可燃气体报警器的设计Word格式.docx
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传感器和信号变送电路组装在一个防爆壳体内，俗称探头，安装在现场。
二次仪表也称控制器包括数据处理，显示器，报警控制和电源，安装在控制室（安全场所）。
探头扩散式采样，二次仪表显示报警。
（2）按传感器原理分类
催化燃烧式可燃气体报警器：
检测各种可燃气体或蒸汽，由两只固定电阻构成惠斯登检测桥路。
它具有选择性好、反应准确、稳定性好、定量检测、控制可靠、不易产生误报等特点。
目前绝大部分可燃气体检测采用该类型传感器。
红外式可燃气体报警器（根据滤光技术而定）：
红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应。
但结构复杂，成本高。
半导体式可燃气体报警器：
半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。
由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。
因其反应十分灵敏，故目前广泛用于测量气体的微漏现象。
热导式可燃气体报警器：
热导式报警器的工作原理是利用各种气体不同的热导系数，既具有不同的热传导速率来进行测量的。
当被测气体以恒定的流速流入仪器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。
1.2报警器校准
（1）直接校准
通常情况下应根据仪器自身的要求，如催化燃烧式报警器上标明的校准气体为CH4应该就用这种标准气体进行校准。
如果没有标明，应尽可能用待测气体校准，一般是先校准仪器零点，再用标准气体校准。
通常应选用仪器量程80%，50%，10%左右的标准气体。
（2）相对校准
用待测气体校准仪器是最准确的，如没有待测气体标准物质或待测气体是未知的，就只能选择用一种气体校准但检测另一种气体的相对校准法，即使用校准系数或校准曲线的方法。
但是由于不同传感器间的校准系数，校准曲线也会有所不同，校准系数或校准曲线必须由制造商提供，因此这一方法也有较大的局限。
1.3报警器的应用
（1）用于监测报警
将固定式可燃气体报警器安装在易燃易爆气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏，并将其与保护系统联动，使保护系统在气体达到预先设置的报警值时动作，如激活排风扇，喷淋，自动切断电源，安全报警系统等，可以避免事故的发生。
（2）个人防护
工作人员进人储藏危险物品密闭空间、进人危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，应携带便携式可燃气体报警器检测危险气体或液体（蒸汽）的浓度。
工作人员在设备检修置换后应检测残留危险气体或液体（蒸气），特别是动火前检测更为重要[1]。
2.报警器的系统选型
可燃气体检测器、声光报警及继电器的控制电路的技术性能，应符合现行《作业环境气体检测报警仪通用技术要求））GBl2358的有关规定。
2．1可燃气体检测器的选型
（1）检测器的防爆等级应符合危险区的防爆等级。
根据被检测的可燃性气体的类别、级别、组别选择检测器的防爆等级、组别（类别、级别、组别不应低于使用场所被检测气体的类别、级别、组别）；
（2）可燃气体检测器一般选用催化燃烧型（宜选用隔爆型），也可选用其他类型的检测器（对电化学型检测器和半导体型检测器，可选用隔爆型或本质安全防爆型对电动吸人式采样器应选用隔爆结构）。
由于有催化剂促进燃烧反应，就有催化剂中毒问题，不要在含硫和卤化物的环境中使用，或选用抗毒化的报警器。
氢气的检测宜选用电化学式或半导体型检测器；
（3）按使用场所的环境温度选择检测器和控制器的温度适应范围。
选择使用电化学式时，应注意环境温度过高过低都会引起电解质的物理变化，从而影响测量结果，需采取补救措施或改变检测方式。
（4）根据检测点的数量选择单路或多路检测报警器。
根据现场工况，宜选用非接触式（磁棒式或遥控式），无需开盖即可进行现场调校。
若检测器有零漂和寿命问题，应该经常校验和维护，并保持扩散口的畅通。
（5）根据使用场所的不同，检测器的采样方式分为扩散式检测器、单点或多点吸人式检测器、气动吸人式采样系统等。
一般采用扩散式检测器：
因少量泄漏有可能引起严重后果的场所，
由于受安装条件和环境条件的限制（难于使用扩散式检测器的场所），I级（极度危害）有毒气体释放源，有毒气体释放源较集中的地点，宜采用单点或多点吸人式检测器。
采用吸人式有毒气体检测器检测可燃性有毒气体时，宜选用气动吸入式采样系统。
2．2声光报警及继电器的控制电路的选用
工艺有特殊需要或在正常运行时人员不得进入的危险场所，应对可燃气体或有毒气体释放源进行连续检测、指示、报警，并对报警进行记录或打印。
系统结构可分别由检测器和声光报警及继电器的控制电路组成对可燃气体或有毒气体检测的报警仪，也可以是专用的数据采集系统与检测器组成的检测报警系统。
（1）声光报警及继电器的控制电路应分别具有以下基本功能：
①声报警信号应能手动消除，再次有报警信号输入时仍能发出报警。
②检测可燃气体的测量范围：
0—100％可燃气体爆炸下限（LEL）。
③检测误差：
小于±
10％。
④可燃气体报警设定值——一级报警不大于25％LEL，二级报警不大于50％LEL；
⑤报警误差：
设定值偏差在4-25％以内。
⑥响应时间：
可燃气体——扩散式小于30s，吸入式小于20s；
扩散式小于60s，吸入式小于30s。
⑦电源电压发生气±
10％变化时，指示报警精度不得降低。
⑧指示报警器（报警控制器）应具有为消防设备或联锁保护用的开关量输出功能。
⑨多点式指示报警器或报警器应具有相对独立、互不影响的报警功能，并能区分和识别报警场所位号。
⑩指示报警器或报警器发出报警后，即使环境内气体浓度发生变化，仍应继续报警，只有经确认并采取措施后，才停止报警。
（2）目前国产壁挂式报警控器有l，2，4，8，16路，因此在16个检测点以内可选用壁挂式。
16点以上宜采用柜式仪表盘安装，也可按用户要求来选型。
（3）报警系统宜独立于过程控制系统。
若不设置独立的气体检测报警系统，检测信号引入DCS系统，则应设置可燃气体报警器专有的信号卡件，不与其他信号混合使用卡件。
（4）报警控制器一般为一级报警。
当工艺需要采取联动控制时，应采用一级报警和二级报警。
二级报警的无源常开接点联动控制风机等运行[2]。
3.硬件设计
3.1系统的结构图
该系统组成如图1所示。
它由传感器检测电路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分组成[1]。
检测电路把泄漏气体浓度的编号转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A/D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。
当泄漏气体的浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭，并可以通过RS—485总线与上位机进行通信（将实时数据发送给上位机用户）。
当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护的目的[3]。
检测电路
A/D转换器
声光报警电路
继电器
LED显示
电源
单片机控制
排风扇
电磁阀
图1报警器系统框图
3.2可燃气体检测电路
3.2.1气体传感器（探头）
气敏传感器种类繁多，性能各异。
这里选用MC－112型传感器，它是一种新型的电阻型气敏型元件，可用于天然气、煤气、石油气等检漏报警。
具有灵敏度高，长期稳定性好，寿命长，价格低，功耗小等特点。
它是一种催化燃烧式传感器。
这种传感器主要用于检测可燃气体，它由4只感应电阻构成惠斯邓检测桥路。
当含有可燃性的回合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃气体进行无焰燃烧，并产生热量。
温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到检测可燃气体浓度的目的。
3.2.2气体检测电路的设计
气体检测电路原理如图2所示，由气敏传感器（探头）MC－112和电阻Rw和电阻R2、R3组成平衡电桥检测电路，电压信号分别从电阻Rw和探头的中点取出，被取出的电压信号被加到预防LM358的2（–）脚反相输入端和3（+）脚同相输入端：
此时被取出的电压信号应相等。
在气敏传感器通电的情况下，在未检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应电阻不会发生任何反应和变化。
这样从探头中点取出的电压信号也不会发生变化。
当在输入端加上+5V电压时，经过3个二极管（IN4001）,每个二极管的压降约为0.7V，最后在探头两端的电压约为2.7~2.9V,此时运放反相端2（–）的电压为1.4V左右，同相端3（+）的电压也应为1.4V左右；
未探测到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的输入信号电压差几乎为零，那么此时运算放大器的输出端1，通过调节Rw使输出电压信号也接近于零。
当气敏传感器探测到一定浓度的可燃气体泄露时，在传感器元件上催化剂使可燃气体进行无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动运算放大器同相端3（+）的电压V3+高于反相端2（–）的电位V2-，经差动运算放大器放大后输出的差模电压信号为3.5V左右，由公式
（1）可算出差动运算放大器输出端的电压值。
可燃气体的浓度变化时所对应输出电压的变化:
气体浓度↑——V3+↑——（V3+—V3-）↑——V0↑，由差动运算放大器的反相输入端和同相输入端输入信号分别为V2-和V3+时输出电压为[4]：
（1）
图2气体检测电路原理图
3.2.3主控单元电路
随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到了广泛的应用。
从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。
正因如此国内外多家电子生产厂商把目光投向了单片机的生产，其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。
单片机型号的选择是根据控制系列的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。
根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑：
一是要有较强的抗干扰能力。
由于甲烷气体监测传感器有的要处在恶劣的环境下工作，这些都对单片机的干扰较大，所以采用抗干扰性能较好的单片机机型；
二是要有较高的性价比。
本实验的微处理器采用AT89C51[5]，主控单元电路如图3所示。
A/D转换芯片采用ADC0809，ADC0809的时钟信号CLK由89C51的ALE信号提供。
系统晶振采用4MHz，图中缉加在ADC0809的ALE（及STAR）端的正脉冲宽度大于250ns，满足ADC0809对ALE引脚信号的要求。
检测到的气体浓度信号及电压信号经放大，滤波后送到ADC0809的模拟量输入端IN0。
由于为八位处理器，当输入电压为5V市，ADC0809输出数值为255（FFH），因此单片机最大数值分辨率为0.0196V，测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅值变化。
如果要获得更高的精度，应采用12位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完全满足要求。
根据所测的电压值基本要比标准值偏大0.01~0.02V，可以通过校正ADC0809的基准电压来解决，因为该系统设计时直接用+5V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。
另外，也可用软件编程来校正测量值。
ADC0809的直流输入阻抗为1MΩ，能满足一般的电压测试需要，另外，经测试ADC0809可直接在2~5MHz的时钟频率下工作。
这样可以省去分频器[6]。
3.3声光报警及继电器控制电路
3.3.1声光报警电路
声光报警电路如图4所示，工作指示灯为绿灯闪烁，其工作状态的控制由P1.1来完成。
通过软件的设置，从P1.1输出一方波来控制三极管VT1的通断，从而控制工作指示灯的闪烁。
当泄露气体的浓度达到某一值时，由软件将P1.3置1，此时三极管VT3导通，红色报警灯亮，同时蜂鸣器发出报警声。
红色和蜂鸣器构成报警部分。
在电路通过软件置位P1.2=1时，黄灯亮表明电路出现故障[7]。
3.3.2继电器控制电路
继电器控制电路如图5所示。
该电路由继电器K1和K2，排气扇，电磁阀等组成。
当泄露气体浓度达到一定值时，通过软件将P1.4，P1.5置1，此时三极管VT4，VT5均导通，继电器K1，K2工作，其常开触电闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路接通，将气体管道关闭。
当气体浓度下降到某一值时，也可以通过软件将P1.4，P1.5清零，此时三极管VT4，VT5均截止，继电器K1，K2停止工作，常开触电断开。
关闭排气扇和电磁阀电路，排气扇停止工作，气体管道打开。
指示灯：
应采用发光二极管，应以颜色标记。
红色表示报警信号，黄色表示故障信号，绿色表示电源工作正常。
所以指示灯应清晰的标注功能，在一般环境光线下，指示灯在距其正前方3m处清晰可见。
电磁继电器：
接点宜采用双接点结构。
继电器应用封闭式，不得由一接点同时控制探测器内部及外部电路。
电子元器件：
应进行三防（防潮、防霉、防盐雾）处理。
音响器件：
在额定电压下，音响器件在距其正前方1m处的声压级（A计权）应小于70dB，不大于115dB，在85%额定工作电压条件下，音响器件应能发出声响。
开关和按键：
开关和按键应坚固、耐用并清晰的标注其功能。
探测器外壳应选用不燃烧材料和难燃烧材料（氧指数≥32）。
图3主控单元电路图
图4声光报警电路
图5继电器控制电路
3.4显示电路
显示电路主要是用4位LED数码管将单片机检测到的空气中的浓度实时的显示出来[9]，非常便利。
4.软件设计
本系统的软件设计以C语言为基础，可以在执行的开始和过程中，根据气体爆炸下限的不同修改报警临界值，增大了使用的范围[10]。
系统主程序流程图如图6所示。
开始让气敏元件预热一段时间，时间可以根据气敏元件的不同进行调整延时用循环程序实现，同时在循环首位位置分别使P1.1置1,、复0，可实现绿灯闪烁。
在系统中设置一个按键用P3.2来控制，用了检测报警器功能是否正常，若键被按下则置位P1.3=1（红灯亮同时蜂鸣器叫），表示报警器正常响应时间在30S以内。
使P1.1始终保持置1，使绿灯常亮，表示电源处于正常的供电状态。
从A/D转换器读取转换值与预先设定的电压值进行比较，根据事先建立好的浓度和电压对应的关系：
气体浓度不同时所对应的电压值不同，查找出于浓度所对应电压值时的报警点。
根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设置报警器报警时对应的最小可燃气体浓度值[11]，若大于或等于此值则置P1.3=1（红灯亮、蜂鸣器叫），同时置位P1.4=1（打开排气扇）和P1.5=1（关闭电磁阀），并显示气体浓度达真实值90%，响应时间30s以内。
设定一个电压值，该电压值高于气体浓度所对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P1.2=1（黄灯亮，蜂鸣器叫）表示电路出现故障。
系统初始化
键是否按下？
置P1.1为1，使绿灯一直亮，
电源工作正常
使绿灯亮，预热5min
读取A/D转换器
与设定值进行比较
该数≥报警状态？
该值≥峰值？
N
置P1.3=1，红灯亮，蜂鸣器叫，响应时间30s
置P1.3=0，红灯灭，蜂鸣器不响，处于正常监视状态
返回
开始
置P1.3=1，P1.4=1，P1.5=1处于报警状态，并显示浓度
置P1.2=1，黄灯亮，报警器出现故障
Y
图6系统主程序流程图
5.试用实验及结果
5．1试用结果
将该装置置于厨房，开机预热3min，装置无初始报警。
关闭厨房门，放出适量煤气，几秒钟后装置开始报警，再将装置移离现场到，约30s后报警停止。
在正常空气的厨房中，将装置开机预热3min后置于可燃气灶边，打开灶具开关，吹熄火焰，几秒钟后装置开始报警，当厨房中仍散有煤气时，它将持续报警，将它置于窗外，它才能较快恢复并停止报警。
通过实验得到该报警器具有下述功能：
（1）当检测区域的可燃浓度达到报警设定值时报警器应能发出声，光报警信号
（2）报警器在传感元件断路或短路是应发出报警信号，有明显区别的声，光故障信号
（3）报警器应对声，光报警装置设置手动自检功能。
6.产品安装、应用及注意事项
技术指标：
感应气体：
煤气、天燃气、液化气；
电源：
DC12V直流电源；
工作电流：
100mA；
温度：
-10℃~50℃；
蜂鸣器声量能级：
≥70DB/m；
报警浓度：
15%LEL；
恢复浓度：
8%LEL；
稳定性：
长期工作报警浓度误差不大于±
5%LEL；
重复性：
重复测试报警浓度误差不大于±
报警浓度误差：
不大于±
报警方式：
声光报警与输出联网信号。
安装位置：
可燃气体报警器安装在距气源半径1、5m以内合适位置。
若用于检测液化气时，因液化气比空气重，报警器须安装在高出地面0、3─1、0m处；
若用于检测天然气，煤气时，因天然气、煤气比空气轻，报警顺须安装在接近天花板0、3m以内；
安装位置不要正处燃气灶上面，不要安放在排气扇、门窗边和浴室水汽较大处。
工作、测试及维护程序：
接通电源，探测器时入自检状态，红色指示灯电亮一秒，同时蜂鸣器发出“滴”的一声，表示电路正常工作。
然后探测器进入预热状态，发光二极管闪烁发光，约一分钟后绿色发光二极管常亮（若探测器长时间没有通电，预热时间约3分钟），电路进入稳定的工作状态。
正常工作时，绿色发光二极管点亮，电路处于静止检测状态。
报警器探测到可燃气体后，红色发光二极管闪烁发光，同时蜂鸣器发出“嘀-嘀”报警声，延时约五秒后联网信号输出。
可燃气体排除后，报警器自动恢复正常工作状态。
当蜂鸣器长鸣且红色发光二极管不发光，则表示可燃探头已损坏，应切断电源并与售后服务中心联系。
人工检测方法：
用打火机测试法（只放气体，不点燃），每星期检测一次。
简易保养：
每隔6个月便需清洁一次以保持良好的工作状态，先关掉电源，用软毛刷轻扫灰尘，再启动电源即可。
警情处理：
当环境空气中可燃气体浓度达到或超过报警设置浓度，报敬器会进入持续报警状态，这时应：
立即关闭管道气栓。
立即打开窗户使室内空气流通；
熄灭所有火源及一切能产生火花的物品（如开打火机、划火柴等）。
避免开关各种电器，检查气体泄漏原因，并及时通知相关部门及相关专业人员处理。
注意事项：
灰尘会令报警器灵敏度减退，请根据上述保养说明去除灰尘即可。
非正常气温也许会导致误鸣，只需令空气流通，报警器便会自动恢复正常工作状态。
避免在报警器附近[12]。
7.结语
当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄露作响应的报警，即为家庭式。
但是随着社会的发展，煤气报警器也在由单一的家庭式发展为小区监控。
对某个区域的燃气泄露进行监控，这是今后的发展趋势。
随着人们物质生活水平的提高，燃气使用率不断增加，对应燃气泄露的检测越来越引起大家的重视，我国许多城市已制定了一些新住宅必须安装燃气泄露报警器的相关规定，该型可燃气体报警器是针对以上问题开发的一种安全装置，该报警器报警器灵敏度高，适用于检测低浓度气体。
且寿命长、再现性好，报警器的结构简单，制作方便，制造成本低，适用于家庭可燃气体的报警。
且能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以市场前景良好，同时这也为城市居民使用燃气解除了后顾之忧。
参考文献
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北京航空航天大学出版社，2005.
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[11]JaneHodgkinson,JohnSaffell,JonathanLuff.Gassensors2.Themarketsandchallenges[J].Nanotechnologyperceptions.2009,（08）:
65-68.
[12]KanglingFang,ZhanshengLi.PredictionandAlarmofGasSystemBasedonFuzzyPatternRecognition[J].TheKasetsartJournal,2009,（08）:
89-91.
致谢
本设计是在、、、老师的精心指导下完成的
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