Projekat Iz Mehatronike

FTN, Novi Sad Odsek: Energetika, elektronika i telekomunikacije Smer: Mikroračunarska elektronika Predmet: Mehatronika

PROJEKAT Senzori vlažnosti i automatska regulacija velike relativne vlažnosti vazduha u prostoriji

Student: Momčilo Krunić

Novi Sad Oktobar 2008

SADRŽAJ

1. Zadatak projekta...................................................................................................3 2. Uvod................................................................................................. ......................3 3. Definicije pojmova............................................................................... ...................6 4. Senzori vlažnosti.................................................................................................. ...7 4.1 Kapacitivni senzori............................................................................................7 4.2 Senzori električne provodljivosti......................................................................12 4.3 Senzori termičke provodljivosti........................................................................16 4.4 Optički higrometar...................................................................................... ....17 4.5 Oscilirajući higrometar....................................................................................19 5. Primena senzora vlažnosti u regulaciji

..................................................21

velike relativne vlažnosti prostorije .....................................................................21 6. Zaključak......................................................................................... .....................26 7 Literatura .................................................................................................... .........26

2

1. Zadatak projekta 1)Dati pregled senzora za merenje vlažnosti 2)

Predložiti rešenje za automatsku regulaciju velike vlažnosti vazduha

3)

Diskutovati predložena rešenja

2. Uvod Atmosferski vazduh, pored osnovnih komponenti (kiseonik, azot i male količine vodonika, ugljendioksida i plemenitih gasova), može sadržati i promenljivu količinu 3

vodene pare. U procesima koji se tiču vlaženja i sušenja materijala ili kondicioniranja prostorija, ova njegova karakteristika je bitna, pa takav vazduh nazivamo vlažnim, za razliku od suvog vazduha koji ne sadrži vodenu paru. Navedena terminologija ističe činjenicu da se u pomenutim procesima sastav vazduha menja samo zbog promenljive količine vodene pare u njemu, dok ostale komponente zadržavaju konstantan međusobni odnos. Stoga i doslovce možemo smatrati da se u ovom smislu vlažan vazduh sastoji iz samo dve komponente: vodene pare i suvog vazduha. Količina vodene pare koju vlažan vazduh sadrži, izražava se kao tzv. apsolutna vlažnost, tj. kao masa vodene pare koja dolazi na jedan kilogram suvog vazduha, dakle kao maseni odnos vodene pare i suvog vazduha. Pomenuti način izražavanja, iako na prvi pogled neuobičajen, ima praktičnu vrednost koja ga opravdava. Naime, pri procesima kondicioniranja (podešavanja temperature i vlažnosti) vazduha, na primer, u nekoj hali gde radnici obavljaju određene radne operacije, količina suvog vazduha je nepromenljiva veličina određena biološkim zahtevima, dok su količina vlage u njemu i temperatura faktori komfora i mogu se menjati u određenim granicama. Stoga se i proračun svodi na količinu suvog vazduha, kao ključni podatak. Vlaga je bitan faktor u radu određene opreme (visoko naponski uređaji, fini mehanizmi, elektrostatički senzitivne komponente, itd.). Količina vodene pare koju može u sebe da primi 1 kg suvog vazduha nije neograničena. Ako suv vazduh dovedemo u kontakt sa slobodnom površinom 4

vode, ona će isparavati u njega, sve dok parcijalni pritisak pare nad vodom ne dostigne njen napon. Napon pare, tj. parcijalni pritisak pare koja se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži s tečnom vodom je rastuća, eksponencijalna funkcija temperature sistema, što znači da i apsolutna vlažnost zasićenog vazduha raste s temperaturom na sličan način. Vazduh u kojem je parcijalni pritisak pare jednak naponu pare sadrži maksimalnu količinu pare pri datoj temperaturi i naziva se zasićenim, za razliku od nezasićenog vazduha, u kojem je parcijalni pritisak pare niži od napona pare. Treba reći da je pod određenim uslovima moguće da vazduh sadrži i više pare nego što odgovara vlažnosti u stanju zasićenja i tada vazduh nazivamo prezasićenim. Takva stanja su, međutim, metastabilna, pa mali poremećaj u sistemu dovodi do nagle kondenzacije viška vodene pare i pojavljuje se kao magla ili rosa, a vazduh se vraća u stabilno stanje zasićenja. Podatak o apsolutnoj vlažnosti nekog vazduha jednostavno izražava količinu pare u njemu, ali ostaje nepoznato u kojoj meri je takav vazduh zasićen. Naime, pri istoj brojnoj vrednosti apsolutne vlažnosti, vazduh može biti nezasićen, zasićen ili prezasićen, što zavisi od njegove temperature. Dakle, podatak o apsolutnoj vlažnosti nam ne saopštava ono što je značajno sa tehničkog aspekta: da li takav vazduh uopšte može da primi u sebe vodenu paru i koliko nje, ako ga upotrebimo za sušenje nekog vlažnog materijala. Da bi se prevazišla ovakva nedoumica, uveden je još jedan način izražavanja

5

vlažnosti vazduha u obliku relativne, odnosno procentualne vlažnosti Vlaga se može meriti instrumentom koji se zove higrometar. Prvi higrometar je izumeo Sir John Leslie (1766–1832). Generalno senzori vlage mogu biti : Kapacitivni, provodni, oscilatorni i optički. Postoji puno načina da se opiše vlaga, često u zavisnosti od industrije i konkretne primene. Tako je vlažnost gasova ponekad izražena u kilogramima vodene pare po kubiku gasa. Vlažnost u tečnostima i sastojcima je izražena u procentima vode u odnosu na ukupnu masu. U tečnostima u kojima je mala zastupljenost vlage, vlažnost se izražava u ppm (one part per million – jedan deo prema milion delova).

3. Definicije pojmova Vlažnost: Količina vode sadržana u tečnosti absorpcijom ili adsorpcijom, koja može biti uklonjena bez promene hemijskog sastava tečnosti Absolutna vlažnost: Količina vodene pare koju vlažan vazduh sadrži, izražava se kao masa vodene pare koji dolaze na jedan kilogram suvog vazduha, dakle kao maseni odnos dve komponente, H=

;

6

Relativna vlažnost: Relativna vlažnost vazduha, pri određenoj temperature, se definiše kao odnos njegove apsolutne vlažnosti i apsolutne vlažnosti zasićenog vazduha pri istoj temperaturi, RH=

;

Temperatura rošenja: Temperatura pri kojoj će pritisak prisutne vodene pare biti maksimalan. Pri toj temperaturi relativna vlažnost će biti 100%. Drugim rečima, to je temperatura koju vazduh mora dostići da bi mogao da sadrži maksimalnu količinu vlažnosti, jer pri toj temperaturi u procesu hlađenja vazduh postaje zasićen.

4. Senzori vlažnosti 4.1 Kapacitivni senzori Kondenzator sa vazdušnim zazorom kao dielektrikom može poslužiti kao senzor relativne vlažnosti, zato što vlaga u atmosferi menja električnu permitivnost prema jednačini,

,

gde je T absolutna temperatura izražena u kelvinima, P je pritisak vlage u vazduhu, Ps je pritisak vlage u vazduhu pri saturaciji i temperaturi T, H je relativna vlažnost u procentima. Prethodna jednačina pokazuje da je dielektrična konstanta vlažnog vazduha, a samim tim i 7

kapacitivnost, vazduha.

proporcionalna

relativnoj

vlažnosti

Umesto vazduha takođe može da se koristi i neki drugi materijal čija se dielektrična konstanta značajno menja kada se izloži vlažnom vazduhu. Kapacitivni senzor može biti formiran od higroskopskog polimer filma i metaliziranih elektroda razdvojenih na suprotne strane. U jednom od dizajna, dielektrik je formiran od higrofilik polimera tankog filma (8-12 µm). Veličina ovog film senzora je 12x12mm. Elektrode su razdvojene na polimeru vakumskim razdvajanjem. Kapacitivnost ovako dobijenog senzora aproksimativno je proporcionalna relativnoj vlažnosti H, Ch ≈ Co (1 + αH) Gde je Co kapacitivnost pri H=0. Korišćenjem kapacitivnih senzora postiže se tačnost od 98% pri merenju vlažnosti u opsegu od 5%-90% RH, i to sa jednostavnim kolom sa slike koja sledi,

8

Slika 4.1.1 Kapacitivni senzor vlažnosti

Slika 4.1.2 Prenosna karakteristika kola 9

Na slici 4.1.1 je prikazan senzor, a na slici 4.1.2 prenosna karakteristika kola. Nominalna kapacitivnost senzora pri 75% RH ( Relative Humidity ) je 500pF. Prenosna karakteristika je kvazilinearna sa ofsetom od 370pF pri nultoj vlažnosti i nagibom od 1.7pF/%RH. Kolo sa slike efektivno obavlja dve funkcije: Obavlja konverziju kapacitivnosti u napon, i oduzima kapacitivni ofset da bi se na izlazu dobio napon sa nultim odstupanjem. Srce ovog kola je samookidajući analogni prekidač LT1043, koji prespaja nekoliko kondenzatora prema virtualnoj nuli operacionog pojačavača U1. Kondenzator C1 služi za oduzimanje kapacitivnog ofseta, budući da je preko kondenzatora C2 spojen u seriju sa kapacitivnim senzorom S1. Srednja vrednost napona na senzoru mora biti jednaka nuli; inače bi ga elektrohemijska migracija mogla trajno oštetiti. Nepolarizovani kondenzator C2 štiti senzor od DC pražnjenja. Trimer P2 prilagođava količinu pražnjenja koja dospeva do senzora, a sa P1 se podešava pražnjenje ofseta koji je oduzet od senzora. Kondenzator C4 održava DC izlaz kad je senzor isključen sa virtualne nule. Slične tehnike mogu se koristiti za merenje vlage u uzorcima materijala.

Slika 4.1.3. blok dijagram kapacitivnog mernog sistema

10

Slika 4.1.3 predstavlja blok dijagram kapacitivnog mernog sistema gde dielektrična konstanta menja frekvenciju oscilatora. Ova metoda merenje vlage je vrlo korisna u procesu nadzora farmaceutske proizvodnje. Dielektrična konstanta većine medicinskih tableta je vrlo niska u poređenju sa vodom. Odabrani materijal se smešta između dve testne pločice koje formiraju kondenzator spojen u oscilirajuće LC kolo. Učestalost se meri i dobija se vlažnost. Najbolji način za smanjenje varijacija merenja nastalih usled uticaja okoline, kao što su temperatura i vlažnost prostorije, je korišćenje diferencijalnih tehnika, to jest, računa se pomeraj frekvencije f = f0-f1, gde su f0 i f1, respektivno, frekvencije praznog kontejnera i kontejnera napunjenog sa odabranim materijalom. Metoda ima neka ograničenja, na primer, njegova tačnost merenja je loša kad je vlažnost ispod 0,5%, uzorak mora biti očišćen od stranih čestica koje imaju relativno visoku dielektričnu konstantu (npr. metala i plastičnih predmeta), i uzorak mora biti fiksne geometrije.

11

Slika 4.1.3.(A). Integrisani oblik elektroda (B). Poprečni presek thin-film kapacitivnog senzora

Thin-film kapacitivni senzor vlage može biti proizveden na silicijumskoj podlozi (slika4.1.3 (B)). Sloj od SiO2 3000 narasta na n-Si podlozi. Dve metalne elektrode su fabrikovane na SiO2 sloju. One su napravljene od aluminijuma, hroma, ili dopiranim-fosfor polsilikonom (LPCVD). Elektrode su oblikovane u integrisani oblik kao što je prikazano na slici 4.1.3 (A). Za dodatnu temperaturnu kompenzaciju, dva temperaturno osetljiva otpornika su formirana na istoj podlozi. Vrh senzora je obložen dielektričnim slojem. Za ovaj sloj mogu se upotrebiti razni materijali, kao što su hemijski pohranjena-para SiO2 ili phosphorosilicate staklo (CVD PSG).

Slika 4.1.4. Uprošćena električna šema thin-film senzora vlažnosti

Na slici 4.1.4. predstavljena je uprošćena električna šema senzora. Svaki element u kolu predstavlja RC kolo. Sa povećanjem relativne vlažnosti, smanjuje se otpornost, a ekvivalentna kapacitivnost između terminala 1 i 2 raste. Kapacitet je frekvencijski zavistan, stoga, za merenje male vlažnosti, učestalost treba biti oko 100 Hz, dok je za veću vlažnost, ona u rasponu između 1 i 10 kHz.

4.2 Senzori električne provodljivosti Otpornost mnogih nemetalnih provodnika obično zavisi od količine vode sadržane u njima. Ovaj fenomen je osnova senzora vlažnosti baziranih na provodnosti.

12

Generalni koncept ovakvih senzora vlažnosti prikazan je na donjoj slici.

Slika 4.2.1. Provodni sensor vlažnosti

Senzor sadrži materijal sa relativno niskom otpornosti koja se značajno menja pod različitim uslovima vlažnosti. Materijal je postavljen na vrhu između dve elektrode pružajući tako veliku površinu kontakta. Kada se molekuli vode apsorbuju na gornjem sloju, otpornost između elektroda se menja i može biti izmerena električnim kolom. Prvi takav senzor je razvijen od strane FW Dunmore 1935.; bio je to higroskopski film koji se sastojao od 2-5% vodene otopine LiCl. Drugi primer ovog tipa senzora je bio takozvani "Papa element", koji je sadržao polistiren film tretiran sulfatnom kiselinom da bi dobili željene površinaotpornost karakteristike. Drugi obećavajući materijal za konstruisanje filma u senzorima provodljivosti su čvrsti polielektroliti, jer njihova električna provodljivost varira sa promenom vlage. Dugoročna stabilnost i upotrebljivost ovih spojeva, iako nije previše velika, može biti znatno poboljšana pomoću unutrašnjih mreža polimera i nosioca uz podršku 13

medija. Merenja na 1 kHz, na eksperimentalnom primeru takvog filma, pokazala su promene impedanse od 10M do 100 pri promeni RH od 0% do 90%.

Slika 4.2.2. Struktura Al2O3 tankog filma senzora vlažnosti

Slika 4.2.3. Uprošćeno električno kolo senzora. R1 I C1 su promenljivi elementi koje zavise od vlažnosti.

Senzor vlažnosti, u čvrstom stanju, može biti proizveden na silicijumskoj podlozi, kao što se vidi slici 4.2.2. Silicijum mora biti visoke provodnosti, jer pruža električni put od aluminijske elektrode fabrikovane na površini. Sloj oksida je formiran na vrhu aluminijumskog provodnog sloja, a na njemu je formirana još jedna elektroda. Aluminijumski sloj je anodiziran tako da se formira porozna oksidna površina. Prosečne dimenzije pora su dovoljno velike kako bi se omogućilo prodiranje molekula vode. Gornja elektroda je od zlata, poroznog 14

oblika koji propušta gas, a istovremeno može dati i električni kontakt. Električne veze su napravljene na zlatnim i silicijumskim slojevima. Aluminijum oksid (Al2O3), kao i brojni drugi materijali, lako apsorbuje i adsorbuje vodu kada je u kontaktu sa mešavinom gasa koji sadrži vodu u fazi pare. Iznos sorpcije je proporcionalan parcijalnom pritisku vodene pare, a obrnuto proporcionalan apsolutnoj temperaturi. Aluminijum oksid je dielektrični materijal. Njegova dielektrična konstanta i površinska otpornost se menjaju pri absorpciji vode. Iz tog razloga, ovaj materijal može biti korišćen kao senzor za očitavanje vlažnosti. Slika 4.2.3. pokazuje ekvivalentno električno kolo senzora. Vrednosti R1 i C1 zavise od prosečne gustine Al203 i od veličine pora. Ove komponente, otpornost i kapacitet, zavise od broja molekula vode koji prodru u pore i održe se na površini. R2 i C2 predstavljaju otpor i kapacitet komponente oksidnog materijala između pora i nisu promenljive u zavisnosti od vlage. C3 je ekvivalentni serijski kapacitet određen merenjem ukupne otpornosti komponente pri suvoj atmosferi na vrlo niskim frekvencijama. Otpor senzora postaje vrlo veliki (> 108) kada se učestalost približava DC režimu. Dakle, merenje vlažnosti uključuje merenje impedanse senzora. Otpor i kapacitet, koji su nezavisni od vlažnosti, a koji postoje u tipičnom senzoru, uzrokuju kontinuirano smanjenje osetljivosti pri smanjenju vlage, što prouzrokuje smanjenje tačnosti na nižim vlažnostima. Zbog toga što je temperatura faktor u merenju vlažnosti, senzor se obično kombinuje sa senzorom vlažnosti, termistorom, i referentnom kapacitivnošću u istom pakovanju, koje je zaštićeno od uticaja vlage i ima nisko-temperaturni koeficijent. 15

4.3 Senzori termičke provodljivosti Korišćenje toplotne provodljivosti gasa za merenje vlažnosti može biti ostvareno korišćenjem termorezistora. Dva sićušna termorezistora (Rt1 i Rt2) su napravljeni od tanke žice da bi se minimalizovao gubitak termoprovodljivosti na kućištu. Levi termorezistor je izložen spoljašnjem gasu kroz mali ventilacioni otvor, a desni termorezistor je hermetički zapečaćen u suvom vazduhu. Oba termistora su spojena na mostni sklop (R1 i R2), koji je napajan sa + E. Termistori se samozagrejavaju zbog prolaza električne struje. Njihova temperatura raste do 170 ◦ C iznad temperature ambijenta. U početku, most se uravnoteži u suvom vazduhu gde se uspostavi nulta referentna tačka. Izlaz ovog senzora postepeno raste sa porastom apsolutne vlažnosti od nule pa naviše. Na oko 150 g/m3 dolazi do zasićenja, a zatim se smanjuje sa promenom polariteta na oko 345 g/m3.

Slika 4.3.1.a. Sensor absolutne vlažnosti karakteristika

b.Prenosna

16

sa termistorima

4.4 Optički higrometar Većina senzora vlažnosti ima sličan problem, histerezis sa tipičnim vrednostima od 0,5% do 1% RH. U preciznoj kontroli upravljanja procesa, to može biti ograničavajući faktor, i zato indirektne metode merenja vlažnosti treba uzeti u obzir. Najdelotvorniji način je računanje apsolutne ili relativne vlažnosti vazduha kroz temperaturu tačke rošenja. Kao što je naznačeno ranije, tačka rošenja je temperatura na kojoj su tečna i parna faza vode (ili bilo koje tečnosti) u ravnoteži. Temperatura na kojoj su para i čvrsta faza u ravnoteža se naziva tačka mraza. Na tački rošenja, postoji samo jedna vrednost pritiska zasićenja pare. Dakle, apsolutna vlažnost može biti merena od ove temperature sve dok je pritisak poznat. Optimalna metoda za merenje vlage, gde su ostvareni najmanji efekti histerezisa, zahteva korišćenje optičkih higrometara. Cena optičkog higrometra je relativno visoka, ali ako se koristi za praćenje niskog nivoa vlage povećava prinos i kvalitet proizvoda, tako da je cena opravdana. Osnovna ideja koja stoji iza optičkog higrometra je korišćenje ogledala čija se površinska temperatura precizno reguliše termo - električnom toplotnom pumpom. Temperatura ogledala se kontroliše na pragu formiranja rose. Odabrani vazduh se pumpa preko površine ogledala, i ako temperatura pređe tačku rošenja, oslobađa se vlaga u obliku kapljica vode. Reflektujuća svojstva ogledala će se promeniti pri kondenzaciji vode na njemu, jer će kapljica vode raspršiti zrake svetlosti. Ta promena može biti detektovana odgovarajućim

17

fotodetektorom. Slika 4.4.1. pokazuje pojednostavljen blok dijagram, chilled-mirror higrometra. Pumpa uklanja toplotu sa površine tankog ogledala koje ima ugrađen temperaturni senzor. Taj senzor je deo digitalnog termometra koji prikazuje temperaturu ogledala. Higrometarsko kolo se sastoji od optokaplera, svetleće diode (LED) i fotodetektora, koji se koriste za nadoknadu otklona, dok donji optokapler služi za merenje refleksije ogledala. Donji optokapler se nalazi na 45 ◦ ugla u odnosu na ogledalo. Iznad tačke rošenja, ogledalo je suvo i njegova refleksija je najveća. Kontroler toplotne pumpe snižava temperaturu ogledala putem toplotne pumpe.

Slika 4.4.1. mostom

Chilled-mirror senzor tačke rošenja sa optičkim

18

U trenutku vodene kondenzacije, refleksija ogledala opada naglo, što uzrokuje smanjenje struje u fotodetektoru. Signali fotodetektora prolaze na kontroler za regulisanje električne struje kroz toplotnu pumpu, koja treba da održi površinsku temperaturu ogledala na nivou tačke rose. Zapravo, molekuli vode kontinualno bivaju zarobljeni, a zatim oslobođeni sa površine ogledala, a prosečan neto nivo gustine kondenzata se ne menja kada se uspostavi ravnoteža. Budući da detektovana temperatura površine ogledala precizno određuje stvarnu tačku rošenja, time se ova metoda, smatra najfundamentalnijom i najtačnijom metodom merenja vlage. Histerezis je zapravo eliminisan, a osjetljivost je blizu 0.03 ◦ C DP (tačke rošenja). Od tačke rošenja, svi parametri kao što su vlaga %RH, pritisak pare i tako dalje, se mogu dobiti kada su temperature rošenja i pritisak poznati. Postoji nekoliko problema vezanih za ovu metodu. Jedan je relativno visoka cena, drugi je potencijal kontaminacije ogledala, a treći je relativno visoka potrošnja energije koju je troši toplotna pumpa. Problem kontaminacije može biti gotovo eliminisan upotrebom filtera čestica i posebne tehnike koja namerno hladi ogledalo znatno ispod tačke rošenja da izazove preteranu kondenzaciju a zatim sa brzim zagrevanjem spiraju zagađivači sa ogledala, i ogledalo ostaje čisto.

4.5 Oscilirajući higrometar Ideja korišćena kod oscilirajućeg higrometra slična je ideji chilled-mirror optičkog higrometra. Razlika je u tome što se merenje tačke rosišta ne dobija optičkim odbijanjem od površine, već otkrivanjem promene mase 19

hladane ploče. Hladna ploča se proizvodi od tankog kvarcnog kristala koji je deo oscilirajućeg kola. To implicira drugi naziv za senzor: piezoelektrični higrometar, jer oscilacije kvarcne ploče se temelje na piezoelektričnom efektu. Kvarcni kristal je termički povezan sa hladnjakom (slično kao i kod optičkog higrometra), koji kontroliše temperaturu kristala sa visokim stupnjem tačnosti. Kad temperatura opadne na tačku rošenja, vodena para se taloži na izloženoj površini kvarcnog kristala. Zbog promene mase kristala, rezonantna frekvencija oscilatora se menja sa f0 na f1. Nova frekvencija f1 odgovara određenoj debljini sloja vode.

Slika 4.5.1. Oscilujući sensor vlažnosti

Frekvencijska promena kontroliše struju kroz hladnjak, tako što menja temperaturu sve dok se kvarc kristal ne stabilizuje na temperaturu rosišta. Glavna poteškoća u osmišljavanju piezoelektričnog higrometra je pronalaženje adekvatne toplotne sprege između hladnjaka i kristala, a da se pritom zadrži mala veličina kristala. To se najbolje ostvaruje pomoću površinskih akustičnih talasnih (SAW) senzora 20

5. Primena senzora vlažnosti u regulaciji velike relativne vlažnosti prostorije Smanjivanje relativne vlažnosti prostorije može se realizovati na različite načine, u zavisnosti od konkretne primene i atmosferskih prilika izvan prostorije. U daljem izlaganju opisana su tri načina smanjivanja velike relativne vlažnosti prostorije, a to su: provetravanje, zagrevanje, i njihova kombinacija. Provetravanje, kao metod smanjenja velike relativne vlažnosti vazduha, može biti primenjeno isključivo u slučaju kada je relativna vlažnost vazduha koji okružuje prostoriju koju provetravamo niža od relativne vlažnosti same prostorije. Ventilatorom, kojim vršimo provetravanje, ubacujemo spoljašnji vazduh, niže relativne vlažnosti od same prostorije, i na taj način smanjujemo relativnu vlažnost iste. Na blok šemi 5.1 prikazan je princip realizacije provetravanja prostorije.

Senzor relativne vlažnosti

Upravljačko logičko kolo

Blok šema 5.1. Princip realizacije provetravanja prostorije.

21

Ukoliko je prethodno opisan način smanjivanja relativne vlažnosti neprimenljiv, zbog prevelike spoljašnje relativne vlažnosti, tada smo prinuđeni da zagrevamo prostoriju i na taj način smanjimo vlažnost. Povećanjem temperature prostorije, povećava se apsorpciona moć vazduha, pa se samim tim relativna vlažnost smanjuje. Naravno, u zavisnosti od primene, temperatura u prostoriji ne sme biti veća od neke dozvoljene vrednosti. Iz tog razloga se uvodi temperaturni senzor koji će isključiti grejače kada se dostigne maksimalna dozvoljena vrednost temperature, bez obzira na to da li je ostvarena relativna vlažnost dovoljno niska. Na blok šemi 5.2. prikazan je princip realizacije smanjivanja relativne vlažnosti grejanjem prostorije.

Senzor temperature

Senzor relativne vlažnosti

Upravljačko logičko kolo

Slika 5.2. Princip smanjivanja relativne vlažnosti grejanjem prostorije - blok šema

22

Prethodno opisani principi smanjivanja relativne vlažnosti vazduha mogu biti primenjeni kombinovano. U slučaju da treba da smanjimo vlažnost prostorije, koja se nalazi na podneblju sa velikim varijacijama relativne vlažnosti, tada, u zavisnosti od atmosferskih prilika koje preovladavaju izvan prostorije, možemo da se opredelimo za jednu od metoda smanjivanja vlažnosti. Na blok šemi 5.3. vidimo da primarnu ulogu u smanjivanju vlažnosti ima ventilator. Ukoliko se posle određenog vremena, zadatog tajmerom, vlažnost u prostoriji ne smanji, tada se ventilator gasi, a pali se grejač, koji greje prostoriju sve dok se ne dostigne određeni nivo relativne vlažnosti, ili se ne dostigne maksimalna dozvoljena temperatura.

Senzor relativn e vlažnos

Upravljač ko logičko

23

Tajme r

Senzor temperatu re

Slika 5.3. Kombinovano rešenje regulacije velike relativne vlažnosti – blok šema

U prethodno opisanim metodama može se primetiti da su senzor relativne vlažnosti i upravljačko logičko kolo elementi koje poseduje svaka od opisanih metoda. U zavisnosti od konkretne primene i atmosferskih prilika na izlaz logičkog kola će se povezati odgovarajuća šema. Na slici 5.4. prikazana je šema upravljačke logike i senzora vlažnosti koji je prikačen na nju. U prethodno opisanim metodama može se primetiti da su senzor relativne vlažnosti i upravljačko logičko kolo elementi koje poseduje svaka od opisanih metoda. U zavisnosti od konkretne primene i atmosferskih prilika na izlaz logičkog kola će se povezati odgovarajuća šema. Na slici 5.4. prikazana je šema upravljačke logike i senzora vlažnosti koji je prikačen na nju.

24

Slika 5.4. Upravljačka logika sa senzorom vlažnosti.

Kao senzor vlažnosti upotrebljen je Filipsov sensor vlažnosti (H1), koji po funkciji predstavlja kapacitivni sensor vlažnosti. Frekvencija tajmera 555 koji radi kao oscillator, varira između 30kHz kada je vlažnost vazduha najmanja, i 25kHz kada vlažnost iznosi 100%. Iza oscilatora su spojena dva monostabilna multivibratora. Izlaz (pin 9) IC1b ostaje otvoren sve dok je frekvencija oscilatora velika, jer se pre isteka kvazistabilnog stanja IC1b ponovo trigeruje, tako da ostaje u kvazistabilnom stanju. Drugi monostabilni multivibrator tako ne dobija nikakav impuls i ostaje zatvoren. Kad se poveća vlažnost, frekvencija oscilatora opada, jer se povećava kapacitivnost kondenzatora, i čim dostigne graničnu vrednost koja je određena trajanjem kvazistabilnog stanja 25

MMV IC1b, tada IC1b šalje okidni impuls MMV-u IC1a, čime njegov izlaz prelazi u kvazistabilno stanje. Podešavanje kola se vrši pomoću P1 i P2, tako što se sa P1 podešava prag okidanja, a sa P2 potreban histerezis. Upotrebljen je triak sa ugrađenim optokaplerom (šarpov S201S02), koji može da uključuje struju do 1A , što je dovoljno za startovanje ventilatora i grejača.

6. Zaključak Regulacija vlažnosti se u zavisnosti od njene primene može obavaljati različitim vrstama senzora. U slučaju regulacije velike relativne vlažnosti prostorije kontrola vlažnosti se može relativno jeftino realizovati, a može biti primenjena u raznim aplikacijama gde nije potrebna fina regulacija. Cena optičkog i oscilatornog higrometra je znatno veća zbog njihove primene praćenja niskog nivoa vlage i visoke tačnosti, ali time se povećava prinos i kvalitet proizvoda, tako da je cena opravdana. Higrometri imaju veliku primenu u kontroli vlage u farmaceutskoj i prehrambenoj industriji, jer strogi standardi u ovim granama industrije nalažu preciznu kontrolu vlažnosti.

7 Literatura Beleške sa predavanja iz predmeta Mehatronika, predavači dr. Laslo Nađ, dr. Ljiljana Živanov, dr. Borovac Branislav. 2) Beleške sa predavanja iz predmeta Upravljačka i procesna elekotronika, predavač mr. Željko Grbo. 3)Beleške sa predavanja iz predmeta impulsna I digitalna elektronska kola, predavač prof. dr. Laslo Nađ 1)

26

4)

5) 6)

Handbook of modern sensors physics design and applications, Jacob Fraden www.wikipedia.org www.pdfcoke.com

27