Vlhkosť vzduchu je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim ľudské zdravie a komfort. Nepriaznivé účinky môžu nastať ako pri príliš vysokej, tak aj pri príliš nízkej vlhkosti. Ideálne podmienky pre človeka sa zvyčajne pohybujú v rozmedzí 20 - 25 °C a relatívnej vlhkosti 40 - 60 %. Podmienky mimo tohto rozsahu môžu byť škodlivé.
Vysoká teplota stimuluje telo k reflexnému odvádzaniu tepla potením. Pot sa odparuje z povrchu pokožky, čím odoberá teplo a telo ochladzuje. V letných mesiacoch, najmä v pobrežných oblastiach s vysokou relatívnou vlhkosťou, je vzduch už nasýtený vodnou parou. V takýchto podmienkach sa pot odparuje pomalšie alebo vôbec, čo vedie k pocitu prehriatia a vyššej vnímanej teplote.
Okrem toho, že vysoká vlhkosť spôsobuje všeobecné nepohodlie, je spájaná s rozvojom chorôb ako astma, srdcové zlyhanie a strata sodíka. Nie je však menej dôležité ani nepriaznivé pôsobenie nízkej vlhkosti vzduchu, ktorá môže viesť k suchým atmosférickým podmienkam.
Princípy merania vlhkosti vzduchu
Meranie vlhkosti vzduchu je dôležité v mnohých priemyselných odvetviach, napríklad pri sušení, alebo pri prevádzke klimatizačných systémov v budovách a vozidlách. Existuje niekoľko metód merania vlhkosti:
Hygroskopická metóda
Ide o jednu z najstarších metód merania vlhkosti. Využíva vlastnosť niektorých látok, nazývaných hygroskopické materiály, meniť svoje rozmery v závislosti od množstva absorbovanej vzdušnej vlhkosti. Najčastejšie sa ako hygroskopický materiál používa ľudský vlas, ktorý mení svoju dĺžku až o 2,5 % v rozsahu 0 - 100 % RH. Vlasové vlhkomery merajú priamo relatívnu vlhkosť vzduchu na základe zmeny dĺžky vlasového zväzku. Zväčšovanie dĺžky nie je však rovnomerné, preto majú nižšie relatívne vlhkosti väčšie dieliky na stupnici. Ak je prístroj dlhšiu dobu v suchom prostredí, zle reaguje na zmeny vlhkosti vzduchu a je potrebné ho regenerovať navlhčenou látkou počas približne 24 hodín.
Moderné hygrografy, ktoré merajú a registrujú relatívnu vlhkosť, používajú namiesto vlasov preparované črevné blany alebo blany z umelých hmôt ako hygroskopické látky.
Psychrometrická metóda
Psychrometrická metóda je najrozšírenejšia metóda merania vlhkosti. Využíva princíp chladenia odparovaním. Stanovenie vlhkosti prebieha porovnaním teploty okolia s teplotou meranou vlhkým teplomerom. Voda z povrchu vlhkého teplomera sa odparuje a tým ho ochladzuje. Čím menšia je relatívna vlhkosť vzduchu, tým intenzívnejšie prebieha odparovanie a tým väčší je rozdiel medzi teplotami meranými suchým a vlhkým teplomerom (tzv. psychrometrická depresia). Tento rozdiel sa následne vyhodnocuje pomocou tabuliek alebo výpočtom.
Základným prvkom trenažéra na meranie vlhkosti je klimatická komora s nastaviteľnou vlhkosťou a priehľadnými dvierkami. Na odvlhčovanie sa používa Peltierov chladiaci prvok a na zvlhčovanie ultrazvukový rozprašovač. Ventilátor zabezpečuje cirkuláciu vzduchu a dobré premiešanie.
Štandardný psychrometer pozostáva z dvoch teplomerov umiestnených na spoločnom stojane. Jeden teplomer (suchý) meria teplotu vzduchu, zatiaľ čo druhý (vlhký) je trvalo navlhčený napr. pomocou prúžku savého textílie. Ak je v zime na pančuške ľad, meranie vlhkosti sa vykonáva podľa špeciálnych tabuliek. Pre presnejšie merania sa používa aspiračný psychrometer, kde je zabezpečený aktívny prúd vzduchu okolo vlhkého teplomera.
Elektrické prístroje založené na psychrometrickom princípe používajú namiesto sklenených teplomerov termočlánky. Teplé spoje termočlánkovej batérie reprezentujú suchý teplomer a studené spoje obalené pančuškou vlhký teplomer. Na určenie psychrometrickej diferencie je potrebné merať aj teplotu vzduchu.
Kapacitná metóda
V kapacitných snímačoch sa mení dielektrická konštanta vrstvy v dôsledku absorbovaných molekúl vody, čo vedie k zmene kapacity. Polymérový film nanesený na sklenenej platni mení svoju kapacitu pri absorpcii vodnej pary, čo sa prejaví na zmene elektrického signálu. Táto metóda sa označuje aj ako "neventilovaný" spôsob merania.
Absorpčná metóda
Táto metóda využíva vlastnosť látky LiCl intenzívne absorbovať vodu, čím sa stáva elektricky vodivou. Vlákno s LiCl sa elektricky ohrieva, až kým sa absorbovaná voda neodparí a vodivosť neklesne. Meria sa množstvo energie potrebnej na vysušenie absorbovanej vlhkosti.
Priemyselné snímače a systémy merania vlhkosti
Pre náročné priemyselné aplikácie sú určené špecializované vysielače vlhkosti. Vysielač teploty a vlhkosti HG808-T je navrhnutý pre prevádzkové teploty do 200 °C a je vhodný pre aplikácie ako sú vysokoteplotné procesné inžinierstvo, priemyselné sušenie, testovacie komory, alebo spracovanie petrochemických emisií.
Vlastnosti vysielača teploty a vlhkosti HG808-T:
- Ultra vysoké senzory odolné voči teplote
- Odolné hliníkové puzdro
- Komponenty z nehrdzavejúcej ocele
- Dlhodobá stabilita a odolnosť proti korózii
- Typ sondy: Sonda typu rozdelenia/potrubia s schopnosťami proti znečisteniu a odolnosti voči oleju
- Možnosti výstupu: RS485, dva analógové výstupy (0-5V alebo 0-10V voliteľné)
- Rozlíšenie analógového výstupu: 15 bitov
- Rozlíšenie digitálneho výstupu: 0,1 alebo 0,01
- Senzor synchronizovaná funkcia: Funkcia antikondenzácie pre udržanie synchronizovaného senzora v prostrediach s vysokou vlhkosťou
- Čítanie digitálnych výstupov: Súčasne číta rosný bod, vlhkosť, teplotu a hodnoty PPM
- Komunikačný protokol: Štandardný protokol MODBUS RTU
- Vstup: 10V ~ 28 V ultra široký vstup napätia
- Ochrana funkcií: nadprúdová ochrana, ochrana polarity napájania, ochrana proti ESD, funkcia protivládneho pripojenia napájania
HG808-T je priemyselný vysielač teploty, vlhkosti a rosného bodu pracujúci až do 200 °C, určený pre drsné prostredia. Okrem merania teploty a vlhkosti vypočítava a prenáša aj rosný bod. Teplotný prevádzkový rozsah je -40 °C až 200 °C. Sonda je vodotesná a odolná voči jemnému prachu.
Vysielač ponúka flexibilné možnosti výstupu pre údaje o teplote, vlhkosti a rosnom bode vrátane štandardného priemyselného rozhrania RS485, digitálneho signálu 4-20 mA a voliteľných analógových výstupov 0-5V alebo 0-10V. HG808 môže byť pripojený k rôznym systémom priemyselného riadenia vrátane digitálnych zobrazovacích meračov, PLC, konvertorov a hostiteľov priemyselnej kontroly.
Priemyselné senzory HG808-T na meranie relatívnej vlhkosti a teploty sú navrhnuté pre automatizáciu priemyselných procesov a môžu byť inštalované v rôznych polohách. Sú k dispozícii na montáž do potrubia, na steny alebo s sondou z nehrdzavejúcej ocele s dĺžkou až 5 metrov od výstupnej elektroniky. Typ filtrov a filtračných materiálov je možné prispôsobiť požiadavkám na ochranu až do IP65.
Všetky zariadenia pracujú s vnútorným procesorom, ktorý na základe nameraných hodnôt vypočítava aj absolútnu vlhkosť, pomer zmesi (voda/vzduch) alebo rosný bod. Digitalizácia spracovania signálu umožňuje dosiahnuť presnosť merania vlhkosti ±2,0 % RH a presnosť merania teploty ±0,3 ℃. V závislosti od návrhu môžu byť senzory použité pri teplotách od 0 °C do +200 °C a pri tlakoch do 10 barov v nekorozívnom vzduchu.
Existujú aj systémy riadené mikrokontrolérom určené na snímanie environmentálnych parametrov, ktoré zahŕňajú snímanie teploty, vlhkosti, atmosférického tlaku, hlučnosti a koncentrácie alkoholu. Tieto systémy sú často modulárne a využívajú komerčné mikrokontrolérové moduly.
Príkladom takéhoto snímača je Parallax SHT21, digitálny, plne kalibrovaný snímač teploty a vlhkosti s 14-bitovým A/D prevodníkom a komunikačným protokolom I2C. Ďalším príkladom je modul Bosch Sensortec BME280, integrovaný barometrický senzor s piezorezistívným tlakovým snímačom, ktorý poskytuje presné meranie tlaku, teploty a vlhkosti prostredníctvom rozhraní SPI alebo I2C.
Pre meranie zvuku sa používajú elektretové mikrofóny, ako napríklad Monacor MCE-401, ktoré vyžadujú napájanie 48 V prostredníctvom fantómového okruhu. Signál z mikrofónu je zosilňovaný mikrofónnym zosilňovačom, napríklad MAX9812. V systémoch sa môžu využívať aj 7-pásmové priepuste na analýzu akustického spektra.
Na detekciu alkoholu sa používajú snímače na báze SnO2, napríklad MQ-3, ktoré sú citlivé aj na iné zložky, preto je pre selektivitu na alkohol potrebné kombinované snímanie. Meraná hladina alkoholu je úmerná napätiu na výstupe snímača.
Pre bezdrôtovú komunikáciu sa využíva technológia Bluetooth, ktorá umožňuje výmenu dát na krátke vzdialenosti pomocou rádiových vĺn v pásme ISM 2,4 GHz. Mikrokontroléry spracúvajú dáta a PC ich zaznamenáva a zobrazuje.
Základom mnohých vývojových dosiek je 8-bitový mikrokontrolér, napríklad AVR ATmega328, ktorý disponuje rôznymi perifériami ako sú čítače/časovače, PWM generátory a A/D prevodníky. Tieto dosky majú digitálne vstupno-výstupné piny a analógové vstupné piny.
Pri návrhu DPS sa používajú softvérové nástroje ako Altium Designer. Vyrobená DPS je následne osadená súčiastkami a premeraná pre prípadné skraty. Pri oživovaní systémov sa môžu vyskytnúť konflikty na sériovej zbernici alebo problémy s kompatibilitou knižníc.
Grafické rozhranie pre zobrazovanie nameraných výsledkov sa často realizuje v softvérových aplikáciách ako je LabWindows. Tieto aplikácie umožňujú zobraziť namerané hodnoty teploty, vlhkosti vzduchu, atmosférického tlaku a koncentrácie alkoholu, ako aj údaje z akustického spektra.
Princíp činnosti aplikácie často zahŕňa inicializáciu premenných, nastavenie registrov a sériového portu, následné načítanie nameraných dát prostredníctvom sériových komunikačných zberníc a spracovanie dát v hlavnej slučke. Pre správne priradenie hodnôt v zobrazovacom paneli sa v zdrojovom kóde používajú označovacie znaky reťazca a oddeľovacie znaky.
