家用小型甲烷濃度監(jiān)測報警裝置的設(shè)計＊

丁慧杰，張仁杰

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

隨著生活水平的不斷提高，家用可燃性氣體的使用得到了普及［1］。在使用可燃性氣體的過程中，因泄漏、廢氣等原因造成的燃?xì)獗?、中毒等意外時有發(fā)生，給人們的生活帶來了極大的威脅。因此安全使用燃?xì)猓绾斡行У仡A(yù)防爆炸和中毒等意外的發(fā)生，成為了人們?nèi)找骊P(guān)心的話題。要解決這個問題，必須加強(qiáng)對天然氣的監(jiān)測監(jiān)控。

檢測氣體的方法有多種，如熱導(dǎo)法、紅外光譜系數(shù)法、超聲波測量法、氣敏半導(dǎo)體法和熱載體催化元件檢測法等。目前較為先進(jìn)的方法是非分光紅外法［2］。其原理是：絕大多數(shù)雙原子分子和多原子分子氣體在紅外波段均有特征吸收峰，可用紅外吸收光譜法進(jìn)行氣體濃度的檢測［3，4］。但是其價格昂貴，用于設(shè)計小型檢測裝置成本較高，不適用于一般家庭安裝。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時間快、價格便宜、不需定期標(biāo)定、壽命長等優(yōu)點，適合家用報警。

現(xiàn)設(shè)計采用氣敏傳感器，對可燃?xì)怏w（其主要成分CH4）濃度信號進(jìn)行監(jiān)測并將其轉(zhuǎn)變成電壓信號，與已設(shè)定的電壓信號進(jìn)行比較。當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定值時，氣敏傳感器輸出的電壓值超過設(shè)定的電壓值，經(jīng)過三極管放大后，驅(qū)動蜂鳴器工作，實現(xiàn)裝置的報警功能。

1 電路的組成及工作原理

監(jiān)測裝置的設(shè)計主要由電源、氣敏傳感器電路、比較器、放大電路和報警電路組成。圖1即為甲烷濃度監(jiān)測報警裝置設(shè)計的具體框圖。首先氣敏傳感器根據(jù)所監(jiān)測到的氣體濃度的不同，表現(xiàn)出不同的電壓信號，傳感器輸出的電壓信號進(jìn)入比較器與已設(shè)定的電壓信號進(jìn)行比較。如果傳感器輸出的電壓信號小于已設(shè)定的電壓，就不能驅(qū)動后面的報警電路工作，則表示空氣中甲烷氣體濃度小于報警濃度值，在正常值范圍內(nèi)；如果傳感器輸出的電壓信號大于已設(shè)定的電壓，則經(jīng)過后面的放大電路放大，從而驅(qū)動報警電路工作，發(fā)出報警信號，就表示空氣中的濃度已經(jīng)超過了報警濃度值，這時候人們需要打開門窗或者關(guān)閉煤氣通道等以減低甲烷在空氣的濃度，防止意外事故的發(fā)生。

圖1 甲烷濃度監(jiān)測報警裝置的具體框圖Fig.1 The specific block diagram of methane concentration monitoring alarm device

2 氣敏傳感器的選擇

2.1 TGS813的簡介

用以檢測甲烷這種易燃易爆氣體的傳感器還是很多的，設(shè)計選用的是FIGARO的TGS813型低功耗氣敏元件。它是一種由SnO2材料組成的燒結(jié)體半導(dǎo)體氣敏傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、初始穩(wěn)定時間短、長時間工作性能好和壽命長等優(yōu)點。此外，其屬于一種廣譜性氣敏元件，對多種氣體敏感，如甲烷、丙烷、丁烷等氣體，響應(yīng)靈敏度高，對不被檢測的氣體不敏感。缺點是易受環(huán)境溫度的影響。

設(shè)計中TS813氣敏傳感器的主要參數(shù)：加熱電壓為DC／AC（5±0.2V），著火溫度為537℃，爆炸極限為5%～15%，溫度為200℃＜T≤300℃。傳感器設(shè)定的警告報警濃度應(yīng)該為LEL（報警下限）的10%，危險報警濃度應(yīng)該為LEL（報警下限）的20%。而甲烷的爆炸極限是5%（空氣中的百分比），也就是50 000ppm，故報警濃度為5 000～10 000ppm。

2.2 TGS813的工作原理

TGS813的探測原理是基于氣敏元件表面氣體的化學(xué)吸附作用與解吸附作用［5］，TGS813氣敏傳感器的敏感素子，使用空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)存在檢知氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中氣體濃度增加而增大。傳感器就是通過這種電導(dǎo)率變化，以電壓方式輸出檢測信號，從而檢測出氣體的濃度。若將其置于具有一定濃度的可燃?xì)怏w中，其電導(dǎo)率將升高，在一定范圍內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度越高，傳感器電導(dǎo)率也越高；如果將傳感器與負(fù)載串聯(lián)，負(fù)載即引起電壓變化，讀取這一變化電壓；經(jīng)比較、放大即可實現(xiàn)報警與控制等功能［6］。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

2.2.1 靈敏度特性

圖2 TGS813靈敏度特性Fig.2 The sensitivity characteristics of TGS813

傳感器隨被測氣體含量變化而引起器件電阻比變化規(guī)律的特性稱為靈敏度特性。圖2所示為TGS813傳感器的靈敏度特性，不同曲線表示不同氣體、不同濃度時電阻比的變化規(guī)律［7］。圖2中，R0為傳感器在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下、當(dāng)空氣中的甲烷濃度等于1 000×10－6時的電阻值，一般為5～15kΩ。R0的離散性較大，即使在相同氣體濃度下，其輸出值也不完全相同，但不會影響測量精度。這是因為與被測氣體濃度成正比的是RS／R0的比值，只要保證RS／R0之間的線性關(guān)系，即使R0不同，測量電路的輸出電壓或輸出電流隨氣體濃度變化的規(guī)律是相同的。

2.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3為TGS813的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，TGS813共有6個引腳，其中引腳1和引腳3短接后接回路電壓，引腳4和引腳6短接后作為傳感器的信號輸出端，引腳2和引腳5為傳感器的加熱絲的兩端，外接加熱電壓。TGS813傳感器需要施加兩個電壓：加熱器電壓VH和回路電壓VC。VH用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應(yīng)的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的兩端電壓VRL。只要能滿足傳感器的電氣特性要求，VC和VH可以共用同一個電源電路。為了使敏感素子的功耗PS低于15mW的限度值需要選擇適當(dāng)?shù)腞L值［8］。功耗PS的計算公式

圖3 TGS813內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal structure of TGS813

式（1）中，

3 硬件電路的設(shè)計

設(shè)計采用12V的直流電源，經(jīng)IC78型三端穩(wěn)壓管輸出8V的電壓供給傳感器加熱電路和檢測電路使用。一般三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入／輸出電壓差約為2V，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓。一般應(yīng)使電壓差保持在4～5V，故采用IC7808型三端穩(wěn)壓管，輸出8V的穩(wěn)定電壓。具體電路如圖4所示。

圖4 整體電路圖Fig.4 The whole circuit

3.1 傳感器電路

TGS813氣敏傳感器的加熱電壓是5V，因此要給傳感器的加熱電路串聯(lián)一個電阻使加熱電路能夠得到5V的正常工作電壓。敏感元件與負(fù)載電阻R1、RL串聯(lián)，由R1和RL兩端的電壓VRL變化檢測傳感器

信號。VRL可以由下面的公式計算得到，即

式（3）中，VC＝8V，VRL記為當(dāng)前采樣值，其大小隨氣體濃度、外界環(huán)境溫度而變化。

由于TGS813傳感器易受溫度的影響，因此需要加溫度補(bǔ)償措施，一般采用熱敏電阻對電路進(jìn)行補(bǔ)償。該溫度補(bǔ)償電路中，在比較器LM311的反相輸入端（基準(zhǔn)電壓端）接入一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt。在溫度降低時，Rt阻值增大，則反相輸入端的基準(zhǔn)電壓降低；而溫度升高時基準(zhǔn)電壓增大，從而可以跟蹤溫度的變化達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹１?給出了甲烷3 000ppm時空氣報警時設(shè)置溫度補(bǔ)償電路與不設(shè)置溫度補(bǔ)償電路的比較。

表1 氣體報警濃度的對比Tab.1 The comparison of the concentration of the gas alarm

3.2 比較器電路

圖4中LM311是單比較器，它具有失調(diào)電壓平衡調(diào)節(jié)端（或用作選通端），并且具有連接負(fù)載多樣性及輸出電流可達(dá)50mA的特點。該器件工作于單電源5～30V或±15V雙電源；正電源工作電流為2.4mA（典型值），負(fù)電源工作電流為－1.3mA（典型值）；輸入失調(diào)電壓典型值為2mV；輸入失調(diào)電流典型值為1.7nA，輸入偏置電流典型值為45nA；電壓增益典型值為200V／mV；響應(yīng)時間典型值為200ns；輸入電壓范圍為－14.7～13.8V。

根據(jù)所測氣體濃度的范圍設(shè)定比較器LM311的反相輸入端V－的基準(zhǔn)電壓，由傳感器電路輸出的VRL進(jìn)入比較器的同相輸入端V＋，V－端電壓與V＋端電壓進(jìn)行比較即可檢測到是否有氣體泄漏。當(dāng)可燃性氣體與傳感器相接觸并且濃度超標(biāo)時，比較器正向輸入端電壓將會超過設(shè)定的基準(zhǔn)電壓，這時比較器輸出高電平，使后面的三極管起到作用，從而驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報警工作。

4 結(jié) 論

利用氣敏傳感器TGS813及其他元件的特性，使其相輔相成，從而設(shè)計出高性價比的燃?xì)鈭缶b置［9］。該家用甲烷濃度監(jiān)測裝置電路簡單，還可以根據(jù)用戶需要和具體情況進(jìn)一步改進(jìn)該報警裝置。如果向智能家居方向發(fā)展，可以加一個GSM模塊，即使家里沒人或者沒有聽到報警聲音，也能通過發(fā)短信的方式及時通知用戶，給報警加雙保險。此裝置推廣到普通家庭，作為燃?xì)庀丛柩b置和廚房可燃?xì)獾男孤﹫缶?，只要將其安裝在燃?xì)庋b置附近即可實現(xiàn)自動泄漏報警，應(yīng)用前景廣闊。

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