CC BY
19
УДК 681.2.084, 681.2.089 DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-3-237-241
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Н. Умаралиев1, М. М. Матбабаев2, К. М. Эргашев2
1 Ферганский филиал Ташкентского университета информационных технологий,
150118, Фергана, Узбекистан, E-mail: nurmuhammad@bk.ru 2 Ферганский политехнический институт, 150122, Фергана, Узбекистан
Представлена установка для изучения принципа работы оптоэлектронного датчика относительной влажности воздуха. Приведены описание и структурная схема датчика мониторинга влажности воздуха в контролируемом объекте. Рассмотрены устройство для калибровки датчиков влажности и реализующий его алгоритм.
Ключевые слова: цифровые измерительные приборы, относительная влажность воздуха, микроклимат, оптоэлектронный датчик влажности, эталонная величина, калибровка измерительных приборов
Измерение и регулирование относительной влажности воздуха, создание определенного микроклимата являются важнейшими условиями не только жизнедеятельности живых организмов, но и функционирования различных объектов в целом ряде отраслей.
Необходимый микроклимат обеспечивается системой автоматического регулирования температуры и влажности воздуха, в которой относительная влажность воздуха измеряется различными датчиками: оптоэлектронными, абсорбционными, емкостными и т.д. В помещениях с повышенной влажностью чувствительность абсорбционных датчиков при непрерывном режиме эксплуатации быстро уменьшается. Для восстановления нормальной работоспособности необходимо их периодически высушивать и калибровать. Оптоэлектронные датчики относительной влажности воздуха, в отличие от абсорбционных, не требуют таких технически сложных операций.
Разные типы оптоэлектронных датчиков относительной влажности воздуха рассматриваются, например, в работах [1—8], где предложены различные схемотехнические решения для уменьшения влияния таких внешних факторов, как засветка, загрязненность апертуры измерительных преобразователей, температура, электростатическое поле и т.д.
В настоящей статье приведены основные принципы построения оптоэлектронных датчиков (в частности, при организации лабораторных работ) и современных средств мониторинга измерительных данных; также рассматриваются вопросы калибровки измерительных устройств (датчиков) на примере одного из способов измерения относительной влажности воздуха и реализующего этот способ оптоэлектронного датчика.
Предлагаемая лабораторная оптоэлектронная установка оснащена микроконтроллером, предназначенным для изучения принципов косвенного измерения и постоянного мониторинга относительной влажности воздуха выбранного закрытого объекта, а также для автоматизированного дистанционного управления относительной влажностью. Структурно-функциональная схема приведена на рис. 1.
Оптоэлектронный датчик влажности
Команды управления, Текущее значение
запросы на получение влажности
значения влажности
Микроконтроллер,
GPRS модем, SIM900
Рис. 1
Рассмотрим принцип работы оптоэлектронного датчика относительной влажности воздуха, построенного по интегральному методу на просвет. Известно, что в основе интегральных методов измерения на просвет лежит уравнение Бугера — Ламберта — Бера [1, 2]. Согласно этому уравнению, поток Г монохроматического излучения с длиной волны X, прошедший через некоторый объект, равен
Г1 = Го ехР(-Вг X
где — оптическая плотность объекта, Г0 — поток излучения, направленный на объект.
Оптоэлектронные первичные преобразователи можно разделить, в соответствии с алгоритмом преобразования информации, на следующие типы:
— устройства измерения с логарифмическими усилителями, выполняющими функцию линеаризации;
— устройства измерения с функциональной разверткой в приемной части, при этом функцию линеаризации выполняет фотоприемник, питание которого осуществляется обратно пропорционально закону изменения потока излучения Г;
— устройства измерения с функциональной разверткой в приемной части, при этом функцию линеаризации выполняет источник излучения, формирующий потоки излучения по соответствующему закону изменения оптической плотности в зависимости от измеряемого параметра исследуемого объекта.
Преимущества и недостатки этих принципов преобразования достаточно подробно рассмотрены в работе [2].
С развитием микропроцессорной техники стало возможным реализовать функцию преобразования программно, также с развитием микроэлектронной техники чувствительность фотоприемников возросла на несколько порядков. В этих условиях нет необходимости в линеаризации аналогового сигнала. Это обстоятельство позволяет упростить датчик, исключив все элементы, кроме самого преобразователя измеряемого параметра в напряжение, которое непосредственно подается на аналоговый вход микроконтроллера. Далее осуществляется цифровая обработка информации по соответствующему алгоритму в микроконтроллере. Как правило, этот алгоритм строится на основе математического описания измеряемого параметра, определяемого сигналом на входе АЦП.
Как известно [9, 10], водяные пары имеют высокую степень поглощения на очень многих длинах волн, например в частотном диапазоне Х=2,5.. .2,8 мкм. Согласно этому в качестве источника излучения выбран светодиод марки ЬЕБ-270-К8 [11], рабочая длина волны излучения которого Х=2,74 мкм [12], а в качестве приемника излучения — фотодиод РБ36-01, чувствительная зона которого лежит в спектральном диапазоне Х=2,55.. .3,45 мкм [13].
Упрошенная схема первичного измерительного преобразователя приведена на рис. 2, где и1 — микроконтроллер А1те§а328Р, Б1 — излучатель, Б2 — приемник, КО — контролируемый влагосодержащий объект, Я1—К2 — режимные резисторы, и2 — операционный усилитель.
П1
2
3
4
5
6 11 12 13
21 20
РВО/1СР1/С1_КО/РС1МТО РВ1/ОС1А/РС1ЫТ1 РВ2/38/ОС1ВУРС1ЫТ2 РВЗ/МОЗ!/ОС2А/РС1МТЗ РВ4/М1ЭОУРС1МТ4
Р01ЯХ0УРС1ЫТ17 РО2ЛМТ0/РС1ЫТ18 РОЗЛМТ1/ОС2В/РС1ЫТ1Э Р04Л"0/ХСКУРС1ЫТ20
Р06/А11МО/ОСО«РС1МТ22 Р07/А1ШУРС1ЫТ23 РВ6ЯОЗСШТАИ/РС1ЫТ6 РВ7ЯОЗС2/ХТА1_2/РС1№"7
РСО/АОСО/РС1МТ8
РС2/АОС2УРС1ЫТЮ РСЗ/АОСЗУРСИЧТП РС4/АОС4/ЗОА/РС1ЫТ12 РС5/АОС5/ЗСЦРС1МТ13 РСбУИЕЗЕТУРаЫТМ
14
15 16 17 т _ |_ЕОг
18 _Ч 19 10 М I
23
24
25
26
27
28 1
АТМЕСА328Р
Рис. 2
Датчик работает следующим образом. При поступлении на излучатель Б1 импульса тока он генерирует излучение в ИК-области. Оптическое излучение, проходя через контролируемый объект, ослабляется, оптический сигнал поступает на приемник Б2, формируется электрический импульс. Электрический сигнал в виде импульса напряжения поступает на вход операционного усилителя и2 и затем на аналоговый вход микроконтроллера. Далее обработанный сигнал, т. е. выделенная информация о влажности контролируемого объекта, передается в индикатор или базу данных для дальнейшей обработки.
Для калибровки любого измерительного прибора, в том числе оптоэлектронных датчиков относительной влажности воздуха, требуется знание множества эталонных параметров или необходимы эталонные образцы с заранее известными измеряемыми параметрами. В рассматриваемом случае использовались образцы с известными концентрациями относительной влажности воздуха, значения которых лежат в диапазоне от 25 до 90 % по объему.
Было разработано устройство, формирующее несколько эталонных значений влажности воздуха для калибровки оптоэлектронных датчиков влажности. Схематическое изображение устройства приведено на рис. 3, где 1 — трубка, объем которой рассчитан на максимальное значение относительной влажности воздуха, 2 — кварцевая трубка (кювета), 3 — 3' — вентили для заправки системы влажным воздухом, 4 — вентили для подключения следующего объема, 5 — калиброванные емкости, заполненные сухим воздухом, 6 — датчик температуры, 7 — датчик влажности воздуха.
6 7
II
00
3'
I
ж
И- I 1 1 4- й- В
1 1 1
Рис. 3
Для обеспечения точности формирования эталонных значений концентрации необходимо провести предварительную калибровку эталонных емкостей в следующем порядке:
— заливается каждая емкость отдельно до контрольной риски на стеклянной трубке эталонным количеством воды, масса которой предварительно измеряется прецизионным весовым устройством;
— в случае несовпадения емкости с эталонным количеством воды необходимо изменить объем калибруемой емкости с помощью калибровочных винтов.
2
5
5
5
Таким образом, подготовленное устройство может обеспечивать достаточную точность эталонных емкостей.
С помощью трубки с вентилем 3 в систему запускается нагретый водяной пар при открытом вентиле 3', остальные вентили закрыты, затем вентиль 3' закрывается. Таким образом, в первом отсеке и в кювете устанавливается 100%-ная относительная влажность воздуха. Проводим измерение и определяем, используя датчики 6 и 7, первую точку для калибровочной кривой. Открываем вентиль 4 следующего отсека, заполненного воздухом, — формируется новое значение концентрации влажности. Проводим измерение и определяем вторую точку для калибровочной кривой. Открываем вентиль 4 следующего отсека, заполненного воздухом, — формируется следующее значение концентрации влажности. Проводим измерение и определяем очередную точку для калибровочной кривой. В результате записываем показания калибруемого датчика, соответствующие всем имеющимся эталонным значениям измеряемого параметра — относительной влажности воздуха. Далее, используя метод наименьших квадратов, можно построить эмпирическую математическую модель измерительного прибора, т.е. получить калибровочную кривую исследуемого датчика. Затем реализуем программную обработку сигнала датчика с помощью математической модели, чтобы получить значение влажности на выходе прибора.
Разработанное устройство позволяет многократно воспроизводить эталонные значения влажности воздуха с достаточной точностью и осуществлять калибровку датчиков влажности.
список литературы
1. Матбабаев М. М. Оптоэлектронный метод и устройство контроля влажности воздуха крутильных и ткацких производств: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ташкент. политехи. ин-т им. А. Р. Беруни. Ташкент, 1990.
2. Умаралиев Н. Оптоэлектронные первичные измерительные преобразователи линейной плотности шелка-сырца и нитей из натурального шелка: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ташкент. гос. техн. ун-т. Ташкент, 1991.
3. ФрайденДж. Современные датчики: Справочник. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
4. Мухитдинов М., Мусаев Э. С. Оптические методы и устройства контроля влажности. М.: Энергоатомиздат, 1986. 96 с.
5. БерлинерМ. А. Измерения влажности. М.: Энергия, 1973. 400 с.
6. Мухитдинов М., Мусаев Э. С., Рожков В. М. Применение функционального управления потоками излучения для измерения плотности и влажности объектов // Измерительная техника. 1981. № 3. С. 66—67.
7. А. с. 802856 СССР. Способ измерения влажности /М. Мухитдинов, Э. С. Мусаев, В. М. Рожков // Б. И. 1981. № 5.
8. А. с. 842423 СССР. Устройство для измерения влажности / М. Мухитдинов, Э. С. Мусаев, В. М. Рожков // Б. И. 1981. № 24.
9. https://mash-xxl.info/info/362665/
10. Зуев В. Е., Макушкин Ю. С., ПономаревЮ. Н. Спектроскопия атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 247 с.
11. http://www.ibsg.ru
12. http://www.ibsg.ru/led/LED_Data/LED_PDF/LED_NS/LED-270-NS.pdf
13. http://www.ibsg.ru/PDF_Data/PD36-01_RU.pdf
Сведения об авторах
Нурмамат Умаралиев — канд. техн. наук; Ферганский филиал Ташкентского университета
информационных технологий, кафедра телекоммуникации и инжиниринга; E-mail: nurmuhammad@bk Махмуд Мирзаевич Матбабаев — канд. техн. наук, доцент; Ферганский политехнический институт,
кафедра электротехники, электромеханики и электротехнологии Кахрамон Михоилович Эргашев — Ферганский политехнический институт, кафедра метрологии, стандартизации и менеджмента качества продукции; ст. преподаватель; E-mail: muxammadboras@gmail.com
Поступила в редакцию 04.01.2020 г.
Ссылка для цитирования: Умаралиев Н., Матбабаев М. М., Эргашев К. М. Установка для изучения оптоэлектронного датчика влажности воздуха // Изв. вузов. Приборостроение. 2020. Т. 63, № 3. С. 237—241.
INSTALLATION FOR STUDYING AN OPTOELECTRONIC HUMIDITY SENSOR
N. Umaraliyev1, М. М. Matbabayev2, К. М. Ergashev2
1 Tashkent University of Information Technologies, Fergana Branch, 150118, Fergana, Uzbekistan, E-mail: nurmuhammad@bk.ru
2 Fergana Polytechnic Institute, 150122, Fergana, Uzbekistan
An installation is proposed for studying the principle of operation of an optoelectronic sensor for measuring relative air humidity. Description and structure schematic of a device for continuous monitoring of air humidity in a controlled object are presented. A device developed for calibrating humidity sensors, and algorithm for humidity sensors calibration are considered.
Keywords: digital measuring instruments, relative humidity, microclimate, optoelectronic humidity sensors, reference value, calibration of measuring instruments
REFERENCES
1. Matbabayev M.M. Optoelektronnyy metod i ustroystvo kontrolya vlazhnosti vozdukha krutil'nykh i tkatskikh proizvodstv (Optoelectronic Method and Device for Controlling Air Humidity in Torsion and Weaving Industries), Extended abstract of candidate's thesis, Tashkent, 1990. (in Russ.)
2. Umaraliyev N. Optoelektronnyye pervichnyye izmeritel'nyye preobrazovateli lineynoy plotnosti shelka-syrtsa i nitey iz natural'nogo shelka (Linear Density Optoelectronic Primary Transducers of Raw Silk and Natural Silk Threads), Extended abstract of candidate's thesis, Tashkent, 1991. (in Russ.)
3. Fraden J. Handbook of Modern Sensors, Springer, 2015, 758 р.
4. Mukhitdinov M., Musayev E.S. Opticheskiye metody i ustroystva kontrolya vlazhnosti (Optical Methods and Humidity Control Devices), Moscow, 1986, 96 р. (in Russ.)
5. Berliner M.A. Izmereniya vlazhnosti (Humidity Measurement), Moscow, 1973, 400 р. (in Russ.)
6. Mukhitdinov M., Musayev E.S., Rozhkov V.M. Measurement Techniques, 1981, no. 3, pp. 66-67. (in Russ.)
7. Certificate of authorship 802856 USSR, Sposob izmereniya vlazhnosti (Method for Measuring Humidity), M. Mukhitdinov, E.S. Musayev, V.M. Rozhkov, 1981, Bulletin 5. (in Russ.)
8. Certificate of authorship 842423 USSR, Ustroystvo dlya izmereniya vlazhnosti (Moisture Measuring Device), M. Mukhitdinov, E.S. Musayev, V.M. Rozhkov, 1981, Bulletin 24. (in Russ.)
9. https://mash-xxl.info/info/362665/. (in Russ.)
10. Zuev V.E., Makushkin Yu.S., Ponomarev Yu.N. Spektroskopiya atmosfery (Atmospheric Spectroscopy), Leningrad, 1987, 247 р. (in Russ.)
11. http://www.ibsg.ru. (in Russ.)
12. http://www.ibsg.ru/led/LED_Data/LED_PDF/LED_NS/LED-270-NS.pdf. (in Russ.)
13. http://www.ibsg.ru/PDF_Data/PD36-01_RU.pdf. (in Russ.)
Data on authors
PhD; Tashkent University of Information Technologies, Fergana Branch, Department of Telecommunication and Engineering; E-mail: nurmuhammad@bk
PhD, Associate Professor; Fergana Polytechnic Institute, Department of Electrical Engineering, Electromechanics, and Electrotechnology
Fergana Polytechnic Institute, Department of Metrology, Standardization, and Production Quality Management; Senior Lecturer; E-mail: muxammadboras@gmail.com
For citation: Umaraliyev N., Matbabayev М. М., Ergashev К. М. An installation for studying optoelectronic humidity sensor. Journal of Instrument Engineering. 2020. Vol. 63, N 3. P. 237—241 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-3-237-241
Nurmamat Umaraliyev Mahmud M. Matbabayev Kahramon M. Ergashev
