CN115516303A - 湿度传感器以及空气调节机 - Google Patents

Abstract

一种湿度传感器，具备：声波元件，进行声波的发送和被反射体反射的声波的接收；接收电路，求出由声波元件接收到的反射波的到达时间；以及湿度解析电路，使用到达时间、从声波元件至反射体为止的距离以及从声波元件至反射体为止的空间的温度来计算出湿度。

Description

湿度传感器以及空气调节机

技术领域

本公开涉及非接触地对湿度进行测量的湿度传感器以及具备湿度传感器的空气调节机。

背景技术

以往，作为对空气中的湿度进行测量的装置，已知干湿球湿度计、毛发湿度计、露点检测传感器、热敏电阻湿度传感器、氯化锂湿度传感器、陶瓷湿度传感器、或者高分子膜湿度传感器等。此外，作为非接触地对湿度进行测量的技术，还已知利用了由于空气中的水分所致的超声波的音速的变化以及散射现象的基于超声波的湿度测量技术。例如在专利文献1中提出了根据超声波的衰减率和温度求出空气的湿度的湿度传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本实开平7－26759号公报

发明内容

专利文献1所记载的湿度传感器是配置成使发送超声波的发送器和接收从发送器发送的超声波的接收器隔着规定的距离相对置的结构。但是，在上述的结构中，需要将发送器和接收器分别配置在不同的部位，所以不仅便利性下降，还会招致湿度传感器的大型化。

本公开为了解决上述的课题，目的在于提供一种能够非接触地对湿度进行测量、并且能够实现小型化的湿度传感器以及空气调节机。

本公开提供一种湿度传感器，具备：声波元件，进行声波的发送和被反射体反射的声波的接收；接收电路，求出由声波元件接收到的反射波的到达时间；湿度解析电路，使用到达时间、从声波元件至反射体为止的距离以及从声波元件至反射体为止的空间的温度来计算湿度。此外，本公开的空气调节机具备上述的湿度传感器、热交换器以及风扇。

根据本公开，能够由一个声波元件进行声波的发送以及接收，所以能够实现非接触式的湿度传感器的小型化。

附图说明

图1是具备实施方式1的湿度传感器的空气调节机的概略结构图。

图2是说明实施方式1的湿度传感器的结构的图。

图3是示出试验槽内的温度T为40℃、相对湿度U为30％RH的情况下的超声波元件接收到的反射波的时间变化的图。

图4是示出试验槽内的温度T为40℃、相对湿度U为90％RH的情况下的超声波元件接收到的反射波的时间变化的图。

图5是示出根据式(1)求出的相对湿度U与反射波到达时间t的关系的曲线图。

图6是描绘了由实验求出的相对湿度U和反射波到达时间t的曲线图。

图7是示出温度T为40℃、相对湿度U为50％RH的情况下的从超声波元件至反射体为止的距离D与反射波到达时间t的关系的曲线图。

图8是具备实施方式2的湿度传感器的空气调节机的概略结构图。

图9是说明实施方式2的湿度传感器的结构的图。

图10是具备实施方式3的湿度传感器的空气调节机的概略结构图。

(符号说明)

1：框体；2：过滤器；3：风扇；4：热交换器；5：加湿部件；6：控制装置；7、7A、7B：湿度传感器；8：距离传感器；9：温度传感器；10：底面；11：吸入口；12：排出口；30：马达；71：超声波元件；72：电线；73：发送电路；74：电线；75：接收电路；76：湿度解析电路；77：信息输入部；78：可动机构；81：距离解析电路；91：温度解析电路；100、100A、100B：空气调节机；200：房间；300：天花板；400、500：反射体。

具体实施方式

实施方式1.

图1是具备实施方式1的湿度传感器7的空气调节机100的概略结构图。如图1所示，空气调节机100是设置于作为空调对象空间的房间200的天花板300的天花板嵌入型的室内机。房间200是商用的办公室空间或者普通住宅的屋内空间。天花板300铺设于房间200的高度2m以上的位置，空气调节机100安装于挖去了天花板300的一部分而形成的设置口。此外，在房间200设置有反射体400。反射体400是金属板、树脂板或者木板，设置于房间200的地面或者墙面。反射体400的朝向房间200的内侧的面是平滑的。另外，也可以不仅单独设置反射体400，还将房间200的地面或者墙面的一部分作为反射体400。

(空气调节机100的结构)

空气调节机100是具有制冷功能、制热功能以及加湿功能的组合型(packagetype)的空调机。另外，空气调节机100也可以是盒型(cassette type)空调机、室内空调机或者外部空气处理单元等。如图1所示，空气调节机100具备框体1、过滤器2、风扇3、热交换器4、加湿部件5、控制装置6以及湿度传感器7。

框体1具有箱形状，具有设置于从天花板300露出的底面10的中央的吸入口11以及设置于四边的排出口12。另外，以下的说明中“上游”以及“下游”是从吸入口11到排出口12为止的空气的流动方向上的上游以及下游。过滤器2设置于吸入口11的下游，收集从吸入口11吸入的空气的灰尘或者尘埃等。风扇3在框体1内设置于过滤器2与热交换器4之间。风扇3例如是轴流风扇，被马达30驱动。马达30被控制装置6控制。

热交换器4配置于风扇3的下游，进行在内部流通的制冷剂和从吸入口11取入到框体1内的空气的热交换。热交换器4通过制冷剂配管与具备压缩机以及热交换器的室外机(未图示)连接，构成制冷剂回路的一部分。热交换器4具有以铝为材料的例如翅片管的构造，在制热运转时作为冷凝器发挥功能对空气进行加热，在制冷运转时作为蒸发器发挥功能对空气进行冷却。热交换器4也可以以下端部为上游侧、上端部为下游侧的方式倾斜地配置。

加湿部件5例如重叠多个多孔或者纤维状的纸或者树脂的板而构成。加湿部件5在热交换器4的下游处沿着热交换器4配置。加湿部件5的长边的长度与热交换器4的长边的长度大致相同。加湿部件5从配置于上方的未图示的供水罐等被供给水而吸水。通过使空气通过吸水后的加湿部件5，水从加湿部件5挥发，空气被加湿。关于水，能够使用自来水以及工业用水的任意方，但最好是钙、镁或者二氧化硅等成为沉淀物的原因的水垢成分少的水。另外，在其他实施方式中，也可以构成为省略加湿部件5而空气调节机100不具有加湿功能。

控制装置6由ASIC或者FPGA等专用的硬件、或者执行保存于存储器的程序的个人计算机等运算装置、或者这两方构成。控制装置6根据房间200的温度或者湿度等对马达30的转速进行控制。如图1的虚线箭头所示，当风扇3由于马达30而旋转时，空气从吸入口11被吸入，通过过滤器2而尘埃被除去之后，通过热交换器4。利用热交换器4冷却或者加热后的空气通过加湿部件5，从而被加湿而成为调节空气，从排出口12被吹出。

湿度传感器7是非接触地对房间200的湿度进行测量的装置。湿度传感器7具备发送以及接收超声波的超声波元件71。超声波元件71在框体1的底面10配置于吸入口11与排出口12之间。在本实施方式中，一个超声波元件71以与反射体400相对置的方式配置于吸入口11的左侧或者右侧。

(湿度传感器的结构)

图2是说明实施方式1的湿度传感器7的结构的图。如图2所示，湿度传感器7具备超声波元件71、发送电路73、接收电路75、湿度解析电路76以信息输入部77。超声波元件71包括压电陶瓷以及电极，发送以及接收超声波。当从电极对压电陶瓷施加高频的电压时，压电陶瓷反复伸缩，由于该振动而产生超声波。此外，当压电陶瓷由于接收到的超声波而振动时，与该振动相匹配地在压电陶瓷的两端产生电压。根据该原理，超声波元件71能够发送频率20kHz以上的声波即超声波以及接收空气中的超声波而变换为电压。本实施方式的超声波元件71是一个元件，能够从房间200的天花板300向反射体400发送超声波，并接收在反射体400反射而返回的超声波。

超声波元件71经由电线72与发送电路73连接。发送电路73将脉冲波供给到超声波元件71。此外，超声波元件71经由电线74与接收电路75连接。接收电路75对来自超声波元件71的输出进行放大并进行A/D变换。来自超声波元件71的输出是模拟信号，所以在接收电路75中具备变换为数字信号的A/D转换器。接收电路75中的A/D变换的采样频率设为2.4MHz，分辨率为12比特。采样频率最好设为对超声波元件71施加的脉冲波的频率的2倍以上，例如设为施加电压的8倍。此外，接收电路75对变换后的数字信号进行解析，求出反射波到达时间t(ms)。接收电路75将求出的反射波到达时间t输入到湿度解析电路76。

湿度解析电路76使用从接收电路75输入的反射波到达时间t和从信息输入部77输入的温度T(℃)以及距离D(m)求出房间200的相对湿度U(％RH)。温度T是超声波元件71与反射体400之间的空间的温度，例如是房间200的温度。距离D是从超声波元件71至反射体400为止的距离。

信息输入部77将房间200的温度T和从超声波元件71至反射体400为止的距离D输入到湿度解析电路76。温度T以及距离D例如经由空气调节机100的遥控器等输入接口被输入，并存储于未图示的存储器。信息输入部77从存储器读出温度T以及距离D，并输入到湿度解析电路76。或者，信息输入部77也可以是输入接口，也可以将经由自身输入的信息输入到湿度解析电路76。

从超声波元件71至反射体400为止的距离D是任意的，但如果过长，则超声波发生衰减而无法到达至反射体400。超声波的频率小的情况下到达远处，但另一方面指向性变大。当指向性变大时，在房间200内容易发生超声波的漫反射，由超声波元件71进行检测时波形变得复杂，所以是不理想的。居住空间的房间200的一边最大为10m左右，所以距离D最大设为10m。此外，作为用于使超声波到达至最大的距离10m的频率，例如将供给到超声波元件71的脉冲波设定为40kHz。

(湿度传感器的动作)

对由本实施方式的湿度传感器7进行的相对湿度U的测量动作进行说明。首先，利用发送电路73，将例如频率40kHz的脉冲波施加到超声波元件71而产生超声波。发送电路73的输出不限定为脉冲波，也可以是正弦波交流等连续波。从超声波元件71产生的超声波作为在图2中用箭头示出的发送波W1而到达反射体400，被反射体400反射成为反射波W2而被超声波元件71接收。

在超声波元件71中，接收到的反射波W2被变换成电压，经由电线74被送到接收电路75。接收电路75进行A/D变换，从而将反射波W2变换为数字信号，根据数字信号求出反射波到达时间t。湿度解析电路76使用由接收电路75求出的反射波到达时间t、从信息输入部77输入的房间200的温度T以及从超声波元件71至反射体400为止的距离D来求出房间200的湿度。

湿度解析电路76也可以与空气调节机100的控制装置6能够通信地连接，将求出的湿度发送到控制装置6。而且，空气调节机100的控制装置6也可以使用接收到的湿度进行空调控制，或者显示于遥控器的显示部(未图示)。或者，湿度解析电路76也可以与空气调节机100以外的外部终端能够通信地连接，将求出的湿度发送到外部终端，显示于外部终端的显示部。

以下，根据理论式以及实验结果说明求出相对湿度U的过程。相对湿度U能够从状态方程式以及特滕斯(Tetens)的实验式利用已知的方法导出。当将相对湿度设为U(％RH)、将空气的干燥气压设为Pd(hPa)、将温度设为T(℃)、将音速设为c(m/s)、将干燥空气的平均分子量设为Md、将空气的定压比热比设为γ、将一般气体常数设为R(J/K·mol)时，导出下述的式(1)。

[数1]

此处，式(1)中的干燥气压Pd、干燥空气的平均分子量Md、定压比热比γ、一般气体常数R是常数。此外，在将直至反射体400为止的距离设为D、将反射波到达时间设为t的情况下，用下述的式(2)表示式(1)中的音速c(m/s)。

[数2]

因此，如果知道直至反射体400为止的距离D、房间200的温度T以及反射波到达时间t，则根据式(1)以及式(2)求出相对湿度U。

以下示出基于湿度传感器7的实验结果的一个例子。在将图1所示的房间200缩小至约1/10的大小的恒温恒湿的试验槽设置湿度传感器7来进行实验。在试验槽内设置铝壁作为反射体400，超声波元件71的发送/接收面配置成与铝壁相对置。从超声波元件71至铝壁为止的距离D为0.525m。此外，将试验槽内的温度T设为40℃，使相对湿度U变化为30、40、50、60、70、80、90％RH。对超声波元件71施加的脉冲数为10个，调查此时的超声波元件71接收到的反射波W2的变化。反射波W2在接收电路75中变换为数字信号，以后作为离散的数据进行解析。

图3是示出试验槽内的温度T为40℃、相对湿度U为30％RH的情况下的由超声波元件71接收到的反射波的时间变化的图。反射波用超声波元件71的输出电压(mV)表示。经过时间0ms是从超声波元件71发送超声波的时间。从经过时间0ms至1.5ms为止的反射波源自超声波元件71的发送音。

接收电路75通过对图3所示的输出电压进行平方、积分来求出反射波的到达时间t。在温度T为40℃、相对湿度U为30％RH的情况下，反射波的到达时间t为2.956ms。反射波到达时间t除了通过对输出电压进行平方并积分来计算之外，也可以根据反射波W2的波形求出输出电压达到某电压的时间点作为反射波到达时间t。

图4是示出试验槽内的温度T为40℃、相对湿度U为90％RH的情况下的由超声波元件71接收到的反射波的时间变化的图。与图3同样地，对图4所示的输出电压进行平方、积分来求出反射波到达时间t。该情况下的反射波到达时间t为2.952ms。

图5是示出根据式(1)求出的相对湿度U与反射波到达时间t的关系的曲线图。另外，图5的关系是代入式(1)的距离D＝0.525、温度T＝40而求出的。

图6是描绘了通过实验求出的相对湿度U与反射波到达时间t的曲线图。在实验值的情况下，利用实验者所决定的方法对超声波的发送开始时刻以及到达时刻进行数据解析，所以一般而言出现与根据式(1)计算的情况下的结果在时间上的偏离。在图6中可知，在实验值中相对湿度U和反射波到达时间t也大致处于比例关系。根据该实验结果，也能够确认能够根据距离D、温度T以及反射波到达时间t来计算湿度。

超声波元件71的输出电压是数字信号，所以无法直接求出相对湿度U。因此，在根据反射波到达时间t计算相对湿度U时，预先求出要测量的房间200的室内条件即距离D以及温度T下的超声波元件71的反射波到达时间t与相对湿度U的关系，并保存于湿度解析电路76的存储区域。而且，通过使用图6所示的关系进行运算，能够求出针对实际的反射波到达时间t的相对湿度U。

例如，在温度T为40℃、距离D为0.525m、由接收电路75计算出的反射波到达时间t为2.951ms的情况下，能够根据图6的关系求出与反射波到达时间t为2.951ms对应的相对湿度U＝43％RH。

图7是示出温度T为40℃、相对湿度U为50％RH的情况下的从超声波元件71至反射体400为止的距离D与反射波到达时间t的关系的曲线图。将各参数的值代入到式(1)而求出图7所示的关系。根据图7能够确认，从超声波元件71至反射体400为止的距离D与反射波到达时间t处于比例关系。由此可知，通过利用使温度T、相对湿度U以及距离D变化而求出反射波到达时间t的实验数据，能够根据反射波到达时间t计算相对湿度U。

根据图5以及图6，在基于式(1)的计算值和实验值中，出现了同样的相关关系。因此，湿度解析电路76能够将距离D、温度T、反射波到达时间t的值直接代入到式(1)而求出相对湿度U。或者，湿度解析电路76也可以将包括根据实验得到的温度T、相对湿度U、距离D、以及反射波到达时间t的关系的数据库存储于存储区域，根据数据库与所输入的距离D、温度T、反射波到达时间t求出相对湿度U。

如以上所示，本实施方式的湿度传感器7能够由一个超声波元件71进行超声波的发送以及接收，所以能够实现非接触式的湿度传感器7的小型化。此外，湿度传感器7能够根据从超声波元件71接收到的反射波的到达时间t、从信息输入部77输入的房间200的温度T以及直至反射体400为止的距离D这三个参数非接触地求出房间200的相对湿度U。因此，湿度传感器7的配置的自由度提高，便利性也提高。

实施方式2.

对实施方式2进行说明。实施方式2的湿度传感器7A除了超声波元件71之外，在具备距离传感器8以及温度传感器9这点上与实施方式1不同。图8是具备实施方式2的湿度传感器7A的空气调节机100A的概略结构图。空气调节机100A的湿度传感器7A以外的结构与实施方式1相同。

如图8所示，湿度传感器7A除了超声波元件71之外，具备测量直至反射体400为止的距离的距离传感器8和测量房间200的温度的温度传感器9。超声波元件71、距离传感器8以及温度传感器9一体化地内置于湿度传感器7A。距离传感器8以及温度传感器9在框体1的底面10配置于吸入口11和排出口12之间。在本实施方式中，距离传感器8以及温度传感器9以与超声波元件71并列而与反射体400相对置的方式配置于吸入口11的左侧或者右侧。

图9是说明实施方式2的湿度传感器7的结构的图。如图9所示，湿度传感器7A具备超声波元件71、发送电路73、接收电路75、湿度解析电路76、信息输入部77、距离传感器8、距离解析电路81、温度传感器9以及温度解析电路91。

距离传感器8是光学传感器或者相机。在距离传感器8为光学传感器的情况下，从距离传感器8内部的光源照射的光被反射体400反射而由距离传感器8的受光元件受光。然后，由距离解析电路81对被反射的光进行评价或者运算而换算成距离。距离解析电路81对光被照射起至受光为止的时间进行测量，将该时间差换算成距离来求出距离。在距离传感器8为相机的情况下，距离解析电路81使用将基于距离变化的受光元件的成像位置换算成距离的三角测距公式来求出距离。距离传感器8配置于与超声波元件71相同的平面上，从距离传感器8至反射体400为止的距离与从超声波元件71至反射体400为止的距离D相同。距离解析电路81与信息输入部77连接，由距离解析电路81计算出的距离实时地被输出到信息输入部77。

温度传感器9是热电偶或者热敏电阻等接触式传感器、或者红外线传感器等非接触式传感器。在温度传感器9为红外线传感器的情况下，温度传感器9对从房间200辐射的红外线辐射能量进行检测，由温度解析电路91根据检测到的红外线能量的量计算出房间200的空间的温度。温度解析电路91与信息输入部77连接，由温度解析电路91计算出的温度实时地被输出到信息输入部77。

(湿度传感器的动作)

说明本实施方式中的由湿度传感器7A进行的相对湿度U的测量动作。从超声波元件71的超声波的发送以及接收、以及由接收电路75进行的反射波到达时间t的解析为止与实施方式1相同。之后，由距离传感器8以及温度传感器9测量从超声波元件71至反射体400为止的距离D以及房间200的温度T，从信息输入部77输入到湿度解析电路76。然后，湿度解析电路76使用反射波到达时间t、从信息输入部77输入的房间200的温度T以及从超声波元件71至反射体400为止的距离D，与实施方式1同样地求出房间200的相对湿度U。

如以上所述，在本实施方式中，能够由距离传感器8以及温度传感器9对用于求出房间200的相对湿度U所需的从超声波元件71至反射体400为止的距离D以及房间200的温度T进行测量而输入到湿度解析电路76。由此，使基于湿度传感器7A的相对湿度U的计算自动化，不需要使用者预先输入距离D以及温度T的工夫，所以便利性进一步提高。此外，对房间200的实际的距离D以及温度T进行测量，所以相对湿度U的测量精度提高。

另外，在上述的实施方式2中，构成为具备距离传感器8以及温度传感器9这两方，但也可以仅具备任意一方。或者，距离传感器8以及温度传感器9也可以配备于湿度传感器7A以外的外部设备。例如，温度传感器9也可以是空气调节机100A所具备的室内温度传感器。在该情况下，信息输入部77具备无线通信功能，与外部设备进行通信，接收温度T以及距离D而输入到湿度解析电路76。

实施方式3.

说明实施方式3。实施方式的湿度传感器7B在具备使超声波元件71可动的可动机构78这点上与实施方式1不同。图10是具备实施方式3的湿度传感器7B的空气调节机100B的概略结构图。湿度传感器7B的其他的结构与实施方式1相同，空气调节机100B的湿度传感器7B以外的结构与实施方式1相同。

如图10所示，本实施方式的湿度传感器7B的超声波元件71被保持于可动机构78。可动机构78具备未图示的马达、对马达进行控制的控制装置以及与房间200的地面平行地延伸的轴。超声波元件71被保持于可动机构78，以对房间200的地面进行扫描的方式转动。

在本实施方式中，超声波元件71当在发送了超声波之后未接收到反射波的情况下，一边继续发送超声波一边继续转动。然后，在从任意的反射体500接收到反射波的情况下，由控制装置停止超声波元件71的运动，由接收电路75进行基于接收到的反射波的反射波到达时间t的解析。然后，由湿度解析电路76根据反射波到达时间t、从超声波元件71至反射体500为止的距离D以及房间200的温度T求出相对湿度U。关于该情况下的距离D，存储作为基准的距离和反射波到达时间的关系，根据由接收电路75解析的反射波到达时间t和所存储的关系来求出。或者，也可以设为在湿度传感器7B具备实施方式2的距离传感器8的结构，测量直至反射体500为止的距离。

根据本实施方式，无需在特定的位置设置反射体400，就能够求出房间200的湿度。由此，能够在房间200的宽范围测量湿度，便利性进一步提高。

以上说明了实施方式，但上述的实施方式能够进行各种各样的变形以及组合。例如，在上述的实施方式中，湿度传感器7构成为具备发送以及接收超声波的超声波元件71，但并不限于此，也可以具备发送以及接收声波的声波元件。例如，湿度传感器7也可以具备发出频率20kHz以下的可听声的声波元件。在该情况下，也仅频率以及波长不同，从声波元件发送的声波被反射体400反射而再次返回到声波元件。因此，与上述实施方式同样地，能够根据反射波的到达时间求出房间200的湿度。

此外，在上述实施方式中，将接收电路75和湿度解析电路76作为单独的电路进行了说明，但也可以将接收电路75以及湿度解析电路76的功能设置于一个电路，也可以由个人计算机执行接收电路75以及湿度解析电路76的功能。此外，距离解析电路81以及温度解析电路91的功能也可以设置于与接收电路75以及湿度解析电路76相同的一个电路，也可以由个人计算机执行。此外，也可以由将发送电路73和接收电路75一体化的脉冲发送接收机(pulser-receiver)构成。

Claims (7)

1.一种湿度传感器，具备：

声波元件，进行声波的发送和被反射体反射的声波的接收；

接收电路，求出由所述声波元件接收到的反射波的到达时间；以及

湿度解析电路，使用所述到达时间、从所述声波元件至所述反射体为止的距离以及从所述声波元件至所述反射体为止的空间的温度来计算出湿度。

2.如权利要求1所述的湿度传感器，其中，

所述声波元件与所述反射体相对置地配置。

3.如权利要求1或2所述的湿度传感器，还具备信息输入部，该信息输入部输入所述距离和所述温度。

4.如权利要求1至3中的任意一项所述的湿度传感器，还具备对所述距离进行测量的距离传感器。

5.如权利要求1至4中的任意一项所述的湿度传感器，还具备对所述温度进行测量的温度传感器。

6.如权利要求1至5中的任意一项所述的湿度传感器，还具备使所述声波元件可动的可动机构。

7.一种空气调节机，具备：

权利要求1至6中的任意一项所述的湿度传感器；

热交换器；以及

风扇。

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