基于α-Al2O3/SiO2电容式露点变送器的设计及应用

2021-09-07薛培雷蒋书波陶芳玲

仪表技术与传感器 2021年8期

薛培雷，蒋书波，陶芳玲，沈宇

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，江苏南京 211816)

0 引言

露点温度即在气体中水汽含量不变，保持气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度，简称露点。露点测量在工业的生产应用中越来越广泛，尤其是在工业气体、电力、半导体、食品加工、机械制造等行业。近年来，国内外制造商也逐渐认识到空气以及管道中存在过多的水汽会带来多种负面影响，例如，气动零部件寿命的缩短、管道的腐蚀、对部分气体系统的污染等。在实际工业生产过程中，由于维护不当，用于除去气体中水分的干燥装置不会按照预定工作进行，在这种情况下，露点测量便能作为一种监测系统，对未能正常运行的干燥装置及时发出报警信号，为系统的正常运行提供了保障[1]。

目前市场上常见的露点仪有以下两种类型：冷镜式露点仪，电容式露点变送器。冷镜式露点仪作为露点测量的标准仪器，具有测量范围宽、测量精度高等优点，但是冷镜式露点仪价格高，操作难度较大，且安装和维护比较困难[2]。维萨拉的一款薄膜式露点变送器，具有较小的温度系数和较高的准确度，但是它不适用于低露点测量；γ- Al2O3电容式露点变送器，可以测量低露点温度，也具有较小的温度系数，但是它长时间工作于高露点环境后会出现较大的漂移，这就导致该变送器需要频繁校准[3]。

本文设计了α-Al2O3/SiO2电容式露点变送器，由于SiO2的稳定性和亲水性，α-Al2O3的热力学稳定性，使得该变送器具有稳定的性能，不会出现较大的漂移，不需要重新校准，可以储存在任何地方，并且可以在其测量的露点范围-80～20 ℃内做出快速响应。

1 α-Al2O3/SiO2电容传感器

1.1 传感器结构

α-Al2O3/SiO2电容传感器结构如图1所示。将铝片进行氧化，形成厚度一定、孔径均匀的多孔氧化铝层，然后在氧化铝上沉积一层二氧化硅用于保形和绝缘，否则可能导致传感器由于短路而失效，最后使用真空蒸发法在多孔结构的顶部沉积一层金属膜用于导电，铝片基底和金膜形成上下两个电极，用引线接出即构成湿敏元件[4]。

图1 传感器结构示意图

1.2 传感器的感湿机理及测量方法

在测量时，由于金属膜很薄，水蒸气分子可以迅速通过(其他分子无法透过)，而二氧化硅是一种亲水且不与水发生反应的多孔介电材料，对湿度也很敏感，因此将二氧化硅用作纳米级湿度传感膜，水分子可在二氧化硅的孔壁上达到平衡。当被测气体的湿度发生变化时，水分子在孔壁上重新寻找新的平衡，这就使得电容传感器的相对介电常数发生了变化，传感器的电容值随之改变，从而实现湿度的测量。电容式传感器的工作原理比较复杂，常用图2的等效模型电路来解释。

图2 传感器等效电路模型

由于电容传感器在低湿度的环境下，电容很小且变化很慢，为了精确测量到电容值的微弱变化，必须采用相应的检测电路来测量该微小电容，目前常用的检测方法为开关电容法和振荡电路法[5]。开关电容法是将传感器电容值的变化转换成电压的变化，该方法精度较高，但是电路结构复杂，功率较大；振荡电路法是将电容值的变化转换成频率的变化，精度高，是目前比较常用的方法，且电路简单，较易实现。本设计采用振荡电路方法，电容检测原理示意图如图3所示。

图3 电容检测原理示意图

1.3 传感器的温度特性

在实验测量过程中发现，相同露点温度下测量的频率值会随着环境温度的变化而变化。于是使α-Al2O3/SiO2电容传感器分别处于-10、0、10 ℃的环境温度下，并对其进行频率采集，结果如图4所示。从图中可以看到，在相同露点温度、不同环境温度下，采集到的频率值不同，这就说明此时传感器的等效电容是不同的。这是由于微水测量不同于普通环境，需要从微观角度来进行理解和研究，在低湿环境下，水分子的含量极低，此时的微水测量非常容易受到干扰，内壁残存的水分子会使被测气体中的含水量改变，温度的不稳定将促进产生新的气液平衡[6]。

图4 不同温度下露点温度与频率关系

2 α-Al2O3/SiO2电容式露点变送器

设计的α-Al2O3/SiO2电容式露点变送器，具有较高的热稳定性，能够在低露点环境下实现快速响应，并且在大多数工业场合都易于安装。

2.1 整体方案设计

本设计主要包括温度补偿电路、频率采集电路、V/I转换电路和485通讯电路、电源电路等部分。电容传感器随着待测气体水分的变化，电容值也会随之变化，通过频率采集电路，将电容值转换成频率信号输入到单片机内部A/D。温度传感器随着待测气体温度的变化，电阻值也会随之变化，通过温度补偿电路，将电阻值转换成电压信号输入到单片机内部D/A。单片机通过内部的数据处理，再通过内部D/A以电压的形式输出到V/I转换电路，最终以电流4～20 mA标准信号输出，也可通过RS-485通讯模块以数字信号输出。系统原理框图如图5所示。

图5 系统原理框图

2.2 硬件电路设计

2.2.1 温度补偿电路

本设计采用OPA2241低功耗轨对轨运算放大器，通过两线制恒流源的方式测量温度。供电电压经过电压跟随器与定值电阻形成恒流源，为铂电阻温度传感器提供约1 mA的恒定电流，解决了电路自热效应的问题，减小温漂带来的误差。铂电阻传感器的阻值随外界温度的变化而变化，其两端电压也发生变化，通过MSP430单片机内部A/D转换器将得到的电压信号转化为数字信号[7]。

2.2.2 频率采集电路

本设计采用COMS RS定时器ICM7555来进行信号采集，将电容传感器接入ICM7555的外围电路中，根据电容传感器的感湿机理，被测气体的湿度变化直接影响传感器吸湿层的水分子含量，使得传感器吸湿层的相对介质常数发生变化，传感器的输出电容值也发生变化，采集到的频率值也随即发生变化，具体计算公式如下：

(1)

式中：f为频率值；R1=100 kΩ，R2=30 kΩ;C为电容传感器的容值。

2.2.3 V/I转换电路

本设计采用XTR115作为V/I转换的核心芯片，实现两线制4～20 mA电流输出。单片机D/A口输出的模拟电压0～2.5 V，经过电阻Rin1以及Rs1的电流补偿，得到40～200 μA的电流。经XTR115内部电路放大100倍后，以4～20 mA标准信号输出[8-9]。

2.2.4 485通讯电路

本设计采用超低功耗3471CUA(RS-485)作为通讯芯片，正常工作电流仅为1.6 μA，通过Modbus-RTU协议与上位机进行通讯，可满足系统在线对频率值的采集，并可根据现场需要改变系统的测量量程。

3 电容式露点变送器的标定

标定实验是根据已知标准露点值以及标准温度值的标准试件进行的。对采集到的露点值、温度值、频率值进行拟合，获得具有温度补偿功能的对应关系。

3.1 标准试件

标准试件如图6所示。采用标准露点发生器来产生所需要的标准露点值，该露点发生器中用于显示标准露点的变送器S8000，经成都市计量检定测试院校准，最大误差不超过±1 ℃；采用SDK-701快速高低温试验箱，该高低温试验箱温度测量范围为-70～150 ℃，温度稳定后的控制误差≤1 ℃，响应速度为20 ℃/min。

图6 标准试件实物图

3.2 标定方法

本文对电容式露点变送器进行了标定试验。设定固定露点和温度值，当传热过程以及采集的频率值达到稳定之后，记录此时的温度值和采集的频率值。具体标定办法如下：

选取露点测试范围为:-80～20 ℃，温度测试范围为：-20～30 ℃。温度设定值从30 ℃开始选取，以5 ℃为一个梯度向下递减到-20 ℃；在每个温度值节点，露点值从20 ℃开始测试，以5 ℃为一个梯度向下递减直至测试到-80 ℃。

开机后在露点变送器运行正常的情况下，保证变送器以及样气通路处于变温箱内，此时控制变温箱和露点发生器产生标准温度以及标准露点。当变温箱内的温度达到控制要求后，每隔15 min记录一次频率值，直至相邻两次频率值之差≤2 Hz，此时可视为标定实验环境露点温度是稳定的，即可记录当下的频率值。

3.3 标定结果及数据处理

根据以上的标定方法，分别测量了11个环境温度下，21个露点温度所对应的频率值。为了更直观看出不同温度对露点测量的影响，将测得的部分数据绘制在图中，如图7所示。为了更好地比较实际的测量结果，选取了环境温度分别在-15、0、25 ℃下，露点为-80～20 ℃所对应的频率值，如表1所示。在低露点测量时，环境温度对露点测量的影响较小；在中高露点测量时，环境温度对露点的测量影响较明显。

图7 不同温度的频率曲线

表1 不同温度的频率值对比

根据标定结果得到了露点温度、环境温度、频率值的三维离散点，根据最小二乘法可以将这些离散点拟合为所需的连续曲面并得到曲面方程。

曲面方程的一般形式如下：

(2)

式中：m为多项式次数；ci,j-i为多项式系数；i,j=0,1,2,…,m。

根据已知一般形式对实验获得的有限数据进行拟合，获得了露点温度与环境温度及频率的关系。

DP=a0+a1T+a2f+a3T2+a4Tf+a5f2+
a6T3+a7T2f+a8Tf2+a9f3+a10T4+
a11T3f+a12T2f2+a13Tf3+a14f4

(3)

式中：DP为露点温度；a为已知常数；T为环境温度；f为频率值。

3.4 软件设计

从上述数据处理中，得到了露点温度、环境温度和频率的曲面方程(3)，该方程应用于露点计算，将作为数据处理的重要公式。

软件设计流程如图8所示。单片机在初始化后开始进行数据采集，单片机通过记录外部中断次数，每进行一次外部中断，计数加1，直到定时溢出，经数据处理后得到露点值，通过单片机内部D/A转换输出露点对应的模拟量，之后即进入LPM0低功耗模式。若系统有中断请求到来，则退出LPM0低功耗模式，自动进入中断处理程序，待中断处理完成后再次进入LPM0低功耗模式[10]。