一种电容式湿度变送器的设计

　　1　引言

　　随着现代化建设和国民经济的深入发展,社会对生产环境和生活环境意识的要求也越来越高。顺应这种环境的需求,湿度参数的检测与控制已提到仪器仪表界的重要议事日程而受到广泛关注,湿度变送器的开发、生产与应用已成为仪器仪表新产品发展的热点之一。

　　2　设计要求

　　用于工业自动化、农业现代化和环境舒适化的湿度变送器,应当满足以下基本要求:

　　(1)测量范围:不小于10%~95%RH;

　　(2)测量精度:小于±5%RH;

　　(3)响应时间:不大于40s(测程的63%);

　　(4)输出信号:4~20mA;

　　(5)环境温度:不小于0~50℃;

　　(6)可靠性(MTBF):不少于7000h;

　　(7)供电电源:24VDC;

　　(8)结构形式:圆筒式或盒装式。

　　3　传感器选型

　　湿度传感器有电阻式、电容式等多种类型。根据上述基础要求,选用自行研制的以DSM-3型高分子电容式湿敏元件为探头的湿度传感器。元件是保证变送器性能的关键,DSM-3型湿敏元件具有以下特点：

　　(1)具有0%~100%RH全量程检测功能;

　　(2)线性好、精度高

　　(3)防结露、耐污染、使用寿命长。

　　4　变送器方案

　　设计的SB-1型湿度变送器由两部分组成,见图1。

　　传感器:由高分子电容式湿敏元件(DSM-3)和电容—电压转换电路组成,电压号电容呈线性关系。放大器:由电压放大器和功率(V—I)放大器组成,将传感器的电压信号放大成4~20mA标准信号,详见图2。

　　变送器的整机温度系数主要由传感器决定。湿敏元件的温度系数为+0·05%RH/℃,传感器线路的温度系数设计为-0·05%RH/℃.放大器线路采用由4个运算放大器组成的LM324线性集成电路,采用精密多圈电位器调整满量程和零点。

　　电容—电压转换器是一个振荡电路,振荡频率随电容量变化而变化,并呈线性关系。

　　5　性能测试

　　SB-1型湿度变送器采用圆筒式结构,经过小批量试制。对样机采用双温法湿度标准设备和饱和盐法标定设备进行了全性能检测。饱和盐湿度标准采用美国NBS饱和盐湿度标准。

　　5·1　湿度响应特性

　　DSM-3型湿敏元件电容随相对湿度呈线性变化,见图3。

　　湿敏元件灵敏度为(0·11~0·16)pF%RH.温度系数约为+0·05%RH/0·05℃.图4中SB-1变送器在高湿环境的置入时间为5h,可见高湿部分非线性受到抑制。

　　5·2　响应时间

　　20℃从18%到90%RH,按测程的63%计,吸湿响应时间为10s,放湿响应时间为14s.按测程的90%计,吸湿响应时间为22s,放湿响应时间为30s.