電容法粉塵濃度檢測技術(shù)

孫澤睿

摘 要：目前，對于粉塵濃度的檢測有很多種方法，按照檢測原理不同，可以分為過濾稱重法、射線法、超聲波法、微波法、光學法、電荷感應法等等。本文利用平行板電容器中介質(zhì)不同電容量不同這一原理，提出電容法粉塵濃度檢測技術(shù)，設(shè)計出中心帶缺口的粉塵濃度傳感器，并對可行性進行了論證。

關(guān)鍵詞：電容法；粉塵濃度；傳感器；檢測技術(shù)

為保證工人作業(yè)環(huán)境安全，保障人們身體健康，及其他工業(yè)需要，粉塵濃度的檢測越來越受到人們的關(guān)注。稱重法、射線法、超聲波法、微波法、光學法、電荷感應法等各有其自身的優(yōu)缺點。本文所介紹的電容法檢測技術(shù)安全性以及可靠性都比較高，主要是采取非侵入式的測量，此方式比較容易安裝，而且牢固耐用，還有響應速度快的優(yōu)勢。

一、分析測量的基本原理

（1）分析兩相流體中等效介電的常數(shù)。在傳感器中由于粉塵濃度的不同，會對其中的相對介電常數(shù)帶來一定的影響。因此，采用電容法測量粉塵的濃度，其基本原理就是把兩相流體中等效介電常數(shù)和粉塵濃度變化情況進行比較[3]。其中兩相流體中等效介電常數(shù)ε總表示如下：

其中ε1為粉塵的介電常數(shù)，ε0為氣體的介電常數(shù)，α代表的是粉塵的體積百分比。如果將粉塵的密度設(shè)置為ρ1，則粉塵濃度ρ濃則可表示為：ρ濃=α*ρ1，所以上式中可以寫為：

由公式可見，當粉塵濃度改變之后，兩相流體中的等效介電常數(shù)就會發(fā)生變化，當介質(zhì)一定時，等效介電常數(shù)的變化同粉塵濃度的變化成線性關(guān)系。

（2）分析圓柱形的傳感器情況。傳感器由上下兩個半圓柱構(gòu)成，兩個半圓柱互相絕緣，構(gòu)成一個電容器。半圓柱的半徑為r，長度為L，間距為d。則兩極板正對面積S為：S=2rL。在忽略邊緣效應的情況下，平行板電容器的電容量C為：

將S、ε總代入上面公式，得電容器電容量C為：

由上式可見，當傳感器尺寸確定時，電容量C只隨粉塵濃度ρ濃的變化而成線性變化。為了使用方便及考慮到傳感器的堅固性，傳感器端部需要用堅硬的絕緣材料進行固定。

（3）分析傳感器在交變電場中的感應情況。將傳感器接入電動勢為E，頻率為ω的電源中，用兩個阻值為R的電阻，一個電容量為C0的電容構(gòu)建一個交流電橋電路，C0的容量應等于或接近于傳感器空載時的電容容量。設(shè)傳感器的阻抗為Z，電容C0的阻抗為Z0，電阻的阻抗為ZR，根據(jù)交流電橋平衡條件可知，電路平衡時，相對橋臂上阻抗幅模的乘積相等且相對橋臂上阻抗幅角之和相等。有Z*ZR=Z0*ZR且φ+φR=φ0+φR（公式中Z表示阻抗幅模，φ為各阻抗所對應的幅角）。在此電橋電路中，傳感器Z的阻抗在數(shù)值上等于電容的容抗Xe，而電容器的容抗又為：

通過上式可以看出，傳感器中粉塵濃度的變化，勢必會導致傳感器阻抗的變化，而傳感器阻抗一旦改變，該電路就會失去平衡，此時，高敏度電流計就會檢測出該不平衡電橋的電流值，從而反應出傳感器中粉塵濃度的變化。但由于ρ濃的變化與電流計變化關(guān)系不是線性關(guān)系，因此在檢測電路中需要加入由集成運算放大器構(gòu)成的非線性補償電路。另外，由于粉塵密度ρ1、粉塵介電常數(shù)ε1隨粉塵種類的不同而改變，所以在檢測電路中，需要根據(jù)粉塵的不同種類設(shè)置不同的測量檔位。

二、裝置設(shè)計測量

傳感器結(jié)構(gòu)固定后，要根據(jù)粉塵的不同種類選擇不同的非線性補償電路及不同檔位的參數(shù)設(shè)置。本模擬實驗采用的是滑石粉，實際參數(shù)情況如下：長度L是l米，半徑R是0.1米，極板間距d是0.01米， 傳感器內(nèi)施加的是50Hz、1kV的恒定電場。管道中由鼓風機進行送風，上部有漏斗，通過改變對應的漏斗活塞開口情況而有效控制管道中的粉塵濃度[4]。

三、測試方法和結(jié)果

（一）測試方法

此實驗中主要采用的是滑石粉（1250），滑石粉的成分是Mg3[si4O10]（OH）2，其顏色為白色、細微、無砂性粉末。在測試過程中，風速控制在20m/s，同時通過改變漏斗開口的大小而有效調(diào)節(jié)粉塵濃度。根據(jù)粉塵濃度的變化情況，記錄下當時對應粉塵的實際流量及顯示儀表所顯示的測量值。

（二）結(jié)果

通過實際測試，調(diào)節(jié)粉塵流量傳感器可以檢測出粉塵的濃度，而且粉塵的濃度值和實際的測量值之間是對應的變化關(guān)系。通過下圖可知，當粉塵濃度為0.81-1.99g/m.3的情況下，測量值與實際值變化曲線是一致的。

結(jié)論如下：（1）在粉塵濃度范圍為0.81-1.99g/m.3時，其粉塵濃度測試值和實際值之間相接近，而且其平均誤差是180%，且線性度的情況越來越良好。（2）粉塵濃度在1.99g/m.3以上時，測量值曲線趨于平穩(wěn)，而且基本穩(wěn)定在2.02g/m.3。因為此時的粉塵濃度比較高，加上風機動力的作用限制，導致傳感器電容器相對介電常數(shù)不能發(fā)生顯著變化，所以儀表顯示值沒有發(fā)生變化。

四、結(jié)語

通過本文研究可知，該測量裝置，同時搭建配套的測試、非線性補償電路，外加一定頻率的恒定電場，在試驗平臺測試中，其結(jié)果較為準確地反應出了粉塵的實際濃度，而且線性度也非常好，證明該粉塵濃度檢測技術(shù)切實可行。

參考文獻：

[1]張飛，錢金法.基于單片機和虛擬儀器的粉塵濃度檢測裝置[J].實驗室研究與探索，2017，36（04）：137-140，173.

[2]景航，于小寧.基于DS證據(jù)理論的粉塵濃度數(shù)據(jù)融合算法研究[J].計算機與數(shù)字工程，2017，45（03）：439-443.

[3]曾憲桃，任振華，王興國，等.磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度與減少回彈的試驗研究[J].煤炭學報，2014，39（04）：705-712.

[4]李虹，田茸，胡鋼墩，等.基于ATmega32A的粉塵濃度實時檢測系統(tǒng)的研究[J].煤礦機械，2015，36（10）：268-270.