CN113029967A - 一种测量空气湿度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量空气湿度的装置及方法。装置包括安装架，安装架上设有反光镜，反光镜的上方设有用于直射反光镜的光源装置，光源装置内设有光敏传感器，反光镜的底部设有制冷装置，反光镜上设有第一温度传感器，安装架上设有第二温度传感器，安装架上还设有显示屏及控制器，所述控制器与所述光源装置、光敏传感器、制冷装置、第一温度传感器、第二温度传感器、显示屏均电性连接。相比现有湿度传感器，本发明可更加精确、更快速响应、测量范围更广地对空气的湿度进行测量。

Description

一种测量空气湿度的装置及方法

技术领域

本发明涉及测量空气湿度技术领域，特别是涉及一种测量空气湿度的装置及方法。

背景技术

空气湿度测量技术来由已久，湿度传感器可分为物性型和结构型。结构型湿度测量装置通常测量的速度较为缓慢，而物性型传感器由于电子敏感材料的均匀性、一致性尚未达到理想水平，元件制作工艺也参差不齐，所以湿度传感器的物性型存在分散性。

而物性型湿度传感器的感湿元件的物性与湿度值之间又是一种间接关系，须经过转换电路将阻值或容值的变化转换为电压或电流量值等，在不同的温度环境，组成传感器的电子元件的性能又有所不同，导致结果与实际值有较大的偏差，难以达到高精度测量。所以不同的原理、不同的材料、不同的结构做出的传感器反映的湿度值总是存在差异，例如公开号为CN203249363U、公开日为2013.10.23的中国专利：一种用于室内空气自动调控湿度的设备，该设备直接采用相对湿度、露点等多种传感器检测室内的相对湿度，利用的就是上述的物性型湿度传感器，测量存在滞后性，得到的结果与实际值有较大的偏差，难以达到高精度测量。

发明内容

本发明提供一种测量空气湿度的装置及方法，相比现有湿度传感器，本发明可更加精确、更快速响应、测量范围更广地对空气的湿度进行测量。

本发明的技术方案为：

一种测量空气湿度的装置，包括安装架，所述安装架上设有反光镜，所述反光镜的上方设有用于直射所述反光镜的光源装置，所述光源装置内设有光敏传感器，所述反光镜的底部设有制冷装置，所述反光镜上设有第一温度传感器，所述安装架上设有第二温度传感器，所述安装架上还设有显示屏及控制器，所述控制器与所述光源装置、光敏传感器、制冷装置、第一温度传感器、第二温度传感器、显示屏均电性连接。

进一步，所述安装架上设有电源对整个装置进行供电。

进一步，所述安装架上设有继电器，所述控制器通过所述继电器与所述制冷装置电性连接。继电器可对制冷装置进行保护，具有动作快、工作稳定、使用寿命长等特点，保证制冷装置在足够的电压下进行运行，避免电压不稳定对制冷装置的制冷进行影响。

进一步，所述控制器采用单片机控制器。采用常用的单片机控制器，制作成本低，方便快捷。

进一步，所述制冷装置采用冷凝器。

进一步，所述光源装置采用白光灯。

本发明还提供一种测量空气湿度的方法，使用上述的测量空气湿度的装置进行测量空气湿度，具体过程如下：

第二温度传感器读取出大气温度并输入到控制器；

光源装置发出光线经反光镜反射到光敏传感器上，光敏传感器监测光线强度，光线强度大于临界值时，制冷装置对反光镜进行降温，使反光镜反射的光线强度达到临界值，即到达露点，此时第一温度传感器将湿空气的露点温度测出并输入到控制器；

控制器通过露点拟合函数对露点温度进行计算，得到湿空气的含湿量；

控制器通过与此时含湿量对应的相对湿度拟合函数对大气温度进行计算，得到湿空气的相对湿度；

控制器将相对湿度通过显示屏进行显示。

进一步，控制器通过继电器对制冷装置进行控制，当光敏传感器接收的光线强度大于设定的临界值时，控制器使继电器得电，制冷装置启动对反光镜降温，当反光镜的温度降到湿空气露点时，光敏传感器接受到的光线强度达到临界值，控制器使继电器失电，制冷装置停止，控制器控制第一温度传感器读出此时的露点温度。

进一步，所述露点拟合函数如下：

y＝p1*x⁵+p2*x⁴+p3*x³+p4*x²+p5*x+p6

其中x为露点温度，y为求得的含湿量，p1、p2、p3、p4、p5、p6均为拟合系数。

进一步，所述相对湿度拟合函数如下：

y1＝a*x1^b+c

其中x1为大气温度，y1为求得的相对湿度，a、b、c均为拟合系数。

本发明的有益效果为：

本发明测量空气湿度的装置及方法是基于测量大气温度、露点等确定性的物理量，利用湿空气的温度、露点、含湿量、相对湿度等物理量之间的关系，快速测量获取准确的相对湿度值。通过第二温度传感器得到的大气温度、第一温度传感器得到反光镜上的大气温度，将露点温度通过控制器进行调整及处理运算得到湿空气的含湿量，并以含湿量、大气温度作为变量，再经控制器的运算及处理，即可得到相对湿度，最终通过显示屏进行显示。本发明可实时对相对湿度的数据进行准确测量，快速响应，并考虑了当时的环境因素，使监测得到的相对湿度更加准确。

附图说明

图1为本发明测量空气湿度的装置的结构示意图；

图2为图1的另一角度示意图；

图3为露点温度与含湿量拟合得到的曲线图；

图4为大气温度与相对湿度拟合得到的曲线图；

图中：安装架1、反光镜2、光源装置3、制冷装置4、第一温度传感器5、第二温度传感器6、显示屏7、控制器8、电源9、继电器10。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1和图2所示，一种测量空气湿度的装置，包括安装架1，安装架1的中间固定有反光镜2，反光镜2的上方设有用于直射反光镜2的光源装置3，光源装置3固定在安装架1的顶部，光源装置3内设有光敏传感器(图中未示出)，反光镜2的底部设有制冷装置4，反光镜2上设有用于检测露点温度的第一温度传感器5，安装架1上设有用于检测大气温度的第二温度传感器6，安装架1的两侧上还分别固定有显示屏7及控制器8，控制器8与光源装置3、光敏传感器、制冷装置4、第一温度传感器5、第二温度传感器6、显示屏7均通过导线电性连接，安装架1上设有电源9对整个装置进行供电。

在本实施例中，安装架1上还设有继电器10，控制器8通过继电器10与制冷装置4电性连接。继电器10可对制冷装置4进行保护，具有动作快、工作稳定、使用寿命长等特点，保证制冷装置4在足够的电压下进行运行，避免电压不稳定对制冷装置4的制冷进行影响。

其中，控制器8采用常用的单片机控制器，制作成本低，方便快捷；制冷装置4采用常用的冷凝器；光源装置3可采用白光灯或其他能作出的光源的部件。

本发明还提供一种测量空气湿度的方法，使用上述的测量空气湿度的装置进行测量空气湿度，具体过程如下：

第二温度传感器6读取出大气温度并输入到控制器8；

光源装置3发出光线经反光镜2反射到光敏传感器上，光敏传感器监测光线强度，光线强度大于临界值时，制冷装置4对反光镜2进行降温，使反光镜2反射的光线强度达到临界值，即到达露点，此时第一温度传感器5将湿空气的露点温度测出并输入到控制器8；

控制器8通过露点拟合函数对露点温度进行计算，得到湿空气的含湿量；

控制器8通过与此时含湿量对应的相对湿度拟合函数对大气温度进行计算，得到湿空气的相对湿度；

控制器8将相对湿度通过显示屏7进行显示。

在本实施例中，控制器8通过继电器10对制冷装置4进行控制，当光敏传感器接收的光线强度大于设定的临界值时，控制器8使继电器10得电，制冷装置4启动对反光镜2降温，当反光镜2的温度降到湿空气露点时，光敏传感器接受到的光线强度达到临界值，控制器8使继电器10失电，制冷装置4停止，控制器8控制第一温度传感器5读出此时的露点温度。

测量空气湿度的装置的实际工作过程如下：

接通电源9，装置开始工作，第二温度传感器6实时对大气温度进行监测读取并输入到控制器8，同时光源装置3发射出光线，光线经过反光镜2反射回光源装置3内的光敏传感器上，光敏传感器将检测到的光线强度以数字信号形式传递给控制器8，当光线强度大于设定的临界值时，控制器8使继电器10得电，从而使制冷装置4开始工作，制冷装置4使得反光镜2温度不断下降，当反光镜2的温度降到湿空气露点时，反光镜2的表面出现水雾，由于水雾的作用改变了反光镜的反光率，导致光敏传感器接收到的光线强度变弱，光敏传感器将信号反馈给控制器8，此时光线强度达到临界值，控制器8使继电器10失电，制冷装置4停止工作，控制器8控制反光镜2上的第一温度传感器5读出此时的反光镜2温度，即为湿空气的露点温度，控制器8通过读取数据库中的露点拟合函数对露点温度进行计算，可得湿空气的含湿量，并以此时含湿量对应的相对湿度拟合函数对大气温度进行计算，即可得到相对湿度，最后将相对湿度通过显示屏7显示；其中制冷装置4停止工作后，反光镜2温度上升，反光镜2上的水雾消失，光线强度变强，当光线强度大于设定的临界值时，制冷装置4又开始制冷，不断循环，实现相对湿度的信息实时更新。

本发明是根据大气温度及露点温度两个确定性的物理量计算出空气的相对湿度，下面对其计算的方法进行说明；

以露点温度为自变量，含湿量为因变量，在相对湿度100％曲线上，露点温度和含湿量是一一对应的关系，因此，可以拟合出含湿量关于露点温度的数学函数，当向控制器输入露点温度时，即可得到含湿量的值；又由于在相同的含湿量条件下，大气温度与相对湿度之间是一一对应的关系，因此，在不同的含湿量的条件下，以大气温度为自变量，相对湿度为因变量可以拟合出一系列的数学函数。由前面的计算已知含湿量的数值大小，所以当向控制器输入大气温度时，控制器会调用与此时含湿量相对应的函数，然后代入此时的大气温度后，即可求得湿空气的相对湿度；

下面对拟合过程及结果进行详细说明：

(1)拟合露点温度与含湿量的函数：

取9个样本点，采用5次多项式进行拟合；

含湿量的样本如下(单位g/Kg(DA))：

D-ludian＝[5、10、15、20、25、30、35、40、45]；

与上列含湿量样本对应的露点温度的样本如下(单位摄氏度)：

T-ludian＝[3、13.8、20、24.1、28、31、34、36.2、38.7]；

以露点温度T-ludian为自变量，含湿量D-ludian为因变量，采用5次多项式进行拟合(也可以采用其他类型曲线进行拟合)，拟合曲线如图3所示，得到的结果如下：

p1＝3.154e-09；p2＝-2.127e-06；p3＝0.0003819；

p4＝0.01022；p5＝0.2029；p6＝4.291；

所以露点拟合函数如下：

y＝p1*x⁵+p2*x⁴+p3*x³+p4*x²+p5*x+p6

其中x为输入控制器的露点温度，y为求得的含湿量，p1、p2、p3、p4、p5、p6均为拟合系数。可将实时的露点温度通过该露点拟合函数即可得到当前的含湿量。

(2)拟合当前含湿量情况下，大气温度与相对湿度的函数，下面为在当前含湿量的情况下的拟合的结果；

假设当前含湿量为5g/Kg(DA)

取9个样本点，大气温度的样本如下(单位为摄氏度)：

T-5＝[10、20、30、40、50、60、70、80、90]；

当湿空气含湿量为5g/Kg(DA)时，与上述大气温度对应的相对湿度样本数据如下：

S-5＝[0.78、0.35、0.19、0.1、0.063、0.0395、0.023、0.018、0.011]；

以大气温度T-5为自变量，相对湿度S-5为因变量，采用幂函数进行拟合，拟合曲线如图4所示，得到的结果如下：

a＝9.596；b＝-1.041；c＝-0.09021；

所以相对湿度拟合函数如下：

y1＝a*x1^b+c

其中x1为第二传感器测出的实时大气温度，y1为求得的相对湿度，a、b、c均为拟合系数。可将实时的大气温度通过该相对湿度拟合函数即可得到当前的相对湿度。

同理，如果当前含湿量改变时，相应的大气温度的样本数据及与其对应的相对湿度样本数据会发生改变，即得到的a、b、c三个拟合系数会发生改变；

假设含湿量为10g/Kg(DA)时，大气温度的样本如下：

T-10＝[20、30、40、50、60、70、80、90、100]；

与上述大气温度对应的相对湿度样本数据如下：

S-10＝[0.69、0.36、0.21、0.125、0.08、0.05、0.038、0.0215、0.013]；

由此拟合得到拟合系数变为：a＝63.86、b＝-1.482、c＝-0.06212；

所以在不同含湿量时，通过相对湿度拟合函数得到的结果也会不同，本发明在进行实时监测相对湿度时，计算前先得到当前的含湿量，然后在当前的含湿量下，选择对应的相对湿度拟合函数，即可的准确地实时监测当前的相对湿度。

在本实施例中，当环境的温度过高时，其测量出的光线强度会偏高，进而使测量出的湿空气露点温度偏低，可以通过读取出环境的温度，再根据环境温度适当增大或减小光敏传感器的读数，进而对测量到的露点数值进行调整，使其更加接近真值；通过该方式可以有效地消减环境中的干扰因素引起的误差。

一般的湿度测量装置由于其电子元件等组成部分在不同温度、压力等环境因素条件影响下，其电子元件的性能又有所不同，导致测量出的结果与实际值有较大的偏差，难以达到高精度测量；本发明具有能够消减由温度、压力等环境因素引起的测量误差的作用，其工作原理是通过对大气及露点温度的实时检测，并以含湿量的不同快速响应选择对应的相对湿度拟合函数，对大气温度、露点等初始输入量进行补偿校正计算，最终得到更加精确的湿度值。本发明可实时对相对湿度的数据进行准确测量，快速响应，并考虑了当时的环境因素，使监测得到的相对湿度更加准确。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量空气湿度的装置，其特征在于，包括安装架，所述安装架上设有反光镜，所述反光镜的上方设有用于直射所述反光镜的光源装置，所述光源装置内设有光敏传感器，所述反光镜的底部设有制冷装置，所述反光镜上设有第一温度传感器，所述安装架上设有第二温度传感器，所述安装架上还设有显示屏及控制器，所述控制器与所述光源装置、光敏传感器、制冷装置、第一温度传感器、第二温度传感器、显示屏均电性连接。

2.根据权利要求1所述的测量空气湿度的装置，其特征在于，所述安装架上设有电源对整个装置进行供电。

3.根据权利要求1所述的测量空气湿度的装置，其特征在于，所述安装架上设有继电器，所述控制器通过所述继电器与所述制冷装置电性连接。

4.根据权利要求1所述的测量空气湿度的装置，其特征在于，所述控制器采用单片机控制器。

5.根据权利要求1所述的测量空气湿度的装置，其特征在于，所述制冷装置采用冷凝器。

6.根据权利要求1所述的测量空气湿度的装置，其特征在于，所述光源装置采用白光灯。

7.一种测量空气湿度的方法，其特征在于，使用上述权利要求1-6任一项所述的测量空气湿度的装置进行测量空气湿度，具体过程如下：

第二温度传感器读取出大气温度并输入到控制器；

光源装置发出光线经反光镜反射到光敏传感器上，光敏传感器监测光线强度，光线强度大于临界值时，制冷装置对反光镜进行降温，使反光镜反射的光线强度达到临界值，即到达露点，此时第一温度传感器将湿空气的露点温度测出并输入到控制器；

控制器通过露点拟合函数对露点温度进行计算，得到湿空气的含湿量；

控制器通过与此时含湿量对应的相对湿度拟合函数对大气温度进行计算，得到湿空气的相对湿度；

控制器将相对湿度通过显示屏进行显示。

8.根据权利要求7所述的测量空气湿度的方法，其特征在于，控制器通过继电器对制冷装置进行控制，当光敏传感器接收的光线强度大于设定的临界值时，控制器使继电器得电，制冷装置启动对反光镜降温，当反光镜的温度降到湿空气露点时，光敏传感器接受到的光线强度达到临界值，控制器使继电器失电，制冷装置停止，控制器控制第一温度传感器读出此时的露点温度。

9.根据权利要求7所述的测量空气湿度的方法，其特征在于，所述露点拟合函数如下：

y＝p1*x⁵+p2*x⁴+p3*x³+p4*x²+p5*x+p6

其中x为露点温度，y为求得的含湿量，p1、p2、p3、p4、p5、p6均为拟合系数。

10.根据权利要求7所述的测量空气湿度的方法，其特征在于，所述相对湿度拟合函数如下：

y1＝a*x1^b+c

其中x1为大气温度，y1为求得的相对湿度，a、b、c均为拟合系数。

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