危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

楊 川

（山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引 言

近年來，各種燃?xì)夂陀卸練怏w的開發(fā)和利用，各式各樣的危險(xiǎn)可燃性氣體彌漫在人們的生活中。為了能夠?qū)θ細(xì)馍a(chǎn)過程中的主要?dú)怏w成分進(jìn)行有效檢測并及時(shí)報(bào)警，國內(nèi)外科研人員對燃?xì)獾臋z測方法和控制方法進(jìn)行了大量研究并有了很大進(jìn)展，研制了多種分析、檢測和報(bào)警的儀器，主要用來探測監(jiān)測、生產(chǎn)過程中危險(xiǎn)氣體含量，以預(yù)防災(zāi)害，減少不必要的損失[1]。

針對危險(xiǎn)氣體可能存在泄漏的情況，最常見的控制方法是設(shè)置泄漏報(bào)警器。但是，該方法的缺點(diǎn)主要有兩方面：（1）安裝不方便，價(jià)格昂貴；（2）操作不方便，當(dāng)監(jiān)測到危險(xiǎn)氣體泄漏時(shí)，不能及時(shí)斷開氣體源頭，從根源上杜絕危險(xiǎn)事故的發(fā)生。因此，需設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)檢測、報(bào)警以及自動(dòng)切斷氣源的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器。

縱觀目前市場上存在的泄漏報(bào)警器，有些不能實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如氫氣和硫化氫等可燃性危險(xiǎn)氣體，有些不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。本文提出的報(bào)警系統(tǒng)特別適用于電廠容易產(chǎn)生危險(xiǎn)氣體聚集的地方。

1 報(bào)警器的工作原理

報(bào)警器硬件工作原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件工作原理

報(bào)警器啟動(dòng)后，開始監(jiān)測預(yù)設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)的可燃性危險(xiǎn)氣體的濃度。當(dāng)濃度升高時(shí)，傳感器的電壓值會(huì)相應(yīng)升高。濃度一旦達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值，傳感器電壓會(huì)超過門限電壓。此時(shí)，振蕩器開始工作，輸出脈沖對蜂鳴器進(jìn)行控制并發(fā)出報(bào)警，同時(shí)通過三極管控制繼電器無線發(fā)射電路。繼電器可以自動(dòng)打開排風(fēng)扇，將危險(xiǎn)氣體及時(shí)排出，降低危險(xiǎn)氣體濃度，避免可燃性氣體的濃度過高引起劇烈爆炸或者使工作人員處于危險(xiǎn)中。無線發(fā)射電路被啟動(dòng)后，可以及時(shí)向外發(fā)出報(bào)警信號，使遠(yuǎn)程人員能夠及時(shí)了解狀況而制定解決方案。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

裝置通過AT89S51單片機(jī)控制芯片實(shí)現(xiàn)控制，通過實(shí)時(shí)檢測危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器探頭的輸出信號，判斷可燃性氣體濃度。

2.1 可用方案

2.1.1 方案一：危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器的論證

對集成運(yùn)放電路的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器的論證，利用集成運(yùn)放電路和必要的外圍元器件完成對特定環(huán)境下可燃性氣體的檢測，利用傳感器采集的信號進(jìn)行放大、控制和處理。裝置原理簡單，操作方便，電路構(gòu)成等對硬件要求不高，且能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。所以，危險(xiǎn)可燃性氣體報(bào)警裝置可采用此方案[2]。

具體過程如下：

①電源指示：通電時(shí)指示燈顯綠燈，檢測到可燃性氣體達(dá)到一定濃度報(bào)警時(shí)綠燈熄滅。

②警報(bào)指示：紅燈，報(bào)警時(shí)紅燈一直閃亮。

③接通電源，綠燈閃爍1 min后，報(bào)警器開始運(yùn)作。當(dāng)檢測危險(xiǎn)可燃性氣體泄漏達(dá)到報(bào)警濃度時(shí)，報(bào)警器開始發(fā)出警報(bào)，然后綠燈熄滅，紅燈開始閃亮，同時(shí)報(bào)警裝置發(fā)出高頻無線報(bào)警信號。當(dāng)危險(xiǎn)氣體的濃度下降到設(shè)定的報(bào)警濃度以下時(shí)，危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警裝置停止發(fā)出警報(bào)。

④報(bào)警時(shí)也可以利用排風(fēng)扇將危險(xiǎn)可燃性氣體排出，也可以通過控制電磁閥的方法關(guān)掉氣源。

2.1.2 方案二：無線發(fā)射與接收

第二天，我們便開始在倫敦城市中穿梭，這里的建筑風(fēng)格與國內(nèi)的高樓大廈風(fēng)格迥異，而我更喜歡這種優(yōu)雅浪漫的歐式建筑，給人一種輕松、愉悅、古樸雅致的感受。

PT2262/PT2272是常用的無限發(fā)射接收芯片，具有造價(jià)低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛應(yīng)用。在接收端PT2272和發(fā)射端PT2262的地址碼一致時(shí)，裝置才能夠匹配使用。設(shè)計(jì)中將信號進(jìn)行放大等處理操作，利用信號對驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載進(jìn)行進(jìn)一步控制。

2.2 危險(xiǎn)可燃性氣體泄露漏報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

通常人們說的危險(xiǎn)可燃性爆炸氣體是指多種可燃性氣體混合組成的高濃度氣體。這類混合氣體極易產(chǎn)生爆炸，爆炸原因是該氣體遇到空氣或氧氣后會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)混合氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，只要遇明火就會(huì)瞬間發(fā)生爆炸。混合氣體自身的爆炸極限與含可燃性氣體的濃度有關(guān)。

2.3 危險(xiǎn)氣體報(bào)警器特性及選取

2.3.1 傳感器的主要特性

（1）穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)是：報(bào)警裝置工作時(shí)，傳感器是否能穩(wěn)定做出響應(yīng)。傳感器穩(wěn)定性的好壞主要受區(qū)間漂移和零點(diǎn)漂移的影響。零點(diǎn)漂移和區(qū)間漂移是傳感器在兩種不同狀況下的工作情況。零點(diǎn)漂移是當(dāng)外界不存在目標(biāo)氣體時(shí)，傳感器的輸出響應(yīng)狀況；相反，區(qū)間漂移指的是傳感器長期處在目標(biāo)氣體中其輸出響應(yīng)變化。

（2）靈敏度

傳感器的靈敏度計(jì)算方法是在工作過程中其自身的輸出變化量與輸入變化量的比值。傳感器靈敏度好壞主要受其結(jié)構(gòu)因素影響。傳感器的靈敏度首先考慮選用精度較高、靈敏度較強(qiáng)的傳感器，要求其對目標(biāo)氣體的最低爆炸限度的百分比的檢測要有一定的靈敏性。

傳感器的選擇性，是指根據(jù)傳感器的輸出響應(yīng)判斷傳感器檢測到的氣體屬性。這個(gè)特性對于傳感器在監(jiān)測不同種類的氣體時(shí)發(fā)揮著巨大作用。由于傳感器的選擇性特性占據(jù)很高的地位，一旦該特性性能降低，將對整個(gè)裝置的工作性能造成很大影響。因此，氣體傳感器的選擇性好壞是衡量傳感器好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[3]。

（4）抗腐蝕性

傳感器一般對抗腐蝕性性能要求很高，因?yàn)槠涔ぷ鳝h(huán)境是在高濃度危險(xiǎn)氣體中，只有這樣才能長期正常工作。生產(chǎn)過程中出現(xiàn)大范圍氣體泄漏時(shí)，傳感器探頭應(yīng)當(dāng)能夠承受期望氣體體積分的10～15倍?；謴?fù)正常狀況時(shí)，傳感器的零點(diǎn)校正值和漂移值應(yīng)盡可能小。

2.3.2 氣體傳感器的選取

（1）光纖硫化氫氣體傳感器

一般的硫化氫傳感器主要用來檢測硫化氫氣體，使用壽命較短，易受周圍環(huán)境的影響，維修費(fèi)用較高。本傳感器除了解決了一般傳感器的缺點(diǎn)外，還具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能好、安全可靠、耐腐蝕、傳輸容量大、損耗小、成本低廉和簡單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用此種氣體傳感器。

（2）一氧化碳?xì)怏w傳感器

傳統(tǒng)的一氧化碳報(bào)警器普遍存在測量范圍較大、精度不高、壽命短、不耐腐蝕等缺點(diǎn)，而本文中的一氧化碳報(bào)警器具有精度高、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、使用和維護(hù)簡單的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用此種一氧化碳傳感器。

（3）光纖氫氣氣體傳感器

光纖氫氣傳感器的工作原理是通過檢測到的光的相位、強(qiáng)度等參數(shù)的變化來反映氫氣的濃度。因?yàn)楣饫w氫氣氣體傳感器表面覆蓋有鈀膜，當(dāng)接觸到氫氣時(shí)，其自身的性能如折射率等會(huì)受到影響，無氫氣時(shí)恢復(fù)正常。本氫氣傳感器再生能力強(qiáng)、靈敏度較高，具有極好的溫度特性，不易受外接環(huán)境的影響。因此，本設(shè)計(jì)選用此種氫氣傳感器[4]。

3 軟件控制流程

3.1 顯示電路工作步驟

（1）接口電路是將接收的高頻解碼信號送入單片機(jī)中；

（2）單片機(jī)對輸入的高頻解碼信號進(jìn)行處理，輸出譯碼信號，并送入驅(qū)動(dòng)電路；

（3）驅(qū)動(dòng)電路是將譯碼信號進(jìn)行放大，然后送入顯示電路；

（4）顯示電路是把報(bào)警器發(fā)出的報(bào)警信號顯示出來。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件控制流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程

3.3 注意事項(xiàng)

從同一個(gè)地方泄露出的危險(xiǎn)氣體分布會(huì)非常不均勻。不同的地方，危險(xiǎn)氣體的濃度可能類似；緊鄰的，則可能相差很大，并沒有固定規(guī)律。總的來說，在安裝危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器時(shí)，要遵守如下原則：

（1）安裝時(shí)探頭必須向下，否則可能會(huì)因液體或者顆粒物堵塞探頭而不能進(jìn)行有效的檢測。當(dāng)危險(xiǎn)可燃性氣體的比重比空氣小時(shí)，氣體會(huì)向上跑，探頭應(yīng)當(dāng)安裝在易泄漏點(diǎn)的上方；反之，當(dāng)危險(xiǎn)可燃性氣體比重比空氣大時(shí)，氣體會(huì)自然下沉，此時(shí)探頭應(yīng)安裝在地面。探頭安裝在下面時(shí)，探頭要距離地面不少于0.4 m，一方面方便安裝該裝置，也便于拆卸和維修；另一方面是距離地面較遠(yuǎn)，能避免地面污垢對探頭的污染和破壞。

（2）考慮安裝地點(diǎn)的主導(dǎo)風(fēng)向和空氣流動(dòng)通道，將探頭安裝在泄漏源的下風(fēng)側(cè)。因?yàn)樵谙嘛L(fēng)側(cè)會(huì)更及時(shí)監(jiān)測到危險(xiǎn)氣體泄漏情況，使用戶更早獲悉情況采取相應(yīng)的策略，避免發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

傳感器在當(dāng)今科技領(lǐng)域、工業(yè)以及日常生活方面發(fā)揮著重要作用，人們對其提出了更高要求，為傳感器的發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。安全在社會(huì)發(fā)展中是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到人身和財(cái)產(chǎn)安全，而危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警裝置可以在發(fā)生危險(xiǎn)前發(fā)出警報(bào)，便于人們積極采取應(yīng)對措施，降低甚至完全排除危險(xiǎn)隱患，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。