CN102495112A - 智能空气温湿度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能空气温湿度测量装置，包括温湿度传感器探头、防辐射罩、安装支架，温湿度传感器探头安装在防辐射罩中，温湿传感器探头外壳与防辐射罩连结成一体。温湿度传感器的温湿度敏感元件固定在套管上端盖的外侧，通过导线与套管内的数据采集电路板连接，温湿度敏感元件置于过滤膜骨架内，过滤膜骨架上缠绕PTFE过滤膜，过滤膜骨架外侧设置保护罩，数据采集电路板与一端固定在套管下端盖上的信号电缆连接，信号电缆从温湿度传感器探头的末端引出并与外部数据采集处理的上位机连接。该装置测量精度高，维护和使用方便，可用于海洋环境监测站、船舶气象站和气象观测站等需要测量空气温湿度的场所。

Description

智能空气温湿度测量装置

技术领域

本发明涉及空气物理量测量装置，特别是涉及一种测量空气温度和相对湿度的装置。

背景技术

空气温湿度观测与人们的日常生活密切相关。在气象观测、工农业生产、航天探空、能源开发、交通旅游、环境保护等诸多领域，经常需要对环境温度和相对湿度进行测量及控制；同时温湿度观测也是海洋环境监测站的常规观测项目。温湿度测量在这些领域起着非常重要的作用。

空气温湿度测量仪器得到不断更新和发展，从早期的玻璃水银温度计和干湿球湿度计发展到现在的自动化空气温湿度测量传感器。现有的自动化空气温湿度测量传感器，采用的测量原理不同，使用过程中存在以下问题：1、没有采用一体化设计，安装时需要购置专业的百叶箱或防辐射罩，用户安装较复杂，增加了使用成本;2、温湿度敏感元件采用分立的小信号模拟输出半导体器件，调理测量电路复杂，而且不能直接利用总线方式组网测量，用户不能自行校准传感器;3、实际使用中，空气中的灰尘、盐雾常常会积聚在传感器上，由于不能浸入水中清洗，导致长期使用后测量精度下降和工作稳定性变差;4、使用铂电阻做干湿球感温元件的，通过电路把电阻的阻值变化转换为电压变化，以适应气温发生变化时铂电阻阻值的改变，并经计算后获得对应的大气温度，这种方法得电路调制比较复杂，测量精度容易受到模拟器件温漂的影响，而且需要人工定期更换纱布、添水，北方冬天水结冰时就不能使用；5、冷镜式露点仪的测湿原理接近湿度的定义，测量准确度高，一直作为湿度标准仪器，但由于价格昂贵一直没有能够在气象观测中推广使用。

发明内容

针对现有技术空气温湿度测量设备所存在的问题，本发明推出一种能够长期、连续、自动测量空气温湿度的装置，采用温湿传感器探头和防辐射罩相配合的一体化结构设计和数字信号输出的温湿传感器敏感元件，实现了对空气温度、湿度的自动测量。

本发明所涉及的智能空气温湿度测量装置包括温湿度传感器探头、防辐射罩、安装支架。温湿度传感器探头安装在防辐射罩中，温湿传感器探头外壳与防辐射罩连结成一体，安装支架将防辐射罩固定支撑。防辐射罩主体由圆形盘片叠加组成，中间设置传感器安装孔。防辐射罩使温湿度传感器探头免受太阳直接照射，免受降水和强风的影响,还可以减少来自地面或者海面上垂直气流的影响,同时保持空气在防辐射罩内自由流通。

温湿度传感器探头为柱状结构，包括套管、温湿度敏感元件、过滤膜骨架、PTFE过滤膜、保护罩、数据采集电路板、信号电缆。套管呈圆筒状，两端分别由上端盖和下端盖封堵。温湿度敏感元件固定在套管上端盖的外侧，通过导线与套管内的数据采集电路板连接。数据采集电路板安装在套管中心，由螺丝固定在套管下端盖的内侧。温湿度敏感元件置于过滤膜骨架内，过滤膜骨架上缠绕PTFE过滤膜，过滤膜骨架外侧设置保护罩，保护罩螺纹连接到套管的上端盖上，过滤膜骨架通过螺纹旋接在保护罩顶部。保护罩上分布圆形通气孔，以便温湿度敏感元件通过这些通气孔与外部进行气流交换。数据采集电路板与一端固定在套管下端盖上的信号电缆连接，信号电缆从温湿度传感器探头的末端引出，并与外部数据采集处理的上位机连接。 

温湿传感器敏感元件包括电容性聚合体湿度敏感元件和能隙材料制成的温度敏感元件，信号输出方式为经校准的二线数字化输出。数据采集电路板通过对敏感元件的温湿度感应值采集处理，实现了对空气温度、湿度的自动测量。数据采集电路板采集温湿度敏感元件输出的原始温湿度输出值，经过运算处理后，再通过信号电缆向上位机输出实时的、校正的温湿度测量值。

数据采集电路板上的测量控制电路按照功能分为信号调理单元、微处理器单元、RS-485隔离通信接口单元、时钟源电源单元五个部分。

温湿度敏感元件可通过数据总线直接输出数字化的湿度值称为“相对湿度”，经线性补偿和温度补偿后得到更为准确的湿度值。补偿依照实验结果进行，首先对敏感元件进行全范围的测试，对测试结果进行分析，研究其线性程度和离散性分布，通过使用最小二乘法计算得到一条修正曲线，将其输入传感器的微处理器单元，编入程序中。在传感器的测量过程中利用这条曲线将获得的数据作相应的修正，最终获得稳定的测量结果。

温度敏感元件是采用PTAT能隙材料制成的，具有很好的线性输出。温度值（Temperature）由下式得出：

Temperature=d1+d2×SOT

式中：SOT是原始采样值，d1和d2为特定系数，d1的取值与传感器的工作电压有关，d2的取值与传感器内部A/D转换器的分辨率有关。温度补偿算法同样采用最小二乘法。

本发明所涉及的智能空气温湿度测量装置采用防辐射罩和温湿度传感器探头一体化设计的思路。选用高度集成、高精度和小尺寸、低成本的敏感元件，使用稳定可靠的数据采集技术，并采用最小二乘法校正数据测量误差。测量装置与上位机采用RS-485通信，可以方便组网，进行多点的温湿度测量，还可以通过接受上位机的命令实现数据输出、自校准、自动标定、故障报警等功能。该测量装置不受地域限制，可以在任何气候条件下使用，具有成本低、精度高、响应速度快、可靠性高、输出数字化、可网络化集成和智能化的特点。另外，数据采集电路板全部采用数字电路设计，没有模拟器件，克服了传统模拟调理电路设计复杂，精度易受器件温度漂移影响的缺陷。传感器探头使用透气不透水的PTFE过滤膜阻挡灰尘和盐雾，可浸没在水里清洗，在不损失任何精度的情况下显著提高使用寿命。

附图说明

图1 为本发明的智能空气温湿度测量装置结构示意图；

图2 为本发明的温湿度传感器探头组装示意图；

附图中标记说明： 

1、信号电缆                 2、温湿度传感器探头

3、自锁紧插头               4、底托  

5、防辐射罩                 6、黄铜支柱

7、顶盖                     8、圆形盘片

9、蝶形螺母                 10、固定块

11、连接板                  12、安装支架

13、安装卡环                14、自锁紧螺母

15、下端盖                  16、数据采集电路板

17、套管                    18、上端盖

19、温湿度敏感元件          20、PTFE过滤膜

21、过滤膜骨架              22、保护罩

23、通气孔。

具体实施方式  

本发明所涉及的智能空气温湿度测量装置包括温湿度传感器探头2、防辐射罩5、安装支架12。温湿度传感器探头2安装在防辐射罩5中，温湿传感器探头2外壳与防辐射罩5连结成一体。安装支架12通过连接板11将防辐射罩5固定，连接板11通过安装卡环13和固定块10固定在安装支架12上。连接板11穿过防辐射罩5的黄铜支柱后，通过蝶形螺母9与防辐射罩5的底托4固定，以支撑防辐射罩5和温湿度传感器探头2。

防辐射罩5采用工程塑料加工而成，包括底托4、圆形盘片8和顶盖7。底托4、圆形盘片8和顶盖7由3根直径5mm、长145mm的黄铜支柱6连接在一起，圆形盘片8分层固定在两根直立的黄铜支柱6上。顶盖7为圆盘状，设置在防辐射罩5的顶面。黄铜支柱6的一端旋进顶盖7的内螺纹中，另一端由蝶形螺母9与底托4固定。防辐射罩圆形盘片8和底托4中心安装温湿传感器探头2，底托4中央安装的自锁紧螺母14将温湿传感器探头2与防辐射罩5的底托4固定。

温湿度传感器探头2为柱状结构，包括套管17、温湿度敏感元件19、PTFE过滤膜20、过滤膜骨架21、保护罩22、数据采集电路板16、信号电缆1。套管17由UPVC材料加工而成，温湿度敏感元件19置于过滤膜骨架21的内部。过滤膜骨架21上缠绕PTFE过滤膜20，过滤膜骨架21外侧设置保护罩22，保护罩22螺纹连接到套管17的上端盖上，过滤膜骨架21通过螺纹旋接在保护罩22顶部。

保护罩22通过螺纹连接到上端盖18上。保护罩22上等距分布了32个圆形通气孔23，以便温湿度敏感元件19通过这些通气孔与外部交换气流。数据采集电路板16安装在套管17内，由螺丝固定在套管17的下端盖15上。数据采集电路板16与一端固定在套管17下端盖上的信号电缆1连接，信号电缆1从温湿度传感器探头2的末端引出，穿过安装在下端盖15中心的自锁紧螺母14后与外部数据采集处理的上位机连接。

温湿传感器敏感元件19采用DHT95，它包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。DHT95将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，温度的最大误差是±0.3℃，湿度的最大误差是±1.8，采用数字化输出，传输可靠性高。温湿度敏感元件19位于装有PTFE过滤膜20的过滤膜骨架21的中间，通过2.54mm的双排针与上端盖18上的双排孔相接插，并由保护罩22来保护。

Claims (5)

1.一种智能空气温湿度测量装置，其特征在于：包括温湿度传感器探头(2)、防辐射罩(5)、安装支架(12)，温湿度传感器探头(2)安装在防辐射罩(5)中，防辐射罩(5)主体由圆形盘片叠加组成，温湿传感器探头(2)外壳与防辐射罩(5)连结成一体，安装支架(12)将防辐射罩(5)固定支撑；温湿度传感器探头(2)包括套管(17)、温湿度敏感元件(19)、过滤膜骨架(21)、保护罩(22)、数据采集电路板(16)，温湿度敏感元件(19)固定在套管上端盖(18)的外侧，通过导线与套管(17)内的数据采集电路板(16)连接，温湿度敏感元件(19)置于过滤膜骨架(21)内，过滤膜骨架(21)上缠绕绕PTFE过滤膜(20)，过滤膜骨架(21)外侧设置保护罩(22)，保护罩(22)螺纹连接到套管(17)的上端盖上，过滤膜骨架(21)通过螺纹旋接在保护罩(22)顶部，数据采集电路板(16)与一端固定在套管(17)下端盖上的信号电缆(1)连接，信号电缆(1)从温湿度传感器探头(2)的末端引出并与外部数据采集处理的上位机连接。

2.根据权利要求1所述的智能空气温湿度测量装置，其特征在于：所述防辐射罩(5)和温湿度传感器探头(2)通过连接板(11)与安装支架(12)固定。

3.根据权利要求1所述的智能空气温湿度测量装置，其特征在于：所述防辐射罩(5)由底托(4)、11片圆形盘片(8)和顶盖(7)组成，由3根黄铜支柱(6)连接在一起，圆形盘片(8)和底托(4)中央开有温湿度传感器探头(2)安装孔。

4..根据权利要求1所述的智能空气温湿度测量装置，其特征在于：所述保护罩(22)上开有32个通气孔(23)。

5..根据权利要求3所述的智能空气温湿度测量装置，其特征在于：所述温湿度敏感元件(19)位于过滤膜骨架(21)的中间，通过2.54mm的双排针与上端盖(18)上的双排孔相接插。

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