温湿度自动测控系统及其传感技术研究

摘 要：主要讨论大楼或库房内温湿度自动测控系统的设计方法及其温湿度传感技术与信号转换方面的有关技术问题。
关键词：传感器；测量；温度；湿度
一、引言
随着楼宇自动化水平的提高，不少大楼要求安装湿度测控制系统，以控制这些大楼或某上房间内的温湿度。在研制温湿度自动测控制系统时，由于温度、湿度均系非电量信号，因此必须先把这些非电量的信号变换成电信号，然后通过电子测量，再经仪表的信号转换，由自动控制器件进行显示和控制。为保证系统测量精度，在信号的采集、变换、放大和传输过程中，必须线性好，转换可靠不失真，并有较强的抗干扰能力。
二、温湿度自动测控
温湿度自动测控系统借助于温湿度传感器，测量大楼内的温湿度数据，并对大楼实行温湿度控制。系统采用以可编程序控制器（PLC）为核心，配置以各类温湿度传感器、外围接口电路，由PLC检测各传感器的信号，完成实时数据采集、开关量处理、超限报警信号检测与输出等，并根据采集的信号来控制前端设备的运转。
可编程序控制器（PLC）是一种工业环境下应用的智能控制器件。可用于执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等指令，并通过数字或模拟的输入输出方式控制各种类型的仪器设备。
PLC还具有通信、联网等功能，它的应用范围大致介于继电器控制装置与过程控制的计算机之间，它也可在一人大型的集散控制系统中，作为前端控制装置，在上位机的统一调度下工作。

图1 系统总体设计
系统总体设计如图1所示。测量温湿度时，温湿度传感器把温湿度信号转变为电量，为与可编程序控制器连接，测量的电信号应转化为工业标准信号0~5V和4~20mA。当有多个传感器时，传感器信号之间最好不要共地，否则PLC的模拟量模块可能会工作不正常。输出信号通过中间继电器控制强电信号，驱动空调和除湿器的运转。系统自动根据测量的温湿度值，确定是否开启或关闭空调和除湿器，例如，当湿度值大于设定值60%时，开启除湿器，直至湿度接近设定值45%时，切断电源。
为保证系统具有良好的测量精度，并能准确地对空调及除湿器进行控制，必须在前端测量信号转换时具有较好的线性。
三、温湿度传感器及变送系统
1、温度传感器
由于在不同温度下，铂丝的电阻随之变化，温度和电阻关系接近线性，且电气性能稳定、灵敏、精确，因而常用其制成温度传感器，为保证温度传感器工作的可靠性与精确度，还可采用以下一些方法。
（1）可选用测温电阻大于1KΩ或高达几KΩ的铂电阻，这样不易受接线电阻的影响，测量点与变送单元之间的间距当拉长。
（2）消除传感器的偏压成分。 在标称值为1KΩ的铂测温电阻中流过规定的电流为1mA。要流过1mA电流，在0℃时电压降为1KΩ×1mA=1V,Eout被偏置，其特性并不理想，这是由于非线性误差较大，运算放大器A3的作用就是减小非线性误差，测温电路见图2。

图2 温度传感器放大电路
图中利用向输入端的电压E2扣除这个偏置电压，使得在0℃时输出为0，为了减去1V偏置而引进了E2，因此Eout为：

但这将导致温度升高输出电压变小，因此要用下一级运算升放大器A2将负输出电压反转为正输出电压，并给予放大。
（3）控制运算放大器的输出电压。要使运算放大器A2的输出电压达到达10MV/℃的灵敏度，在0~50℃范围具有3.879mV/℃的温度灵敏度，A2的增益必须为10/3.879=2.58倍。
（4）校正恒流工作的非线性误差。按温度计算，测温电阻在50℃范围内有0.4%左右的非线性误差，为保证一定精度，必须对非线性误差进行校正。铂测温电阻的线性校正电路不象热电偶那么麻烦。一般只要使用正反馈型线性校正电阻。
线性校正的正反馈由运算放大器A3将极性反转，把传感器的输出电压Eout返回到输入端。于是在50℃附近提高了饱和输出值，而且在整个范围内也都有所提高，在0点附近则没有，因而实现了非常好的线性校正。被校正的输出可表示为：

经过修正后，0.4%的非线性误差可达到0.1%以上下。
2、湿度传感器
感湿元件为MSR-20新型高分子薄膜，电容式湿敏元件，其测量范围宽、响应快、互换性好、性能稳定。湿度传感器变送器的工作原理如图3所示。

图3 湿度传感器变送器的原理图
利用晶振产生的定时脉冲的前沿，触发二个单稳多谐振荡器。将湿敏电容CH以及“零湿度”的相应电容C0分别做两个单稳多谐振荡器的时基电容。湿敏电容CH的改变引起输出波形的频宽产生相应的变化。若以零湿度时的时基电容C0的恒定输出波形进行逻辑补偿，再经“低通滤波器”处理后送“电压-电流变换器”，输出相应的模拟电流或电压，可与测控系统的PLC模拟输入模块直接连接。
四、应用实例
在某大楼的一库房内要求安装一套温湿度自动测控系统，系统要求每天每隔一定的时间间隔自动记录温湿度数据，并可根据设置的温湿度上下限值对空调和除湿器进行自动控制，例如，温度控制在18~24℃之间，湿度控制在45%~60%之间，每隔1h系统自动测量记录一批温湿度数据，并对空调和除湿器进行实时控制。系统选用KOYO-SZ-3系列可编程序控制器为主控制器件，共选用一块24V开关量输入模块，一块24V继电器输出模块，一块0~5模拟量输入模块。连线时，将动力部分、控制部分的电线分开布线，信号线最好使用屏蔽线。为减小测量误差，主要是保证非电量到电量的转换时的线性关系，PLC的模拟量输入模块的转换精度极高，通过多次实时测量求平均的方法，可忽略该部分的转换误差，因此测量误差主要在前端转换电路中。本系统实际测控结果表明大楼库房内测试点温度误差小于0.5℃，湿度误差为3%，其误差小于测控要求。上述误差值远小于库内不同测试点温湿度值的不均匀差异，通过加强库房内空气流通，完全能满足系统的测控要求。
五、结论
按照上述方案研制的温湿度测控系统投入运行后，运行稳定可靠，实时性强，数据精度高，抗干扰性能好，使用方便灵活，对类似的测控系统具有一定的参考价值。