Μελέτη Και Κατασκευή Αισθητήρα Σημείου Δρόσου Βασισμένου Στην Τεχνολογία Ψυχρού Καθρέφτη

Abstract

Η υγρασία είναι το δεύτερο πιο σημαντικό μέγεθος, μετά την θερμοκρασία, για την περιγραφή του περιβάλλοντος. Η παρακολούθηση και ο έλεγχος της υγρασίας είναι μία αρκετά κρίσιμη παράμετρος για ένα ευρύ πεδίο εφαρμογών, όπως η βιομηχανία (π.χ. αυτοκινητοβιομηχανία, φαρμακοβιομηχανία, επεξεργασία τροφίμων, επεξεργασία πυριτίου), η μετεωρολογία, η ιατρική κ.α. Η μέτρηση της υγρασίας μπορεί να επιτευχθεί μέσα από αρκετές μεθόδους αίσθησης είτε φυσικές είτε χημικές. Ένας από τους πιο κυριότερους μηχανισμούς είναι ο εντοπισμός της θερμοκρασίας υγροποίησης των ατμοσφαιρικών υδρατμών, ή αλλιώς του <<σημείου δρόσου>>. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη ανασκόπηση των υπαρχουσών τεχνολογιών ενώ στο δεύτερο, μία λεπτομερής παρουσίαση της λειτουργίας του υγρομέτρου ψυχρού καθρέφτη (Chilled Mirror Hygrometer - CMH). Το υγρόμετρο ψυχρού καθρέφτη είναι ο πιο θεμελιώδης και ακριβής τρόπος μέτρησης της υγρασίας και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπου η ακρίβεια και η συμβατότητα είναι αναγκαίες.Στα επόμενα κεφάλαια επεξηγείται ο σχεδιασμός και η κατασκευή του CMH. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας στηρίζεται σε θερμοηλεκτρικές συσκευές, ενώ η ανίχνευση του δρόσου γίνεται μέσω ενός αισθητήρα ανακλαστικότητας. Το κύκλωμα ελέγχου και ανάγνωσης είναι βασισμένο στον μικροελεγκτή AVR (ATmega32) ο οποίος συγχρονίζει τις επί μέρους συσκευές και διασυνδέει τον αισθητήρα με έναν Η/Υ μέσω της θύρας RS-232. Η τελική κατασκευή έχει ανεξάρτητα κυκλώματα αίσθησης και επεξεργασίας και είναι κατάλληλη να χρησιμοποιηθεί σε μετρήσεις εξ αποστάσεως. Η επιτευχθείσα ακρίβεια μέτρησης είναι της τάξης του ΔT < +/-2oC και το εύρος ανίχνευσης -25oC< Tdp< 60oC. Επιπλέον έρευνα διεξήχθη για τη βελτιστοποίηση των αλγορίθμων λειτουργίας, της οποίας τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο αντίστοιχο κεφάλαιο. Η τελική κατασκευή ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές των εμπορικών CMH, ενώ το κόστος κατασκευής ανέρχεται στο ένα δέκατο της τιμής τους. Το κύριο μέρος της ανάπτυξης του αισθητήρα συνέβη κατά τη διάρκεια συμμετοχής στο πείραμα CMS -Compact Muon Solenoid- στο ερευνητικό ίδρυμα CERN, στη Γενεύη της Ελβετίας. Σε αυτό το πλαίσιο, η μελέτη και η κατασκευή αυτού του αισθητήρα έχει γίνει με κύριο άξονα τη χρήση του σε ραδιενεργό περιβάλλον.Humidity is the second most important environmental variable after temperature. Monitoring and controlling humidity is a quite crucial matter in a wide field of applications concerning industry (e.g. pharmaceutical, automotive, food processing, silicon fabrication), meteorology, medicine and many more. Measurements on moisture and humidity can be achieved through several sensing mechanisms either physical or chemical. One of the main methods that can be used, is the measurement of the water vapour condensation temperature or else the "Dew Point Temperature". In the first chapter of this thesis a brief review of the available technologies is presented, whereas in the second one the operation of the Chilled Mirror Hygrometer (CMH) is described in detail. CMH is the most fundamental and accurate way of sensing humidity and is used in activities where accuracy and traceability are needed.In the next chapters, the design and the development of the CMH is explained. Temperature control is based on thermoelectrical devices, while dew detection is achieved through a reflectivity sensor. The control and readout systems are based on a AVR microcontroller (ATmega32) which is synchronizing the attached devices and establishes communication with a computer via an RS-232 port. The final assembly consists of independent sensing and readout systems and can be used for distanced measurements.An accuracy of ΔT < +/- 0.2oC and a detection range between -25oC < Tdp < 60oC were achieved. Supplementary research was conducted on the optimization of the operating algorithms, the results of which are presented inside. The assembly meets the specifications of the commercial CMH, whereas the construction cost is around the one tenth of the current commercial value.The main part of the sensor's development was carried out during the participation in the CMS -Compact Muon Solenoid- experiment in CERN, Geneva. In this context, the study and the development of this sensor was always targeted in radioactive-environment applications.