Устройство регулирования температуры и влажности в помещении
Содержание
Введение......................
1 Разработка структурной схемы.........................
2 Обзор аналогов……………………………………………………25
2.1Сравнительный анализ аналогов……………………………31
3 Выбор исполнительных устройств………………………….......33
4 Расчет схемы электрической принципиальной………………....35
4.1 Выбор датчиков температуры и влажности……………….33
4.2 Выбор микроконтроллера………………………………….
4.3 Схема внешних подключений……………
4.4 Выбор полевых транзисторов……………….……………..43
4.5 Расчет источника питания……………………………….…50
5 Габаритный чертеж и дизайн корпуса……………………….….54
6 Разработка пользовательской документации………………..….55
6.1 Руководство по эксплуатации ……………………...….…...55
6.2 Паспорт прибора………………………………………
7 Расчет надежности проектируемого устройства……………..…60
8 Расчет экономических показателей…………………………..….65
7 Охрана труда и техника безопасности………………………..…73
7.1 Общие требования по технике безопасности при работе…73
7.2 Требования к освещению помещений и рабочих мест …..76
7.3 Оптимальные нормы
7.4 Электробезопасность и
защитное заземление…………......
7.5 Пожарная безопасность в сборочном цеху………………...82
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Современная жизнь заставляет человека большую часть времени проводить в помещении. Создание комфортных условий проживания является залогом нашего здоровья. И если с точки зрения обогрева, вентиляции, освещения и водоснабжения вопрос для многих более или менее решен, то проблема поддержания необходимого уровня относительной влажности в помещениях почти не решается. С этой задачей эффективно справляются специально созданные приборы, называемые "регуляторы относительной влажности и температуры воздуха".
Относительная влажность воздуха это количество воды, содержащейся в воздухе при определенной температуре по сравнению с максимальным количеством воды, которое может содержаться в воздухе при той же температуре. Например, если в воздухе при температуре 20оС содержится 17,3 гм 3, в помещении будет наблюдаться туман и относительная влажность воздуха имеет значение порядка 100%. При той же температуре и содержании воды в воздухе порядка 8,65 гм 3 относительная влажность воздуха будет иметь значение 50%.
Основной причиной понижения относительной влажности воздуха в производственных помещениях в зимний период является то, что наружный воздух при низких температурах содержит низкое количество влаги. Например при температуре наружного воздуха -10оС, даже при 100% относительной влажности на улице (туман) в воздухе содержится только 2,36 гм 3 воды. Попадая в производственные помещения через вентиляцию и нагреваясь до 20оС, такой воздух создаст в помещениях только 13% относительную влажность. Таким образом, если в помещении не будет установлена специальная система увлажнения воздуха, влага начнет интенсивно испаряться из всех предметов, находящихся в данном помещении, до тех пор, пока не будет достигнуто, состояние равновесной влажности.
Влияние относительной влажности на человеческий организм не менее заметно, чем на технологические процессы. Здоровый человеческий организм поддерживает на поверхности кожи равновесную относительную влажность порядка 70…80%. Если относительная влажность окружающей среды значительно ниже этих показателей, организму приходится более интенсивно заниматься термо и влагорегуляцией, что приводит к быстрой его утомляемости, старению. Сухой воздух уменьшает толщину слизистой оболочки носоглотки — естественного человеческого фильтра, что приводит к снижению защитных функций организма к различным инфекциям. Этим и объясняется тот факт, что эпидемии гриппа бывают в основном в холодный период года. Многочисленные исследования в этой области показывают, что оптимальной температурой и относительной влажностью для среды обитания человека, является температура воздуха 18…24оС и относительная влажность 50…60%. Недаром, так называемый «Бархатный сезон» имеет физические характеристики, которые характеризуются колебаниями температуры в пределах 18…24оС и относительной влажности 50…70%. Воздух содержит минимальное количество пыли, кожа и слизистая оболочка человека находится практически в идеальных условиях, организм отдыхает, нормализуются все жизненно важные процессы.
Поддержание определенной температуры и относительной влажности также особо важная задача в помещения хранения, таких как: библиотеки, архивы, склады. Заданные параметры обеспечивают сохранность документации и продуктов.
Процесс естественного старения материалов ускоряется при заметных изменениях температуры и влажности воздуха в книгохранилище. Повышение температуры влияет на скорость большинства химических реакций, которая примерно удваивается при изменении температуры на каждые 10°С. Особенно заметно повреждающее воздействие температуры на материалах переплетов.
Но повышенная температура обычно оказывает заметное действие при очень высокой или очень низкой влажности воздуха. Высокая влажность воздуха создает в материалах уровень влагосодержания, достаточный для протекания опасных химических реакций. Кроме того, в сочетании с высокой температурой повышенная влажность способствует развитию на материалах микроскопических грибов (плесени). Особенно чувствительна к повышению влажности бумага. При высокой влажности иногда происходит прочное слипание листов бумаги между собой (главным образом, мелованной) чаще всего при плотной расстановке документов.
Низкая влажность воздуха приводит к пересыханию материалов. Это происходит при хранении документов вблизи отопительных приборов или оконных проемов, ориентированных на юг, где интенсивное естественное освещение. Опасно снижение относительной влажности воздуха менее 30%, так как и кожа, и бумага теряют структурно (химически) связанную влагу, восстановить которую не представляется возможным. Материалы пересыхают, теряют эластичность, становятся хрупкими и ломкими.
Температурно-влажностный режим в хранилищах должен быть по возможности стабильным. Частые и с большой амплитудой колебания температуры и влажности воздуха еще более опасны, чем крайние значения этих показателей. Так как многие материалы способны легко поглощать и отдавать влагу, при заметных суточных колебаниях температуры и влажности они подвергаются частой смене набухания и сжатия. Следствием таких изменений являются деформации материалов (коробление, морщинистость, складчатость), отслаивание красок, осыпание поверхностного слоя. Имеют значение и сезонные изменения температуры и влажности воздуха, но, как правило, они не бывают такими резкими как суточные и поэтому менее опасны.
Стандартом установлены следующие нормативы хранения документов: температура воздуха - (18±2)°С, относительная влажность - (55±5)%.
Температурно-влажностный режим регулируют с помощью систем кондиционирования воздуха или отопительно-вентиляционных систем. Нельзя в хранилищах документов использовать оконные кондиционеры, так как в нерабочее время хранилища обесточивают; в результате документы подвергаются резкой смене параметров режима хранения.
Регулирование режима хранения производят на основании показаний термогигрометров. Наиболее удобны в пользовании и доступны в финансовом отношении прямо показывающие электронные термогигрометры. Приборы устанавливают в центральном проходе из расчета: один прибор на помещение, но не менее одного на 800 м2 площади.
В помещениях с нерегулируемым климатом режим поддерживают путем проветривания, организации рационального отопления, применения различных средств и устройств для увлажнения и осушения воздуха (безопасных в пожарном отношении!). Периодичность проветривания зависит как от состояния воздуха помещения, так и от состояния наружного воздуха. Практика показывает, что лучше всего проветривать помещение 3-5 раз в день по 10-15 минут. Более длительное проветривание приводит к отклонениям параметров режима в больших пределах. Следует иметь в виду, что в зимнее время, особенно в морозные дни, в помещение поступает сухой воздух, хотя из-за интенсивного отопления влажность воздуха в хранилищах и без того бывает крайне низкая. Летом атмосферный воздух влажный, тогда проветривание повышает влагосодержание воздуха в помещении. В дождливые дни проветривать книгохранилище не следует.
В случае невозможности поддерживать стабильный нормативный режим надо стремиться к тому, чтобы изменения его были замедленными. Особенно внимательно надо следить за режимом хранения в периоды начала и окончания отопительного сезона.
Необходимо поддерживать более или менее одинаковый режим хранения во всем объеме помещения. Иногда в плохо вентилируемых хранилищах образуются зоны застойного воздуха, чаще всего в углах и вблизи наружных стен. Для этих мест характерна более высокая влажность воздуха, иногда - конденсация влаги на поверхности материалов и как следствие - плесневение документов.
Если в библиотеке нет специальной службы, контролирующей режим хранения, ежедневный контроль температуры и влажности воздуха в хранилище поручают одному из хранителей. При значительных отклонениях показаний приборов от нормативных значений и невозможности регулирования режима доступными для хранителей способами, следует сообщать об этом работникам инженерно-технических служб и администрации библиотеки.
Назначение разрабатываемого устройства является создания свежего, чистого воздуха в помещение площадью 50 м², регулируемой температуры и относительной влажности.
Функции, которые должен выполнять данное устройства: измерение относительной влажности и температуры воздуха в помещении, управление нагревательным прибором, вентилятором воздуха, самотестирование.
Устройство должно поддерживать заданную температуру и относительную влажность воздуха в помещении посредством их измерения и управления нагревательным прибором(3 кВт) и вентилятором (500 Вт).
Задачами разрабатываемого в дипломной работе устройства, являются: измерение относительной влажности и температуры воздуха в помещении, управление нагревательным прибором, вентилятором воздуха, самотестирование.
Самотестирование необходимо для того что бы, если какое-либо из внешних устройств не подключено в момент подачи питания, то устройство выдаст сигнал ошибки на табло: Е0- не подключен вентилятор, Н0- не подключен нагреватель.
Регулятор влажности и температуры предназначен для измерения и автоматического поддержания, заданных пользователем параметров влажности и температуры в производственных и бытовых помещениях. Регулятор может работать с увлажнителями и нагревателями любого типа. Все настройки прибора могут быть легко изменены пользователем и хранятся при отключенном питании неограниченное время. Регулятор относительной влажности и температуры постоянно измеряет, текущие параметры в зоне расположения датчика и поддерживает их на заданном уровне, управляя работой увлажнителей и нагревателей.
1 Разработка структурной схемы.
Поддержание температуры в помещение реализуется путем центрального отопления либо отдельных котельных. Процесс нагревания и охлаждения помещения обуславливается переходом с дневного цикла в ночной, за дневное время суток помещение нагревается от солнечных лучей попадающих на наружные стены и в окна помещения. В ночное же время происходит процесс теплоотдачи, при котором помещение теряет часть накопленной тепловой энергии. Такое изменение температуры может пагубно влиять на производственные процессы. Быстрое старение элементов, порча документации, что недопустимо для таких организаций как архивы, библиотеки т.д. Изменение температуры ведет за собой изменении влажности что также пагубно влияет как на человека так и на документацию
Что означает, что замер и поддержания постоянной температуры и относительной влажности, является важным технологическим процессом.
Замер и поддержание температуры реализуется путем приведенной ниже схемы (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1
Питающая система, представляющая и себя централизованное энергоснабжение с напряжением цепи 220В и частотой 50Гц, которое в свою очередь питает блок управления.
Блок управления получает данные с датчика, и при несоответствии данных температуры и заданных параметров, включает исполнительное устройство.
Каждый их этих блоков содержит в себе несколько функциональных блоков. Рассмотрим каждый.
Блок «Сеть» разделяется на два блока, блок «Питания блока управления», и «Питание Исполнительных устройств». Данная структурная схема представлена на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2
Так как мы регулируем температуру и относительную влажность, мы используем два датчика: датчик температуры, и датчик влажности. Рассмотрим виды средств измерения температуры и влажности.
Электрические термометры сопротивления
В металлургической практике для измерения температур до 6500С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.020С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.
В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.
Изменение электросопротивления данного материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления , который вычисляется по формуле
, (1.1)
где t – температура материала, 0С;
R0 и Rt – электросопротивление соответственно при 0 0С и температуре t, Ом.
Сопротивление полупроводников с увеличением температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур (1.5- 400 К).
Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент . Однако они имеют и существенные недостатки:
нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры;
отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.
Типы и конструкции ТС
Для решения различных задач ТС делятся на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.
Эталонные ТС предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13.81 - 903.89 К.
Рисунок 1.3
Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го классов точности и т. д. На (рисунок 1.3) представлены конструкции промышленных ТС с неподвижным (а) и подвижным (б) штуцерами. Термометр состоит из чувствительного элемента 1, расположенного в защитном стальном чехле 3, на котором приварен штуцер 2 с резьбой М27х2. Провода 4, армированные фарфоровыми бусами 6, соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой 5, находящейся в корпусе головки 7. Сверху головка закрыта крышкой 8, снизу имеется сальниковый ввод 9, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 10. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза 12.
Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.
Рисунок 1.4
Значительно реже в металлургической практике встречаются полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для измерения температуры (-90)-(+180) 0С. Их применяют в термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т. п.
Мостовые схемы измерения сопротивления термометров
Для измерения сопротивления используют четырехплечие уравновешенные (ручные или автоматические) и неуравновешенные мосты.
Уравновешенный мост
Уравновешенный мост, принципиальная схема которого приведена на (рисунок 1.4а), используется для определения величины сопротивления при градуировке ТС и при измерениях температуры в лабораторных условиях.
Нулевой метод измерения характеризуется высокой точностью, так как исключается влияние окружающей температуры, магнитных полей и изменения напряжения батареи питания Б. Однако значительная погрешность может возникать при изменении сопротивления соединительных проводов Rл, что вызывается значительными сезонными и суточными колебаниями температуры в местах прохождения кабеля, соединяющего ТС и измерительный мост.
На (рисунок 1.4 б) представлена трехпроводная схема включения ТС, в которой одна вершина диагонали питания (В) перенесена непосредственно к термометру. Для равновесия можно записать
, (1.2)
откуда
(1.3)
Сопротивление проводов Rл оказываются включенными в различные плечи моста, поэтому изменение их величины Rл практически взаимно компенсируются.
Неуравновешенный мост
Неуравновешенный мост исключает необходимость выполнения ручных операций по изменению величины R3. В нем вместо нуль-прибора G в диагональ моста AC устанавливается миллиамперметр. При постоянном напряжении питания и постоянных сопротивлениях R1, R2, R3 через этот прибор протекает ток, величина которого зависит (нелинейно) от изменения RТ. Использование данных мостов для измерения температуры ограниченно. В основном они применяются для преобразования сопротивления термометра в напряжение.
Автоматические уравновешенные мосты
Автоматические уравновешенные мосты широко используются для измерения и регистрации температуры в комплекте с ТС. Их характеризует высокая точность и возможность использования в системах автоматического регулирования. Они выпускаются различных модификаций: одно- и многоточечные, с дисковой или ленточной диаграммой, с сигнальными устройствами и др.
На (рисунок 1.5) приведена принципиальная схема автоматического уравновешенного моста, который, так же как ручной равновесный мост, реализует нулевой метод измерения сопротивления.
Термометр сопротивления Rt подключен к прибору по трехпроводной схеме. В измерительную схему моста входят уравновешивающий реохорд Rр с шунтирующим его резистором Rш (ограничивает ток, текущий по реохорду); резисторы Rн и Rк, определяющие начало и конец шкалы; спирали rн и rк, обеспечивающие точную подгонку диапазона шкалы и являющиеся частью резисторов Rн и Rк; резисторы R1, R2 и R3, образующие постоянные плечи моста; TC Rt, являющийся переменным плечом; балластный резистор Rб, который ограничивает ток в мостовой схеме и обеспечивает минимальный нагрев ТС; подгоночный резисторы Rп1 и Rп2, обеспечивающие сопротивление подводящей линии Rл=5 Ом (каждый из двух соединительных проводов имеет сопротивление 2.5 Ом).
Рисунок 1.5
Электронный усилитель переменного тока ЭУ включен в диагональ ab и обеспечивает усиление разбаланса, возникающего в измерительной схеме при изменении сопротивления ТС Rt. Усиленный сигнал поступает на вход реверсивного двигателя РД, который вращением вала заставляет перемещаться подвижную каретку регистрирующего устройства е и движок реохорда Rр. Вращение вала происходит до тех пор, пока не наступит новое равновесие схемы; напряжение разбаланса станет равным 0, сигнал на входе РД также исчезнет и двигатель остановится.
Питание измерительной схемы моста производится через диагональ d с помощью силового трансформатора ЭУ переменным током напряжением 6.3 В и частотой 50 Гц. Синхронный двигатель СД перемещает диаграммную бумагу относительно пера или печатающего устройства с постоянной скоростью.
Измерение термо-ЭДС компенсационным путем
Измерение термо-ЭДС термопары прямым путем, по силе тока в цепи постоянного сопротивления, с помощью милливольтметра, можно осуществить сравнительно просто. Однако этот метод обладает рядом недостатков, создающих дополнительные погрешности, что в большинстве случаев не позволяет получить высокой точности измерения.
В измерительной технике кроме прямых методов измерения известны компенсационные метода или методы противопоставления (сравнения) неизвестной величины величине известной. Компенсационные методы позволяют провести измерения более точно, хотя и не всегда так просто, как прямое измерение.
Основное преимущество компенсационного измерения термо-ЭДС, по сравнению с прямым, с помощью милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в цепи термопары равен 0. Это означает, что величина сопротивления внешней цепи не имеет значения: никакой подгонки сопротивления внешней цепи делать не надо и беспокоиться о влиянии температуры окружающей среды на внешнюю цепь нет необходимости.
Автоматические потенциометры
Автоматические потенциометры служат для компенсационных измерений термо-ЭДС без ручных манипуляций, свойственных неавтоматическим потенциометрам. У последних ручные манипуляции после стандартизации тока сводятся к следующей необходимости перемещать движок реохорда до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на ноль. При этом перемещение движка производится во вполне определенном направлении.
Рисунок 1.6
Измерительная схема автоматического потенциометра в принципе не отличается от схемы не автоматического потенциометра (рисунок 1.6).
Схема имеет три источника напряжения (батарея Б, нормальный элемент НЭ и термопару Т) и три цепи. Цепь батареи выполнена в виде моста: в диагональ BD включается питание, а в диагональ CA - цепь термопары. Цепь нормального элемента подключается к плечу CD компенсационной цепи. С помощью переключателя П в цепь термопары или в цепь нормального элемента включается электронный усилитель ЭУ (в том числе и вибрационный преобразователь). При включении цепи нормального элемента вводится шунтирующее сопротивление R1, параллельное электронному усилителю, так как в этом случае величина напряжения небаланса бывает много больше, чем при включении цепи термопары.
Электронные автоматические потенциометры называют иногда приборами с непрерывной балансировкой, так как измерение небаланса производится здесь с частотой переменного тока 50 Гц.
Широкое применение имеют многоточечные автоматические потенциометры с самопишущим устройством, предназначенным для записи показаний нескольких термопар. Такие потенциометры имеют автоматически действующие переключатели для поочередного включения в измерительную цепь цепей отдельных термопар. Запись производится либо различным цветом, либо определенными знаками для каждой термопары.
Поверка потенциометров производится путем сравнения их показаний с показаниями образцовых потенциометров более высокого класса точности. Погрешность образцового потенциометра не должна превышать 1/3 К, где К – численное выражение класса точности поверяемого прибора.
Методы и средства измерения влажности
Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.
Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т.д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.
В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.
Влагосодержание – величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:
(1.4)
К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:
(1.5)
где Т – абсолютная температура,
n0 – постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см3 при нормальных условиях, т.е. при p0= 760 Торр= 1015 Гпа и T0 = 273,1б К.
Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т.е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%. Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т. к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.
Влагосостояние – процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:
(1.6)
Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.
Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид: