Файл: Автоматизированная беспроводная система измерений параметров окружающей среды.pdf

21
должны обеспечивать сохранение теплового баланса человека с окружающей средой и поддержание оптимального или допустимого теплового состояния ор- ганизма [9]. Показателями, характеризующими микроклимат в производствен- ных помещениях, являются:
– температура воздуха;
– температура поверхностей;
– относительная влажность воздуха;
– скорость движения воздуха;
– интенсивность теплового облучения.
Выделяют следующие параметры, характеризующие микроклимат в жи- лых и общественных помещениях:
– температура воздуха;
– скорость движения воздуха;
– относительная влажность воздуха;
– результирующая температура помещения;
– локальная асимметрия результирующей температуры.
Также важным нормируемым параметром производственных,
жилых и общественных помещений является уровень освещённости помещений, требо- вания к которому устанавливаются в СП 52.13330.2011 «Естественное и искус- ственное освещение» и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и обще- ственных зданий».

22
2 Требования к системе измерений параметров окружающей среды
На основе возможных областей применения системы измерений пара- метров окружающей среды, рассмотренных в разделе 1, можно выделить ряд требований к разрабатываемой системе, которые представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Требования к системе измерений параметров окружающей среды
1) Мобильность. Система измерений должна быть мобильной, это по- может облегчить ее использование для пользователей, а также обеспечит бóль- шую область покрытия. Мобильность может быть обеспечена с помощью бес- проводной передачи данных от узла Системы к компьютеру и сравнительно не- большими габаритными размерами.
2) Масштабируемость означает, что система позволяет наращивать ко- личество функциональных узлов и протяженность связей в очень широких пре- делах, при этом производительность ее не ухудшается. Необходимо обеспечить возможность интегрирования разрабатываемой Системы в другие системы и расширения функциональной составляющей. Для обеспечения масштабируемо- сти Системы измерений должна быть реализована возможность добавления и/или исключения датчиков из ее состава.
3) Модульность. Должна быть возможность использования разрабатыва- емой Системы индивидуально или в качестве модуля в составе других систем.
Таким образом, необходимо обеспечить возможность интегрирования разраба-

23
тываемой Системы в другие системы. Например, Система может быть исполь- зована в качестве модуля автоматизированной информационной системы учета результатов поверки (калибровки) для автоматизации измерений параметров окружающей среды и сохранения результатов в протокол поверки (калибров- ки).
4) Многоканальность. Необходимо обеспечить быстродействие и соот- ветственно меньшие временные затраты на функционирование Системы, а так- же возможность одновременного измерения нескольких разнородных физиче- ских величин. Это может быть достигнуто наличием в составе Системы набора датчиков, работающих параллельно.
5) Формирование отчетности. Разрабатываемая система измерений должна автоматически формировать отчетность. Протокол измерений должен содержать всю необходимую информацию в удобном для пользователя виде, например, в форме таблиц и графиков.

24
Температура – мера кинетической энергии колеблющихся частиц, ха- рактеризующая состояние равновесия, пропорциональна кинетической энергии хаотического движения частиц системы. Температура обычно выражается в градусах Кельвина, Цельсия или Фаренгейта.
Температура является одним из основных факторов, определяющих жизнедеятельность человека, эффективность и качество промышленного про- изводства, надежность функционирования приборов и систем.
Для измерения температуры используются различные средства измере- ния такие как термопары, термосопротивления, полупроводниковые датчики температуры и др.
Принцип действия термопар основано на явлении Зеебека: при нагрева- нии спая двух металлов на выводах этого спая образуется термоЭДС, пропор- циональная температуре.
Термопара является термоэлектрическим преобразователем (ТЭП) и представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников. На рисунке 2 представлена термоэлек- трическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов) А и В. Ме- ста соединений термоэлектродов 1 и 2 называют спаями. Если температуры спаев t и t
0
не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток.
Направление этого тока, называемого термотоком, зависит от соотношения температур спаев. Спай, погружаемый в объект измерения температуры, назы- вают рабочим спаем или рабочим концом, а спай вне объекта называют свобод- ным спаем (концом) [10].
Рисунок 2 – Схема термоэлектрического преобразователя

25
Генерируемая в контуре ТЭП термоЭДС зависит только от химического состава термоэлектродов и температуры спаев и не зависит от геометрических размеров термоэлектродов и размера спаев.
Существует две стандартные схемы подключения термопары к измери- тельным и преобразовательным приборам. Устройства подключаются либо к свободным концам термоэлектродов (рисунок 3а), либо в разрыв одной из дуг датчика (рисунок 3б). а б
1 – измерительный прибор;
2, 3 – термоэлектроды;
4 – соединительные провода
Т1, Т2 – температура «горячего» и «холодного» спаев термопары
Рисунок 3 – Схемы подключения термопары
Термосопротивление является пассивным датчиком, т.е. для преобразо- вания температуры необходимо пропустить через него ток. Основой термосо- противлений является свойство изменения электропроводности металлов при изменении температуры.
При соединении датчиков температуры с измерительной частью термо- метра приходится учитывать сопротивления соединительных проводов и воз- никающие в местах соединений паразитные термоЭДС. При подключении тер- мосопротивлений наиболее часто используют омическую и мостовую схемы.
Простейшая омическая схема включения термосопротивления представ- лена на рисунке 4 и содержит источник тока, соединительные провода и сам датчик.

26
e2
e1
r2
r1
R
t
I
V
t
r1, r2 – сопротивления соединительных проводов
Рисунок 4 – Омическая схема включения термосопротивления
Выходное напряжение V
t
в схеме образуется виде падения напряжения на сопротивлениях R
t
, r1 и r2 и напряжений термоэдс e1 и e2 на спаях, соеди- няющих термосопротивления (обычно из платины) и соединительные провода
(обычно из меди). Напряжения термоэдс включены встречно, поэтому на выход поступает их разность. Чтобы сделать равными термоэдс на спаях температуры спаев стараются делать одинаковыми. Тогда термоэдс равны и вычитаются из выходного напряжения.
На сопротивлениях соединительных проводников возникают дополни- тельные падения напряжений, создающие аддитивную погрешность измерения температуры. Поэтому все способы подключения термосопротивления направ- лены на то, чтобы исключить влияние соединительных проводников. Основным среди них является мостовое включение термосопротивления. На рисунках 5а и
5б показаны две таких схемы. Резисторы R1– R3 и термосопротивление Rt сов- местно с источником эдс возбуждения E образуют резистивный измерительный мост. Точки ab и cd называют диагоналями, а цепи R1– R2 и R3– Rt – ветвями моста.
Обычно сопротивления всех резисторов выбирают одинаковыми и рав- ными сопротивлению Rt при температуре 0° С. Поэтому при этой температуре напряжения V
cb
и V
db равны и выходное напряжение ΔV
t
равно нулю. При этом мост считают сбалансированным.

27
а б а – двухпроводная мостовая схема; б – трёхпроводная мостовая схема;
r1, r2 и r3 – сопротивления соединительных проводников
Рисунок 5 – Мостовые схемы включения термосопротивления
В качестве датчиков температуры в последнее время применяются по- лупроводниковые приборы: диоды, транзисторы и специальные интегральные микросхемы.
Полупроводниковые датчики температуры предназначены для измере- ния температуры от минус 55 °С до 150 °С. Физический принцип работы полу- проводникового термометра основан на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Данная зави- симость близка к линейной, что позволяет создавать датчики, не требующие сложных схем коррекции [11].
Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики можно встретить в составе микропроцессоров и микроконтроллеров, служеб- ных мониторов микропроцессорных систем, а также в других измерительных устройствах, например, датчиках влажности. Возможен и противоположный вариант – добавления различных элементов к датчикам. Примером подобных изделий могут служить датчики температуры с цифровым выходом. В отличие от аналоговых вариантов, эти устройства содержат встроенный АЦП и форми- рователь сигналов какого-либо стандартного интерфейса. Наибольшую попу- лярность получили интерфейсы SPI, I
2
C и 1-Wire.
d
c
b
a
E
Δ
V
t
R
1
R
t
R
3
R
2
r3
r2
d
c
b
a
E
R
1
R
t
R
2
R
3
Δ
V
t
r1

28
Одним из важнейших достоинств полупроводниковых термометров яв- ляется их богатая функциональность. В отличие от использования термопар, для полупроводниковых термометров отсутствует необходимость разрабаты- вать схему компенсации холодного спая и схему линеаризации выходного сиг- нала. Также такие датчики температуры компактны, относительно дешевы, и могут легко встраиваться различные электронные приборы. При этом они обла- дают высокой чувствительностью и достаточно высокой точностью.
2.1.2 Относительная влажность окружающего воздуха
Влажность воздуха – это величина, характеризующая содержание водя- ных паров в атмосфере Земли. Относительная влажность воздуха – это отноше- ние его текущей абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажно- сти при данной температуре. Относительная влажность обычно выражается в процентах.
Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность воздуха измеряют косвенным путем.
Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или просто датчиком влажности.
По принципу действия, гигрометры можно разделить на: а) емкостные гигрометры представляют собой конденсаторы с возду- хом в качестве диэлектрика в зазоре. Известно, что у воздуха диэлектрическая проницаемость непосредственно связана с влажностью, а изменения влажности диэлектрика приводят и к изменениям в емкости воздушного конденсатора.
Пример использования емкостных датчиков влажности показан на рисунке 6;
Рисунок 6 – Емкостной датчик влажности

29
б) резистивные датчики влажности включают в себя два электрода, ко- торые нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой мате- риала, который отличается достаточно малым сопротивлением, но сильно ме- няющимся в зависимости от влажности. На рисунке 7 представлен резистивный датчик влажности [12];
Рисунок 7 – Резистивный датчик влажности в) термисторные датчики влажности состоят из пары одинаковых термисторов – нелинейных электронных компонентов, сопротивление которых зависит от температуры. На рисунке 8 представлен термисторный датчик влаж- ности. Один из включенных в схему термисторов размещают в герметичной камере с сухим воздухом, а другой – в камере с отверстиями, через которые в нее поступает воздух, влажность которого требуется измерить. Термисторы со- единяют по мостовой схеме, на одну из диагоналей моста подается напряжение, а с другой диагонали считывают показания.
В случае, когда напряжение на выходных клеммах равно нулю, темпера- туры обоих компонентов равны, следовательно, одинакова и влажность. В слу- чае, когда на выходе будет получено не нулевое напряжение, то это свидетель- ствует о наличии разности влажностей в камерах. Так, по значению полученно- го при измерениях напряжения определяют влажность;
Рисунок 8 – Термисторный датчик влажности