基于LMP91000的便携式可燃和有毒双气体检测仪研制*

朱 亮

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

1 石化企业气体检测特点

石化企业涉及的有毒有害气体包括可燃气、H2S、VOCs、CO、NH3、SO2等，这些气体可分为可燃类和毒性类，前者泄漏容易造成火灾爆炸，后者泄漏容易造成人员中毒伤亡，特别是H2S气体，容易带来闪电式中毒[1]。目前，针对这些气体的检测，从原理上划分主要有半导体型、催化燃烧型、电化学式、红外式、光电离式[2,3]，其对比如表1所示。

从安全角度考虑，对现场人员威胁最大、最直接的是由于可燃气体泄漏而引发的火灾爆炸，以及毒性气体泄漏引发的人员中毒，例如硫化氢中毒、一氧化碳窒息等。根据某炼化装置设计建造和安全生产运行数据统计，现场安装的固定式气体报警器85%以上为可燃气和硫化氢2种，现场作业人员佩戴的便携式报警器100%为可燃气和硫化氢报警器，可燃气和硫化氢2种气体检测是石化行业最常见的组合。这2种气体分别基于催化燃烧和电化学原理传感检测，其输出信号非常微弱，通常采用多级A/D放大完成信号调理，容易造成信号稳定性不好、一致性差、干扰中毒等问题[4-6]。因此，设计一种高效率、稳定的气体传感调理电路，对于保证现场作业人员安全防护很有必要。

2 基于LMP91000的气体检测调理电路设计

2.1 LMP91000可配置前端模拟芯片

表1 石化气体检测原理对比

LMP91000芯片是业界首款可全面配置的低完整的信号路径解决方案。设计三电极气体传感、双端氧气传感调理电路设计时，通过微控制器I2C接口设置跨阻抗增益值，LMP91000就可输出与气体浓度成比例的电压值，气体传感信号调理灵敏度高，可调理检测范围宽，每百万分之一体积浓度气体灵敏度为0.5 nA至9 500 nA，满足有毒有害气体检测应用需求，并且内置的温度传感可提供附加输出，进行温度补偿，结合气体传感器特性，获得稳定的线性。工作电压范围在2.7～5.5 V之间，气体检测电路功耗平均值低至10 μA，相较于传统的多级A/D放大具有电路功耗低、稳定性好、电路简单的特点，基于该芯片完成了可燃气和硫化氢检测调理电路设计。

2.2 双气体检测调理电路设计

可燃气和硫化氢传感器分别基于催化燃烧和电化学原理。可燃性气体在催化剂作用下氧化无焰燃烧，温度增高，元件阻值增加，打破电桥的平衡，使其电阻值发生变化，产生微小的电压差信号，每百分之一爆炸下限体积浓度的信号灵敏度不超过20 mV；硫化氢气体与电解质发生化学反应产生电流，这一电流与气体浓度成正比，每百万分之一体积浓度气体灵敏度不超过0.7 μA，通过检测以上微弱的电压电流信号获得可燃气和硫化氢气体的浓度。基于LMP91000的双气体传感检测调理电路如图1所示，可燃气和硫化氢气体传感器分别连接一片LMP91000，检测信号通过I2C接口与CPU相连，CPU控制MOS管Q1实现两种气体检测切换，并配置LMP91000内部寄存器，获得最适合的信号放大和最优的信噪比。

图1 双气体传感检测调理电路

3 硫化氢可燃气双气体检测仪研制

3.1 硬件电路

硫化氢可燃气双气体检测仪以STM32微处理器为核心，两路传感器信号通过I2C接口和IO使能端控制接入，输入高信噪比的气体检测信号，同时利用LMP91000温度检测特点，实时监控环境温度，以合理补偿传感器的温度影响。使用人员通过人机接口校准气体浓度、设置报警值等，当环境中可燃气体和硫化氢气体浓度超过报警值时，检测仪通过OLED显示和报警电路控制声、光、振动报警，提醒携带人员气体浓度超标，总体结构如图2所示。

图2 双气体检测仪总体结构

3.2 软件设计

图3所示为双气体检测仪软件流程。首先，根据可燃气和硫化氢传感器型号，利用SensorAFE Designer工具获得LMP91000寄存器参数，并确定报警值和显示控制模式，完成检测仪各种参数初始化；然后，根据微处理器I/O端口输出确定检测气体种类，完成浓度检测数据传输、温度补偿和数据处理；之后，根据检测的浓度值与设定值的差别，完成声光振动报警，并提供结果显示。

图3 双气体检测仪软件流程

4 实验部分

为了验证可燃气体和硫化氢双气体检测仪的准确性，在基于LMP91000的气体传感调理电路的稳定性的基础上，进行了气体浓度检测实验。

4.1 实验条件及步骤

实验采用浓度为10.0 %LEL和60.0 %LEL的甲烷标准气体、浓度为24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氢标准气体[7]，利用气袋灌装后，经过流量泵匀速抽气后自然扩散到双气体检测仪，流量泵抽气速度分别为0.25 L/min和0.5 L/min。为了实验安全，以上实验在带有尾气处理装置的通风橱中进行。

气体浓度检测实验步骤为：①启动通风橱，检查系统是否完好，一人安全监护一人开展实验测试；②在通风橱中将浓度为10.0 %LEL的甲烷标准气体灌装到气袋中，通过软管连接流量泵后释放，流速设置为0.25 L/min，记录检测值；③关闭流量泵，1 min后再开启，记录检测值，重复获得3组数据；④将流速增大到500 mL/s，重复步骤③；⑤将标准气体分别换成浓度为60.0 %LEL的甲烷标准气体、浓度为24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氢气体，重复步骤②③④；⑥清除残留气体，实验结束。

4.2 结果分析

根据实验记录的气体浓度检测结果如表2。

表2 甲烷气体浓度检测实验结果 %LEL

由表2可知，甲烷标准气体浓度为10.0 %LEL、60.0 %LEL 时，最大检测误差分别为0.4 %LEL和2.9 %LEL，相对误差均小于5%；由表3可知，硫化氢标准气体浓度为24.9×10-6、79.8×10-6时，最大检测误差分别为0.5×10-6和2.3×10-6，相对误差均小于3%；由表2和表3各种标准气体浓度下的多次检测值可知，气体浓度检测几乎不受标准气体浓度释放速率的影响，检测值比较稳定，说明基于LMP91000气体检测调理电路性能较好。

表3 硫化氢气体浓度检测实验结果×10-6

5 结语

面对石化行业对有毒有害气体检测需求的不断增加，特别是检测多种气体时，传统的气体传感信号调理电路存在稳定性差、结构复杂的问题。针对此现状，研究设计了一种双气体检测仪，重点介绍了基于LMP91000完成了双气体检测调理电路设计和双气体检测仪设计，最后完成了可燃气和硫化氢气体在多种条件下的浓度测试实验。实验结果表明：基于LMP91000的硫化氢和可燃气双气体检测仪检测气体浓度的相对误差不超过5%，气体检测性能稳定、功耗低、便携性好。可用于石化现场作业人员安全防护，检测现场环境中可燃气和有毒气体的浓度，超过爆炸限值和接触限值时及时给携带人员提供警示，从而保障人员安全。