濕度感測器自動化品管檢測 - 2012/06 機械月刊

溫濕度感測器自動化品管檢測系統研發


周佳德1 蔡明忠1 朱仁誠2


1國立台灣科技大學 自動化及控制研究所
2宇田控制科技股份有限公司


摘要:本文提出一套溫濕度感測器自動化品管檢測系統,系統包含一可自動控制濕度感測腔 體、待測溫濕度感測器與露點儀(標準參考源)、USB 資料擷取模組以及 PC-based 控制人機介 面系統。溫濕度感測腔體以乾溼雙壓法做基礎,透過 USB 資料擷取模組的電壓輸出調整濕氣閥 的壓力值,建構出一套可控制濕度腔體,可達到檢測所需穩定的腔體濕度。本系統透過程式自 動計算與調整濕氣壓力閥,控制設定濕度值並達穩態後,立即檢測待測物與標準參考源並作誤 差值比較,最後將檢測結果匯出至 EXCEL 報表與繪出品質特性圖,提供品管人員參考。經實際 驗證,確實有效的將自動化檢測技術導入溫濕度感測器品管作業,除增進產品品質之可靠度, 亦可節省人工與品管時間。

關鍵字:相對濕度、露點、溫度濕度感測器、品管檢測、自動化資料擷取。


一、前言

溫濕度為環境中重要之物理參數,其對人類生活品質或工廠產品加工品質有重大的影響。因此溫濕度的量測與監控,在各行業就越來越普遍。近年來,相關的溫濕度感測器發展與抗凝結研究也逐漸盛行[1,2]。現代電子廠房對溫濕度控制的要求更高,一般要求溫度與相對濕度需 控制在設定範圍內。一般廠房內水分往往是由空調送入空間中,因此空調系統之加濕和除濕的 工作情況也就會由送入空間中的水分所決定。尤其,在低濕條件下採用較精準之露點量測對溫 濕度控制也就相對重要,只要露點溫度波動則相對濕度自然會波動,根據回授溫濕度的設定值 從低限到上限變化進行溫濕度調控。

另外在空壓系統迴路中,壓縮空氣或氣體配給網路中的壓力露點測量一樣變得益加重要, 壓縮機製造商也逐漸認識到氣壓管道中存在過多的水氣會帶來諸多負面的影響。如管路的生銹 腐蝕、氣動元件壽命的縮短、致動器的故障等,除對整個壓縮空氣系統的污染與零組件的損壞、 以致造成非計畫的生產中斷與附加的生產成本上升等影響[3] 。若由於維護因素,用來去除氣 體中的水氣的乾燥機效能無法按預期的運轉下,溫濕度或露點測量便能視為一種輔助系統,作 為監測乾燥機的除濕性能,即可在測量值超出設定範圍時發出警報。因此空壓系統中之溫濕度 或露點測量優點包括(1)持續對壓力露點的監測,可以及時發現並處理在壓縮空氣在乾燥過程 中出現的問題 (2)延長壓縮空氣系統及其元件的壽命 (3)提高維護空壓系統的效率 (4)減少 系統運行時故障的發生,以確保產品的品質穩定 [3]。

環境控制通常需要控制氣體的溫度與濕度。而真實的空氣環境乃含有水蒸氣的潮濕空氣, 常用的濕度量測方法有冷卻鏡面(Chilled Mirror technology)、電容式聚合物層(Capacitive Polymer)、電容式金屬氧化層(Capacitive Metal Oxide)等。其量測原理簡介如下:

(1)冷卻鏡面技術:當空氣通過鏡面時,鏡面會逐漸冷卻直到鏡面結露為止,鏡面是否結露由光感應器判定,若反射回來的光線強度達到一定的反射率,表示鏡面有水珠附著,同時量 測當時溫度,即為露點溫度。但此法的光感測器需要極為靈敏,因此鏡面若附著髒汙、油 垢或灰塵等,皆可能影響到測量結果。但其感應精度較高,價格較為昂貴,適合應用在低 濕條件下之高精度檢測。

(2)電容式金屬氧化層:電容式金屬氧化層式的相對溼度計作用原理與電容式聚合物式相對溼 度計的作用方式大同小異,主要係利用金屬具有高度熱脹冷縮的膨脹率,因此量測到的露 點值能夠低至(-100°C),但卻不易使用於高濕度範圍。

(3)電容式聚合物層:電容式聚合物式相對溼度計使用聚合物薄層跟電極結合,並置於上下兩 電極之間,當水氣吸附在薄層上,相對溼度產生變化會引起離子導電性不同,會改變介電 係數(dielectric)。相對溼度越高,電容值增加。此型溼度計如同其他形式相對溼度計一 樣,曝露在汙染和極端條件的環境下,準確性會下降,但因為材料的改進,電容式相對溼度計可以在高溫(100℃)環境使用,但受到熱脹冷縮的影響並不大。

為有效的確定溫濕度感測器在其感測濕度範圍內是否合乎誤差值範圍,因此於本系統設計 一套具有濕度控制功能、即時監控的人機介面與自動匯出檢測報表的自動溫濕度品管檢測軟硬 體。透過電流轉電壓的轉換器與資料擷取模組,將溫濕度感測器感測到的溫濕度值顯示於人機 介面上,系統開始時須設定相關參數,爾後即進入自動品管檢測步驟,等待穩定時間與各待測 點檢測完畢後,將會自動匯出檢測報表並繪出資料曲線,提供品管人員參考。

二、濕空氣特性參數 濕度一般在氣象學中指的是空氣濕度,代表空氣中水蒸氣的含量,與空氣中的水分質量有關係,亦與蒸氣壓與飽和蒸汽壓呈現比值關係。然而水蒸氣含量極低甚至趨近於零的空氣被稱為乾空氣,一般可看作為理想氣體,一但乾空氣的水氣成分增高,其理想性越低。

在 ASHRAE 濕氣圖中如圖 1 [4],垂直座標代表濕度比,等比濕度線在圖上則為水平直線。 水平座標表示為乾球溫度,等乾球溫度線均係直線上升。
圖1簡易ASHRAE濕氣圖


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