电动干湿球湿度计的设计

摘  要： 针对Pt电阻电子干湿球法测湿技术体积大及一般电子湿度测试的稳定性差的情况，比较和分析了机械通风和Pt电阻通风测湿仪的结构，结合标准要求，设计了一种基于实验室或鉴定使用的干湿球湿度计的结构。采用AD590K进行温度的测量，采用有较高性价比、新型ARM模拟微处理器的ADUC7060进行数据采集和处理。最后讨论了应用经典公式进行湿度计算的算法，给出了采用线形拟合和近似公式的湿度近似处理方法。
关键词： 干湿球湿度计；通风；近似方法；经典公式

    目前，电子湿度传感器在测量范围和长期可靠性方面还不完善，对于气象和工业应用的湿度测量，干湿球测湿的方法仍然是应用的主流技术。
    干湿球测湿原理是:用一只温度传感器检测空气温度(干球温度),用另一只相同的传感器检测被蒸馏水浸湿的面纱套内的温度(湿球温度)，通过计算或查表计算出相对湿度。
    对于常规应用的湿度测量或计量来说，其性能指标为测量范围:10%RH～100%RH；最 大 允 许 误 差：±3%RH。所需对应的温度测量指标：(1)测量范围:-50 ℃～+50 ℃，最 大 允 许 误 差：±0.50 ℃；(2)时间常数：10 s；(3)通风速度：3 m/s～5 m/s[1]。
    根据这个指标和相关的标准，设计了一个电动式干湿球湿度计。
1 系统结构设计
    电动式干湿球温度计一般须配置[2]：温度传感器两只（采用AD590）、通风装置、上水装置。
    为使系统达到设计要求，需尽量保证干湿球测湿时，湿度的数值尽量只与干湿球温度有关（或加测试补偿）；而且，需使系统具有一定的实用性（常规实验室、测试间测量或计量使用）。本文参照QX/T25-2004，并对比了几种实物进行了结构的设计。
    （1）机械通风式湿度测量仪由核心控制、电源、温度传感器、大气压传感器、水盒、风扇和由机箱构成的通风道几部分构成[3]。
    （2）Pt电阻电动通风式。
    （3）由于AD590K体积较小，便于实现小型化，因此采用AD590K。本文借鉴了前两个实物，设计了如图1所示的结构。其特点是可拆卸、易安装，并可保存数据和发送数据。

2 电路系统设计
2.1 传感器的选择
    目前气象和专业测湿应用，建议采用Pt100或Pt1000电阻。如前所述，AD590可以把体积做小，便于改进结构及工业应用推广，因此本文采用了AD590。但标准建议，干球和湿球温度传感器在同一台干湿表传感器中，在5 ℃～50 ℃范围内配对偏差不大于0.05 ℃[2]，所以采用AD590，需要性能好的如AD590K、AD590L或AD590M，并做比较测试，也可通过软件补偿来实现产品的完善。本系统采用了AD590K。
2.2 测湿前端电路设计
    采用差动测温度差并考虑校正电路（25 ℃传感器校正、放大增益、零点校正、干球和湿球温度传感器对比修正），进行测湿系统设计。
    系统框图如图2所示。其中前端放大采用了AD623差动放大器，其电路原理图如图3所示。其中一路测量干湿球的温度差（由于采用差动，其动态范围加大），另外通过软件选择单路测量又可独立测量干球温度（或湿球温度）。这样不但提供了精度相对较高的干湿球温度差和单独的干湿球温度，还便于软件校正、滤波等。

2.3 处理器选择及供电电路设计
    系统采用AD公司的2008新产品基于ARM的模拟控制芯片ADUC7060为处理器。其速度快、采样精度高、使用温度范围宽、价格便宜，是一个性价比较高的数据采集控制芯片。
    其特点是CPU内核采用“ARM7TDMI”，工作频率最大为10.24 MHz，内置32 KB的闪存及4 KB的SRAM，A/D转换器的采样速度为8 k样本/s，电源电压为＋2.5 V。在CPU内核工作频率为10.24 MHz，利用两个A/D转换器时，功耗为25 mW。
    由于其系统电压为2.5 V，而串口MAX3232等外设的电压为3.3 V，AD590等的工作电压为5 V，因此系统采用了如图4所示的供电电路。

    其中2.5 V分模拟和数字两路供电，这是模拟控制器常见的保证精度和抗干扰的一种重要手段。处理器的最小系统如图5所示。

2.4 其他电路设计
    本文还采用串口接口电路、LED显示电路（以及可选的气压测试电路、电机速度测量和控制电路）来提高系统的性能。图6所示为串口电路。

3 湿度的计算
3.1 利用公式进行湿度计算
    这种方法适用于精度较高的场合。在湿度测量中，采用以下方法进行计算[4]。
    相对湿度：
    
    e′w 是在气压为p、湿球温度为tw时相对于水面的饱和水汽压，e′i 是在气压为p、湿球温度为ti时相对于冰面的饱和水汽压，
    参照的阿斯曼干湿表的计算式可表示为：
    水：
    
3.2 利用拟合和近似方法进行计算
    这种方法适用于精度要求一般的场合。
    可以上节的公式分析，实际上，湿度的大小主要由干球温度、干湿球温度之差（或湿球温度）来确定。如最简单的查表法，就是最常见的经典方法。
    (1)可以采用多元线形拟合的方法来实现。如先考虑标准大气压，就只需把上面的公式的指数用级数展开，依次代入略去高次项就可。对于一般的大气压，把大气压表示为标准大气压与偏差之差，再展开就可得到。
    (2)采用通过对湿度、干球温度、干湿球温差三者关系的分析，将曲面问题转化成曲线问题的计算方法来计算[5]。
  
    如需提高精度，可以根据温度T分段处理来实现。
    由于AD590具有可以测量点温、不受测量线长度的影响、稳定性较好、产品防护等级高等优点，因此采用它做为电动式干湿球湿度计的温度传感器；另外本文采用了ADUC7060微处理器，依据它设计了测量电路和结构设计，并经验证。
    实验证明，本文的设计方法具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 国家气象局气候监测应用管理司.气象仪器和观测方法指南（第6版）[M].北京：气象出版社，1996.
[2] 中华人民共和国气象行业标准.QX-T 25-2004铂电阻电动通风干湿表传感器[S].中国，2004.
[3] 王成，乔晓军，张云鹤，等.机械通风式干湿球湿度传感器测量误差分析[J].现代科学仪器，2008，18(1)：79-81.
[4] 黄晓因，张连根.干湿球法测量相对湿度算法研究及单片机实现[J].云南民族大学学报(自然科学版)，2003，12(3)：155-157.
[5] 杨泽林，李相白，李建春，等.智能干湿球相对湿度传感器的设计[J].自动化仪表，2010，31（2）:17-20.