一种自动化集成式空气湿度测量装置的制作方法

本实用新型属于气象参数测量领域，更具体地，涉及一种自动化集成式空气湿度测量装置。

背景技术：

在气象监测、室外实验操作、高湿度区域作业等领域，空气湿度/水含量是一个重要的物理量，其常用相对湿度RH(Relative Humidity)的方法表示，指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比。相对湿度的测量取决于若干环境因素，目前国内外常见的湿度测量方法包括：动态法(如双压法、双温法、分流法等)，静态法(如饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法、传感器法、光学法和增重法。其中仅有光学法和增重法能测量空气相对湿度大于100％情况下的空气湿度。光学法测量结果精确，但操作过于繁琐，且对实验条件要求较高，因此无法在室外恶劣环境下应用。

现有的测量仪器众均无法有效测量过饱和状态下的空气湿度，对恶劣环境条件的适应性较差，因此无法对高湿度环境作业提供可靠并且有效的空气湿度数量指标；同时，便携式仪器大多为手持式在线测量，无法实现长时间免维护的空气湿度监测。此外，在专利“一种便携式空气水含量测量装置”(申请号：201711018460.7)中提到的基于传统增重法测量过饱和空气湿度的方法，吸湿模块完成吸湿增重后需要人工利用精密天平称重，其集成度低，时效性差，且单次测量只能安装单个吸湿模块，无法长期自动化免维护运行，由于测量步骤需要人工参与，因此也无法实现远程在线测量。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种自动化集成式空气湿度测量装置，其目的在于在高湿度甚至过饱和情况下准确测量空气水含量指标，并实现较长时间内免维护、自动化的空气湿度测量，由此解决现有的空气湿度测量装置适用湿度范围窄、在高湿度环境下可靠性差、无法长期自动测量室外空气湿度大小的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种自动化集成式空气湿度测量装置，包括：集成测量部分、数据处理部分以及抽气管；

集成测量部分包括：主体支架、电磁铁、支撑圆盘、称重支架、固定框、悬臂梁式质量传感器、温度测量模块以及多个吸湿模块；吸湿模块包括一个进气口和一个出气口，且内含吸湿材料；多个吸湿模块中，一个为待测吸湿模块，用于在装置工作时吸收待测区域空气中的水分；电磁铁的一端安装于支撑圆盘的圆心位置，且另一端安装于主体支架上，用于改变支撑圆盘的位置高度；支撑圆盘可沿圆周旋转，且其上设有沿圆周阵列分布的多个第一放置孔，用于放置吸湿模块并与电磁铁配合以通过旋转改变吸湿模块的位置，从而自动更换吸湿模块；悬臂梁式质量传感器的固定端安装于主体支架上；称重支架安装在支撑圆盘下方，其一端固定于悬臂梁式质量传感器的测量端，且另一端设有第二放置孔，用于承担待测吸湿模块的重量并实时在线测量待测吸湿模块的质量变化；固定框嵌套在第二放置孔中，且其底端从第二放置孔中引出，抽气管的一端固定于固定框的底端；待测吸湿模块的进气口与待测区域的空气接触，且出气口通过固定框与抽气管的一端相连，从而在装置工作时待测区域的空气流经待测吸湿模块，使得待测吸湿模块吸湿增重；温度测量模块安装在主体支架上最靠近待测吸湿模块进气口的位置，以准确测量待测区域的温度；

数据处理部分包括抽气模块和交互模块；抽气模块与抽气管的另一端相连，用于抽气，以使得待测吸湿模块吸湿增重；数据处理部分接收来自集成测量部分的测量数据，并对测量数据进行处理，然后将处理结果通过交互模块予以显示并根据处理结果实时监测集成测量部分的运行状态。

装置工作时，电磁铁释放，支撑圆盘处于低位，待测吸湿模块的全部重量由称重支架承担，其余吸湿模块的重量由支撑圆盘承担，从而实时在线测量待测吸湿模块的质量变化；更换吸湿模块时，电磁铁动作，提拉支撑圆盘使其处于高位，从而待测吸湿模块与称重支架脱离，所有吸湿模块的重量均由支撑圆盘承担，支撑圆盘转过一定的角度，使得下一个未使用的吸湿模块处于原待测吸湿模块的位置，然后电磁铁释放，支撑圆盘再次处于低位，新的待测吸湿模块的重量由称重支架承担，其余吸湿模块的重量由支撑圆盘承担。

进一步地，集成测量部分和数据处理部分部署于不同的地点，且二者通过光纤以及配套的电光/光电转换模块实现通信连接，以实现对恶劣环境空气湿度的远程在线测量；或者集成测量部分和数据处理部分通过便携式箱体组装为一个整体，且二者通过信号线实现通信连接，以便于携带。

更进一步地，集成测量部分和数据处理部分通过便携式箱体组装为一个整体时，二者用于实现通信连接的信号线带有屏蔽层，以避免信号干扰。

更进一步地，集成测量部分和数据处理部分通过便携式箱体组装为一个整体时，集成测量部分和数据处理部分分别通过连接滑槽和便携式箱体连接。

进一步地，吸湿模块还包括一个圆柱形罐体，吸湿材料内含于罐体中，罐体的顶端和底端分别安装带有支撑盘的密封盖，且进气口设置于顶端密封盖，出气口设置于底端密封盖；在罐体和两个密封盖之间均设置有自开合密封层；自开合密封层在抽气模块抽气时自行打开，并在抽气模块停止抽气时恢复原状，以保证气流仅在工作时间段内进入待测吸湿模块，从而避免造成测量偏差并延长吸湿模块的使用寿命。

更进一步地，第一放置孔和第二放置孔的直径均大于吸湿模块罐体的直径且小于密封盖支撑盘的直径，以保证吸湿模块能够放置于第一放置孔和第二放置孔中。

进一步地，本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置还包括驱动电机和换向齿轮，并且支撑圆盘的底部边缘设置有换向齿；换向齿轮套在驱动电机的出轴上，且其半径小于支撑圆盘的半径，且换向齿轮的齿与支撑圆盘的换向齿相互咬合，由此缩小支撑圆盘的旋转角度分度值以便于精确定位。

更进一步地，悬臂梁式质量传感器与支撑圆盘之间存在水平间隔，且换向齿轮的设置使得驱动电机与支撑圆盘之间存在水平间隔，从而电气部件与含水量测量部件分开布置；并且，在电气部件与含水量测量部件之间设置有密封隔板，以保障电气部件的绝缘安全；其中，电气部件包括驱动电机和悬臂梁式质量传感器，含水量测量部件包括支撑圆盘和吸湿模块。

进一步地，本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置还包括：橡胶圈和小型充气泵；橡胶圈嵌套在固定框中，且其上设有一个充气孔，充气孔从设置在固定框上的圆孔中引出并与小型充气泵相连；待测吸湿模块装入时，小型充气泵充气，使得橡胶圈膨胀从而待测吸湿模块的出气口与抽气管的一端密封相连；更换吸湿模块时，小型充气泵泄气，从而橡胶圈收缩，便于支撑圆盘将待测吸湿模块取出并旋转更换。

更进一步地，小型充气泵与支撑圆盘之间存在水平间隔，且小型充气泵与支撑圆盘之间设置有密封隔板，以保障小型充气泵的绝缘安全。

进一步地，悬臂梁式质量传感器的测量误差小于±2g。

进一步地，抽气模块包括圆筒状的主体和设置于主体内部的活塞；活塞的一端由步进电机驱动，另一端由弹簧固定于主体的一端；抽气时，步进电机运行预设时间，拉动活塞进而实现定容抽气；抽气结束后，活塞由弹簧拉动复位。

进一步地，数据处理部分还包括控制电路板和与之相连接的采样电路板；控制电路板和采样电路板均设置防潮密封盖，以保证整个装置在高湿度环境下的作业安全。

进一步地，交互模块还包括输入接口，以接收用户的控制指令与阈值设定，从而针对不同的待测区域环境定制测量过程并实时监测集成测试部分的运行状态。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，通过悬臂梁式质量传感器和称重支架，实时在线测量待测吸湿模块的质量变化，从而基于增重法的测量原理计算得到待测区域的空气湿度，既能够实现对高湿度、过饱和环境下的空气湿度的测量，又能够提高测量结果的可靠性和准确性，并且避免了人工称量的步骤，从而提升了装置运行的时效性。

(2)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，包含多个吸湿模块，并由支撑圆盘和电磁铁相配合通过旋转通过旋转改变吸湿模块的位置，从而自动更换吸湿模块，由此实现了长时间内自动化、免维护的测量。

(3)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，其集成测量部分和数据处理部分相互独立，二者可部署于不同的地点并通过光纤及配套的光电/电光转换模块实现通信连接，从而实现对恶劣环境空气湿度的远程在线测量；集成测量部分和数据处理部分还可以通过便携式箱体组装为一个整体并通过信号线实现通信连接，从而便于携带。

(4)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，在吸湿模块的罐体和密封盖之间设置有自开合密封层，自开合密封层在抽气模块抽气时自行打开，并在抽气模块停止抽气时恢复原状，保证了气流仅在工作时间段内进入待测吸湿模块，从而避免造成测量偏差并延长吸湿模块的使用寿命。

(5)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，其抽气模块为仅包含圆柱形主体和活塞的定容式抽气装置，消除了常规抽气泵的震动和噪声干扰。

(6)本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，其集成测量部分内的电气部件和含水量测量部件隔离布局，保障了电气部件的绝缘安全；数据处理部分的控制电路板和采样电路板均设有专用的防潮密封盖，保证整个装置在高湿度环境下安全、稳定工作。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的自动化集成式空气湿度测量装置整体结构图；

图2为本实用新型实施例提供的集成测量部分的内部结构图；

图3为本实用新型实施例提供的局部视图1；

图4为本实用新型实施例提供的局部视图2；

图5为本实用新型实施例提供的数据处理部分的内部结构图；

图6为本实用新型实施例提供的控制器结构框图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

A为集成测量部分，B为数据处理部分，D为抽气管，A1为连接轴承，A2为电磁铁，A3为支撑圆盘，A4为吸湿模块，A5为主体支架，A6为温度测量模块，A7为直流驱动电机，A8为悬臂梁式质量传感器，A10为小型充气泵，A11为换向齿轮，A12为橡胶圈，A13为固定框，A14为称重支架；B1为锂离子电池，B2为BUCK电路，B3为抽气模块，B4为控制电路板，B5为温湿度传感器，B6为交互模块，B7为采样电路板；C1为集成测量部分外壳，C2为数据处理部分外壳，C3为便携式保护盖，C4为连接滑槽。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型所提供的自动化集成式空气湿度测量装置，如图1所示，包括：集成测量部分A、数据处理部分B、便携式箱体以及抽气管D；

如图2-4所示，集成测量部分A包括：连接轴承A1、电磁铁A2、支撑圆盘A3、多个吸湿模块A4、主体支架A5、温度测量模块A6、驱动电机A7、悬臂梁式质量传感器A8、小型充气泵A10、换向齿轮A11、橡胶圈A12、固定框A13以及称重支架A14；

吸湿模块A4包括一个内含吸湿材料的圆柱形罐体，罐体的顶端和底端分别安装带有支撑盘的密封盖，且顶端密封盖设有进气口，底端密封盖设有出气口；吸湿模块A4中，在罐体和两个密封盖之间均设置有自开合密封层；自开合密封层在抽气模块抽气时自行打开，并在抽气模块停止抽气时恢复原状，以保证气流仅在工作时间段内进入待测吸湿模块，从而避免造成测量偏差并延长吸湿模块的使用寿命；多个吸湿模块中，一个为待测吸湿模块，用于在装置工作时吸收待测区域空气中的水分；

电磁铁A2的一端安装于支撑圆盘A3的圆心位置，且另一端通过连接轴承A1安装于主体支架A5上，用于改变支撑圆盘A3的位置高度；支撑圆盘A3可沿圆周旋转，且其上设有沿圆周阵列分布的4个第一放置孔，用于放置吸湿模块A4并与电磁铁A2配合以通过旋转改变吸湿模块的位置，从而自动更换吸湿模块；支撑圆盘A3的底部边缘设置有换向齿；换向齿轮A11套在驱动电机A7的出轴上，且其半径小于支撑圆盘A3的半径，换向齿轮A11的齿与支撑圆盘A3的换向齿相互咬合，由此缩小支撑圆盘A3的旋转角度分度值以便于精确定位；悬臂梁式质量传感器A8的固定端安装于主体支架A5上，其测量误差小于±2g；称重支架A14安装在支撑圆盘A3下方，其一端固定于悬臂梁式质量传感器A8的测量端，且另一端设有第二放置孔，用于承担待测吸湿模块的重量并实时在线测量待测吸湿模块的质量变化；固定框A13嵌套在第二放置孔中，且其底端从第二放置孔中引出，抽气管D的一端固定于固定框A13的底端；待测吸湿模块的进气口与待测区域的空气接触，且出气口通过固定框A13与抽气管D的一端相连，从而在装置工作时待测区域的空气流经待测吸湿模块，使得待测吸湿模块吸湿增重；温度测量模块A6安装在主体支架A5上最靠近待测吸湿模块进气口的位置，以准确测量待测区域的温度；橡胶圈A12嵌套在固定框A13中，且其上设有一个充气孔，充气孔从设置在固定框A13上的圆孔中引出并与小型充气泵A10相连；待测吸湿模块装入时，小型充气泵A10充气，使得橡胶圈A12膨胀从而待测吸湿模块的出气口与抽气管D的一端密封相连；更换吸湿模块时，小型充气泵A10泄气，从而橡胶圈A12收缩，便于支撑圆盘A3将待测吸湿模块取出并旋转更换；悬臂梁式质量传感器A8和小型充气泵A10与支撑圆盘A3之间均存在水平间隔，且换向齿轮A11的设置使得驱动电机A7与支撑圆盘A3之间存在水平间隔，从而电气部件与含水量测量部件分开布置；并且，在电气部件与含水量测量部件之间设置有密封隔板，以保障电气部件的绝缘安全；其中，电气部件包括驱动电机A7、悬臂梁式质量传感器A8和小型充气泵A10，含水量测量部件包括支撑圆盘A3和吸湿模块A4；

如图5所示，数据处理部分B包括：供电模块、抽气模块B3、控制模块、交互模块B6以及温湿度传感器B5；供电模块包括一个输出DC 24V的锂离子电池B1和一个输入电压范围5～36V(DC)且输出25～32V(DC)的BUCK电路B2，控制模块包括相互连接的控制电路板B4和采样电路板B7；数据处理部分B用于对集成测量部分A反馈的原始数据进行处理、计算，得到待测区域空气实际水含量的大小并以相对湿度的结果显示在交互模块B6上，同时通过交互模块B6接受用户对于定时阈值、测量次数的设定，实时监测集成测量部分A的运行状态；控制电路板B4和采样电路板B7均设置防潮密封盖，以保证整个装置在高湿度环境下的作业安全；

便携式箱体包括集成测量部分外壳C1、数据处理部分外壳C2、便携式保护盖C3以及连接滑槽C4；数据处理部分A和数据处理部分B分别安装于集成测量部分外壳C1和数据处理部分外壳C2，并且集成测量部分外壳C1和数据处理部分外壳C2通过连接滑槽C4连接后通过便携式保护盖C3封装，便携式保护盖C3上设有把手，以便于携带装置；集成测量部分A中单独放置有24V直流锂电池对驱动电机A7和小型充气泵A10进行供电，集成测量部分A和数据处理部分B之间通过信号线或者光纤实现通信连接，以传输测量结果和控制信号。

其中，抽气模块B3为J24-70抽气泵，抽气模块B3与抽气管D的另一端相连，用于抽气，以使得待测吸湿模块吸湿增重；控制电路板B4为Arduino UNO R3控制板，采样电路板B7为HX711AD采样模块；温度测量模块A6和温湿度测量模块B5均采用内置纽扣电池供电的TH11R-EX型号的温湿度测量器，悬臂梁式质量传感器A8采用HBM PW4MC3-300g高精度微型悬臂梁压力传感器模块，匹配HX711AD采样模块实现模拟量的输入，吸湿模块A4内部的吸湿材料选择玻璃纤维和硅胶按照重量1:1配比。

如图6所示，使用时，用户通过交互模块B6设定抽气模块B3的抽气时间t、吸湿模块A4的个数n以及吸湿模块质量范围。抽气时间t作为Arduino UNO R3控制板启停抽气模块B3的时间依据，由Arduino UNO R3控制板对应定时电路实现，同时根据抽气模块B3的抽气流速，Arduino UNO R3控制板可计算出设定气体流量ΔV的大小；吸湿模块个数n对应每次更换吸湿模块时驱动电机A7旋转的角度大小，为避免控制系统部件过于复杂，出于尽可能以数字量控制的目的，直流驱动电机的控制仍以定时电路实现，即更换吸湿模块时支撑圆盘A3旋转过的角度为：θ＝2π/n，驱动电机A7的工作时间为：tm＝(R1/R2)×θ/ω，其中，ω为驱动电机A7的转速，R1为支撑圆盘A3的半径，R2为换向齿轮A11的半径，R1>R2，通过换向齿轮A11的转换，缩小支撑圆盘A3的旋转角度分度值，从而实现对于支撑圆盘A3旋转角度的精准控制以便于精确定位，；吸湿模块A4的质量范围包括质量最低阈值mL和质量最高阈值mH，用于避免吸湿模块装入失败造成的压力过低/过高，同时将质量最高阈值设置为吸湿模块的吸湿饱和质量起始值，有助于避免吸湿模块饱和造成的测量误差。

当用户完成参数设置并启动装置后，装置会先根据吸湿模块的质量范围检测吸湿模块装入是否正常，如正常，则计算定时参数，否则，在交互模块B6显示异常信息并报警。支撑圆盘A3的稳态位置为低位，即总有一个吸湿模块的重力由称重支架A14承担，更换吸湿模块时，电磁铁A2动作，提拉支撑圆盘A3使其处于高位，从而待测吸湿模块与称重支架A14脱离，所有吸湿模块的重量均由支撑圆盘A3承担，在步进电机A7的驱动下，支撑圆盘A3转过角度θ，使得下一个未使用的吸湿模块处于原待测吸湿模块的位置，换向齿轮A11的存在有效缩小支撑圆盘的旋转角度分度值，便于精确定位；然后电磁铁A2释放，支撑圆盘A3再次处于低位，新的待测吸湿模块的重量由称重支架A14承担，其余吸湿模块的重量由支撑圆盘A3承担，进行实时质量测量。当检测到吸湿模块装入正常后，小型充气泵A10动作，橡胶圈A12充气，使得整个橡胶圈A12与待测吸湿模块的出气口紧密相连，从而保证其密封性；更换吸湿模块时，小型充气泵A10泄气，橡胶圈A12收缩，支撑圆盘A3在电磁铁A2的作用下将待测吸湿模块提拉取出并旋转更换；当充气泵A10充气完成后，悬臂梁式质量传感器A8测量待测吸湿模块的初始质量m1；测量完毕后，抽气模块B3开始动作，通过抽气管D抽气，待测区域空间内的气流通过待测吸湿模块，所含水汽被待测吸湿模块内的吸湿材料所吸收，造成待测吸湿模块增重；达到抽气时间t后，悬臂梁式质量传感器A8测量待测吸收模块的终态质量m2；所测质量在Arduino UNO R3控制板中做差，得到吸湿模块的质量变化量Δm，通过HX711AD采样模块传送给Arduino UNO R3控制板；同时Arduino UNO R3控制板读取温湿度传感器B5的湿度大小，即经过吸湿模块之后气流水含量的表征参数，作为计算待测区域空气湿度的基准量。

基于上述测量与计算，可计算待测区域空气湿度为：

其中，ΔV为抽气模块设定的气体流量大小，a为指定温度T下对应的空气湿度常数，RH0为经过吸湿模块之后气流相对湿度大小；计算时，a取取温度测量模块A6测得温度所对应的空气湿度常数大小，RH0选取常规湿度传感器探头B5测量结果。

由于集成测量部分A和数据处理部分B采用模块化独立设计，二者还可部署于不同地点，并通过光纤建立通信连接，从而实现远程控制测量，因而能够适用于恶劣环境。

本实用新型提供的空气湿度测量装置，基于增重法实现对水含量的测量，可以对于过饱和状态下的作业条件提供可靠的空气水含量的参数依据；集成了质量承重测量、测量数据处理、自动更换吸湿模块等功能，可以实现较长时间内的全自动化空气湿度监测；集成测量部分和数据处理部分的独立设计，即可以灵活拆卸组装以实现远程测量监测，又可以组装成易于携带的便携式整体。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。