電容式濕度傳感器的設(shè)計(jì)

田海軍+薛家興+薛彥杰

摘 要： 為了能夠更好解決測(cè)量流動(dòng)蒸汽濕度準(zhǔn)確度低、難度大等問題，設(shè)計(jì)了一種電容式濕度傳感器，其為同軸圓筒式多極電容傳感器結(jié)構(gòu)，利用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)芯片PCap01進(jìn)行電容值的檢測(cè)，通過SPI通信方式將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)中進(jìn)行處理，采用AD421將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定溫度下，隨著產(chǎn)生濕度的變化，濕度與輸出電流呈線性關(guān)系，當(dāng)產(chǎn)生的濕度不變時(shí)，電流趨于穩(wěn)定狀態(tài)，該設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行濕度的測(cè)量。

關(guān)鍵詞： 多極電容傳感器； 濕度測(cè)量； PCap01； 電容檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN641+.2?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0128?04

Abstract： A capacitive humidity sensor is designed for better solving the low accuracy and high difficulty existing in the moisture measurement of flowing steam， which is coaxial cylinder multi?polar capacitance sensor structure， and in which the capacitance digital conversion technology chip PCap01 is used to detect capacitance value. It transfers measured results to STM32 microcontroller for data processing by SPI communication. AD421 is adopted to convert the output results into standard signals of 4～20 mA. The experimental results show that there is a linear relationship between the output current and the humidity with the change of humidity at a certain temperature， and when the temperature is not changed， the output current goes to stability.

Keywords： multi?polar capacitance sensor； moisture measurement； PCap01； capacitance detection

0 引 言

蒸汽濕度的大小是衡量蒸汽品質(zhì)好壞的重要參數(shù)，濕蒸汽的存在嚴(yán)重影響了汽輪機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。濕蒸汽的存在對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行主要帶來兩方面的問題：一是蒸汽凝結(jié)產(chǎn)生的水滴會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的葉片產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生斷裂事故；二是會(huì)使汽輪機(jī)的工作效率降低。因此，必須對(duì)濕蒸汽進(jìn)行及時(shí)的測(cè)量，可以為工作人員提供合理的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)，更重要的是可以判定是否對(duì)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成威脅以及為設(shè)計(jì)人員對(duì)汽輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

濕蒸汽的測(cè)量固然重要，但是現(xiàn)階段仍然沒有一個(gè)精確的方法對(duì)其測(cè)量。目前，蒸汽濕度的測(cè)量方法有熱力學(xué)法、光學(xué)法、示蹤劑法、超聲波法、微波法等[1]。常用的測(cè)量方法有熱力學(xué)法和光學(xué)法[2]，雖然熱力學(xué)法測(cè)量原理簡(jiǎn)單，但需要從管道中抽取試樣，在取樣過程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差，并且在取樣點(diǎn)也會(huì)擾亂管道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)，誤差較大；光學(xué)法雖然測(cè)量精度高，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但是仍存在著隨機(jī)誤差大、測(cè)量值偏小、測(cè)量成本高等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的電容式濕度傳感器利用充放電的原理來測(cè)量微電容[3]，電容檢測(cè)芯片內(nèi)部放電電阻的放電時(shí)間被時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化器記錄下來，采取被測(cè)傳感器的電容值大小和參考電容47 pF的比值為輸出結(jié)果。由于使用同一個(gè)放電電阻，避免了溫度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同軸圓筒式電容傳感器[4]可以直接與蒸汽管道相連，能夠解決蒸汽濕度不能在線準(zhǔn)確測(cè)量的缺陷，而且不會(huì)影響管道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)。由于PCap01芯片功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)多極電容的同時(shí)也能高速測(cè)量，使得外部測(cè)量電路非常簡(jiǎn)單。PCap01芯片的電容測(cè)量結(jié)果通過SPI通信將數(shù)據(jù)傳入ARM芯片中進(jìn)行處理，最后通過AD421芯片將結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)，以供二次儀表的測(cè)量和工業(yè)控制的需求。

1 電容法測(cè)量原理

物體間電容量的大小與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，通過改變參數(shù)從而改變物體間的電容量來檢測(cè)被測(cè)量，這就是電容法的測(cè)量原理[5]。由物理學(xué)的知識(shí)可知，物體間電容量的大小與構(gòu)成電容器極板的大小、形狀、相互位置以及極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，其關(guān)系式為：

式中：為電容量，單位為pF；為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，單位為F/m；為極板間相互覆蓋面積，單位為mm2；為極板距離，單位為mm。

本設(shè)計(jì)中，當(dāng)濕蒸汽通過同軸圓筒形電容式傳感器時(shí)，蒸汽濕度的變化會(huì)使其等效介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容傳感器內(nèi)電容值的變化，外部測(cè)量電路檢測(cè)出電容值的變化并轉(zhuǎn)換為易識(shí)別的信號(hào)。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由多極電容傳感器、電容測(cè)量系統(tǒng)、SPI通信單元等組成，能夠?qū)φ羝麧穸冗M(jìn)行在線測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)的核心部分是變送器部分，由電容測(cè)量電路和單片機(jī)構(gòu)成。本文采用ARM32位的STM32F103系列單片機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。該系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，通過官方所提供的標(biāo)準(zhǔn)庫文件，可以非常簡(jiǎn)單地完成產(chǎn)品的開發(fā)。電容測(cè)量電路采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù)專用芯片PCap01及其外圍器件，PCap01測(cè)量出待測(cè)傳感器各極電容的電容值，并保存到芯片內(nèi)的結(jié)果寄存器中，然后通過SPI通信將測(cè)量結(jié)果傳送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算及處理。

AD421芯片的DATA，CLOCK，LATCH管腳分別與單片機(jī)的PC13～PC15管腳相連，把單片機(jī)運(yùn)算處理后的結(jié)果傳送到AD421。AD421具有16位的精度，是一款完整的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。A/D單元將濕度信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)，以供儀表測(cè)量。

2.1 多極電容傳感器設(shè)計(jì)

由于在相同的溫度和壓力下，水蒸汽與水滴的相對(duì)介電常數(shù)差異很大，當(dāng)一定的溫度和壓力下，水蒸汽通過電容傳感器，隨著濕度的改變會(huì)引起等效的介電常數(shù)發(fā)生改變，從而引起電容值的改變。根據(jù)這個(gè)原理，本文設(shè)計(jì)了一種同軸圓筒式多極電容傳感器[6]，結(jié)構(gòu)圖及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2和表1所示。該電容傳感器由多個(gè)圓筒形不銹鋼極板構(gòu)成，極板厚度要小，可以有效地減小傳感器邊緣效應(yīng)，極板間距盡量小一點(diǎn)，可以增大傳感器的電容值。在進(jìn)行蒸汽濕度測(cè)量過程中，可以將傳感器直接安裝在蒸汽管道上，流動(dòng)的蒸汽會(huì)全部通過傳感器，避免了由于取樣不準(zhǔn)確所帶來的測(cè)量誤差。電容器內(nèi)部4個(gè)極板的引線連接到PCap01芯片上，最外面的極板作為接地極。

由于加工條件的限制，電容傳感器的初始電容值會(huì)比較小，為了增大傳感器的初始電容值，將互不相鄰的兩個(gè)極板用導(dǎo)線連接起來，形成電容器的并聯(lián)形式。

當(dāng)電容器并聯(lián)時(shí)[6]，總電容量表示為：

式中：為濕蒸汽等效介電常數(shù)，單位為F/m；為真空介電常數(shù)，單位為F/m；為圓筒形電極的有效長(zhǎng)度，單位為mm；為極板總個(gè)數(shù)；為第（k+1）個(gè)圓筒電極的內(nèi)半徑，單位為mm；為第k個(gè)圓筒電極的外半徑，單位為mm。當(dāng)忽略極板壁厚度時(shí)，電容器總電容量可表示為：

從式（3）可以看出蒸汽濕度等效介電常數(shù)和電容值成線性關(guān)系，通過電容值的測(cè)量就可以得到濕度。當(dāng)確定出等效介電常數(shù)[7]后，即可求得濕度，如下：

式中：為蒸汽濕度；為水滴的密度，單位為kg/m3；為蒸汽的密度，單位為kg/m3；為濕蒸汽的等效相對(duì)介電常數(shù)，單位為F/m；為蒸汽等效的等效相對(duì)介電常數(shù)，單位為F/m；為水等效相對(duì)介電常數(shù)，單位為F/m。

2.2 電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本文使用ACAM公司生產(chǎn)的電容轉(zhuǎn)換技術(shù)專用芯片PCap01。它具有單片機(jī)處理單元，測(cè)量范圍從幾飛法到幾百納法，可以非常簡(jiǎn)單地通過改變配置來滿足各種不同應(yīng)用的需求。通過充放電時(shí)間的原理測(cè)量電容[8]，芯片內(nèi)部提供了4個(gè)放電電阻，10 kΩ，30 kΩ，90 kΩ，180 kΩ，它們?cè)趨⒖茧娙轂?～3.5 nF范圍內(nèi)適用。所以，本文使用47 pF為參考電容值，選擇30 kΩ為放電電阻。電容器首先由電源進(jìn)行充電，然后通過電阻進(jìn)行放電，放電時(shí)間被芯片內(nèi)部的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC記錄下來。這個(gè)測(cè)量過程將會(huì)在傳感器各極電容和參考電容上重復(fù)交錯(cuò)進(jìn)行，采用傳感器電容與參考電容的比值作為輸出結(jié)果，其關(guān)系式為：

式中：為被測(cè)電容放電時(shí)間，單位為ms；為參考電容放電時(shí)間，單位為ms；為測(cè)量電容，單位為pF；為參考電容，單位為pF。

PCap01芯片支持接地電容模式和漂移電容模式。接地電容模式是指電容測(cè)量端口直接連接待測(cè)電容到地；漂移模式是指將待測(cè)電容連接在測(cè)量端口之間。漂移模式可以同時(shí)開啟對(duì)內(nèi)部和外部寄生電容的補(bǔ)償，測(cè)量精度更高，所以本文選用漂移模式進(jìn)行電容值的測(cè)量，芯片的PC0和PC1管腳兩端連接上47 pF的參考電容，PC2～PC5管腳分別連接到電容傳感器的各極板。芯片內(nèi)的放電電阻選擇30 kΩ。電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。電容傳感器測(cè)量出的結(jié)果可通過SPI[9]或兩種方式傳送。本文選用SPI通信，將芯片IIC_EN引腳連GND，SPI通信方式開啟。將引腳SSN_PG0，SCK_SCL，MISO_PG1，MOSI_SDA分別與STM32單片機(jī)引腳PA4～PA7連接，使用SPI通信方式將電容測(cè)量出的結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理及運(yùn)算。芯片內(nèi)讀寄存器的內(nèi)容完全由固件所制定，只需要根據(jù)自己的需求更改配置寄存器的參數(shù)即可。本文使用SPI通信將測(cè)量出的數(shù)據(jù)傳送到STM32單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，就可以測(cè)量出電容傳感器每極所對(duì)應(yīng)的電容值。

3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理及運(yùn)算，也是變送器的核心部分，本文選用高性能的32位ARM Cortex?M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)核的工作頻率最高能夠達(dá)到72 MHz，內(nèi)部擁有高速的存儲(chǔ)器和大量?jī)?yōu)越的外設(shè)，芯片集成度高，外部電路簡(jiǎn)單，而且官方提供了很多高質(zhì)量的固件庫。芯片可以工作在-40～105 ℃的工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)，供電電壓為2.0～3.6 V。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成了3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，內(nèi)嵌了3個(gè)12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，總共有21個(gè)外部通道[9]。芯片內(nèi)部的DMA控制器擁有12個(gè)獨(dú)立的可配置通道，并且每一個(gè)配置通道都有專門的管理來自一個(gè)或多個(gè)外部設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)器的訪問請(qǐng)求。每個(gè)GPIO管腳都可以配置成為輸出、輸入或其他的模式。大部分的引腳都會(huì)和數(shù)字或模擬的外部設(shè)備共用，所有的GPIO引腳都可以通過大電流。單片機(jī)電路如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

濕度測(cè)量程序流程如圖5所示。首先，對(duì)單片機(jī)初始化，包括設(shè)置SPI通信參數(shù)、初始化I/O口等。然后將復(fù)位信號(hào)通過SPI通信傳輸?shù)絇Cap01芯片，對(duì)該芯片進(jìn)行一次上電復(fù)位，配置PCap01內(nèi)提供的配置寄存器和參數(shù)寄存器，使PC0～PC5管腳為測(cè)量狀態(tài)。配置完成后，開始進(jìn)行電容測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果保存到PCap01芯片內(nèi)部結(jié)果寄存器中，通過SPI通信將數(shù)據(jù)傳入STM32單片機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算，之后轉(zhuǎn)換為濕度值。最后通過AD421芯片將處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號(hào)。

5 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的圓筒形電容傳感器由4個(gè)極板組成，有效長(zhǎng)度= 200 mm。選用信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十九研究所研制成的BSZ型飽和鹽濕度發(fā)生裝置[10]來模擬產(chǎn)生濕蒸汽。產(chǎn)生蒸汽的濕度范圍為10%RH～25%RH，溫度在25 ℃左右，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，實(shí)驗(yàn)室中固定溫度在25 ℃，隨著濕度的變化，會(huì)測(cè)量出相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換的電流的大小變化，繪制了電流?濕度曲線，如圖6所示。從圖6可以看出輸出的電流值會(huì)隨著產(chǎn)生蒸汽濕度的增加而逐漸增大，并且電流與濕度呈線性關(guān)系。

6 結(jié) 語

因?yàn)楫a(chǎn)生的濕蒸汽和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的有差別，以及傳感器制作工藝，測(cè)量時(shí)外部的溫度和壓力等因素影響，難免會(huì)產(chǎn)生一些誤差。由于現(xiàn)階段濕度的標(biāo)定還不是很完善，需要進(jìn)一步在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定溫度下，隨著產(chǎn)生濕度的變化，濕度與輸出電流呈線性關(guān)系，當(dāng)產(chǎn)生的濕度不變時(shí)，電流趨于穩(wěn)定狀態(tài)，本設(shè)計(jì)的電容式濕度傳感器能夠進(jìn)行濕度的測(cè)量。

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