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摘 要：本文主要讲述电容式湿度传感器，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，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。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4～20mA信号。实验得出结论：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
同轴圆筒式电容传感器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C=f（ε，s，δ）知，C为电容量，ε为极板间介质的介电常数，s为极板间相互覆盖面积，δ为极板距离。本设计中，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，外部測量电路检测出电容值的变化并转换为易识别的信号。
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。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。采用ARM32位的STM32F103系列单片机对结果进行处理。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管脚相连，把单片机运算处理后的结果传送到AD421。A/D单元将湿度信息转换为标准的4～20mA电流信号，以供仪表测量。
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。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。当忽略极板壁厚度时电容器总电容量C可表示为：
通过充放电时间的原理测量电容，芯片内部提供了4个放电电阻，10kΩ，30kΩ，90kΩ，180kΩ。本文使用47pf为参考电容值，选择30kΩ为放电电阻。电容器首先进行充电，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。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：τN/τref=CN/Cref式中：τN为被测电容放电时间，单位为ms；τref为参考电容放电时间，单位为ms；CN为测量电容，单位为pf；Cref为参考电容，单位为pf。
单片机是变送器的核心部分，本文选用高性能的32位ARMCortex 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72MHz，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。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。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。
实验所用的圆筒形电容传感器由4个极板组成，有效长度l=200mm。选用BSZ型饱和盐湿度发生装置来模拟产生湿蒸汽。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，会测出相对应转换的电流的大小变化，绘制了电流湿度曲线。
实验表明，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。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。
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.
[2]韩中合，杨昆.汽轮机中蒸汽湿度测量方法的研究现状[J].华北电力大学学报，2002，29（4）：44-47.
[3]高超，王俊雄.新型栅状电容式液位传感器原理及应用[J].仪表技术与传感器，2011（3）：9-10.
[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.
作者简介：秦慧娴，北京林业大学。
关键词：多极电容传感器；湿度测量；PCap01；电容检测
同轴圆筒式电容传感器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C=f（ε，s，δ）知，C为电容量，ε为极板间介质的介电常数，s为极板间相互覆盖面积，δ为极板距离。本设计中，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，外部測量电路检测出电容值的变化并转换为易识别的信号。
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。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。采用ARM32位的STM32F103系列单片机对结果进行处理。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管脚相连，把单片机运算处理后的结果传送到AD421。A/D单元将湿度信息转换为标准的4～20mA电流信号，以供仪表测量。
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。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。当忽略极板壁厚度时电容器总电容量C可表示为：
通过充放电时间的原理测量电容，芯片内部提供了4个放电电阻，10kΩ，30kΩ，90kΩ，180kΩ。本文使用47pf为参考电容值，选择30kΩ为放电电阻。电容器首先进行充电，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。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：τN/τref=CN/Cref式中：τN为被测电容放电时间，单位为ms；τref为参考电容放电时间，单位为ms；CN为测量电容，单位为pf；Cref为参考电容，单位为pf。
单片机是变送器的核心部分，本文选用高性能的32位ARMCortex 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72MHz，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。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。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。
实验所用的圆筒形电容传感器由4个极板组成，有效长度l=200mm。选用BSZ型饱和盐湿度发生装置来模拟产生湿蒸汽。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，会测出相对应转换的电流的大小变化，绘制了电流湿度曲线。
实验表明，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。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。
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.
[2]韩中合，杨昆.汽轮机中蒸汽湿度测量方法的研究现状[J].华北电力大学学报，2002，29（4）：44-47.
[3]高超，王俊雄.新型栅状电容式液位传感器原理及应用[J].仪表技术与传感器，2011（3）：9-10.
[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.
作者简介：秦慧娴，北京林业大学。