TWI458969B - Humidity detection device - Google Patents

Description

溼度偵測裝置

本發明是關於一種偵測裝置，特別是指溼度偵測裝置。

燒結工廠具有一風道，該風道提供混合石灰微粒與水氣的環境，以讓水氣依附在石灰微粒上。為了要掌握風道中的水氣含量，現有作法是將一溼度感測器直接安裝在該風道內部，藉由該溼度感測器檢測該風道中的溼度。

現有溼度感測器的種類繁多，舉例來說，晶體振盪式溼度感測器與高分子溼度感測器為常見的感測器。

晶體振盪式溼度感測器主要由壓電材料構成，壓電材料可供產生不同的振盪頻率，當空氣中的水氣附著在壓電材料的表面時，會改變壓電材料的振盪頻率；是以，藉由量測振盪頻率，可以推知空氣中的溼度。然而，一般晶體振盪式溼度感測器所能操作的溫度範圍約為攝氏0~50度，並不適合應用在燒結工廠中的高溫環境，例如風道中的溫度約為攝氏100度以上。

高分子溼度感測器包含有兩種態樣，其一是電容變化型感測器，另一是電阻變化型感測器。電容變化型感測器主要包含有一多孔隙電極與一高分子薄膜電容，該高分子薄膜電容透過該多孔隙電極吸收水氣而改變感測器的電容值，因此根據電容值可以推知空氣中的溼度。電阻變化型感測器主要包含有一基材與一吸水膜，該吸水膜用於吸收水氣而改變感測器的電阻值，因此根據電阻值可以推知空 氣中的溼度。

然而，對於高分子溼度感測器的感測結果而言，溼度相對於電容值或電阻值較不具有線性的特性，即由偵測到的電容值或電阻值較無法直接推算出溼度。再者，針對電阻變化型感測器而言，其吸水膜必須經常性的塗抹在基材上才會具有吸附水氣的功效，因此當電阻變化型感測器設於風道內部進行檢測時，使用者需要隨時注意吸水膜的用量，為了避免吸水膜用量不足，使用者需要時常從風道中取出感測器以補充吸水膜，補充吸水膜後再把感測器放回風道內，如此頻繁執行此一過程會造成使用的困擾。

有鑒於前述各式溼度感測裝置的缺點，本發明的主要目的是提供一種溼度偵測裝置，其可在高溫的環境底下運作，並具有簡單的結構而易於實施。

本發明的溼度偵測裝置包含有：一底座；一溼度偵測棒，包含有：一本體，設於該底座上且具有一表面，該表面具有水氣吸附介質；一第一金屬線，設於該本體的表面；以及一第二金屬線，設於該本體的表面且未與該第一金屬線接觸，其中該第一金屬線、第二金屬線與水氣吸附介質構成一溼度檢測電阻器，該溼度檢測電阻器的阻抗隨著空氣中的溼度大小而變化；以及一控制單元，電連接該第一與第二金屬線且包含有一 溼度減法器，該溼度減法器根據一參考電壓與該溼度檢測電阻器的端電壓產生一輸出信號，該輸出信號代表空氣中的溼度大小。

本發明具有以下的功效：

1.該溼度偵測棒中的本體係由耐溫材質構成，例如鐵氟龍，因此本發明相當適合應用於高溫的工作環境。

2.經由實驗顯示，該溼度檢測電阻器的阻抗係與溼度成線性反比，即當水氣吸附介質所吸附的水氣越多，該溼度檢測電阻器的阻抗會呈線性遞減，由於阻抗與溼度呈線性的關係，故可藉由從該溼度檢測電阻器偵測到的阻抗直接推算出空氣中的溼度。

3.相較於電阻變化型感測器，本發明不須用到吸水膜，因此使用者不須時常注意吸水膜的用量，有效減輕作業人員的工作負擔。

請參考圖1與圖2所示，本發明之溼度偵測裝置包含有一底座10、一溼度偵測棒20與一控制單元30。

該溼度偵測棒20包含有一本體21、一第一金屬線22與一第二金屬線23。

該本體21具有一頭端、一尾端與一表面，該頭端為封閉端，該表面具有水氣吸附介質，該尾端設於該底座10上。請參考圖3所示，該表面具有一第一溝槽211與一第二溝槽212，該第一溝槽211與第二溝槽212分別從該頭端以螺旋方式往該尾端方向延伸，且該兩溝槽211、212互不連通。該本體21可為中空的鐵氟龍圓柱，該鐵氟龍 圓柱的表面係經一加工程序而成為棉絮狀的粗糙面，並具有多個孔隙。所述水氣吸附介質可為石灰粉，係填入該些孔隙中，其中鐵氟龍圓柱可耐溫達攝氏300度，故適合應用在約攝氏100度的風道環境。

該第一金屬線22與第二金屬線23可為白鐵裸線，分別具有一第一端與一第二端，該兩金屬線22、23的第一端設於該本體21內部並電連接該控制單元30，請參考圖3與圖4所示，該兩金屬線22、23的第二端從該本體21內部往外貫穿該本體21的頭端，並分別繞設在該第一溝槽211與第二溝槽212上。請參考圖3所示的側視圖，第一金屬線22與第二金屬線23呈交替排列。於本較佳實施例中，該兩金屬線22、23的直徑分別為1mm，且分別繞設該本體21四十五圈，其中該些溝槽211、212的深度分別為0.5mm，兩相鄰的第一、第二金屬線22、23之間距為1mm。

請參考圖2與圖5所示，該控制單元30電連接該兩金屬線22、23且包含有一溼度減法器31、一可變電阻器32、至少一個信號放大器33、一積分器34、一電壓電流轉換器35與一溼度顯示器36；該控制單元30可進一步包含有一恆溫控制電路40。其中，由於該兩金屬線22、23並未接觸，且水氣吸附介質設於該兩金屬線22、23之間，整體視之，該兩金屬線22、23與水氣吸附介質可等效為一溼度檢測電阻器Rw。

該溼度減法器31具有一第一輸入端、一第二輸入端與一輸出端，該第一輸入端電連接該兩金屬線22、23以 檢測該溼度檢測電阻器Rw的端電壓，該第二輸入端電連接該可變電阻器32以檢測該可變電阻器32的端電壓。

該溼度偵測棒20係供插設在一燒結工廠中的風道中，利用該本體21表面的水氣吸附介質有效的吸附風道中的水氣。隨著附著在水氣吸附介質上的水份越多，因水份具有導電的特性，故會讓水氣吸附介質的阻抗逐漸降低，由此可見，溼度檢測電阻器Rw的阻抗是隨著空氣中的溼度大小而變化的。

該溼度減法器31之第一輸入端所檢測到的電壓是該溼度檢測電阻器Rw的端電壓，並定義為一檢測電壓；在該溼度偵測棒20實際進行量測之前，該可變電阻器32的電阻值可經調整，使得可變電阻器32的端電壓等於該檢測電壓，此時該可變電阻器32的端電壓定義為一參考電壓。是以，在該溼度偵測棒20實際進行量測之前，該檢測電壓等於該參考電壓。

在該溼度偵測棒20實際進行量測溼度時，因為該溼度偵測棒20吸附水氣而降低該溼度檢測電阻器Rw的阻抗，導致該檢測電壓隨著降低，使得該檢測電壓與參考電壓不再相等。該溼度減法器31即根據檢測電壓與參考電壓的差異產生一輸出信號；是以，該輸出信號即代表空氣中的溼度大小。

該至少一個信號放大器33係電連接在該溼度減法器31的輸出端，用於放大該溼度減法器31所輸出的輸出信號。該積分器34係電連接該信號放大器33的輸出端，用以抑制雜訊和穩定該輸出信號，使輸出信號成為較平緩的 波形。

該電壓電流轉換器35電連接該積分器34的輸出端以將該輸出信號轉換為一電流信號；該溼度顯示器36電連接該電壓電流轉換器35的輸出端以根據該電流信號對應顯示溼度數值。由於該積分器34已穩定該輸出信號，故該溼度顯示器36所呈現的溼度數值更加穩定可靠。

該恆溫控制電路40包含有一溫度感測元件41、一參考溫度調整器42、一加熱器43、一溫度減法器44、一電壓電流轉換器與一溫度顯示器45。

請參考圖6所示，該溫度感測元件41及該加熱器43係設於該本體21內部，溫度感測元件41根據該本體21內部的溫度而產生一實際溫度信號；該溫度感測元件41可為熱敏電阻元件。

該參考溫度調整器42包含有一可變電阻器421以及一電阻電流轉換器422，該電阻電流轉換器422係根據該可變電阻器421的電阻值而產生一參考溫度信號。在該溼度偵測棒20實際進行量測之前，藉由調整該可變電阻器421的電阻值，可使該參考溫度信號等於該實際溫度信號以作為判斷溫度的初始狀態。

該溫度減法器44電連接該溫度感測元件41、參考溫度調整器42與加熱器43。隨著該溼度偵測棒20持續進行量測，該本體21內的水氣會逐漸提升而達到飽和，若該溼度偵測棒20內的溫度達到露點溫度(在固定氣壓下，空氣中所含的水氣達到飽和而凝結成液態水所需要的溫度)將會生成液態水，液態水會附著在該兩金屬線22、23而 降低金屬線22、23的靈敏度。

為了避免該溼度偵測棒20內的溫度達到露點溫度，該溫度減法器44根據實際溫度信號和該參考溫度信號的差異而產生一溫度控制信號給該加熱器43，使該加熱器43對該本體21內部進行加熱，藉此加速降低該本體21內的溼度以維持該溼度偵測棒20的靈敏度。舉例而言，該參考溫度信號可為攝氏45度，當該溼度偵測棒20內部溫度低於攝氏45度時，該加熱器43即被啟動而開始加熱，從而防止該本體21內部降到露點溫度。

該電壓電流轉換器電連接該溫度減法器44的輸出端，以將該溫度控制信號轉換為一電流信號；該溫度顯示器45電連接該恆溫控制電路40的電壓電流轉換器之輸出端，以根據該電流信號產生一對應的溫度數值，供作業人員參考。

綜上所述，本發明的溼度偵測棒20係供直接插入風道進行即時檢測溼度，其中溼度偵測棒20主要由鐵氟龍圓柱、金屬線22、23與水氣吸收介質構成，該控制單元30只有用到簡單的減法器31、44而未涉及到複雜的電路與演算法，因此本發明的結構簡單而易於實施。當檢測完畢後，該溼度偵測棒20表面的水氣吸附介質已經吸收空氣中的水分，使用者可烘乾該溼度偵測棒20以讓附著在溼度偵測棒20表面的石灰微粒與水氣吸附介質結塊而剝落，當石灰微粒及水氣吸附介質從溼度偵測棒20剝落後，可再次於本體21表面填入新的水氣吸附介質(如石灰粉)，該溼度偵測棒20即可再度使用。

10‧‧‧底座

20‧‧‧溼度偵測棒

21‧‧‧本體

211‧‧‧第一溝槽

212‧‧‧第二溝槽

22‧‧‧第一金屬線

23‧‧‧第二金屬線

30‧‧‧控制單元

31‧‧‧溼度減法器

32‧‧‧可變電阻器

33‧‧‧信號放大器

34‧‧‧積分器

35‧‧‧電壓電流轉換器

36‧‧‧溼度顯示器

40‧‧‧恆溫控制電路

41‧‧‧溫度感測元件

42‧‧‧參考溫度調整器

421‧‧‧可變電阻器

422‧‧‧電阻電流轉換器

43‧‧‧加熱器

44‧‧‧溫度減法器

45‧‧‧溫度顯示器

圖1：本發明較佳實施例的立體示意圖。

圖2：本發明較佳實施例的電路方塊圖。

圖3：本發明溼度偵測棒的局部剖視圖。

圖4：本發明溼度偵測棒的端視圖。

圖5：本發明較佳實施例的詳細電路圖。

圖6：本發明溼度偵測棒的側視圖。

20‧‧‧溼度偵測棒

30‧‧‧控制單元

31‧‧‧溼度減法器

32‧‧‧可變電阻器

34‧‧‧積分器

36‧‧‧溼度顯示器

40‧‧‧恆溫控制電路

42‧‧‧參考溫度調整器

44‧‧‧溫度減法器

45‧‧‧溫度顯示器

Claims (8)

1. 一種溼度偵測裝置，包含有：一底座；一溼度偵測棒，包含有：一本體，為鐵氟龍製成的構件並具有一頭端、一尾端與一表面，該尾端設於該底座上，該表面具有多個孔隙且孔隙中設有石灰粉以作為水氣吸附介質，該本體的表面具有一第一溝槽與一第二溝槽，該第一溝槽與第二溝槽分別從該頭端以螺旋方式往該尾端方向延伸；一第一金屬線，設於該本體的表面的第一溝槽；以及一第二金屬線，設於該本體的表面的第二溝槽且未與該第一金屬線接觸，其中該第一金屬線、第二金屬線與水氣吸附介質構成一溼度檢測電阻器，該溼度檢測電阻器的阻抗隨著空氣中的溼度大小而變化，其中該第一金屬線與第二金屬線分別具有一第一端與一第二端，該兩金屬線的第一端設於該本體內部，而第二端從該本體內部往外貫穿該本體的頭端而分別繞設在該第一溝槽與第二溝槽；以及一控制單元，電連接該第一與第二金屬線且包含有一溼度減法器，該溼度減法器根據一參考電壓與該溼度檢測電阻器的端電壓產生一輸出信號，該輸出信號代表空氣中的溼度大小。
2. 如請求項1所述之溼度偵測裝置，其中該控制單元包含有： 一電壓電流轉換器，電連接該溼度減法器，以將該輸出信號轉換為一電流信號；以及一溼度顯示器，電連接該電壓電流轉換器，以根據該電流信號產生溼度數值。
3. 如請求項2所述之溼度偵測裝置，該控制單元包含有一積分器，電連接在該溼度減法器與該電壓電流轉換器之間，用以穩定該輸出信號的波形。
4. 如請求項3所述之溼度偵測裝置，該控制單元包含有至少一個信號放大器，電連接在該溼度減法器與該積分器之間。
5. 如請求項4所述之溼度偵測裝置，該溼度減法器的輸入端設有一可變電阻器，該可變電阻器的端電壓作為該參考電壓。
6. 如請求項1至5中任一項所述之溼度偵測裝置，該控制單元包含有一恆溫控制電路，其包含有：一溫度感測元件，設於該本體內部，以根據該本體內部的溫度產生一實際溫度信號；一參考溫度調整器，用於產生一參考溫度信號；一加熱器，設於該溼度偵測棒的本體內部；以及一溫度減法器，電連接該溫度感測元件、參考溫度調整器與加熱器，當該實際溫度信號低於該參考溫度信號，該溫度減法器產生一溫度控制信號以驅動該加熱器。
7. 如請求項6所述之溼度偵測裝置，其中該恆溫控制電路包含有：一電壓電流轉換器，電連接該溫度減法器，以將該溫 度控制信號轉換為一電流信號；以及一溫度顯示器，電連接該恆溫控制電路的電壓電流轉換器，以根據該電流信號產生溫度數值。
8. 如請求項7所述之溼度偵測裝置，該參考溫度調整器包含有：一可變電阻器；以及一電阻電流轉換器，根據該可變電阻器的電阻值而產生該參考溫度信號。