湿度测量中传感器选用注意事项

2016-09-27 09:12:07来源: eefocus
  现代信息技术使传感器技术产生了革命性的变化。嵌入式技术的应用大大改进了信号的处理技术,提高了测试精度。总线技术有效地解决了多点数据采集、远距离通信等在模拟技术时期困扰人们的问题。网络化更为测控技术提供施展身手的广阔空间。

  湿度测量在十年前还是局限于气象,科研等少数领域里讨论的技术,现代电子技术同样使湿度传感器成为科技刊物上常见的术语。越来越多的专业人士关注并研制出各种新型湿度传感器。嵌入式技术、总线技术同样在湿度测量领域开出绚丽的花朵。本文仅从多年实践出发,讨论合理使用湿度传感器的若干问题。提请同行在研究和使用湿度传感器时注意,以免影响分析的正确性甚至得出不合理的结论。

  1、湿度测量方法的比较

  湿度测量技术来由已久。随着电子技术的发展,近代测量技术也有了飞速的发展。湿度测量从原理上划分二、三十种之多。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值,深究起来,涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算,初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素,因而影响传感器的合理使用。

  常见的湿度测量方法有:动态法(双压法、双温法、分流法),静态法(饱和盐法、硫酸法),露点法,干湿球法和形形色色的电子式传感器法。

  这里双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理,平衡时间较长,分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段,这些设备可以做得相当精密,却因设备复杂,昂贵,运作费时费工,主要作为标准计量之用,其测量精度可达±2%RH -±1.5%RH。

  静态法中的饱和盐法,是湿度测量中最常见的方法,简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严,对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡,低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时,每次开启都需要平衡6~8小时。

  露点法是测量湿空气达到饱和时的温度,是热力学的直接结果,准确度高,测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵,常和标准湿度发生器配套使用。

  干湿球法,这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久,使用最普遍。干湿球法是一种间接方法,它用干湿球方程换算出湿度值,而此方程是有条件的:即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了,所以其准确度只有5~7%RH,明显低于电子湿度传感器。显然干湿球也不属于静态法,不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。

  本文想强调两点:第一,由于湿度是温度的函数,温度的变化决定性地影响着湿度的测量结果。无论那种方法,精确地测量和控制温度是第一位的。须知即使是一个隔热良好的恒温恒湿箱,其工作室内的温度也存在一定的梯度。所以此空间内的湿度也难以完全均匀一致。

  第二,由于原理和方法差异较大,各种测量方法之间难以直接校准和认定,大多只能用间接办法比对。所以在两种测湿方法之间相互校对全湿程(相对湿度0~100%RH)的测量结果,或者要在所有温度范围内校准各点的测量结果,是十分困难的事。例如通风干湿球湿度计要求有规定风速的流动空气,而饱和盐法则要求严格密封,两者无法比对。最好的办法还是按国家对湿度计量器具检定系统(标准)规定的传递方式和检定规程去逐级认定。

  2、湿度传感器测湿原理的差异

  湿度传感器可分为物性型和结构型。物性型湿度传感器又分为水分子亲和型和非亲和型两类。绝大多数实用的湿度传感器属于前者。水分子亲和型的感湿机理主要表现在感湿材料在吸湿后阻值和电容值发生规律性变化。具有此类物性的材料很多:有金属氧化物、高分子、电解质、碳—聚合物混合材料。而现有的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,所以感湿元件的物性存在分散性。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。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。到目前为止,还没有一种在测量范围、测试精度、响应时间、使用温度、稳定性各方面都尽善尽美的“全天候”湿度传感器。

  3、影响电子式湿度测量准确度的因素

  1)湿度传感器的误差

  * 敏感元件分散性造成:即元件阻值、容值对湿度响应的离散性;

  * 信号转换产生误差:即阻值、容值转换为电压、电流信号时产生;

  * 温漂、时漂造成:湿敏元件必需和被测气体直接接触,不能象其它电子器件那样完全密封。故容易被空气中的酸性、碱性成分及有机溶剂腐蚀、污染,所以湿敏元件难以做到长寿命,需要定期(例如一年)标定。寿命较长,稳定性好的传感器标定后可继续使用,达十年以上。

  2)二次仪表中,对信号的处理引入的误差

  * 对信号放大、补偿、修正后产生的失真;例如有的湿敏元件温度系数是个变量,常温下补偿后,高温时仍有误差。

  * 整机电路的零点漂移、温度漂移产生的误差。

  3)传感器、变送器在校准,标定时产生的误差

  * 标定设备的干燥系统、饱和系统不理想;或者双压法、双温法设备的压力、温度测量控制不准;在分流法设备中因质量流量计不准;在露点法中,因采样气时导管漏气或导管太长而影响温度都会产生较大的误差。

  * 平衡时间不够或难以达到平衡产生的误差。敏感元件周围有发热体(如功率较大的元器件)也会影响测量结果。

  * 传感器在工作室停留位置不同产生的误差。

  4、目前湿度传感器温度性能分析比较

  和多数传感器一样,湿度传感器在实用中必需解决温漂问题。因此对湿度传感器温度特性的研究是其实用化中的重要课题。众所周知,湿度测量始终是计量领域的一个难题,对湿度传感器温度特性的研究也十分困难。从各厂家湿度传感器的产品说明书中可以发现,国外产品多数给出了温度系数,国内产品则多数没有给出。实际上给出指标的不一定能准确反映其传感器的温度特性:没有给出指标的温度特性不见得不好,很可能是缺乏数据难以给出具体指标。本文重点讨论一下湿度传感器的温度特性,望引起对这一问题更深入的研究。

  通常用温度系数α或温度漂移系数作为描述传感器温度特性的参数。高分子湿度传感器的温度系数的指标大约在0.05一0.5%RH/℃。在宽温区使用时,这种幅度的温度漂移已相当可观了。例如气象探空仪对湿度传感器的工作温度范围要求为-50~+50℃,温区跨度达100℃。与常温基值相比,△T达几十度,再小的温度系数也难以忽略不计。下表列出了国内、外典型湿度传感器的温度特性。

  值得注意的是Vaisala公司湿敏电容元件的温度特性是按感湿范围和温区分别给出不同温度系数的。这里除感湿元件自身的温漂外,还应包括变换电路中其它元件的温漂,特别是对温度敏感的二、三级管和集成电路的温漂。因此多数探测器、变送器都采取了温度补偿措施以减少温漂,使传感器在实际使用中更精确可靠。

  JUCSAN九纯健公司湿敏元件为电阻式采用无机盐与有机物合成氯化锂膜感湿工艺制成,具有的最佳优点在于长期稳定性极强和使用寿命较长,并采用多片组合式生产工艺从而解决了单片湿敏元件在整个湿度范围内不线性的问题。其温度系数为0.3%RH/℃但其传感器采用自动温度补偿电路,传感器探头能在-40-120度环境下长时间正常测量湿度。经过重复试验其高温特性优于国外高分子电容传感器。尤其长时间高温环境下,其寿命要远远大于高分子电容式湿敏元件。


5、按“需要和可能”合理选择传感器

  湿度传感器品种繁多,各有优缺点。用户最好根据实际需要合理选择传感器,不要盲目追求 高指标。用现代电子技术提高一个传感器及其二次仪表的分辨率并不是很难的事情,但提高一台仪器仪表的准确度则不是轻而易举能办到的。对湿度传感器而言,提高一、两个百分点,实际上是提高一个等级,可能意味着成本和造价的大幅度提高甚至翻番。一般工控条件下使用湿度传感器,误差确定在±3%RH-5%RH以内就足够了。如果使用者对湿度测量的精度要求较特殊,比如精度高,使用温度变化较大,或者主要在低湿段或高湿段使用。最好找权威的计量部门用二级以上的标定设备予于检测。否则采用精度低的测试手段只能得出置信度很低的结论。经过测试,全面、准确地了解湿度传感器的技术性能是合理使用这种传感器的必要前提。

关键字:湿度测量  传感器  注意事项

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016092717448.html
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