Устройство для определения влагосодержания воздушной среды

Изобретение относится к области долгосрочного хранения сельскохозяйственной продукции и может быть использовано в автоматизированных системах управления параметрами микроклимата в закрытых складских помещениях для увеличения точности расчета тепловлажностных характеристик в регулируемой воздушной среде с изменяющимися параметрами. Устройство содержит датчики температуры, относительной влажности и атмосферного давления, блок преобразования температуры в давление насыщения водяного пара воздушной среды, вычислительное устройство. За счет введения блока преобразования и датчика атмосферного давления повышается точность определения влагосодержания. Изобретение позволяет автоматизировать процесс определения влагосодержания в режиме реального времени и повысить точность определения влагосодержания. Технический результат - повышение точности определения влагосодержания воздушной среды при автоматическом определении и регулировании параметров микроклимата. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области контроля и регулирования влагосодержания воздушной среды при автоматизированном управлении параметрами микроклимата хранилищ сельскохозяйственного назначения.

Известно устройство контроля параметров воздушной среды, в том числе и влагосодержания, которое имеет датчики температуры, относительной влажности и логический блок [1]. Устройство, реализующее определение влагосодержания в структуре изобретения [1], принято за прототип.

Недостаток устройства - малая точность определения влагосодержания регулируемой среды. Этот недостаток обусловлен тем, что влагосодержание учитывается косвенно, без учета действительного парциального давления водяных паров, соответствующего измеряемым значениям относительной влажности и температуры. Кроме того, не учитывается действительное атмосферное (полное) давление, от изменений которого зависит влагосодержание воздушной среды. Эта зависимость описывается известной формулой, приведенной, например, в [2]:

где d - влагосодержание, г/кг;

ϕ - относительная влажность, о.е.;

В - атмосферное (полное) давление, мм рт. ст.;

Р_н - парциальное давление водяного пара в состоянии полного насыщения влажного воздуха (давление насыщения), мм рт. ст.

Из выражения (1)видно, что точность определения влагосодержания зависит от точности определения относительной влажности, атмосферного давления и давления насыщения Р_н. Известно [2], что параметр Р_н нелинейным образом зависит от температуры, а влагосодержание может быть определено по измеренным значениям температуры и относительной влажности с помощью табличного либо графоаналитического способа. Для автоматических устройств эти способы практически использовать затруднительно, поэтому наиболее приемлемым является аналитический способ определения влагосодержания, при котором параметр Р_н также определяется аналитически. В этом случае точность определения параметра Р_н будет зависеть от точности измеренного значения температуры и точности вычисления по используемой аппроксимации зависимости этого параметра от температуры. Косвенный учет влагосодержания, используемый в устройстве-прототипе, не может обеспечить высокую точность его определения.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности определения влагосодержания воздушной среды при автоматическом определении и регулировании параметров микроклимата.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство, содержащее датчик температуры, датчик относительной влажности, введены блок преобразования температуры в давление насыщения водяных паров воздушной среды, датчик атмосферного давления и вычислительное устройство, вычислительное устройство содержит первый и второй блоки умножения, блок вычитания и блок деления, каждый блок умножения имеет первый и второй входы и по одному выходу, блок вычитания имеет прямой вход и вход вычитания, блок деления имеет вход числителя и вход знаменателя, выход датчика температуры подключен к входу блока преобразования температуры в давление насыщения водяных паров, выход блока преобразования подключен к первому входу первого блока умножения, выход датчика относительной влажности подключен ко второму входу первого блока умножения, выход первого блока умножения подключен к входу вычитания блока вычитания и к первому входу второго блока умножения, выход датчика атмосферного давления подключен к прямому входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен к входу знаменателя блока деления, выход второго блока умножения соединен с входом числителя блока деления, на второй вход второго блока умножения подано значение постоянного коэффициента, а выход блока деления является выходом устройства.

Отличительными признаками заявляемого устройства по отношению к прототипу являются: наличие блока преобразования температуры в давление насыщения водяных паров воздушной среды, наличие датчика атмосферного давления, структура вычислительного устройства, конфигурация соединений между преобразователем, датчиками и элементами вычислительного устройства.

Сравнительный анализ заявляемого устройства с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения "новизна".

Из патентной и научно-технической литературы не обнаружены предложенные совокупность отличительных признаков и соединений элементов заявляемого устройства. Таким образом, заявляемое устройство удовлетворяет критерию изобретения "изобретательский уровень".

Сущность заявляемого устройства для определения влагосодержания воздушной среды поясняется структурной схемой, представленной на чертеже, где обозначено: 1 - датчик температуры t; 2 - датчик атмосферного давления В; 3 - датчик относительной влажности ϕ; 4 - блок преобразования температуры в давление насыщения водяных паров воздушной среды Р_н; 5 - первый блок умножения, имеющий два входа (обозначены стрелками) и один выход; 6 - блок вычитания, имеющий один прямой вход 7 и вход вычитания 8; 9 - второй блок умножения, имеющий первый и второй входы, на второй вход блока умножения 9 подается значение масштабного коэффициента D, блок деления 10, имеющий вход числителя 11, вход знаменателя 12 и выход d, являющийся выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Измеренное значение температуры воздушной среды t с выхода датчика температуры 1 поступает на вход блока преобразования 4. В блоке 4 реализуется зависимость парциального давления насыщения Р_н от температуры, например, согласно выражению:

где С - 750,06;

Н=8,61166(1-1,3358/τ+7,868·10^-2·τ-0,952·lgτ);

τ=1+t/T_o;

t - температура влажного воздуха, °С;

Т_о=273,16К.

На выходе блока 4 образуется вычисленное по выражению (2) значение параметра Р_н. Расчеты показывают, что в диапазоне температур от минус 30°С до плюс 50°С погрешность определения Р_н не превышает 0,5% по отношению к табличным значениям реальных параметров состояния влажного воздуха [3]. Полученное значение параметра Р_н поступает на первый вход первого блока умножения 5, на второй вход первого блока умножения поступает измеренное значение относительной влажности ϕ от датчика 3. На выходе первого блока умножения 5 образуется произведение ϕР_н, являющееся реальным парциальным давлением водяных паров воздушной среды при данной температуре t. Произведение ϕР_н подается на вычитающий вход 8 блока вычитания 6 и на первый вход второго блока умножения 9, на второй вход которого подается значение коэффициента D, зависящего от размерности определяемого влагосодержания: значение D=622, если давления определены в мм рт. ст., а размерность определяемого влагосодержания [г/кг]; значение D=0,622, если размерность влагосодержания [кг/кг]. На выходе второго блока умножения 9 образуется произведение ВϕР_н, подаваемое на вход числителя 11 блока деления 10. На вход знаменателя 12 блока деления 10 подается разность давлений (В-ϕР_н), которая образуется на выходе блока вычитания 6, так как на его прямой вход 7 подается значение полного (атмосферного) давления В, образованного на выходе датчика давления 2. На выходе блока деления образуется величина d=ВϕР_н/(В-ϕР_н), однозначно определяющая влагосодержание.

Предлагаемое устройство для определения влагосодержания воздушной среды позволяет обеспечить более высокую точность за счет введения блока преобразования температуры в давление насыщения, обеспечивающего высокую точность преобразования по предложенной аппроксимации табличной зависимости парциального давления насыщения от температуры. Кроме того, учет реального значения атмосферного давления, измеряемого датчиком давления, также уменьшает погрешность определения реального значения влагосодержания. Предложенное устройство позволяет с высокой точностью определять реальное значение влагосодержания в автоматическом режиме при регулировании и контроле параметров микроклимата в закрытых помещениях сельскохозяйственного и бытового назначения. Макетирование устройства подтверждает его работоспособность и эффективность. Таким образом, предложенное устройство удовлетворяет критерию изобретения "промышленная применимость".

Устройство для определения влагосодержания воздушной среды, содержащее датчик температуры, датчик относительной влажности, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок преобразования температуры в парциальное давление насыщения водяных паров воздушной среды, датчик атмосферного давления и вычислительное устройство, вычислительное устройство содержит первый и второй блоки умножения, блок вычитания и блок деления, каждый блок умножения имеет первый и второй входы и по одному выходу, блок вычитания имеет прямой вход и вход вычитания, блок деления имеет вход числителя и вход знаменателя, выход датчика температуры подключен к входу блока преобразования температуры в парциальное давление насыщения водяных паров воздушной среды, выход блока преобразования подключен к первому входу первого блока умножения, выход датчика относительной влажности подключен ко второму входу первого блока умножения, выход первого блока умножения подключен к входу вычитания блока вычитания и к первому входу второго блока умножения, выход датчика атмосферного давления подключен к прямому входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен к входу знаменателя блока деления, выход второго блока умножения соединен с входом числителя блока деления, на второй вход второго блока умножения подано значение постоянного коэффициента, а выход блока деления является выходом устройства.