1 應(yīng)用簡報

德州儀器 (TI) 的數(shù)字溫度和相對濕度傳感器可測量周圍環(huán)境，能夠用于簡單顯示，更重要的是，可輔助命令和控制環(huán)境系統(tǒng)。除了提供這些直接傳感器測量外，還可以根據(jù)這些傳感器輸出進(jìn)行多種計算（在系統(tǒng)控制器內(nèi)部），這些計算提供的關(guān)鍵結(jié)果可用于維護(hù)環(huán)境系統(tǒng)并為設(shè)備創(chuàng)造理想運(yùn)行和存儲條件。露點(diǎn)、絕對濕度、水的蒸汽飽和壓和焓可以僅根據(jù)環(huán)境溫度和相對濕度測量值進(jìn)行計算，因?yàn)楸疚臋n的目的是支持工業(yè)和其他相關(guān)應(yīng)用的濕度應(yīng)用。

蒸汽壓

需要了解兩種重要的蒸汽壓：水的蒸汽壓和飽和蒸汽壓。水的蒸汽壓是水蒸汽在空氣中的壓力，而飽和蒸汽壓是水處于熱力學(xué)平衡時的凝結(jié)狀態(tài)的壓力。了解這些值對于設(shè)計人員來說很重要，這樣才能衡量環(huán)境與凝結(jié)狀態(tài)的接近程度。該測量是計算露點(diǎn)的重要部分。當(dāng)蒸發(fā)速率等于凝結(jié)速率時，即可測出飽和蒸汽壓。由此可知，飽和蒸汽壓隨著溫度的升高而呈指數(shù)級上升。

方程式 1 展示了飽和蒸汽壓的計算方式。

方程式 1.

P_{W s} = 6.11 \times 10^{\frac{7.5 \times T}{237.7 + T}}

其中

T = 溫度，單位為攝氏度 (°C)

方程式 2 展示了蒸汽壓的計算方式。

方程式 2.

P_{W} = P_{W s} \times \frac{% R H}{100} (h P a)

這些值用于計算露點(diǎn)。

露點(diǎn)

露點(diǎn)是空氣冷卻到 %RH 為 100% 時的溫度。這意味著空氣中不能再容納更多的水，如果空氣進(jìn)一步冷卻，水蒸汽就會發(fā)生凝結(jié)。凝結(jié)對空腔濕度傳感器和傳感器所屬的系統(tǒng)均有害，因此記錄露點(diǎn)十分重要，從而使傳感器開口不受凝結(jié)或傳感器頂部積聚水的影響。如果傳感器受到阻擋，空氣無法到達(dá)傳感器，則可能會報告不準(zhǔn)確的結(jié)果，如果長時間暴露在相對濕度傳感器的工作范圍之外，可能會影響器件精度。如果系統(tǒng)將處于凝結(jié)環(huán)境中，則 HDC3022 是一個不錯的選擇，因?yàn)檫^濾器安裝在器件頂部，可防止任何凝結(jié)水積聚在腔體中。TI 的 HDC2x 和 HDC3x 器件包括一種警報功能，可中斷或喚醒 MCU，該 MCU 可通過編程在接近或通過凝結(jié)點(diǎn)時提醒用戶。這通過激活片上加熱器來消除凝結(jié)，將 %RH 降至零或接近零。但是，要將此警報設(shè)置為準(zhǔn)確的 %RH，必須計算露點(diǎn)。請參閱 TI 濕度傳感器如何使用片上加熱器消除器件凝結(jié)。

使用方程式 3 來計算露點(diǎn)。

方程式 3.

T_{d} = \frac{b \times (\ln ? (? \frac{R H}{100}) + \frac{a \times T}{b + T})}{a - (\ln ? (\frac{R H}{100}) + \frac{a \times T}{b + T})}

其中

a = 17.625
b = 243.04°C

在方程式 3 中，a 和 b 稱為 Magnus 系數(shù)。

方程式 4 是用露點(diǎn)求水的蒸汽壓的替代公式：

方程式 4.

P_{W} = 6.11 \times 10^{\frac{7.5 \times T_{d}}{237.7 + T_{d}}}

例如，在航空領(lǐng)域，露點(diǎn)可用于自動航站信息服務(wù) (ATIS)。ATIS 是一項(xiàng)自動化服務(wù)，可報告正在起飛和抵達(dá)飛機(jī)的當(dāng)前機(jī)場信息。飛行員使用這項(xiàng)服務(wù)了解當(dāng)前的飛行環(huán)境，露點(diǎn)是 ATIS 提供的量度之一。飛行員需要了解露點(diǎn)，因?yàn)闈穸葧绊懫淠芤姸?；接近室外溫度的露點(diǎn)意味著濕度高，有可能會產(chǎn)生霧氣。這可以當(dāng)作向飛行員發(fā)出的警報，讓他們可以做出相應(yīng)的準(zhǔn)備。結(jié)合壓力和溫度，露點(diǎn)還可用于確定密度高度。此量度反映飛機(jī)的性能。

一個重要的考慮因素是使用露點(diǎn)鏡時的露點(diǎn)不確定性和 %RH 測量不確定性。在露點(diǎn)使用常量值的情況下，可以在圖 1 中看到 %RH 不確定性水平的變化。在此特定示例中，露點(diǎn)鏡具有 ±0.1°C 的不確定性，這導(dǎo)致 %RH 水平較高時的 %RH 不確定性為 ±0.6°C，但 %RH 值較低時的不確定性較低。此外，該圖強(qiáng)調(diào)了兩個器件（待測器件和基準(zhǔn)器件）在測試期間保持相同溫度的必要性，否則在進(jìn)行的 %RH 測量中會出現(xiàn)錯誤。

假設(shè)露點(diǎn)鏡的不確定性為 ±0.1°C，此圖顯示 %RH 不確定性在較高值時增加。

圖 1 %RH 不確定性與 %RH 水平

絕對濕度

絕對濕度的計算比較簡單，它告訴用戶空氣中的含水量，與之相反，相對濕度是空氣可以容納的最大水分的百分比。根據(jù)系統(tǒng)的用例，了解絕對濕度有助于更高溫度下的可靠性測試。絕對濕度以克每立方米表示。

計算絕對濕度的公式為：

方程式 5.

A H = \frac{6.11 \times e^{\frac{17.67 \times T}{243.5 + T}} \times R H \times 2.1674}{273.15 + T} (\frac{g}{m^{3}})

例如，在 21°C 的環(huán)境溫度和 50% 的相對濕度下，計算得出的絕對濕度約為 9.155g/m3。

焓

對于濕度而言，空氣的焓包括干燥空氣的焓和空氣中蒸發(fā)的水的焓。應(yīng)在必須知道需要去除的熱量時計算焓，這是 HVAC 行業(yè)中常見的一種量度。干燥空氣的熱焓被稱為顯熱，蒸發(fā)的水的熱焓被稱為潛熱，兩者共同構(gòu)成總熱焓。要求得焓，必須先計算混合比?；旌媳仁撬羝馁|(zhì)量與干燥氣體的質(zhì)量之比。該比率計算如下：

方程式 6.

X = 621.97 \times \frac{P_{W}}{1013 - P_{W}} (\frac{g}{m^{3}})

計算混合比之后，可以使用方程式 7，根據(jù)混合比來計算焓：

方程式 7.

h = T \times (1.01 + . 00189 \times X) + 2.5 \times X (\frac{k J}{k g})

若要轉(zhuǎn)換為 $\frac{B t u}{l b}$ ，請執(zhí)行 $\frac{h}{2.324}$ 。

在 HVAC 應(yīng)用中可以看出計算焓的重要性?？照{(diào)吸收不需要的熱量并將熱量釋放到室外，可使建筑物內(nèi)部保持涼爽。冷卻以兩種方式之一完成：機(jī)械冷卻，使用電力將熱量從氣流傳遞到另一種介質(zhì)；或自然冷卻，通過外部條件使熱量散去。由于室外空氣是干燥空氣和水蒸汽的混合物，因此在決定使用哪種冷卻方式時，焓會發(fā)揮作用。這意味著前面描述的總焓用于冷卻過程的計算。

結(jié)論

TI 濕度傳感器提供相對濕度的準(zhǔn)確讀數(shù)，這非常有用，因?yàn)榭梢詮脑撝抵蝎@取更多信息。使用相對濕度，可以計算絕對濕度、露點(diǎn)、蒸汽壓和焓，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。TI 濕度傳感器還配備了業(yè)界超高精度的溫度傳感器，這不僅可以準(zhǔn)確地檢測相對濕度，而且還可以準(zhǔn)確地測量溫度，這對本應(yīng)用簡報中顯示的計算至關(guān)重要。

參考資料包括指向 HDC20XX 和 HDC30XX 器件用戶指南的鏈接以及指向 TI 濕度檢測產(chǎn)品組合的鏈接。研究這些濕度傳感器，確定適合您系統(tǒng)的器件。

參考文獻(xiàn)

德州儀器 (TI)，HDC20XX 器件 用戶指南
德州儀器 (TI)，HDC30XX 器件 用戶指南
德州儀器 (TI)，TI 的濕度檢測產(chǎn)品組合
德州儀器 (TI)，HDC302x 0.5%RH 數(shù)字相對濕度傳感器和 0.19%RH/年長期漂移、4s 響應(yīng)、低功耗、偏移誤差校正、0.1°C 溫度傳感器 數(shù)據(jù)表
德州儀器 (TI)，HDC3020EVM 工具頁
德州儀器 (TI)，TI 濕度傳感器如何使用片上加熱器消除器件凝結(jié) 應(yīng)用簡報