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温湿度测量及监控系统
作者:管理员    发布于:2014-06-29 11:47:29    文字:【】【】【
摘要:在新技术日新月异的今天,世界已经进入信息时代。在利用信息的过程时,要解决的就是要获取准确的信息或数据,而传感器就是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。      现代工业生产特别是在自动化生产过程中,要用各种传感器来监测和控制生产过程中的各种参数,使设备运行在正常状态或最佳状态,使产品达到最好质量。因此,没有优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。      传感器早已渗透到诸如环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、工业生产、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以及各种复杂的工程系统,差不多每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。      显而易见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信在不久的将来,传感器技术将会出现新的飞跃,达到一个新的水平。      温湿度测量及监控系统也跟随着有新的发展和变化。
传感器特性
  
  传感器具有静态特性和动态特性。
  
  传感器静态特性:
  
  对于静态输入信号,传感器的输入量与输出量之间所具有的关系。因为此时输入量和输出量均与时间无关,所以,传感器的静态特性可用与时间变量无关的代数方程表示,或以输入量作横坐标,用其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
  
  表征传感器静态特性的主要参数有:灵敏度、线性度、重复性、迟滞、漂移。
  
    (1)灵敏度:灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。
  
    (2)线性度:指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离所拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。
  
    (3)重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得到特性曲线不一致的程度。
  
    (4)迟滞:传感器在输入量由小到大及输入量由大到小变化期间,输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于相同的输入信号,传感器的正反行程的输出信号大小不相等,两者的差值称为迟滞差值。
  
  (5)漂移:传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。
  
  
  
  三、温度传感器
  
  温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律,温度转换为电量的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
  
  温度传感器的种类很多,现在常用的有热电阻:PT100、PT1000、Cu50、Cu100;热电偶:B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多,而且组合形式多样,需根据不同的应用场合选用适合的传感器。
  
  测温原理:根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理,我们可以得到所需要测量的温度值。
  
  传统的模拟温度传感器,如热电偶、热敏电阻和RTD对温度的测量,在一些温度范围内线性不好,需要进行冷端补偿或引线补偿;热惯性大,响应时间慢。
  
  如果采用数字式接口的温度传感器,上述设计问题将得到简化。
  
  
  
  三、湿度传感器
  
  高分子电容式湿度传感器通常是在绝缘的基片,如陶瓷、玻璃、硅等材料上,用丝网印刷,或者用真空镀膜工艺做出电极,再将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同的相对湿度大气环境中,因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性的变化,此为湿度传感器的基本机理。
  
  影响高分子电容型元件的温度特性,除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外,还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T=5℃时为78.36,在T=20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异,不完全遵从正比例的关系。在某些温区ε随T呈上升趋势,某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为:高分子聚合物具有较小的介电常数,因此高分子介质在吸湿后,由于水分子偶极距的存在,大大提高了吸水异质层的介电常数,这是多相介质的复合介电常数所具有加和性决定的。由于ε的变 化,使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难做到感湿特性的全湿程线性。
  
    较优质的传感器主要使用聚酰胺树脂,产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极,再喷镀感湿介质材料形式平整的感湿膜,再在薄膜上蒸发上金电极。湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系,线性度约±2%。虽然,测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想,在工业领域使用,寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。
  
    陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温,湿度滞后,响应速度快,体积小,便于批量生产,但由于多孔型材质,对尘埃影响很大,日常维护频繁,时常需要电加热加以清洗易影响产品质量,易受湿度影响,在低湿高温环境下线性度差,特别是使用寿命短,长期可靠性差,是此类湿敏传感器迫切解决的问题。
  
    当前在湿敏元件的开发和研究中,电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域,其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点,氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史,有着多种多样的产品型式和制作方法,都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。
  
    氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料,在众多的感湿材料之中,首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件,氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。
  
    氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆,以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高,产品性能不断得到改善,氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的,也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中,经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。
  
  随着对湿度的认识也不断深入,湿度的测量技术和测量方法也取得了飞速的发展,从测试的输出参量上区分,主要分为以下几类:干湿球法,冷凝露点法,氯化锂露点法,电湿度测量法[电阻法、电容法],电解法[库仑湿度计]以及其它测湿方法。下面主要介绍前几种。
  
  
  
  •  干湿球法
  
  
  
  干湿球湿度计由两支规格完全相同的温度计组成,一支称为干球温度计,其温泡暴露在空气中,用以测量环境温度;另一支称为湿球温度计,其温泡用特制的纱布包裹起来,并设法使纱布保持湿润,纱布中的水分不断向周围空气中蒸发并带走热量,使湿球温度下降。水分蒸发速率与周围空气含水量有关,空气湿度越低,水分蒸发速率越快,导致湿球温度越低。可见,空气湿度与干湿球温差之间存在某种函数关系。干湿球湿度计就是利用这一现象,通过测量干球温度和湿球温度来确定空气湿度的。
  
  
  
  •  冷凝露点法
  
  露点法是一种古老的湿度测量方法,随着科学技术的发展,露点技术臻于完善。现代的光电露点仪采用热电制冷,并且可以自动补偿零点和连续跟踪测量露点。高精度露点仪在一般湿度范围的测量准确度可达±1℃ 露点温度。
  
  •  氯化锂露点法
  
  露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的,其后我国和许多国家都做了大量的研究工作。这种湿度计和上述电阻式氯化锂湿度计形式相似,但工作原理却完全不同。简而言之,它是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。
  
  
  
  •  电解法
  
  电解法是目前广泛应用的微量水份测量方法之一。这种方法是1956年首先 Keidel提出来的,人们对此法之所以感兴趣,其原因在于这种方法不仅能达到很低的量限,更重要的是因为它是一种绝对测量方法。这种建立在法拉第定律基础上的电解湿度计通常又称为库仑湿度计。
  
  库仑湿度计的敏感元件是电解池,被测气体穿过电解池时,其中的水汽全部被涂在电极上的五氧化二磷磷酸膜所吸收。
  
  
  
  四、温湿度监控系统
  
  随着计算机的技术高速发展,数据存储容量越来越大,计算机的分析能力越来越强。使得把温度、湿度数据保存长时间,可以以年计。引入温湿度监控系统是轻而易举之事,这些数据可以用于生产或其它方便的分析。亦可实时对异常温湿度进行报警处理。
  
  温湿度监控系统方案组网也是多种多样,有工业RS485组网、无线组网、以太网组网等,而根据现场情况选择用合适的组网方式。分布式智能网络型监控系统是较优秀的一种,被监控的点位可根据需要扩展硬件种类,增加监控点数量,监控终端采用触摸屏工控机可嵌入安装在现场也可以置于专门的监测机房。基于现场总线的方式的传输,采用数字化变送器,便于现场布线,记录平台采用PC或嵌入式触摸屏,支持数据导出和以太网传输。软件界面采用图形化,可采用商业组态软件或者编程软件编写。
  
  温湿度监控系统组成:
  
  系统由温湿度传感器、数字变送器、通讯总线和嵌入版触摸屏及上位机管理软件四部分组成。温湿度传感器:负责检测各温湿度数据。数字变送器:负责采集各温湿度传感器采集的数据,进行数据校正转换,进行现场LCD显示,接受上位机通讯指令并向其传输数据。通讯总线(中继器):负责数据的有线传输,并能延长通讯距离。触摸屏及软件部分:负责对数字变送器的通讯,读取变送器的温湿度数据,进行显示、记录、报警处理,并执行各项管理功能。
  
  温湿度监控系统功能:
  
  图形化操作界面,操作过程直观简单,用户只需经简单培训即可操作;用表格和曲线方式的显示各监控点实时测量值;用表格和曲线方式的显示各监控点的历史数据。可查询任意一天、一月、一年的数据,并可用表格和图形方式显示和打印。能统计任意区间的数据最大值、最小值及平均值。可设置各监控点的上下限报警值。并记录报警值,可查询报警历史记录。当数值超过上下限报警值时,会产生声光报警信号、电话语音报警、短消息报警、Email报警,实现无人值守。数据导出功能,可把数据导出到EXCEL表格,用于进一步分析。
  
  温湿度监控系统优点:
  
  系统专为存储药品环境监测设计,具有现场触摸屏显示、超限报警的功能,同时可以连接监控部门电脑,进行实时检测记录。监控电脑和监控系统可以采用以太网连接,可以根据客户需要,进行多个库区的监测系统的联网,用一台监控计算机就可以完成所有库区存储环境的温湿度监控,使得管理简单化。
  
  
  
  五、发展趋势
  
  现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温湿度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。温湿度传感器的发展大致经历了以下三个阶段;(1)传统的分立式温湿度传感器(含敏感元件);(2)模拟集成温湿度传感器/控制器;(3)智能温湿度传感器。国际上新型温湿度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。温湿度监控系统亦由单一化向多样化发展。
脚注信息
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