暖通空調(diào)中的傳感器應(yīng)用

暖通空調(diào)的概念包括采暖（Heating）、通風(fēng)（Ventilation）、空調(diào)（Air Condition），因此與中央空調(diào)相比具有更廣義的概念。從圖1可以看出，暖通空調(diào)是人與環(huán)境這對(duì)矛盾對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系歷經(jīng)漫長(zhǎng)歲月發(fā)展所凝聚而成的一種重要的環(huán)境與保障技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，暖通空調(diào)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高人民生活水平起到重要的保證作用，有時(shí)甚至是關(guān)鍵性的保證作用。

供暖系統(tǒng)組成包括熱源、散熱設(shè)備、輸熱管道、調(diào)控構(gòu)件等，它的技術(shù)職能是輸入熱能至空間，補(bǔ)償其熱損失，到達(dá)室內(nèi)溫度要求。而通風(fēng)系統(tǒng)組成則由通風(fēng)機(jī)、進(jìn)排或送回口、凈化裝置、風(fēng)道與調(diào)控構(gòu)件等組成，其技術(shù)職能是通風(fēng)換氣、防暑降溫、改善室內(nèi)環(huán)境、防止內(nèi)外環(huán)境污染。至于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成是由冷熱源、空氣出來(lái)設(shè)備與末端裝置、風(fēng)機(jī)、水泵、管道、風(fēng)口、調(diào)控構(gòu)件等組成，依靠經(jīng)過(guò)全面處理并且適宜參數(shù)與良好品質(zhì)的空調(diào)介質(zhì)與受控環(huán)境空間進(jìn)行能量、質(zhì)量的傳遞與交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣溫度、濕度、潔凈度和其它參數(shù)的按需調(diào)控。

在暖通空調(diào)中，越來(lái)越多的新興傳感器得到了開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，本文將主要介紹濕度傳感器及CO2傳感器在暖通空調(diào)中的應(yīng)用。

濕度傳感器的應(yīng)用方興未艾

濕度測(cè)量從原理上劃分有20-30種之多，但濕度測(cè)量始終是世界計(jì)量領(lǐng)域中的難題之一。一個(gè)看似簡(jiǎn)單的量值，深究起來(lái)，涉及相當(dāng)復(fù)雜的物理-化學(xué)理論分析和計(jì)算，初涉者可能會(huì)忽略濕度測(cè)量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。

常見(jiàn)的濕度測(cè)量方法有：動(dòng)態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點(diǎn)法，干濕球法和電子式傳感器法。但是對(duì)于在暖通空調(diào)控制中需要精確感應(yīng)、實(shí)時(shí)控制的要求來(lái)說(shuō)，電子式濕度傳感器法是一種發(fā)展趨勢(shì)。電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量屬于90年代興起的行業(yè), 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開(kāi)發(fā)新一代濕度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。

第一個(gè)基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的F.W.Dunmore研制出來(lái)的。這種元件具有較高的精度，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，適用于常溫常濕的測(cè)控等一系列優(yōu)點(diǎn)。氯化鋰元件的測(cè)量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個(gè)元件的有效感濕范圍一般在20％RH 以內(nèi)。例如0.05％的濃度對(duì)應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）％RH ，0.2％的濃度對(duì)應(yīng)范圍是（60～80）％RH 等。

由此可見(jiàn)，要測(cè)量較寬的濕度范圍時(shí)，必須把不同濃度的元件組合在一起使用。可用于全量程測(cè)量的濕度計(jì)組合的元件數(shù)一般為5個(gè)，采用元件組合法的氯化鋰濕度計(jì)可測(cè)范圍通常為（15～100）％RH，國(guó)外有些產(chǎn)品聲稱其測(cè)量范圍可達(dá)（2 ～100）%RH 。

HS1101濕度傳感器采用專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)時(shí)間快、高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性。HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個(gè)電容器Cx，其電容隨所測(cè)空氣的濕度增大而增大，在相對(duì)濕度為0%-100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應(yīng)時(shí)間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃。

圖1、暖通空調(diào)的定義

CO2傳感器在暖通控制中越來(lái)越重要

二氧化碳（CO2）在空氣中的含量越高，對(duì)人體的影響就越大，當(dāng)二氧化碳含量高出0.7％時(shí)，人體就會(huì)感到不舒服，當(dāng)超過(guò)10％時(shí)，人體就會(huì)出現(xiàn)昏迷和死亡。達(dá)到20％，人就會(huì)在幾秒內(nèi)死亡。因此在人群比較密集的地方，二氧化碳含量是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接關(guān)系到人體舒適度和安全。而對(duì)于控制二氧化碳，必不可少的是進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算的二氧化碳傳感器。

對(duì)于一座大樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用二氧化碳傳感器所能體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

● 改善居住環(huán)境，使人感到更為舒適。

● 降低能源消耗。像通過(guò)在每個(gè)點(diǎn)上控制濕度，實(shí)際需求的來(lái)照明一樣，通過(guò)二氧化碳含量來(lái)控制新風(fēng)的換送，使環(huán)境保持最佳舒適度時(shí)，而運(yùn)行費(fèi)用被減到最小。

● 更低的維修費(fèi)用。在暖通空調(diào)的管理中，通過(guò)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)組件，大樓管理者可以更有效地設(shè)計(jì)并且執(zhí)行維修。這里TGS4160型CO2傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。

為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在5.0±0.2 VDC之內(nèi)。為了保證CO2的準(zhǔn)確測(cè)量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測(cè)量?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值ΔＥＭＦ，而不是絕對(duì)電勢(shì)值ＥＭＦ，因?yàn)棣ぃ牛停婆cCO2濃度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然ＥＭＦ絕對(duì)值隨環(huán)境溫度的上升而上升，ΔＥＭＦ卻保持常量，而且它在-10℃～+50℃溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。

ΔＥＭＦ值可由下式求得：

ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ2

其中，ＥＭＦ１為350 ppm的CO2中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ2為所測(cè)量的CO2的ＥＭＦ值。

在溫度為20℃±2℃、濕度為65±5％ＲＨ、加熱電壓為5.0±0.05 VDC、預(yù)熱時(shí)間為7天或大于7天的條件下，測(cè)得傳感器在濃度為350 ppm中的ＥＭＦ值是220～490 mV，而ΔＥＭＦ在350～3500 ppm的CO2濃度中的值是44～72 mV，因此在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（≥100ＧΩ）、低偏置電流（≤1 pA）的運(yùn)算放大器外，還要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理。處理該信號(hào)通常選用單片機(jī)并通過(guò)自己編程進(jìn)行信號(hào)處理。(