除雾传感器(Defog Sensor)露点检测和应用

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       小编体验过一次挡风玻璃结雾,那是若干年前一个夏季天气沉闷的下班路上,在一段速度较低的路段,突然发现前挡风玻璃上出现了一片雾水,无论怎么吹风(冷气)都无法消散,直到用手尝试擦拭才知道,那层雾气在挡风玻璃的外面,赶紧用雨刮清除才避免了——究其原因,不外乎以下几点:

  • 前挡风玻璃被空调冷气冷却,温度低于车外环境的露点从而导致水汽在玻璃上凝结;
  • 因为车速慢,迎风也无法及时带走水汽;
  • HVAC设计——只考虑了车内,没有充分考虑车外环境。

 

      这里我们稍微解释一下两个术语:相对湿度(Relative HumidityRH)和露点(Dew PointDP)。

 

相对湿度(RH

 

      它的范围通常是0%100%。这是因为相对湿度是当前空气中水蒸气含量(绝对湿度)与在相同温度下空气所能含的最大水蒸气含量(饱和湿度)之间的比率。

      0%的相对湿度表示空气中完全没有水蒸气,而100%的相对湿度表示空气中的水蒸气达到了饱和,也就是在当前温度下空气无法再容纳更多的水蒸气。如果空气中的水蒸气含量超过了饱和含量,就会发生凝结现象,形成露珠或霜——这就是我们下面提到的露点温度。

 

露点温度(DP
 

      一般来说,露点定义为在空气达到饱和状态并开始凝结成露时空气的温度。霜点通常被定义为在空气达到饱和并开始结霜的温度。在许多情况下,这两个术语可以互换使用,特别是当温度低于冰点时。

然而,要注意的是,霜点并不是一个标准的或广泛使用的气象学术语,因此其具体定义可能因上下文和来源而异。在某些情况下,当温度低于冰点时,人们可能会说霜点,以强调水气将会直接凝华为冰(霜)。但更常见的是,无论温度如何,人们都会使用露点这个术语,因为这是一个内在的物理过程,与是否形成露水还是霜无关。

总的来说,如果你看到一个露点值低于0摄氏度,那个温度可以被看作是露点或霜点。然而,一般而言,我们仍然会称之为露点。

(自:https://engineerexcel.com)

挡风玻璃结雾的原因简单分析

挡风玻璃结雾是一个常见但是潜在危害却非常大的现象,特别是在冷热交替的季节。这主要由以下几个原因导致:

1. 温差:车内外温度差异是挡风玻璃雾化的一个常见原因。当车内温度高于车外温度时,车内的暖湿空气会与冷玻璃接触,在玻璃上凝结出水珠,造成雾化。反之亦然。

2. 湿度:车内湿度过大也会导致挡风玻璃雾化。这可能是由于乘客的呼吸,湿润的衣物,雨天等原因导致车内湿度过大。当暖湿空气接触到比空气温度低的玻璃时,就会在玻璃上形成水蒸气的凝结,即雾化。

3. 空调使用:如果车内空调使用不当,比如冷风直接吹向挡风玻璃,也可能导致挡风玻璃内侧,甚至外侧雾化。

 

      简单来说,挡风玻璃的雾化是由于空气中的水蒸气在遇到比它更冷的挡风玻璃表面时冷凝而形成的。控制雾化需要平衡车内外的温度和湿度,预防和消除雾化的最常见方法是使用车辆的除雾功能或空调系统。

 

气压露点温度之间有一定的关系,但这种关系受多个因素影响,没有一个直接、简单的公式来描述。本文稍后有一段关于气压对露点计算影响的描述。

 

露点温度,是当空气在一定气压下冷却到不能再容纳更多的水蒸气,多余的水蒸气开始凝结成液态或者固态的状态,即饱和状态的温度。基本上,空气的湿度越高,露点温度就越接近当前的空气温度。

 

大气压力对露点计算的影响
 

      露点温度的计算需要考虑的因素包括:空气的温度、压力、以及相对湿度。在海拔4000米的高海拔地区,车辆除雾传感器计算露点时需要考虑的主要因素仍然是温度和相对湿度。然而,在这个高度,大气压力显著低于海平面,可能会对露点计算产生影响。然而现行的公式和模型大多并未显式地将大气压力考虑在内,究其原因,虽然大气压力对水蒸气饱和压力有明显影响,但对于露点温度的影响相对较小。实际上,地球表面的大气压力变化所引起的露点温度变化通常小于0.1,相较于其它因素造成的误差,这个效应可以忽略。

 

      气压影响着空气的容量来容纳水蒸气。高气压可以使更多的水蒸气保持在空气中而不凝结。随着海拔升高,气压下降,空气的容量持有水蒸气的能力下降,因此在相同的湿度和温度条件下,海拔较高地方的露点温度会比海拔较低地方更低,或者说相同情况下,海拔越高水汽越难凝成水。

然而一般而言,空气的温度湿度对于露点的影响更为重要,特别是在地球表面的气象学观测中,通常将气压视为常量,可以简化露点温度的计算。只有在需要进行更精确的计算,或者在像飞机这样的高海拔环境中,气压的影响才会明显到需要考虑进去。

      在海拔较高的地方,大气压力显著低于海平面,这可能会对露点的计算产生影响。但请注意,即使在这种情况下,大气压力对露点影响相对还是较小的。更重要的因素仍然是环境温度和相对湿度。

 

      在相同温度和相对湿度的情况下,海拔较高地方计算得到的露点温度将会略低于海平面处。这是因为随着海拔升高,大气压力降低,空气中所能含有的水蒸气量减少,因此在相同的相对湿度下,海拔更高的地方实际的水蒸气含量(绝对湿度)会更低。这将使得空气在较低的温度下就达到饱和,也就是露点温度更低。因此,根据上面的露点计算公式得到的露点温度数值在高海拔的区域应用时,会略高于实际露点温度,因此用计算所得的露点数值进行除雾防雾功能时,体现在HVAC控制上,反而是更加保守——比如,实际露点是7,而计算所得露点温度为6,那么HVAC的控制策略会提前启动。

如果一定要进行大气压力的修正,这通常需要利用相当复杂的理论公式,不适合手动计算或进行简单的编程。在实际情况中,一般都会假定大气压力为一个标准大气压,或者采用与大气压力相关的修正系数。在科学研究或者需求极高精度的特殊应用中,可能会使用查表、插值或者数值模拟等方法,通过物理模型和实验数据得到更为精确的结果。但这通常需要专业的知识以及专门的软件支持。如果你有这方面的需求,可能需要寻求气象学或者相关领域专家的帮助。

 

常用的露点计算公式(如Magnus公式)通常假设大气压力为标准大气压,因此在海拔较高的地方可能会有一些误差。然而,由于大气压力对露点的影响相对较小,这些误差通常不会非常大。如果你需要极高的精度,可以考虑用查表、插值或者数值模拟等方法,通过物理模型和实验数据来进行更为精确的计算。但这通常需要专业的知识以及专门的软件支持。

以下是在常用的大气压下使用的常用露点计算公式(基于Magnus公式):

露点温度 :

 

      其中,T是环境温度(摄氏度),RH是相对湿度(百分比)。相同的公式中,其中的一些常数系数在不同的文档中略有差异,大家可以再比较测试。

 

      需要注意的是,应当确保输入的温度和相对湿度值都在合理的范围内,这个公式的温度和湿度的适用范围通常在-40°C 到 50°C,0% 到 100%。在其它情况下可能会有一些误差。当然,这里的RH应该>0。通过以上公式描述的露点(DP)和相对湿度(RH)和空气温度(T)之间的关系,可以得到如下的三维输出。大家有兴趣的话,可以在这里下载程序源码

 

DP,RH和温度T关系图

 

      基于上述公式计算得到的露点温度DP的有效输出范围主要取决于输入的温度和相对湿度的范围。需要注意的是,实际物理环境限制了有效的露点范围。在地球表面上,常规环境中的露点温度的最大最小值大约是-60摄氏度到40摄氏度。这个范围包含了大部分地球上人类能经历的气候和天气条件。

 

如何利用除雾传感器进行除雾防雾

 

      汽车上的除雾传感器通常被集成在空调调控系统(HVAC)内,自动地控制空调系统的操作以防止挡风玻璃雾化。以下是汽车HVAC系统利用除雾传感器进行防雾或除雾的一般流程:

 

1. 检测:除雾传感器检测到汽车内外部的环境条件(如温度,湿度等)发生改变。换句话说,它多为对车辆挡风玻璃上内侧的空气露点和挡风玻璃的内侧温度实时监测。

2. 调整:当传感器检测到挡风玻璃温度接近或者低于空气露点温度时,HVAC系统控制单元会对这些信息进行处理,并启动对应的除雾模式。

3. 除雾操作:根据除雾传感器和其他传感器(如温度传感器,湿度传感器等)的信号,HVAC系统会进行以下操作:切换到吹风模式,即空气从出风口直接吹向挡风玻璃;调整风量,增大风量可以更快地除去挡风玻璃上的雾气;调整温度,增加吹风温度可以提高除雾效果,尤其在冷天里;打开制冷,靠冷凝器去除降低车内空气中的水份。除雾当然必要,防雾更是关键。如果不考虑其他方式,那么,将车内空气的露点始终控制在前挡风玻璃内侧的温度之上是防雾的主要手段,而不是等到有雾产生时才动作。

4. 恢复正常:挡风玻璃上的温度或者车内空气露点稳定了,或者雾气被清除后,传感器会将这个信号传递给HVAC控制单元,HVAC系统将恢复正常的工作模式。

 

下图为露点检测及HVAC除雾、防雾控制的流程简单示意图。
 

 

其中

  • Tg为前挡风玻璃内侧温度;
  • Td为测量所得的露点温度;

操作步骤可以简单描述为(其中的阈值根据实际车况进行配置):

  • 检测挡风玻璃的温度Tg
  • 读取当前车内空气的相对湿度RH和温度Ta
  • 通过TaRH,以及前面提及的转换公式计算当前空气的露点Td
  • 比较TgTd
    • 如果Tg高于(Td+4℃),则无需防雾除雾
    • 如果Tg不高于(Td+4℃),则进行除雾防雾,直到Tg>(Td+5℃)

 

建议的安装位置和方式:

 

安费诺生产提供的除雾传感器,将为您的安全行车的提供基本保障,通过该传感器模块提供的露点参数,除雾传感器和车载HVAC系统的紧密配合,从而为驾驶员提供了清晰的视界,确保了行车安全。

传感器模块中集成有一个温湿度传感器,和高精度的NTC温度传感器。前者可以检测空气的相对湿度RH和温度T,后者紧贴挡风玻璃测量玻璃的温度Tg。该产品的演示代码(配置读取RH,T,Tg,以及露点Td的换算等)可以和我们联系获取。我们也可以按照客户的需求设计诸如LIN等接口类型。

 


[参考文献]

 

 

 

2023年11月3日 10:53