廣西計(jì)量檢測(cè)研究院 李英梅

溫度濕度壓力測(cè)量儀的研究

廣西計(jì)量檢測(cè)研究院 李英梅

經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀的分析，本文提出將單片機(jī)技術(shù)融入干濕球方法的原理，從而設(shè)計(jì)出溫度濕度壓力一體機(jī)的測(cè)量工具。

溫度測(cè)量；濕度測(cè)量；干濕球；平衡電橋

1 前言

現(xiàn)階段，以單片機(jī)的相對(duì)濕度作為測(cè)量原理的測(cè)量方式主要有兩種，其一是濕度傳感器，然而此方法的精確度很大程度上取決于相關(guān)的傳感器靈敏度與測(cè)量范圍。而目前對(duì)濕度傳感器的研究依舊處在起步階段，現(xiàn)有的傳感器因其測(cè)量范圍的局限與多次使用導(dǎo)致的不穩(wěn)定性而存在較大缺陷。其二干濕球測(cè)量方法則具有快捷穩(wěn)定、簡單可靠、適應(yīng)范圍廣、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為目前使用最為廣泛的濕度測(cè)量方法。

2 現(xiàn)階段國內(nèi)外研究情況

2.1 溫度研究近況

溫度的高精度測(cè)量是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造加工過程中的常有步驟，也是十分經(jīng)典的課題之一?，F(xiàn)有的精確測(cè)量溫度的技術(shù)手段中常用的是電阻式測(cè)溫、熱電偶式測(cè)溫、石英諧振型測(cè)溫與PN結(jié)型測(cè)溫法。上述測(cè)溫方法的原理都是分析計(jì)算根據(jù)溫度變化造成的相關(guān)物理參數(shù)的改變來間接得出溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。

舉例來說，電阻式溫度傳感器采用電阻作為傳感材料，可細(xì)分為熱電阻式與熱敏電阻式。前者主要以金屬材料制得，最為廣泛使用并且擁有相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的是鉑電阻，其測(cè)溫范圍較廣，也能達(dá)到0.001℃的精確度。而熱敏電阻則是半導(dǎo)體材料，是開發(fā)比較早，種類比較多，技術(shù)比較成熟的傳感器材料。它的主要特點(diǎn)是：較高的靈敏度、寬泛的工作溫度、小體積易加工、小熱容、反應(yīng)迅速、可用于遠(yuǎn)距離的溫度測(cè)量。但由于熱敏電阻的非線性溫度關(guān)系，只能在特定的、較為狹窄的區(qū)間發(fā)揮作用。

2.2 濕度研究近況

濕度的表示方法不一，但主要是依據(jù)混合氣體的定義引申出來的，如混合比，現(xiàn)階段使用的單位以及符號(hào)表示主要還是根據(jù)世界氣象組織的規(guī)定要求。

濕度測(cè)量的歷史古老而千奇百怪，比如最初的毛發(fā)濕度測(cè)量法、露點(diǎn)測(cè)量法，到現(xiàn)階段利用各種材料吸收不同程度的水分造成的電性能變化，類似電阻、電容等電學(xué)參數(shù)的測(cè)量方式，或是通過不同程度濕空氣的光學(xué)特性參數(shù)來進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。然而在實(shí)地測(cè)量中卻發(fā)現(xiàn)，以濕度傳感器為測(cè)量方式的測(cè)濕儀只能在穩(wěn)定的濕度環(huán)境范圍下進(jìn)行測(cè)量，而且精度達(dá)不到期望值。比如，用鉑電阻制作的干濕球測(cè)濕儀在外界環(huán)境處在90%RH時(shí)有較高的精度，誤差可以控制在2%以內(nèi)，但是在低濕度下效果并不理想。而且鉑電阻的非線性溫度曲線會(huì)影響溫度的精確讀數(shù)。若是選擇線性熱敏電阻代替鉑電阻作為傳感器，如線性LPTC，可以將相對(duì)濕度的精確度提高到1%RH，故比較設(shè)計(jì)構(gòu)造適合對(duì)濕度測(cè)量的數(shù)學(xué)模型。

3 整體設(shè)計(jì)部分

筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將采用干濕球測(cè)量方法作為理論基礎(chǔ)，線性緩變電阻作為溫度感應(yīng)元件，濕度信號(hào)則由平衡電橋法測(cè)15路，代入干濕球換算方程得出相應(yīng)測(cè)量值，以及帶溫度補(bǔ)正的硅壓阻式壓力傳感器來進(jìn)行壓力測(cè)量。

注意：（1）需要實(shí)時(shí)記錄15路溫度數(shù)值，并且計(jì)算出相應(yīng)的7路濕度相對(duì)值。

（2）大氣壓力值以hPa為單位，取有效數(shù)字五位，不用科學(xué)記數(shù)法表。

溫度計(jì)量用攝氏溫度即可，無須進(jìn)行華氏溫度換算。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分如下圖所示。

（1）本設(shè)計(jì)所使用LPTC作為溫度傳感裝置中的熱敏電阻，較好的優(yōu)化了線性程度，可以在－20℃～50℃的溫度區(qū)域內(nèi)保持電阻阻值根據(jù)溫度變化進(jìn)行相應(yīng)的線性變化。

（2）本設(shè)計(jì)用于引線測(cè)溫電阻的電橋選用三線制與四線制的電橋，引線電橋自身電阻不對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生需納入考慮程度上的影響，故而相較于原有兩線平衡電橋提高了抗干擾能力。

（3）利用單片機(jī)控制多路開關(guān)開合以調(diào)整不同熱敏電阻的連入切出，可以達(dá)到測(cè)量15路溫度數(shù)值的目的。從而對(duì)每一個(gè)測(cè)量值進(jìn)行與真實(shí)值的比對(duì)，方便實(shí)時(shí)校正。

（4）干濕球濕度測(cè)量含有兩支完全相同的溫度計(jì)，一支直接暴露于外界環(huán)境中用以測(cè)量環(huán)境溫度，另一支測(cè)量因水蒸發(fā)吸熱造成的溫度下降差值。再將水蒸發(fā)與周圍環(huán)境中水汽混合比形成的數(shù)學(xué)模型函數(shù)關(guān)系聯(lián)系起來得到相關(guān)數(shù)值。

4 總結(jié)

溫度、壓力作為重要的物理量，它們的精確測(cè)量不僅僅是科學(xué)技術(shù)方面亟待突破創(chuàng)新的難關(guān)，也是逐漸進(jìn)步發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)必不可少的衡量參數(shù)，具有極高的技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文關(guān)于溫度濕度壓力測(cè)量儀的探究設(shè)計(jì)，擁有靈活簡易、綜合性強(qiáng)、精確度高的特點(diǎn)，較好地解決了在測(cè)量范圍以及空間分布上的局限性，也保證了測(cè)量的高度精確，具有一定的前瞻性，在接下來的研究實(shí)踐中，有望得到更好的結(jié)果與反饋。

[1]李寅虎.溫度濕度壓力測(cè)量儀[J].通信與信息系統(tǒng),河北大學(xué).2010.

李英梅，女，1963出生，廣西南寧人，工程師，研究方向：溫濕度和壓力儀器儀表的檢定檢測(cè)。