CN103543190B - 一种高温湿度仪及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种高温湿度仪，包括有能够测量环境湿度的传感器，其中，传感器为极限电流型氧化锆氧传感器，该极限电流型氧化锆氧传感器上连接有预加热电路，极限电流型氧化锆氧传感器通过信号采集放大电路与作为主控制器的单片机信号连接，单片机上连接控制工作电压通道选择电路，该工作电压通道选择电路与氧化锆氧传感器相连接，所述的单片机上设置有控制键盘和显示设备，该单片机上还设置有用于连接电脑的连接串口。本发明利用极限电流型氧化锆氧传感器可以应用于高温环境下测量工作的特性，以极限电流型氧化锆氧传感器为敏感部件，以单片机作为主控制器，完成高温环境下的湿度测量，其结构简单，测量方便，测量准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及湿度测量技术领域，尤其指一种高温湿度仪及其测量方法。
背景技术
在很多行业中，环境的湿度对工作产生有很大的影响，因此环境湿度参数的测量已经成为极其重要的工作内容。目前，在低温环境下（温度低于100℃），普通的湿度传感器性能稳定，配装有这些湿度传感器的湿度测量仪便能很好地完成湿度测量工作；然而在纺织、造纸、食品、锅炉、木材干燥等行业的高温环境下（温度高于100℃），上述湿度传感器及对应的测量仪表则无法正常工作，因此，急需开发能在高温环境进行湿度测量的测量仪表。
由于基于高温固态电解质氧化锆基础上的极限电流型氧传感器可以实现高温环境下氧气浓度的测量，已被大量应用在汽车尾气、锅炉烟气等高温、恶劣环境中氧气浓度的测量。为了提高测量精度，人们还研究了高温共存气体中水蒸气对该氧传感器的影响，发现了湿度大小与传感器输出信号存在一定的关联，因此通过极限电流型氧化锆氧传感器来测量高温环境下的湿度成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供结构简单、测量方便、测量准确性高的一种高温湿度仪及其测量方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种高温湿度仪，包括有能够测量环境湿度的传感器，其中，传感器为极限电流型氧化锆氧传感器，该极限电流型氧化锆氧传感器上连接有预加热电路，极限电流型氧化锆氧传感器通过信号采集放大电路与作为主控制器的单片机信号连接，单片机上连接控制工作电压通道选择电路，该工作电压通道选择电路与氧化锆氧传感器相连接，所述的单片机上设置有控制键盘和显示设备，该单片机上还设置有用于连接电脑的连接串口。
优化的技术措施还包括：
上述的极限电流型氧化锆氧传感器包括钇稳定氧化锆片、两片铂金电极片以及上开设有气体扩散孔的陶瓷帽，两片所述铂金电极片贴于钇稳定氧化锆片的上下表面，并通过导线分别与可调直流稳压电源的负、正极相连接，导线上串联有电流表，可调直流稳压电源上并联有电压表；与可调直流稳压电源正极相连接的铂金电极片形成阳极，与可调直流稳压电源负极相连接的铂金电极片形成阴极，阴极铂金电极片外设置设有气体扩散孔的陶瓷帽，陶瓷帽的底部与钇稳定氧化锆片配合连接而形成包裹阴极铂金电极片的空腔。
上述的单片机为C8051F330单片机。
上述的显示设备为1602液晶显示芯片。
上述的控制键盘上设置有4个按键，包括3个用于完成用户界面切换、报警上下限值设定的菜单选择键和1个用于自动矫正仪器精度的自校验键。
上述的连接串口通过RS-232串行总线连接电脑。
一种高温湿度仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、对单片机以及显示设备进行初始化操作，然后利用预加热电路对极限电流型氧化锆氧传感器进行预热；
步骤二、单片机读取内部数据参数，并通过控制键盘设置报警上下限值及选择是否对参数进行自校验操作；
步骤三、工作电压通道选择电路提供第一工作电压V 1 以及第二工作电压V 2 ，极限电流型氧化锆氧传感器分别测得第一工作电压V 1 下的第一极限电流I L1 和第二工作电压V 2 下的第二极限电流I L2 ，并将测得的极限电流通过信号采集放大电路将电流信号转化为电压信号传输至单片机；
步骤四、单片机根据接收到的第一极限电流I L1 和第二极限电流I L2 计算得出两者的差值ΔI L ，最后计算得出水蒸气的浓度值，并换算成相对湿度。
上述的步骤一中预热时间为170秒至230秒。
上述的第一工作电压V 1 为0.85V，所述的第二工作电压V 2 为1.60V。
上述的水蒸气的浓度值的计算公式为 ，其中，F为法拉弟常数，S为气体扩散孔的平均截面积，为含水蒸气的空气中氧气的扩散系数，P为环境总气压，R为气体常数，T为绝对温度，为被测气体氧浓度，为水蒸气浓度。
与现有技术相比，本发明的一种高温湿度仪，以极限电流型氧化锆氧传感器为敏感部件，以单片机作为主控制器，通过工作电压通道选择电路提供工作电压，通过信号采集放大电路接收传递信号，并通过单片机的计算完成环境湿度的测量，其结构简单，测量方便；因为极限电流型氧化锆氧传感器可以应用于高温环境下测量工作，因此本高温湿度仪能在高温环境均能正常工作，克服了现有的湿度测量仪在高温环境下无法正常工作或者测量不准确的缺点。
本发明的一种高温湿度仪的测量方法，利用水蒸气对极限电流型氧化锆氧传感器的影响，通过极限电流型氧化锆氧传感器在工作电压通道选择电路提供的第一工作电压和第二工作电压下分别测得的第一极限电流和第二极限电流，再通过信号采集放大电路进行信号转换后传递至单片机，经单片机计算、换算得到环境湿度；测量方法简单、测量准确性高。此外，湿度仪设有自校验功能，很好解决了氧传感器由于长时间使用带来的测量精度漂移的问题。
附图说明
图1是本发明的结构框架图；
图2是本发明的极限电流型氧化锆氧传感器的结构示意图；
图3是本发明的测量流程图；
图4是水蒸气对极限电流型氧化锆氧传感器的影响的测试装置；
图5是极限电流型氧化锆氧传感器在含水蒸气环境下工作的极限电流与电压的关系图；
图6为水蒸气浓度与ΔI L 之间的关系图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
附图标记为：极限电流型氧化锆氧传感器1、钇稳定氧化锆片11、铂金电极片12、陶瓷帽13、气体扩散孔13a、可调直流稳压电源14、导线15、电流表16、电压表17、预加热电路2、信号采集放大电路3、单片机4、溢出报警电路41、工作电压通道选择电路5、控制键盘6、显示设备7、连接串口8、保温炉90、石英管91、进气管92、保温带92a、加湿器93、容器94、导气管95、橡皮塞96、直流稳压电源97、电化学分析仪98、电脑99。
如图1所示，一种高温湿度仪，包括有能够测量环境湿度的传感器，所述的传感器为极限电流型氧化锆氧传感器1，该极限电流型氧化锆氧传感器1上连接有预加热电路2，极限电流型氧化锆氧传感器1通过信号采集放大电路3与作为主控制器的单片机4信号连接，单片机4上连接控制工作电压通道选择电路5，该工作电压通道选择电路5与氧化锆氧传感器1相连接，单片机4上设置有控制键盘6和显示设备7，该单片机4上还设置有用于连接电脑的连接串口8。
实施例中，单片机4为C8051F330单片机。
实施例中，显示设备7为1602液晶显示芯片；1602液晶显示芯片能够同时显示2行16列共32个字符，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块，其成本低廉，实用作为仪器的显示设备7。
实施例中，控制键盘6上设置有4个按键，包括3个用于完成用户界面切换、报警上下限值设定的菜单选择键和1个用于自动矫正仪器精度的自校验键。
单片机4上还设置有溢出报警电路41，当测量值超过设定的上、下限值时，溢出报警电路41将发出警报。
实施例中，连接串口8通过RS-232串行总线连接电脑；单片机4通过连接串口8连接电脑，可以将测量结果处理后显示，也可以传输至电脑保存并进行分析。
如图2所示，极限电流型氧化锆氧传感器1包括钇稳定氧化锆片11、两片铂金电极片12以及上开设有气体扩散孔13a的陶瓷帽13，两片所述铂金电极片12贴于钇稳定氧化锆片11的上下表面，并通过导线15分别与可调直流稳压电源14的负、正极相连接,所述的导线15上串联有电流表16，所述的可调直流稳压电源14上并联有电压表17；与可调直流稳压电源14正极相连接的铂金电极片12形成阳极，与可调直流稳压电源14负极相连接的铂金电极片12形成阴极，阴极铂金电极片12外设置设有气体扩散孔13a的陶瓷帽13，所述的陶瓷帽13的底部与钇稳定氧化锆片11配合连接而形成包裹阴极铂金电极片12的空腔。
极限电流型氧化锆氧传感器1的工作原理：
铂金电极片12贴于钇稳定氧化锆片11的上下表面，并与可调直流稳压电源14的负、正极相连接而形成阴极和阳极，开设有气体扩散孔13a的陶瓷帽13与钇稳定氧化锆片11配合连接，其内部形成微小空腔，阴极的铂金电极片12置于该空腔内。当通过预加热电路将钇稳定氧化锆片11加热至350℃以上时，这里钇稳定氧化锆片11充当固体电解质，通过可调直流稳压电源14向钇稳定氧化锆片11两侧的铂金电极片12施加工作电压，氧分子在阴极和阳极分别发生以下反应：
阴极：O2 + 4e → 2O2-
阳极：2O2- → O2 + 4e
空腔中阴极上的氧气通过阴极的催化作用不断变成氧离子，在外加工作电压的驱动下，通过钇稳定氧化锆片11被泵到阳极再变成氧气，从而使空腔中的氧浓度小于外界氧浓度，驱动外界氧气通过气体扩散孔13a向空腔的气体扩散。随着工作电压的增大，泵氧能力增加，促使空腔中的氧浓度与外界氧浓度差加大，外界向空腔内扩散的气体流量也随之变大，当然回路电流值也随之增大。但由于陶瓷帽13的气体扩散孔13a会限制气体的扩散，因此当工作电压增加到某一定值时，泵氧能力与扩散进入空腔的氧分子达到平衡。此时外界通过气体扩散孔13a进入空腔内的氧分子流量达到最大且趋于稳定，电流的大小只受氧分子通过气体扩散孔13a的扩散速率的影响，而与外加电压无关，此时达到极限电流型氧化锆氧传感器1的饱和工作状态。此时回路电流值也达到一稳定值，极限电流型氧化锆氧传感器1输出特性曲线上呈现为极限电流平台，该极限电流平台的值称之为极限电流电流I L ，其具体理论推导如下：
一般传感器的气体扩散孔径d远大于气体的平均自由程，此时扩散为正常扩散。气体分子通过气体扩散孔由孔径两侧的氧浓度差和气压差共同驱动。扩散处于平衡态时，氧气的扩散能量为：
其中：D—氧气扩散系数；S—气体扩散孔平均截面积；P—环境总气压；R—气体常数；T—绝对温度；—被测气体氧浓度；Y—扩散方向位移矢量；J—总气体通量。
达到饱和状态时，=J =常数，根据边界条件：
Z=0 =
Z=L =
对方程进行求解得：
上式中：L—气体扩散孔直径；—环境中的氧浓度；—空腔中的氧浓度。由于氧化锆固体电解质在高温时为纯氧离子导体，一个氧分子穿过电解质时可以携带4个电子。由此，由法拉第定理便可建立氧气扩散能量与传感器电流I间的关系：
上式中：F—法拉弟常数。
利用传感器处于饱和状态时，空腔中的氧浓度为零即：=0 ,可得极限电流I L与被测外界氧浓度有如下的关系：
从上式中可得知，I L与-ln(1-X O2)成线性关系，并可以利用此公式，通过对回路电流的检测，实现了环境氧浓度的测量。
经研究发现，被测气体中若含有水蒸气，将对极限电流型氧化锆氧传感器1测量得到的极限电流I L产生影响，现利用如图4所示的测试装置进行测试：将极限电流型氧化锆氧传感器1置于一石英管91中，石英管91的进口处连接有进气管92，进气管92通过一加湿器93与内装有被测气体的容器94相连接，石英管91的出口处用带导气管95的橡皮塞96塞住；极限电流型氧化锆氧传感器1上设置有4个管脚，两个管脚为加热电极，用于连接加热电源，其他两个为工作电极，用于连接工作电源，极限电流型氧化锆氧传感器1的加热电极上连接有直流稳压电源97，极限电流型氧化锆氧传感器1的工作电极连接在电化学分析仪98上，电化学分析仪98与用于分析、处理的电脑99相连接。
被测气体为干燥空气，被测气体通过加湿器93后获得不同湿度的混合样气。将极限电流型氧化锆氧传感器1置于该混合样气中，通过直流稳压电源97采用3.6V电压对极限电流型氧化锆氧传感器1进行预加热至350℃以上，并对极限电流型氧化锆氧传感器1施加0V至2V连续变化的工作电压，此时从电化学分析仪98中输出的极限电流与电压的关系图如图5中实线所示，关系图上出现两个极限电流平台。
工作电压0~1V时，仅由于混合样气中氧气产生泵氧传输，带来回路电流，在工作电压达到0.85V时，出现极限电流平台，称为第一极限电流I L1 。
第一极限电流I L1 的计算式如下：
上式中：—含水蒸气的空气中氧气的扩散系数 ；
但当工作电压高于1V时，混合样气中水蒸气分子，在此工作电压作用下，也会发生如下水分子的电离，产生氧离子，与上述氧气产生的氧离子叠加，带来回路电流的增加。一般当工作电压增加到1.60V时，出现新的极限电流平台，称为第二极限电流平台I L2 。
第二极限电流I L2 的计算式如下：
式中：为水蒸气浓度。
根据上述机理，当对以上两极限电流做差时，得到的极限电流差值应与混合气体中的水蒸气浓度有关：
从而得到水蒸气浓度的计算公式：
其中：。
图5中虚线所示为不含水蒸气空气环境中氧传感器的输出特性，仅出现一个极限电流平台I L0 ，且此极限电流平台略高于I L1 ，这是因为水蒸气的存在在一定程度上稀释了氧气的浓度。
为了保证测试结果的准确性，在测试过程中，石英管91置于保温炉90中，进气管92外包裹有保温带92a；利用上述测试装置对0至16%水蒸气浓度范围内的被测气体进行测试，并通过电化学分析仪98输出I-V特性图像，得到水蒸气浓度与ΔIL之间的关系如图6所示；从图6中可以得出两者具有良好的线性关系，其线性相关系数r为0.99061。根据以上的理论基础，极限电流型氧化锆氧传感器1可以用来测量高温环境下的湿度。
工作电压通道选择电路5主要包括电源分压模块以及信号继电器两部分。由极限电流型氧化锆氧传感器1特性以及上述研究测试分析得出，该极限电流型氧化锆氧传感器1正常工作并输出稳定的两个极限电流平台时，需要施加在其工作电极两端的工作电压分别为0.85V与1.60V。因此，电源分压模块的作用即为通过可调稳压器件产生需要施加在氧传感器工作电极两端的两个工作电压，单片机4则根据程序流程产生信号来控制信号继电器选择不同的工作电压通道。
信号采集放大电路3主要包括电流电压转换电路、信号放大电路及信号调理电路等。信号采集放大电路3将极限电流型氧化锆氧传感器1输出的微安-毫安级电流信号转化为单片机4可以采集的0至3.3V的电压信号。
由于长时间使用，被测气体中的微小尘埃会减小传感器的扩散孔面积S，带来系数K的变化，导致测试数据下漂。为了保证湿度仪测量的准确性和稳定性，软件设计中设置有自校验功能，通过控制键盘6的自校验键触发自校验功能，自校验功能将对湿度仪系统中的参数K进行自主校正，从而提高湿度仪测量的准确性。
一般认为，含水蒸气空气中氧气的扩散系数和清洁空气中氧气的扩散系数D近似相等，因此可基于公式进行校验。具体方案如下：按下校验键后，将氧传感器置于已知氧浓度为20.9%的清洁空气中，工作电压通道选择0.85V，启动测量程序，得到稳定的第一极限电流平台I Lk ，此时将其代入下式中，便可获得测量精确度提高之后的K值，并覆盖之前的参数值。
如图3所示，本发明高温湿度仪的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、对单片机4以及显示设备7进行初始化操作，然后利用预加热电路2对极限电流型氧化锆氧传感器1的加热电极施加3.6V的电压进行预热170秒至230秒；
步骤二、单片机4读取内部数据参数，并通过控制键盘6设置报警上下限值及选择是否对参数进行自校验操作；程序设有自校验中断，只有当自校验按键按下时，程序才进入中断，显示设备7显示“K selfcheck” 确认界面，待用户再次确认之后，执行自校验操作。若无中断则跳过校验步骤进入下一步；
步骤三、工作电压通道选择电路5向极限电流型氧化锆氧传感器1的工作电极提供0.85V的第一工作电压V 1 ，极限电流型氧化锆氧传感器1启动测得第一极限电流I L1 ，并将其通过信号采集放大电路3将电流信号转化为电压信号传输至单片机4；接着工作电压通道选择电路5向极限电流型氧化锆氧传感器1的工作电极提供1.60V的第二工作电压V 2 ，极限电流型氧化锆氧传感器1启动测得第二极限电流I L2 ，并将其通过信号采集放大电路3将电流信号转化为电压信号传输至单片机4；
步骤四、单片机4根据接收到的第一极限电流I L1 和第二极限电流I L2 计算得出两者的差值ΔI L ，最后由单片机4根据计算公式编写的程序计算得出水蒸气的浓度值，并换算成相对湿度；计算得出的湿度可以根据控制键盘6的指令传输至连接串口8，并最终传输至电脑中，也可以根据控制键盘6的指令传输至显示设备7显示；同时，将湿度值与报警上下限制值进行比较，若超出上下限制值则发出警报。
通过以上步骤便完成了一次湿度的测量了，如此往复循环，并将测量数据处理后，实时显示、传输，直至自校验按键中断才停止测量，执行自校验操作。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (2)
1.一种高温湿度仪的测量方法，其特征是：高温湿度仪包括有能够测量环境湿度的传感器，所述的传感器为极限电流型氧化锆氧传感器(1)，该极限电流型氧化锆氧传感器(1)上连接有预加热电路(2)，所述的极限电流型氧化锆氧传感器(1)通过信号采集放大电路(3)与作为主控制器的单片机(4)信号连接，所述的单片机(4)上连接控制工作电压通道选择电路(5)，该工作电压通道选择电路(5)与氧化锆氧传感器(1)相连接，所述的单片机(4)上设置有控制键盘(6)和显示设备(7)，该单片机(4)上还设置有用于连接电脑的连接串口(8)；所述的单片机(4)为C8051F330单片机；所述的显示设备(7)为1602液晶显示芯片；所述的控制键盘(6)上设置有4个按键，包括3个用于完成用户界面切换、报警上下限值设定的菜单选择键和1个用于自动矫正仪器精度的自校验键；所述的连接串口(8)通过RS-232串行总线连接电脑；高温湿度仪的测量方法包括以下步骤：
步骤一、对单片机(4)以及显示设备(7)进行初始化操作，然后利用预加热电路(2)对极限电流型氧化锆氧传感器(1)的加热电极施加3.6V的电压进行预热170秒至230秒；
步骤二、单片机(4)读取内部数据参数，并通过控制键盘(6)设置报警上下限值及选择是否对参数进行自校验操作；程序设有自校验中断，只有当自校验按键按下时，程序才进入中断，显示设备(7)显示“K selfcheck” 确认界面，待用户再次确认之后，执行自校验操作；若无中断则跳过校验步骤进入下一步；
步骤三、工作电压通道选择电路(5)向极限电流型氧化锆氧传感器(1)的工作电极提供0.85V的第一工作电压V 1 ，极限电流型氧化锆氧传感器(1)启动测得第一极限电流I L1 ，并将其通过信号采集放大电路(3)将电流信号转化为电压信号传输至单片机(4)；接着工作电压通道选择电路(5)向极限电流型氧化锆氧传感器(1)的工作电极提供1.60V的第二工作电压V 2 ，极限电流型氧化锆氧传感器(1)启动测得第二极限电流I L2 ，并将其通过信号采集放大电路(3)将电流信号转化为电压信号传输至单片机(4)；
步骤四、单片机(4)根据接收到的第一极限电流I L1 和第二极限电流I L2 计算得出两者的差值ΔI L ，最后由单片机(4)根据计算公式 编写的程序计算得出水蒸气的浓度值，并换算成相对湿度；计算得出的湿度可以根据控制键盘(6)的指令传输至连接串口(8)，并最终传输至电脑中，也可以根据控制键盘(6)的指令传输至显示设备(7)显示；同时，将湿度值与报警上下限制值进行比较，若超出上下限制值则发出警报；
所述的水蒸气的浓度值的计算公式为，其中，，F为法拉弟常数，S为气体扩散孔(13a)的平均截面积，为含水蒸气的空气中氧气的扩散系数，P为环境总气压，R为气体常数，T为绝对温度，为被测气体氧浓度，为水蒸气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种高温湿度仪的测量方法，其特征是：所述的极限电流型氧化锆氧传感器(1)包括钇稳定氧化锆片(11)、两片铂金电极片(12)以及上开设有气体扩散孔(13a)的陶瓷帽(13)，两片所述铂金电极片(12)贴于钇稳定氧化锆片(11)的上下表面，并通过导线(15)分别与可调直流稳压电源(14)的负、正极相连接,所述的导线(15)上串联有电流表(16)，所述的可调直流稳压电源(14)上并联有电压表(17)；与可调直流稳压电源(14)正极相连接的铂金电极片(12)形成阳极，与可调直流稳压电源(14)负极相连接的铂金电极片(12)形成阴极，阴极铂金电极片(12)外设有气体扩散孔(13a)的陶瓷帽(13)，所述的陶瓷帽(13)的底部与钇稳定氧化锆片(11)配合连接而形成包裹阴极铂金电极片(12)的空腔。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150826 Termination date: 20180918 |
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