目前,电子湿度传感器在测量范围和长期可靠性方面还不完善,对于气象和工业应用的湿度测量,干湿球测湿的方法仍然是应用的主流技术。
干湿球测湿原理是:用一只温度传感器检测空气温度(干球温度),用另一只相同的传感器检测被蒸馏水浸湿的面纱套内的温度(湿球温度),通过计算或查表计算出相对湿度。
对于常规应用的湿度测量或计量来说,其性能指标为测量范围:10%RH~100%RH;最 大 允 许 误 差:±3%RH。所需对应的温度测量指标:(1)测量范围:-50 ℃~+50 ℃,最 大 允 许 误 差:±0.50 ℃;(2)时间常数:10 s;(3)通风速度:3 m/s~5 m/s[1]。
根据这个指标和相关的标准,设计了一个电动式干湿球湿度计。
1 系统结构设计
电动式干湿球温度计一般须配置[2]:温度传感器两只(采用AD590)、通风装置、上水装置。
为使系统达到设计要求,需尽量保证干湿球测湿时,湿度的数值尽量只与干湿球温度有关(或加测试补偿);而且,需使系统具有一定的实用性(常规实验室、测试间测量或计量使用)。本文参照QX/T25-2004,并对比了几种实物进行了结构的设计。
(1)机械通风式湿度测量仪由核心控制、电源、温度传感器、大气压传感器、水盒、风扇和由机箱构成的通风道几部分构成[3]。
(2)Pt电阻电动通风式。
(3)由于AD590K体积较小,便于实现小型化,因此采用AD590K。本文借鉴了前两个实物,设计了如图1所示的结构。其特点是可拆卸、易安装,并可保存数据和发送数据。
2 电路系统设计
2.1 传感器的选择
目前气象和专业测湿应用,建议采用Pt100或Pt1000电阻。如前所述,AD590可以把体积做小,便于改进结构及工业应用推广,因此本文采用了AD590。但标准建议,干球和湿球温度传感器在同一台干湿表传感器中,在5 ℃~50 ℃范围内配对偏差不大于0.05 ℃[2],所以采用AD590,需要性能好的如AD590K、AD590L或AD590M,并做比较测试,也可通过软件补偿来实现产品的完善。本系统采用了AD590K。
2.2 测湿前端电路设计
采用差动测温度差并考虑校正电路(25 ℃传感器校正、放大增益、零点校正、干球和湿球温度传感器对比修正),进行测湿系统设计。
系统框图如图2所示。其中前端放大采用了AD623差动放大器,其电路原理图如图3所示。其中一路测量干湿球的温度差(由于采用差动,其动态范围加大),另外通过软件选择单路测量又可独立测量干球温度(或湿球温度)。这样不但提供了精度相对较高的干湿球温度差和单独的干湿球温度,还便于软件校正、滤波等。
2.3 处理器选择及供电电路设计
系统采用AD公司的2008新产品基于ARM的模拟控制芯片ADUC7060为处理器。其速度快、采样精度高、使用温度范围宽、价格便宜,是一个性价比较高的数据采集控制芯片。
其特点是CPU内核采用“ARM7TDMI”,工作频率最大为10.24 MHz,内置32 KB的闪存及4 KB的SRAM,A/D转换器的采样速度为8 k样本/s,电源电压为+2.5 V。在CPU内核工作频率为10.24 MHz,利用两个A/D转换器时,功耗为25 mW。
由于其系统电压为2.5 V,而串口MAX3232等外设的电压为3.3 V,AD590等的工作电压为5 V,因此系统采用了如图4所示的供电电路。