CN103868547B - 一种温湿度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温湿度测量系统，包括敏感头、引导光缆和解调系统。解调系统由激光光源、光纤环形器、光纤解调模块和计算机组成，引导光缆由多根单模光纤组成，敏感头包括用于测量干球温度的第一光纤温度传感器和用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器。本发明的温湿度测量系统的温湿度敏感头无源，本质安全，满足易燃易爆品仓库的安全要求，同时采用计算机进行自动湿度解算，实现了远程无源检测以及自动化的温湿度测量。同时本发明的温湿度测量系统采用波分复用和空分复用技术实现了多个敏感头的复用检测，可降低系统应用成本，并构成多敏感头光纤温湿度自动监控系统。

Description

一种温湿度测量系统

技术领域

本发明涉及一种温湿度测量系统，尤其涉及一种敏感头无源、可自动化远程测量的温湿度测量系统，属于温湿度测量领域。

背景技术

湿度是一种重要的物理量，在农业、仓储、医药、食品、纺织、烟草等行业对湿度参数有着广泛应用，一般可以采用机械式湿度计、干湿表、电子式湿度计等类型的湿度传感器实现湿度的测量。

机械式湿度计主要利用毛发、尼龙和聚酰亚胺等有机高分子材料的几何尺寸随相对湿度发生变化的特性，制成游丝状干湿元件，通过机械放大装置将材料几何尺寸变化转化为指针的转动，实现相对湿度的测量和显示。

干湿表主要利用相对湿度与干球温度和湿球温度之间的函数关系进行测量。干湿表直接测量的是干球温度和湿球温度，通过干球温度和干湿球温度差进行查表计算，最终得到相对湿度数值。

电子式湿度计利用湿敏材料在不同湿度下的电阻、电容等参数的变化进行相对湿度的测量，电子式湿度计计直接测量的是电阻、电容等电学参量，通过进行相应解算得到相对湿度数值。

对易燃易爆品仓储设施进行温湿度监控，是保障易燃易爆物品安全储存的重要措施。但是使用常规机械式、干湿表式、电子式湿度计都存在一定的不足。

机械式湿度计和干湿表敏感头无源，本质安全，可以直接应用于易燃易爆品仓库的温湿度测量。但是机械式湿度计和干湿表需要人工进行读数和记录。当仓库面积过大时，人工读数和记录的工作量巨大，导致人工巡检的速度较低，无法实现对环境温湿度的实时测量，也难以实现自动化的温湿度监控系统。

电子式湿度计可以实现自动化的温湿度测量。但是，电子式湿度计属于有源传感器，需要进行供电，无法实现本质安全，给易燃易爆品的储存带来一定安全隐患。而且，电子式湿度计测量到的数据仍然需要使用有线或者无线的方式传输到监控室内，需要布设有线或者无线的通信网络，增加了自动化温湿度监控系统的复杂度。

易燃易爆品仓库的温湿度自动监控应用迫切需要一种新型湿度传感器，需要满足以下要求：敏感头无源，可以安全的安装在仓库现场；可远程测量，可以用无源的通信方式将仓库现场的数据传输至控制室；可自动化测量，可以自动完成温湿度数据的测量和记录，并传输给中央监控系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种温湿度测量系统，满足易燃易爆品仓储设施的自动温湿度监控要求。

本发明的技术方案是：一种温湿度测量系统，包括敏感头、引导光缆和解调系统；

解调系统由激光光源、光纤环形器、光纤解调模块和计算机组成；

引导光缆由多根单模光纤组成；

敏感头包括用于测量干球温度的第一光纤温度传感器和用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器；

激光光源发出的激光经过光纤环形器输出给引导光缆，引导光缆将激光传输至敏感头内的第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器；第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器在接收到激光光源的激光后分别反射特征光，第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器反射的特征光经过引导光缆传输后重新进入光纤环形器并输出给光纤解调模块，光纤解调模块对接收到的两束特征光进行解调，分别得到第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长，并输出给计算机，计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息。

所述用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器上面覆盖一片湿布，湿布一端浸在水中。

所述光纤温度传感器采用光纤光栅温度传感器、F-P型光纤温度传感器、Sagnac干涉型温度传感器、辐射型光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、拉曼型分布式光纤温度传感器或布里渊型分布式光纤温度传感器中的任何一种。

所述计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息的步骤如下：

（4.1）利用第一光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B1计算得到干球摄氏温度t₁'，并换算为干球绝对温度T₁，计算公式为：

Δλ_B1=λ'_B1-λ_B1

Δt₁=t₁'-t₁

T₁=t₁'+273.15

其中，λ'_B1为光纤解调模块解调出的第一光纤传感器的中心波长，λ_B1为第一光纤传感器出厂时标定的中心波长，K_T1为第一光纤传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₁为第一光纤传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度；t₁'的单位为℃，T₁的单位为K；

（4.2）利用第二光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B2计算得到湿球摄氏温度t'₂，并换算为湿球绝对温度T₂，计算公式为：

Δλ_B2=λ'_B2-λ_B2

Δt₂=t'₂-t₂

T₂=t'₂+273.15

其中，λ'_B2为光纤解调模块解调出的第二光纤传感器的中心波长，λ_B2为第二光纤传感器出厂时标定的中心波长，K_T2为第二光纤传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₂为第二光纤传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度；t'₂的单位为℃，T₂的单位为K；

（4.3）计算干球绝对温度T₁对应的饱和水气压P₁，计算公式为：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

（4.4）计算湿球绝对温度T₂对应的饱和水气压P₂，计算公式为：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

（4.5）根据步骤（1）、（2）、（3）和（4）计算环境相对湿度U，计算公式如下：

其中，A为系数，v为实际环境的风速，B为实际大气压，一般情况下B=101325P_a。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）敏感头无源：本发明的温湿度测量系统的温湿度敏感头无源，本质安全，满足易燃易爆品仓库的安全要求，与电子式湿度传感器和电动式干湿表相比，避免了电源导致的燃烧和爆炸风险，具有突出的技术优势；

（2）湿度自动检测：本发明的温湿度测量系统采用光纤温度传感器实现干湿表方案中干球温度和湿球温度的检测，采用计算机进行自动湿度解算，可以实现湿度自动测量，与机械式湿度计和干湿表相比，消除了人工读取温湿度数据的操作，提高了温湿度测量的速度，实现了自动化的温湿度测量；

（3）远程无源检测：本发明的温湿度测量系统采用引导光缆将解调系统与敏感头连接，实现了远程检测，引导光缆本身无源，满足易燃易爆品仓库的安全要求，与电子式湿度传感器和电动式干湿表相比，无需使用附加的有线或无线通信技术手段，降低了系统复杂程度；

（4）多传感头复用：本发明的温湿度测量系统采用波分复用和空分复用技术实现了多个敏感头的复用检测，使用一台解调系统实现多个敏感头的温湿度巡回检测，可降低系统应用成本，并构成多敏感头光纤温湿度自动监控系统。

附图说明

图1为温湿度测量系统的组成结构图；

图2为采用波分复用和空分复用的温湿度监控系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种温湿度测量系统，包括敏感头、引导光缆和解调系统；

解调系统由激光光源、光纤环形器、光纤解调模块和计算机组成。

引导光缆由多根单模光纤组成。

敏感头包括用于测量干球温度的第一光纤温度传感器和用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器，其中用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器上面覆盖一片湿布，湿布一端浸在水中。

激光光源为宽谱激光光源，其发出的宽谱激光经过光纤环形器输出给引导光缆，引导光缆将激光传输至敏感头内的第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器；第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器在接收到宽谱激光光源的宽谱激光后分别反射特征光，第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器反射的特征光经过引导光缆传输后重新进入光纤环形器并输出给光纤解调模块，光纤解调模块对接收到的两束特征光进行解调，分别得到第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长，并输出给计算机，计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息。

计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息的步骤如下：

（4.1）利用第一光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B1计算得到干球摄氏温度t₁'，并换算为干球绝对温度T₁，计算公式为：

Δλ_B1=λ'_B1-λ_B1

Δt₁=t₁'-t₁

T₁=t₁'+273.15

其中，λ'_B1为光纤解调模块解调出的第一光纤传感器的中心波长，λ_B1为第一光纤传感器出厂时标定的中心波长，K_T1为第一光纤传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₁为第一光纤传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度，t₁'的单位为℃，T₁的单位为K；

（4.2）利用第二光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B2计算得到湿球摄氏温度t'₂，并换算为湿球绝对温度T₂，计算公式为：

Δλ_B2=λ'_B2-λ_B2

Δt₂=t'₂-t₂

T₂=t'₂+273.15

其中，λ'_B2为光纤解调模块解调出的第二光纤传感器的中心波长，λ_B2为第二光纤传感器出厂时标定的中心波长，K_T2为第二光纤传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₂为第二光纤传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度，t'₂的单位为℃，T₂的单位为K；

（4.3）计算干球绝对温度T₁对应的饱和水气压P₁，计算公式为：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

（4.4）计算湿球绝对温度T₂对应的饱和水气压P₂，计算公式为：

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

（4.5）根据步骤（1）、（2）、（3）和（4）计算环境相对湿度U，计算公式如下：

其中，A为系数，v为实际环境的风速，B为实际大气压，一般情况下B=101325P_a。

本发明的温湿度测量系统，其主要特征包括：

（1）采用干湿表原理实现对环境湿度的测量；

干湿表是一种湿度测量仪表，通过直接测量干球温度与湿球温度并进行计算得到环境的相对湿度，具有结构简单、精度良好、工作稳定的优点。

本发明的温湿度测量系统采用干湿表原理实现环境湿度的测量。本发明的温湿度测量系统直接测量干球温度和湿球温度数据，利用干球温度、湿球温度与环境湿度的关系进行解算，最终得到环境的相对湿度数据。其中，干球温度是指干湿表中普通温度计直接测量得到的温度，湿球温度是指干湿表中被湿纱布包覆的温度计测量得到的温度。

（2）采用光纤温度传感器作为干球温度和湿球温度的敏感元件；

在常规干湿表中，一般采用水银温度计实现干球温度和湿球温度的测量，同时利用查表法得到相对湿度值。为了提高温度测量和湿度计算的自动化，也可以采用电子式温度计实现干球温度和湿球温度的测量，并采用计算机进行相对湿度计算。

本发明的温湿度测量系统采用光纤温度传感器作为温度敏感元件进行干球温度和湿球温度的测量，以实现传感头无源和本质安全。其中的光纤温度传感器可以采用光纤光栅温度传感器作为温度敏感元件。

本发明的温湿度测量系统的解调系统可以采用匹配光栅滤波、可调谐F-P滤波、可调谐窄带光源滤波、干涉解调、边沿滤波、啁啾光栅解调或光谱成像等解调方法实现对光纤光栅温度传感器中心波长的检测。

本发明的温湿度测量系统可以采用光纤光栅温度传感器实现干球温度和湿度温度的测量，也可以采用F-P型光纤温度传感器、Sagnac干涉型温度传感器、辐射型光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、拉曼型分布式光纤温度传感器或布里渊型分布式光纤温度传感器等实现干球温度和湿度温度的测量。

（3）采用光纤作为传输介质，实现无源远程测量；

本发明的温湿度测量系统采用普通光纤作为信号传输介质，使用引导光缆将敏感头与解调系统连接，可以实现远程的无源湿度测量，而且无需额外的信号传输介质。

温湿度测量系统的敏感头为光纤温湿度敏感头，安装于易燃易爆品仓库内部，实现无源的温湿度敏感；解调系统安装于监控室内，实现温湿度的检测和湿度解算；光纤温湿度敏感头通过无源的引导光缆连接至解调系统，实现远程的温湿度测量。光纤温湿度敏感头、引导光缆、解调系统三者共同实现远程的无源温湿度监控。

（4）采用波分、空分、时分等复用方式实现多个敏感头的复用测量；

本发明的温湿度测量系统采用波分、空分和时分等光学复用方式实现一套解调系统对多个敏感头的复用测量，构成多个敏感头的温湿度监控系统，以降低温湿度测量的平均成本。

在引导光缆的同一根光纤上，采用波分复用技术复用多个敏感头，各个敏感头中的光纤温度传感器分别占据不同的波长范围，可复用敏感头的数量与解调系统允许的波长范围有关。

本发明的温湿度测量系统的波分复用和空分复用方案如图2所示，表示解调系统通过引导光缆的四根光纤，复用了16个敏感头。

在引导光缆的不同光纤上，采用空分复用技术复用多个光纤，采用电控多路光开关的方式，实现解调系统对多个光纤上的敏感头的巡回检测。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种温湿度测量系统，其特征在于：包括敏感头、引导光缆和解调系统；

解调系统由激光光源、光纤环形器、光纤解调模块和计算机组成；

引导光缆由多根单模光纤组成；

敏感头包括用于测量干球温度的第一光纤温度传感器和用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器；

激光光源发出的激光经过光纤环形器输出给引导光缆，引导光缆将激光传输至敏感头内的第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器；第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器在接收到激光光源的激光后分别反射特征光，第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器反射的特征光经过引导光缆传输后重新进入光纤环形器并输出给光纤解调模块，光纤解调模块对接收到的两束特征光进行解调，分别得到第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长，并输出给计算机，计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息；

所述计算机根据第一光纤温度传感器的中心波长和第二光纤温度传感器的中心波长计算得到敏感头处的温湿度信息的步骤如下：

(4.1)利用第一光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B1计算得到干球摄氏温度t₁'，并换算为干球绝对温度T₁，计算公式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=K_{T1}{\mathrm{\Δt}}_1$

Δλ_B1＝λ'_B1-λ_B1

Δt₁＝t′₁-t₁

T₁＝t′₁+273.15

其中，λ'_B1为光纤解调模块解调出的第一光纤温度传感器的中心波长，λ_B1为第一光纤温度传感器出厂时标定的中心波长，K_T1为第一光纤温度传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₁为第一光纤温度传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度；t′₁的单位为℃，T₁的单位为K；

(4.2)利用第二光纤温度传感器的光纤中心波长λ'_B2计算得到湿球摄氏温度t'₂，并换算为湿球绝对温度T₂，计算公式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=K_{T2}{\mathrm{\Δt}}_2$

Δλ_B2＝λ'_B2-λ_B2

Δt₂＝t'₂-t₂

T₂＝t'₂+273.15

其中，λ'_B2为光纤解调模块解调出的第二光纤温度传感器的中心波长，λ_B2为第二光纤温度传感器出厂时标定的中心波长，K_T2为第二光纤温度传感器出厂时标定的相对温度灵敏度系数，t₂为第二光纤温度传感器与其出厂时标定的中心波长相对应的温度；t'₂的单位为℃，T₂的单位为K；

(4.3)计算干球绝对温度T₁对应的饱和水气压P₁，计算公式为：

$P_1=\exp (\frac{C_1}{T_1}+C_2+C_3{T}_1+C_4{T}_1^2+C_5{T}_1^3+C_{6}ln{T}_1)$

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

(4.4)计算湿球绝对温度T₂对应的饱和水气压P₂，计算公式为：

$P_2=\exp (\frac{C_1}{T_2}+C_2+C_3{T}_2+C_4{T_2}^2+C_5{T_2}^3+C_{6}ln{T}_2)$

其中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆为固定系数；

(4.5)根据步骤(4.1)、(4.2)、(4.3)和(4.4)计算环境相对湿度U，计算公式如下：

$U=\frac{P_2-AB(T_1-T_2)}{P_1}\×100\%$

其中，A为系数，v为实际环境的风速，B为实际大气压，一般情况下B＝101325P_a。

2.根据权利要求1所述的一种温湿度测量系统，其特征在于：所述用于测量湿球温度的第二光纤温度传感器上面覆盖一片湿布，湿布一端浸在水中。

3.根据权利要求1所述的一种温湿度测量系统，其特征在于：所述第一光纤温度传感器和第二光纤温度传感器采用光纤光栅温度传感器、F-P型光纤温度传感器、Sagnac干涉型温度传感器、辐射型光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、拉曼型分布式光纤温度传感器或布里渊型分布式光纤温度传感器中的任何一种。