李　靜,司　瑾,王澤民

(西安工業(yè)大學 電子信息工程學院,陜西 西安　710021)

?

電容法測量工業(yè)粉塵濃度技術研究

李靜,司瑾,王澤民

(西安工業(yè)大學 電子信息工程學院,陜西 西安710021)

摘要粉塵濃度測量方法的研究對測量粉塵濃度準確性和精確性均具有重要意義。文中主要對電容法測量工業(yè)粉塵濃度的方法進行研究,結合實際測量需求,分析了電容傳感器的原理,提出了一種新的電容測量方法,并設計了基于電橋法的測量電路及測量系統(tǒng)。通過搭建實驗平臺對工業(yè)粉塵進行測量,分析實驗結果并對其結果進行標定,得到了測量結果與待測粉塵濃度的關系,驗證了該電容法在工業(yè)粉塵濃度測量中的可靠性。

關鍵詞粉塵濃度;電容傳感器;電橋;標定

隨著工業(yè)化進程的加快,企業(yè)工廠在生產過程中產生大量工業(yè)粉塵顆粒,這些粉塵顆粒一方面會污染空氣,對人體造成危害;另一方面,一些可燃性粉塵也具有爆炸性。為防止這種危險后果的產生,對工業(yè)粉塵濃度進行監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。目前國內外對工業(yè)粉塵濃度進行測量的方法越來越多,例如光學法、電容法、電荷法等[1]。利用光的散射原理進行測量的光學法能較好地測量濃度較低的粉塵顆粒,但對粉塵顆粒性質的穩(wěn)定性要求高,且測量易使光學系統(tǒng)受到污染,維護麻煩。利用帶電顆粒與電極相互感應原理進行測量的電感法對粉塵濃度進行測量存在的缺點就是,塵粒帶電時獲得的電荷量較低、風速和粉塵粒徑對測量結果影響較大導致測量結果誤差較大。電容法測量粉塵濃度的原理相對比較簡單,成本低廉也易于安裝,且粉塵不會磨損傳感器。由于電容式傳感器具有測量范圍大、靈敏度高、動態(tài)響應快、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,本文采用電容法測量原理,設計了一種測量電路,通過實驗的方法研究了輸出電壓值與粉塵濃度的關系,并標定其結果的準確性。

1電容法測量原理

電容法測量粉塵濃度,即用電容傳感器探頭[2]測量顆粒濃度。電容器是由兩個電極及其間的介電材料所構成的。介電材料是一種電介質,當被置于兩塊帶有等量異性電荷的平行極板間的電場中時,由于極化而在介質表面產生極化電荷,遂使束縛在極板上的電荷相應增加,維持極板間的電位差不變。電容的電容量與極板面積和介電材料的介電常數ε成正比,與介電材料厚度成反比。其相關關系為

(1)

式中,ε為相對介電常數;s為電容極板的正對面積;d為電容極板間的距離;k為靜電力常量,k=8.988×109N·m2/C2。

圖1　電容法測量粉塵原理方框圖

當電容傳感器處在無塵情況下,電容的初始值用C0表示,即C0=k0εg。其中εg為空氣的相對介電常數;當電容傳感器處在含塵情況下時,電容傳感器相應的物理模型如圖2所示。

圖2　電容傳感器物理模型

電容值用C1表示,即C1=k0ε,其中ε為空氣和粉塵混合后的等效介電常數。其等效介電常數可表示為

(2)

式中,εs為粉塵的相對介電常數;εg為空氣的相對介電常數;Vs為電容極板間粉塵的體積;Vg為電容極板間空氣的體積;V為電容極板間的總體積,V=Vs+Vg。

因此電容值的變化量可用ΔC表示,即ΔC=C1-C0,通過分析計算可得

(3)

粉塵和空氣的相對介電常數雖然會隨著溫度和空氣濕度的不同而發(fā)生變化,但在固定測量環(huán)境時其均為定值,其差值也是一定值,k0可通過設置固定電容器大小等因素固定其大小。因此,電容值的變化量僅與電容極板間所含粉塵的體積量相關,而粉塵體積Vs又能直觀反映出粉塵的濃度。當粉塵濃度增大時,電容差變大;反之,則減小。故通過測得電容傳感器的電容變化量便可描述出被測粉塵濃度的變化。

由于粉塵濃度的變化所導致電容差值的改變量無法直接觀察,在完成檢測部分之后需要轉換部分將電容值轉換成對應的電壓值輸出。因此,設計了合理的測量電路較好的將濃度變化引起的電容改變量表達出來。

2電容測量系統(tǒng)與電路設計

通過電容法對工業(yè)粉塵濃度進行測量,設計粉塵濃度測試系統(tǒng)主要由粉塵被測區(qū)域、測量電路與輸出3個部分組成,其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　電容法測量粉塵濃度系統(tǒng)框圖

粉塵被測區(qū)域中將電容傳感器放置在待測濃度粉塵區(qū)域的位置進行測量,電容傳感器由兩塊大小相同的電極板組成,將電極板平行放置在粉塵發(fā)生區(qū)域,通過加入粉塵改變介電常數來改變電容值大小,形成介質變化型電容式傳感器?？紤]到系統(tǒng)靈敏度以及實驗的可操作性,在電容傳感器設計時采用不同大小的極板進行測量,對比分析采用了長度L1=40 cm,寬度L2=34 cm的電極板,設置極板間距離d=2 cm。由于測量原理采用求電容差的方式進行,為了減少測量環(huán)境因素和不同電容材質導致的測量誤差,因此在測量系統(tǒng)設計中,需要設計參考電容C2,采用相同的工藝制作出和測量采用的電容傳感器相同的電容,將其固定放置在和被測區(qū)域相同溫度、濕度的不含塵環(huán)境下保護。

測量電路是電容法測量粉塵濃度的核心部分,其連接電容式傳感器,將傳感器得到的電容改變值以電壓的形式表達出來,因此測量電路的合理設計是粉塵濃度測量結果準確性的關鍵因素。測量電路采用電橋式模型[3],對采集到的微弱信號進行放大處理,從而能夠實現(xiàn)對電容量微弱變化的感知。設計電路原理如圖4所示,其中ui為測量電路提供靜態(tài)工作點,為微弱電容量的變化提供基礎平臺;C1是粉塵待測區(qū)域的平行板電容;C2是參考電容;uo是測量電路的輸出電壓,其值的變化能反映出電容C1的變化情況,從而間接反映出待測區(qū)域粉塵濃度的變化。

圖4　電容微弱信號測量電路原理圖

測試前首先調整電阻Ra與Rb,使得Ra=Rb。在無粉塵時首先調整電容,使得C1=C2,此時輸出電壓uo=0。

由于粉塵濃度的變化,C1數值會發(fā)生變化,設C1=C2+ΔC,通過計算可得到輸出電壓和電容差的相關關系為

(4)

因此輸出電壓值可反映出電容值的改變,間接反映出粉塵濃度的變化信息。電容法測量工業(yè)粉塵濃度結果的準確性[4]是測量的關鍵性因素,同時為達到靈敏度高、實時性好、測量范圍廣、適用性強的目的,對電源進行選取并對放大電路進行設計。

對粉塵濃度的測量一般是在濃度變化比較快的情況下,不采用直流供電是因為直流電對測量電路進行供電時,電容大小通過電容充放電時間計算,τ=RC,當t=4～5τ時,電容充電值達到電源電壓的,充電基本結束。同時放電時間t=4～5τ時,認為耗能完成。充放電時間過長會影響測量靈敏度,降低了測量結果的準確性。因此測量電路中采用函數信號發(fā)生器給測量電路輸入頻率為1kHz的正弦波信號,幅值為±12.39V,對動態(tài)測量時具有較好的跟隨性。

在進行測試時,由于較短時間內粉塵濃度的變化比較微弱,因此為了對此微弱信號進行有效的測量,設計引入差分放大的設計思想,如圖4所示,測量電路的放大部分可有效放大差模信號,抑制共模信號。從而實現(xiàn)對微弱信號的檢測[5]。差模放大倍數數值越大,共模抑制比越高。另外,采用此方法進行實驗大幅減小了數據模型轉換中存在的誤差、可靠性也較高。為有效的實現(xiàn)測量,設計選擇運放的性能直接影響最終的測量結果。本測試為微弱信號的檢測,因此選擇的運放需要為低噪聲器件。在測試時,粉塵濃度處于實時變化的環(huán)境中,因此選擇的運放需要為高響應器件。在差分放大中要保證差分輸入的一致性,則選取運放的一致性要較好?；谏鲜鲈O計需求,設計選用MGA-633P8型運算放大器。在使用中為保證測試的精度,選擇的電阻Ra與Rb的數值不宜過大,從而保證電阻阻值的穩(wěn)定性,宜選擇小于50kΩ,電阻阻值過小會增大系統(tǒng)的功耗,因此不宜過小,選擇大于1kΩ。在實驗中,通過調整R2的數值,使得放大倍數在合適的范圍內。

3實驗與數據分析

本實驗采用XHY-B型函數信號發(fā)生器/頻率計給測量電路輸入1kHz正弦波信號,幅值為±12.39V。此函數信號發(fā)生器的讀數直觀、精確、性能穩(wěn)定、操作方便;頻率輸出范圍0～100Hz;波形失真度為0.5%;電壓輸出范圍為0～50V;電壓測量準確度為±0.5%滿量程;頻率測量準確度為±0.5%;電源220V±10%;工作環(huán)境溫度為0～40 ℃;相對濕度≤80%。實驗采用數字示波器對輸出電壓進行顯示,測量中待測區(qū)域電容傳感器初始電容值與試驗中參考電容值設置相同。以空氣作為介質,參考電容大小設置為60.21pF。

實驗通過將電容傳感器C1放置在不同質量濃度的粉塵發(fā)生區(qū)域進行測量,獲得相對應的電壓差變化量。從C1不含塵開始測量觀察電壓差,逐步改變濃度值,測量不同質量的粉塵進行多次測量觀察并記錄電壓差的變化,直到在大量粉塵濃度環(huán)境下進行測量,分別記錄不同濃度時實驗所得數據。具體的實驗過程部分記錄如下:

(1)將C1置于無粉塵環(huán)境時,即以空氣為介質時,所測電壓差接近uo=0V,如圖5(a)所示;

(2)將置于不同濃度粉塵環(huán)境時,即以空氣和粉塵的混合物為介質時,示波器顯示結果如圖5(b)和圖5(c)所示;

(3)將置于大量粉塵環(huán)境時,即粉塵濃度很高時,其電壓的變化量更大,示波器顯示結果如圖5(d)所示。

圖5　粉塵濃度測量實驗結果

通過觀察對比實驗顯示結果可知,此結果與理論分析結果一致,隨著粉塵濃度的不斷增大,其電壓差從起初接近0 V開始逐漸增大,故根據所測電壓差表示濃度的變化值切實可行。因此又重復進行了大量精確性實驗,研究電容法測量工業(yè)粉塵時輸出電壓值與粉塵濃度的關系,并標定[6]其結果的準確性。

本次實驗在變化的粉塵濃度環(huán)境下進行測量,通過采集不同濃度時的電壓值,分析其對應關系,表1為實驗中記錄不同粉塵濃度和對應電壓差。

表1　粉塵濃度與電壓差的關系

將所得兩組數據在Matlab中進行擬合,得到電壓差與粉塵濃度的關系,其擬合結果如圖6所示。

圖6　電壓差與粉塵濃度的關系曲線

擬合函數關系為

y=1.384 8x3-11.548x2+112.22x+7.711 8

(5)

所得結果初步表明了電容法測量工業(yè)粉塵濃度測量系統(tǒng)所得電壓差與實際粉塵濃度的函數關系,但其結果的可信度仍需進一步明確,對于所存在的誤差也需要進行進一步分析。因此,為驗證其擬合函數的準確性,下面給出一組粉塵濃度的實驗數據來驗證該實驗,將已知濃度下所獲得的電壓差和上述結果得到的測量濃度值記錄于表2中,并計算其測量誤差[7]。

表2　粉塵濃度測量值與真實值的比較

通過表2可看出,本實驗測量粉塵濃度的測量誤差較小,這樣的誤差完全滿足一般濃度較高的粉塵濃度測量要求。因此,進一步證明了所得電壓差和工業(yè)粉塵濃度的擬合函數關系是有效的,明確了電容法測量工業(yè)粉塵濃度的可靠性。

4結束語

本文主要是對電容法測量工業(yè)粉塵濃度的方法進行研究,從電容法測量粉塵濃度的原理入手,設計測量系統(tǒng)電路,通過實驗的方法得到輸出電壓值與粉塵濃度的關系并標定其結果的準確性。通過對電容法測量工業(yè)粉塵濃度的實驗研究可知,電容法測量工業(yè)粉塵濃度已不只是在理論上被認可,且在具體的實驗分析與研究中也已被肯定了其可行性。但由于一些實驗設備、實驗條件的限制,本實驗仍不完善,還需進一步的研究分析。

參考文獻

[1]郭園園.粉塵濃度測量研究[D].沈陽:東北大學,2007.

[2]施林生.電容式傳感器和電容的測量[J].傳感器世界,2010(7):33-36,13.

[3]程建華,王晶,王鑫哲.雙電橋在精密溫度測量系統(tǒng)中的應用研究[J].應用科技,2010(2):42-47.

[4]劉運.電橋靈敏度的橋路分析及應用[J].陜西科技大學學報:自然科學版,2003(5):56-58.

[5]賀艷停,向曉東,胡秋瑋.基于超低電容特性的微塵在線監(jiān)測技術研究[J].環(huán)境保護科學,2012,38(6):6-8,32.

[6]楊威.煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)在環(huán)境管理中的應用研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[7]周浩.線性數據擬合方法的誤差分析及其改進應用[J].大學數學,2013,29(1):70-76.

《電子科技》歡迎投稿

《電子科技》雜志(月刊),設置欄目有:電子·電路、協(xié)議·算法及仿真、圖像·編碼與軟件、保密及網絡安全、光電·材料、專題綜述等。歡迎業(yè)界專家、教授、學者及工程技術人員、教師、學生投稿。來稿應以反映當前國內外電子科學技術領域中的先進理論、創(chuàng)新成果及發(fā)展趨勢,并有實際的應用背景,以及相應的實驗結果。

投稿請登錄:www.dianzikeji.org聯(lián)系電話:029-88202440

Industrial Dust Concentration Measurement by Capacitance Method

LI Jing,SI Jin,WANG Zemin

(Electronic & Information Engineering Institute,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

AbstractThe research on the dust concentration measurement is very important to the accuracy and precision of the measure of the dust concentration.The principles of the capacitance sensor are discussed and a new capacitance measurement method is proposed.The measurement circuit and system are designed using the bridge method to measure the industrial dust by experiment.The experimental results are analyzed and calibrated to yield the relationship between the measurement result and the dust concentration.This results show that the capacitance method is reliable in industrial dust concentration measurements.

Keywordsdust concentration;capacitance sensor;a bridge;calibration

中圖分類號TN98;TP274+.5

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)02-148-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.040

作者簡介:李靜(1972—),女,博士,教授。研究方向:動態(tài)目標測試與信息處理等。

基金項目:陜西省工業(yè)科技攻關基金資助項目(2015GY018)

收稿日期:2015- 09- 28