暖通空調中的傳感器應用

暖通空調的概念包括采暖（Heating）、通風（Ventilation）、空調（Air Condition），因此與中央空調相比具有更廣義的概念。從圖1可以看出，暖通空調是人與環(huán)境這對矛盾對立統(tǒng)一關系歷經(jīng)漫長歲月發(fā)展所凝聚而成的一種重要的環(huán)境與保障技術。經(jīng)過多年的發(fā)展，暖通空調的應用已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個部門，對促進經(jīng)濟發(fā)展、提高人民生活水平起到重要的保證作用，有時甚至是關鍵性的保證作用。

供暖系統(tǒng)組成包括熱源、散熱設備、輸熱管道、調控構件等，它的技術職能是輸入熱能至空間，補償其熱損失，到達室內溫度要求。而通風系統(tǒng)組成則由通風機、進排或送回口、凈化裝置、風道與調控構件等組成，其技術職能是通風換氣、防暑降溫、改善室內環(huán)境、防止內外環(huán)境污染。至于空氣調節(jié)系統(tǒng)組成是由冷熱源、空氣出來設備與末端裝置、風機、水泵、管道、風口、調控構件等組成，依靠經(jīng)過全面處理并且適宜參數(shù)與良好品質的空調介質與受控環(huán)境空間進行能量、質量的傳遞與交換，實現(xiàn)對室內空氣溫度、濕度、潔凈度和其它參數(shù)的按需調控。

在暖通空調中，越來越多的新興傳感器得到了開發(fā)與應用，本文將主要介紹濕度傳感器及CO2傳感器在暖通空調中的應用。

濕度傳感器的應用方興未艾

濕度測量從原理上劃分有20-30種之多，但濕度測量始終是世界計量領域中的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復雜的物理-化學理論分析和計算，初涉者可能會忽略濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。

常見的濕度測量方法有：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和電子式傳感器法。但是對于在暖通空調控制中需要精確感應、實時控制的要求來說，電子式濕度傳感器法是一種發(fā)展趨勢。電子式濕度傳感器產品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè), 近年來，國內外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。

第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標準局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時結構簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關。單個元件的有效感濕范圍一般在20％RH 以內。例如0.05％的濃度對應的感濕范圍約為（80～100）％RH ，0.2％的濃度對應范圍是（60～80）％RH 等。

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

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

圖1、暖通空調的定義

CO2傳感器在暖通控制中越來越重要

二氧化碳（CO2）在空氣中的含量越高，對人體的影響就越大，當二氧化碳含量高出0.7％時，人體就會感到不舒服，當超過10％時，人體就會出現(xiàn)昏迷和死亡。達到20％，人就會在幾秒內死亡。因此在人群比較密集的地方，二氧化碳含量是一個非常重要的參數(shù)，直接關系到人體舒適度和安全。而對于控制二氧化碳，必不可少的是進行檢測和計算的二氧化碳傳感器。

對于一座大樓的暖通空調系統(tǒng)來說，使用二氧化碳傳感器所能體現(xiàn)出的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下三點：

● 改善居住環(huán)境，使人感到更為舒適。

● 降低能源消耗。像通過在每個點上控制濕度，實際需求的來照明一樣，通過二氧化碳含量來控制新風的換送，使環(huán)境保持最佳舒適度時，而運行費用被減到最小。

● 更低的維修費用。在暖通空調的管理中，通過監(jiān)控整個系統(tǒng)組件，大樓管理者可以更有效地設計并且執(zhí)行維修。這里TGS4160型CO2傳感器是一種電化學型氣體的敏感元件，當該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時，就會產生電化學反應。

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，其范圍應在5.0±0.2 VDC之內。為了保證CO2的準確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值ΔＥＭＦ，而不是絕對電勢值ＥＭＦ，因為ΔＥＭＦ與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關系。雖然ＥＭＦ絕對值隨環(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，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、預熱時間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為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，因此在實際測量應用電路中，要根據(jù)傳感器的特點要求，除使用高輸入阻抗（≥100ＧΩ）、低偏置電流（≤1 pA）的運算放大器外，還要對測得的信號進行處理。處理該信號通常選用單片機并通過自己編程進行信號處理。(