电容式湿度传感器的设计

田海军+薛家兴+薛彦杰

摘 要： 为了能够更好解决测量流动蒸汽湿度准确度低、难度大等问题，设计了一种电容式湿度传感器，其为同轴圆筒式多极电容传感器结构，利用电容数字转换技术芯片PCap01进行电容值的检测，通过SPI通信方式将测量结果传输到STM32单片机中进行处理，采用AD421将输出结果转换为标准的4～20 mA信号。实验结果表明，在一定温度下，随着产生湿度的变化，湿度与输出电流呈线性关系，当产生的湿度不变时，电流趋于稳定状态，该设计能够进行湿度的测量。

关键词： 多极电容传感器； 湿度测量； PCap01； 电容检测

中图分类号： TN641+.2?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 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

蒸汽湿度的大小是衡量蒸汽品质好坏的重要参数，湿蒸汽的存在严重影响了汽轮机的安全性和经济性。湿蒸汽的存在对汽轮机的运行主要带来两方面的问题：一是蒸汽凝结产生的水滴会对汽轮机的叶片产生侵蚀现象，严重时甚至发生断裂事故；二是会使汽轮机的工作效率降低。因此，必须对湿蒸汽进行及时的测量，可以为工作人员提供合理的运行参数指标，更重要的是可以判定是否对汽轮机的安全经济运行造成威胁以及为设计人员对汽轮机的优化设计提供一定的技术依据。

湿蒸汽的测量固然重要，但是现阶段仍然没有一个精确的方法对其测量。目前，蒸汽湿度的测量方法有热力学法、光学法、示踪剂法、超声波法、微波法等[1]。常用的测量方法有热力学法和光学法[2]，虽然热力学法测量原理简单，但需要从管道中抽取试样，在取样过程中难免会产生误差，并且在取样点也会扰乱管道内蒸汽的流动，误差较大；光学法虽然测量精度高，可以实现非接触测量，但是仍存在着随机误差大、测量值偏小、测量成本高等缺点。本文设计的电容式湿度传感器利用充放电的原理来测量微电容[3]，电容检测芯片内部放电电阻的放电时间被时间数字转化器记录下来，采取被测传感器的电容值大小和参考电容47 pF的比值为输出结果。由于使用同一个放电电阻，避免了温度的变化对测量结果的影响。同轴圆筒式电容传感器[4]可以直接与蒸汽管道相连，能够解决蒸汽湿度不能在线准确测量的缺陷，而且不会影响管道内蒸汽的流动。由于PCap01芯片功能强大，能够实现多极电容的同时也能高速测量，使得外部测量电路非常简单。PCap01芯片的电容测量结果通过SPI通信将数据传入ARM芯片中进行处理，最后通过AD421芯片将结果转换为4～20 mA信号，以供二次仪表的测量和工业控制的需求。

1 电容法测量原理

物体间电容量的大小与其内部结构参数相关，通过改变参数从而改变物体间的电容量来检测被测量，这就是电容法的测量原理[5]。由物理学的知识可知，物体间电容量的大小与构成电容器极板的大小、形状、相互位置以及极板间介质的介电常数有关，其关系式为：

式中：为电容量，单位为pF；为极板间介质的介电常数，单位为F/m；为极板间相互覆盖面积，单位为mm2；为极板距离，单位为mm。

本設计中，当湿蒸汽通过同轴圆筒形电容式传感器时，蒸汽湿度的变化会使其等效介电常数发生变化，从而引起电容传感器内电容值的变化，外部测量电路检测出电容值的变化并转换为易识别的信号。

2 测量系统设计

测量系统由多极电容传感器、电容测量系统、SPI通信单元等组成，能够对蒸汽湿度进行在线测量，测量系统的组成框图如图1所示。

本设计的核心部分是变送器部分，由电容测量电路和单片机构成。本文采用ARM32位的STM32F103系列单片机对结果进行处理。该系列单片机具有功能强大、功耗低等优点，通过官方所提供的标准库文件，可以非常简单地完成产品的开发。电容测量电路采用电容数字转化技术专用芯片PCap01及其外围器件，PCap01测量出待测传感器各极电容的电容值，并保存到芯片内的结果寄存器中，然后通过SPI通信将测量结果传送给单片机进行运算及处理。

AD421芯片的DATA，CLOCK，LATCH管脚分别与单片机的PC13～PC15管腳相连，把单片机运算处理后的结果传送到AD421。AD421具有16位的精度，是一款完整的数字转换器。A/D单元将湿度信息转换为标准的4～20 mA电流信号，以供仪表测量。

2.1 多极电容传感器设计

由于在相同的温度和压力下，水蒸汽与水滴的相对介电常数差异很大，当一定的温度和压力下，水蒸汽通过电容传感器，随着湿度的改变会引起等效的介电常数发生改变，从而引起电容值的改变。根据这个原理，本文设计了一种同轴圆筒式多极电容传感器[6]，结构图及结构参数如图2和表1所示。该电容传感器由多个圆筒形不锈钢极板构成，极板厚度要小，可以有效地减小传感器边缘效应，极板间距尽量小一点，可以增大传感器的电容值。在进行蒸汽湿度测量过程中，可以将传感器直接安装在蒸汽管道上，流动的蒸汽会全部通过传感器，避免了由于取样不准确所带来的测量误差。电容器内部4个极板的引线连接到PCap01芯片上，最外面的极板作为接地极。

由于加工条件的限制，电容传感器的初始电容值会比较小，为了增大传感器的初始电容值，将互不相邻的两个极板用导线连接起来，形成电容器的并联形式。

当电容器并联时[6]，总电容量表示为：

式中：为湿蒸汽等效介电常数，单位为F/m；为真空介电常数，单位为F/m；为圆筒形电极的有效长度，单位为mm；为极板总个数；为第（k+1）个圆筒电极的内半径，单位为mm；为第k个圆筒电极的外半径，单位为mm。当忽略极板壁厚度时，电容器总电容量可表示为：

从式（3）可以看出蒸汽湿度等效介电常数和电容值成线性关系，通过电容值的测量就可以得到湿度。当确定出等效介电常数[7]后，即可求得湿度，如下：

式中：为蒸汽湿度；为水滴的密度，单位为kg/m3；为蒸汽的密度，单位为kg/m3；为湿蒸汽的等效相对介电常数，单位为F/m；为蒸汽等效的等效相对介电常数，单位为F/m；为水等效相对介电常数，单位为F/m。

2.2 电容测量电路设计

本文使用ACAM公司生产的电容转换技术专用芯片PCap01。它具有单片机处理单元，测量范围从几飞法到几百纳法，可以非常简单地通过改变配置来满足各种不同应用的需求。通过充放电时间的原理测量电容[8]，芯片内部提供了4个放电电阻，10 kΩ，30 kΩ，90 kΩ，180 kΩ，它们在参考电容为0～3.5 nF范围内适用。所以，本文使用47 pF为参考电容值，选择30 kΩ为放电电阻。电容器首先由电源进行充电，然后通过电阻进行放电，放电时间被芯片内部的高精度时间数字转换器TDC记录下来。这个测量过程将会在传感器各极电容和参考电容上重复交错进行，采用传感器电容与参考电容的比值作为输出结果，其关系式为：

式中：为被测电容放电时间，单位为ms；为参考电容放电时间，单位为ms；为测量电容，单位为pF；为参考电容，单位为pF。

PCap01芯片支持接地电容模式和漂移电容模式。接地电容模式是指电容测量端口直接连接待测电容到地；漂移模式是指将待测电容连接在测量端口之间。漂移模式可以同时开启对内部和外部寄生电容的补偿，测量精度更高，所以本文选用漂移模式进行电容值的测量，芯片的PC0和PC1管脚两端连接上47 pF的参考电容，PC2～PC5管脚分别连接到电容传感器的各极板。芯片内的放电电阻选择30 kΩ。电容测量电路设计如图3所示。电容传感器测量出的结果可通过SPI[9]或两种方式传送。本文选用SPI通信，将芯片IIC_EN引脚连GND，SPI通信方式开启。将引脚SSN_PG0，SCK_SCL，MISO_PG1，MOSI_SDA分别与STM32单片机引脚PA4～PA7连接，使用SPI通信方式将电容测量出的结果传输到单片机中进行处理及运算。芯片内读寄存器的内容完全由固件所制定，只需要根据自己的需求更改配置寄存器的参数即可。本文使用SPI通信将测量出的数据传送到STM32单片机中进行数据的处理，就可以测量出电容传感器每极所对应的电容值。

3 单片机电路设计

单片机将测量结果进行处理及运算，也是变送器的核心部分，本文选用高性能的32位ARM Cortex?M3内核的STM32F103C8T6单片机。STM32F103系列单片机内核的工作频率最高能够达到72 MHz，内部拥有高速的存储器和大量优越的外设，芯片集成度高，外部电路简单，而且官方提供了很多高质量的固件库。芯片可以工作在-40～105 ℃的工业级温度范围内，供电电压为2.0～3.6 V。单片机芯片内部集成了3个16位的定时/计数器，内嵌了3个12位模/数转换器，总共有21个外部通道[9]。芯片内部的DMA控制器拥有12个独立的可配置通道，并且每一个配置通道都有专门的管理来自一个或多个外部设备对存储器的访问请求。每个GPIO管脚都可以配置成为输出、输入或其他的模式。大部分的引脚都会和数字或模拟的外部设备共用，所有的GPIO引脚都可以通过大电流。单片机电路如图4所示。

4 软件设计

湿度测量程序流程如图5所示。首先，对单片机初始化，包括设置SPI通信参数、初始化I/O口等。然后将复位信号通过SPI通信传输到PCap01芯片，对该芯片进行一次上电复位，配置PCap01内提供的配置寄存器和参数寄存器，使PC0～PC5管脚为测量状态。配置完成后，开始进行电容测量，将测量结果保存到PCap01芯片内部结果寄存器中，通过SPI通信将数据传入STM32单片机中进行处理和计算，之后转换为湿度值。最后通过AD421芯片将处理后的结果转换为4～20 mA电流信号。

5 实 验

实验所用的圆筒形电容传感器由4个极板组成，有效长度= 200 mm。选用信息产业部电子第四十九研究所研制成的BSZ型饱和盐湿度发生装置[10]来模拟产生湿蒸汽。产生蒸汽的湿度范围为10%RH～25%RH，温度在25 ℃左右，压力为标准大气压，实验室中固定温度在25 ℃，随着湿度的变化，会测量出相对应转换的电流的大小变化，绘制了电流?湿度曲线，如图6所示。从图6可以看出输出的电流值会随着产生蒸汽湿度的增加而逐渐增大，并且电流与湿度呈线性关系。

6 结 语

因为产生的湿蒸汽和工业现场的有差别，以及传感器制作工艺，测量时外部的温度和压力等因素影响，难免会产生一些误差。由于现阶段湿度的标定还不是很完善，需要进一步在工业现场中进行实验。实验结果表明，在一定温度下，随着产生湿度的变化，湿度与输出电流呈线性关系，当产生的湿度不变时，电流趋于稳定状态，本设计的电容式湿度传感器能够进行湿度的测量。

参考文献

[1] 李炎锋，王新军，徐延相，等.蒸汽透平中流动蒸汽湿度测量方法的分析与比较[J].汽轮机技术，2000，42（3）：156?161.

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[4] 宁德亮.新型电容传感器测量流动蒸汽湿度的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[5] 樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：230?234.

[6] 宁德亮，阎昌琪，高璞珍.新型电容式蒸汽湿度传感器结构设计[J].传感器与微系统，2007，26（3）：65?67.

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[8] 张晓，史丽萍.基于电容感应元的多层液位传感器的研究[J].仪表技术与传感器，2003（9）：5?7.

[9] 邓国荣.基于STM32 SPI接口的M25P80 FLASH的驱动设计与实现[J].机电信息，2013（6）：1?2.

[10] 卢崇考，周明军，路琳.湿度计量基准与标准[J].传感器世界，2000（10）：9?14.