HVAC行业湿度传感器的应用心得

1、湿度的定义及单位

　　自古至今，湿度的测量是环境测量的重要参数之一。古代所谓“础润张伞，未雨绸缪”的成语，主要讲是通过观测石柱底部的干湿来预测天气是否下雨，从而进行指导生活的写照。今天，我们所提到的湿度，从科学上的定义来讲，是指空气中水分子的含量的多少，有绝对湿度和相对湿度之分。表述的单位有许多，例如含水量g/m³，相对湿度 %RH，露点温度，饱和水蒸汽压，混合比等等，在HVAC工程中用得最多的单位，是相对湿度与露点，两者之间是可以通过公式进行换算，工程界在大部门情况下，在相对湿度20%以下，用露点表示居多，尤其在干燥气体的测量中，而通常情况下，主要以相对湿度%RH来表述，主要指在每一温度T下，洁净空气中水蒸汽H2O的气体分压P与此时的饱和水蒸汽压P0之比，形象地说，就是此时空气的含水量与此温度下空气中最大含水量之比，显然含水量与温度有莫大关系，此温度（及固定大气压）下，饱和水蒸汽含量是一定的，此时的湿度值是一个参比值，所以叫相对湿度，明白这点对湿度传感器的选择至关重要。

　　2、湿度测量方式

　　湿度测量方式主要原理有机械形变原理，热力学（干湿球法，光电式），电子式，光电式。

　　机械形变原理代表部件为毛发湿度计，其他方式基本上类似，即通过水分子的多少影响机械形变的多少（应力或长度量）进行湿度测量，基本上为物理性能的变化。此种湿度传感器反应速度慢，精度差，反应的基本上是1-2小时下平均的湿度值，而且误差较大（约20%RH左右），大部分用于的湿度记录仪等场所。

　　热力学方法的代表部件为干湿球湿度计，即在一定环境下，通过水分子与环境达到平衡后，对比挥发时产生温度的差异进行换算，得出环境水分子的多少，进行湿度测量，干湿球湿度计的精度与几个参数非常相关，如果不能满足，精度偏差会非常大，第一，风速，不低于2米/秒，第二，湿球上纱布的吸水能力，第三，温度测量精度，第四，读表精度。市售大部门廉价（<90元/只）的干湿球的湿度仪表测量精度很难满足以上要求。高级的干湿球法测量湿度装置，一般采用匹配的铂电阻（误差在0．1℃）作为干湿球温度测量部件，专用纱布，一定风速，配合良好的软件读取高精度的数据表才可以测量准确，稳定性经过校准后可以作为二级标准使用。

　　光电式露点仪也是通过半导体冷却技术与光学技术结合，通过在镜面上将测量空气直接冷却，测量光的变化，当光反射发生变化后，判断是否结露，结露时的温度就是露点，通过换算可以知道相对湿度的多少，此类仪器是直接通过物理学原理进行测量，稳定度好，为国际上通行的标准，目前此类仪器可作为计量标准使用，大部分计量单位均使用露点仪作为计测标准，代表性的型号为GE M4，M5等等，但售价昂贵，约1万美金左右，HVAC行业比较少直接使用来进行湿度测量。

　　电子式湿度测量方法，主要是通过水分子渗入某些导电物体的内部，可以改变其电性能。因此通过测量电性能的变化，可以了解湿度的变化。目前，电子式湿度传感器与当代微电子信息技术结合，进行数据处理，显示，控制，已经成为湿度测量的主流。

　　主要的电子式湿度传感器分为电阻式和电容式，电阻式顾名思义是湿度影响元件的阻值，通过阻值与湿度的相关进行测量。电容式是测量电容的变化与湿度的对应关系。两者根本性质相同，电学参数不同而已。此类传感器反应速度快，价格适中，信号接口均按标准信号调理后，可直接接入DDC或数据采集设备中，HVAC行业使用的相对湿度传感器大部分也都是电子式湿度传感器，或叫变送器，其中许多是温湿度一体化的变送器。

　　3、HVAC行业使用选择电子式湿度传感器的注意事项

　　第一、传感器元件的类型

　　很多人在传统的认识中认为电容性比电阻型好，实际上存在一种误解，电容型湿度元件由于采用薄膜工艺，而电阻型一般采用厚膜工艺，确实在水分达到均衡的时间上，薄膜型要占有一定优势（从30%RH

　　96．7%RH，电容性元件反应时间约8S，电阻型约12S），但在实际使用中，湿度的变化速度远远低于两者反应速度，实际两者上都是足够快的，不存在测试速度的问题。而且在实际的使用环境中，电容性元件必须加过滤网予以保护，因为电容元件的测量单位以pF为单位，一点点灰尘的影响就可能到1-10pF，而电阻性元件变化范围以K?来计，灰尘的影响较小，所以在可靠性方面，电阻性元件要胜出一筹。而其他方面，两者来比无任何不同之处。

　　第二、信号电路选择

　　在HVAC领域，许多公司（SIMENS等）考虑成本及方便性的要求，均选择24VAC供电，0-10VDC输出，以配合DDC系统，实际上在很多电磁干扰的环境下，电压输出在信号传输过程中会受到明显的干扰，如不在DDC端做信号处理，就会有噪声及误差，加上国内电力电源的不稳定，会导致传感器负荷比较重，很多时候造成失效，而现在由于开关电源的降价，实际上采用24VDC供电，4-20mA输出成本上并不会带来多大的提升，但抗干扰性会大大提高，当然DDC端必须能够接收电流信号才行，大部分DDC均可以接收标准的4-20mA信号。

　　第三、湿度传感器的精度问题

　　显然，湿度传感器精度越高越好，市售的品牌传感器精度据说可以达到1-2%RH，此类参数在实际上是不可信的，第一，能够达到此精度的范围有限，例如温度在某一温度点，湿度在某一区域范围内，肯定有条件的，第二，如果能够达到此精度，可以列入一级或二级标准，相信稍为对计量等级有了解的人应该知道，要标定此精度必须有更高等级的仪表才可以进行计量，显然就算是标价1万美金的露点仪加上2-5万美金的湿度发生器才可以达到1-2%RH的精度，此类精度肯定是吹牛。常规来说能够达到在全量程（30%-95%RH）范围内能够达到±3%RH的传感器就相当不错了。

　　第四、传感器稳定性的问题

　　传感器的稳定性处决于元件的选择，电路的处理，结构设计，环境特点，以上所有因素均可能影响传感器的稳定性及使用寿命，显然元件的选择及结构防护非常重要，在湿度传感器的使用过程中，由于湿度过高，产生结露现象经常发生，许多传感器例如HS1101湿敏电容或其他类似的电容性元件，在结露状态下会发生击穿现象，所以对结露的防护尤其重要，同时灰尘也会对电容性元件参数产生影响，电阻型元件也需要加一定防护，并且元件必须耐结露，电路处理的好坏对传感器的寿命及信号的稳定性有非常重要的影响，在温度补偿，工艺可靠性等方面均需要进行考虑。