電動干濕球濕度計的設計

鄧昌建，王保強

（1.成都信息工程學院 控制工程系，四川 成都610225；2.成都信息工程學院 電子工程系，四川 成都610225）

目前，電子濕度傳感器在測量范圍和長期可靠性方面還不完善，對于氣象和工業應用的濕度測量，干濕球測濕的方法仍然是應用的主流技術。

干濕球測濕原理是:用一只溫度傳感器檢測空氣溫度(干球溫度),用另一只相同的傳感器檢測被蒸餾水浸濕的面紗套內的溫度(濕球溫度)，通過計算或查表計算出相對濕度。

對于常規應用的濕度測量或計量來說，其性能指標為測量范圍:10%RH～100%RH；最 大 允 許 誤 差：±3%RH。所需對應的溫度測量指標：(1)測量范圍:-50℃～+50℃，最 大 允 許 誤 差：±0.50℃；(2)時間常數：10 s；(3)通風速度：3 m/s～5 m/s[1]。

根據這個指標和相關的標準，設計了一個電動式干濕球濕度計。

1 系統結構設計

電動式干濕球溫度計一般須配置[2]：溫度傳感器兩只（采用 AD590）、通風裝置、上水裝置。

為使系統達到設計要求，需盡量保證干濕球測濕時，濕度的數值盡量只與干濕球溫度有關（或加測試補償）；而且，需使系統具有一定的實用性（常規實驗室、測試間測量或計量使用）。本文參照QX/T25-2004，并對比了幾種實物進行了結構的設計。

（1）機械通風式濕度測量儀由核心控制、電源、溫度傳感器、大氣壓傳感器、水盒、風扇和由機箱構成的通風道幾部分構成[3]。

（2）Pt電阻電動通風式。

（3）由于 AD590K體積較小，便于實現小型化，因此采用AD590K。本文借鑒了前兩個實物，設計了如圖1所示的結構。其特點是可拆卸、易安裝，并可保存數據和發送數據。

圖1 電動式干濕球濕度計設計圖

2 電路系統設計

2.1 傳感器的選擇

目前氣象和專業測濕應用，建議采用Pt100或Pt1000電阻。如前所述，AD590可以把體積做小，便于改進結構及工業應用推廣，因此本文采用了AD590。但標準建議，干球和濕球溫度傳感器在同一臺干濕表傳感器中，在 5℃～50℃范圍內配對偏差不大于 0.05℃[2]，所以采用AD590，需要性能好的如 AD590K、AD590L或AD590M，并做比較測試，也可通過軟件補償來實現產品的完善。本系統采用了AD590K。

2.2 測濕前端電路設計

采用差動測溫度差并考慮校正電路（25℃傳感器校正、放大增益、零點校正、干球和濕球溫度傳感器對比修正），進行測濕系統設計。

系統框圖如圖2所示。其中前端放大采用了AD623差動放大器，其電路原理圖如圖3所示。其中一路測量干濕球的溫度差（由于采用差動，其動態范圍加大），另外通過軟件選擇單路測量又可獨立測量干球溫度（或濕球溫度）。這樣不但提供了精度相對較高的干濕球溫度差和單獨的干濕球溫度，還便于軟件校正、濾波等。

圖2 干濕球測試系統框圖

圖3 干濕球前端測試電路原理圖

2.3 處理器選擇及供電電路設計

系統采用AD公司的2008新產品基于ARM的模擬控制芯片ADUC7060為處理器。其速度快、采樣精度高、使用溫度范圍寬、價格便宜，是一個性價比較高的數據采集控制芯片。

其特點是CPU內核采用“ARM7TDMI”，工作頻率最大為 10.24 MHz，內置32 KB的閃存及4 KB的SRAM，A/D轉換器的采樣速度為8 k樣本/s，電源電壓為+2.5 V。在CPU內核工作頻率為10.24 MHz，利用兩個A/D轉換器時，功耗為25 mW。

由于其系統電壓為2.5 V，而串口MAX3232等外設的電壓為3.3 V，AD590等的工作電壓為5 V，因此系統采用了如圖4所示的供電電路。

其中2.5 V分模擬和數字兩路供電，這是模擬控制器常見的保證精度和抗干擾的一種重要手段。

處理器的最小系統如圖5所示。

圖5 ADUC7060的最小系統

2.4 其他電路設計

本文還采用串口接口電路、LED顯示電路 （以及可選的氣壓測試電路、電機速度測量和控制電路）來提高系統的性能。圖6所示為串口電路。

圖6 系統的串口電平轉換電路

3 濕度的計算

3.1 利用公式進行濕度計算

這種方法適用于精度較高的場合。在濕度測量中，采用以下方法進行計算[4]。

相對濕度：

參照的阿斯曼干濕表的計算式可表示為：

水：

冰：

其中p是空氣壓，t是干球溫度。

對應的飽和蒸汽壓計算為：

濕空氣（水）：

濕空氣（冰）：

其中大氣壓p的值可以測量獲取。

3.2 利用擬合和近似方法進行計算

這種方法適用于精度要求一般的場合。

可以上節的公式分析，實際上，濕度的大小主要由干球溫度、干濕球溫度之差（或濕球溫度）來確定。如最簡單的查表法，就是最常見的經典方法。

(1)可以采用多元線形擬合的方法來實現。如先考慮標準大氣壓，就只需把上面的公式的指數用級數展開，依次代入略去高次項就可。對于一般的大氣壓，把大氣壓表示為標準大氣壓與偏差之差，再展開就可得到。

(2)采用通過對濕度、干球溫度、干濕球溫差三者關系的分析，將曲面問題轉化成曲線問題的計算方法來計算[5]。

如需提高精度，可以根據溫度T分段處理來實現。

由于AD590具有可以測量點溫、不受測量線長度的影響、穩定性較好、產品防護等級高等優點，因此采用它做為電動式干濕球濕度計的溫度傳感器；另外本文采用了ADUC7060微處理器，依據它設計了測量電路和結構設計，并經驗證。

實驗證明，本文的設計方法具有一定的借鑒意義。

[1]國家氣象局氣候監測應用管理司.氣象儀器和觀測方法指南（第 6版）[M].北京：氣象出版社，1996.

[2]中華人民共和國氣象行業標準.QX-T 25-2004鉑電阻電動通風干濕表傳感器[S].中國，2004.

[3]王成，喬曉軍，張云鶴，等.機械通風式干濕球濕度傳感器測量誤差分析[J].現代科學儀器，2008，18(1)：79-81.

[4]黃曉因，張連根.干濕球法測量相對濕度算法研究及單片機實現[J].云南民族大學學報(自然科學版)，2003，12(3)：155-157.

[5]楊澤林，李相白，李建春，等.智能干濕球相對濕度傳感器的設計[J].自動化儀表，2010，31（2）：17-20.