基于電容式電橋的氣體濃度探測器

摘要：瓦斯和一氧化碳等可燃危險氣體的濃度檢測一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。甲烷是瓦斯的主要成分，也是引起煤礦瓦斯爆炸的主要原因。為了盡可能的減免這一危害，就要求我們能對這些氣體進行快速、準確的檢測，從而進行有效的控制，這對煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。本實驗致力于運用電容式傳感器對氣體濃度測量，并且將電容式電橋用于測量電容的變化，并由此建立數(shù)據(jù)庫，運用此套裝置完成對甲烷氣體的濃度測量。

【關(guān)鍵詞】：瓦斯?jié)舛取蚴诫娙荨鞲衅?/p>

中圖分類號： TN401 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

瓦斯和一氧化碳等可燃危險氣體的濃度檢測一直是煤礦安全生產(chǎn)重要前提。甲烷是瓦斯的主要成分，也是引起煤礦瓦斯爆炸的主要原因。近年來隨著我國經(jīng)濟的快速的發(fā)展，對煤炭能源的需求量與日劇增，這就造成了對煤炭的加大開采，煤礦事故也越來越頻繁，而瓦斯爆炸事故發(fā)生的最多，造成的傷亡也最大。為了能更好的避免礦難事故的發(fā)生，保證國家和礦工的人身安全，礦井中甲烷氣體的檢測就顯的尤為重要[1]。

一氧化碳是一種對人體健康十分有害的空氣污染物。空氣中的CO可以來源于家用煤氣不完全燃燒。CO無色無味，并且有劇毒當(dāng)人吸入以后，將與人體血液中的血紅蛋白結(jié)合形成穩(wěn)定的配合物，使血紅蛋白失去輸送氧氣的功能。因此，如何準確而快速地測定出某一區(qū)域的空氣中的一氧化碳濃度并采取有效的措施已成為當(dāng)務(wù)之急[4]。

1、研究內(nèi)容：本次實驗主要是根據(jù)電容式氣敏傳感器對甲烷、一氧化碳等氣體濃度的敏感性，運用電容式電橋電路對電容值進行測量，最終建立濃度與電容值相匹配的數(shù)據(jù)庫。并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)庫，形成一套成形的系統(tǒng)，運用電學(xué)器件對已知電學(xué)量進行監(jiān)控。當(dāng)外界的氣體濃度達到所欲設(shè)置的臨界值時，根據(jù)所得數(shù)據(jù)庫的對應(yīng)關(guān)系，將所測得的電容值與該氣體的濃度值進行匹配。最終通過預(yù)設(shè)程序，起到報警的作用[9]。

整套裝置示意圖如下：

2、操作方法：

如上圖所示：當(dāng)我們在進行實驗時，先將進氣孔的氣閥打開（預(yù)設(shè)該玻璃槽的體積為1500ml左右），關(guān)閉出氣孔的氣閥。當(dāng)我們需要對具體濃度的氣體進行測驗時，只需先計算他們與空氣混合的濃度比，充入相適應(yīng)量的氣體后，打開小風(fēng)扇，將其盡快混合均勻，然后根據(jù)電容式電橋的各項電學(xué)量值，并記下相應(yīng)的溫度與濕度。最后打開出氣孔的氣閥，使其與外界平衡后再進行下一步測量。不斷選取適當(dāng)濃度差的濃度值，最后得出數(shù)據(jù)表。當(dāng)我們需要查找數(shù)據(jù)時，可根據(jù)分段插值的方法進行求解。所謂的分段差值法就是利用函數(shù)f （x）在某區(qū)間中插入若干點的函數(shù)值，作出適當(dāng)?shù)奶囟ê瘮?shù)，在這些點上取已知值，在區(qū)間的其他點上用這特定函數(shù)的值作為函數(shù)f （x）的近似值[10]。當(dāng)我們得到數(shù)據(jù)庫后，即可在上述裝置的電橋裝置上加上外界信號處理裝置，利用已知的礦井中甲烷的臨界濃度為我們的臨界濃度時（或生活中煤氣泄漏的臨界濃度值），編輯報警程序，最后安裝即可。

3、技術(shù)路線：

1）、電路設(shè)計方面：采用電容式電橋電路。

圖4、電容電橋示意圖圖4為適合用來測量損耗小的被測電容的電容電橋，被測電容Cx接到電橋的第一臂，等效為電容Cx′和串聯(lián)電阻Rx′，其中Rx′表示它的損耗；與被測電容相比較的標準電容Cn接入相鄰的第四臂，同時與Cn串聯(lián)一個可變電阻Rn，橋的另外兩臂為純電阻Rb及Ra，當(dāng)電橋調(diào)到平衡時，有：（Rx+ ）Ra=（Rn+ ）Rb令上式實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別相等

RxRa=RnRb

最后看到

Rx= Rn （3）

Cx= Cn （4）

由此可知，要使電橋達到平衡，必須同時滿足上面兩個條件，因此至少調(diào)節(jié)兩個參數(shù)。如果改變Rn和Cn，便可以單獨調(diào)節(jié)互不影響地使電容電橋達到平衡。本次試驗中Cn 是固定的，因此Cn不能連接可變，這時我們可以調(diào)節(jié)Ra/Rb比值使式（4）得到滿足，但調(diào)節(jié)Ra/Rb的比值時又影響到式（3）的平衡。因此要使電橋同時滿足兩個平衡條件，必須對Rn和Ra/Rb等參數(shù)反復(fù)調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)，因此使用交流電橋時，必須通過實際操作取得經(jīng)驗，才能迅速獲得電橋的平衡。通過已知的精確電容值來測量未知電容值，保護了工作電路，減小了直接測試被測電容時導(dǎo)致的誤差。

2）、實驗設(shè)計方面：整套實驗裝置中運用平行板電容器的計算公式 ，式中 ，空氣介電常數(shù) ，s為長方形極板面積，D為為兩極板間距離。因此在設(shè)計平行板電容器時，可以根據(jù)電容式電橋測量的靈敏度而設(shè)計長方形極板的面積以及兩極板對應(yīng)間距D，力求做到理論與實際相符。在操作過程中，采用將氣體混合的方式，減少了被測氣體因與外界接觸而使?jié)舛冉档蛶淼恼`差。在建立數(shù)據(jù)庫的過程中，采用分項列表的方法，選取適當(dāng)?shù)拈g距，這樣為后面采用分段插值的方法求得未知濃度對應(yīng)電學(xué)量值提供了方便。

3）、報警設(shè)計方面：本次實驗報警裝置主要根據(jù)上述過程中所測得的數(shù)據(jù)庫，利用已知的礦井中甲烷的臨界濃度為我們的臨界濃度時（或生活中煤氣泄漏的臨界濃度值），設(shè)計一報警的程序，當(dāng)輸入臨界濃度后[11]。

4、可行性分析：

有上述實驗原理可知，當(dāng)氣體濃度發(fā)生變化時與其相應(yīng)的介電常數(shù)也會發(fā)生變化，對于空氣介電常數(shù) ，而純甲烷的介電常數(shù)在溫度為-137℃時能達到1.7，假設(shè)介電常數(shù)與濃度的變化是線性關(guān)系，即當(dāng)每隔1﹪的濃度變化時，介電常數(shù)可發(fā)生0.007的變化，對于平行板電容器的電容計算公式 ，當(dāng)選取電極板面積為0.1m2，極板間距D選取10cm時，有空氣介電常數(shù)對應(yīng)公式可求得電容C=8.85pF，當(dāng)空氣中甲烷濃度變?yōu)?﹪時，介電常數(shù)變?yōu)榱?，代入上述數(shù)據(jù)可知此時的電容值C=8.91pF，示數(shù)有了0.7﹪的變化。而對于我們實驗中使用的電容式電橋，采用的標準電容為4.7pF的標準瓷片電容。

由上述公式： Rx= Rn

Cx= Cn

因此在測量時，只需滿足當(dāng) =0.01時，用4.7pF的標準瓷片電容就可以測量0.0047pF的變化值，因此對于本實驗來說，就可以很精確的達到實驗效果。利用本套儀器測量未知濃度的氣體，然后根據(jù)不斷調(diào)整Rn和Ra/Rb等參數(shù)，最后達到電橋的平衡后，通過對該程序輸入此時的Rn和Ra/Rb等參數(shù)，通過程序的運算再與數(shù)據(jù)庫進行匹配，最終知曉該氣體此時的濃度值。（如對有條件的情況，可加入數(shù)顯電阻，當(dāng)不斷調(diào)整Rn和Ra/Rb等參數(shù)，最后達到電橋的平衡后，可不用輸入?yún)?shù)值，直接根據(jù)數(shù)顯電阻值程序自動求得對應(yīng)濃度）。

參考文獻：

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