基于電容式電橋的氣體濃度探測器

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。

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]。

通常瓦斯爆炸的條件極為苛刻，其必須滿足的基本條件有：1）瓦斯濃度：瓦斯的爆炸極限是4.9%-15.4%。當濃度低于5%時，遇火不爆炸，但能形成燃燒層。當濃度為9.5%是爆炸威力最大。當大于16%時，其失去爆炸性，但是會在空氣中燃燒;2）瓦斯引火溫度：通常情況下引火溫度在650～750 ℃，但是引火溫度受大氣壓等外界環境的影響。3）充足的氧氣：當空氣中氧氣的濃度低于12%時，瓦斯即失去爆炸性[2]。但是由于礦井下的生存條件限制，礦井中氧氣的濃度都大于12%。由以上條件我們可以得知，如果我們能很好的檢測瓦斯濃度就能及時避免瓦斯爆炸，而瓦斯的主要成分又是甲烷，約占83%- 89% ，所以如果我們可以及時的檢測到甲烷氣體的濃度，那么我們就可以實時的有效控制礦井中環境條件，同時也能夠有充足的時間讓礦工安全撤離，從而將危害降至最低。

而另一種氣體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，并且有劇毒當人吸人以后，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。

目前國內外公認的測量甲烷濃度的方法，筆者總結了大約七種。

1.熱催化測量法。

2.氣敏傳感測量法。

3.熱導型測量法。

4.超聲測量法。

5.熒光檢測法。

6.光十涉測法。

7.紅外光譜吸收測量法。

通過分析，我們不難發現：對于甲烷、一氧化碳等氣體的測量很難貼近于生活，即我們很難運用簡易而有效地方法對其進行定量的測量。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。

一、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。

整套裝置示意圖如下：（圖略）

二、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（預沒該玻璃槽的體積為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，充人相適應量的氣體后，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，最后得卅數據表。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）在某區間中插入若十點的函數值，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。

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。

三、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（略）

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），設計報警的程序，當輸入臨界濃度后，報警器可以根據外部測得的數據而進行預警作用。