應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 葛東旭

可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警傳感器的選用

應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院 葛東旭

隨著對(duì)可燃?xì)怏w檢測(cè)與報(bào)警裝置功能與性能要求的提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種多樣的可燃?xì)怏w檢測(cè)和報(bào)警的傳感器件。這些傳感器件所運(yùn)用的工作原理有所不同，所檢測(cè)的可燃?xì)怏w及檢測(cè)性能也有所差異，器件的結(jié)構(gòu)的差異也決定了檢測(cè)電路的不同。本文就較為常用的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)傳感器的工作模式及其典型的傳感器件進(jìn)行了分析，說(shuō)明其應(yīng)用要點(diǎn)，并給出了典型的應(yīng)用電路。

可燃?xì)怏w檢測(cè)；傳感器

1 可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器的工作原理

可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都起著非常重要的作用。其核心部件就是能夠?qū)Ω鞣N可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)的可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器。此類(lèi)傳感器的種類(lèi)繁多,僅從工作原理來(lái)分有催化燃燒式、光干涉式、熱導(dǎo)式、紅外線吸收式、氣敏半導(dǎo)體式、電化學(xué)式、聲速差式等等。

1.1 催化燃燒式

催化燃燒式氣體傳感器利用的是催化燃燒的熱效應(yīng)原理。在一定溫度條件下,可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無(wú)焰燃燒,載體溫度升高,使其內(nèi)部鉑絲電阻也隨之升高。鉑絲電阻的變化與可燃?xì)怏w的濃度成比例,因而能夠通過(guò)電阻值的變化,來(lái)檢測(cè)可燃?xì)怏w的濃度。

通常這類(lèi)傳感器在檢測(cè)元件(探頭)附近還會(huì)設(shè)置一個(gè)參考探頭。參考探頭的鉑絲線圈填埋物中沒(méi)有催化劑,不會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w做出反應(yīng)。為了保證參考探頭不因老化會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w誤燃燒,質(zhì)量要求較高的傳感器件的參考探頭會(huì)安裝一個(gè)玻璃罩進(jìn)行保護(hù)。檢測(cè)探頭上填埋了黑色的燃燒催化劑,而參考探頭上沒(méi)有,所以顏色分為黑白兩色,通常也被稱(chēng)為黑白探頭,如圖1所示。

這類(lèi)傳感器的檢測(cè)電路通常由檢測(cè)探頭、參考探頭和兩個(gè)外接電阻構(gòu)成的惠斯登平衡電橋電路構(gòu)成。參考探頭的另一個(gè)作用是完成該器件的溫度自補(bǔ)償。

圖1 催化燃燒式傳感器結(jié)構(gòu)

催化燃燒式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,輸出信號(hào)線性好,技術(shù)可靠,成本低,不會(huì)與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染,受背景氣體和溫度變化的影響小。其缺點(diǎn)是探測(cè)元件的壽命較短,不能測(cè)高濃度瓦斯,硫化氫及硅蒸氣會(huì)引起元件中毒而失效。目前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)瓦斯的儀器廣泛采用這一原理。比較有代表性的產(chǎn)品包括MC、TGS等系列。

1.2 光干涉式

光干涉式是利用光波對(duì)空氣和可燃?xì)怏w折射率不同所產(chǎn)生的光程差,引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同可燃?xì)怏w濃度的測(cè)定。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高,堅(jiān)固耐用,校正容易,高低濃度均可測(cè)量。缺點(diǎn)是濃度指示不直觀,受氣壓溫度影響嚴(yán)重;光學(xué)零件加工復(fù)雜,成本較高和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)較困難,如圖2所示。

圖2 光干涉式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

1.3 熱導(dǎo)式

熱導(dǎo)式工作原理是利用可燃?xì)怏w的導(dǎo)熱率與純凈空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的測(cè)定。檢測(cè)時(shí)將可燃?xì)怏w送入氣室,氣室中央是熱敏元件如熱敏電阻、鉑絲或鎢絲,通過(guò)電路使熱敏元件加熱到一定溫度,若被測(cè)氣體導(dǎo)熱系數(shù)較高,熱敏元件上的熱量較易散發(fā),則使其電阻較小。再利用信號(hào)調(diào)理電路,將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,方便后續(xù)的顯示、記錄和控制等處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè),如圖3所示。

圖3 熱導(dǎo)式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

這類(lèi)檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)元件和儀器設(shè)計(jì)制作比較簡(jiǎn)單,成本低,量程大,可連續(xù)檢測(cè),便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙測(cè),被測(cè)氣體不發(fā)生物理化學(xué)變化,讀數(shù)穩(wěn)定,元件壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是低濃度檢測(cè)靈敏度低,受氣溫及背景氣體的影響較大。

1.4 紅外線吸收式

紅外線吸收式是利用可燃?xì)怏w分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定瓦斯?jié)舛?。其?yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高,選擇性好,不受其它氣體影響,測(cè)量范圍寬,可連續(xù)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是由于有光電轉(zhuǎn)換精密結(jié)構(gòu),使制造和保養(yǎng)產(chǎn)生困難,而且體積大,成本高,耗電多,因此推廣使用受到一定限制。

1.5 氣敏半導(dǎo)體式

氣敏半導(dǎo)體的種類(lèi)較多,按照檢測(cè)方式,可分為表面電阻控制型和體電阻控制型兩大類(lèi)。如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物就為前者,其原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200℃時(shí),其表面能夠吸附被測(cè)可燃?xì)怏w進(jìn)而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度。

其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)微量可燃?xì)怏w較為敏感,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低。但當(dāng)可燃?xì)怏w濃度較大,例如CH4濃度大于1%時(shí),則反應(yīng)遲鈍,選擇性和線性均較差,所以很少用于煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè),而多用于可燃?xì)怏w的檢漏報(bào)警。典型的傳感器件如MQ-2系列。

1.6 電化學(xué)式

電化學(xué)式傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成,并由一個(gè)薄電解層隔開(kāi)。

氣體首先通過(guò)微小的毛管型開(kāi)孔與傳感器發(fā)生反應(yīng),然后是疏水屏障層,最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng),以形成充分的電信號(hào),同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。

穿過(guò)屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng),傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。

通過(guò)電極間連接的電阻器,與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。由于該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流,電化學(xué)傳感器又常被稱(chēng)為電流氣體傳感器或微型燃料電池。

1.7 聲速差式

以甲烷氣體為例,在溫度為22℃、氣壓為101325Pa條件下,聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s,而在清潔空氣中為322m/s。因而可以聲波傳播速度來(lái)測(cè)定可燃?xì)鉂舛?。其?yōu)點(diǎn)是讀數(shù)不受氣壓影響,對(duì)背景氣體、粉塵及氣溫變化很敏感,其缺點(diǎn)是不適合測(cè)量低濃度瓦斯,一般只用來(lái)檢測(cè)礦井抽放瓦斯管道中的瓦斯?jié)舛取?/p>

2 典型可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器的應(yīng)用

下面,就幾個(gè)較為典型的、常用的可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警傳感器,就結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電特性、應(yīng)用電路、應(yīng)用實(shí)際、價(jià)格、溫度特性、自身故障報(bào)警等幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。

2.1 TGS6810

TGS6810可對(duì)甲烷和液化氣進(jìn)行檢測(cè),具有輸出良好的線性特性,檢測(cè)的靈敏度也較好(甲烷氣體靈敏度為2.7μV/ppm,丙烷氣體為3.8μV/ppm,異丁烷氣體為4.2μV /ppm),體積較小,對(duì)酒精不敏感,滿足RoHS認(rèn)證要求。適用于住宅液化天然氣和液化石油氣的檢測(cè)報(bào)警。它屬于催化燃燒式傳感器,結(jié)構(gòu)分為檢測(cè)器和補(bǔ)償器兩個(gè)部分,如圖4所示。

進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測(cè)時(shí),檢測(cè)器部分的電阻值會(huì)相對(duì)于補(bǔ)償器部分隨被測(cè)氣體的濃度發(fā)生變化,因此采用惠斯登電橋作為其典型檢測(cè)電路,如圖5所示。

圖4 TGS6810傳感器元器件結(jié)構(gòu)

圖5 TGS6810典型檢測(cè)電路

從圖5可以看出,通過(guò)微調(diào)電位器VR可以方便地設(shè)定檢測(cè)的閾值。由于其線性的特點(diǎn),對(duì)于采用單片機(jī)作為處理器的檢測(cè)系統(tǒng),也可以通過(guò)軟件,實(shí)現(xiàn)一鍵式標(biāo)校功能,同時(shí)也可以進(jìn)行可燃?xì)怏w濃度連續(xù)檢測(cè)。典型的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可以組成如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

TGS6810具有良好的溫度穩(wěn)定性,得益于其雙檢測(cè)器的結(jié)構(gòu),可以完成自溫度補(bǔ)償。

其工作電壓較(3V),功耗較小(525mW),結(jié)合低功耗MSP430系列單片機(jī),可使以此設(shè)計(jì)出的檢測(cè)系統(tǒng)工作在低電壓低功耗,適合電池供電手持式檢測(cè)設(shè)備。

TGS6810發(fā)生故障時(shí),不論圖5中的檢測(cè)器、補(bǔ)償器發(fā)生短路或斷路,則Vout變?yōu)?1.5V或-1.5V,單片機(jī)可以對(duì)此類(lèi)粗大誤差判定為傳感器故障,進(jìn)行單獨(dú)報(bào)警。2.2 TGS813

TGS813屬于氣敏半導(dǎo)體式傳感器,所使用的氣敏材料是在潔凈空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大,從而通過(guò)傳感器電導(dǎo)的變換可對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)。

TGS813對(duì)甲烷、丙烷和丁烷都具有較高的檢測(cè)靈敏度,是較為理想的對(duì)天然氣和液化氣泄漏進(jìn)行檢測(cè)的器件。它也可以檢測(cè)多種可燃?xì)怏w,成本較低,因此應(yīng)用較為廣泛。它的底座是陶瓷制成,可以用于惡劣的檢測(cè)環(huán)境,耐受高達(dá)200°C的溫度。

圖7是該類(lèi)型傳感器的靈敏度表。

圖7 TGS813檢測(cè)靈敏度圖表

圖7中,TGS813的檢測(cè)輸出用RS/R0表示,其中R0為某種氣體在某濃度值下傳感器的電阻值(例如,甲烷氣體,在1000ppm時(shí)的電阻值可以定為R0),RS為該氣體在被測(cè)的濃度下的傳感器電阻值(例如,甲烷在3000ppm時(shí)RS=0.6R0)。

TGS813的基本測(cè)量電路如圖8所示。

圖8 TGS813基本測(cè)量電路

進(jìn)行測(cè)量時(shí),需要給傳感器加上VH=5V左右的交直流加熱電壓,在加上最高為24V的直流電路電壓VC,便可測(cè)量VRL并利用下列公式算得到RS的值。

傳感器在工作時(shí)功耗隨其電氣性能而變,可以通過(guò)下面公式進(jìn)行計(jì)算：

TGS813隨環(huán)境溫度和濕度而變化,呈負(fù)溫度系數(shù),在進(jìn)行精度較高的測(cè)量時(shí),需要進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償,可在圖8中VC-TGS813-VRL回路中串聯(lián)具有正溫度系數(shù)的合適熱敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)然,測(cè)量計(jì)算公式(1)也要相應(yīng)地進(jìn)行修正。

TGS813出現(xiàn)故障時(shí),如果要檢測(cè)VH回路是否斷路,可在該回路中串聯(lián)一個(gè)很小阻值的電阻,并對(duì)其電位進(jìn)行監(jiān)測(cè),如果電位降為0V,則該回路斷路;如要監(jiān)測(cè)VC-VRL回路是否短路斷路,可直接響應(yīng)輸出VRL的異常值即可。

其他一些較為常用的傳感器,例如MQ-2及其衍生的MQ-3、MQ-5等,與TGS813相類(lèi)似,可以參照處理。2.3 MH-440D

MH-440D屬紅外線吸收式傳感器,利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的CH4進(jìn)行探測(cè),有很好的選擇性,無(wú)氧氣依賴(lài)性,性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng),還內(nèi)置溫度傳感器,可進(jìn)行溫度補(bǔ)償,具有通用、智能、微型的特點(diǎn)。

這款傳感器使用方便,有模擬電壓信號(hào)輸出和串口數(shù)字通信兩個(gè)模式?？芍苯佑脕?lái)替代催化燃燒元件,廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場(chǎng)合。

MH-440D有五個(gè)管腳：VCC,RXD,Vout,TXD, GND,如圖9所示。

圖9 MH-440D管腳圖

在模擬工作模式下,將傳感器VCC端接5V,GND端接電源地,Vout端接AD轉(zhuǎn)換器的輸入端。傳感器經(jīng)過(guò)預(yù)熱后從Vout端輸出表征氣體濃度的電壓值,0.4～2.0V代表氣體濃度值0～滿量程。后續(xù)可用三極管電壓放大電路或運(yùn)算放大器電路進(jìn)行電壓放大,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后續(xù)聯(lián)動(dòng)的聲光報(bào)警裝置。

在數(shù)字工作模式下,VCC端接5V,GND端接電源地,利用單片機(jī)與傳感器件進(jìn)行通信,單片機(jī)的RXD端接探測(cè)器的TXD,單片機(jī)的TXD端接探測(cè)器的RXD。單片機(jī)可以直接通過(guò)傳感器的UART接口讀出氣體濃度值,不需要再進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。

3 結(jié)語(yǔ)

可燃?xì)怏w傳感器在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中都具有廣泛的用途,尤其在涉及可燃?xì)怏w生產(chǎn)的工廠和礦山,承擔(dān)著安全衛(wèi)士的作用。

合理地選用可燃?xì)怏w傳感器,要綜合考慮被檢測(cè)氣體的類(lèi)型、所運(yùn)用的環(huán)境和安全等級(jí)的要求(如是否需要防爆等)、傳感器產(chǎn)品的可靠性及使用壽命等方面的要求。另外,在基于可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),也要根據(jù)不同的情況對(duì)傳感器的非線性特性、溫度和濕度的影響、電源穩(wěn)定性對(duì)監(jiān)測(cè)性能的影響以及傳感器本身故障監(jiān)測(cè)進(jìn)行修正、補(bǔ)償和設(shè)計(jì),己達(dá)到相應(yīng)要求。

[1]黃俊霖,董潔,吳垣春,王二偉．環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子科技,2013(04)．

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Adoption of combustible gas sensor for detection and alarming purposes

(YingTian Collage,Dongxu Ge)

There are many kinds of combustible gas sensors to be chosen from the market for detection and alarming purposes,as the requirements to having high and reliable performance to the combustible gas sensor and devices go high.The working principles are different for these sensors;therefore the detectable combustible gas sorts and detection performances vary with their element structure and the circuits.In this paper,the working modules of most popular combustible gas detection sensor and the typical sensor devices are stated and commented,with their characteristics and detecting circuit applications.

Combustible Gas Detection;Sensor

葛東旭（1965—），男，碩士，高級(jí)工程師，副教授，現(xiàn)供職于應(yīng)天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，承擔(dān)電子信息工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)等專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)和科研工作；指導(dǎo)學(xué)生參加電子和計(jì)算機(jī)類(lèi)別技能競(jìng)賽，多次獲獎(jiǎng)，研究方向：傳感器應(yīng)用，信息管理與信息系統(tǒng)。