摘 要：主要討論大樓或庫房內溫濕度自動測控系統的設計方法及其溫濕度傳感技術與信號轉換方面的有關技術問題。
關鍵詞：傳感器；測量；溫度；濕度
一、引言
隨著樓宇自動化水平的提高，不少大樓要求安裝濕度測控制系統，以控制這些大樓或某上房間內的溫濕度。在研制溫濕度自動測控制系統時，由于溫度、濕度均系非電量信號，因此必須先把這些非電量的信號變換成電信號，然后通過電子測量，再經儀表的信號轉換，由自動控制器件進行顯示和控制。為保證系統測量精度，在信號的采集、變換、放大和傳輸過程中，必須線性好，轉換可靠不失真，并有較強的抗干擾能力。
二、溫濕度自動測控
溫濕度自動測控系統借助于溫濕度傳感器，測量大樓內的溫濕度數據，并對大樓實行溫濕度控制。系統采用以可編程序控制器（PLC）為核心，配置以各類溫濕度傳感器、外圍接口電路，由PLC檢測各傳感器的信號，完成實時數據采集、開關量處理、超限報警信號檢測與輸出等，并根據采集的信號來控制前端設備的運轉。
可編程序控制器（PLC）是一種工業環境下應用的智能控制器件。可用于執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作等指令，并通過數字或模擬的輸入輸出方式控制各種類型的儀器設備。
PLC還具有通信、聯網等功能，它的應用范圍大致介于繼電器控制裝置與過程控制的計算機之間，它也可在一人大型的集散控制系統中，作為前端控制裝置，在上位機的統一調度下工作。

圖1 系統總體設計
系統總體設計如圖1所示。測量溫濕度時，溫濕度傳感器把溫濕度信號轉變為電量，為與可編程序控制器連接，測量的電信號應轉化為工業標準信號0~5V和4~20mA。當有多個傳感器時，傳感器信號之間最好不要共地，否則PLC的模擬量模塊可能會工作不正常。輸出信號通過中間繼電器控制強電信號，驅動空調和除濕器的運轉。系統自動根據測量的溫濕度值，確定是否開啟或關閉空調和除濕器，例如，當濕度值大于設定值60%時，開啟除濕器，直至濕度接近設定值45%時，切斷電源。
為保證系統具有良好的測量精度，并能準確地對空調及除濕器進行控制，必須在前端測量信號轉換時具有較好的線性。
三、溫濕度傳感器及變送系統
1、溫度傳感器
由于在不同溫度下，鉑絲的電阻隨之變化，溫度和電阻關系接近線性，且電氣性能穩定、靈敏、精確，因而常用其制成溫度傳感器，為保證溫度傳感器工作的可靠性與精確度，還可采用以下一些方法。
（1）可選用測溫電阻大于1KΩ或高達幾KΩ的鉑電阻，這樣不易受接線電阻的影響，測量點與變送單元之間的間距當拉長。
（2）消除傳感器的偏壓成分。 在標稱值為1KΩ的鉑測溫電阻中流過規定的電流為1mA。要流過1mA電流，在0℃時電壓降為1KΩ×1mA=1V,Eout被偏置，其特性并不理想，這是由于非線性誤差較大，運算放大器A3的作用就是減小非線性誤差，測溫電路見圖2。

圖2 溫度傳感器放大電路
圖中利用向輸入端的電壓E2扣除這個偏置電壓，使得在0℃時輸出為0，為了減去1V偏置而引進了E2，因此Eout為：

但這將導致溫度升高輸出電壓變小，因此要用下一級運算升放大器A2將負輸出電壓反轉為正輸出電壓，并給予放大。
（3）控制運算放大器的輸出電壓。要使運算放大器A2的輸出電壓達到達10MV/℃的靈敏度，在0~50℃范圍具有3.879mV/℃的溫度靈敏度，A2的增益必須為10/3.879=2.58倍。
（4）校正恒流工作的非線性誤差。按溫度計算，測溫電阻在50℃范圍內有0.4%左右的非線性誤差，為保證一定精度，必須對非線性誤差進行校正。鉑測溫電阻的線性校正電路不象熱電偶那么麻煩。一般只要使用正反饋型線性校正電阻。
線性校正的正反饋由運算放大器A3將極性反轉，把傳感器的輸出電壓Eout返回到輸入端。于是在50℃附近提高了飽和輸出值，而且在整個范圍內也都有所提高，在0點附近則沒有，因而實現了非常好的線性校正。被校正的輸出可表示為：

經過修正后，0.4%的非線性誤差可達到0.1%以上下。
2、濕度傳感器
感濕元件為MSR-20新型高分子薄膜，電容式濕敏元件，其測量范圍寬、響應快、互換性好、性能穩定。濕度傳感器變送器的工作原理如圖3所示。

圖3 濕度傳感器變送器的原理圖
利用晶振產生的定時脈沖的前沿，觸發二個單穩多諧振蕩器。將濕敏電容CH以及“零濕度”的相應電容C0分別做兩個單穩多諧振蕩器的時基電容。濕敏電容CH的改變引起輸出波形的頻寬產生相應的變化。若以零濕度時的時基電容C0的恒定輸出波形進行邏輯補償，再經“低通濾波器”處理后送“電壓-電流變換器”，輸出相應的模擬電流或電壓，可與測控系統的PLC模擬輸入模塊直接連接。
四、應用實例
在某大樓的一庫房內要求安裝一套溫濕度自動測控系統，系統要求每天每隔一定的時間間隔自動記錄溫濕度數據，并可根據設置的溫濕度上下限值對空調和除濕器進行自動控制，例如，溫度控制在18~24℃之間，濕度控制在45%~60%之間，每隔1h系統自動測量記錄一批溫濕度數據，并對空調和除濕器進行實時控制。系統選用KOYO-SZ-3系列可編程序控制器為主控制器件，共選用一塊24V開關量輸入模塊，一塊24V繼電器輸出模塊，一塊0~5模擬量輸入模塊。連線時，將動力部分、控制部分的電線分開布線，信號線最好使用屏蔽線。為減小測量誤差，主要是保證非電量到電量的轉換時的線性關系，PLC的模擬量輸入模塊的轉換精度極高，通過多次實時測量求平均的方法，可忽略該部分的轉換誤差，因此測量誤差主要在前端轉換電路中。本系統實際測控結果表明大樓庫房內測試點溫度誤差小于0.5℃，濕度誤差為3%，其誤差小于測控要求。上述誤差值遠小于庫內不同測試點溫濕度值的不均勻差異，通過加強庫房內空氣流通，完全能滿足系統的測控要求。
五、結論
按照上述方案研制的溫濕度測控系統投入運行后，運行穩定可靠，實時性強，數據精度高，抗干擾性能好，使用方便靈活，對類似的測控系統具有一定的參考價值。