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      如何合理使用濕度傳感器

      2012年04月28日 10:53:31人氣:698來源:廣州微卓測控科技有限公司

      現(xiàn)代信息技術(shù)使傳感器技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用大大改進(jìn)了信號的處理技術(shù),提高了測試精度。總線技術(shù)有效地解決了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)距離通信等在模擬技術(shù)時(shí)期困擾人們的問題。網(wǎng)絡(luò)化更為測控技術(shù)提供施展身手的廣闊空間。

        濕度測量在十年前還是局限于氣象,科研等少數(shù)領(lǐng)域里討論的技術(shù),現(xiàn)代電子技術(shù)同樣使?jié)穸葌鞲衅鞒蔀榭萍伎锷铣R姷男g(shù)語。越來越多的專業(yè)人士關(guān)注并研制出各種新型濕度傳感器。嵌入式技術(shù)、總線技術(shù)同樣在濕度測量領(lǐng)域開出絢麗的花朵。本文僅從多年實(shí)踐出發(fā),討論合理使用濕度傳感器的若干問題。提請同行在研究和使用濕度傳感器時(shí)注意,以免影響分析的正確性甚至得出不合理的結(jié)論。

        1、濕度測量方法的比較

        濕度測量技術(shù)來由已久。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,近代測量技術(shù)也有了飛速的發(fā)展。濕度測量從原理上劃分二、三十種之多。對濕度的表示方法有濕度、相對濕度、露點(diǎn)、濕氣與干氣的比值重量或體積等等。但濕度測量始終是世界計(jì)量領(lǐng)域中的難題之一。一個(gè)看似簡單的量值,深究起來,涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理—化學(xué)理論分析和計(jì)算,初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素,因而影響傳感器的合理使用。

        常見的濕度測量方法有:動態(tài)法雙壓法、雙溫法、分流法,靜態(tài)法飽和鹽法、硫酸法,露點(diǎn)法,干濕球法和形形色色的電子式傳感器法。

        這里雙壓法、雙溫法是基于熱力學(xué)PV、T平衡原理,平衡時(shí)間較長,分流法是基于濕氣和干空氣的混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段,這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密,卻因設(shè)備復(fù)雜,昂貴,運(yùn)作費(fèi)時(shí)費(fèi)工,主要作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量之用,其測量精度可達(dá)±2%RH -±1.5%RH

        靜態(tài)法中的飽和鹽法,是濕度測量中zui常見的方法,簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴(yán),對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時(shí)間去平衡,低濕點(diǎn)要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時(shí),每次開啟都需要平衡6~8小時(shí)。

        露點(diǎn)法是測量濕空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度,是熱力學(xué)的直接結(jié)果,準(zhǔn)確度高,測量范圍寬。計(jì)量用的精密露點(diǎn)儀準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光—電原理的冷鏡式露點(diǎn)儀價(jià)格昂貴,常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。

        干濕球法,這是18世紀(jì)就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久,使用zui普遍。干濕球法是一種間接方法,它用干濕球方程換算出濕度值,而此方程是有條件的:即在濕球附近的風(fēng)速必需達(dá)到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計(jì)將此條件簡化了,所以其準(zhǔn)確度只有5~7%RH,明顯低于電子濕度傳感器。顯然干濕球也不屬于靜態(tài)法,不要簡單地認(rèn)為只要提高兩支溫度計(jì)的測量精度就等于提高了濕度計(jì)的測量精度。

        本文想強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn):*,由于濕度是溫度的函數(shù),溫度的變化決定性地影響著濕度的測量結(jié)果。無論那種方法,地測量和控制溫度是*位的。須知即使是一個(gè)隔熱良好的恒溫恒濕箱,其工作室內(nèi)的溫度也存在一定的梯度。所以此空間內(nèi)的濕度也難以*均勻一致。

        第二,由于原理和方法差異較大,各種測量方法之間難以直接校準(zhǔn)和認(rèn)定,大多只能用間接辦法比對。所以在兩種測濕方法之間相互校對全濕程相對濕度0~*RH)的測量結(jié)果,或者要在所有溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)各點(diǎn)的測量結(jié)果,是十分困難的事。例如通風(fēng)干濕球濕度計(jì)要求有規(guī)定風(fēng)速的流動空氣,而飽和鹽法則要求嚴(yán)格密封,兩者無法比對。的辦法還是按國家對濕度計(jì)量器具檢定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳遞方式和檢定規(guī)程去逐級認(rèn)定。

        2、濕度傳感器測濕原理的差異

        濕度傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。物性型濕度傳感器又分為水分子親和型和非親和型兩類。絕大多數(shù)實(shí)用的濕度傳感器屬于前者。水分子親和型的感濕機(jī)理主要表現(xiàn)在感濕材料在吸濕后阻值和電容值發(fā)生規(guī)律性變化。具有此類物性的材料很多:有金屬氧化物、高分子、電解質(zhì)、碳—聚合物混合材料。而現(xiàn)有的電子敏感材料的均勻性、一致性尚未達(dá)到理想水平,元件制作工藝也參差不齊,所以感濕元件的物性存在分散性。感濕元件的物性與濕度值之間又是一種間接關(guān)系,須經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將阻值或容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流量值。所以不同的原理、不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)做出的傳感器反映的濕度值總是存在差異。到目前為止,還沒有一種在測量范圍、測試精度、響應(yīng)時(shí)間、使用溫度、穩(wěn)定性各方面都盡善盡美的“全天候”濕度傳感器。

       

       

      3、影響電子式濕度測量準(zhǔn)確度的因素
        1)濕度傳感器的誤差
        * 敏感元件分散性造成:即元件阻值、容值對濕度響應(yīng)的離散性;
        * 信號轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差:即阻值、容值轉(zhuǎn)換為電壓、電流信號時(shí)產(chǎn)生;
        * 溫漂、時(shí)漂造成:濕敏元件必需和被測氣體直接接觸,不能象其它電子器件那樣*密封。故容易被空氣中的酸性、堿性成分及有機(jī)溶劑腐蝕、污染,所以濕敏元件難以做到長壽命,需要定期(例如一年)標(biāo)定。壽命較長,穩(wěn)定性好的傳感器標(biāo)定后可繼續(xù)使用,達(dá)十年以上。
        2)二次儀表中,對信號的處理引入的誤差
        * 對信號放大、補(bǔ)償、修正后產(chǎn)生的失真;例如有的濕敏元件溫度系數(shù)是個(gè)變量,常溫下補(bǔ)償后,高溫時(shí)仍有誤差。
        * 整機(jī)電路的零點(diǎn)漂移、溫度漂移產(chǎn)生的誤差。
        3)傳感器、變送器在校準(zhǔn),標(biāo)定時(shí)產(chǎn)生的誤差
        * 標(biāo)定設(shè)備的干燥系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)不理想;或者雙壓法、雙溫法設(shè)備的壓力、溫度測量控制不準(zhǔn);在分流法設(shè)備中因質(zhì)量流量計(jì)不準(zhǔn);在露點(diǎn)法中,因采樣氣時(shí)導(dǎo)管漏氣或?qū)Ч芴L而影響溫度都會產(chǎn)生較大的誤差。
        * 平衡時(shí)間不夠或難以達(dá)到平衡產(chǎn)生的誤差。敏感元件周圍有發(fā)熱體(如功率較大的元器件)也會影響測量結(jié)果。
        * 傳感器在工作室停留位置不同產(chǎn)生的誤差。
        4、目前濕度傳感器溫度性能分析比較
        和多數(shù)傳感器一樣,濕度傳感器在實(shí)用中必需解決溫漂問題。因此對濕度傳感器溫度特性的研究是其實(shí)用化中的重要課題。*,濕度測量始終是計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)難題,對濕度傳感器溫度特性的研究也十分困難。從各廠家濕度傳感器的產(chǎn)品說明書中可以發(fā)現(xiàn),國外產(chǎn)品多數(shù)給出了溫度系數(shù),國內(nèi)產(chǎn)品則多數(shù)沒有給出。實(shí)際上給出指標(biāo)的不一定能準(zhǔn)確反映其傳感器的溫度特性:沒有給出指標(biāo)的溫度特性不見得不好,很可能是缺乏數(shù)據(jù)難以給出具體指標(biāo)。本文重點(diǎn)討論一下濕度傳感器的溫度特性,望引起對這一問題更深入的研究。
        通常用溫度系數(shù)α或溫度漂移系數(shù)作為描述傳感器溫度特性的參數(shù)。高分子濕度傳感器的溫度系數(shù)的指標(biāo)大約在0.05一0.5%RH/℃。在寬溫區(qū)使用時(shí),這種幅度的溫度漂移已相當(dāng)可觀了。例如氣象探空儀對濕度傳感器的工作溫度范圍要求為-50~+50℃,溫區(qū)跨度達(dá)100℃。與常溫基值相比,△T達(dá)幾十度,再小的溫度系數(shù)也難以忽略不計(jì)。下表列出了國內(nèi)、外典型濕度傳感器的溫度特性。
      生產(chǎn)廠家
      濕敏元件型號
      探測器型號
      使用溫度(℃)
      溫度系數(shù)α(%RH℃)
      Shinyei
      C3-M3(電容式)
       
      -20~60
      0.5
      Vaisala
      H-sensor(電容式)
      0062
       
      -40~160
      -0.015(0%RH)
      △U<1(75%RH,10~50/℃)
      -0.15(75%RH,50~160/℃)
      +0.31(75%RH,-40~10/℃)
      Philips
      9001(電容式)
       
      0~60
      0.1
      Honeywell
      RHS-102(電容式)
       
      -20~80 
      0.05
      Vaisala
      H-sensor0062(電容式)
      HNP-35
      -40~160
      0.04
      Chino
      HN-Q1-4(電容式)
      HN-L08
      -40~80
      1%RH/10
      General
      Eastern
      RH-6(電容式)
      RHT-2
      -40~60
      0.11
      JUCSAN
      JCJRH(電阻式)
      JCJ100/JCJ200
      -40-150
      0.3
       國內(nèi)、外典型濕度傳感器溫度特性表
        值得注意的是Vaisala公司濕敏電容元件的溫度特性是按感濕范圍和溫區(qū)分別給出不同溫度系數(shù)的。這里除感濕元件自身的溫漂外,還應(yīng)包括變換電路中其它元件的溫漂,特別是對溫度敏感的二、三級管和集成電路的溫漂。因此多數(shù)探測器、變送器都采取了溫度補(bǔ)償措施以減少溫漂,使傳感器在實(shí)際使用中更可靠。
        JUCSAN九純健公司濕敏元件為電阻式采用無機(jī)鹽與有機(jī)物合成氯化鋰膜感濕工藝制成,具有的*優(yōu)點(diǎn)在于長期穩(wěn)定性*和使用壽命較長,并采用多片組合式生產(chǎn)工藝從而解決了單片濕敏元件在整個(gè)濕度范圍內(nèi)不線性的問題。其溫度系數(shù)為0.3%RH/℃但其傳感器采用自動溫度補(bǔ)償電路,傳感器探頭能在-40-120度環(huán)境下長時(shí)間正常測量濕度。經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)其高溫特性優(yōu)于國外高分子電容傳感器。尤其長時(shí)間高溫環(huán)境下,其壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高分子電容式濕敏元件。
        5、按“需要和可能”合理選擇傳感器
        濕度傳感器品種繁多,各有優(yōu)缺點(diǎn)。用戶根據(jù)實(shí)際需要合理選擇傳感器,不要盲目追求高指標(biāo)。用現(xiàn)代電子技術(shù)提高一個(gè)傳感器及其二次儀表的分辨率并不是很難的事情,但提高一臺儀器儀表的準(zhǔn)確度則不是輕而易舉能辦到的。對濕度傳感器而言,提高一、兩個(gè)百分點(diǎn),實(shí)際上是提高一個(gè)等級,可能意味著成本和造價(jià)的大幅度提高甚至翻番。一般工控條件下使用濕度傳感器,誤差確定在±3%RH-5%RH以內(nèi)就足夠了。如果使用者對濕度測量的精度要求較特殊,比如精度高,使用溫度變化較大,或者主要在低濕段或高濕段使用。找的*用二級以上的標(biāo)定設(shè)備予于檢測。否則采用精度低的測試手段只能得出置信度很低的結(jié)論。經(jīng)過測試,全面、準(zhǔn)確地了解濕度傳感器的技術(shù)性能是合理使用這種傳感器的必要前提。
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