（车辆工程专业论文）湿膜式工业加湿器电控系统的设计.pdf

摘要本文以湿膜式j ：业加湿器为控制对象，完成了湿膜式l ：业加湿器电控系统的没计。本系统主要能够完成以f 功能：采集空气中的湿度状态，= f ：送入主控模块，士控模块根据现有的湿度判断是保持原来状态还是进行加湿以及加湿督的人小利加湿速度等：能够通过水位传感器测试水何的状态，从而通过主控模块控制进水、排水、预报警、报警等；具有良女，的人机交互性，能够通过控制面板比较方便地进行湿度设定、加湿量设定、进水阀的控制、导风的控制等；能够和上位机进行通信，从而实现网络监控。体人的重点j ：作是电控系统的软埂件开发与设计。1 通过国内外大量相关文献的检索和研究，总结了各种类型加湿器的原理、特点以及应用范同，并对机电一体化技术在加湿器上的应_ l f 进行了论述。不同类型的加泓器有各白的特点、适用领域和消费层次，任何一种加湿器都不能完全代替另一种类型的加湿器。2 对湿膜式1 1 业j j d f 盟器的加湿机理f u ) j n 湿性能进行了理论上的分析，为电控系统的设计奠定了基础。通过理论上的研究本文建议使j j 如l - j ，h 湿方法：湿膜式加湿器中风机欧 l l 的水蒸气不直接进入空气中，而是经过一个迂回的空问再送剑空气侧，使水蒸气经过此空间后，其中较大的水珠沉积下来，从而较好的实现均匀加湿。3 论述了_ 1 ：业控制方法的发展进稃。重点论述了集敞控制系统和现场总线控制系统的构成、特点和发展趋势井从集散控制系统和现场总线控制系统中汲取了本电控系统的控制思想模块化控制。通过理论分析和实践证明，本文认为模块化控制具有开发周期短、充分利用空间、在调试的时候容易发现问题、抗干扰能力强、容易维修和检查错误、降低维修成本、互换性强、容易改进和升级等优点。4 开发并实现了电控系统的硬件部分，包括显示模块：主要负责人机交互，显示湿度、温度，修改湿度、时间、日期、星期，和主控模块通讯；i 也源驱动模块：土要提供各个模块的电源，驱动被控设备，实现主控模块的意图，并能实现继电器的过零保护，过流、过压、欠压保护；水位传感器组：负责测知水位的状态，井把此状态送入单片机，单片机经过判断、处理反过来控制水位，实现水位的闭环控制。5 开发并实现了电控系统的软件部分。主要是显示模块的软件部分，包括显示部分，键盘部分，以及通讯部分。本软件设计采_ i _ i j 了模块化的设计思想。j关键词：加湿_ f ：控制系统一串行通讯- 保护电路a b s t r a c ti nt h i sp a p e rt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo f w e t - f i l mc a b i n e tt y p eh u m i d i f i e r sh a v ed e s i g n e d t h es y s t e mc a nc a r r yo u ts u c hw o r k sa sf o l l o w s ：a c q u i s i t i o no fh u m i d i t ys t a t e si nt h ea i rs h o u l db ec a r r i e do u ta n dt h eh u m i d i t ys h o u l db es e n tt om a i nc o n t r o lm o d u l e t h em a i nc o n t r o lm o d u l ew i l ld e t e r m i n ew h e t h e rt ok e e pt h es t a t eo rt oa d j u s t d u r i n gt h ea d i u s t m e n t i td e c i d e dt h ea m o u n ta n dt h er a t eo fh u m i d i f i c a t i o n t h es y s t e mc a nt e s tt h es t a t e so fw a t e rl e v e lb yw a t e rl e v e rs e n s o r ,t h e r e b yt h em a i nc o n t r o lm o d u l ec a nc o n t r o lt h ee n t r a n c ea n dd r a i no fw a t e ra n dg i v ew a r n i n g s ；a si t sg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，t h es y s t e mc a ne x p e d i e n t l ys e tt h eh u m i d i t ya n dt h ea m o u n to fh u m i d i f i c a t i o na n dc o n t r o lw a t e r - i nv a l v ea n dl e a d i n gw i n d st h r o u g hc o n t r o lp a n e lt h es y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e rt h e r e b yt h en e ts u p e r v i s ei se n a b l e dt h ec h i e f t a s ko f m i n ei st h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ee l e c t r o n i cc o n t r o is y s t e m 1 u n d e re x t e n s i v er e a d i n gh o m ea n da b r o a dr e l e v a n tl i t e r a t u r e ，t h ep r i n c i p l e s 、t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef i e l d so fa p p l i c a t i o no fa l ls o n so fh u m i d i f i e r sa r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d a n dt h ea p p l i c a t i o no fm e c h a t r o n i c so nh u m i d i f i e r si se x p a t i a t e dd i f f e r e n th u m i d i f i e r sh a v et h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c ，f e l d so f a p p l i c a f i o na n dc o n s u m e rl e v e l s ，s ot h e yc a n tb er e p l a c e db ye a c ho t h e r 2 t h eh u m i d i f i c a t i o nm e c h a n i s ma n di m m i d i f i c a t i o nc a p a b i l i t yh a v eb e e na n a l y z e di nt h e o r yt h i si st h ef o u n d a t i o no fd e s i g no fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m u n d e rr e s e a r c hi nt h e o r y ，t h i sp a p e rs u g g e s t st h a tw es h o u l du s es u c hh u m i d i f i c a t i o nm e t h o da sf o l l o w s ：t h ev a p o ri nh u m i d i f i e rs h o u l dg e ta c r o s sar o u n d a b o u tr o o mb e f o r ei ti ss e n tt oa i r s ot h eb i gb e a d si nt h ev a p o ra r ed e p o s i t e d ，a n dt h e nt h eh u m i d i f i c a t i o nw i l lb ee v e n3t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lc o n t r o lm e t h o di se x p a t i a t e d t h ee m p h a s e sa r et h es t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i ca n dt r e n d so fd c sa n dt h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m t h em o d u l e c o n t r o lt h e o r yi st a k e nf r o mt h e s et w oc o n t r o ls y s t e m sa n da p p l i e di nt h i sc o n t r o ls y s t e mt h r o u g ha n a l y z i n gi nt h e o r ya n dp r o v i n gi np r a c t i c e ，t h i sp a p e ri n d i c a t e st h a tt h em o d u l e - c o n t r o ls y s t e mh a v em a n ym e r i t s ：t h ed e v e l o pc y c l ei ss h o a ；t h ea p p l i c a t i o no fr o o mi ss u f f i c i e n t ；t h ep r o b l e mw i l lb ef o u n de a s i l yi nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n g ；t h ec a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gi ss t r o n g ；m a i n t a i na n dc h e c ke r r o r se a s i l y ；j n t e r c h a n g e a b i l i t yi sg o o d ；u p g r a d ei se a s y 4 t h eh a r d w a r eo f e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d i ti n c l u d e sd i s p l a ym o d u l ew h o s et a s k sa r em a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，d i s p l a y i n gh u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r e ，s e r i n gh u m i d i t y ，t i m e ，d a t ea n dw e e k ，c o m m u n i c a t i n gw i t hc o m p u t e r ；p o w e rd e v i c em o d u l ew h i c hp r o v i d e sp o w e ro fa l lm o d u l e sa n dd r i v e sc o n t r o le q u i p m e n t st oa c c o m p l i s hi n t e n t i o no fm a i nc o n t r o lm o d u l ea n dc a np r o v i d ez e r oc r o s s i n gp r o t e c t i o nc i r c u i t ，e x c e s sv o l t a g ea n du n d e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n de x c e s sc u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t ；w a t e rs e n s o rg r o u p ，t h er e s p o n s i b i l i t i e so fw h i c ha r et e s t i n gt h es t a t e so f w a t e ra n ds e n dt h es t a t e st os c m ，t h e nt h es c mc o n t r o lt h ew a t e rl e v e la f t e r j u d g i n gt h es t a t e s5t h es o f t w a r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi n c l u d e sd i s p l a ym o d u l e ，k e y b o a r dm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h em o d u l e d e s i g ni d e ai su s e di nt h i ss o f t w a r ek e y w o r d s ：h u m i d i f i c a t i o n ，c o n t r o ls y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，p r o t e c t i o nc i r c u i tl ip4 6 67 6 6独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导一f ( 或我个人) 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：亩l 永时间：。年j 月”1 3关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校卣权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或习描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：别币时【i j ：以年3 月p 目 师签名：积以季时间：饥9 口z 年歹月2 门第一章绪论1 1 加湿器介绍1 1 1 空气湿度对工业生产和生活环境的重要- 陛空气湿度和空气温度一样，都是空气环境的重要冈素，它对人们的生活环境、j 作环境以及l ：业生产都具有非常重要的意义。1 影i j 向舒适性。空气中的湿度对人们的舒适感有直接的影响，以皮肤感觉、生理反应和热效应为基础而获得的研究成果提出了“标准有效温湿度指数”，它表明j - q 二球温度2 3 2 5 。c 相对湿度2 0 5 0 范周内，是人体感觉舒适的最佳温湿环境。2 湿度和健康。不合适的湿度容易倥人生病，影响人体健康。口本北卫大学教授山u “1 阐述了湿度与流感的关系：当环境湿度高于5 0 r h 时，流感病菌的存活时间不超过1 0 , j , u q ：当环境湿度低于3 5 r h 时，流感病毒的存活时间超过2 4 小时。研究表明人体最适宜的健康湿度在4 5 r h 至6 5 r h 之间。3 适当的湿度可以防j r 产生静电干燥的环境容易产生静电。在某些要求较高的环境，如计算机房、程控电话交换机机房、电子加i ：车间平集成电路生产车间等，静电放电会损坏元器1 1 - ，造成设备火效：面粉加i ：厂、燃气制造厂、油库以及易燃性粉尘浓度较高的生产环境，要保持一定的空气湿度以控制在出现高浓度氧气和其他易爆气体混合物时不产生静电，避免引起爆炸：加r 各种细小粉状物质时，稍微增人水份可减少静电，使流动均匀而不结块。如果使相对湿度维持在4 0 5 0 范围之内，则基本上能消除静电产生的可能性”。这是囚为当物体周罔的湿度达剑一定程度时，其周罔就形成了很薄的一层水汽层，它能捕集漂浮在空气中的带电尘粒，从而提供了使静电流向人地的通道。4 对某些产品和加工：l 艺的影响。湿度对许多生产部门的产品质量起着决定作。各类l ：厂在按既定的加】i 艺进行生产的时候，不可避免的受剑环境湿度的影响。机械加：j 。、装配、包装以及材料处理都对湿度环境提出一定的要求。( 1 ) _ 小材及小材制品。术材在不同的干球温度和相对湿度_ 卜的e m c 有不同的值，它可作为确定小材存储和加一【所要求的环境条件的依据。( 2 ) 纺织品。合适而恒定的湿度可减少静电和囚静电而产生加工凼难的问题，还可使毗连纤维之间摩擦均匀，在精纺织品中获得更均匀的纱线张力，以及增加纱的抗磨性阿使浸街有更高的坝1 ：学位论文鹕帝绪论加f 述度。( 3 ) 纸制饥从加i ：开始剑结束的任俐时候，纸的含水艟变化均会造成j t 寸变化，严重时会卷曲使加【：品报废。一般纸张含水域5 7 时具有台通的加工姐度和性能，也就是说室内相对湿度应为4 0 5 0 l ：l l o( 4 ) 感光材料。感光材料在制造、处理和储存过转冲除了需要：i # 常高的空气沾净度以外，还需要精确的控制温度和湿度。静电的产生, l t l , “t t 放将会在加i 。立的胶片上留f 条痕静电还会将污物和毛绒吸附到胶片上。一般胶片和电影胶片的贮存环境分别为温度：1 5 6 。c t 手, 1 11 0 c ，相对湿度：5 0 , 1 14 0 ：印相室温度：2 1 1 2 67 。c ，相对湿度：4 0 5 0 ”1 。( 5 ) 印刷晶。印刷环境湿度控制不盘，会山现以r 问题：成品卷曲变形：f 板纸或卷筒纸在印制时起皱：多色套印不配准，冈而图像模糊：墨迹干得慢；排字滚筒膨胀或收缩；照相印刷中表面涂料感光性能变坏。5 对公共建筑和：f 。业建筑的影响。特种j ：业建筑，如沾净厂房( 电子芯片 ：业) 、环境实验室、计算机房等，以及公共建筑，如疗养院、医院建筑、图二| c 馆、博物馆等对湿度环境有各自不同的要求。另外湿度对食品，面包制 “以及动物的生活也都有一定的影响。1 1 2 加湿器发展的历史及现状“”“”为了满足人们对生活环境的要求以及l ：业生产的需要，尽快研制湿度的检测与控制仪器势住必行，冈此作为它的一个重要方面加湿器的研制也铍提剑日程上来。国外加湿器的研制从5 0年代开始起步，剑目前已经经历了i | 个1 u ：纪的风风雨雨。其产r u l 日益繁多，加湿性能逐渐提高，对人体和环境的危害大量减小，甚至推出健康型的加湿器。白五十年代加湿器山现以米，加湿器在国外得到了长足的发展，特别是目本，非常重视加湿器的研究和开发，加湿器的市场也非常活跃。近年来，加湿器在日本也得到了越来越广泛的应川。1 9 9 0 年日本加湿器的销售总额已经达到7 8 亿日元。在十多种加湿器中，超声波式、电极式、电热式以及气化式加湿器发展最快，i l l 销傅总额的7 8 。表1 2 为日本5 0 8 0 年代间各类加湿器一j j 使川总数量自分比的变化情况。表1 3 为1 9 9 0 年日本空涧用各类加湿器的销售额。表l 一25 0 8 0 年代各类加湿器ij l 总数卣分比l5 0 年代6 0 年代7 0 年代8 0 年代水喷射武2 01 05 00l 蒸汽喷射代8 06 0 2 02 0 1 01 0l 盘式0l o 2 02 0 l o1 0 电极、f 乜热式0l o 2 02 0 1 01 0离心式01 01 0l o商丘喷射式o0 j o2 0 3 03 0 1 0超声波式o00 3 02 0 4 0气化式0000 2 0由表1 2 、1 3 可看山，至8 0 年代末期，超卢波、气化式以及l u 极、电热式加湿器l j 有很人的比例，这也表明了加湿器的发展方向。表31 9 9 0 年日本空调_ l i i 加湿器销售额，亿日元l 蒸汽喷射i u 极、红外线，i 稿址喷射超声波式盘式离心j 气化，总l式f u 热式j l32l8l32l656532 682 057 80近年来，美国加湿器也有很大的发展，市场状况良好。关国最成功的加湿器销售商之一b i l ll e a强调说“加湿器的销售是年度性的，而不仅仅是季度性的。”b i l ll e a 每年销售近1 0 0 0 台a p r i l a i r e牌加湿器。图1 1 即为一年内加湿器和空气清沾器销售餐按时间的分配幽。h u m i d i f i e r sa n da i rc l e a n e r sr e t r o f i ti n s t a l l a t i o n sl e ah e a t i n g & a i rc o n d i t i o n i n gu 1 1 1 j t si n s t a l l e d一一一一：入1一v汹、- 卜_ 斗k 一lilioh u m i d i f i e r s la i rc l e a n e r s图1 - 1荚国加湿器季肖销售情况七十年代至八十年代，国外在超声波加湿器和红外线加湿器方面已经商一铺化了。近年来，环境湿度的检测在我国受到越米越普遍的重视。一些行业和部门都提出了自己的湿度测量要求，其范罔人致如表1 - 1 所示。表1 - 1环境检测要求玎、境榆测篮求行业或部门温度行业或部门温度湿度灞度( r h )()()( r h )纺织、化纤l 卜4 04 卜8 0医药lj 生0 5 03 0 一9 0i b 了、家i u1 0 4 03 0 7 0混凝1 ：热养护3 0 1 0 55 一1 0 0e , i k 产品质榆1 0 一8 03 0 一1 0 0食曲、胀造1 0 一8 02 01 0 0农副产品保鲜5 一l57 0 1 0 0农林良种保存1 5 5l o 一4 0粮食仓储0 4 03 0 8 0商品物资存储1 0 一4 03 0 7 0术利烘干4 0 1 0 05 6 0八十年代以米，我国测湿技术* n j j r i 湿技术发展很快，国家的湿度基准从无剑有，湿皮传感器从七十年代的几个品种发展剑现在的几十个u 1 种。1 = ! f ：加湿器方而除了沿_ l f 国外百八十年代的淋水式年1j 离心式加湿器外，七十年代，干蒸汽加湿器开始“泛应j t j 。八十年代开始，超卢波加湿器住北京、大连等地先后问世。但在产品性能、寿命等方面与国外还有很火的差距。在八十年代，我国引进的空调中带有红外线加湿器。这种加湿器和超卢波加湿器都具有动作灵敏的特点，对1 。控制高精度湿度的空调系统是必不可少的。如今，加湿器产品产销量急剧增长，品种繁多。在国肉有浸湿膜蒸发式加湿器，加压喷雾式加湿器，静电雾化式加湿器，湿膜式加湿器，超声波加湿器，红外线加湿器，p t c 蒸汽加湿器，电极式加湿器，l b 热式加湿器，离心式加湿器，二流体雾化式加湿器离心式加温器和蒸汽直接喷入式加湿器等。随着人们生活水平的提高以及加r1 业的发展，对湿度环境的要求越来越高。温度的精确控制显得尤为重要。所以加湿器还有很大的发展潜力，根据现存加湿器的存在的问题以及适州范围可推断出将来加湿器会朗着高精度控制、低能耗、低噪音、少污染、少病凶、加湿迅速、加湿范闱人等方向发展。1 1 3 各利i ) j 日湿器的比较“”“白五十年代加湿器面世以来，其发展可谓日新月异。剑目前为j ，加湿器已有不f j l - i - 1 十类删。这些不同类耻的加湿器有符白的特点、适川领域和消赞层次等。冈此，任何种加泓器部不能完全代替另一种类型的加湿器，形成卣花齐放、群雄逐鹿的岗面。f 面从锌, d d u 泓器的原理、优缺点和适川领域方面分析各种主要的加湿器。、电极式加湿器：i 原理。j l f = i 三根不锈钢棒( 也可以改为铜棒镀铬) 作为电极，把它放在不易腐蚀的水容器中，以水当作电阻，金属容器接地。7 _ 4 1 1 电源接通后，电流从水中通过，水被加热而产生蒸汽。蒸汽由排出管送到待加湿的空气中。水容器中的水位越高，导电面积越人删通过的电流越强，产生的蒸汽越多，所以可以通过改变溢流管高低的办法来调1 ，水位4 坝l 学位论文第一帝绪论从而改变加湿鼙。2 优点。无菌、无水滴，等温卫生洁净加湿相对于屯热式加湿器安全可靠。3缺点。功耗大，有水垢。需用蒸馏水或软化水。4 适_ l l ；j 领域。与单元式空调机、组合空调、新风机、风管等配套二、超声波式加湿器：1 原理。其下部的水槽内设有人功率压电陶瓷材料制成的中频振荡器，可以产生超卢振动，使水面上产生直径儿微米的微细水滴对空气进行加湿。2优点。使用安全、雾化水滴细小、耗电少、动作灵敏、安装使埘方便。运行可稚，噪声低。加湿效率高。3缺点。易造成室内细菌繁殖，因此，日本已有人呼吁，在医院等卫生条什要求高的环境中严禁使用超声波加湿器；水中的硬度成分c a ”和m + 造成室内墙壁及家具上的“自粉”污染；这种加湿为等焓加湿，加湿过程中温度有较人幅度的f 降。冈此有较人的冷热抵消，从能源消耗菇来说，并不1 ，能；另外振动子寿命比较短，价格较高。4适用领域。宾馆、饭店、商业中心、写字楼、计算机膀、仓库、文物保护单位及e 刷、造纸、则革和制革等行业。二、幻外线加湿器：1 原理。它属于蒸汽加湿的类型，使川2 2 0 0 。c 加热的红外线灯作为热源，箱内水受热，表面产生水蒸气，进行空气加湿。2优点。可川简单的双位开关( o n o f f ) 控制，动作灵敏，加湿迅迷；发生的蒸汽为过热蒸汽，冈此对较难加湿的低湿空气环境效粜比较理想：为无凿删加湿：加湿供水不需处理：无污染微粒子、微生物e 散利沉积。3 缺点。寿命短、价位高、耗电蛀人( 比电极式加湿器耗电龄还人。1 7 ：15 ) 。4 适用领域。计算机房，与单元或空调机、组合空调等配套。四、于蒸汽加湿器：1 原理。将通过脱水装置的干蒸汽均匀喷入气流中。2 优点。等温加湿，无空气污染，易于控制，加湿吸收距离( 水份从进入空气至完全被吸收之间的距离) 短。3缺点。必须有特定的产生蒸汽的装置，i i 有空间比较人，雾粒较人，不能完全蒸发。4 适用领域。组合空调，新风机组、风管配套。五、电热式加湿器：1原理。将放置在水楷中的管状l b 加热元件j | 互l b 后，使水加热沸腾产生蒸汽，通过蒸汽喷嘴把蒸汽喷进加湿空间，达到加湿的目的。它从原理上说也属于单元蒸汽发生式加湿器的一种。2优点。不产生细菌，初投资少，加工较为容易。3 缺点。能耗人，易生成水垢。水箱内无水时，加湿器表面温度可达8 0 0 。c ，容易引起火灾。加热器寿命短，维修困难。4适用领域。与单元或空调机、组合空调、新风机、风管等配套八、p t c 蒸汽加湿器：5 坝i 。学位论文第一章绪论1 原理。将p t c 热电变阻器( 氧化陶瓷、p 导体) 发热元什直接放入水中，通电后，水被加热产生蒸汽。2 优点。运行平稳、安全、蒸发迅速、不结露、高绝缘电阻寿命长、比例控制简单、维修i ：作带小。3 缺点。价格高。4适川领域。川t - 温湿度要求严格的中、小删空凋系统。七、离心式加湿器：1原理。这种加湿器主要由高速旋转的转盘、分离器、供水系统等组成。水流剑高速旋转的转盘，受到离心力的作川，形成水膜流出，遇剑转盘周围的分离器，形成微小水粒，从而对空气加湿。2 优点。节省电能，维修方便，体积小，动作灵敏，不存在喷雾堵塞问题，使川寿命长。3缺点。雾粒粒径较大，不能完全蒸发，冈此需要排水，会有水滴析山。加湿川水应使川软化水或纯净水。4 适j j 领域。印刷、纺织、烟草等车间环境以及保鲜冷库等。八、气化式加湿器：1 原理。干空气通过含水的加湿模块发生等焓变化，使温度降低，湿度- 增j j d 。2 优点。运行费_ l j 低，不会产生结露问题，水份自然蒸发，不会产生“白粉”问题：能臼我调1 ，加湿能力：结构简单，远行噪卢低。3 缺点。加湿效率低，需供水量人：加湿模块结垢严重；加湿模块如h | 酱通材料，可能繁殖细凶：空气温度降低。4 适用领域。程控机房、计算机房、保龄球馆、电子生产车问、办公室等环境九、湿膜加湿器：1原理。水经上水泵由管路送至淋水系统，其r 部是高吸水性的加湿材料湿膜。水住重力作_ l jf 与湿膜接触并将其润湿。通过加湿器内部的风机气流，水份与干燥的气流交换，汽化蒸发成高湿空气而进行加湿。2 优点。初投资少，高效节能，具有降温、沽净空气的功能，噪音低，对水质无特殊要求。3 缺点。容易繁殖细菌。4 适用领域。狴控机房、计算机房、造纸车间、烟草加l ：车间、电子生产车间等。1 2 加湿器中的机电一体化技术1 2 1 机电一体化技术简介“”“”“”“”“机电一体化”_ 1 ：| 英语表达是“m e c h a t r o n i c s ”，可见，无论从中文还是从英文方面去理解，机电一体化都是“机械( m e c h a n i s m ) ”和“电子( e l e c t r o n i c ) ”相结合的学科。长期以来，机械就是将机械零件组合起米产生和传递动力、对外做有效功的袈置，尤其是欧洲l ：业革命以后机械得到了很大的发展，它主要由动力装置、传动装置和t 作装置组成。过去的机械士要的处理对- 6 坝i 学位论文输一帝绪论象是物质和能龉，比如机床是物质处理系统发动机烛能 t 处理系统。过去人们认为机械是死板的永两，对各种。1 况和外界变化不能反戍，要靠人处理各种情况，进行操纵和控制，冈此机械使用者的劳动强度很人，要求操作技能很高。但是，进入一十世纪以后，随着社会和经济的e 速发展，机械的需求量越来越人，要求也越来越高，传统的机械已经很难适应现代生产力的发展，再加上六十年代晶体管的发明和应_ l j ，八十年代电子技术雨j 计算机的迅猛发展，对机械工业造成了严重的冲击，但是，另一方面又为机械的发展提供了更广阔的空间，丁- 是传统的机械和现代的电子、计算机技术相结合融多学科、多行业于一体，产生了知识容茸更庞人的空间立体学科，技术含最更纷杂的空间立体新兴行业，开始了机l u 一体化的时代。机电一体化实质就是“机”和“电”有机结合，结合后的，“晶将具有传统的机械产 所无法比拟的强人功能，可以解决原米机械很难解珧或根本不能解决的问题，其根本特征就是自动化和智能化。机电一体化系统象人一样具有头脑( 控制器) 、感官( 传感器) 、神经( 电缆或光缆) 、【血液( 汕、水、气) 柑目骼( 机械本体) ，幽1 2 年幽1 3 机电一体化系统和人体系统的示意幽。图1 - 2 机电一体化系统外界信息食物列1 - 3 人体要素行动七十年代以来，随着电子技术与微机控制技术的成熟，机i 乜一体化技术越来越广泛的戍_ l 】1 ：各个领域。从而达到系统优化的效果，有着显著的社会效益和技术经济效菔。具体表现在：提高精度。增强功能和可_ l 】性。提高生产效率、降低成本。提高安全性和可靠性。减轻劳动强度，改善劳动条什。简化结构，减轻重蛀。增加系统柔性和智能化。1 2 2 加湿器中的机电一体化技术“”“”“2 1机电一体化技术几乎影响和冲击着每一个现代化的应川系统，同样，它对加湿器的应州年发展起到重人作h j ，早期加湿器除风机等人功率器什外，其余人部分为机械结构。现在，随着机筇帝绪论电一体化技术的不断发展，越来越多的粘度更高的钮能控制利网络化管理被戍川往加湿器的控制系统中。主要表现住以i - ) l , 方面：1 、水位传感器。早期加湿器中，列水位的控制利用浮子实现，使得水位传感器的精度4 i 高，容易产生误操作，同时水位控制等级较少。现在主要采川干簧管或l n 极式水位传感器控制水位，从而使得水位控制更加精确，电极式水位传感器对多个水位等级进行控制，以便及时发出报警，提高产品的可靠性和周围环境的安全性。2 、湿度传感器。甲j j 卅加湿器没有湿度传感器，只烛通过人们的感觉或其他方法测得空气的湿度，然后进行人为的调1 7 加湿龄。这种方法既有滞后性义有土观的不确定性，显然不符合人们对现代化生活环境的要求以及现代化。i ：业生产的要求。冈此，住机i 乜一体化技术的推动i - 湿度传感器日益发展起米，从而使加湿器能实现自动的反馈控制，提供精确的加湿湿度。目前麻川的湿度传感器主要有：氯化锂电阻式湿度传感器。这种湿度传感器性能稳定，测量精度高寿命k ，但是体积火，不宜在温度变化激烈、易结露或污染的环境中使_ l j 。天然陶瓷4 i 制作的陶瓷湿度传感器。它体积小，长期稳定性好，抗污染能力强。应朋在国防及一些特殊的i ：业生产环境中，但价格商，低湿场合无法应用，湿滞人、复现性著。厚膜吧陶瓷湿敏元件。该湿度传感器性能稳定、测湿范围宽、体积小，在响应速度、复现性、湿滞等方面的性能均较天然陶瓷i 滞0 作的湿度传感器优越。高分子薄膜电容式湿度传感器。这类传感器具有体积小、响应速度快、测鼙范围宽等优点，是国内近儿年发展较快的湿度传感器之一。其缺点是在高湿环境中稳定性不是很好。结露传感器。其性能特点是在高湿( 9 0 一1 0 0 r h ) 的环境中具有良好的开火特性。它最初是我国为录像机配套使_ l j 而研制的，现在l 应 j tj ：保护仪器设备避免在结露状态ri 作，绒环境预防结露的控制，也可州于机房、设备的漏水检测与报警。订了以上各种类型具有各i ：1 特点的温度传感器，应川在不同场合的加湿器就可以根据不同的控制要求选择合适的湿度传感器，以实现加湿器的自动控制。3 、智能控制。前面已经提剑，甲删加湿器是通过人们的感觉或其他方法测得空气的湿度，然后进行人为的调节加湿量，这种方法显然有它的缺点，因此随着机电一体化技术中传感器和智能控制技术的发展，越来越多的微机智能控制技术铍应用刨加湿器上来。现在席_ l j 在加湿器二典型的控制过程是：由湿度传感器采集环境中的湿度、水位传感器采集水位的状态，经前置放人器放人，再经过a i d 转换器转换后和需要调协的湿度值一起送入c p u ，c p u 接受剑数据后进 j 比较判断输山控制字，经过d a 转换利驱动装置驱动相应外部垃备，从而使加湿器能够根据e ：l 前的湿度状态、水位状态和人们的要求自动调节加湿龄、控制加水和排水，j ：进行相应的报警。4 、远程控制和网络监控系统。二十一世纪是网络化的时代，各种产品和没备纷纷推出自己的网络化管理系统、远程控制系统、g p s 系统等，加湿器自然也不能逆时代之潮流，已经开始发展自己的网络化集中监控系统，不过尚处在起步阶段还有很大的发展空间。现在的加湿器集中监控系统主要是通过上位机( 监控h j 的微计算机) 利加湿器内部的f 位机( 智能控制的c p u )通讯实现的。各f 位机把i ：i 己的基本情况( 湿度、水位、l ：作状态等) 传送给上位机，从新人们可以通过上位机监控和控制各个加温器。综上所述，加强加湿器行业与电子技术的密切配合，走机电一体化的道路是大势所趋，我们要顺应潮流，借鉴国外机电一体化的成果和经验，缩短加湿器行业和其他机电产品行业与世界同行业先进水平的差异。8 硕一i 学位论文笫一章甜；论1 3 1 课题简介1 3 课题介绍( 1 ) 名称：湿膜式i ：业加湿器电控系统改进设计。( 2 ) 米源：由导师负责的合作项目。( 3 ) 类别：技术开发研究。( 4 ) 研究方向：机电一体化技术。1 3 2 课题内容( 1 ) 湿膜式加湿器加湿机理和加湿性能的研究。( 2 ) 最优控制方法的选择与验证。( 3 ) 控制系统硬件设计与开发。( 4 ) 控制系统的软件开发( f 位机) 。( 5 ) 控制系统软件的开发( 上位机) 。( 6 ) 样机调试。以上内窬( 1 ) ( 4 ) 由本人完成。1 3 3 课题目标( 1 ) 从理论上探讨清楚湿膜式加湿器的加湿机理和加湿性能，为控制方法的选择和进一步开发控制系统提供理论基础。( 2 ) 选择确定最合理的控制方式。( 3 ) 所开发的软硬件系统能够按预定要求止常运行。竺! ；兰竺篁兰堑：；至竺堡型丝= 三堡些：! 三些型堡矍第二章湿膜式工业加湿器加湿机理的研究2 1引言湿膜加湿是一种新型加湿方式，它具有初资少、高效稿能、降温、噪音低、对水质无特殊要求、饱合效率高、汽化距离短、洁净除尘、协省能源、安全可靠等优点。湿膜式工业加湿器广泛应用于程控机房、交换机房、传输机房、计算机房、印刷车间、造纸车间、烟草加：r 午间、电子生产车间、高档会议室、档案馆、电信机房、精密机械、仪器仪表、图忙室、实验室、美术馆、博物馆、办公室、现代居室等。但是湿膜式加湿器容易繁殖细菌，冈此它在某些领域是不能应用的，例如医院。湿膜式j ：业加湿器加湿的基本原理比较简单。如f 图所示，水经上水泵由管路送至淋水系统，其下部是高吸水性的加湿材料湿腆。水在重力作h f 与湿膜接触并将其润湿。通过加湿器内部的风机气流，水分与干燥的气流交换，汽化蒸发成高湿空气，从而进行加湿。风机o-糜高湿空气干燥空气匿啊淋水系统膜图2 - 1 湿膜加湿器的加湿原理图2 2 湿膜式加湿器的加湿机理进一步研究们n ”n 4 ”1湿膜式加湿器的加湿原理是以膜蒸馏理论为基础的。膜蒸馏是近年来发展起米的一种海水淡化和液体浓缩技术，它以温差引起的水蒸气分压力羞为传质驱动力。当两种不同温度的水溶液被一种疏水性的微孔膜分隔开，就会产生一种有选择的传质现象。由_ 丁膜的疏水性，两侧的水溶液都不能通过膜孔，但是在膜两侧水蒸汽分压力差作用下，暖侧的水蒸气能够通过膜j l 进入冷侧冷凝下来，这样在冷侧可得到纯水或在暖侧得到浓缩液。依据膜蒸馏原理，透湿膜加湿器是在有限的空间保持多层水片层( 可增加水的蒸发表面积) ，该水片层由疏水性的透湿膜( 聚四氟乙烯微膜孔) 包围着，水片之间有空气流过，如图2 2 所示。1 0 帧卜学位论文第一带被挣对象汛膜，t 丁业抽1 湿器当透湿膜水一侧的水蒸气分压力人_ 丁空气侧的分压力时，水蒸气住其压差作川f ，从水侧通过透湿膜膜孔进入空气侧，由于膜的疏水性，水及水中的c j + 、m g ”和杂质却不能通过，从而实现了对空气的沾挣加湿，这就是透湿腆加湿器的加澎机理。湿膜式7 业加湿器赴在此基础上加一f ：风机，使加湿更容易控制。图2 - 2 透湿膜的加湿示意图2 3 透湿膜加湿器性l l l l i _ 墅论分析m 川2 4 m 5 1由水侧经过膜到空气侧，水蒸气压力分布( 或浓度分布) 如图2 - 3 所示。在图2 - 3 中，膜一一水界面处的水蒸气分压力为水温下的饱和水蒸气分压力p w 2 ，浓度为c 。z ：而在空气一删膜表面附近形成一个薄层，称为压力边界层( 或浓度边界层) ，该层内水蒸气的分压力梯度( 或浓度梯度) 很人，传质强烈，边界层以外为空气主流，水蒸气分压力( 或浓度) 基本保持不变，为p w o( 或c 。) 。摸水瓦图2 - 3 透湿膜传质过程依据质传递理论，水蒸气分子通过膜的传质过程可分为两个阶段( f w 。)：型皇兰竺丝呈圣。：。一一丝；塞丝兰：塑丝= = 堡堡垒三些丝堡童通射的表达式为：w 2 = 洲d , 八( p “w 2 p 丁w , )2 水蒸气分子先通过膜以后，主要以对流扩散的方式与空气进行质传递，撤据质传递理论得出对流扩散通舒的表达式= 嚣一百p w o 由于此质传递过程可以近似看作稳态质传递故彤= = 1 4 ( 3 )即生f 堕堕 ：盟f 堕8 r wlt 2正jr ，l 正由式( 4 ) 可求山堕：d r p ! w 12 + a , f i p ! w ! o正d ，+ 口d j( 4 )将式( 5 ) 代入式( 1 ) 或式( 2 ) 中得到：= 砑丽6 q d d p ( 等一一p w o t o )r ( 口口j + 珥)、疋7此即为计算通过透湿膜的水蒸气分子通带( 即理论加湿龉) 的公式。式中口”对流传质系数，；b ，有效分子扩敬系数，m2 厶；r r 水蒸气的气体常数，4 6 1 4 j ( 堙岸) ；占膜厚度，m ；瓦，p 2 水温，k ，及该水温f 的饱和水蒸气分压力，p a ：( 5 )t o ，p w o 空气温度，k ，及该温度r 的水蒸气分乐力，p a 。由以上公式推导过程可知，对给定的透湿膜雨试验装置，影响透温膜加湿性能的参数有：水温t ”空气干球温度i d 、空气流速v 。根据公式( 6 ) 得山的加湿量g 与各参数之间的关系曲线如图2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 中虚线所示。1 2 堕瓦坝十学位论文第一：章被控对象湃膜，1 业加湘器2 22 12 0191 81 7l31 l0 9口7d 50 32 22 i2 01 ，9181 7t d 图2 - 4 加湿量与空气温度的关系图2 - 5 加湿量与水温的关系图2 - 6 加湿量与空气流速的关系山以上的理论分析可知，在没有外力作_ l j 的时候，可以通过湿膜水侧羽1 空气侧的压力著使水暑芒。丝m j i o蛋芒。硕l 一学位论文第一章被摔对琢湿膜，丁业加椰器蒸气通过膜孔进入空气，由于膜的疏水性，水及水中的c a “、m 9 2 + 和杂质却不能通过，从而实现了对空气的沾净加湿。一般湿膜式加湿器为了提高加湿速度、增人加湿姑，都采h j 风机从膜侧把水蒸气吹往空气侧。但这样一来，在外力的作h j 卜会吹山部分水珠，加湿器周用会沉淀一定的水分，使加湿不均匀。为了解决这个问题，建议风机吹山的水蒸气不肖接进入空气中，而是经过一个迂m 的空间再送剑空气侧，使水蕉气经过此空间后，其中较人的水球沉积r 米，从而较好的实现均匀加湿。由丁本人课题主要部分足电控系统的设计，限丁条什和时间，没有对加泓器本身做实际的改造。_ f i 6 1 i 学位论文船三章控制方法的选择第三章控制方法的选择3 1 控制系统的发展n 6 ”1控制系统的发展经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统d c s 以及最近的现场总线控制系统f c s ( f i