelan je na principu

silicijevih substraktov. Silicij mora imeti dobro elektrino prevodnost, da zagotavlja pot do

plasti aluminija. Na plast aluminija je naneena aluminijevega oksida in na tej plasti je e

elektroda iz zlata. Aluminijev oksid zelo rad absorbira vlago, ko je v stiku s plinom v katerem

je prisotna vlaga. Koliina absorbirane vlage je premosorazmerna koliini valage v zraku pri

doloenem zranem pritisku in obratnosorazmerna absolutni temperaturi. Aluminijev oksid

ima tako veliko ohmsko upornost, da ga uvramo med dielektrine materiale. Njegova

dielektrina konstanta in povrinska upornost sta odvisni od absorbcije vlage. Zaradi te

lastnosti se upornost spreminja s koliino vlage, kar pa lahko izmerimo.

Slika 6.3: solid-state humidity senzor

Hygrometer


7. Kapacitivni senzorji Kondenzator z zrano reo se lahko kot dielektrik uporablja kot senzor relativne vlanosti,

zato ker

vlaga v atmosferi menja elektrino dielektrinost po enabi:

T- absolutna temperatura izraena v kelvinih

P- pritisk vlage v zraku

Ps- pritisk vlage v zraku pri nasienosti in temperaturi T

H- je relativna vlanost v procentih

Ta enaba nam dokazuje da je dielektrina konstanta zraka s tem tudi kapacitivnost,

sorazmerna relativni zrani vlagi. Namesto zraka se lahko uporablja drug material pri katerem

se dielektrina konstanta zelo spremeni kadar se izpostavi vlanemu zraku. Kapacitivni senzor

je lahko oblikovan iz hidroskopskega polimernega sloja in metaliziranih elektrod razdvojenih

na nasprotnih straneh. V tem primeru je dielekrtik oblikovan z higrofilig polimernim tankim

slojem (od 8-12m). Velikost tega sloja senzorja je 12*12 mm. Elektrode so razdvojene na

polimeru z vakumskim razdvajanjem. Kapaciteta tako dobljenega senzorja je priblino

sorazmerna relativni vlanosti H.

Ch C0 (1 + H), kjer je C0 kapacitivnost pri H=0

Z uporabo kapacitivnih senzorjev doseemo tonost do 98% pri merjenju vlanosti v obsegu

od 5%-90% RH. Vrednost kapacitivnega senzorja pri 75% RH je 500pF. Prenosna

karakteristika je linearna z offsetom 370pF pri nielni vlanosti in naklonom 1,7pF/%RH.

Slika 7.1: Blokovna shema kapacitivnega merilnega sistema

Slika blokovnega diagrama kapacitivnega merilnega sistema kjer dielektrina konstanta menja frekvenco oscilatorja. Ta metoda merjenje vlage je zelo koristna v procesu nadzora

farmacevtske proizvodnje. Dielektrina konstanta veine medicinskih tablet je zelo nizka v

primerjavi z vodo. Odbrani material se namesti med dve testne ploice katere oblikujejo

kondenzator spojen v oscilirajoe LC vezje. Najbolji nain za zmanjanje napak meritev,

zaradi okolikih motenj kot so temperatura in vlanost prostora, je izkorianje diferencialnih

tehnik to pomeni, da se rauna premik frekvence f = f0-f1 , kjer so f0 in f1 frekvence

praznega kondenzatorja in kondenzatorja napolnjenega z izbranim materialom. Metoda ima

omejitve, njegova tonost merjenja je slaba kadar je vlanost manja od 0,5% zaradi stranskih

delcev kateri imajo relativno visoko dielektrino konstanto (kovina, plastini predmeti) in

vzorec mora biti fiksne geometrije.

Hygrometer


Slika 7.2: (A). Integrirana oblika elektrode (B). Popreni presek

Obiajna sprememba kapacitivnosti je med 0.2 in 0.5 pF za spremembo 1% RH, medtem ko

so mejne vrednosti kapacitivnosti med 100 in 500 pF pri 50% RH in temperaturi 25C.

Kapacitivni senzorji lahko delujejo pri visokih temperaturah (do 200C) in imajo dokaj

sprejemljivo odpornost proti keminim izparinam. Odzivni as senzorja je med 30 in 60 s pri

63% koraku spremembe.

Slika 7.3: sprememba kapacitivnosti s poveanjem vlage pri 25C

Hygrometer


Tankoslojni kapacitivni senzor vlage je lahko proizveden na silicijevi podlagi. Sloj SiO2

naneen na n-SI podlagi. Dve kovinski elektrodi sta prispajkani na SiO2 sloju. Elektrode so

napravljene iz aluminija, kroma ali dopiranega-fosforjevega polsilikona (LPCVD). Elektrode

so oblikovane v integrirani obliki. Za dodatno temperaturno kompezacijo, sta dva

temperaturno obutljiva upora formirana na isti podlagi. Vrh senzorja je obloen z

dielektrinim slojem. Za ta sloj se lahko uporabljajo razni materiali.

Slika 7.4: poenostavljen elektrini tokokrog tankoslojnega senzorja vlanosti

Vsaki element v vezju predstavlja RC vezje. Z poveanjem relativne vlanosti se zmanja

upornost, toda kapacitivnost med terminaloma 1 in 2 raste. Kapaciteta je frekvenno odvisna

zaradi tega se za merjenje majhne vlanosti mora uporabiti frekvenca okoli 100Hz, za vejo

vlanost mora biti frekvenca v razponu od 1-10kHz.

Hygrometer


8. Termini higrometer

Uporaba toplotne prevodnosti plina za merjenje vlanosti lahko doseemo z uporabo

termorezistorja. Dva majhna termorezistorja (Rt1 in Rt2) so izdelani iz tanke ice za

zmanjanje izgube toplotne prevodnosti v telesu. Levi termistor je izpostavljen zunanjim

plinom skozi majhno odprtino, desni termistor je hermetino zaprt v suhem zraku. Oba

termistorja sta prikljuenaa na mostnino vezje (R1 in R2), ki se oskrbujejo s + E. Termistor

se segreva zaradi elektrinega toka. Njihova temperatura se dvigne do 170 C nad

temperaturo okolja. Na zaetku, je most uravnoteen v suhem zraku, kjer se doloi nielno

toko. Izhodna napetost tega senzorja se postopno poveuje z veanjem absolutne vlanosti

od ni navzgor. Na priblino 150 g/m3 prihaja do zasienosti, nato pa se zmanjuje s

spremembo polaritete na priblino 345 g/m3.

Slika 8.1: Termini higrometer in prenosna karakteristika

Hygrometer


9. Rosini higrometer Drugo ime za rosini higrometer je tudi zrcalni oz. optini merilnik vlanosti. Veina

senzorjev vlanosti ima podoben problem, s histerezo tipinih vrednosti od 0,5% do 1% RH.

Najbolj uinkovit nain, je za izraun absolutne ali relativne vlanosti je skozi toko

temperature rosia. Kot je navedeno prej, temperatura rosia je toka, pri kateri sta tekoina

in para vode (ali tekoine), v ravnovesju. Na toki rosia, obstaja le ena vrednost pritiska

nasiene pare. Zato se lahko absolutna vlanost meri od te temperature, dokler ni znan tlak.

Optimalna metode za merjenje vlage, kjer so dosegli najnije histerezne uinke, je uporaba

optinih higrometrov. Cena optinih higrometrov je razmeroma visoka, vendar e se uporablja

za spremljanje z nizko stopnjo vlage, poveuje pridelek in kakovost proizvodov, tako da je

cena upraviena.

Pri tej metodi je zrcalo sestavljeno iz dobro toplotno prevodnega materiala (ponavadi srebro

ali baker) in prevleeno z nikljem, zlatom ali iridijem, da prepreimo oksidacijo. Ogledalo

hladimo s pomojo termolena do toke pri kateri se zane ogledalo rositi. Svetlobni vir

(najpogosteje LED dioda) je usmerjen proti ogledalu, fotodetektor pa nadzira odbito svetlobo.

Plin, katermu hoemo izmeriti vlanost, se na poti mimo ogledala ohladi, ogledalo se zane

rositi in s tem se zmanja odbita svetloba, katero zazna fotodetektor. Fotodetektor tako

regulira toplotne rpalke, da vzdrujejo ogledalo na toki rosia. Na ogledalu je e vstavljen

termolen. Ker je relativna vlanost enolino odvisna od temperature rosia in dejanske

temperature vlanega zraka, ki jo merimo z zunanjim termolenom, lahko voltmeter, ki meri

razliko napetosti obeh termolenov, umerimo kar v enotah relativne vlanosti.

Slika 9.1: shema Chilled mirror senzor Slika 9.2:Rosini hygrometer

Hygrometer


10. Psihrometer Delovanje psihrometra temelji na dejstvu, da imajo vlani predmeti zaradi izparevanja nijo

temperaturo od suhih. Naprava je zgrajena iz dveh termometrov, ki ju imenujemo suhi in

mokri termometer. Suhi termometer kae temperaturo zraka, mokri, ki je ovit z mokro cunjo,

pa kae obiajno nekoliko nijo temperaturo. Izhlapevanje vode iz obloge vlanega

termometra le tega ohladi na doloeno temperaturo Tm, ki je nija od temperature suhega

termometra Ts. Razlika med obema temperaturama je odvisna od relativne vlanosti zraka.

Vrednost relativne vlanosti lahko izraunamo ali pa jo oditamo iz e izdelanih tabel.

Ker pa je mo izhlapevanja odvisna od relativne vlanosti zraka in hitrosti zranega toka, je

tudi temperaturna razlika pri veji vlanosti manja in obratno. Pri 100% RH se torej

temperaturi izenaita.

Relativno vlanost oditamo iz spodnje tabele tako, da v prvem stolpcu poiemo temperaturo

suhega termometra Ts. Nato poiemo ustrezno relativno vlanost v vrstici, ki ustreza Ts in

stolpcu z ustrezno temperaturno razliko med suhim in mokrim termometrom (Ts Tm).

Relativna vlanost je podana v %. Vmesne vrednosti poiemo z linearno interpolacijo.

Slika 10.1: Psihrometeri

Slika 10.2: Tabela Pihrometra

Hygrometer


Piezoelektrini merilniki vlage Naslednja stopnja oz. nadgradnja psihrometera je piezoelektrini merilnik vlage. Na osilatorju

imamo prikljuen piezo kristal, ki je ustrezno bruen. Pri spremembi temperature se na

oscilatorju spreminja frekvenca nihanja. Eden od oscilatorjev pa je temperaturno stabiliziran

ter tako niha s stabilno frekvenco. Obe frekvenci vodimo na mealno stopnjo ki na izhodu

spusti samo razliko frekvenc, ki jo nato izmerimo z merilnikom in prikaemo na zaslonu.

11. Elektrolizni higrometer Elektrolizni higrometer je sestavljen iz tanke cevi prevleene s fosforjevim pentaoksidom

(P2O5) na katero sta naviti dve platinasti ici. Skozi platinasti ici tee enosmerna napetost in

tako lahko pride do procesa elektrolize, ki absorbirano vlago razgradi na kisik in vodik

(s imer se povea upornost pretvornika). Napetost se zmanjuje do trenutka ko se izenaita

hitrost elektrolize in hitrost absorpcije vlage iz zraka. Pri veji relativni vlanosti zraka se

napetost pri kateri se vzpostavi ravnoteje veja. Izkae se, da je tok potreben za elektrolizo,

direktno proporcionalen absolutni zrani vlanosti.

Posebno so dobri za merjenje majhnih koliin vlage v zraku. Njihov odzivni as je

okoli 1 min.

Slika 11.1: Elektrolizni higrometer

Hygrometer


12. IR higrometer Morda kot zanimivost omenimo e IR merilnik vlanosti. Delujejo v podroju 1 do 2

nm, kjer imajo molekule vode sposobnost absorbirati IR svetlobo. Pri tej meritvi merimo

refleksijo od merjenca. Veja kot je vlaga veja je absorbcija, ter manji je odboj, ki ga zazna

senzor. Sorazmerno absorbciji je izmerjena vlaga.

Slika 12.1: blokovna shena IR higrometra

2. rpalnik merjenega zraka 3. odbojno ogledalo 4. barvni filter 5. sistem zbiralnih le 6. foto detektor 7. ojaevalna stopnja 8. ohije 9. vir IR svetlobe 10. sistem le

Hygrometer


13. Literatura

Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications

avtor: Jacob Fraden

Sensors Handbook

avtor: Sabrie Soloman

Sensors and control systems in manufacturing

avtor: Sabrie Soloman

http://www.engineeringtoolbox.com/dry-wet-bulb-dew-point-air-d_682.html

http://www.usatoday.com/weather/wsling.htm

http://www.scribd.com/doc/7758640/Projekat-Iz-Mehatronike

http://archives.sensorsmag.com/articles/0997/humidity/index.htm

http://les.bf.uni-lj.si/uploads/media/predavanje05-merjenje_zracne_vlaznosti.pdf

http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-

0426%281994%29011%3C0445%3AAIHFAR%3E2.0.CO%3B2

univerza v ljubljani fakulteta za...

Documents