暖通空调中的传感器应用

暖通空调的概念包括采暖（Heating）、通风（Ventilation）、空调（Air Condition），因此与中央空调相比具有更广义的概念。从图1可以看出，暖通空调是人与环境这对矛盾对立统一关系历经漫长岁月发展所凝聚而成的一种重要的环境与保障技术。经过多年的发展，暖通空调的应用已经深入到国民经济的各个部门，对促进经济发展、提高人民生活水平起到重要的保证作用，有时甚至是关键性的保证作用。

供暖系统组成包括热源、散热设备、输热管道、调控构件等，它的技术职能是输入热能至空间，补偿其热损失，到达室内温度要求。而通风系统组成则由通风机、进排或送回口、净化装置、风道与调控构件等组成，其技术职能是通风换气、防暑降温、改善室内环境、防止内外环境污染。至于空气调节系统组成是由冷热源、空气出来设备与末端装置、风机、水泵、管道、风口、调控构件等组成，依靠经过全面处理并且适宜参数与良好品质的空调介质与受控环境空间进行能量、质量的传递与交换，实现对室内空气温度、湿度、洁净度和其它参数的按需调控。

在暖通空调中，越来越多的新兴传感器得到了开发与应用，本文将主要介绍湿度传感器及CO2传感器在暖通空调中的应用。

湿度传感器的应用方兴未艾

湿度测量从原理上划分有20-30种之多，但湿度测量始终是世界计量领域中的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理-化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。

常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。但是对于在暖通空调控制中需要精确感应、实时控制的要求来说，电子式湿度传感器法是一种发展趋势。电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20％RH 以内。例如0.05％的浓度对应的感湿范围约为（80～100）％RH ，0.2％的浓度对应范围是（60～80）％RH 等。

由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15～100）％RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 ～100）%RH 。

HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。

图1、暖通空调的定义

CO2传感器在暖通控制中越来越重要

二氧化碳（CO2）在空气中的含量越高，对人体的影响就越大，当二氧化碳含量高出0.7％时，人体就会感到不舒服，当超过10％时，人体就会出现昏迷和死亡。达到20％，人就会在几秒内死亡。因此在人群比较密集的地方，二氧化碳含量是一个非常重要的参数，直接关系到人体舒适度和安全。而对于控制二氧化碳，必不可少的是进行检测和计算的二氧化碳传感器。

对于一座大楼的暖通空调系统来说，使用二氧化碳传感器所能体现出的优势，主要表现在以下三点：

● 改善居住环境，使人感到更为舒适。

● 降低能源消耗。像通过在每个点上控制湿度，实际需求的来照明一样，通过二氧化碳含量来控制新风的换送，使环境保持最佳舒适度时，而运行费用被减到最小。

● 更低的维修费用。在暖通空调的管理中，通过监控整个系统组件，大楼管理者可以更有效地设计并且执行维修。这里TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO2气体环境中时，就会产生电化学反应。

为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在5.0±0.2 VDC之内。为了保证CO2的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔＥＭＦ，而不是绝对电势值ＥＭＦ，因为ΔＥＭＦ与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然ＥＭＦ绝对值随环境温度的上升而上升，ΔＥＭＦ却保持常量，而且它在-10℃～+50℃温度范围内，基本不受温度的影响。

ΔＥＭＦ值可由下式求得：

ΔＥＭＦ＝ＥＭＦ１－ＥＭＦ2

其中，ＥＭＦ１为350 ppm的CO2中的ＥＭＦ值；ＥＭＦ2为所测量的CO2的ＥＭＦ值。

在温度为20℃±2℃、湿度为65±5％ＲＨ、加热电压为5.0±0.05 VDC、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350 ppm中的ＥＭＦ值是220～490 mV，而ΔＥＭＦ在350～3500 ppm的CO2浓度中的值是44～72 mV，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥100ＧΩ）、低偏置电流（≤1 pA）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常选用单片机并通过自己编程进行信号处理。(