可燃性氣體泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì)原理解析

液化石油氣、煤氣等可燃?xì)庾鳛槿剂铣Ｒ虬l(fā)生泄漏而造成中毒和火災(zāi)等事故。已有的可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器種類繁多，主要用于工業(yè)廠礦，體積大，價(jià)格高，難以推廣到家用。雖然也有一些簡(jiǎn)易報(bào)警器，但也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格偏高，推廣到家用比較閑難。為此研究了用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字和模擬集成電路相結(jié)合的技術(shù)解決了裝置成本高的問題。研制出了小巧的可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉（主電路元件費(fèi)只有3元左右，含外殼和電源的全部材料費(fèi)只有十幾元），且報(bào)警靈敏度在傳感器的性能范圍內(nèi)任意可調(diào)。試用結(jié)果表明，該裝置使用方便，效果非常好，且只需簡(jiǎn)單改進(jìn)即可增加控制功能，可方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制開啟風(fēng)扇等裝置。該可燃性氣體泄漏報(bào)警器不僅適于家庭，也適于工礦企業(yè)等應(yīng)用，且其報(bào)警靈敏度、報(bào)警提醒功能、可靠性等優(yōu)于目前已有產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化比較

目前可燃性氣體泄漏報(bào)警器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)分為兩大類，一類是以單片機(jī)為核心的智能型報(bào)警器，包括信號(hào)調(diào)理、A／D采樣和輸入輸出電路等，相對(duì)復(fù)雜。另一類完全用硬件實(shí)現(xiàn)，電路非常復(fù)雜。這兩類技術(shù)都采用較復(fù)雜的電路解決可燃?xì)鈧鞲衅鞯某跏紙?bào)警問題。而初始報(bào)警的原因是由于傳感器在開始加電時(shí)，其電導(dǎo)率尚未達(dá)穩(wěn)態(tài)值，從而導(dǎo)致誤報(bào)警，約3 min后，傳感器的電導(dǎo)率達(dá)穩(wěn)態(tài)值，報(bào)警才停止。為了解決初始報(bào)警問題，可采用以下兩種方案：1）采用二次報(bào)警方案，該方案是將傳感器的初始電導(dǎo)率的當(dāng)量可燃?xì)鉂舛茸鳛榈谝浑A段報(bào)警濃度，這一階段只讓報(bào)警燈亮，喇叭不響。第二階段報(bào)警是當(dāng)可燃?xì)庑孤稘舛冗_(dá)到一個(gè)臨界危險(xiǎn)濃度時(shí)再開啟聲音報(bào)警。這類方案需要較復(fù)雜的兩階段比較報(bào)警電路，提醒力不強(qiáng)且不可靠，報(bào)警靈敏度不可調(diào)；2）采用比較或反饋延時(shí)的報(bào)警方案，但電路非常復(fù)雜，成本較高。因此，采用硬件設(shè)計(jì)降低成本是關(guān)鍵。這里提出一種采用數(shù)字和模擬集成電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，解決報(bào)警和二次報(bào)警的問題，并取得很好效果。

2 器件選擇與工作原理

氣敏傳感器種類繁多，性能各異。這里選用MQ-KC型傳感器，它是一種新型的電阻型氣敏型元件，可用于天然氣、煤氣、石油氣等檢漏報(bào)警。具有靈敏度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，價(jià)格低，功耗小，可方便使用電池等特點(diǎn)。MQ-KC型傳感器原理：將該傳感器接至規(guī)定負(fù)載，在加電的初始階段，傳感器的電導(dǎo)率呈現(xiàn)一個(gè)較高的值，約3 min左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。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(shí)現(xiàn)報(bào)警與控制等功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3．1 基本報(bào)警電路

MQ-KC型傳感器額定電源電壓為9 V，要求連接一只負(fù)載電阻。信號(hào)取出與比較電路如果用分立元件設(shè)計(jì)，元件數(shù)量多，成本高，且效果不好。為此，選用一片單電源9 V供電，具有一定驅(qū)動(dòng)能力的集成雙運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1為該基本報(bào)警電路。

圖l中，R1是傳感器要求的負(fù)載電阻，阻值為120 Ω，Vcc為9 V電源電壓；A、B為L(zhǎng)M358雙運(yùn)放，A為跟隨器，起緩沖隔離作用，以便將R1上的電壓VR1基本上全部施加到比較器B的同相輸入端。RW為報(bào)警靈敏度調(diào)整電位器。穩(wěn)態(tài)時(shí)，調(diào)整RW使得加到比較器反相輸入端的電壓V-略高于穩(wěn)態(tài)時(shí)R1上的電壓VR1這個(gè)電壓越高，報(bào)警靈敏度就越低。加電并使傳感器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，MQ-KC為較穩(wěn)定的固定阻值，當(dāng)Vcc不變時(shí)，VR1基本為一固定值，保持不變。當(dāng)有可燃性氣體泄露時(shí)，傳感器接觸到可燃?xì)?，使其電?dǎo)率上升，電阻下降，使VR1上升，當(dāng)VR1高于V-時(shí)，比較器輸出一個(gè)大于7 V的電壓，從而使蜂鳴器HA發(fā)出滴、滴的報(bào)警聲。若用該電壓控制一個(gè)繼電器，即可實(shí)現(xiàn)控制功能。為了提高抗干擾能力，可分別在R1和B的V-端并聯(lián)一只濾波電容。

R1、R2和RW的取值不宜過(guò)小，以降低電源供電電流。其值可由式（1）估算，在估算時(shí)，RW可暫不考慮。

令V-=VR1，取R3=2 kΩ，已知Vcc=9 V，即可求出R2。本裝置R2=10 kΩ，RW=lO kΩ。

3．2 初始報(bào)警電路

圖1所示的基本報(bào)警電路的不足：一開始加電時(shí)，傳感器尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其電阻值較小，VR1較大，導(dǎo)致蜂鳴器HA誤報(bào)警。為了解決這一問題，采用一個(gè)數(shù)字信號(hào)控制的模擬開關(guān)，其控制信號(hào)采用簡(jiǎn)單的電容充電延時(shí)電路，原理圖如圖2所示。圖1中比較器B的輸出V0加到模擬開關(guān)4066的輸入端，開關(guān)的輸出端接蜂鳴器HA。初始加電時(shí)，電容C上的電壓VC為0，4066不導(dǎo)通，無(wú)論V0值為多高，HA都不會(huì)報(bào)警。隨著電容充電，VC不斷升高，當(dāng)達(dá)到4066的控制門限閾值時(shí)，4066才導(dǎo)通，即能進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。電容充電使其電壓達(dá)到4066的控制門限閾值時(shí)間即為延時(shí)時(shí)間。電容C和電阻R的取值可根據(jù)延時(shí)要求確定。為可靠起見，取RC=1／2T，T為傳感器初始穩(wěn)定時(shí)間。本裝置取R=l MΩ，C=100μF，即能實(shí)現(xiàn)可靠的延時(shí)。

3．3 整機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

將上述兩個(gè)電路合起來(lái)即構(gòu)成了整機(jī)電路，如圖3所示。為了使V-穩(wěn)定不變，R1、R2應(yīng)采用精密金屬膜電阻。裝置開機(jī)預(yù)熱3 min后，用萬(wàn)用表測(cè)R1上的電壓VR1，測(cè)得為1．7 V。若要想讓裝置的報(bào)警濃度為x％，有條件時(shí)，可將傳感器置于濃度為x％的可燃?xì)怏w中（可用氣體成分分析儀監(jiān)測(cè)），lO s后再測(cè)R1上的電壓得到VR1。調(diào)整RW，將V-調(diào)到略小于VR1。正常使用時(shí)，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏濃度達(dá)到標(biāo)定濃度x％時(shí)，裝置就會(huì)報(bào)警，若增加了控制裝置，可控制開啟風(fēng)扇或關(guān)閉閥門等。在沒有條件時(shí)，調(diào)整RW，將V-調(diào)到略大于VE1，保證在正?？諝猸h(huán)境不報(bào)警。再將裝置于可燃?xì)庠罹吲裕蜷_灶具開關(guān)，吹熄火焰，有少量可燃?xì)怏w泄漏，裝置應(yīng)報(bào)警。若要提高報(bào)警濃度，可調(diào)RW加大V-，反之應(yīng)減小V-。

3．4 電源設(shè)計(jì)

本裝置的電源供電總電流小于20 mA，因此可使用9 V的電池供電。樣機(jī)選用交流220 V供電，使用一個(gè)7809三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓。

4 試用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

4．1 試用結(jié)果

將該裝置置于廚房，開機(jī)預(yù)熱3 min，裝置無(wú)初始報(bào)警。關(guān)閉廚房門，放出適量煤氣，幾秒鐘后裝置開始報(bào)警，再將裝置移離現(xiàn)場(chǎng)到，約30 s后報(bào)警停止。在正?？諝獾膹N房中，將裝置開機(jī)預(yù)熱3min后置于可燃?xì)庠钸叄蜷_灶具開關(guān)，吹熄火焰，幾秒鐘后裝置開始報(bào)警，當(dāng)廚房中仍散有煤氣時(shí)，它將持續(xù)報(bào)警，將它置于窗外，它才能較快恢復(fù)并停止報(bào)警。

4．2 應(yīng)用與安裝

本裝置不僅可用于工礦企業(yè)的可燃?xì)庑孤﹫?bào)警，由于其成本特低，因此，也可推廣到普通家庭，作為燃?xì)庀丛柩b置和廚房可燃?xì)獾男孤﹫?bào)警器。只要將其安裝在燃?xì)庋b置附近（相距1 m以內(nèi)效果最好）即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄漏報(bào)警。安裝時(shí)，應(yīng)注意不要將裝置安放在通風(fēng)口處。

5 結(jié)束語(yǔ)

本裝置采用一塊數(shù)字控制的集成模擬開關(guān)和阻容充電電路解決了可燃性氣體報(bào)警裝置的初始誤報(bào)警問題，用一個(gè)單電源供電的雙集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)取出、比較和報(bào)警驅(qū)動(dòng)，并使裝置報(bào)警靈敏度在傳感器性能范圍內(nèi)任意可調(diào)。實(shí)現(xiàn)如下性能：功耗小于0．3W；靈敏度V1／V0》2；響應(yīng)時(shí)間小于lO s：恢復(fù)時(shí)間小于30 s。該可燃性氣體報(bào)警裝置采用數(shù)字和模擬集成電路相結(jié)合的技術(shù)，大大減少了元器件數(shù)量，從而提高了裝置的穩(wěn)定性和可靠性，且使得主電路的元件成本不到3元。使其具有較高的性價(jià)比，還可以根據(jù)用戶需要和具體情況進(jìn)一步改進(jìn)該報(bào)警裝置。加一級(jí)控制電路，只要在比較器B的輸出加一級(jí)繼電器驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。