溫濕度自動測控系統(tǒng)及其傳感技術(shù)研究

摘 要：主要討論大樓或庫房內(nèi)溫濕度自動測控系統(tǒng)的設計方法及其溫濕度傳感技術(shù)與信號轉(zhuǎn)換方面的有關技術(shù)問題。
關鍵詞：傳感器；測量；溫度；濕度
一、引言
隨著樓宇自動化水平的提高，不少大樓要求安裝濕度測控制系統(tǒng)，以控制這些大樓或某上房間內(nèi)的溫濕度。在研制溫濕度自動測控制系統(tǒng)時，由于溫度、濕度均系非電量信號，因此必須先把這些非電量的信號變換成電信號，然后通過電子測量，再經(jīng)儀表的信號轉(zhuǎn)換，由自動控制器件進行顯示和控制。為保證系統(tǒng)測量精度，在信號的采集、變換、放大和傳輸過程中，必須線性好，轉(zhuǎn)換可靠不失真，并有較強的抗干擾能力。
二、溫濕度自動測控
溫濕度自動測控系統(tǒng)借助于溫濕度傳感器，測量大樓內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，并對大樓實行溫濕度控制。系統(tǒng)采用以可編程序控制器（PLC）為核心，配置以各類溫濕度傳感器、外圍接口電路，由PLC檢測各傳感器的信號，完成實時數(shù)據(jù)采集、開關量處理、超限報警信號檢測與輸出等，并根據(jù)采集的信號來控制前端設備的運轉(zhuǎn)。
可編程序控制器（PLC）是一種工業(yè)環(huán)境下應用的智能控制器件。可用于執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等指令，并通過數(shù)字或模擬的輸入輸出方式控制各種類型的儀器設備。
PLC還具有通信、聯(lián)網(wǎng)等功能，它的應用范圍大致介于繼電器控制裝置與過程控制的計算機之間，它也可在一人大型的集散控制系統(tǒng)中，作為前端控制裝置，在上位機的統(tǒng)一調(diào)度下工作。

圖1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體設計如圖1所示。測量溫濕度時，溫濕度傳感器把溫濕度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚瑸榕c可編程序控制器連接，測量的電信號應轉(zhuǎn)化為工業(yè)標準信號0~5V和4~20mA。當有多個傳感器時，傳感器信號之間最好不要共地，否則PLC的模擬量模塊可能會工作不正常。輸出信號通過中間繼電器控制強電信號，驅(qū)動空調(diào)和除濕器的運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)自動根據(jù)測量的溫濕度值，確定是否開啟或關閉空調(diào)和除濕器，例如，當濕度值大于設定值60%時，開啟除濕器，直至濕度接近設定值45%時，切斷電源。
為保證系統(tǒng)具有良好的測量精度，并能準確地對空調(diào)及除濕器進行控制，必須在前端測量信號轉(zhuǎn)換時具有較好的線性。
三、溫濕度傳感器及變送系統(tǒng)
1、溫度傳感器
由于在不同溫度下，鉑絲的電阻隨之變化，溫度和電阻關系接近線性，且電氣性能穩(wěn)定、靈敏、精確，因而常用其制成溫度傳感器，為保證溫度傳感器工作的可靠性與精確度，還可采用以下一些方法。
（1）可選用測溫電阻大于1KΩ或高達幾KΩ的鉑電阻，這樣不易受接線電阻的影響，測量點與變送單元之間的間距當拉長。
（2）消除傳感器的偏壓成分。 在標稱值為1KΩ的鉑測溫電阻中流過規(guī)定的電流為1mA。要流過1mA電流，在0℃時電壓降為1KΩ×1mA=1V,Eout被偏置，其特性并不理想，這是由于非線性誤差較大，運算放大器A3的作用就是減小非線性誤差，測溫電路見圖2。

圖2 溫度傳感器放大電路
圖中利用向輸入端的電壓E2扣除這個偏置電壓，使得在0℃時輸出為0，為了減去1V偏置而引進了E2，因此Eout為：

但這將導致溫度升高輸出電壓變小，因此要用下一級運算升放大器A2將負輸出電壓反轉(zhuǎn)為正輸出電壓，并給予放大。
（3）控制運算放大器的輸出電壓。要使運算放大器A2的輸出電壓達到達10MV/℃的靈敏度，在0~50℃范圍具有3.879mV/℃的溫度靈敏度，A2的增益必須為10/3.879=2.58倍。
（4）校正恒流工作的非線性誤差。按溫度計算，測溫電阻在50℃范圍內(nèi)有0.4%左右的非線性誤差，為保證一定精度，必須對非線性誤差進行校正。鉑測溫電阻的線性校正電路不象熱電偶那么麻煩。一般只要使用正反饋型線性校正電阻。
線性校正的正反饋由運算放大器A3將極性反轉(zhuǎn)，把傳感器的輸出電壓Eout返回到輸入端。于是在50℃附近提高了飽和輸出值，而且在整個范圍內(nèi)也都有所提高，在0點附近則沒有，因而實現(xiàn)了非常好的線性校正。被校正的輸出可表示為：

經(jīng)過修正后，0.4%的非線性誤差可達到0.1%以上下。
2、濕度傳感器
感濕元件為MSR-20新型高分子薄膜，電容式濕敏元件，其測量范圍寬、響應快、互換性好、性能穩(wěn)定。濕度傳感器變送器的工作原理如圖3所示。

圖3 濕度傳感器變送器的原理圖
利用晶振產(chǎn)生的定時脈沖的前沿，觸發(fā)二個單穩(wěn)多諧振蕩器。將濕敏電容CH以及“零濕度”的相應電容C0分別做兩個單穩(wěn)多諧振蕩器的時基電容。濕敏電容CH的改變引起輸出波形的頻寬產(chǎn)生相應的變化。若以零濕度時的時基電容C0的恒定輸出波形進行邏輯補償，再經(jīng)“低通濾波器”處理后送“電壓-電流變換器”，輸出相應的模擬電流或電壓，可與測控系統(tǒng)的PLC模擬輸入模塊直接連接。
四、應用實例
在某大樓的一庫房內(nèi)要求安裝一套溫濕度自動測控系統(tǒng)，系統(tǒng)要求每天每隔一定的時間間隔自動記錄溫濕度數(shù)據(jù)，并可根據(jù)設置的溫濕度上下限值對空調(diào)和除濕器進行自動控制，例如，溫度控制在18~24℃之間，濕度控制在45%~60%之間，每隔1h系統(tǒng)自動測量記錄一批溫濕度數(shù)據(jù)，并對空調(diào)和除濕器進行實時控制。系統(tǒng)選用KOYO-SZ-3系列可編程序控制器為主控制器件，共選用一塊24V開關量輸入模塊，一塊24V繼電器輸出模塊，一塊0~5模擬量輸入模塊。連線時，將動力部分、控制部分的電線分開布線，信號線最好使用屏蔽線。為減小測量誤差，主要是保證非電量到電量的轉(zhuǎn)換時的線性關系，PLC的模擬量輸入模塊的轉(zhuǎn)換精度極高，通過多次實時測量求平均的方法，可忽略該部分的轉(zhuǎn)換誤差，因此測量誤差主要在前端轉(zhuǎn)換電路中。本系統(tǒng)實際測控結(jié)果表明大樓庫房內(nèi)測試點溫度誤差小于0.5℃，濕度誤差為3%，其誤差小于測控要求。上述誤差值遠小于庫內(nèi)不同測試點溫濕度值的不均勻差異，通過加強庫房內(nèi)空氣流通，完全能滿足系統(tǒng)的測控要求。
五、結(jié)論
按照上述方案研制的溫濕度測控系統(tǒng)投入運行后，運行穩(wěn)定可靠，實時性強，數(shù)據(jù)精度高，抗干擾性能好，使用方便靈活，對類似的測控系統(tǒng)具有一定的參考價值。