气体传感器在液化气泄漏检测中的应用

兰建军，辛红伟，张玉财

（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林 132012）

0 引言

家用石油液化气是石油化工行业的副产品，其为多种烃类的混合物，主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等极易燃烧和爆炸的碳氢化合物。近年来，由于设备老化泄漏和使用者误操作造成的液化气爆炸事件频发，给人们的生命和财产安全带来了巨大的损失［1］。泄漏有时是无法避免的，但是泄漏后如果能进行快速有效的检测，从而采取合理的处理措施，同样可以减少或者避免爆炸事故的发生。

目前，对于易燃易爆气体泄漏检测的方法主要分成主动检测和被动检测，主动检测有光谱分析法、气相检测法等检测方法;被动检测方法通常采用相应气体传感器和被测气体接触，通过相应的物理、化学反应变成电信号，多用于环境的监测或报警信号的产生。如皮亚镭、张维华使用的气相色谱分析技术来进行气体泄漏检测［2，3］，但是该方法在定量分析时，常需要用已知物体的纯样品对检测后输出的信号进行校正。吴晓南采用的光谱分析法［4］和韩慧伶提出的超声检测方法等［5］，存在易受光学系统参数等外部或内部因素影响，经常出现曲线非线性问题，对检测结果的准确度影响较大。针对家用液化气泄漏检测，半导体气体传感器以其体积小、稳定、抗毒，可检测低体积分数气体等优点，在可燃气体检测中有重要作用。仓怀文等人采用Fe2O3气体传感器实现了液化石油气等3种气体成分的检测［6］，然而半导体气体传感器受传感器周围环境温湿度变化影响［7，8］，因此，使用半导体气体传感器测量气体体积分数必须对传感器的数据进行温湿度补偿。

本文介绍了以MQ—2型传感器和MC9XS128单片机为核心的液化气泄漏检测装置设计方案，根据实验数据进行了传感器曲线绘制，针对温度影响问题，分析了环境温度变化导致的传感器误差，绘制了传感器的温度影响曲线，采用温度补偿方法对传感器测量值进行了修正。方案具有成本低，检测灵敏度高等优点，实验数据表明:该方案可用于家用液化气的泄漏检测。

1 系统概述

气体传感器种类较多，按照气敏特性情况来分，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、光学式、热导式等［10］。本文设计选用半导体式MQ—2型气体传感器进行液化气组份的检测。

1．1 MQ—2型气体传感器工作原理

MQ—2是一种体电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的体积分数（成分）而变化，传感器具有探测范围宽、灵敏度高、响应速度快、稳定性高等优点，可实现液化气、丁烷、丙烷等可燃性气体的探测。MQ—2型气体传感器把微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件封装在不锈钢制成的腔体内，利用加热器提供气敏元件必要的工作条件。

当传感器处于最佳工作条件下，接触同一种气体成分时，其电阻阻值RS随气体体积分数变化的特性称之为灵敏度特性，用K（K=RS/R0）表示，R0为传感器在洁净空气中的电阻值，RS为传感器在不同气体体积分数下的电阻值。图1给出了MQ—2型传感器对于各种气体成分的灵敏度特性曲线。

图1 MQ—2型传感器灵敏度特性曲线Fig 1 Sensitivity characteristic curve of MQ—2 sensor

1．2 系统总体结构

系统主要由气体传感器、温度传感器、主机、显示和报警电路构成，具体的系统结构框图如图2所示。气体传感器主要负责检测环境中泄露液化气体积分数的检测;温度传感器主要实时测量环境温度，对气体传感器进行温度补偿;显示电路完成各种参数的实时显示;当液化气泄漏超标，环境中液化气体积分数达到设定值时，单片机输出报警信号进行报警，同时启动通风装置进行通风。

图2 系统总体结构框图Fig 2 Overall structure diagram of system

2 数据采集系统设计

2．1 核心部分硬件设计

1）控制器选择

系统控制器采用飞思卡尔高性能的16位单片机MC9XS128，该单片机具有速度快、功能强、功耗低等特点。其内部带有128 kB的FLASH程序存储器和8 kB的FLASH数据存储器;可支持高达40 MHz的总线频率;内部集成有8通道位数可配的A/D器;8通道的PWM控制器;良好的低功耗特性，带有中断唤醒功能的I/O接口可实现唤醒休眠系统的功能。本次设计选择该单片机无需外部扩展A/D转换器就可完成气体体积分数的采样和转换，同时可利用PWM通道对通风装置的风机进行调速。

2）主要器件电路设计

MQ—2型气体传感器和单片机的接口电路比较简单，传感器需要施加加热器电压（VH）和测试电压（VC）2个电压，VH为传感器提供特定的工作温度，VC用于测定与传感器串联的负载电阻上的电压，本次负载电阻选择为5．1 kΩ，输出连接至X128单片机的模拟量输入通道0上。MQ—2型传感器是基于气体在传感器表面的化学吸附、反应与脱附原理进行气体成分检测的，当环境温度发生变化时，会改变传感器化学反应速度;同时由于水蒸汽在传感器表面上的吸附，导致的湿度变化将引起传感器阻值RS的降低，从而影响传感器的敏感特性。因此，当传感器应用于对测量的精度要求较高的场合时，就需要考虑传感器的温湿度补偿问题。为了进行温度补偿，系统选择数字温度传感器DS1820进行温度测量，其和单片机的通信采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。详细的电路连接图如图3所示。

图3 系统硬件电路原理图Fig 3 Principle diagram of system hardware circuit

2．2 实验数据和曲线拟合

按照手册规定的测试条件，利用家用液化气气体成分对传感器进行了测试，测试条件为:温度20℃，相对湿度为65%RH，负载电阻5．1 kΩ。通过实验数据进行了曲线绘制，相关资料指出，在给定的工作条件下和适当的气体体积分数范围内，传感器的电阻值和气体体积分数之间的关系呈指数关系。本文按照对数形式对测试数据进行了曲线拟合，拟合曲线方程如式（1）所示

测试数据曲线和拟合曲线情况如图4所示。为了验证曲线拟合精度，用拟合的曲线计算出对应测试点的数据，表1中给出了测试值和拟合值的对比情况，同时进行了误差分析。实验数据表明:曲线拟合精度满足要求，依据式（1），测量出传感器在各种液化气体积分数下的电阻比（RS/R0），就可计算出液化气的浓度C。

图4 传感器测试数据拟合曲线图Fig 4 Fitting curve of sensor test data

表1 测试数据误差分析表Tab 1 Error analysis form of test data

3 传感器的温度补偿

3．1 数据测试和曲线拟合

为了分析温度变化对传感器测量值的影响情况，在65%RH和固定气体体积分数条件下，对传感器进行了测试。图5给出了传感器在各温度点下的输出数据，数据表明:传感器输出变化和温度变化呈非线性关系。根据图5数据进行了曲线拟合，发现采用单一曲线拟合，数据误差较大，无法满足精度要求。因此，针对数据情况，以20℃为分割点进行了分段曲线拟合，曲线拟合情况如图6所示。2个温度段的拟合曲线方程分别为

为了验证曲线拟合精度，表2对通过拟合曲线方程计算出的数据和实际测试数据进行了对比和误差分析，表中数据表明:拟合曲线精度可满足要求。

图5 传感器温度特性曲线Fig 5 Temperature characteristic curve of sensor

3．2 传感器的温度补偿

图6 分段拟合曲线图Fig 6 Subsection fitting curve

MQ—2型气体传感器对各种气体成分的敏感特性都是在温度20℃条件下进行标定的，当温度偏离标准温度20℃时，为了对传感器的输出进行修正，需要测试传感器的ΔRS/R0-ΔT特性，可以把表2中的数据转换成传感器温度差和阻值比差的关系，这样在每次体积分数测量时，实时测量传感器环境温度，就可实现传感器的温度补偿，提高传感器的测量精度，如表3。

表2 分段曲线拟合数据误差分析表（RS/R0）Tab 2 Data error analysis form of segmentation curve fitting（RS/R0）

表3 分段曲线拟合数据误差分析表（ΔRS/R0－ΔT）Tab 3 Error analysis form of segmentation curve fitting data（ΔRS/R0-ΔT）

4 结束语

本文针对液化气成分的特点，进行了传感器选型，利用MQ—2型气体传感器进行液化气体积分数检测，完成了系统的软硬件设计。依据测试数据，进行了数据曲线绘制和曲线拟合，同时针对传感器受温度影响特点实施温度补偿措施，实验数据表明:温度补偿可有效解决温度变化引起的传感器误差。该方案具有结构简单，测量精度高等特点，可应用于家用液化气的泄漏检测。

［1］ 陈城明．一起液化气钢瓶爆炸事故的分析和思考［J］．安全与健康，2002（17）:33－35．

［2］ 皮亚镭．SR5乙烷辨识仪在天然气泄漏检测的应用［J］．煤气与热力，2007，27（5）:43 －45．

［3］ 张维华．燃气泄漏报警器检测装置的研制［J］．煤气与热力，1998，18（3）:44 －46．

［4］ 吴晓南，胡 镁．城市燃气泄漏检测新方法及其应用［J］．天然气工业，2011，31（9）:98 －100．

［5］ 韩慧伶，王彤宇．智能气体泄漏超声检测方法研究［J］．长春理工大学学报，2010，33（4）:114 －117．

［6］ 仓怀文，蔡可芬，庄明夫等．基于Fe2O3系列气体传感器阵列的电子鼻系统［J］．传感器与微系统，2007，26（7）:73 －75．

［7］ 王丽杰，王天荣，苏子美．环境因素对Fe2O3可燃性气体传感器性能的影响［J］．云南大学学报:自然科学版，1997，19（2）:121－124．

［8］ Hiranaka Y，Abe T．Gas-dependent response in the temperature transient of SnO2gas sensors［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，1992，9（3）:177 －182．

［9］ 杨邦朝，张益康．气体传感器研究动向［J］．传感器世界，1997（9）:1－8．

［10］方 俊，赵建华．气体传感器及其在火灾探测中的应用［J］．火灾科学，2002（3）:180－185．