遥控式红外可燃气体探测器的研制

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

The development of remote infrared combustible gas detectorLI Shao-peng，LIU Jian-xiang，ZHAO Zhi-peng，SUN Rui(Automotive Electronic Technology Key Laboratory ofShandong Province， 嗍 250014，China)Abstract：The combustible gas fire is more harmful than other various types of fire，and in the process of production and use，it can easily initiate a fire or explosion once leaked.Th e importance of gas detector is that it can bring about the real-timedetection of the concentration changes of combustible gases in the air and make early warning to avoid serious fire accidents。

This paper devises a new kind of remote infrared combustible gas detector based on the NDIR detection principle，andintroduces the hardware and software design and the structure of the device，and it also describes its specifc implementationprocess which regards methane gas as the detection object.The measurement range of the detector is 0-100%LE Litresolution ratio can come up to 0.2% LEL，and its response time is less than 30 seconds。

Key words：combustible gas；gas sensor；NDIR；remote control可燃气体引起的火灾是各类火灾中危害较严重的-种 ，当可燃气体在空气中达到-定浓度范围时.遇着火源便会引起火灾甚至更严重的爆炸事故。随着石油、煤矿、化学工业的发展，可燃气体的种类和应用范围都得到了增加，在生产 、运输 、使用过程中可能会发生泄露.以及在居民家庭中普遍使用的燃起设备由于管子老化或者人为因素等诸多原因也可能造成可燃气体的泄露，将会引发火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全∩靠地探测环境中可燃气体的浓度.及时采取正确的处置方法 .可以做到有效地的预防火灾爆炸事故的发生。

近年来国内气体探测器使用的大部分还是以电化学和催化燃烧原理为主的传感器1]，存在校验时间短 、易中毒降低灵敏度 、在高硫及无氧环境下无法检测等缺点；而基于非色散红外技术原理的红外气体传感器克服了上述的缺点。红外气体传感器及探测器应用广泛，具有精度高、选择性好、可靠性高 、不中毒、不依赖于氧气、受环境干扰因素较孝寿命长等显著优点。适用于检测近乎各种可燃气体121。目前存在的红收稿 日期 ：2013-O1-22 稿件编号 ：201301200基金项目：山东势技发展评划项目(2011GGH10131)作者简介：李绍鹏(1985-)，男，山东济南人，硕士，助理研究员。

- 74-外气体探测器由传感元件、前置放大电路、探测器外壳组成，输出4～20 mA标准信号，具有或不具有现场浓度显示 .选择磁棒在探测器外壳近距离感应设置。这种产品存在给工程安装施工、调试维修及标定带来了很大的不便13]。

基于 以上问题 ，本 文设计 了-种基于 NDIR检测原理 的远程邑式红外可燃气体探测器￠绍了该装置的软硬件设计及结构组成.叙述以甲烷气体为检测对象实现其具体实施过程。

1 红外气体传感器工作原理红外气体传感器是 NDIR非色散红外检测原理.利用气体对特定波段的红外光的吸收实现对可燃气体的检测 .其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律[41：f f 、，IoAexp- [a(A， )卢(A，x)ld (1)其中：，0 - - 波段初始处光强；厶- - 波段终端处光强；- - 红外光束传输路径长度(m)；a， -- 分别为与传输光波长和介质密度有关的研究方向 ：消防电子和汽车电子 。

李绍鹏，等 邑式红外可燃气体探测器的研制介质吸收系数和散射系数。

当 三为-定值 ，并且 值较小时 ， 值可以认为是-定值，该值与波长A有关 ，与距离 无关 ，则上式可以简化成：，； exN-[o(a， ) (A， )] (2)式(2)可以看出，当红外光源发出特定波段A的红外光，到达接 收红 外接收器时 ，接收器接收 到的红外 光的光强 与介质 的吸收系数成正 比 ，我们通过检测-定光路长度 上的红外光 的光强 ，来 实现对可燃气体浓度 的探 测。吸收 系数 撒于气体特性 。并随着入射波长而变 ，在红外光源与传感器之间安装适合被测气体吸收波长的窄带滤光片，传感器就可以反应被测气体的浓度变化。

2 探测器设计实现2.1 设计综述1)选择使用双元红外热释电气体探测器的传感器探头，探头内部集成温度补偿、信号放大、滤波及 AD转换，并且输出数字信号。方便单片机直接处理 ；更换传感器类型可更改探测器检测气体种类。

2)智能的邑电路及可视化设计：电路设计中加入远程邑进行调整零点、量程和预设报警值等操作♀决探测器调试、维修及标定的不便，降低了维护成本；3)选择多色液晶背光可视化浓度显示 ，方便用户对当前气体浓度的实时检测，提高报警状态的观察范围。

4)采用 Modbus RTU协议作为信号传输协议 ，满足气体监控系统带载容量及传输距离、实时性、可靠性的要求。同时，探测器保留传统数字开关量输出和标准电流输出方式，便于与不同系统设备之间的连接。

5)将根 据国标 GB3836-2010、GB15122.1-2003的相关要求进行探测器防爆及防护设计，包括结构、材料、防水、防尘、电磁兼容等，提高产品的抗干扰能力、高可靠性、高稳定性。

2.2 硬件 电路微处理器采用工 业级 PIC18系列单 片机 .硬件 电路包 含单 片机电路 、液晶显示电路 、RS485总线及红外接收探头HSo038、电压 转换 电路 、4～20 mA 电流输 出 电路 、3个继 电器输 出电路等。原理框图如图 1所示。

图1 硬件电路原理框图Fig.1 Hardware circuit principle diagram24 V电源通过电压转换 电路分别为单片机和红外气体传感器供电，单片机与红外传感器通过两种方式连接.-是通过单片机的USART通信，二是单片机检测红外传感器模拟 电压输出，实时读取传感器数据变化并做出判断，将结果送入液晶显示 .针对报警或故障情况控制继电器输 出等动作。红外接收-体化探头 HS0038收到邑器发射的频率为38 kHz红外信号 .其 OUT管脚输出与单片机的外部中断INTO连接。当邑器发射按键指令时，由HS0038接收到该信号并送人单片机软件解码，进行相关设置操作。整个电路分为上下两块电路板，主电路 由24 V电源供电，其中红外气体传感器连接在上块 电路板 中，经过电压转换至 3-3 V供 电。

上块电路板还包含单片机电路、液晶显示电路、RS485总线及红外接收探头 HS0038等。下块电路板包含电压转电路 、4-20 mA电流输出电路、3个继电器输出电路等。

2.3 软件设计软件主要从两个方面来考虑：-是消除模拟输入信号的噪声(如数字滤波技术)；二是程序运行混乱时使程序步人正轨。采取了如下措施：1)为避免误报警及传感器预热，设置开机延时。2)对采集的电压信号进行数字滤波以消除干扰信号。

3)设置相应的延时语句、校验语句、错误数据处理语句等。4)设置看门狗、指令冗余、软件陷阱等预防程序跑飞的措施。

2.4 外观结构邑式红外可燃气体探测器的结构如图 2所示 ，主要包括防爆外壳、液晶显示表头、红外气体传感器、气室和邑器组成。所有电路部件均安装在防爆外壳内，防爆外壳采用 304不锈钢材料制成，符合 GB3836-2010防爆标准要求[61。液晶显示表头具有多色背光 的段式液晶。气室是-个筒形结 构 ，红外传感器的通气孔固定在里边，气室侧壁设有气孔.外部和内部可以彻底换气并达到气体浓度-致，具有保护红外传感器的作用，具体表现在防尘、防水等方面。邑器采用红外遥控发射电路，用两节 5号电池作为电源工作 ，有两个上、下选择键和-个功能按键来完成所有的设置操作。

匝 --气室 幽图 2 探测器结构Fig.2 The structure of the detector3 具体实施和试验红外可燃气体探测器接上 24 V电源.等待开机 自检测和探测器预热。由邑器设置初始化，即调整零点、量程及报警值等操作。红外气体传感器探头感应到气体浓度的变化。

单片机实时扫描并读取传感器的数值，将气体浓度计算出来，控制液晶显示当前浓度 ，多色背光表示该浓度下的报警- 75-《电子设计工程12013年第 l4期状态，绿色表示电源正常工作，黄色表示故障信号.红色表示报警信号。探测器工作时有如下几个状态：1)热机 自检测状态：可燃气体探测器接人额定电压时，多色背光液晶断码依次显示 自检测中，传感器进入预热状态。

2)邑设置状态 ：绿色背光 灯常亮。用邑设置探测 器的调整零点、量程及低报警值等。

3)正常工作状态：绿色背光灯常亮 ，此时探测器进入正常工作状态，液晶显示目前环境被测气体的浓度值。

4)报警状态：当单片机检测到可燃气体浓度达到预设报警值，绿色背光灯关闭，红色背光灯亮起，同时驱动继电器实现相应的报警动作。

5)故障状态：探测器出现故障时.绿色背光灯关闭，黄色背光灯亮起 ，同时驱动继电器实现相应 的报警动作。

以 5%Vol甲烷和 95%Vol氮气的混合气体为实验对象，在体积为50 L的气体浓度配比箱中进行气体检测试验。混合气体容器瓶为4 L，通过减压阀每隔60 S向浓度配比箱中注人-定量的混合气体。每隔 60 S读取探测器显示数值，测量数据取部分如图 3所示。

甲烷气体检测试验测量次数/n图3 甲烷气体检测试验数据统计Fig.3 Methane gas detection test and data statistics探测器显示浓度的单位是%LEL，开机检受4和传感器预热后，邑设置低报警值为 25%LEL，高报警值为 50%LEL。

从实验结果来看，探测器的分辨率可达到 0.2%LEL。每次注人 甲烷气体后 ，探测器数据显示稳定的时间约在 30 S以内 ，其中测量气体浓度时，第 9次测量浓度值为27.6%LEL，达到低报警浓度值。探测器液晶屏背光显示为红色，手动取消报警继续试验，在第 18次测量浓度值为 51.6%LEL，达到高报警值，背光显示为红色并不停闪烁，探测器驱动声光报警。

4 结束语理论设计和试验表明，本文研制的可燃气体探测器是实用可行的，其测量数据线性良好，测量范围0 100%LEL，具有分辨率高、重复性好、响应时间短等优点。配备邑器进行远程设置和标定 ，解决了探测器非近距离调试或维护的不便。

提高了仪表检测的准确性，降低了维护成本，节能环保。该探测器也可通过更换传感器探头种类以实现对不同气体的检测，操作方便 ，可扩展性高。