（计算机应用技术专业论文）低成本湿度标定系统的研究与设计.pdf

s t u d ya n dd e s i g no nl o wc o s th u m i d i t yc a l i b r a t es y s t e m c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n i q u e l ix u e l i a n a b s t r a c t a i rh u m i d i t yi sc l o s e l yr e l a t e dt om a n k i n d p e o p l esd a i l yl i f ea n d p r o d u c i n ga c t i v i t i e sa sw e l la st h eg r o w t ha n de x i s t e n c e a r ec l o s e l yl i n k e d w i t ht h eh u m i d i t yo fe n v i r o n m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，t h et e c h n o l o g yo fh u m i d i t ym e a s u r e m e n t h a sb e e nw i d e l yu s e d i n m a n yf i e l d s ，s u c h a ss t o r e m a n a g e m e n t ，p r o d u c t i o nm a n u f a c t u r e ， m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o n ，s c i e n t i f i cs t u d y , d a i l yl i f ea n ds oo n o fa l lh u m i d i t ym e a s u r e m e n t ，h u m i d i t ys e n s o r sa r eo f t e nu s e d b u t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yo fh u m i d i t yi n d u c t i o no fh u m i d i t y s e n s o r sd o e sn o ti m m e d i a t e l yd e n o t ee n v i r o n m e n th u m i d i t y , t h i ss e n s o r s c h a r a c t e r i s t i cm u s tb et e s t e da n ds c r e e n e di nt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r e ， m a n u f a c t u r e ro fp r o d u c ea n du s es e n s o r sa l s on e e dc a l i b r a t et h e s e h o w e v e r t h ep r i c eo fh u m i d i t yg e n e r a t o r si sn o to n l yh i g hb u ta l s oi t sc u b a g ei sv e r y b i g ，a l lo f t h e s ec a u s et h el o we f f i c i e n c ya n dt h eh i g hp r i c eo ft h ee x a m i n i n g w o r k s oh u m i d i t yc a l i b r a t ei sab i gp r o b l e mt h a ta f f e c t st h em a n u f a c t u r e a n du s eo f h u m i d i t yo u t p u t n o wah u m i d i t yc a l i b r a t es y s t e mw h i c hh a sb e e nr e s e a r c h e da n d p r o d u c e dt os e t t l et h i sp r o b l e m t h i ss y s t e mc a nm e e tt h en e e do f al o to f p r o d u c t i o n t e s t sa n do f f e ra ne f f e c t i v em e d i u mt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d r e d u c et h ec o s to f h u m i d i t yc a l i b r a t i o n k e y w o r d s ：h u m i d i t yc a l i b r a t e ；s a t u r a t e ds a l ts o l u t i o n ；e q u i l i b r i u mt i m e h u m i d i t ys e n s o r ；d e t e c t i o na n dc o n t r o l 引言 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 众所周知，空气是多种气体的混合物，其中有一种重要的、数量上经常变化的 成分水汽。通常，空气中水汽的含量用湿度表示。空气湿度与人类关系密切， 人们的日常生活和生产活动以及动植物的生存，都与周围环境的湿度息息相关，日 常生活、家电、交通、医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。如：为防止库中 的食品、武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保证环境的干燥；而水果、 种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度，这些都须对湿度进行测量与控制；茶 叶、烟草的加工及纺织行业等都离不开对湿度的监控；在家用电器上湿度测量广泛 用于空调机、微波炉、摄像机等电器：在农业生产中，果园、大棚蔬菜等种植对湿 度的要求更加严格。总之，随着工业、农业、国防、科技及整个国民经济的迅猛发 展，对环境湿度的控制与检测越来越受到人们的重视，市场需求也越来越大。 目前，对环境湿度的测量通常采用湿度传感器，传感器是七、八十年代以来国 内外发展起来的一项高技术产品，传感器、计算机和控制器构成了电子技术与自动 化技术三大支柱，传感器可以解决信息处理飞速发展与获取信息大大落后这两方面 之间的矛盾“1 。随着科学技术的发展以及环境湿度的重要性的提高，对湿度传感器的 各项性能指标的要求也越来越高，其中包括测量精度、线性度、互换性、灵敏度、 响应速度、稳定性等“。而这种元件由于工艺等方面的原因，性能参数离散较大，生 产时需要对元件性能参数进行测试、筛选，这就需要进行湿度标定。另外温度传感 器的感湿特征量与环境气相湿度之间并不总是存在固有的定量关系，感湿特征量的 测量值也不可能直接表征环境气相湿度的确切数值，因此，湿度传感器一般都要设 计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定方可使用。在对湿度测量仪器长时间 使用之后，需要对其准确度进行校准“1 。 总之，研究单位和生产厂家测试湿敏元件或湿度传感器的性能参数；使用单位 检查厂家元件或湿度传感器质量；或者使用一段时间要定期校准测量湿度的仪器仪 表：即使是用于标定时进行比对的精密仪器长时问使用之后都需要检查，而传统的 标定方法所使用的标准湿度发生器价格昂贵、仪器的使用成本和维护成本都很高、 仪器自身的标定成本更高，由此导致被标定的仪器仪表的生产和使用成本居高不下。 例如：由北京桑翌科技发展有限公司代理经销的k a y m o n t 标准湿度发生器m 2 0 0 0 低成本湿度标定系统的研究与设计 促销价为：￥1 0 0 ，0 0 0 。成都科析仪器成套有限公司经销的d f f m 系列的小型湿度检 定箱的售价为：￥1 5 ，6 0 0 ￥5 3 ，8 0 0 。其次湿度发生器体积庞大，携带不便，因此 标准湿度发生器不能为普及测试提供方便和良好的条件。湿度产品的制造和使用部 门都迫切需要一种成本较低、使用可靠、设备简单的标定方法，本课题正是基于这 样的现实需求背景下而提出的。 本系统的研制成功，将大大降低湿度仪器仪表的标定和检测成本，加快检测效 率，提高标定精度，因此，该系统的研制是具有非常大的现实意义的。 1 2 湿度测量技术的发展现状 随着现代科学技术的发展，湿度作为一个环境参数越来越被人们所重视。但与 其他常规环境参数相比，湿度的测量较为复杂，其测量要受相关参数的影响，特别 是环境温度对它的影响尤为明显。湿度测量时要求温度的稳定度、准确度应在 0 0 3 。c 范围内”1 。而且测量湿度不能像测量温度那样隔离测量、传导测量，含有水 汽的气体必须与测量仪器直接接触，这些都增加了湿度测量的复杂性。所以在湿度 值的测量、量值的传递、湿度传感器技术以及湿度测量仪器的全量程标定等方面， 还有许多困扰湿度科研工作者的难题。因此世界上许多国家都投入了大量的精力对 这些问题进行研究，并且在理论和技术方面都有显著的进展。 1 2 1湿度测量技术在国外的发展 一、湿度标准目前，世界各国基本上都是通过两种并行的方式来实现湿度量 值的统一，并作为温度计量标准。其一是建立湿度的绝对测量，各国普遍把能进行 湿度的绝对测定的重量基准湿度测定法作为湿度的最高标准，即基准。美国国家标 准局n b s 在1 9 6 4 年提出了重量法湿度绝对测定装置的研究报告，指出该装置的精 度达到0 1 ”1 。但这种方法操作要求相当严格，稍有不妥将会引起很大的误差。其 二是制作能够发上已知湿度气体的装置。湿度发生器由于操作简单、方便、更重要 的是精确度高、可适用于全湿度范围内任何湿度值的标定，是目前几乎所有国家都 采用的提供二级湿度标准的方法。根据湿度产生原理的不同，湿度发生器有双温法、 双压法以及混合法( 亦称双流法) 。芬兰计量与鉴定中心c m a ( c e n t r ef o rm e t r o l o g y a n da c c r e d i t a t i o n ，f i n l a n d ) 的湿度发生器是采用的双温法原理，该方法简单而 且无需考虑露点温度。英国国家物理实验室n p l ( n a t i o n a lp h y s i c a ll a b o r a t o r y ， u k ) 、法国c e t i a t ( c e n t r ed e si n d u s t r i e sa e r a u l i q u e se tt h e r m iq u e s ，f r a n c e ) 引言 和i m g c ( i s t i t u t od im e t r o l o g i a “g c o l o n n e t t i ”) 也都采用相同的方法。而日 本的湿度标准是由n m i j 的标准湿度发生器所提供，实验装置的实现依照了计量法 j c s s 的相关规定。值得注意的是，该装置把水的饱和作为基准，而饱和状态由温度 及压力所决定，故介入了温度标准和压力标准，采用了双压双温法为原理的发生装 置。采用类似方法的还有美国国家标准与技术研究院n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ，u s a ) 、印度和西班牙。关于湿度标准的国际比较，是 以参加太平洋计量计划a p m p 的域内8 个国家的国际标准报告书作为参考，对其露 点计( 露点为一7 0 。0 + 2 0 ) 进行轮流测定，相互比较。同时，c c t 对包括英国n p l 、 日本n m i j 在内的l o 个国家标准机构间进行了基准国际比较，发表了关于湿度发生 装置不确定性的评价，指出校正值的不确定性是根据露点的范围和校正对象的露点 计的状态不同而有所不同，最好是在露点为0 0 3 。0 。但目前上述机构的最高测定能 力是露点0 1 3 0 ，1 9 ，相对湿度精度1 3 。1 。 二、湿度传感器作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为2 1 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。湿度传感器作为湿度计量的关键 基础元器件，在国外一直得到了高度重视。如芬兰v a i s a l a 、荷兰p h i l i p s 、美国 g e n e r a le a s t e r n 、美国h o n e y w e l l 、法国h u m i r e l 、奥地利e + e 、瑞士s e n s i r i o n 、 日本神荣等各国外公司的湿敏元件无论从产品性能还是测量精度都有了很大的提 高。总体上来讲，具有以下特点。1 ：经典传感器正在被新材料、新原理、多功能、 微结构所取代。例如对陶瓷、高分子、智能等新型材料的开发和应用，不仅扩充了 湿度传感器的种类，而且改善了湿度传感器的性能。微电子工艺、微机械加工和超 精密加工等先进加工技术在各类传感器加工和生产中的不断普及，使传感器正在从 传统的结构设计向以微机械加工技术为基础，仿真程序为工具的微结构技术方向发 展。如采用微机械加工技术制作的m e m s 产品，具有微小体积、低成本、高可靠等 独特优点。与数字化技术、通信技术的关系越来越密切。数字技术的发展，使新 型的湿度传感器不仅具有信号提取、信息处理、双向通信、量程切换、逻辑判断、 步骤决策的功能，还具有自检测、自诊断、自校准、自补偿等智能功能，更能适应 各种现代测量和控制的功能。例如瑞士s e n s i r i o n 的s h t7 x 系列传感器就是一款 由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器“。向集成 化、智能化方向发展。具有创新性的c m o s e n s 技术使湿度传感器兼具变送器的功能， 这样便于实现系统集成。c m o s e n s ( c e m o s e n s ) 技术是瑞士s e n s i r o n 公司为其 高精度湿度传感器系统设置精度的专利技术。其特征是将半导体芯片( c m o s ) 与传 低成本湿度标定系统的研究与设计 感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度检测系统提供 了解决方案。该项技术亦称“s e n s m i t t e r ”，它代表传感器( s e n s o r ) 与变送器 ( t r a n s m i t t e r ) 的有机结合。将传感器与调理、补偿等电路集成在同一芯片，使 传感器由单一的信号变换功能扩展为兼具放大、运算、补偿等用途，还可以根据具 体情况自主地对整个传感系统实现自检测、自校准等人工智能。 1 2 2 我国湿度研究的现状 在国内，随着传感器技术的不断成熟和完善，强有力地推动了有关湿度的 研究 、湿度的基标准和测试规范的建立 我国的湿度计量器具检定系统是由国家标准物质研究中心起草，国 家技术监督局于1 9 9 0 年批准并实施( 见表1 1 ) ，通用型湿度传感器测试规 范也于1 9 9 5 年通过评审。该规范指出了应用范围在3 0 r h 7 0 r h 湿度传 感器或变送器，所必须测定的性能参数的定义及测试方法，包括：响应不确定度、 相应灵敏度、响应范围、响应时间、响应滞后、温度系数、长期稳定性1 。这些标 准和规则的建立，对统一我国的湿度量值及其传递、规范我国湿度传感器与湿度计 量器具的质量指标和市场，对促进我国湿度事业的发展起到了十分积极的作用。 表卜1 湿度计量器具检定系统 温度基准重量法温度计不确定度0 3 2 5 精密露点湿度计不确定度o 1 0 o 1 5 。c 标准干湿表 一级标准 双压法标准湿度发生器 不确定度1 o r n 双温法标准湿度发生器一 渗透湿度发生器 不确定度3 o r h 静态湿度发生器 ( 盐的饱和溶液) 精密露点湿度计 不确定度4 - 2 o r h 二级标准 动态湿度发生器 电动通风阿斯曼干湿表 渗透湿度发生器不确定度3 o 蹦 湿度级传递标准精密光电露点仪准确度- - + 0 2 c 露点 二、湿度的理论研究u 2 4 引言 湿敏材料的吸湿导电机制，向来是学术界研究的热点。针对陶瓷湿度传感器的 导电机制，我国早在1 9 9 3 年就肯定了电子导电和离子导电的同时，率先提出并实 验证实了电解质导电行为的存在，即金属阳离子的溶出并参与导电过程。而对于玻 璃一陶瓷复合型湿敏材料z n c r 2 0 4 一v 2 0 5 一l i 2 0 z n o ，其本体电导中含有电子电导已 为公认，但本体电子电导是否随环境湿度变化尚未见报道，本体电导中是否含有离 子电导存在异议。而最近我国通过实验得出了玻璃一陶瓷复合型湿敏材料 z n c r 2 0 4 一v 2 0 5 一l i 2 0 z n o 的本体电导只有电子电导，没有离子电导。而且不因感湿 而改变。提高响应灵敏度和长期稳定性、减小湿滞回差、改善感湿曲线的线性度一 直是困扰湿度传感器研发人员的主要问题，我国利用适当浓度的h 2 p t c l 6 溶液对高 分子湿度传感器的感湿膜进行修饰改性，使经过修饰的器件的湿滞特性、响应恢复 特性和稳定性均得到一定的改善。在此研究基础上：我国湿度界基本上统一了如下 认识：制作湿度传感器应选择表面能态低、吸水性较弱的感湿材料，最好不发生 水分子的化学吸附非吸附型的湿度传感器，应当是高稳定湿度传感器的发展方 向。 三、湿度传感器的研究与发展 2 0 世纪6 0 年代初期，张希仲先生在国内建立了我国第一个( 双温法) 标准湿 度发生器和第一个现代湿度传感器l i c l 露点湿度传感器，开创了我国现代湿度 传感器的研究历史。8 0 年代初，随着国内传感器热的兴起和l i c l 湿度传感器的成 熟，出现了包括高分子薄膜湿度传感器在内的众多湿度传感器研究热潮。9 0 年代以 后，以高分子薄膜湿度传感器为代表的一些优秀的湿度传感器先后问世并走入市 场，开始进入了湿度传感器的实用阶段。我国总的研究水平与国外差距不是太大， 但是9 5 年后滑坡十分严重，在传感器的应用和生产方面与国外差距逐渐拉大，目 前国内湿敏元件主要是瞄准国外元件进行研制，高分子薄膜湿敏元件虽然国内鉴定 的较多，但至今未形成产业。 1 2 3 湿度测量方法及湿度测量领域的发展趋势 湿度测量时所采用的仪器和原理不同，相对应的测量方法也不同。总体上来讲 可以分为以下几类： 一、缩胀法、干湿球法、湿度( 湿敏) 传感器 这类方法适用于测量空气的相对湿度。缩胀法是利用天然物质( 例如：棉线、 青蛙皮、毛发、肠衣、象牙等) 随空气中相对湿度变化而改变其长度的特性来测量 低成本湿度标定系统的研究与设计 湿度的一种方法，毛发湿度计是气象部门在曾经一段时期内广泛采用的古老方法 。1 7 5 0 年r i c h m a n 偶然发现，当温度计的温泡有水时，它指示的温度低于周围 空气的温度，形成干球与湿球的温度差，干湿球法由此而生。其测量很大程度上受 到风速、温度计本身的准确度、大气压力测量准确度等因素的影响“。湿度传感器 法是利用湿度传感器的功能材料可以发生与湿度有关的物理效应或化学效应而引 起某些参数的变化从而达到测量相对湿度的目的。该方法是目前测量湿度的主要方 法，从1 9 6 5 年n e l s o f t 和a m d u r 制造出第一只性能稳定的电容式湿度传感器以来， 该类传感器就被广泛应用与湿度测量和控制领域“。随着传感器技术的成熟，电容 式湿度传感器更因其体积小、测量量程宽、工作范围大、并且有较高的灵敏度和复 现性等特有的优良性能在湿度测量领域独领风骚”。 二、冷凝露点法、氯化锂露点法 这类方法是通过测量空气的露点温度，进而通过计算得出该状态下的水汽压和 相对湿度。露点温度是指在定压条件下，降低温度时，未饱和空气将逐渐趋于饱和 状态，一旦达到饱和状态时，空气中的水汽就会在物体表面凝结为露( 或霜) ，此 时的温度即为露点温度。冷凝露点法是一种具有准确度高、测量范围宽的绝对测量 方法。根据c l a p e y r o n c l a u s i u s 方程，水汽压的测量误差随着空气温度的降低而增 加，即在低温条件下用露点法进行测湿，其精度有所降低，但与其它测湿仪器和方 法相比，该方法仍然是较准确的方法。因此几乎所有的国家都选用其中的精密露点 湿度计作为湿度计量标准器具。氯化锂露点法是通过测量氯化锂饱和溶液的水汽压 与环境水汽压平衡时的温度来确定露点温度“。 三、吸湿称重法 该方法也称绝对法。利用吸湿剂五氧化二磷吸收一定容积空气中的全部水汽含 量，只要精确测定空气容积和吸湿剂的重量变化，就可以直接计算出单位体积空气 中的水汽含量。这是现有测湿方法中精确度最高的经典方法，我国和世界上一些工 业先进的国家都把该方法作为湿度计量的基准，通常用于湿度的精密测量和仲裁测 量1 。 为了在相同的测量范围内，使用不同方法和同准确度仪器测量的结果能进行相 互比对，世界上许多国家都公布了自己的湿度测量的方法标准。例如：美国标准 a s t m i ) 4 2 3 0 8 3 用冷却表面露点凝结( 露点) 湿度计测量湿度的方法、日本工业 标准j i s z 8 8 0 6 1 9 8 1 湿度测量方法、西德标准d i n 5 0 0 1 2 - 1 9 8 6 空气湿度测量方 引言 法等，我国也在1 9 9 0 年由国家质量监督检验检疫总局公布了由成都仪器厂负责 起草的g b l i 6 0 5 8 9 湿度测试方法。这些标准的制定与公布为湿度测量领域建立 了标准与规范，保证了因不同测量原理而采用不同湿度测量仪器进行湿度测量时测 量结果的证确性和可复现性。解决了长期以来因测量方法和量值不统一而发生的测 量纠纷”。随着湿度测量方法和量值的统一，总体上来看目前采用湿度传感器进行 湿度测量更为普遍。而湿度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的方向发展。与 之同时，湿度测量领域呈现新的发展趋势。主要表现为：新技术和新工艺被广泛 应用于湿度测量领域；进一步提高湿度测量的精度和分辨力；增加测试、自动 校准功能和进行非线性和温度补偿是湿度测量领域发展的必然趋势“。 1 2 4 现存的主要问题 尽管国内外对湿度研究以及湿度传感器的生产和应用方面都取得了很大的发 展，但湿度计量仍然是一大难题。其难点为： ( 1 ) 基准、标准量值传递困难 湿度国家计量基准是基于质量混合比的定义建立的，它由重量法湿度计和湿度 发生器组成，用以复现和保存湿度的质量混合比单位。根据以上基准，规定了一级 标准与二级标准。虽然有了基准和标准计量器具，但其量值传递却很困难，因为它 是容易受温度影响的气体样品，使用时一定会有和外界气体相混合的情况发生，难 以保证原样，另外提供二级标准的湿度发生器价格昂贵，标定成本居高不下。 ( 2 ) 受温度的影响较大 湿度总是随着温度的改变而改变，温度对湿度有很大的影响。以相对湿度的计 算为例：每一温度下都有自己的饱和水蒸气摩尔数，当空气中所含的水蒸气摩尔数 为一个定数时温度变化一点，相对湿度就会改变，这给湿度计量带来一定的复杂性。 ( 3 ) 测量方法有待突破 湿度计量至今没有较好的方法，重量法虽然比较准确，但一般不能到现场测量， 又不能直接显示出结果。毛发湿度计误差较大，给出的又不是电量。干湿表在操作 时容易造成误差，精密露点仪价格昂贵，不适于工作计量。湿敏元件的出现是湿度 计量的一次突破，但开始的电阻式氯化锂湿敏元件不能全程计量，电阻式陶瓷湿敏 元件又需要加热清洗。芬兰1 9 7 3 年研制的高分子薄膜电容式湿敏元件是在电湿敏 元件上的又一突破，虽然有高湿漂升问题，但仍可算作是世界最为流行的湿度计量 的较好方法，许多国家也在这方面寻求较好的解决方法，尽管高分子电容式湿度传 低成本湿度标定系统的研究与设计 感器的性能有了极大的改善。但湿度计量还没有取得彻底突破。 1 3本课题的主要研究内容 本课题的主要内容是研制一套低成本湿度标定系统，包括湿度标定方法的选 择、湿度标定装置的设计、缩短饱和盐溶液平衡时间的措旌研究，标定时进行监控 的仪器的设计、其中监控仪器的设计又包括温湿度数据采集电路、数据存储电路、 用于控制和显示等各个接口电路以及系监控软件的设计( 系统组成框图如图l 一1 所 示) ，以实现湿度测量和湿度传感器标定的低成本、自动化和高效率。 砒艇胜删u 量咀吩i 一 存储电路 t 堕 湿度传感器 片 一 显示 湿度源 t 机 驱动电路l 一 + 一 键盘 图1 一i 系统组成框图 湿度标定采用了饱和盐溶液湿度定点法，利用了饱和盐溶液在特定的温度和压 力下，达到固体、液体( 溶液) 和气体( 空气和水蒸气混合物) 三相热力学平衡时， 饱和鼎溶液上方空气的相对湿度值恒定的原理。但这种方法平衡时间长，严重影响 了标定效率，本课题重点在这方面作了研究，通过大量的实验数据，最终确定了加 搅拌和选择最佳温度进行标定的方法，大大缩短了饱和盐溶液的平衡时间，提高了 标定效率。其中对饱和盐溶液的搅拌是由微型直流电机实现的，可以通过单片机对 搅拌的方向和速率进行调节和控制。 选用了i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列单片机8 0 c 5 1 作为系统的主机，瑞士 s e n s i r i o n 公司1 2 c 总线数字式温湿度传感器s h t il 进行温湿度测量，由于8 0 c 5 1 单片机不具备i z c 总线接口，故使用单片机通用i o 口线来模拟1 2 c 总线。 为了节省单片机的i o 资源，用串行输入输出的显示驱动器m a x 7 2 1 9 来驱动 4 位数码管，显示湿度源的温度、湿度、平衡时间，而这三者的显示是通过按键来 r 引言 切换的。 m c s 一5 1 系列单片机的特点之一是系统结构紧凑、硬件设计简单灵活，对于复 杂的应用场合，需较大存储容量的情况下，m c s 一5 1 系列单片机能提供很强的扩展 功能，可以进行系统扩展来构成功能很强、规模较大的系统。本课题选用了a t m e l 公司的5 1 2 k b 的f l a s h m e m o r y a t 2 9 c 0 4 0 a 来扩大单片机的容量，用于记录、存储 湿度源的温湿度值。 1 4 论文组成 本论文主体部分由6 章构成。每一章的主要内容具体如下： 第1 章引言，主要阐述本课题研究的目的和意义，湿度测量领域的国内外的发 展状况和现在存在的主要问题，以及本课题的主要研究内容和实现方法。 第2 章湿度及湿度标定，介绍湿度测量和标定涉及到的基本概念，湿度的不同 表示方法，以及湿度敏感元件定量标定的原则，在此基础上，对常用的几种湿度标 定方法作了比较，确定了本课题所采用的湿度标定方法。 第3 章湿度标定实验装置的设计，主要介绍了本课题湿度标定实验装置的设计 原理和实现方案，并对该装置的使用方法作了说明。 第4 章缩短饱和盐溶液平衡时间的措施研究，针对饱和盐溶液湿度定点法存在 的不足，在大量理论研究和实验数据的基础上，给出了解决方案。 第5 章湿度标定智能监控器的设计，首先介绍了温湿度测量电路、数据存储电 路、按键和显示等t o 接口电路的设计；其次给出了临控软件的总体设计方案，对 重要的功能模块的调试和如何使用软件编程来实现作了介绍：最后给出了仪器可靠 性设计的措施以及电路板仿真调试方法。 第6 章结论，系统总结了本课题所完成的工作和工作中存在的不足，以及系统 的应用前景。 低成奉湿度标定系统的研究与设计 第二章湿度及湿度标定 在自然界中，空气是多种气体的混合物，其主要成分是氧气和氮气，以及总数 不到1 的稀有气体和二氧化碳。此外，空气中还有一种重要的、数量上经常变化的 成分水汽。把这种以蒸汽形式存在的水当作气体来看待，它与空气中其他气体 的区别在于，其临界温度高达3 7 5 。c ，沸点在一个大气压下为1 0 0 。c ，湿度测量学 的研究对象就是以蒸汽形式存在的水。大气中含有水汽的多少，表明了大气的干、 湿程度，用湿度来表示“”。 2 1 湿度的有关概念 2 1 1 物质的“相” 无论是单组分还是混合物，物质的“相”是指体系内部物理和化学性质完全均 匀的部分。热力学中的三相称为固相、液相和气相。在湿度测量领城内，固相一般 指冰，液相一+ 般指水，而气相则是指纯水汽或者水汽与干空气的混合物。体系可以 是单相的、双相的或多相的，例如湿空气，湿空气与水共存或湿空气、盐水溶液和 固念盐共存的体系。体系如果是多相的，则有分界面把它们分开。 2 1 2 溶解度 物质的溶解可分为固一液、液一液和气一液三种情况。对于气体在液体中的溶 解度除了与结构及力的类型和大小的因素有关外，还与气体的沸点有关，沸点愈高 溶解度就愈大、物质的溶解度还与温度有关，温度愈高，溶解度愈大。压力只对气 体的溶解度发生影响。 2 1 3 平衡和饱和 一般来说，平衡所关心的是一个体系的状态。在研究任何体系的时候应当首先 注意分界面的状态，并着重考虑影响体系状态的独立参数。如果体系不发生化学反 应并且各状态参数保持恒定，则体系处于平衡状态。以一个密闭容器中的气一液 平衡为例液体分子任何时候都处在运动状态，但运动的速度不同，某些运动速度 很高的分子具有足够的动能克服分子间的作用力而进入气相。在进入气相的分子中 有些又会碰到液体表面而重新返回液体。当体系恒定在某一个温度时，分子运动的 o 温度及湿度标定 最初方向主要是从液相到气相，随着气相中分子浓度的增加，凝聚的速度逐渐接近 蒸发的速度，最后达到动态平衡。此时，单位时间内凝聚的分子数恰好和蒸发的分 子数相等，气相分子浓度应就具有一个不随时间变化的恒定值，而达到气一液平衡。 饱和是“相对湿度”、“露点温度”、“湿球温度”、“绝热饱和”等术语定义的基 础，是湿度测量中一个极为重要的概念。饱和是指相互接触的二相的动态平衡。 但要注意的是：二相之间的分界面可以有许多不同的几何形状，但是，为了提供一 个可以复现的标准，也为了方便，在标准的饱和定义中的分界面规定为理想平面。 2 1 4 汽化与蒸发 水从液体转变为蒸汽过程叫汽化。水的汽化方式有蒸发和沸腾两种，以液体的 自由表面作为气液分界面的汽化过程称为蒸发，而界面存在于液体内部与气泡 之间则成为沸腾。汽化过程与温度、压力、表面积和水中的杂质含量有关。温度 高，则汽化快；压力大，则阻碍汽化；表面积大，则汽化容易；水中含杂质多少影 响汽化。在湿度测量中大多属于蒸发过程，如干湿球湿度计用是球表面水分的蒸发 来测量环境湿度，某些湿度发生器中制备饱和湿空气的过程等。 2 2 湿度的表示方法 大气( 空气) 湿度的表示方法是多种多样的，都有各自的物理量和其相应的单 位。例如：混合比、比湿、体积比、摩尔分数、水汽分压和饱和度等。然而每个物 理量的定义，却都建立在将空气看作是由水汽和干气所组成的二元混合气体这一基 本概念基础之上，从不同角度所得到的表示空气湿度的物理量之间存在内在关系， 因此相互之间可以进行换算。在诸多湿度表示方法中，经常使用的方法是绝对湿度、 相对湿度和露点温度“。 2 2 1 混合比 湿空气的混合比是湿空气众所含的水汽质量和与之共存的干空气质量的比值。 其定义式为： r ：堕( 2 1 ) m 。 式中，m 。是给定的湿空气样品中的水汽的质量( g ) ，m 。是与质量为聊，的水汽共 存的干空气的质量( g ) 。 低成本湿度标定系统的研究与世计 基于混合比定义概念，在工程应用上还有常用的几种表示方法： 混合比的百分数0 ：以百分数形式表示混合比。其表示式为： 。2 薏x 1 0 或。刑1 0 0 ( 2 _ 2 ) 重量p p m 。：是以“百万分之一”为单位表示的水汽与和其共存的干空气质 量的比值。由此得： 印珊。：堡1 0 6 ：，1 0 6 ( 2 3 ) m “ 含湿量d ：把以g 水汽乘上蚝干空气 实际上是扩大了1 0 0 0 倍的混合比。即： d ：，1 0 3 为单位计算的湿度值称为含湿量。他 ( 2 4 ) 2 2 2 绝对湿度 绝对湿度亦称为水气浓度和水气密度，定义为湿空气中的水汽质量与湿空气的 总体积之比，即单位体积的空气里所含水汽的质量。其定义式为： , o r = 可m v ( 2 - 5 ) 式中，m 。为待测空气中的水汽质量( g ) ：v 为待测空气的总体积( m 3 ) ：n 为待测空 气的绝对湿度( g m 一1 ) 。 2 2 3 相对湿度 相对湿度是指在压力为p 、温度为t 的给定的湿空气中，水汽的摩尔分数与同 一压力p 和温度t l f 纯水表面饱和水汽的摩尔分数之比，是一个无量纲量，常用r h 来用表示。其定义式为： 卟( 甜， 。， 式中的乃和z 。是在相同的压力和温度条件下的数值。应当注意，任何相对湿度 的数值都是与给定的压力和温度条件相对应的，离开这一前提，给出的数值便没有 任何意义。通常所说的空气湿度实际上就是指相对湿度而言。 湿度及湿度标定 2 2 4 露点温度 露点温度是指空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达到饱和状态时所必须 冷却到的温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。 2 2 5 相互关系及其转换 由以上定义可知：空气中的水汽分压就是在该空气的露点温度1 f 水的饱和水汽 压，所以只要已知空气温度t ( ) 并且知道该待测空气的露点温度，就可通过查表 ( 不同温度时水的饱和水汽压表) 得知t ( ) 下水的饱和水汽压。和该露点温度 下水的饱和水汽压，即待测空气的水汽分压x ，便可根据( 2 - 6 ) 式就可计算相对 湿度。同样，混合比与相对湿度存在如下关系： 相对湿度k ! ：竺! 型型。1 0 0 p 。 ( 2 7 ) 式中：，表示压强为p 温度为r 时空气的混合比，p 。为同样条件下水的饱和水汽压。 目前，国际上普遍使用的关于湿度的绝对测量( 注意：不是绝对湿度的测量) 方法是重量法，这是湿度测量中作为仲裁的标准方法。应用重量法测的物理量就是 空气的混合比。混合比是湿度计量中很重要的基本量，用混合比可以与表示湿度的 其他物理量之间进行直接换算。 2 3 湿度敏感元件定量标定的原则 用于湿度测量的湿度传感器的标定是湿度测量领域一项很重要的工作。目前， 湿度敏感元件定量标定的实质在于建立标准湿度发生器( 法) ，并提供准确的恒定 湿度源。由于气相湿度的高低受温度、压力、介质的性质和系统的状况等众多因素 的影响，所以建立标准湿度发生器和恒湿源是进行湿度敏感元件定量标定的关键 “。根据美国国家标准局n b s 将湿度标准分为三个等级，即原级标准、次级标准和 工作标准1 。其每级对应的不同的湿度测量仪器和测量方法如表2 1 所示。 表2 1 湿度标准分级表 原级标准 重量法温度计 双温双压低冰点 次级标准 露点计 发生器发生器发生器 分流 干一湿球 饱和盐样品气 工作标准 发生器帕斯卡计 溶液发生器 其中原级标准只用于基础性的标定，其它种类繁多的湿度敏感仪器和器件一般 低成本湿度标定系统的研究与设计 被列入上述三类标准之外的四类标准，每一级标准的仪器必须用上一级的仪器和方 法进行定量标定。根据这种原则，由湿度传感器构成的测湿装置可以用工作标准级 的仪器和方法进行标定。 2 4 几种常用湿度标定方法的比较“5 1 2 4 1 重量基准湿度测定法 重量基准湿度测定法是基于用吸湿剂吸收气体中的水蒸气，利用吸湿剂吸湿前 后质量差别即气体中含有水蒸气的质量，求出湿度的方法。吸湿剂有五氧化二磷 ( p ：o ；) 、活性铝矾土等。这种基准湿度测定法传递的基本单位明确并且可获得高精 度的测定值，所以很早就作为湿度标准的基准源。重量基准湿度测定法无需测定空 气的流量，在实际中还是比较方便的。但用这种方法测定时应该注意的是，所需的 天平、温度计、压力计等精度必须保证，操作、测试必须细心，刁能实现保证定 的精度。 2 4 2 双压法 双压法可以发生次级标准湿度。双压法标定系统结构如图2 1 所示。a 、b 为恒 温浴槽，c 为标定室，d 为膨胀阀，s l 、s 2 为饱和器。高压( n ) 干燥空气经过二 级串联水饱和器，在恒定温度下达到充分饱和，经充分热交换后，等温( 或非等温) 膨胀到较低压力( p ，) 下的器件标定室内。此时标定室内的相对湿度，可表示为膨 胀前后两种绝对压力之比 相对湿度2 鲁1 。 ( 2 8 ) 式中，r 为标定室压力，易为水饱和器压力。 若非等温膨胀时，则有 相对鼯每，鲁1 0 ( 2 _ 9 ) 式中，、p w ，分别为水饱和器和标定室所处温度下的饱和水汽压。 4 湿度及湿度标定 a 图2 - 1 双压法湿度发生器装置示意图 双压法的最大优点是可以输出标准湿度的气流，便于湿度标准的传递、湿度传 感器的校正，又能确定自身的准确度。其次，压力平衡快动力学惰性小，精度小于 1 r h ，已被认定为国家一级基准湿度发生装置。但该装置的缺点是体积庞大，造 价高。 2 4 3 双温法 双温法标定设备示意图如图2 2 所示。图中a 、b 为恒温浴槽，c 为装有代标定 器件的恒温( t ) 标定室，z 为循环气泵，s 为恒温( s ) 水饱和器。当循环气 泵驱动空气在系统内循环时，在s 的温度下已饱和的空气( 其饱和水汽压为尸i ) 将进入更高温度t c ( t s ) 下的标定室。当整个系统达到平衡后，标定室内的空 气将有恒定的相对湿度，即 d 相对湿度= 二旦1 0 0 ( 2 1 0 ) 气 式中，只，为标定室( to o ) 的饱和水汽压。 双温法湿度发生装置将湿度的控、测转变为温度的控、测，而后者又十分成熟， 易于实现，加之多次封闭循环，可保证饱和器内空气充分饱和，所以浚装置准确度、 精度较高，但同样存在造价高的缺点。 低成本湿度标定系统的研究与设计 a b 图2 - 2 双温法湿度发生器装置示意图 2 4 4 分流法 分流法也称混合法，其装置示意图如图2 - 3 所示。将干净的干燥气体以适当的 比例进行分配( 流量为q 和q d ( 流量为q ，) 。一部分瓯导入饱和槽中制造饱和 湿润的气体。若该饱和湿润气体与干燥气体再次混合并导入试验槽中，此时气体流 量为g ，则产生相对湿度由分配时流量q 。和9 ：决定的气体，即 相对湿度= 里一1 0 0 ( 2 1 1 ) 9 1 + 9 2 影响分流法湿度发生装置的精度有温度、压力、流量的精确测量控制。其优点 是，与双压法、双温法相比较，体积小，可有恒湿气流输出，便于标准的传递和湿 度传感器的校正，另外其动力学惰性小，平衡迅速。 2 4 5 饱和盐溶液法 该方法可以提供工作标准湿度，在0 以上对湿度敏感元件进行定量标定。由 拉乌尔定律，溶剂( 纯水) 中溶入溶质( 各种无机盐或硫酸等) 后，溶剂的蒸发压 就要下降，其下降程度是环境温度、溶质的种类和浓度的函数”1 。因此，一定温度 下的无机盐的饱和溶液，其表面气相中的平衡水蒸气压应当是一个恒定值，只要改 变环境温度或无机盐的种类，就可获得不同湿度的恒湿空间，即可用于对湿度传感 器的定量校正。饱和盐溶液湿度发生装置设备简单，是一般实验室或湿度传感 器生产厂家常用的湿度校正手段。 6 湿度及湿度标定 _ l r 丁 qw 0 赢计 掣 。卣_ 饱合槽 p 一掣 试验槽 恒温槽 图2 - 3 分流法湿度发生器装置示意图 2 4 6a s s m a n n 通风干湿球湿度计 世界气象组织( w m o ) 于1 9 8 1 年推荐a s s m a n n 通风干湿球湿度计作为气象观测 的基准湿度计。它可作为一般工作标准。通风干湿球湿度计虽然不是湿度绝对测定， 并借助于经验关系式来表示湿度，但是在通常环境条件下仍不失为高精度的湿度 计。在使用中需要注意的是干、湿球温度计的精度、包敷湿球纱布方法及污染程度、 槽内水的纯度、风速等影响。影响该标定方法精度的因素甚多，如水的纯度、棉纱 的清洁度、温度计的大小和准确度，以及空气的粘度、流通速度热导率等，测量条 件要求苛刻，难以保证。 综上所述，由于本课题所设计的湿度标定系统是用于对环境相对湿度测量传感 器或湿度敏感元件的测试、标定，其有效量程为o r h i o o r h ，工作温度基本保持 在o 。c 以上，而且要考虑系统实现的可行性、使用方便、易推广性，特别是定量标 定的成本费用，饱和盐溶液湿度定点法成本低廉、设备简单、便捷实用，产生的湿 度固定点范围宽且稳定，破坏后可重新恢复，而且复现性极好。因此，饱和盐溶液 湿度定点标准在某些方面优于一些标准湿度发生器，所以选定饱和盐溶液作为本系 统的湿度源。但由于饱和盐溶液法存在平衡时间较长的不足，本课题针对此问题在 传统饱和盐溶液法的基础上作了研究和改进。 1 7 低成本湿度标定系统的研究与设计 第三章湿度标定实验装置的设计 本课题首先设计了以饱和盐溶液作为湿度源的温度标定实验装置，并在此基础 上，经过大量的理论研究和实验数据，对实验装置作了的改进和完善，解决了饱和 盐溶液湿度定点法存在的不足。 3 1饱和盐溶液湿度固定点原理 水是最普通的- r e 极性溶剂。可溶性盐溶于水后发生电离作用和溶剂化作用。 电离作用使盐在水中电离为带正电荷的金属离子和带负电荷的酸根离子。溶剂化作 用是指带电荷的离子吸引极性水分子，形成溶剂电离子，即水化离子。在这两种作 用之下，盐溶于水中形成溶液后，在溶液的表面，溶剂化的离子占据了一部分面积， 吸引了部分水分子，使蒸发受到阻碍，单位时间内蒸发出的水分子数减少，如果盐 溶液是在密闭容器中，当溶液的蒸发和气相水分子的