配电房环境监控系统设计

钟怡 余谦

摘要：第一使用湿度测量模块，来进行对于配电房中的各个结点的湿度情况来进行监测，然后利用控制器将所得数据发送到单片机控制器上面，接着对于数据是不是正常的数据来进行的诊断，通过确认数据是不是正常的数据，并在显示屏上显示出来，从而来判断能否使用电浸透除湿机来进行除湿处理。

关键词：除湿量;空气湿度;湿度传感器

中图分类号：TP311   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）17-0107-02

建筑空调系统一般使用的是热湿处理联合的方式，由于需要把新风温度降低到露点以下，所以需要比较低的冷源温度（7～8℃） ，因此制冷能耗较大。但是如果采取热湿的独立处理方法，把新风中水蒸气含水量进行降低后再来降温，从而可以提高冷源温度（12～13℃） ，并降低制冷能耗[1-2].由于潮湿天气对配电房的一些仪器的损害，所以配电房对于除湿保持配电房环境的干燥是十分必要的。但是对于配电房的除湿只是对墙体进行防水处理，方式较为单一。为了提高系统的除湿效率和制冷系统能效， 研究人员对除湿系统进行优化设计[3-5]。例如，在冷冻除湿的基础上，系统内加装热交换器，减小蒸发器的负荷;优化除湿器及再生器内冷、热水流量 和溶液浓度等。通过湿度传感器来测量配电房的空气湿度，从而利用电浸透除湿机对配电房进行除湿处理，同时该湿度数据也将利用控制器将数据储存起来并显示在显示屏上。笔者希望通过一个完善的除湿系统对于任何大的电路集中区域，都是有必要的，因此这个设计是具有意义的。

1国内外研究现状

如今，在国内外研制的固体吸附式除湿设备，大多分成两类：其一是固定床式除湿器，其中包含交叉冷却式除湿器;其二则是旋转式除湿器，包括平行通道式除湿转轮和蜂窝状除湿转轮[6]。

2 系统总体设计

2.1电路设计

系统总体上可以划分为控制器，湿度测量模块，KQS-1型除湿模块，显示模块等。通过湿度测量模块对被测节点的测量，然后显示模块将得到的数据传递到控制器模块上面，主控芯片根据测量的数据与存储数据库中的测量数据进行比较，从而来判断并分析湿度信息是否正常。一旦有异常数据，被KQS-1型除湿模块的主控芯片准备工作，通过控制配电房湿度，并将数据传递给湿度测量模块，同时在显示器上显示出相对应的湿度，如图1所示。

2.2硬件设计

（1）控制器：采用STM32系列单片机STM32系列芯片具有较低成本、功耗较低、性能较高、丰富的资源，处理数据的能力强，同时拥有库文件开发，上手简单，方便了编程过程，对单片机主频进行评估完全可以达到该设计的要求。

（2）KQS-1型除湿模块：系统采用KQS-1型模块。电浸透除湿机的电力大多源于电磁脉冲生成器，采用了微处置器来控制的设备，通过环形线圈的帮助下生成一大概为50Hz的脉冲磁场，从而产生特殊的波浪形电流，该输入电流经过掩埋在混凝土中的阳极及掩埋在混凝土之上的阴极形成了电磁场技术，水分子（H2O）在电磁场的作用之下生成了极性，因为异极拥有吸引同极从而互相排斥的性质，所以水分子（H2O）就会通过该性质到达该结构之外，一旦电磁场被阻断，水分子（H2O）就会再进入到该混泥土的结构之中，因此该结构不可以长时间处于相对湿润的情况。与此同时，水分子（H2O）的极性增大，水里盐类（如Ca、Mg、Cl）阴阳离子的析出程度就会降低，会跟着水分子（H2O）被排除到该结构之外，便使该结构中钢筋等金属的使用时间大大提高，从而达到除湿的效果，图2所示为模块的接线图。

（3）除湿原理（电化学）：在阳极的水蒸气（H2O）被电流给电解，从而生成了质子（H），再经过电流的作用被转移到电解质，同时并跨过电解质膜从而到达了阴极，阴极放电从而生成了氢分子（H），在释放到阴极并生成的气体之中，可以和空气中的氧（O）直接形成水（H2O）。第一种情况是水蒸气被电解，同时在阴极形成了氢气（H2），并在陽极生成了氧气（O2）;第二种情况氧（O）是与质子（H）反应生成了水（H2O）。不管是因为何种方式，使水蒸气的含量在阳极器件之间得到大幅度下降，从而使气体保持湿润，同时能够算作是通过氢泵的电化学除湿的方法。

（4）湿度测量模块：湿敏元件组成湿度传感器（KQS-1型）。覆盖到由湿性材料制成的薄膜，当空气中的水蒸气进入湿性薄膜时，就会产生水蒸气，其中元件的电阻率和电阻值都会因此从而发生相应的变化。我们就可以利用此性质来测量相应的湿度。而如果环境中的相对湿度出现了改变，则介电常数就会产生相对应的变化，同时使电容量也产生相对应的变化，其相对湿度与该元件的电容变化量为正比例的对应关系。其接线图如图3。

（5）屏幕显示：界面显示采用串口屏，简化用户做界面程序，可轻松操作软件实现人机交互界面，屏幕大且成本较低，占用IO资源较少，仅需2根线可轻松实现与MCU之间的通信。

2.3 湿度测量

（1）工作原理：在用电容式的湿度传感器测量数据的过程当中，就像是一微小电容，对C（电容器值）的测量，电容器的测量主要是对电容器值C的测量。因为湿度传感器不是一个单纯的电容器，如下图虚线区域所示为等效形式，就等同于电阻与电容的相互并联。当环境湿度产生相对应的变化时，湿敏电容的介电常数就会产生相对应的变化，进而电容量也会生成相对应的变化，环境相对湿度与其电容变化量成正比。湿度传感器的等效形式如图4。

（2）计算公式：电容式湿度传感器测量具体测量电路（复数电压法），包括三个部分：反相电路、微分电路和积分电路。

该模块以SH1100型湿敏电容为例，正弦波发生器产生的正弦信号Vin在经过微分电路之后，信号成为了Vout，然后输出信号Vout分成两部分。其中一部分电路通过开关K1可以进入到积分电路当中;而另外一部分电路则需要先经过反相电路，在三个电阻及反相器的帮助下，使信号Vout的输出变为信号-Vout;在经过了开关K2后，也将同样进入到积分电路。测量电路原理图如图5所示。

其中，开关K1及开关K2的作用：Vout信号的整流处理，然后通过积分电路进行测量。

3软件流程设计

接通电源，打开开关，进入模式选择，选择需要进行的模式（读取数据，除湿，更新对比湿度数据库，休眠等），然后调用相应的数据，其中外界湿度通过湿度传感器进行测量然后进行湿度显示，定时测量将信息传递给KQS-1型除湿模块，根据不同的要求来选择是立即更新数据还是暂时先存储数据。

湿度检测流程：根据配电房的相关要求来对湿度阈值进行设定，用湿度检测模块来检测湿度，最后显示模块进行显示。流程图如图6。

4 测试方案与测试结果

4.1测试方案

用湿敏元件采集待测环境湿度、外界环境湿度75%与50% 湿度作为标准数据，然后用湿度传感器收集到的数据与标准数据进行比较，湿度差额保持在1%到2%之内（后续可依据配电房中不同的材质，不同的隔热情况来进行相对应的改变）。与此同时，一旦湿度传感器检测到异常数据，检测系统能否正常进行除湿处理。

4.2测试条件

1）测试环境：常温常压，加湿器，普通配电房内。

2）测试仪器：电容式湿度传感器采集被测环境的湿度。

3）温度测量：下面是部分测试的数据。

5结论

配电房检测系统设计通过湿度传感器等完成了对于配电房湿度情况检测。同时还有一定防潮的作用。根据混凝土特性（吸水），结构（室）内空气中的水能够被干燥的混凝土所吸收，被吸收的水分子会在电磁场作用下进行向外侧（负极）的运动，这对于降低结构内空气湿度也具有一定作用。虽然系统通过除湿模块尽可能地提高除湿的效果，但是在后续的测试中笔者发现外界环境温度对除湿效果的影响仍然存在。另外当系统第一次工作时，需要提供一定的数据或者更新一下误差的允许范围，以保证系统可以正常地实现报警功能。

参考文献：

[1] 任奎.转轮除湿空调系统性能及其能耗分析研究[D].镇江：江苏大学，2017：1-3.

[2] 赵荣义，范存养，薛殿华.空气调节[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2009：60-66.

[3] 杨娟，王克勇，谭来仔，等.一种节能型全新风除湿机[J].制冷与空调，2011，11（3）：8-11.

[4] 袁丽，耿世彬，范良凯，等.节能型冷冻除湿机研究开发[J].暖通空调，2013，43（S1）：156-160.

[5] 梁亚英，柳建华，张慧晨，等.可移动式小型液体除湿空调装置的研制[J].流体机械，2015，43（1）：68-71.

[6] 朱冬生，剧霏，李鑫，等.除湿器研究进展[J].暖通空調，2007，37（4）：35-40，23.

收稿日期：2022-03-20

基金项目：2018年湖南省教育厅科学研究项目（18C1462），基于物联网与传感器技术的江河水质污染大数据监测分析系统及关键技术研究

作者简介：钟怡（1981—），男，江苏圣通电力新能源科技有限公司湖南分公司副总经理，硕士研究生，主要从事输变电工程电力系统自动化及电气二次专业设计;余谦（1982—），男，湖南汽车工程职业学院副教授，博士研究生，主要研究方向为电子技术，遥感及测绘技术。