電容式濕度傳感器的設計

田海軍+薛家興+薛彥杰

摘 要： 為了能夠更好解決測量流動蒸汽濕度準確度低、難度大等問題，設計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構，利用電容數字轉換技術芯片PCap01進行電容值的檢測，通過SPI通信方式將測量結果傳輸到STM32單片機中進行處理，采用AD421將輸出結果轉換為標準的4～20 mA信號。實驗結果表明，在一定溫度下，隨著產生濕度的變化，濕度與輸出電流呈線性關系，當產生的濕度不變時，電流趨于穩定狀態，該設計能夠進行濕度的測量。

關鍵詞： 多極電容傳感器； 濕度測量； PCap01； 電容檢測

中圖分類號： TN641+.2?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 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好壞的重要參數，濕蒸汽的存在嚴重影響了汽輪機的安全性和經濟性。濕蒸汽的存在對汽輪機的運行主要帶來兩方面的問題：一是蒸汽凝結產生的水滴會對汽輪機的葉片產生侵蝕現象，嚴重時甚至發生斷裂事故；二是會使汽輪機的工作效率降低。因此，必須對濕蒸汽進行及時的測量，可以為工作人員提供合理的運行參數指標，更重要的是可以判定是否對汽輪機的安全經濟運行造成威脅以及為設計人員對汽輪機的優化設計提供一定的技術依據。

濕蒸汽的測量固然重要，但是現階段仍然沒有一個精確的方法對其測量。目前，蒸汽濕度的測量方法有熱力學法、光學法、示蹤劑法、超聲波法、微波法等[1]。常用的測量方法有熱力學法和光學法[2]，雖然熱力學法測量原理簡單，但需要從管道中抽取試樣，在取樣過程中難免會產生誤差，并且在取樣點也會擾亂管道內蒸汽的流動，誤差較大；光學法雖然測量精度高，可以實現非接觸測量，但是仍存在著隨機誤差大、測量值偏小、測量成本高等缺點。本文設計的電容式濕度傳感器利用充放電的原理來測量微電容[3]，電容檢測芯片內部放電電阻的放電時間被時間數字轉化器記錄下來，采取被測傳感器的電容值大小和參考電容47 pF的比值為輸出結果。由于使用同一個放電電阻，避免了溫度的變化對測量結果的影響。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確測量的缺陷，而且不會影響管道內蒸汽的流動。由于PCap01芯片功能強大，能夠實現多極電容的同時也能高速測量，使得外部測量電路非常簡單。PCap01芯片的電容測量結果通過SPI通信將數據傳入ARM芯片中進行處理，最后通過AD421芯片將結果轉換為4～20 mA信號，以供二次儀表的測量和工業控制的需求。

1 電容法測量原理

物體間電容量的大小與其內部結構參數相關，通過改變參數從而改變物體間的電容量來檢測被測量，這就是電容法的測量原理[5]。由物理學的知識可知，物體間電容量的大小與構成電容器極板的大小、形狀、相互位置以及極板間介質的介電常數有關，其關系式為：

式中：為電容量，單位為pF；為極板間介質的介電常數，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。

本設計中，當濕蒸汽通過同軸圓筒形電容式傳感器時，蒸汽濕度的變化會使其等效介電常數發生變化，從而引起電容傳感器內電容值的變化，外部測量電路檢測出電容值的變化并轉換為易識別的信號。

2 測量系統設計

測量系統由多極電容傳感器、電容測量系統、SPI通信單元等組成，能夠對蒸汽濕度進行在線測量，測量系統的組成框圖如圖1所示。

本設計的核心部分是變送器部分，由電容測量電路和單片機構成。本文采用ARM32位的STM32F103系列單片機對結果進行處理。該系列單片機具有功能強大、功耗低等優點，通過官方所提供的標準庫文件，可以非常簡單地完成產品的開發。電容測量電路采用電容數字轉化技術專用芯片PCap01及其外圍器件，PCap01測量出待測傳感器各極電容的電容值，并保存到芯片內的結果寄存器中，然后通過SPI通信將測量結果傳送給單片機進行運算及處理。

AD421芯片的DATA，CLOCK，LATCH管腳分別與單片機的PC13～PC15管腳相連，把單片機運算處理后的結果傳送到AD421。AD421具有16位的精度，是一款完整的數字轉換器。A/D單元將濕度信息轉換為標準的4～20 mA電流信號，以供儀表測量。

2.1 多極電容傳感器設計

由于在相同的溫度和壓力下，水蒸汽與水滴的相對介電常數差異很大，當一定的溫度和壓力下，水蒸汽通過電容傳感器，隨著濕度的改變會引起等效的介電常數發生改變，從而引起電容值的改變。根據這個原理，本文設計了一種同軸圓筒式多極電容傳感器[6]，結構圖及結構參數如圖2和表1所示。該電容傳感器由多個圓筒形不銹鋼極板構成，極板厚度要小，可以有效地減小傳感器邊緣效應，極板間距盡量小一點，可以增大傳感器的電容值。在進行蒸汽濕度測量過程中，可以將傳感器直接安裝在蒸汽管道上，流動的蒸汽會全部通過傳感器，避免了由于取樣不準確所帶來的測量誤差。電容器內部4個極板的引線連接到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比較小，為了增大傳感器的初始電容值，將互不相鄰的兩個極板用導線連接起來，形成電容器的并聯形式。

當電容器并聯時[6]，總電容量表示為：

式中：為濕蒸汽等效介電常數，單位為F/m；為真空介電常數，單位為F/m；為圓筒形電極的有效長度，單位為mm；為極板總個數；為第（k+1）個圓筒電極的內半徑，單位為mm；為第k個圓筒電極的外半徑，單位為mm。當忽略極板壁厚度時，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和電容值成線性關系，通過電容值的測量就可以得到濕度。當確定出等效介電常數[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介電常數，單位為F/m；為蒸汽等效的等效相對介電常數，單位為F/m；為水等效相對介電常數，單位為F/m。

2.2 電容測量電路設計

本文使用ACAM公司生產的電容轉換技術專用芯片PCap01。它具有單片機處理單元，測量范圍從幾飛法到幾百納法，可以非常簡單地通過改變配置來滿足各種不同應用的需求。通過充放電時間的原理測量電容[8]，芯片內部提供了4個放電電阻，10 kΩ，30 kΩ，90 kΩ，180 kΩ，它們在參考電容為0～3.5 nF范圍內適用。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行充電，然后通過電阻進行放電，放電時間被芯片內部的高精度時間數字轉換器TDC記錄下來。這個測量過程將會在傳感器各極電容和參考電容上重復交錯進行，采用傳感器電容與參考電容的比值作為輸出結果，其關系式為：

式中：為被測電容放電時間，單位為ms；為參考電容放電時間，單位為ms；為測量電容，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量端口直接連接待測電容到地；漂移模式是指將待測電容連接在測量端口之間。漂移模式可以同時開啟對內部和外部寄生電容的補償，測量精度更高，所以本文選用漂移模式進行電容值的測量，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。芯片內的放電電阻選擇30 kΩ。電容測量電路設計如圖3所示。電容傳感器測量出的結果可通過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單片機引腳PA4～PA7連接，使用SPI通信方式將電容測量出的結果傳輸到單片機中進行處理及運算。芯片內讀寄存器的內容完全由固件所制定，只需要根據自己的需求更改配置寄存器的參數即可。本文使用SPI通信將測量出的數據傳送到STM32單片機中進行數據的處理，就可以測量出電容傳感器每極所對應的電容值。

3 單片機電路設計

單片機將測量結果進行處理及運算，也是變送器的核心部分，本文選用高性能的32位ARM Cortex?M3內核的STM32F103C8T6單片機。STM32F103系列單片機內核的工作頻率最高能夠達到72 MHz，內部擁有高速的存儲器和大量優越的外設，芯片集成度高，外部電路簡單，而且官方提供了很多高質量的固件庫。芯片可以工作在-40～105 ℃的工業級溫度范圍內，供電電壓為2.0～3.6 V。單片機芯片內部集成了3個16位的定時/計數器，內嵌了3個12位模/數轉換器，總共有21個外部通道[9]。芯片內部的DMA控制器擁有12個獨立的可配置通道，并且每一個配置通道都有專門的管理來自一個或多個外部設備對存儲器的訪問請求。每個GPIO管腳都可以配置成為輸出、輸入或其他的模式。大部分的引腳都會和數字或模擬的外部設備共用，所有的GPIO引腳都可以通過大電流。單片機電路如圖4所示。

4 軟件設計

濕度測量程序流程如圖5所示。首先，對單片機初始化，包括設置SPI通信參數、初始化I/O口等。然后將復位信號通過SPI通信傳輸到PCap01芯片，對該芯片進行一次上電復位，配置PCap01內提供的配置寄存器和參數寄存器，使PC0～PC5管腳為測量狀態。配置完成后，開始進行電容測量，將測量結果保存到PCap01芯片內部結果寄存器中，通過SPI通信將數據傳入STM32單片機中進行處理和計算，之后轉換為濕度值。最后通過AD421芯片將處理后的結果轉換為4～20 mA電流信號。

5 實 驗

實驗所用的圓筒形電容傳感器由4個極板組成，有效長度= 200 mm。選用信息產業部電子第四十九研究所研制成的BSZ型飽和鹽濕度發生裝置[10]來模擬產生濕蒸汽。產生蒸汽的濕度范圍為10%RH～25%RH，溫度在25 ℃左右，壓力為標準大氣壓，實驗室中固定溫度在25 ℃，隨著濕度的變化，會測量出相對應轉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隨著產生蒸汽濕度的增加而逐漸增大，并且電流與濕度呈線性關系。

6 結 語

因為產生的濕蒸汽和工業現場的有差別，以及傳感器制作工藝，測量時外部的溫度和壓力等因素影響，難免會產生一些誤差。由于現階段濕度的標定還不是很完善，需要進一步在工業現場中進行實驗。實驗結果表明，在一定溫度下，隨著產生濕度的變化，濕度與輸出電流呈線性關系，當產生的濕度不變時，電流趨于穩定狀態，本設計的電容式濕度傳感器能夠進行濕度的測量。

參考文獻

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