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，并由此建立數據庫，運用此套裝置完成對甲烷氣體的濃度測量。

【關鍵詞】：瓦斯濃度、橋式電容、傳感器

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。近年來隨著我國經濟的快速的發展，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?？諝庵械腃O可以來源于家用煤氣不完全燃燒。CO無色無味，并且有劇毒當人吸入以后，將與人體血液中的血紅蛋白結合形成穩定的配合物，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域的空氣中的一氧化碳濃度并采取有效的措施已成為當務之急[4]。

1、研究內容：本次實驗主要是根據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據庫。并根據所得到的數據庫，形成一套成形的系統，運用電學器件對已知電學量進行監控。當外界的氣體濃度達到所欲設置的臨界值時，根據所得數據庫的對應關系，將所測得的電容值與該氣體的濃度值進行匹配。最終通過預設程序，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：當我們在進行實驗時，先將進氣孔的氣閥打開（預設該玻璃槽的體積為1500ml左右），關閉出氣孔的氣閥。當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，充入相適應量的氣體后，打開小風扇，將其盡快混合均勻，然后根據電容式電橋的各項電學量值，并記下相應的溫度與濕度。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。不斷選取適當濃度差的濃度值，最后得出數據表。當我們需要查找數據時，可根據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f （x）在某區間中插入若干點的函數值，作出適當的特定函數，在這些點上取已知值，在區間的其他點上用這特定函數的值作為函數f （x）的近似值[10]。當我們得到數據庫后，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、技術路線：

1）、電路設計方面：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串聯一個可變電阻Rn，橋的另外兩臂為純電阻Rb及Ra，當電橋調到平衡時，有：（Rx+ ）Ra=（Rn+ ）Rb令上式實數部分和虛數部分分別相等

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，因此至少調節兩個參數。如果改變Rn和Cn，便可以單獨調節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，這時我們可以調節Ra/Rb比值使式（4）得到滿足，但調節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等參數反復調節才能實現，因此使用交流電橋時，必須通過實際操作取得經驗，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致的誤差。

2）、實驗設計方面：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 ，s為長方形極板面積，D為為兩極板間距離。因此在設計平行板電容器時，可以根據電容式電橋測量的靈敏度而設計長方形極板的面積以及兩極板對應間距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濃度降低帶來的誤差。在建立數據庫的過程中，采用分項列表的方法，選取適當的間距，這樣為后面采用分段插值的方法求得未知濃度對應電學量值提供了方便。

3）、報警設計方面：本次實驗報警裝置主要根據上述過程中所測得的數據庫，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），設計一報警的程序，當輸入臨界濃度后[11]。

4、可行性分析：

有上述實驗原理可知，當氣體濃度發生變化時與其相應的介電常數也會發生變化，對于空氣介電常數 ，而純甲烷的介電常數在溫度為-137℃時能達到1.7，假設介電常數與濃度的變化是線性關系，即當每隔1﹪的濃度變化時，介電常數可發生0.007的變化，對于平行板電容器的電容計算公式 ，當選取電極板面積為0.1m2，極板間距D選取10cm時，有空氣介電常數對應公式可求得電容C=8.85pF，當空氣中甲烷濃度變為1﹪時，介電常數變為了 ，代入上述數據可知此時的電容值C=8.91pF，示數有了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 =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，然后根據不斷調整Rn和Ra/Rb等參數，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，通過程序的運算再與數據庫進行匹配，最終知曉該氣體此時的濃度值。（如對有條件的情況，可加入數顯電阻，當不斷調整Rn和Ra/Rb等參數，最后達到電橋的平衡后，可不用輸入參數值，直接根據數顯電阻值程序自動求得對應濃度）。

參考文獻：

[1] 謝寶衛，李國斌.催化燃燒型瓦斯檢測儀器性能特征及影響因素淺析[J].煤礦安全，2002，33（3）：54-55.

[2] 徐廣通，袁洪福，陸婉珍.現代近紅外光譜技術及應用進展[J].光譜學與光譜分析.2000，20（2）：134-142

[3] 劉中奇，王汝琳.基于紅外吸收原理的氣體檢測[J].煤炭科學技術.2005，33（1）：65-68.

[4]賀玉凱，王汝琳，劉中奇，等.紅外一氧化碳檢測中干擾因素分析及補償方法研究.礦山機械，2006（3）：25 -27.

[5]付松年，蘇立國，吳重慶，等.相關光譜法在光纖氣體傳感中的應用.光譜學與光譜分析，2002，122（16）：912 -915.

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[7]鄭龍江， 李鵬， 秦瑞峰， 楊俊明. 氣體濃度檢測光學技術的研究現狀和發展趨勢. 激光與光電子學進展. 2008， 45（8）： 24～31