一種高溫濕度儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型的一種高溫濕度儀，包括有能夠測量環(huán)境濕度的傳感器，其中，傳感器為極限電流型氧化鋯氧傳感器，該極限電流型氧化鋯氧傳感器上連接有預(yù)加熱電路，極限電流型氧化鋯氧傳感器通過信號(hào)采集放大電路與作為主控制器的單片機(jī)信號(hào)連接，單片機(jī)上連接控制工作電壓通道選擇電路，該工作電壓通道選擇電路與氧化鋯氧傳感器相連接，所述的單片機(jī)上設(shè)置有控制鍵盤和顯示設(shè)備，該單片機(jī)上還設(shè)置有用于連接電腦的連接串口。本實(shí)用新型利用極限電流型氧化鋯氧傳感器可以應(yīng)用于高溫環(huán)境下測量工作的特性，以極限電流型氧化鋯氧傳感器為敏感部件，以單片機(jī)作為主控制器，完成高溫環(huán)境下的濕度測量，其結(jié)構(gòu)簡單，測量方便，測量準(zhǔn)確性高。
【專利說明】一種高溫濕度儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及濕度測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其指一種高溫濕度儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在很多行業(yè)中，環(huán)境的濕度對(duì)工作產(chǎn)生有很大的影響，因此環(huán)境濕度參數(shù)的測量 已經(jīng)成為極其重要的工作內(nèi)容。目前，在低溫環(huán)境下(溫度低于100°c)，普通的濕度傳感器 性能穩(wěn)定，配裝有這些濕度傳感器的濕度測量儀便能很好地完成濕度測量工作；然而在紡 織、造紙、食品、鍋爐、木材干燥等行業(yè)的高溫環(huán)境下(溫度高于100°c)，上述濕度傳感器及 對(duì)應(yīng)的測量儀表則無法正常工作，因此，急需開發(fā)能在高溫環(huán)境進(jìn)行濕度測量的測量儀表。
[0003]由于基于高溫固態(tài)電解質(zhì)氧化鋯基礎(chǔ)上的極限電流型氧傳感器可以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán) 境下氧氣濃度的測量，已被大量應(yīng)用在汽車尾氣、鍋爐煙氣等高溫、惡劣環(huán)境中氧氣濃度的 測量。為了提高測量精度，人們還研究了高溫共存氣體中水蒸氣對(duì)該氧傳感器的影響，發(fā)現(xiàn) 了濕度大小與傳感器輸出信號(hào)存在一定的關(guān)聯(lián)，因此通過極限電流型氧化鋯氧傳感器來測 量高溫環(huán)境下的濕度成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供結(jié)構(gòu)簡單、測量方 便、測量準(zhǔn)確性高的一種高溫濕度儀。
[0005]本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種高溫濕度儀，包括有能夠測量環(huán)境濕度的傳感器，其中，傳感器為極限電流型 氧化鋯氧傳感器，該極限電流型氧化鋯氧傳感器上連接有預(yù)加熱電路，極限電流型氧化鋯 氧傳感器通過信號(hào)采集放大電路與作為主控制器的單片機(jī)信號(hào)連接，單片機(jī)上連接控制工 作電壓通道選擇電路，該工作電壓通道選擇電路與氧化鋯氧傳感器相連接，所述的單片機(jī) 上設(shè)置有控制鍵盤和顯示設(shè)備，該單片機(jī)上還設(shè)置有用于連接電腦的連接串口。
[0007]優(yōu)化的技術(shù)措施還包括:
[0008]上述的極限電流型氧化鋯氧傳感器包括釔穩(wěn)定氧化鋯片、兩片鉬金電極片以及上 開設(shè)有氣體擴(kuò)散孔的陶瓷帽，兩片所述鉬金電極片貼于釔穩(wěn)定氧化鋯片的上下表面，并通 過導(dǎo)線分別與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的負(fù)、正極相連接，導(dǎo)線上串聯(lián)有電流表，可調(diào)直流穩(wěn)壓電 源上并聯(lián)有電壓表；與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源正極相連接的鉬金電極片形成陽極，與可調(diào)直流 穩(wěn)壓電源負(fù)極相連接的鉬金電極片形成陰極，陰極鉬金電極片外設(shè)置設(shè)有氣體擴(kuò)散孔的陶 瓷帽，陶瓷帽的底部與釔穩(wěn)定氧化鋯片配合連接而形成包裹陰極鉬金電極片的空腔。
[0009]上述的單片機(jī)為C8051F330單片機(jī)。
[0010]上述的顯示設(shè)備為1602液晶顯示芯片。
[0011]上述的控制鍵盤上設(shè)置有4個(gè)按鍵，包括3個(gè)用于完成用戶界面切換、報(bào)警上下限 值設(shè)定的菜單選擇鍵和I個(gè)用于自動(dòng)矯正儀器精度的自校驗(yàn)鍵。
[0012]上述的連接串口通過RS-232串行總線連接電腦。[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的一種高溫濕度儀，以極限電流型氧化鋯氧傳感器 為敏感部件，以單片機(jī)作為主控制器，通過工作電壓通道選擇電路提供工作電壓，通過信號(hào) 采集放大電路接收傳遞信號(hào)，并通過單片機(jī)的計(jì)算完成環(huán)境濕度的測量，其結(jié)構(gòu)簡單，測量 方便；因?yàn)闃O限電流型氧化鋯氧傳感器可以應(yīng)用于高溫環(huán)境下測量工作，因此本高溫濕度 儀能在高溫環(huán)境均能正常工作，克服了現(xiàn)有的濕度測量儀在高溫環(huán)境下無法正常工作或者 測量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框架圖；
[0015]圖2是本實(shí)用新型的極限電流型氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是本實(shí)用新型的測量流程圖；
[0017]圖4是水蒸氣對(duì)極限電流型氧化鋯氧傳感器的影響的測試裝置；
[0018]圖5是極限電流型氧化鋯氧傳感器在含水蒸氣環(huán)境下工作的極限電流與電壓的 關(guān)系圖；
[0019]圖6為水蒸氣濃度與AJz之間的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]附圖標(biāo)記為:極限電流型氧化鋯氧傳感器1、釔穩(wěn)定氧化鋯片11、鉬金電極片12、 陶瓷帽13、氣體擴(kuò)散孔13a、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14、導(dǎo)線15、電流表16、電壓表17、預(yù)加熱電 路2、信號(hào)采集放大電路3、單片機(jī)4、溢出報(bào)警電路41、工作電壓通道選擇電路5、控制鍵盤
6、顯示設(shè)備7、連接串口 8、保溫爐90、石英管91、進(jìn)氣管92、保溫帶92a、加濕器93、容器94、 導(dǎo)氣管95、橡皮塞96、直流穩(wěn)壓電源97、電化學(xué)分析儀98、電腦99。
[0022]如圖1所示，一種高溫濕度儀，包括有能夠測量環(huán)境濕度的傳感器，所述的傳感器 為極限電流型氧化鋯氧傳感器1，該極限電流型氧化鋯氧傳感器I上連接有預(yù)加熱電路2， 極限電流型氧化鋯氧傳感器I通過信號(hào)采集放大電路3與作為主控制器的單片機(jī)4信號(hào)連 接，單片機(jī)4上連接控制工作電壓通道選擇電路5，該工作電壓通道選擇電路5與氧化鋯氧 傳感器I相連接，單片機(jī)4上設(shè)置有控制鍵盤6和顯示設(shè)備7，該單片機(jī)4上還設(shè)置有用于 連接電腦的連接串口 8。
[0023]實(shí)施例中，單片機(jī)4為C8051F330單片機(jī)。
[0024]實(shí)施例中，顯示設(shè)備7為1602液晶顯示芯片；1602液晶顯示芯片能夠同時(shí)顯示2 行16列共32個(gè)字符，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊，其成本低 廉，實(shí)用作為儀器的顯示設(shè)備7。
[0025]實(shí)施例中，控制鍵盤6上設(shè)置有4個(gè)按鍵，包括3個(gè)用于完成用戶界面切換、報(bào)警 上下限值設(shè)定的菜單選擇鍵和I個(gè)用于自動(dòng)矯正儀器精度的自校驗(yàn)鍵。
[0026]單片機(jī)4上還設(shè)置有溢出報(bào)警電路41，當(dāng)測量值超過設(shè)定的上、下限值時(shí)，溢出報(bào) 警電路41將發(fā)出警報(bào)。
[0027]實(shí)施例中，連接串口 8通過RS-232串行總線連接電腦；單片機(jī)4通過連接串口 8 連接電腦，可以將測量結(jié)果處理后顯示，也可以傳輸至電腦保存并進(jìn)行分析。[0028]如圖2所示，極限電流型氧化鋯氧傳感器I包括釔穩(wěn)定氧化鋯片11、兩片鉬金電極片12以及上開設(shè)有氣體擴(kuò)散孔13a的陶瓷帽13，兩片所述鉬金電極片12貼于釔穩(wěn)定氧化鋯片11的上下表面，并通過導(dǎo)線15分別與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14的負(fù)、正極相連接，所述的導(dǎo)線15上串聯(lián)有電流表16，所述的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14上并聯(lián)有電壓表17 ;與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14正極相連接的鉬金電極片12形成陽極，與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14負(fù)極相連接的鉬金電極片12形成陰極，陰極鉬金電極片12外設(shè)置設(shè)有氣體擴(kuò)散孔13a的陶瓷帽13，所述的陶瓷帽13的底部與釔穩(wěn)定氧化鋯片11配合連接而形成包裹陰極鉬金電極片12的空腔。
[0029]極限電流型氧化鋯氧傳感器I的工作原理:
[0030]鉬金電極片12貼于釔穩(wěn)定氧化鋯片11的上下表面，并與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14的負(fù)、正極相連接而形成陰極和陽極，開設(shè)有氣體擴(kuò)散孔13a的陶瓷帽13與釔穩(wěn)定氧化鋯片 11配合連接，其內(nèi)部形成微小空腔，陰極的鉬金電極片12置于該空腔內(nèi)。當(dāng)通過預(yù)加熱電路將釔穩(wěn)定氧化鋯片11加熱至350°C以上時(shí)，這里釔穩(wěn)定氧化鋯片11充當(dāng)固體電解質(zhì)，通過可調(diào)直流穩(wěn)壓電源14向釔穩(wěn)定氧化鋯片11兩側(cè)的鉬金電極片12施加工作電壓，氧分子在陰極和陽極分別發(fā)生以下反應(yīng):
[0031]陰極:02+ 4e — 202-
[0032]陽極:202-— O2 + 4e
[0033]空腔中陰極上的氧氣通過陰極的催化作用不斷變成氧離子，在外加工作電壓的驅(qū)動(dòng)下，通過釔穩(wěn)定氧化鋯片11被泵到陽極再變成氧氣，從而使空腔中的氧濃度小于外界氧濃度，驅(qū)動(dòng)外界氧氣通過氣體擴(kuò)散孔13a向空腔的氣體擴(kuò)散。隨著工作電壓的增大，泵氧能力增加，促使空腔中的氧濃度與外界氧濃度差加大，外界向空腔內(nèi)擴(kuò)散的氣體流量也隨之變大，當(dāng)然回路電流值也隨之增大。但由于陶瓷帽13的氣體擴(kuò)散孔13a會(huì)限制氣體的擴(kuò)散， 因此當(dāng)工作電壓增加到某一定值時(shí)，泵氧能力與擴(kuò)散進(jìn)入空腔的氧分子達(dá)到平衡。此時(shí)外界通過氣體擴(kuò)散孔13a進(jìn)入空腔內(nèi)的氧分子流量達(dá)到最大且趨于穩(wěn)定，電流的大小只受氧分子通過氣體擴(kuò)散孔13a的擴(kuò)散速率的影響，而與外加電壓無關(guān)，此時(shí)達(dá)到極限電流型氧化鋯氧傳感器I的飽和工作狀態(tài)。此時(shí)回路電流值也達(dá)到一穩(wěn)定值，極限電流型氧化鋯氧傳感器I輸出特性曲線上呈現(xiàn)為極限電流平臺(tái)，該極限電流平臺(tái)的值稱之為極限電流電流厶，其具體理論推導(dǎo)如下:
[0034]一般傳感器的氣體擴(kuò)散孔徑d遠(yuǎn)大于氣體的平均自由程，此時(shí)擴(kuò)散為正常擴(kuò)散。 氣體分子通過氣體擴(kuò)散孔由孔徑兩側(cè)的氧濃度差和氣壓差共同驅(qū)動(dòng)。擴(kuò)散處于平衡態(tài)時(shí)， 氧氣的擴(kuò)散能量J?為:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種高溫濕度儀，包括有能夠測量環(huán)境濕度的傳感器，其特征是:所述的傳感器為 極限電流型氧化鋯氧傳感器(I)，該極限電流型氧化鋯氧傳感器(I)上連接有預(yù)加熱電路(2)，所述的極限電流型氧化鋯氧傳感器(I)通過信號(hào)采集放大電路(3)與作為主控制器的 單片機(jī)(4)信號(hào)連接，所述的單片機(jī)(4)上連接控制工作電壓通道選擇電路(5)，該工作電 壓通道選擇電路(5)與氧化鋯氧傳感器(I)相連接，所述的單片機(jī)(4)上設(shè)置有控制鍵盤(6)和顯示設(shè)備(7)，該單片機(jī)(4)上還設(shè)置有用于連接電腦的連接串口(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫濕度儀，其特征是:所述的極限電流型氧化鋯氧傳 感器(I)包括釔穩(wěn)定氧化鋯片(11)、兩片鉬金電極片(12)以及上開設(shè)有氣體擴(kuò)散孔(13a) 的陶瓷帽(13)，兩片所述鉬金電極片(12)貼于釔穩(wěn)定氧化鋯片(11)的上下表面，并通過導(dǎo) 線(15)分別與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(14)的負(fù)、正極相連接，所述的導(dǎo)線(15)上串聯(lián)有電流 表(16)，所述的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(14)上并聯(lián)有電壓表(17);與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(14) 正極相連接的鉬金電極片(12)形成陽極，與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(14)負(fù)極相連接的鉬金電 極片(12)形成陰極，陰極鉬金電極片(12)外設(shè)有氣體擴(kuò)散孔(13a)的陶瓷帽(13)，所述的 陶瓷帽(13)的底部與釔穩(wěn)定氧化鋯片(11)配合連接而形成包裹陰極鉬金電極片(12)的 空腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫濕度儀，其特征是:所述的單片機(jī)(4)為C8051F330 單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高溫濕度儀，其特征是:所述的顯示設(shè)備(7)為1602液 晶顯不芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高溫濕度儀，其特征是:所述的控制鍵盤(6)上設(shè)置有 4個(gè)按鍵，包括3個(gè)用于完成用戶界面切換、報(bào)警上下限值設(shè)定的菜單選擇鍵和I個(gè)用于自 動(dòng)矯正儀器精度的自校驗(yàn)鍵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高溫濕度儀，其特征是:所述的連接串口(8)通過 RS-232串行總線連接電腦。
【文檔編號(hào)】G01N27/406GK203432937SQ201320580479
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】李碩, 簡家文, 柳潤琴, 龔雪飛 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)