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溫濕度感測器

標籤:濕度

由於溫度與濕度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關係,所以溫濕度一體的感測器就會相應產生。 溫濕度感測器是指能將溫度量和濕度量轉換成容易被測量處理的電信號的設備或裝置。 市場上的溫濕度感測器一般是測量溫度量和相對濕度量。

1簡介

溫濕度感測器
溫度度量物體冷熱的物理量,是國際單位制中7個基本物理量之一。在生產和科學研究中,許多物理現象和化學過程都是在一定的溫度下進行的,人們的生活也和他密切相關。
濕度濕度很久以前就與生活存在著密切的關係,但用數量來進行表示較為困難。
日常生活中最常用的表示濕度的物理量是空氣的相對濕度。用%RH表示。在物理量的導出上相對濕度與溫度有著密切的關係。一定體積的密閉氣體,其溫度越高相對濕度越低,溫度越低,其相對濕度越高。其中涉及到複雜的熱力工程學知識。
有關濕度的一些定義:
相對濕度:在計量法中規定,濕度定義為「物象狀態的量」。日常生活中所指的濕度為相對濕度,用RH%表示。總之,即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸汽壓)的百分比。
絕對濕度:指單位容積的空氣里實際所含的水汽量,一般以克為單位。溫度對絕對濕度有著直接影響,一般情況下,溫度越高,水蒸氣發得越多,絕對濕度就越大;相反,絕對濕度就小。
飽和濕度:在一定溫度下,單位容積,空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個限度,多餘的水蒸氣就會凝結,變成水滴,此時的空氣濕度變稱為飽和濕度。空氣的飽和濕度不是固定不變的,它隨著溫度的變化而變化。溫度越高,單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多,飽和濕度就越大。
露點:指含有一定量水蒸氣(絕對濕度)的空氣,當溫度下降到一定程度時所含的水蒸氣就會達到飽和狀態(飽和濕度)並開始液化成水,這種現象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時的溫度叫做「露點溫度」簡稱「露點」。如果溫度繼續下降到露點以下,空氣中超飽和的水蒸氣就會在物體表面上凝結成水滴。此外,風與空氣中的溫濕度有密切關係,也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。

2測量方法

濕度測量感測器常見的幾個測量方法
濕度測量技術來由已久。隨著電子技術的發展,近代測量技術也有了飛速的發展。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絕對濕度、相對濕度、露點、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量領域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值,深究起來,涉及相當複雜的物理—化學理論分析和計算,初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素,因而影響的合理使用。
常見的濕度測量方法有:動態法(雙壓法、雙溫法、分流法),靜態法(飽和鹽法、硫酸法),露點法,乾濕球法和形形色色的電子式感測器法。
這裡雙壓法、雙溫法是基於熱力學P、V、T平衡原理,平衡時間較長,分流法是基於絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由於採用了現代測控手段,這些設備可以做得相當精密,卻因設備複雜,昂貴,運作費時費工,主要作為標準計量之用,其測量精度可達±2%RH -±1.5%RH。
靜態法中的飽和鹽法,是濕度測量中最常見的方法,簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴,對環境溫度的穩定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡,低濕點要求更長。特別在室內濕度和瓶內濕度差值較大時,每次開啟都需要平衡6~8小時。
露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度,是熱力學的直接結果,準確度高,測量範圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達±0.2℃甚至更高。但用現代光—電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴,常和標準濕度發生器配套使用。
乾濕球法,這是18世紀就發明的測濕方法。歷史悠久,使用最普遍。乾濕球法是一種間接方法,它用乾濕球方程換算出濕度值,而此方程是有條件的:即在濕球附近的風速必需達到2.5m/s以上。普通用的乾濕球溫度計將此條件簡化了,所以其準確度只有5~7%RH,明顯低於電子濕度感測器。顯然乾濕球也不屬於靜態法,不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等於提高了濕度計的測量精度。
本文想強調兩點:第一,由於濕度是溫度的函數,溫度的變化決定性地影響著濕度的測量結果。無論那種方法,精確地測量和控制溫度是第一位的。須知即使是一個隔熱良好的恆溫恆濕箱,其工作室內的溫度也存在一定的梯度。所以此空間內的濕度也難以完全均勻一致。
第二,由於原理和方法差異較大,各種測量方法之間難以直接校準和認定,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0~100%RH)的測量結果,或者要在所有溫度範圍內校準各點的測量結果,是十分困難的事。例如通風乾濕球濕度計要求有規定風速的流動空氣,而飽和鹽法則要求嚴格密封,兩者無法比對。最好的辦法還是按國家對濕度計量器具檢定系統(標準)規定的傳遞方式和檢定規程去逐級認定。

3注意事項

選擇的注意事項
①.選擇測量範圍
和測量重量、溫度一樣,選擇濕度感測器首先要確定測量範圍。除了氣象、科研部門外,搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程(0-100%RH)測量。
②、選擇測量精度
測量精度是濕度感測器最重要的指標,每提高—個百分點,對濕度感測器來說就是上一個台階,甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度,其製造成本相差很大,售價也相差甚遠。所以使用者一定要量體裁衣,不宜盲目追求「高、精、尖」。如在不同溫度下使用濕度感測器,其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知,相對濕度是溫度的函數,溫度嚴重地影響著指定空間內的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產生0.5%RH的濕度變化(誤差)。使用場合如果難以做到恆溫,則提出過高的測濕精度是不合適的。多數情況下,如果沒有精確的控溫手段,或者被測空間是非密封的,±5%RH的精度就足夠了。對於要求精確控制恆溫、恆濕的局部空間,或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合,再選用±3%RH以上精度的濕度感測器。而精度高於±2%RH的要求恐怕連校準感測器的標準濕度發生器也難以做到,更何況感測器自身了。相對濕度測量儀錶,即使在20—25℃下,要達到2%RH的準確度仍是很困難的。通常產品資料中給出的特性是在常溫(20℃±10℃)和潔凈的氣體中測量的。
③、考慮時漂和溫漂
在實際使用中,由於塵土、油污及有害氣體的影響,使用時間一長,電子式濕度傳器會產生老化,精度下降,電子式濕度感測器年漂移量一般都在±2%左右,甚至更高。一般情況下,生產廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年,到期需重新標定。
④、其它注意事項
濕度感測器是非密封性的,為保護測量的準確度和穩定性,應盡量避免在酸性、鹼性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環境中使用。為正確反映欲測空間的濕度,還應避免將感測器安放在離牆壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測的房間太大,就應放置多個感測器。有的濕度感測器對供電電源要求比較高,否則將影響測量精度。或者感測器之間相互干擾,甚至無法工作。使用時應按照技術要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。感測器需要進行遠距離信號傳輸時,要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過200m以上時,建議選用頻率輸出信號的濕度感測器。

4最佳濕度

人們生活的關係
如:冬天溫度為18至25℃,濕度為30%至80%;夏天溫度 為23至28℃,濕度為30%至60%。在此範圍內感到舒適的人佔95%以上。在裝有空調的室內,室溫為19至24℃,濕度為40%至50%時,人會感到最舒適。如果考慮到溫、濕度對人思維活動的影響,最適宜的室溫度應是18℃,濕度則是40%至60%,此時,人的精神狀態好,思維最敏捷。

5行業需求

食品行業:溫濕度對於食品儲存來說至關重要,溫濕度的變化會帶來食物變質,引發食品安全問題溫濕度的監控有利於相關人員進行及時的控制。
檔案管理:紙製品對於溫濕度極為敏感,不當的保存會嚴重降低檔案保存年限利用如LTM8901系列+LTM8662+LTM8520即可組成環境監控系統,配上排風機,除濕器,加熱器,即可保持穩定的溫度,避免蟲害,潮濕等問題。
溫室大棚:植物的生長對於溫濕度要求極為嚴格,不當的溫濕度下,植物會停止生長、甚至死亡利用LTM8901C+LTM85202,配合氣體感測器,光照感測器等可組成一個數字化大棚溫濕度監控系統,控制農業大棚內的相關參數,從而使大棚的效率達到極致。
動物養殖:各種動物在不同的溫度下會表現出不同的生長狀態,高質高產的目標要依靠適宜的環境來保障。
藥品儲存:根據國家相關要求,藥品保存必須按照相應的溫濕度進行控制。根據最新的GMP認證,對於一般的藥品的溫度存儲範圍為0-30℃。
煙草行業:煙草原料在發酵過程中需要控制好溫濕度,在現場環境方便的情況下可利用LTM8590等無線溫濕度感測器監控溫濕度,在環境複雜的現場內,可利用RS-485等數字量傳輸的LTM8901C進行檢測控制煙包的溫濕度,避免發生蟲害,如果操作不當,則會造成原料的大量損失。
工控行業:主要用於暖通空調、機房監控等。樓宇中的環境控制通常是溫度控制,對於用控制濕度達到最佳舒適環境的關注日益增多。

6應用案例

溫濕度感測器應用於監控文物環境的溫濕度
古文物之所以歷經數百年幾千年而保持完好,是由於其深埋於地下時,處在近乎封閉的環境中,物理的、化學的、生物的變化都停留在某種平衡狀。但是隨著它出土它的這種平衡性也會遭到破壞。所以文物出土后我們要採取有效的措施防止它們將逐漸被腐蝕、消耗,終歸化為塵埃。文物在博物館和檔案館中很容易受到空氣腐蝕。所以利用溫濕度感測器監控文物所在環境的溫濕度是很有必要的。
  文物博物館的溫度和濕度要求是非常苛刻的,我們必須利用溫濕度感測器實現對溫度、濕度進行24小時實時監測,而且這些數據必須及時的傳送給監控中心。一旦數值出現超出預設溫濕度上下限,監測主機就會立即報警。從而文物保護人員就能及時的採取有效措施來確保文物的良好環境。靈活的感測器探頭可直接放置於測量點進行使用,無需布線,省時省力。
  文物是古代文明的結晶對於我們了解以前的歷史很有作用,所以保護文物非常有必要,溫濕度感測器由於其價格便宜,便宜和監控系統相連的優點,使得其在保護文物方面有不可取代的作用,隨著溫濕度感測器的發展,用於監控文物的溫濕度感測器也會大大改進,使得其精度更高、體積更小、以及靈敏度更加優越。這樣才能更好的監控文物的環境。

7其它

風道管溫濕度感測器
風道管溫濕度感測器一般採用原裝進口的溫濕度感測模塊,通過高性能單片機的信號處理,可以輸出各種模擬信號。具有廣泛的應用,甚至超過一般壁掛式溫濕度感測器。
風道管溫濕度感測器

  風道管溫濕度感測器


  風道管溫濕度感測器採用靈活的管道式安裝,使用方便,輸出標準模擬信號,直接應用於各種控制機構和控制系統。整機性能更優越,長期穩定性更出色。這種溫濕度感測器一般溫度範圍是-40-120℃ ,而濕度範圍為0~100%RH。風道管溫濕度感測器輸出信號具有多樣性,一般有4-20ma,0-5V,0-10V等常見模擬信號,有的還帶有485數字信號輸出,如果客戶需要還可以佩戴顯示功能,這也是這種感測器使用範圍很廣的一種原因。
  風道管溫濕度感測器廣泛應用於樓宇自動化、氣候與暖通信號採集、博物館和賓館的氣候站、大棚溫室以及醫藥行業等。這種感測器產品一般質保一年,使用一定年限后,產品測量精度會產生一定的漂移,為了保證測量精度,建議在產品使用1~2年後客戶需對進行產品進行精度校正或者返廠精度校正。

8發展趨勢

近年來,隨著智能手機、平板電腦等移動設備的迅速發展,其中內置的微機電系統(MEMS)的比例越來越高。 「目前,我們公司的感測器每年的出貨量已經超出了幾千萬片,全球業務增長幅度近年來都在40%左右。」總部位於瑞士的深圳盛思銳(Sensirion)公司總經理Paul Chia表示,作為全球領先的感測器製造商,盛思銳公司早在七年前就已經進入中國市場,並向中國廠商推廣溫濕度感測器。
「我們的產品在中國市場主要分三大應用:第一是安防監控;第二是節能,普遍應用到家電,汽車等領域;第三則是舒適度,主要應用於消費類電子產品領域。」在2009年,盛思銳公司推出了一款當時世界上最小的數字濕度和溫度感測器——SHT21,引起市場廣泛關注。
一直以來,盛思銳在推廣溫濕度感測器的過程中,都非常注重於宣傳舒適度概念。「之前的客戶只有溫度的概念,而沒有濕度概念。其實相對濕度是與溫度密切相關的,只有對同一測量點的濕度和溫度進行數據採集,才能保證相對濕度的準確性。」Paul Chia表示,人體對空氣濕度的舒適感應空間較窄,因此需要通過感應器來感知濕度,隨時補充或降低水分。
在2009年,盛思銳公司推出了一款當時世界上最小的數字濕度和溫度感測器—SHT21,引起市場廣泛關注。 盛思銳是業內第一家將溫、濕度感測器集成到一起的廠商。「我們不僅僅是提供一個感應器,而是把溫度補償和標定數據都集成在一個電路裡面。我們的溫濕度感測器在出廠前都經過完全標定,客戶只需將其跟單片機通訊就可以直接採集到數據。
」據介紹,溫濕度感測器作為電子技術和物理化學原理的複合技術,硬體因素只佔其中50%,另一個重要因素則是標定。如果要保證測出來的值是準確的,則需要保證每次檢測的標定值永遠在一個固定範圍內,這是非常難做到的。一般來說,由於標定需要大量的數據來測試,只有產品出貨量越大,產品穩定性才會越好。「由於一些小型IC廠商出貨量較小,所以很難保證測量數據的穩定性和精準度」。
據了解,溫濕度感應器目前主要分為電阻式、電容式兩種,相對來說電容式的精準度比較好,感應速度非常快,但是在水分的侵蝕下容易氧化。由於盛思銳採用了獨特的的電極分佈和鍍膜技術,使得感應器不僅不會氧化,還能很快吸收水分子。「基本上每一個廠家的濕度感測器都存在一個問題,進水容易損壞。
我們的感測器在水分蒸發后可以迅速還原,電阻式感測器無法做到這一點。」針對手機市場,應用匱乏成普及最大阻礙 Paul Chia認為,未來的感測器市場尤其是在消費電子及物聯網等領域擁有廣闊前景。當然在具體應用中,也面臨一些需要解決的問題,「物聯網方面,客戶希望一塊紐扣電池可以為感測器供電達4年之久,另外多種感測器的組網和無線傳輸方式也是一個問題。」但在手機行業的市場推廣過程中,Paul Chia意識到,阻礙智能手機廠商採用溫濕度感測器的主要原因,可能並非來自感測器本身。 「我們的產品能提供溫濕度參數,但是怎樣使其轉化為手機用戶的有利信息?」在日本,針對溫濕度感測器的應用開發已經走在了前列。
盛思銳的溫濕度感測器已被應用於日本某知名品牌手機當中。筆者猜測,相關數據可能會被NTT、DOCOMO等運營商賣給氣象台或商家來進行分析。在中國,包括海爾、聯想在內的手機廠商也開始了一些嘗試,針對農村市場已經推出了可以顯示溫濕度的手機,可以幫助農民更便捷地了解氣候變化。「未來我們還可能在一些針對老人的手持設備中加入溫濕度感測器,提醒他們及時補充水分和調節空間溫濕度。」 在消費電子領域,溫濕度感測器的傳統應用是天氣預報以及室內監測,例如盛思銳三年前在香港做的「weather station」,通過一個顯示屏顯示日期、時間、溫度和濕度。手機中如果僅僅集成這種應用,消費者是否願意為增加的成本買單? 「在接觸國內手機客戶的過程中,他們對我們的產品其實很看好,唯一的疑問是手機還缺少相關應用。
很遺憾的是,如果沒有大型國際品牌手機廠商先使用,國內二、三線手機廠是不會貿然嘗試的。」Paul Chia透露,近段時間他基本上遍訪了國內排名前十位的智能手機廠商及IDH公司,但是最終還是確定先與日韓和歐美的幾家國際品牌廠商開始合作。他同時表示,隨著Windows 8、Android 4.0增加了對於溫濕度感測器的API支持,相關的第三方應用開發者將可以在此基礎上開發大量的應用軟體。而一旦幾家國際公司率先應用,將很快在國內形成更加完善的生態系統。
當然,如果要針對中國手機市場,成本是不得不考慮的一個因素,目前溫濕度感測器在成本上仍然過高。「我們也意識到手機行業很多時候『興奮點』在1美金以下,而目前業界同樣產品的價格還達不到興奮點,所以我們也在研發一些體積較小、功耗較小、成本較低的產品。」Paul Chia表示,用於消費類電子產品上的感測器精度可能並不需要達到那麼高,他認為5%濕度精度、0.5℃溫度精度已經可以滿足客戶需求。隨著感測器價格的持續降低,相信未來不只是高端手機,包括中、低端的智能手機都會考慮加入這一功能。
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