薛培雷，蔣書(shū)波，陶芳玲，沈 宇

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

露點(diǎn)溫度即在氣體中水汽含量不變，保持氣壓一定的情況下，使空氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。露點(diǎn)測(cè)量在工業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用中越來(lái)越廣泛，尤其是在工業(yè)氣體、電力、半導(dǎo)體、食品加工、機(jī)械制造等行業(yè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外制造商也逐漸認(rèn)識(shí)到空氣以及管道中存在過(guò)多的水汽會(huì)帶來(lái)多種負(fù)面影響，例如，氣動(dòng)零部件壽命的縮短、管道的腐蝕、對(duì)部分氣體系統(tǒng)的污染等。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于維護(hù)不當(dāng)，用于除去氣體中水分的干燥裝置不會(huì)按照預(yù)定工作進(jìn)行，在這種情況下，露點(diǎn)測(cè)量便能作為一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)未能正常運(yùn)行的干燥裝置及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了保障[1]。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的露點(diǎn)儀有以下兩種類型：冷鏡式露點(diǎn)儀，電容式露點(diǎn)變送器。冷鏡式露點(diǎn)儀作為露點(diǎn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)儀器，具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是冷鏡式露點(diǎn)儀價(jià)格高，操作難度較大，且安裝和維護(hù)比較困難[2]。維薩拉的一款薄膜式露點(diǎn)變送器，具有較小的溫度系數(shù)和較高的準(zhǔn)確度，但是它不適用于低露點(diǎn)測(cè)量；γ- Al2O3電容式露點(diǎn)變送器，可以測(cè)量低露點(diǎn)溫度，也具有較小的溫度系數(shù)，但是它長(zhǎng)時(shí)間工作于高露點(diǎn)環(huán)境后會(huì)出現(xiàn)較大的漂移，這就導(dǎo)致該變送器需要頻繁校準(zhǔn)[3]。

本文設(shè)計(jì)了α-Al2O3/SiO2電容式露點(diǎn)變送器，由于SiO2的穩(wěn)定性和親水性，α-Al2O3的熱力學(xué)穩(wěn)定性，使得該變送器具有穩(wěn)定的性能，不會(huì)出現(xiàn)較大的漂移，不需要重新校準(zhǔn)，可以儲(chǔ)存在任何地方，并且可以在其測(cè)量的露點(diǎn)范圍-80～20 ℃內(nèi)做出快速響應(yīng)。

1 α-Al2O3/SiO2電容傳感器

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

α-Al2O3/SiO2電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。將鋁片進(jìn)行氧化，形成厚度一定、孔徑均勻的多孔氧化鋁層，然后在氧化鋁上沉積一層二氧化硅用于保形和絕緣，否則可能導(dǎo)致傳感器由于短路而失效，最后使用真空蒸發(fā)法在多孔結(jié)構(gòu)的頂部沉積一層金屬膜用于導(dǎo)電，鋁片基底和金膜形成上下兩個(gè)電極，用引線接出即構(gòu)成濕敏元件[4]。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 傳感器的感濕機(jī)理及測(cè)量方法

在測(cè)量時(shí)，由于金屬膜很薄，水蒸氣分子可以迅速通過(guò)(其他分子無(wú)法透過(guò))，而二氧化硅是一種親水且不與水發(fā)生反應(yīng)的多孔介電材料，對(duì)濕度也很敏感，因此將二氧化硅用作納米級(jí)濕度傳感膜，水分子可在二氧化硅的孔壁上達(dá)到平衡。當(dāng)被測(cè)氣體的濕度發(fā)生變化時(shí)，水分子在孔壁上重新尋找新的平衡，這就使得電容傳感器的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生了變化，傳感器的電容值隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)濕度的測(cè)量。電容式傳感器的工作原理比較復(fù)雜，常用圖2的等效模型電路來(lái)解釋。

圖2 傳感器等效電路模型

由于電容傳感器在低濕度的環(huán)境下，電容很小且變化很慢，為了精確測(cè)量到電容值的微弱變化，必須采用相應(yīng)的檢測(cè)電路來(lái)測(cè)量該微小電容，目前常用的檢測(cè)方法為開(kāi)關(guān)電容法和振蕩電路法[5]。開(kāi)關(guān)電容法是將傳感器電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，該方法精度較高，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率較大；振蕩電路法是將電容值的變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化，精度高，是目前比較常用的方法，且電路簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用振蕩電路方法，電容檢測(cè)原理示意圖如圖3所示。

圖3 電容檢測(cè)原理示意圖

1.3 傳感器的溫度特性

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，相同露點(diǎn)溫度下測(cè)量的頻率值會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化。于是使α-Al2O3/SiO2電容傳感器分別處于-10、0、10 ℃的環(huán)境溫度下，并對(duì)其進(jìn)行頻率采集，結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，在相同露點(diǎn)溫度、不同環(huán)境溫度下，采集到的頻率值不同，這就說(shuō)明此時(shí)傳感器的等效電容是不同的。這是由于微水測(cè)量不同于普通環(huán)境，需要從微觀角度來(lái)進(jìn)行理解和研究，在低濕環(huán)境下，水分子的含量極低，此時(shí)的微水測(cè)量非常容易受到干擾，內(nèi)壁殘存的水分子會(huì)使被測(cè)氣體中的含水量改變，溫度的不穩(wěn)定將促進(jìn)產(chǎn)生新的氣液平衡[6]。

圖4 不同溫度下露點(diǎn)溫度與頻率關(guān)系

2 α-Al2O3/SiO2電容式露點(diǎn)變送器

設(shè)計(jì)的α-Al2O3/SiO2電容式露點(diǎn)變送器，具有較高的熱穩(wěn)定性，能夠在低露點(diǎn)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，并且在大多數(shù)工業(yè)場(chǎng)合都易于安裝。

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括溫度補(bǔ)償電路、頻率采集電路、V/I轉(zhuǎn)換電路和485通訊電路、電源電路等部分。電容傳感器隨著待測(cè)氣體水分的變化，電容值也會(huì)隨之變化，通過(guò)頻率采集電路，將電容值轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部A/D。溫度傳感器隨著待測(cè)氣體溫度的變化，電阻值也會(huì)隨之變化，通過(guò)溫度補(bǔ)償電路，將電阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部D/A。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)內(nèi)部D/A以電壓的形式輸出到V/I轉(zhuǎn)換電路，最終以電流4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，也可通過(guò)RS-485通訊模塊以數(shù)字信號(hào)輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)原理框圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度補(bǔ)償電路

本設(shè)計(jì)采用OPA2241低功耗軌對(duì)軌運(yùn)算放大器，通過(guò)兩線制恒流源的方式測(cè)量溫度。供電電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器與定值電阻形成恒流源，為鉑電阻溫度傳感器提供約1 mA的恒定電流，解決了電路自熱效應(yīng)的問(wèn)題，減小溫漂帶來(lái)的誤差。鉑電阻傳感器的阻值隨外界溫度的變化而變化，其兩端電壓也發(fā)生變化，通過(guò)MSP430單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器將得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[7]。

2.2.2 頻率采集電路

本設(shè)計(jì)采用COMS RS定時(shí)器ICM7555來(lái)進(jìn)行信號(hào)采集，將電容傳感器接入ICM7555的外圍電路中，根據(jù)電容傳感器的感濕機(jī)理，被測(cè)氣體的濕度變化直接影響傳感器吸濕層的水分子含量，使得傳感器吸濕層的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，傳感器的輸出電容值也發(fā)生變化，采集到的頻率值也隨即發(fā)生變化，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：f為頻率值；R1=100 kΩ，R2=30 kΩ;C為電容傳感器的容值。

2.2.3 V/I轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)采用XTR115作為V/I轉(zhuǎn)換的核心芯片，實(shí)現(xiàn)兩線制4～20 mA電流輸出。單片機(jī)D/A口輸出的模擬電壓0～2.5 V，經(jīng)過(guò)電阻Rin1以及Rs1的電流補(bǔ)償，得到40～200 μA的電流。經(jīng)XTR115內(nèi)部電路放大100倍后，以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出[8-9]。

2.2.4 485通訊電路

本設(shè)計(jì)采用超低功耗3471CUA(RS-485)作為通訊芯片，正常工作電流僅為1.6 μA，通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可滿足系統(tǒng)在線對(duì)頻率值的采集，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要改變系統(tǒng)的測(cè)量量程。

3 電容式露點(diǎn)變送器的標(biāo)定

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是根據(jù)已知標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值以及標(biāo)準(zhǔn)溫度值的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行的。對(duì)采集到的露點(diǎn)值、溫度值、頻率值進(jìn)行擬合，獲得具有溫度補(bǔ)償功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試件

標(biāo)準(zhǔn)試件如圖6所示。采用標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生所需要的標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)值，該露點(diǎn)發(fā)生器中用于顯示標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)的變送器S8000，經(jīng)成都市計(jì)量檢定測(cè)試院校準(zhǔn)，最大誤差不超過(guò)±1 ℃；采用SDK-701快速高低溫試驗(yàn)箱，該高低溫試驗(yàn)箱溫度測(cè)量范圍為-70～150 ℃，溫度穩(wěn)定后的控制誤差≤1 ℃，響應(yīng)速度為20 ℃/min。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)試件實(shí)物圖

3.2 標(biāo)定方法

本文對(duì)電容式露點(diǎn)變送器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)。設(shè)定固定露點(diǎn)和溫度值，當(dāng)傳熱過(guò)程以及采集的頻率值達(dá)到穩(wěn)定之后，記錄此時(shí)的溫度值和采集的頻率值。具體標(biāo)定辦法如下：

選取露點(diǎn)測(cè)試范圍為:-80～20 ℃，溫度測(cè)試范圍為：-20～30 ℃。溫度設(shè)定值從30 ℃開(kāi)始選取，以5 ℃為一個(gè)梯度向下遞減到-20 ℃；在每個(gè)溫度值節(jié)點(diǎn)，露點(diǎn)值從20 ℃開(kāi)始測(cè)試，以5 ℃為一個(gè)梯度向下遞減直至測(cè)試到-80 ℃。

開(kāi)機(jī)后在露點(diǎn)變送器運(yùn)行正常的情況下，保證變送器以及樣氣通路處于變溫箱內(nèi)，此時(shí)控制變溫箱和露點(diǎn)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)溫度以及標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)。當(dāng)變溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到控制要求后，每隔15 min記錄一次頻率值，直至相鄰兩次頻率值之差≤2 Hz，此時(shí)可視為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境露點(diǎn)溫度是穩(wěn)定的，即可記錄當(dāng)下的頻率值。

3.3 標(biāo)定結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)以上的標(biāo)定方法，分別測(cè)量了11個(gè)環(huán)境溫度下，21個(gè)露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的頻率值。為了更直觀看出不同溫度對(duì)露點(diǎn)測(cè)量的影響，將測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制在圖中，如圖7所示。為了更好地比較實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，選取了環(huán)境溫度分別在-15、0、25 ℃下，露點(diǎn)為-80～20 ℃所對(duì)應(yīng)的頻率值，如表1所示。在低露點(diǎn)測(cè)量時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)露點(diǎn)測(cè)量的影響較??；在中高露點(diǎn)測(cè)量時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)露點(diǎn)的測(cè)量影響較明顯。

圖7 不同溫度的頻率曲線

表1 不同溫度的頻率值對(duì)比

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果得到了露點(diǎn)溫度、環(huán)境溫度、頻率值的三維離散點(diǎn)，根據(jù)最小二乘法可以將這些離散點(diǎn)擬合為所需的連續(xù)曲面并得到曲面方程。

曲面方程的一般形式如下：

(2)

式中：m為多項(xiàng)式次數(shù)；ci,j-i為多項(xiàng)式系數(shù)；i,j=0,1,2,…,m。

根據(jù)已知一般形式對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的有限數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得了露點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度及頻率的關(guān)系。

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

(3)

式中：DP為露點(diǎn)溫度；a為已知常數(shù)；T為環(huán)境溫度；f為頻率值。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

從上述數(shù)據(jù)處理中，得到了露點(diǎn)溫度、環(huán)境溫度和頻率的曲面方程(3)，該方程應(yīng)用于露點(diǎn)計(jì)算，將作為數(shù)據(jù)處理的重要公式。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。單片機(jī)在初始化后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)通過(guò)記錄外部中斷次數(shù)，每進(jìn)行一次外部中斷，計(jì)數(shù)加1，直到定時(shí)溢出，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到露點(diǎn)值，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換輸出露點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模擬量，之后即進(jìn)入LPM0低功耗模式。若系統(tǒng)有中斷請(qǐng)求到來(lái)，則退出LPM0低功耗模式，自動(dòng)進(jìn)入中斷處理程序，待中斷處理完成后再次進(jìn)入LPM0低功耗模式[10]。

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

為了驗(yàn)證露點(diǎn)標(biāo)定的準(zhǔn)確性，根據(jù)上述軟件設(shè)計(jì)流程，采用標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)發(fā)生器以及變溫箱對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。據(jù)此可以看出，在環(huán)境溫度為-20～30 ℃的范圍內(nèi)，對(duì)于-80 ℃≤DP≤-60 ℃，最大誤差不超過(guò)±1 ℃，對(duì)于-60 ℃

表2 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

4 結(jié)論

本文完成了基于α-Al2O3/SiO2電容傳感器的露點(diǎn)變送器的設(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)了氣體微量水分的測(cè)量。露點(diǎn)溫度在-80～20 ℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-20～30 ℃范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)檢測(cè)誤差不超過(guò)±1 ℃，滿足工業(yè)測(cè)量的需求。