ГЕНЕРАТОР ВЛАЖНОГО ГАЗА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ГАЗА С ТРЕБУЕМОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ
HUMID GAS GENERATOR AND GENERATION METHOD OF GAS WITH REQUIRED HUMIDITY

Заявленное изобретение относится к системам увлажнения, в частности может быть использовано для увлажнения газа в установках (генераторах влажности), которые используются в качестве эталонов в метрологических службах, где проводятся калибровки, поверки, сличения, исследования и испытания измерителей влажности.
Анализ существующих методов и средств, предназначенных для выполнения процедур градуировок и поверок гигрометров по параметру относительной влажности, показывает, что метод смешения потоков газа, согласно которому для получения газа, имеющего необходимую влажность, смешивают в определенных соотношениях два воздушных потока с различной, но постоянной влажностью, является наиболее проработанным в научном и техническом аспектах с точки зрения точности, быстродействия, диапазона возможных значений по влажности и температуре, производительности, простоты реализации. Важным преимуществом метода является также возможность быстрого изменения уровня влажности при установившемся температурном режиме, что обеспечивает как высокую производительность, так и возможность исследования динамических характеристик гигрометров.
Для объективной оценки полученных величин влажности в таких установках используются как правило контрольные образцовые средства измерения. Обязательным условием стабильного поддержания заданного уровня влажности является постоянство и равномерность температуры в объеме рабочей камеры.
На методе смешения потоков основаны генераторы влажного газа производства компании «Michell Instruments», например модель S904, создающая паровоздушный поток в диапазоне от 10% до 90% относительной влажности [Humidity calibration solutions. Calibration instruments. Humidity and temperature generator S904. Michell Instruments, GB, 2010. www. http://michell.com]. Недостатком такого генератора является сложная схема управления потоками сухого и влажного воздуха, содержащая измерители потоков и электромагнитные клапаны, которые сами по себе являются сложными дорогостоящими устройствами с ограниченным сроком службы.
Известен также генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ» [Ю.А.Барбар, К.А.Томский. Генератор влажного газа ТКА-ГВЛ. Сертификат об утверждении типа средств измерений №9874. 2001], состоящий из воздушного компрессора, ресивера, пылеулавливающего фильтра, системы осушки воздуха, состоящей из предварительного осушителя, регулирующего вентиля, осушителя и ротаметра; системы увлажнения воздуха, состоящей из регулирующего вентиля, насытителя, парогенератора, ротаметра; а также смесительной камеры, рабочей камеры со встроенным в нее контрольным датчиком влажности и температуры. Генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ» обеспечивает создание паровоздушного потока в диапазоне от 5% до 98% относительной влажности и применяется при калибровке, градуировке и поверке термогигрометров.
Известен способ генерации газа с требуемой влажностью (там же), который осуществляется методом смешения потоков сухого и влажного газа, при этом задание требуемой относительной влажности осуществляется вручную путем установления соответствующих расходов сухого и влажного потоков с помощью регулирующих вентилей (клапанов), совмещенных с соответствующими ротаметрами (измерителями потоков).
Основным недостатком этих генератора и способа является то, что ручной режим управления клапанами ротаметров приводит к погрешностям при установке требуемого уровня влажности, что вызвано нестабильностью потоков сухого и влажного газов, неточностью их соотношения, износом клапанов ротаметров по мере эксплуатации. В генераторе отсутствует возможность компенсировать перечисленные причины нестабильной работы генератора. Генератор содержит сложные дорогостоящие электромагнитные вентили и измерители потоков.
Задачей предлагаемого изобретения является создание конструкции генератора и способа генерации, обеспечивающих автоматическое поддержание требуемого параметра влажности, а также повышение точности и надежности работы, снижение материалоемкости и расширение диапазона создаваемой влажности.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном генераторе влажного газа, содержащем канал сухого газа, состоящий из малогабаритного компрессора, ресивера, осушительного патрона, пылеулавливающего фильтра и контрольного ротаметра осушаемого газа, и канал влажного газа, содержащий насытитель, а также смесительную камеру, в которую поступают потоки сухого и влажного газа, контрольный датчик влажности и блок рабочих камер, согласно заявленному решению он дополнительно снабжен микропроцессорной системой, предназначенной для управления режимами работы генератора и регулирования потоков в каналах сухого и влажного газа и соединенной с малогабаритными воздушными компрессорами каналов сухого и влажного газа, с органом управления работой генератора, с узлом поддержания температуры насытителя и с встроенным в смесительную камеру контрольным термогигрометром, при этом малогабаритные воздушные компрессоры охвачены обратной связью по уровню задаваемой влажности и двумя обратными связями по напряжению, а канал влажного газа дополнительно содержит последовательно расположенные малогабаритный воздушный компрессор, ресивер влажного канала и пылеулавливающий фильтр, выход которого подключен к входу насытителя, при этом насытитель снабжен системой термостатирования, подключенной к узлу поддержания температуры насытителя. А также за счет того, что в насытителе установлен оптико-электронный индикатор минимального уровня воды, насытитель снабжен дополнительной камерой, оснащенной смотровым окном, в которой расположен поплавковый индикатор контроля максимального уровня воды, система термостатирования выполнена состоящей из нагревательной обмотки и датчика температуры, каждая из рабочих камер снабжена входом для поступления создаваемой парогазовой смеси и выходом, через который смесь, пройдя по пространству рабочей камеры, выводится в окружающую атмосферу через выпускной порт.
Поставленная цель достигается также за счет того, что в известном способе генерации газа с требуемой влажностью путем смешения в определенных соотношениях потоков сухого и влажного газа согласно заявленному решению потоки сухого и влажного газа регулируют подачей соответствующих напряжений питания на малогабаритные воздушные компрессоры, при этом напряжение на каждом из компрессоров определяют следующими зависимостями:
B
Σ
U=U•RH/100, (вольт);
C
Σ
Σ
U=U-U•RH/100, (вольт)
B
C
Σ
где U - напряжение на компрессоре канала влажного газа, U - напряжение на компрессоре канала сухого газа, U - суммарное напряжение, равное 200 вольт, RH - относительная влажность, %.
Технический результат выражается в том, что благодаря использованию в качестве исполнительных элементов малогабаритных воздушных компрессоров, управляемых напряжениями их питания и охваченных двумя обратными связями по напряжению и обратной связью по измеренной влажности, обеспечивается возможность регулирования потоков в каналах сухого и влажного газа, обеспечивающая автоматическое поддержание требуемого параметра влажности, при этом расширяется возможность задания уровня влажности в пределах от 0 до 100% и обеспечиваются высокая точность и стабильность работы.
Заявленное решение позволяет в автоматизированном режиме устанавливать и поддерживать заданный уровень относительной влажности без использования измерителей потока и электромагнитных клапанов, вместо которых в качестве элементов, регулирующих потоки в каналах сухого и влажного воздуха, используются малогабаритные воздушные компрессоры.
Достоинствами заявленного решения являются:
1. Заявленное решение обеспечивает: автоматизированный режим работы, высокое быстродействие, контроль за уровнем воды в увлажнителе, как минимальным, так и максимальным.
2. Более простое, чем у прототипа, устройство. Исключены сложные дорогостоящие электромагнитные вентили и измерители потоков. В качестве исполнительных устройств используются малогабаритные воздушные компрессоры, охваченные обратными связями по напряжению питания и по уровню фактической влажности в генераторе.
3. Лучшие по сравнению с аналогами метрологические и эксплуатационные параметры: расширен диапазон генерируемой влажности, от 1 до 100% при высокой точности поддержания (в пределах ±0,1%RH…±0,3%RH) установленного уровня влажности.
4. Обеспечена автоматическая коррекция процесса измерений в зависимости от внешних изменяющихся условий (температуры, влажности, давления окружающего воздуха).
5. Обеспечено объективное наблюдение за условиями эксплуатации генератора, что требуется при проведении процедур поверок и калибровок испытуемых приборов.
Заявленное решение поясняется графическими материалами.
На фиг.1 представлена функциональная схема генератора.
На фиг.2 представлена структурная схема управления уровнем задаваемой в генераторе относительной влажности.
На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема включения измерительного канала АЦП в цепь переменного тока, подаваемого на компрессоры.
На фиг.4 представлена электрическая схема преобразователя (SS) импульсного сигнала ШИМ в напряжение постоянного тока.
На фиг.5 представлена силовая схема управления напряжением на компрессоре.
На фиг.6 представлен график изменения влажности, режим осушения, от окружающей влажности 49% до 4%.
На фиг.7 представлен график изменения влажности, ступенчатое задание уровней влажности: 5% - 10% - 15%.
На фиг.8 представлен график изменения влажности, режим быстрого осушения рабочих камер: от уровня 97% до 2%.
На фиг.9 представлен график изменения влажности, режим поддержания заданного уровня влажности, при резком принудительном изменении потока сухого воздуха.
Генератор влажного газа конструктивно представляет собой моноблок, в котором расположены: канал сухого газа, состоящий из системы отбора атмосферного воздуха, его осушения и транспортирования, включая воздушный малогабаритный компрессор 1, ресивер 2, осушительный патрон 3, заполняемый силикагелем, пылеулавливающий фильтр 4, контрольный ротаметр расхода осушаемого газа 5; канал влажного газа, состоящий из системы отбора атмосферного воздуха, его увлажнения и транспортирования, включая воздушный малогабаритный компрессор 6, ресивер 7, пылеулавливающий фильтр 8, насытитель 9, снабженный системой термостатирования 10, оптико-электронным индикатором минимального уровня воды 11 и дополнительной камерой 20 со смотровым окном и поплавковым индикатором 12 (водомер) максимального уровня воды в насытителе. Выходная смесительная камера 13, в которой установлен контрольный датчик влажности и температуры 14, обеспечивает гомогенизацию производимой паровоздушной смеси. Кроме того, генератор содержит микропроцессорную систему 15, предназначенную для управления режимами работы генератора и измерения параметров создаваемой паровоздушной смеси, включая узел поддержания температуры 16 термостата насытителя, на уровне, превышающем температуру окружающего воздуха; органы управления генератором 17 (кнопки, тумблеры); блок рабочих камер 18, входные порты которых расположены на лицевой панели генератора. К генератору подключается внешний термогигрометр 19, предназначенный для контроля внешних окружающих условий в помещении, где проводятся поверки и калибровки испытуемых приборов.
Генерация паровоздушного потока с заданным уровнем относительной влажности осуществляется методом смешения в необходимой пропорции потоков сухого и влажного газа за счет регулирования каждого из потоков с помощью подачи соответствующих напряжений питания на компрессоры 1 и 6.
Система регулирования и поддержания уровня влажности в рабочих камерах генератора охвачена двумя обратными связями: по напряжениям питания компрессоров и обратной связью по влажности, которая отслеживает величину рассогласования между требуемой и фактически достигнутой влажностью.
Получение требуемого значения относительной влажности RH в таких генераторах достигается выполнением соотношения между расходами двух потоков, которое определяется формулой:
<mrow><mi>R</mi><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><msub><mi>H</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><msub><mi>H</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>%</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> (1)</mtext></mrow>
в
где Q - объемный расход потока влажного воздуха;
в
RH - влажность в потоке влажного воздуха;
с
Q - объемный расход потока сухого воздуха;
с
RH - влажность в потоке сухого воздуха.
C
В идеальном случае, когда сухой газа полностью осушен, а влажный - имеет максимально возможное влагосодержание, то есть принимается, что RH=0%,
B
RH=100%. Уравнение (1) в таком случае принимает вид:
<mrow><mi>R</mi><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>%</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> (2)</mtext></mrow>
в
с
Уравнение (1) не учитывает, что плотность влажного газа ρ и плотность сухого газа ρ неодинаковы между собой и различным образом зависят от температуры. С учетом этого факта уравнение (1) принимает вид:
<mrow><mi>R</mi><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><msub><mi>H</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>с</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>с</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>R</mi><msub><mi>H</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Q</mi><mi>с</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>%</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> (3)</mtext></mrow>
B
c
Так при изменении температур сухого и влажного газа в пределах от 10°C до 60°C соотношение плотностей сухого и влажного потоков воздуха изменяется в пределах от 1,006 до 1,050. Проведенные расчеты показывают, что абсолютная погрешность, вызванная игнорированием различия в плотностях сухого и влажного газов, во всем рабочем диапазоне температур не превышает величины (0,1÷1,2) % RH, что позволяет на заявленном уровне точности использовать для расчета относительной влажности RH величины объемных потоков Q и Q, а уравнения (1-3) привести к более удобному для вычислений виду, дополнительно введя также условие нормирования потоков газа:
<mrow><mi>R</mi><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><mi>к</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Q</mi><mo>∑</mo></msub><mo>−</mo><msub><mi>Q</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>%</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> (4)</mtext></mrow>
в
с
где к - отношение плотностей потока газа ρ и ρ, принимается далее к=1,00.
Условие нормирования объемных потоков отвечает требованию поддержания постоянного расхода потока газа в рабочей камере генератора во всем диапазоне относительной влажности, создаваемой генератором:
в
c
Σ
Q+Q=Const=Q (5)
На практике расход газа в генераторах влажности подобного типа составляет 2÷10 литров в минуту. Условие (5) должно обеспечиваться при проектировании генератора влажности и проверяться затем при его юстировке, например, с помощью калиброванных ротаметров либо иных расходомеров.
Получение заданной относительной влажности RH в генераторах смешения потоков достигается поддержанием соотношения расходов двух потоков воздуха в соответствии с вышеприведенными формулами (2) и (4).
Основой предлагаемой системы адаптивного автоматического регулирования уровня влажности является свойство используемых компрессоров сухого и влажного каналов прокачивать поток газа, объемный расход которого Q пропорционален подаваемому на компрессоры напряжению U:
c
С
С
Q=K•U; (6)
в
В
B
Q=К•U, (7)
С
В
-1
-1
где K, K - удельная производительность соответствующего компрессора, имеющая размерность литр∙вольт∙минута,
С
В
U, U - напряжения питания компрессоров, вольт.
При использовании идентичных компрессоров можно допустить, что они имеют одинаковую удельную производительность:
С
В
К=К=К (8)
С учетом вышеизложенного, выражение (2) может быть представлено как:
В
В
В
В
c
c
В
В
c
-1
-1
RH=K•U• [K•U+K•U]•100(%)=U• [U+U]•100(%) (9)
Из правой части выражения (9) видно, что влажность RH, получаемая в генераторе, прямо пропорциональна напряжению питания компрессора влажного канала и обратно пропорциональна сумме напряжений на двух компрессорах, причем согласно выражениям (5)-(8) эта сумма должна быть постоянной. Таким образом, требование (5) по поддержанию постоянного расхода потока газа в рабочей камере генератора трансформируется в требование по поддержанию суммы напряжений на двух компрессорах на постоянном уровне во всем диапазоне относительной влажности, создаваемой генератором:
В
С
Σ
U+U=Const=U (10)
С учетом выражений (9) и (10) зависимость напряжений на каждом из компрессоров в функции от задаваемой в генераторе влажности RH можно представить в виде:
B
Σ
U=U•RH/100, (вольт); (11)
С
Σ
Σ
U=U-U•RH/100, (вольт). (12)
Справедливость соотношений (11) и (12) можно проверить на трех примерах.
В
С
Σ
Σ
1. В генераторе задается RH=0% (полное осушение). Получаем: U=0 В, U=U, что и требовалось доказать: на «влажном» компрессоре напряжение отсутствует, а на «сухой» компрессор подается максимально возможное напряжение U.
В
Σ
С
Σ
Σ
2. В генераторе задается RH=50%. Получаем: U=0,5•U, U=0,5•U, что и требовалось доказать: на «влажный» и на «сухой» компрессоры подается одинаковое напряжение, по половине напряжения U.
В
Σ
С
Σ
3. В генераторе задается RH=100% (полное увлажнение). Получаем: U=U, U=0 В, что и требовалось доказать: на «влажный» компрессор подано максимально возможное напряжение U, а на «сухом» компрессоре напряжение отсутствует.
Таким образом, объектами управления являются напряжения, подаваемые на каждый из компрессоров, согласно (11) и (12), и, поскольку во всем диапазоне генерируемой влажности поток созданной паровоздушной смеси должен быть постоянным, согласно (5) и (10), то окончательно объектами управления следует выбрать сумму и пропорцию напряжений, подаваемых на оба компрессора.
Σ
Σ
При использовании компрессоров, рассчитанных на сетевое питание 220 В, целесообразно в качестве суммы напряжений U выбрать значение, близкое к 220 В, что обеспечит высокую крутизну управления компрессорами во всем диапазоне задания относительной влажности RH от 0% до 100%. Так при выборе U=200 В эта крутизна составляет 2 В на 1% изменения относительной влажности, при этом выражения (11) и (12) имеют вид:
B
U=2•RH, (вольт) (13)
С
U=200-2•RH, (вольт) (14)
Из соотношений (13), (14) видно, что система управления должна в первую очередь отслеживать напряжения на каждом из компрессоров, вырабатываемых на выходе этой системы. Постоянное отслеживание этих напряжений обеспечивает стабильность работы генератора в целом, а также создает возможность калибровать сам генератор в автоматическом режиме.
Главным инструментом регулирования системы априори является полученная в генераторе влажность, измеренная с помощью контрольного датчика влажности температуры 14. Поскольку процесс генерации влажности рассмотренным способом зависит от многих меняющихся во времени факторов (таких как температура, влажность и давление окружающего воздуха, степень активности сорбента-силикагеля, уровень воды в увлажнителе, фактическая производительность компрессоров с учетом их износа и т.д.), которые практически невозможно учесть ни заранее, ни во время работы системы, то формулы (11)-(14) являются приблизительными, но достаточными для построения алгоритма работы. Для компенсации воздействия факторов неопределенности на корректную работу генератора, система регулирования должна иметь возможность введения поправки dRH, обеспечивающей точное поддержание требуемого уровня влажности RH:
И
dRH=RH-RH, (15)
И
где RH - влажность, измеренная контрольным датчиком влажности и температуры 14. Здесь необходимо учесть, что это влажность, измеренная при установившемся режиме, то есть такая влажность, которая за заданный период времени не изменяется и не выходит за заданные пределы диапазона влажности. Эти пределы задаются изначально, исходя из требуемой точности системы.
Исходя из приведенных рассуждений, структурная схема управления уровнем задаваемой в генераторе относительной влажности может быть представлена в виде, приведенном на фиг.2, где ЦВМ - цифровая микропроцессорная система 15, УУСП - устройство управления сухим потоком, УУВП - устройство управления влажным потоком, входящие в состав микропроцессорной системы 15. Как видно из приведенной на фиг.2 структуры, система охвачена двумя обратными связями по напряжению и обратной связью по измеренной влажности.
В качестве УУСП и УУВП используются идентичные блоки, микропроцессорная система 15 способна обеспечивать функцию управления генератором, а также посредством встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производит непрерывное измерение напряжения питания на каждом из компрессоров с помощью специальной схемы преобразования переменного тока в постоянный ток с необходимым коэффициентом понижения напряжения.
На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема включения измерительного канала АЦП в цепь переменного тока, подаваемого на компрессоры. Измеряемое напряжение переменного тока, поступающее на первичную обмотку трансформатора, понижается и со вторичной обмотки поступает на схему выпрямления и согласования, реализованную на диодах VD1, VD2, резисторах R1, R2, R3 и конденсаторах C1, С2.
На фиг.4 представлена электрическая схема преобразователя (SS). Сигнал ШИМ (PWM-GND) поступает на транзистор ВС848, который выполняет функцию ключа для гальванической развязки, выполненной на оптопаре КР1010, которая выполняет также функцию согласования уровней напряжений микроконтроллера и управляющего транзистора. Гальванически развязанный сигнал фильтруется и сглаживается последующими R-C цепочками. На выходе такого согласующего преобразователя вырабатывается напряжение постоянного тока, пропорциональное сигналу ШИМ.
На фиг.5 представлена силовая схема управления напряжением на компрессоре с помощью ШИМ (PWM) микроконтроллера (CPU) и согласующего преобразователя SS, представленного на фиг.4. Выбор такого схемотехнического решения позволяет производить плавное управление режимом работы компрессора, не внося при этом помех. Также с помощью блока IU (фиг.2) микроконтроллером CPU осуществляется контроль выходного напряжения (напряжения на компрессоре).
С учетом принятых схемотехнических решений и специфики работы системы генерации влажности в целом создан алгоритм работы микропроцессорной системы управления генератора влажности.
ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ СИСТЕМЫ
1. Включение генератора, начало работы: установить влажность на 0%, установить на компрессор сухого потока максимальное значение ШИМ, а на компрессор влажного потока нулевое значение ШИМ.
2. После введения уставки уровня относительной влажности RHy: произвести измерение напряжения на компрессоре сухого канала.
3. Произвести измерение напряжения на компрессоре влажного канала.
С
Σ
4. Произвести вычисление напряжения U по формуле (12). Если в системе выполняется условие U=200 В, то вычисление произвести по формуле (14).
В
Σ
5. Произвести вычисление напряжения U по формуле (11). Если в системе выполняется условие U=200 В, то вычисление произвести по формуле (13).
6. Вычислить численную величину ШИМ для каждого из каналов.
С
В
7. Пересчитать численное значение ШИМ, учитывая расхождение между рассчитанными U, U и реально измеренными напряжениями на компрессорах.
8. Проверить, не выходят ли показания измеренной влажности за заданный диапазон погрешности на протяжении заданного времени.
9. Если это условие не выполняется (влажность выходит на предел по времени), то вернуться к пункту 3.
10. Рассчитать значение поправки уставки dRH по формуле (15).
11. Если значение поправки выходит за заданный диапазон чувствительности системы (т.е. рассчитанное значение dRH не слишком мало), то применить ее к расчетным формулам. RH для формул (11)-(14): RH=RHy+dRH, где RHy - уставка влажности.
12. Если суммарная уставка влажности RH превысит значение 102%, то введение поправки не применять и подать периодический аварийный, звуковой сигнал.
В
13. В случае нажатия кнопки управления «Быстрое осушение» установить задание влажности на 0%, установить на компрессор сухого потока максимальное значение ШИМ, соответствующее напряжению питания компрессора U=220 В, а на компрессор влажного потока установить нулевое значение ШИМ, вывести соответствующую информацию на дисплей прибора.
В приведенном алгоритме работы микропроцессорной системы необходимо учитывать постоянную времени, которая задается инертностью системы в целом. Как видно из приведенного алгоритма, система оказывается охваченной двумя обратными связями по напряжению и обратной связью по измеренной влажности, что обеспечивает высокую точность и стабильность работы.
Постоянный контроль энергетической составляющей (контроль напряжений каждого из компрессоров) обеспечивает, вкупе с вводимыми поправками по влажности, адаптивность системы. Однако для ее работы необходимо изначально задавать (вводить) значения постоянной времени, диапазона погрешности и чувствительности системы. Ввод таких параметров необходим для обеспечения качества и скорости обрабатывания возникающих возмущающих воздействий, как внутренних, так и внешних.
Так при исследовании качества работы действующей модели предлагаемого генератора было установлено, что наличие таких обратных связей обеспечивает поддержание влажности в рабочих камерах генератора с шагом 0,1% RH в коридоре регулирования ±0,1% RH в диапазоне уставок влажности от 1 до 90% RH; ±0,2% RH в диапазоне уставок влажности от 91 до 95% RH и ±0,3% RH в диапазоне уставок влажности от 96 до 99% RH, относительно установленного уровня, независимо от температуры, влажности, давления окружающей среды и степени осушения поступающего в генератор атмосферного воздуха. Задание относительной влажности в генераторе в диапазоне уставок от 0% до 100% RH производится с помощью кнопок управления «УРОВЕНЬ ВЛАЖНОСТИ: «БОЛЬШЕ», «МЕНЬШЕ», с шагом 1% относительной влажности, также предусмотрен режим быстрой осушки рабочих камер генератора с помощью кнопки управления «БЫСТРОЕ ОСУШЕНИЕ».
dp
wet
наг
На графическом дисплее генератора отображаются параметры полученной паровоздушной смеси: относительная влажность RH (в цифровом и графическом виде), температура t, температура точки росы t, температура влажного термометра t, а также величина окружающего атмосферного давления Р, параметры режима поддержания температуры увлажнителя t и строка со служебной информацией о режиме поддержания установленного оператором уровня влажности. В комплект входит подключаемый к генератору через специальный разъем выносной миниатюрный цифровой термогигрометр 19, предназначенный для контроля параметров окружающей среды (условий эксплуатации генератора), информация от которого также отображается на графическом дисплее.
Для расширения метрологически обеспеченного диапазона поддержания относительной влажности при одновременном повышении достоверности и точности измерений дополнительно в комплект генератора может входить аттестованный прецизионный термогигрометр, имеющий абсолютную погрешность измерения относительной влажности не более ±1% относительной влажности во всем диапазоне измерения от 0% до 100% RH в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений влажности газов, который устанавливается в одну из рабочих камер генератора.
Связь генератора с персональным компьютером (ПК) может осуществляться посредством USB-интерфейса. Программное обеспечение, прилагаемое к генератору, позволяет наблюдать на дисплее ПК параметры создаваемой паровоздушной смеси, параметры окружающей среды, а также управлять режимом задания уровня относительной влажности в рабочих камерах генератора. Входные порты рабочих камер снабжены затягивающимися гайками и могут иметь различные входные диаметры.
Масса силикагеля в осушительном патроне составляет около 0,7 кг, что обеспечивает продолжительность работы генератора без замены сорбента в течение трех-шести дней в зависимости от окружающих условий. Осушительный патрон, расположенный внутри корпуса генератора, подключается к газовой системе генератора с помощью двух быстросъемных адаптеров. При необходимости замены силикагеля этот патрон отключается от газовой системы и извлекается из генератора через люк, расположенный на верхней панели.
Контрольный ротаметр 5 расхода осушаемого воздуха, расположенный на лицевой панели генератора, предназначен для оценки степени герметичности закрывания осушительного патрона после замены силикагеля.
Максимальный объем дистиллированной воды, заливаемой в насытитель 9 не более 0,2 литра. Заливка воды производится через специальный порт, снабженный герметично закрываемой пробкой. Заливка воды производится с помощью шприца с удлинительной трубкой. Максимальный уровень заливки воды контролируется с помощью поплавкового индикатора (водомера) 12 через смотровое окно, расположенное ниже заливного порта. При снижении объема воды ниже допустимого срабатывает оптико-электронный индикатор минимального уровня воды 11, при этом на лицевой панели генератора включается сигнальная лампа «НИЗКИЙ УРОВЕНЬ ВОДЫ В НАСЫТИТЕЛЕ!», а также включается звуковой сигнал предупреждения.
Поддержание температуры насытителя 9 на уровне, превышающем температуру окружающего воздуха (на 2÷5°C), обеспечивает устойчивое парообразование, достаточное для стабильной генерации любого уровня влажности, вплоть до 100% RH.
Каждая из рабочих камер может иметь кроме входа, предназначенного для поступления создаваемой парогазовой смеси, дополнительно выход, через который смесь, пройдя по пространству рабочей камеры и произведя при этом обдув чувствительных элементов испытуемого прибора, выводится в окружающую атмосферу через выпускной порт.
Такое устройство газовой магистрали генератора позволит, с одной стороны, плотно фиксировать зонды испытуемых приборов в рабочих камерах с помощью затяжной гайки входного порта, что изолирует пространство рабочей камеры от влияния внешних условий, и в то же время обеспечить максимальную циркуляцию паровоздушной смеси в пространстве рабочей камеры, что улучшает быстродействие генератора при переходе на другой уровень влажности.
При подаче сетевого питания в генераторе автоматически устанавливается режим осушения рабочих камер (нулевая уставка влажности RH), время полного осушения рабочих камер зависит от уровня влажности воздуха в помещении, где установлен генератор, и степени активности сорбента осушителя. При понижении влажности в рабочих камерах до уровня менее 1% RH включается звуковой сигнал о готовности генератора к установлению в нем необходимых режимов с помощью соответствующих кнопок управления.
Температура полученной в генераторе паровоздушной смеси поддерживается на уровне, близком к температуре окружающей среды, разброс температур в рабочих камерах не превышает пределов ±0,1°C относительно температуры встроенного образцового термогигрометра.
На фиг.6-9 представлены графики изменения влажности, демонстрирующие динамические свойства генератора. По оси Y - значения влажности, измеренные встроенным контрольным датчиком влажности и температуры 14, по оси X - время работы генератора. Фиг.6 - осушение рабочих камер, от уровня окружающей влажности 49% до уровня 4%. Время выхода на режим - 15 минут, скорость осушения - 3% за минуту. Фиг.7 - ступенчатое задание уровней влажности: 5% - 10%-15%.
Время выхода на режимы: 2÷3 минуты. Стабильность поддержания уровней влажности не хуже ±0,3% RH.
Фиг.8 - режим быстрого осушения рабочих камер: от уровня 97% до 2%. Время выхода на режим - 11 минут, скорость осушения - 8,5% за минуту. Фиг.9 - режим поддержания установленного в генераторе уровня влажности 50%, при резком принудительном изменении потока сухого воздуха - пример высокой адаптивности системы при меняющихся условиях.
1. Уровень потока сухого газа в генераторе понижен на 25%, первоначально влажность повысилась, согласно формулам (1-4), на 7%, затем система регулирования выработала необходимую поправку, и влажность вернулась к исходному значению 50%.
2. Уровень потока сухого газа увеличен на 25% (возвращен к первоначальной величине), сначала влажность понизилась на 7%, затем система регулирования выработала необходимую поправку, и влажность вернулась к исходному значению 50%.
По своим характеристикам генератор является рабочим эталоном 3-го разряда в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерений относительной влажности газов, по ГОСТ 8.547-2009.