電容法粉塵濃度檢測技術

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不同電容量不同這一原理，提出電容法粉塵濃度檢測技術，設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。

關鍵詞：電容法；粉塵濃度；傳感器；檢測技術

為保證工人作業環境安全，保障人們身體健康，及其他工業需要，粉塵濃度的檢測越來越受到人們的關注。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缺點。本文所介紹的電容法檢測技術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。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ε總表示如下：

其中ε1為粉塵的介電常數，ε0為氣體的介電常數，α代表的是粉塵的體積百分比。如果將粉塵的密度設置為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就會發生變化，當介質一定時，等效介電常數的變化同粉塵濃度的變化成線性關系。

（2）分析圓柱形的傳感器情況。傳感器由上下兩個半圓柱構成，兩個半圓柱互相絕緣，構成一個電容器。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系不是線性關系，因此在檢測電路中需要加入由集成運算放大器構成的非線性補償電路。另外，由于粉塵密度ρ1、粉塵介電常數ε1隨粉塵種類的不同而改變，所以在檢測電路中，需要根據粉塵的不同種類設置不同的測量檔位。

二、裝置設計測量

傳感器結構固定后，要根據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設置。本模擬實驗采用的是滑石粉，實際參數情況如下：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節粉塵濃度。根據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）結果

通過實際測試，調節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，而且基本穩定在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不能發生顯著變化，所以儀表顯示值沒有發生變化。

四、結語

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證據理論的粉塵濃度數據融合算法研究[J].計算機與數字工程，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的研究[J].煤礦機械，2015，36（10）：268-270.