危险气体泄漏报警装置设计

杨 川

（山西大同大学 机电工程学院，山西 大同 037009）

0 引 言

近年来，各种燃气和有毒气体的开发和利用，各式各样的危险可燃性气体弥漫在人们的生活中。为了能够对燃气生产过程中的主要气体成分进行有效检测并及时报警，国内外科研人员对燃气的检测方法和控制方法进行了大量研究并有了很大进展，研制了多种分析、检测和报警的仪器，主要用来探测监测、生产过程中危险气体含量，以预防灾害，减少不必要的损失[1]。

针对危险气体可能存在泄漏的情况，最常见的控制方法是设置泄漏报警器。但是，该方法的缺点主要有两方面：（1）安装不方便，价格昂贵；（2）操作不方便，当监测到危险气体泄漏时，不能及时断开气体源头，从根源上杜绝危险事故的发生。因此，需设计一种能够自动检测、报警以及自动切断气源的危险气体泄漏报警器。

纵观目前市场上存在的泄漏报警器，有些不能实现对危险气体的实时监测，如氢气和硫化氢等可燃性危险气体，有些不能实现远程监控功能。本文提出的报警系统特别适用于电厂容易产生危险气体聚集的地方。

1 报警器的工作原理

报警器硬件工作原理框图如图1所示。

图1 硬件工作原理

报警器启动后，开始监测预设区域范围内的可燃性危险气体的浓度。当浓度升高时，传感器的电压值会相应升高。浓度一旦达到预设报警值，传感器电压会超过门限电压。此时，振荡器开始工作，输出脉冲对蜂鸣器进行控制并发出报警，同时通过三极管控制继电器无线发射电路。继电器可以自动打开排风扇，将危险气体及时排出，降低危险气体浓度，避免可燃性气体的浓度过高引起剧烈爆炸或者使工作人员处于危险中。无线发射电路被启动后，可以及时向外发出报警信号，使远程人员能够及时了解状况而制定解决方案。

2 系统总体设计

装置通过AT89S51单片机控制芯片实现控制，通过实时检测危险气体泄漏报警器探头的输出信号，判断可燃性气体浓度。

2.1 可用方案

2.1.1 方案一：危险气体泄漏报警器的论证

对集成运放电路的危险气体泄漏报警器的论证，利用集成运放电路和必要的外围元器件完成对特定环境下可燃性气体的检测，利用传感器采集的信号进行放大、控制和处理。装置原理简单，操作方便，电路构成等对硬件要求不高，且能够对电路进行适当扩展。所以，危险可燃性气体报警装置可采用此方案[2]。

具体过程如下：

①电源指示：通电时指示灯显绿灯，检测到可燃性气体达到一定浓度报警时绿灯熄灭。

②警报指示：红灯，报警时红灯一直闪亮。

③接通电源，绿灯闪烁1 min后，报警器开始运作。当检测危险可燃性气体泄漏达到报警浓度时，报警器开始发出警报，然后绿灯熄灭，红灯开始闪亮，同时报警装置发出高频无线报警信号。当危险气体的浓度下降到设定的报警浓度以下时，危险气体泄漏报警装置停止发出警报。

④报警时也可以利用排风扇将危险可燃性气体排出，也可以通过控制电磁阀的方法关掉气源。

2.1.2 方案二：无线发射与接收

第二天，我们便开始在伦敦城市中穿梭，这里的建筑风格与国内的高楼大厦风格迥异，而我更喜欢这种优雅浪漫的欧式建筑，给人一种轻松、愉悦、古朴雅致的感受。

PT2262/PT2272是常用的无限发射接收芯片，具有造价低、功耗低等优点，使其得到了广泛应用。在接收端PT2272和发射端PT2262的地址码一致时，装置才能够匹配使用。设计中将信号进行放大等处理操作，利用信号对驱动继电器等负载进行进一步控制。

2.2 危险可燃性气体泄露漏报警装置的设计

通常人们说的危险可燃性爆炸气体是指多种可燃性气体混合组成的高浓度气体。这类混合气体极易产生爆炸，爆炸原因是该气体遇到空气或氧气后会产生化学反应，当混合气体达到一定浓度时，只要遇明火就会瞬间发生爆炸。混合气体自身的爆炸极限与含可燃性气体的浓度有关。

2.3 危险气体报警器特性及选取

2.3.1 传感器的主要特性

（1）稳定性

传感器的稳定性评价指标是：报警装置工作时，传感器是否能稳定做出响应。传感器稳定性的好坏主要受区间漂移和零点漂移的影响。零点漂移和区间漂移是传感器在两种不同状况下的工作情况。零点漂移是当外界不存在目标气体时，传感器的输出响应状况；相反，区间漂移指的是传感器长期处在目标气体中其输出响应变化。

（2）灵敏度

传感器的灵敏度计算方法是在工作过程中其自身的输出变化量与输入变化量的比值。传感器灵敏度好坏主要受其结构因素影响。传感器的灵敏度首先考虑选用精度较高、灵敏度较强的传感器，要求其对目标气体的最低爆炸限度的百分比的检测要有一定的灵敏性。

传感器的选择性，是指根据传感器的输出响应判断传感器检测到的气体属性。这个特性对于传感器在监测不同种类的气体时发挥着巨大作用。由于传感器的选择性特性占据很高的地位，一旦该特性性能降低，将对整个装置的工作性能造成很大影响。因此，气体传感器的选择性好坏是衡量传感器好坏的一个重要标准[3]。

（4）抗腐蚀性

传感器一般对抗腐蚀性性能要求很高，因为其工作环境是在高浓度危险气体中，只有这样才能长期正常工作。生产过程中出现大范围气体泄漏时，传感器探头应当能够承受期望气体体积分的10～15倍。恢复正常状况时，传感器的零点校正值和漂移值应尽可能小。

2.3.2 气体传感器的选取

（1）光纤硫化氢气体传感器

一般的硫化氢传感器主要用来检测硫化氢气体，使用寿命较短，易受周围环境的影响，维修费用较高。本传感器除了解决了一般传感器的缺点外，还具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、安全可靠、耐腐蚀、传输容量大、损耗小、成本低廉和简单实用的优点。本设计选用此种气体传感器。

（2）一氧化碳气体传感器

传统的一氧化碳报警器普遍存在测量范围较大、精度不高、寿命短、不耐腐蚀等缺点，而本文中的一氧化碳报警器具有精度高、寿命长、抗干扰能力强、使用和维护简单的特点。本设计选用此种一氧化碳传感器。

（3）光纤氢气气体传感器

光纤氢气传感器的工作原理是通过检测到的光的相位、强度等参数的变化来反映氢气的浓度。因为光纤氢气气体传感器表面覆盖有钯膜，当接触到氢气时，其自身的性能如折射率等会受到影响，无氢气时恢复正常。本氢气传感器再生能力强、灵敏度较高，具有极好的温度特性，不易受外接环境的影响。因此，本设计选用此种氢气传感器[4]。

3 软件控制流程

3.1 显示电路工作步骤

（1）接口电路是将接收的高频解码信号送入单片机中；

（2）单片机对输入的高频解码信号进行处理，输出译码信号，并送入驱动电路；

（3）驱动电路是将译码信号进行放大，然后送入显示电路；

（4）显示电路是把报警器发出的报警信号显示出来。

3.2 软件设计流程

软件控制流程如图2所示。

图2 软件设计流程

3.3 注意事项

从同一个地方泄露出的危险气体分布会非常不均匀。不同的地方，危险气体的浓度可能类似；紧邻的，则可能相差很大，并没有固定规律。总的来说，在安装危险气体泄漏报警器时，要遵守如下原则：

（1）安装时探头必须向下，否则可能会因液体或者颗粒物堵塞探头而不能进行有效的检测。当危险可燃性气体的比重比空气小时，气体会向上跑，探头应当安装在易泄漏点的上方；反之，当危险可燃性气体比重比空气大时，气体会自然下沉，此时探头应安装在地面。探头安装在下面时，探头要距离地面不少于0.4 m，一方面方便安装该装置，也便于拆卸和维修；另一方面是距离地面较远，能避免地面污垢对探头的污染和破坏。

（2）考虑安装地点的主导风向和空气流动通道，将探头安装在泄漏源的下风侧。因为在下风侧会更及时监测到危险气体泄漏情况，使用户更早获悉情况采取相应的策略，避免发生火灾危险。

4 结 论

传感器在当今科技领域、工业以及日常生活方面发挥着重要作用，人们对其提出了更高要求，为传感器的发展提供了强大动力。安全在社会发展中是一个至关重要的环节，直接关系到人身和财产安全，而危险气体泄漏报警装置可以在发生危险前发出警报，便于人们积极采取应对措施，降低甚至完全排除危险隐患，具有重要的现实意义。