一种数字式空气密度传感器及计算方法与流程

本发明设计涉及传感器设计及计算方法，特别为数字式空气密度传感器及计算方法。

技术背景

空气密度受自然界温度、压力和空气湿度的影响，要想实现高精度密度信号传感器，是比较难的，它受到空气湿度大过饱和现象及气压变化的影响，测试精度很难提高，因此。我们开发一项空气湿度过饱、温度和大气压力变化的补偿技术的空气密度传感器，精度可达1.5级以上，可以满足工业自动化监控系统的要求，并实现高精度数字式传输，很方便地用于计算机测控系统中。

技术实现要素：

1、数字式空气密度传感器由图1组成，它包括空气密度计算及湿度过饱和误差修正软件-2、数字式空气密度传感器电路板-3、信号传输通讯接口板-4及空气密度传感器外形-1。空气密度传感器电路板-3含有空气温度、压力、湿度检测原件，空气密度传感器电路板-3，将检测来的信号进行消噪声、放大整形处理后，传递给CPU计算单元，按照CPU程序,既空气密度计算及湿度过饱和误差修正软件-2进行计算，计算结果通过信号传输通讯接口板-4输出，经过RS-485通讯方式送到用户监控系统。

2、空气密度传感器系统软件-2结构组成如图2，包括：空气密度传感器主程序2.1，采样信号滤波程序-2.2、参数量刚归一化程序-2.3、湿度过饱和误差修正程序-2.4和硬件自捡保护程序-2.5和定时中断密度信号输出程序-2.6，通过RS485通讯模式将数据传给用户监控系统。

3、密度传感器电路结构-3见图3，密度传感器电路主要由温湿度、压力传感原件(U5)得到一次信号，分别经过U7模块的整形处理，送入气压传感器(U2)，再送入单片机(U1)；温湿度传感原件(U5)来的信号送到信号分配端子模块(U3)，信号经稳压电路(U4)整形和信号调理版U9后，并送入单片机(U1)进行计算。单片机(U1)通过计算得到传感器所在地区密度，进一步可通过噪声去除模块(U8)去除噪声，再通过信号发送模块U6发送去用户通信版。

4、密度传感器的的信号输出方式，主要由RS-485通讯方式进行数据传输，通讯模式见图4，通讯接口板-4与单片机(U1)端口连接，按用户需要定时发送输出数据，定时中断请求发送连接命令-4.1，并反馈连接状态-4.2，CPU发送读取命令4.3，应答后反馈数值，收到返回指令完成数据输出。

5、空气密度计算方法

空气密度受到自然界的大气压力，环境温度和空气湿度的影响，采用的计算公式(1)来计算密度值。

其中，

ρ:空气密度

T：绝对温度

B：大气压

R0：干燥空气的气体常数,287.05J/(kg*K)

φ:相对湿度(0-1)；

PW:水蒸气的气体常数，461.5J/(kg*K)

RW：蒸汽压，等于0.0000205exp(0.0631846*T)。

采用测试空气温度、湿度、大气压，结合上式计算即可得到空气密度。为了准确得到空气密度值，采用分段分段密度计算公式(2)进行。

分段密度计算公式为

ρ＝ρio(Rw) (2)

其中i表示密度计算区间，一般根据温度划分成50个区间(2度为一个间隔区间)，根据密度标定初始值来确定非线性变化系数RW＝0.0000205exp(0.0631846*T)，密度等于区间温度所对应的值。利用公式(2)进行密度计算。计算方法如图5所示：

在空气密度传感器系统软件-2中，根据温度划分状态区间i，读取测量的Ti、Φi、Bi值，并计算Rw值，计算i所对应温度的Rw状态的密度值(调密度计算公式(2)进行计算)，对结果进行误差修正，输出计算结果。

附图说明

图1：数字式空气密度传感器系统组成；

图2：数字式密度传感器软件结构；

图3：密度传感器电路结构组成图；

图4：数字式密度传感器RS485通讯方式；

图5：密度传感器计算框图。

具体实施方式

温湿度、压力传感原件(U5)得到一次信号，分别经过U7模块的整形处理，送入气压传感器(U2)，再送入单片机(U1)；温湿度传感原件(U5)来的信号送到信号分配端子模块(U3)，信号经稳压电路(U4)整形和信号调理版U9后，并送入单片机(U1)进行计算。单片机(U1)通过调用空气密度传感器系统软件-2计算得到传感器所在地区密度，进一步可通过噪声去除模块(U8)去除噪声，再通过信号发送模块U6发送去用户通信版。

在空气密度传感器系统软件-2中，根据温度划分状态区间i，读取测量的Ti、Φi、Bi值，并计算Rw值，计算i所对应温度的Rw状态的密度值(调密度计算公式(2)进行计算)，对结果进行误差修正，输出计算结果。

密度传感器的的信号输出方式，主要由RS-485通讯方式进行数据传输，通讯模式见图4，通讯接口板-4与单片机(U1)端口连接，按用户需要定时发送输出数据，定时中断请求发送连接命令-4.1，并反馈连接状态-4.2，CPU发送读取命令4.3，应答后反馈数值，收到返回指令完成数据输出。