（检测技术与自动化装置专业论文）总线式可燃性气体监控系统.pdf

摘要 通过对可燃性i 体传感器响应特性的研究，设计r 基于总线的可燃r f ：7e 休蚧 控系统。沦文主璎内容包括： ( i ) 提出j 以嵌入式工控微机作为主机，p i ct 弘片机作为从机的集敝掣系 统方案：( 2 ) 通过时气体传感器的工作特性研究，分析了影响测量精度的i 刿索， j 提出改善测量精度的具体措施；( 3 ) 设计可燃性气体探测器单元，包括f 。j 采 集和处理、自检电路设计、探测器软硬件实现；( 4 ) 设计输出控制模块，r | z 力控 制风机等消防安全设备的启动和关闭；( 5 ) 设计控制器的硬件系统利j 、vj i j 软俐， 该控制器具有对可燃性气体监控并实时显示各个探测点现场浓度的功能；( 6 ) 设 计总线保护通信线路，该方案具有远距离可靠通信的功能。 最后，通过对系统性能测试结果分析，提出了系统改进方案。 关键词：可燃性气体，r s 4 8 5 通信集散型总线系统，探测器模块，输出控 制模块p c 1 0 4 嵌入式工控机 a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho f t h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef l a m m a b l eg a ss e n s o r s t h i s p a p e rg t v e s t h ed e s i g no fab u s b a s e df l a m m a b l eg a s e sm o n i t o ra n dc o n t r o l s y s t e m i tm a i n l yd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1ab u s b a s e df l a m m a b l eg a s e sm o n i t o rs y s t e mi s p r o p o s e da n dd e s i g n e df i r s t l y t h i ss c h e m eu s e de m b e d d e di n d u s t r i a ic o n t r o l l i n gc o m p u t e ra sah o s tc o m p u t e r a n dp l cm c u sa si t ss l a v ec o m p u t e r s 2o nt h er e s e a r c ho ft h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef l a m m a b l eg a ss e n s o r s ，s o m e e f f e c tf a c t o r so nt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r e a n a l y z e d a n ds o m es p e c i f j c m e a s u r e st oi m p r o v et h em e a s u r e p r e c i s i o na r ep u tf o r w a r da n dr e a l i z e d 3as c h e m eo fi n f l a m m a b l ed e t e c t o r si s d e s i g n e d i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n g ，t h es e l f - c h e c ku n i td e s i g n ，t h er e a l i z a t i o ni nh a r d w a r ea n d s o f t w a r e 4 0 u t p u tc o n t r o l l e r s w h i c hc a ns t a r t u po r c u to f ff i r ec o n t r 0 1 e q u i p m e n t s a r e d e s i g n e d 5t h eh o s tc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gi t ss y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a sd e v e l o p e dl t c a nd i s p l a yt h ec o n c e n t r a t i o no f f l a m m a b l eg a s e si nt e a lt i m ea n do n l i n e 6a d e s i g no fl o n gd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nw i t hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i z a t i o ni sp u t f o r w a r da n di m p l e m e n t e dt h ec o m m u n i c a t i o nu n i to ft h es l a v e c o m p u t e rj s d e s i g n e dw h i c h c a np r e v e n tt h es y s t e mb u sf r o mf a t a lf a i l u r e s f i n a l l y ，a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s o ft h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c et e s t ，t h e a u t h o rp r e s e n t st h ei m p r o v e m e n to ft h es c h e m e k e y w o r d s ：f l a m m a b l eg a s ，r s 一4 8 5c o m m u n i c a t i o n ，t r a n s d u c e rm o d u l e ，o u t p u t c o n t r o l l e r , p c - 10 4e m b e d d e di n d u s t r i a lc o m p u t e r 第一章概述 第一章概 述 1 1 本课题的意义 随着现代工业的进步，特别是石油、化一r 、煤炭、汽车等r ：q k 部fj 的迅述发 展，被人们所利用以及在生活、工业中排放出的气体种类、数量日益增多。这b 气体中，许多都是易燃、易爆( 例如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液体杠油等) 或 者对于人体有毒害的( 例如一氧化碳、氟利昂、氨气等) 。它们如果泄漏到窄7i 中，将造成环境污染，影响生态平衡，甚至导致发生爆炸、火灾、【f l 毒等灾， ：；= 。n 事故。为了保护人类赖以生存的自然环境，防l ：不幸事故的发生，需要对各种有 害、可燃性气体进行有效的监控。0 9 1 随着城市中建筑特别是高层建筑的日益密集，r 发和研究对可燃性气体门动 探测和对消防设备进行自动控制的集散型系统显得越来越重要。本课题主要足 对工厂、仓库、商场、宾馆及高层建筑等场所可燃性气体集中监测及消防安全锈 理而提出的。 1 2 国内外研究概况 一国外气敏技术现状 国外气敏技术发展较早，1 9 6 8 年半导体气敏元件、传感器已在日本实现了 商品化。现在，发达国家，如美国、日本、英国、德国等均已发展成为品种系列 齐全、技术综合发展的高新技术产业。目前，国外气敏元件、传感器现状和特点 是： ( 1 ) 产品系列化、生产规模化。国外气体传感器品种齐全，已成系列。已实用 化的气敏元件有广谱型可燃性气体敏感元件传感器、选择性气敏元件传感 器。各类气敏元件传感器的生产工艺成熟，大量需求的传感器均已批量化 生产： ( 2 ) 工艺技术先进，结构形式多样。气敏元件的生产工艺不断优选，传统的烧 结型工艺实现产业化，接触燃烧式工艺和结构已成熟应用，半导体厚膜工 艺已经用于批量生产，电化学气体传感器工艺己有定电位电解式、原电池 第一章概述 式、固体电解质式等多种结构形式，此外气体传感器还有光学式、场效、i 晶体管式等。近年来，半导体集成电路工艺应用于气敏元件，提商了气体 传感器性能，缩小了其体积： ( 3 )设计电路优化、应用广泛。气敏元件传感器技术已经从单一的制造7 俐， 设计优选丁多种电路，从最初的仅能进行简单的气电信号转换作刚，现l ! 经设计了具柯标准信号输出的变送器，并实现了数字化遥控和磁调制，“ 接1 4 - _ _ - - 次仪表或微机相连，广泛用于现场报警监控。气体传感器技术。训 算机技术相结合，使气体监控技术实现了多功能化、智能化。l ii 柯应川破 可燃性气体7c 敏元件、传感器已经广泛应用于气体泄漏监测报警和盼控。， ( 4 ) 气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展。气体传感器的发展趋势 集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗、成本，缩小尺i j ， 简化电路。是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发 展现场适川的变送器和智能型传感器。i z 4 1 4 3j 二我国可燃性气体监测控制技术的现状 目前，我国的可燃性气体检测仪器相对比较落后，达到国标( g b1 6 8 0 8 1 9 9 7 ) 要求的生产研制单位寥寥无几。主要体现在两个方面：首先是气体敏感探 头质量不过关，其选择性及稳定性不够理想；其次是目前生产的可燃性气体检测 器大部分属于便携式报警装置，对于区域多点监测、连锁报警尚属空白。近年来， 国内有关生产厂家，如信息产业部电子第四十九所研制的m q k i f 气体传感器 ( 铁系氧化物半导体烧结体) ，济南市长清计算机应用公司所研制的r b 系列可 燃气体报警器、检测仪，北京华德安全工程公司生产的k l 系列可燃性气体报警 监测仪以及成都安可信公司研制的a e c 系列可燃气体报警控制系统，均选用日 本气体敏感探头。 此外，日本理研( g d a 4 5 ) ，西德道尔格公司( e x y t r o n 5 0 1 0 5 0 2 0 ) 以及美国m s a 公司( i s 系列) 生产的一般是催化燃烧式敏感探头，并被国内有 关厂家引进，但未引进其系统。基于上述情况，考虑到天津无线电元件六厂是国 内最早引进日本费加罗( f i g a r o ) 公司可燃气体敏感探头的厂家，并且已有十 几年生产报警器的经验及市场占有额，如果抓住机遇，设计出具有总线结构的智 能化可燃气体监控系统，必将进一步拓宽国内外市场，带来更大的经济效益与社 2 第一章概述 会效益。 1 3 本课题研究内容、技术关键和创新点 1 研究内容 本课题的主要【l 的是对可燃性气体的浓度检测进行一定探索，研制矮有j 芭 市场应用价值的基j 二总线的可燃性气体监控系统。主要工作：( 1 ) 系统总体结构 设玑( 2 ) 气敏传感器的工作特性研究：( 3 ) 可燃性气体探测器设计。包括信 号采集和处理、自榆电路设计、探测器软硬件实现；( 4 ) 设计输出控制模块，| 动控制风机等消防安全设备的启动和关闭；( 5 ) 设计控制器的硬件系统和应川软 件：( 6 ) 设计能进行远距离可靠通信的总线式监控系统；( 7 ) 系统性能测试和改 进方案 基于总线的可燃性气体监控系统设计的主要依据是国家标准g b l 6 8 0 8 1 9 9 7 可燃性气体报警控制器技术要求和试验方法以及g b l 5 3 2 2 9 4 f ，燃气体探 测器技术要求和试验方法。1 4 0 1 1 4 1 i 2 技术关键和创新点 重点解决可燃气体探测器研究设计，包括本质安全防爆设计，探测器内断路、 短路故障以及信号采集和处理等问题。此外，信号远距离通讯抗干扰也是一个技 术关键。 ( 1 ) 将工控微机作为可燃性气体监控器的主机。与采用单片机作为上位机 相比，有现成的硬件资源可以利用，并能直接应用适用于微机的应用软件，为用 户开发提供了方便，提高了系统的可靠性，且易于系统扩容，并能设计更为友好 的人机界面。本系统所选用的工控微机为p c i 0 4 总线结构的嵌入式系统，具有 体积小、功耗低、性能价格比高、抗震性高等特点，对于开发高可靠性、价位适 中的产品特别合适。1 2 9 1 ( 2 ) 将高速度、低功耗、强大驱动能力、高性价比的新型单片机p 1 c 应用 于集散型可燃性气体监控系统； ( 3 ) 完成对可燃性气体监控并实时显示各个探测点现场浓度。虽然国内已 有个别厂家已经研制出总线式可燃性气体报警系统，但是还局限于对可燃性气体 超限时的阈值报警，而非实时显示其浓度值。 笙二里塑竺一 一。一 ( 4 ) 。m s 一8 1 3 她有负的温度系数，然而j 商仪给出一i o o c 至+ 4 ( ) 的温艘 特性，显然满足1 ：j 7l , l i t , 瞎, j l t 中一4 0 + 7 0 的要求。经过温度特性测试，挟 取j - t ( j s 一8 13 在一1 0 7 0 c 的整个温度特性曲线。 1 4 系统的总体结构设计 图11 系统总体结构图 系统的总体结构如图1 1 所示。系统由安装在总控室的监测控制器和分散在 各个现场区域的探测器和输出模块构成，采用四总线结构( 两根电源线、两根信 号线) 。监测控制器通过四总线与各个探测器和输出模块接口相连。每个探测器 和输出模块通过拨码开关分别设定地址编码。监测控制器主机选用高性能价格比 的p c i 0 4 工控微机；从机由p i c 单片机扩展构成，探测器和输出模块的总容量可 扩充至6 4 台。探测器监测现场可燃性气体浓度变化，输出模块安装在与其相关 联的探测器或探测器组的附近区域。 探测器的任务是实时采集可燃性气体传感器的浓度信息及故障信息，当主机 查询时，将有关数据传输给主机。输出模块的任务是对主机发出的设备查询帧或 控制帧给以相应的应答和动作。探测器和输出模块之间的联动关系可以通过键盘 进行设定。 主机的主要任务是不断巡回与作为从机的探测器和输出模块进行通讯。主机 每次巡检的顺序是先按照地址编码的高低依次与探测器通信，再依次向控制模块 发送设备查询帧和控制帧，显示等待其应答。 当与探测器通信时，依次向不同编号的探测器发送查询帧，限时等待选定从 第一章概述 机的应答帧，获取有关数据，并对探测器采集到的各种信号进行处理，确定该探 测器区域内气体浓度值，确定正常、预警、报警或故障( 探测元件内线路短路、 断路) 等信息。当判断某一探测器监测现场的可燃气体浓度超限或故障信号寸， 控制器屏幕显示该探测器的区位，可燃气体浓度，报警类别等，并发 【 声光报警， 根据用户设置的探测器与输出模块的逻辑关系，向相应的输出模块发设备控制 帧，要求其开启或关闭消防设备。 主机与输出模块通信时，或向其发送查询帧，掌握其是否有故障出现的信息； 或在需要联动输出时发送设备控制帧，控制消防设备。1 1 9 - 2 2 1 1 2 9 i 第二章半导体气体传感器 第二章半导体气体传感器 2 1 气体传感器简介 气体传感器是将气体( 一般指空气) 中含有的特定气体( 即待测气体) 及其 浓度以适当的电信号检测或定量的装置，是气体检测仪的核心。1 39 | 就检测原理 讲，有利用气体吸附性的( 如发生电导率变化、表面电位变化) ，有利用气休反 应性的( 如产生燃烧热、电解电流) ，有利用气体选择渗透性( 如浓淡极化) ，也 有利用气体物理性质的( 如热传导性、红外吸收性等) 。1 4 3 j 气体传感器主要应用于工业、民用中对有毒有害、可燃易爆气体的泄漏检测， 也用于刺其他化学7 t 体进行定量分析以及对大6 t 污染进行监测。博i 气体传感器能 将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电气信号。根据这些电信号_ ；二i r 以获得j 待测气体在环境中存在的信息，从而可以进行监测、监控、报警：还可以通过接 口电路与计算机或微处理机组成自动监测、控制和报警系统，如对高层密集化的 住宅群构成以住宅小区为单位的防燃、防毒、防爆的微机监控系统。 目前，半导体气敏元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气 体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性( 例如电导率) 发生变化。利用这种 现象，制造成的各种半导体气敏元件，进入商品市场已有二十多年，其应用领域 日益扩大。但是，半导体气敏元件的工作机理至今尚不十分明确。 2 2 半导体烧结型s n 0 2 气敏元件 s n o ：气体敏感材料 以s n 0 2 为基础材料制备的气体敏感元件，因其在不太高的温度下对某些气 体具有较高监测灵敏度。固而是目前生产量最大、应用范围最广泛的一种气敏元 件，广泛应用于煤气、天然气、液化气等可燃性气体的泄漏报警方面。s n o ：气 体敏感元件对许多可燃性气体如氢气、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮或芳 香族气体都有很高的灵敏度。f 6j 自1 9 6 8 年进入商品市场以来，s n 0 2 气敏元件在 品种和特性方面都有长足的进步，成为当今最重要的氧化半导体气敏元件。s n 0 2 气敏元件分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。其中，烧结型s n o ：气敏元件工艺 第二章半导体气体传感器 最成熟、应用最广泛。其敏感体用粒径微小的s n 0 2 粉体为基本材料，根据需要 添加不同的添加剂，混合均匀作为原料，采用典型的陶瓷1 艺制备，i 一艺简甲、 成本低廉，主要用j 二检测可燃性气体。与其他的氧化物半导体气敏元4 1 相比，媳 有以i - 特点： ( j ) f 作温度低，j 0 最佳工作温度约3 0 0 - c 一4 5 0 - c 。比氧化锌半导体气敏j 二什 低l o oo c z - 右。1 。i 作温度低，可以简化与之配套的二次仪表的设计、制造， ： 能延k c 敏元件的他 j 寿命。 ( 2 ) 在 般的检测范围内( 被测气体浓度为1 0 2 _ 1 0 4 p p m ) ，s n 0 2 气敏，i 件的l u 阻率变化范围大，输：- j 信号强，无须进行高倍放大，信号处理比较方便。这 样既可以降低二次仪表的成本，又可以避免因信号放大带来的干扰，有利于检测 精度的提高。 二结构 烧结型s n o 。气敏元件的基本结构按照其加热方式，可以分为直接加热式和 旁热式两种。 i 直接加热式气敏元件 直接加热式s n o ：气敏元件有芯片( 包括敏感体和加热器) 、基座和气体防爆 网罩组成。其芯片结构的特点是在以s n 0 2 为主要成分的烧结体中，埋设两根电 极并兼作加热器的螺旋形铂一铱合金线( 阻值约为2 5 q 之间) 。缺点是，热容小、 功耗大，稳定性差、测量电路与加热电路之间容易相互干扰，现在应用面逐步减 小。1 6 2 旁热式气敏元件 旁热式s n 0 2 气敏元件是一种厚膜元件。在一根内径为0 8um 、外径为1 2 bm 的薄壁陶瓷管的两端设置一对金电极及铂铱合金丝( 巾堇8 0 um ) 凿出线， 然后在瓷管的外壁，涂覆以s n o ：为基础材料配制的浆料层，经过烧结后形成薄 膜气体敏感层( 厚度兰8 0pm ) 。在陶瓷管内放入螺旋形高电阻金属丝作为加热器 ( 加热电阻一般为3 0 一4 0q ) 。f 3 9 j 三s n 0 2 烧结型气敏元件的工作原理 s n 0 2 烧结型半导体式气敏元件是n 型半导体，它是由直径为01 1 0um 微小 品粒聚集的多晶体构成。其工作原理是基于半导体气敏材料颗粒表面在大约3 0 0 7 第二章半导体气体传感器 一4 5 0 。c ( 对不同的可燃性气体，工作温度高低不同) 的温度卜，吸l 利还原性气 体( 例如液化气、天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸汽等) 时，冈发生还原 性气体的吸附与氧化反应，粒子界面存在的势垒降低，电子容易流动，从而电导 牢上升。当恢复到洁净空气时，由于半导体表面吸附氧气，使粒子界向的势垒川 高，阻碍电子的流动，电导率下降。1 4 2 1 四气敏传感器的特性参数 1 气敏元件的电阻值 通常将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件( t t l l 5 l l 型) 的固有电阻值，习惯用符号r 0 表示。一般电阻型半导 木气敏元什的阎存l u 阻值大多在( 1 0 3 1 0 5 ) q 范围。测定r o 对于环境的要求很高，必须在洁净空7 弋 中进行。即使对同一种气敏元件，在温湿度相同的条件下，在刁i 同地区进行测定， 其r 。值都将出现差别。 2 气敏元件的灵敏度 气敏元件的灵敏度，是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表 示气体敏感元件的电参量( 例如电阻型气敏元件的电阻值) 与被测气体浓度之间 的依从关系。表示气敏元件灵敏度的方法较多，最常用的是电阻比灵敏度，即在 最佳工作条件下，接触同种气体，其电阻值随气体浓度变化的特性，用k 表示： k = r s i 砥 式中，r o 为气敏传感器在洁净空气中的电阻值，即气敏元件的固有电阻值； r s 为气敏元件在一定浓度被检气体中的电阻值。 3 初期稳定时间 s n o ：气敏元件通常是在加热状态下工作的，当长时间放黄后再加热时，电 阻值迅速下降，经过一段时间后又开始回升，最后达到稳定值。因此，使气敏元 件恢复正常工作状态，需要一定的时间，称为气敏元件的初期稳定时问。初期稳 定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放越长，初期稳定时间越长。 对存放时间较长的s n 0 2 气敏元件，在清洁空气中的初期稳定时间有时常达几百 小时，对这一现象还不能完全解释。可能是由于长期在非工作状态下存放的气敏 元件，因其表面吸附空气中的水分或者其它气体，导致表面状态的变化所致。 1 5 1 第二章半导体气体传感器 4 气敏元件的恢复时间 气敏元件的恢复时间，表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度， 一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值恢复到洁净空中阻值的 6 3 时为止，所需时问称为恢复时间。 5 气敏元件响应时间 气敏元件的响j 、v 时间，表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度， 通常从气敏元件与- 定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达 到在此浓度下的稳定电阻值的6 3 时为止，所需时问称为气敏元件在此浓度卜的 被测气体中的响应i i 、，间。1 6 1 1 ”l 2 3 本课题气敏元件的选型 要设计出一种对。；燃性气体有效检测的探测器，所选择的气敏元件既要满足枪 测精度的要求，又要兼顾市场的实效性。 气敏元件的种类很多，其中市场中较常见的为半导体型，其主要优点：气体 敏感性、稳定性及一致性较好，性能价格比高。因此优先选用半导体气敏元件。， 而在此类气敏元件中，又以固体式电阻型烧结式为主导。 从产品品牌上考虑，日本费加罗株式技研会社是当今居领先地位的气敏元件 生产厂家，积累了多年的技术和经营专场，已经为世界市场提供了具有创新性的 敏感元件。费加罗公司发明的t g s 系列气敏元件是一种半导体烧结型s n o ：气敏 元件，3 0 多年来，在全世界销售累计8 0 0 0 多万只。其优良的长期稳定性和可靠 性已在全世界获得广泛确认。天津经济技术开发区已设立了合资厂家，为敏感元 件的购买、技术支持、清洗维护提供了方便的条件。因此本系统选择费加罗公司 提供的主要用于检测天然气、液化气的t g s 一8 1 3 气敏元件。 2 4t g s 一8 1 3 的性能特点 一般特性i 4 3 】 ( 1 ) 属于一种广谱性气敏元件，对多种气体敏感、，对“噪声”气体不敏感； ( 2 ) 对甲烷、丙烷、丁烷等气体响应灵敏度高，响应时间短，初始稳定时问 短，长时间工作性能好，寿命长； 第二章半导体气体传感器 ( 3 ) 体敏感电的耗散功率不超过】5 m i y ； ( 4 )电压范围较宽：5 v ，6 v ，1 2 v 或2 4 v 均可，加热丝电压为5 v 0 2 v n it g s 8 1 3 的探头结构1 4 q t g s 一8 1 3 的气搬探头结构如图2 2 所示，管脚i 和3 ，4 和6 内部相连，它 们之间为气敏电阻，管脚2 和5 为加热丝。其安全：【：作范围如表2 一l 所示。 图2 2t g s 8 1 3 气敏探头结构 三t g s 8 1 3 的气敏特性1 4 8 表2 - it g s 8 1 3 气敏探头安全工作范围 气敏电阻耗散功率最火1 5 r n w 环路电压( 1 ，3 与4 ，最大2 4 v 6 问) 加热丝电压 50 v ( ) 2 v 特性曲线见图23 。图中给出了不同气体不同浓度时r s r o 值的变化规律。 其中，r o 为传感器在空气中当甲烷气体浓度为1 0 0 0 p p m 时的测量电阻值，r s 为在空气中不同气体不同浓度时的电阻值，传感器特性如表2 - 2 。 5 0 01 0 0 05 0 0 01 0 0 0 0 气体浓度( p p m ) t g s 8 1 3 ( r 。) ：在1 0 0 0 p p m , s 3 气甲皖中的阻抗值( r g ) 图23t g s 一8 1 3 气敏特性曲线 o o鋈蓬非r 表2 - 2t g s - 8 1 3 特性参数表 加热丝电阻r h3 ( ) q 3 ( 2 传感器电阻r s 5 k q 1 5 kq ( 甲烷、l ( ) ( ) 0 i i ) 电阻比值 r s ( 3 0 0 0 p p m ) r s ( 1 0 0 0 p p m ) = 06 0 4 - 0 0 5 四t g s - 8 1 3 的温度特性 t g s - 8 1 3 的探测原理是基于传感器表面气体的化学吸附作用与解吸附作川， 而这些反应是依赖j ：温度的，所以，温度的变化对传感器的影响较大，如图24 所示。 从图中可看出，t g s , - 8 1 3 具有负的温度系数，j 一商给出一l0 。c 至+ 40 。c 的温度特性。而目前行业标准要求探测器能适应一40 。c + 70 。ci 作环境且具有耐高温高湿环境特性，因此需要设计实验，测试分析其花一10 。 c 至一40 。c 下的特性。有关实验结果，参见2 5 。 、 - - - - - - _ _ 3 i4( - - 、 1 0e0c l l2c 环境温度 图2 4 对甲烷浓度t g s 8 1 3 的温度特性 2 5t g s , 8 1 3 气敏元件特性实验 在进行探测器设计之前，首先设计了实验装置，对t g s - 8 1 3 气敏元件进行 了实验研究。 实验环境及设备 地点：天津无线电元件六厂研究所 设备：气体标定箱( 体积：1 2 升) ； 高温实验电炉； 一一叭 。 。 。 + 第二章半导体气体传感器 一一 低温实验冰箱； f i g a r ot g s 8 1 3 旁热式半导体气体敏感元件及取样电路 i 气敏元件性能测试实验装置 图25t g s 8 1 3 气敏元件性能测试实验装置示意图 图2 6 气敏元件特性实验取样电路 实验装置如图25 所示，由实验室常用稳压 电源提供5 v 电压，取样电路采用图2 6 电路， 取样电阻r i 选39 k q 。6 个采样点的取样电 压信号由导线引出。在做高温和低温实验时， 将气体标定箱放入实验电炉或实验冰箱内。 按照标准规定，当温度已经升到或降到实验 温度后，需要稳定1 个小时后方可进行实验。 三气敏元件常温性能测试 实验准备：在一批t g s 8 1 3 探头任意选取6 个探头，进行3 - 5 天的充分预热。 实验前，将探头置入气体标定箱，密封标定箱，打开箱内两个小风扇的电源开关， 闭合稳压电源开关。 实验步骤：首先读取未通气时各个探头取样电压值，然后再依次注入2 ， 4 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 5 的甲烷气体，读取 各个采样点的取样电压值。 实验结果：见表2 - 3 和图27 。 表2 - 3 常温下探头取样电压和甲烷含量关系 浓度探头l探头2探头3探头4 探头5探头6 ( ) 取样电f 矗( v 】取样电压( v )取样电压( v )取样电压f v )取样电压( v )取样电压( v ) )( 15 4 504 7 805 3 9( 15 4 805 【) 506 2 4 2l8 6 l 1 8 2 8l7 9 3 l7 9 7l9 9 8l9 3 5 4 22 8 923 421 8 l22 1 925 lj 223 9 l 625 5 2 2 6 2 22 4 2 3 24 8 827 8 7 26 5 2 8 27 3 228 2 625 926 829 728 2 8 1 1 1 28 6 429 7 227 2 428 231 0 929 6 4 1 2 29 5 73 0 9 728 2 l2 9 2 432 2 930 8 2 1 4 30 6 431 9 l29 2 l30 3 53 3 1 631 7 l 1 6 3 3 432 6 433 1 1 633 7 532 4 6 i8 32 0 233 2 230 6 63 1 8 634 3 532 9 2 2 ( 1 32 5 433 6 731 2 43 2 4 334 7 233 4 2 2 33 ( 1 534 1 731 7 l32 9 63 5 2 333 9 2 533 7 3 34 5 932 4 233 73 5 4 934 2 8 图2 7 常温下探头取样电压和甲烷含量关系曲线 表2 - 3 标出了常温条件下不同甲烷含量时各个探头的取样电压值。图27 描 绘了取样电压和甲烷浓度的关系曲线。由表格数据和关系曲线可以看出，各个气 敏元件的采样均值与甲烷气体浓度之间的关系曲线趋势一致，曲线形状近似，但 第二章半导体气体传感器 各条曲线之间不具有重合性，取样数据的一致性较差，表明t g s - 8 】3 系列气敏 元件的具有较大的离散性。本系统解决探头一致性差的方法是，分别测试每个探 头的特性曲线，用软件方法予以解决。该方法的不足之处是需要占用一定的存储 空问以放置每个探头的数据，且不适于批量生产。 四气敏元件的温度漂移性能测试 眭 于半导体气敏元件的工作性能受温度影响大，有必要对其温度漂移做定 的探讨。为此选取此前做过常温实验的第1 4 号探头，对其进行了测试。测试 结果见图28 。测试验证了t g s 一8 1 3 具有负的温度系数，工作特性受温度变化影 响较大。设计探测器时必须考虑温度影响。 ( c ) 探头3 图2 8t g s 8 1 3 温漂性能曲线 ( d ) 探头4 五气敏元件的低温性能测试 行业标准要求探测器能适应一4 0 + 7 0 工作环境h 具有耐高温高温性 4 兰三童兰呈堡墨堡竺壁壁 能。然而厂商仅给m i o 至+ 4 0 的温度特性，显然满足不了工业应用中一4 0 + 7 0 。c 的要求。为此测试分析了其在一1 0 ( 2 - - 4 0 c 的特性。 设定气体浓度报警下限为l1 浓度，每次低温性能测试时，应保持气敏元什 在此温度下稳定1 小时，测试完毕，在常温下恢复3 5 天，才进行f 次测试。 测试结果见表2 - 4 。 表2 - 4t g s 一8 1 3 气敏元件低温性能实验数据 输出电压值 温度。c (失)2 0100一1 02 03 04 0 4 ( j 4 ( 1 + 探头 0 01 3 21 0 60 ( 1 8 40 0 3 801 6 6( ) 0 3 9 00 3 ( 12 5 l02 6 6 l1 i l7 8 5l5 8 1l4 1 21 2 8 42 0 7 9 l9 6 ( 1l8 0 8l8 l818 5 0 探头0 01 3 2 i l1 0 200 8 600 2 90 1 5 ( 1( 1 ( 1 4 1o0 3 l( 2 4 002 4 9 21 1 1 5 6 9l3 6 2l2 4 309 7 2l8 l l 16 8 3 l5 5 6 l5 8 915 4 i 探头 0 01 2 7( 1 1 0 300 8 000 3 4o1 5 0 00 3 900 3 0( 12 3 902 4 9 1 1 1 6 2 4l4 5 ll3 8 3l1 4 4l8 8 4l7 6 ( 1l6 3 6j7 6 l l6 8 2 + ：此表中两组- - 4 0 数据为测试t g s 8 1 3 的可恢复性。 由表2 - 4 可知，当低于一i o 。c 时，其温度系数不再保持单向性，且在一1 0 “c 左右为气敏元件的不灵敏区。但t g s 一8 1 3 在一4 0 极限低温情况下仍然有较好 的气体敏感性和可重复性。通过实验测试证明，对于其温度系数的非单向性，通 过软件进行处理后，仍可较好地应用于低温度环境中。 第三章气体探测器和输出模块的设计 第三章气体探测器和输出模块的设计 3 1气体探测器的结构和功能 + 气体探测器的硬件电路由d c k d c 转换电路、气敏传感器、信号测量电路、 故障诊断电路、弘机、拨码开关、r s 4 8 5 通信接口电路等构成。通过总线传 输的2 4 v 电压经d c d c 转换，转换成5 v 电压，为传感器加热丝、信号测射f u 路、单片机等供电。f 。i 号测量电路包括可燃性气体浓度测量电路和温度测量电路。 根据可燃性探测器标准要求，设计了对传感器加热、采样电路的短、阿i 路故障舱 测的自检功能。软件用汇编语言编制，主要包括数据采集、串行通讯两个模块， 其结构如图3 1 所示。 开温度信号 型重垫整少_ 1 垫大r 亘 墓酬芦 片 殳度测量电剖 机 f f 、u 诊断电路 故障信号 7 图3l 探测器结构图 由气敏传感器获取的浓度信号及由温敏元件获得的温度信号经滤波放大后 送入单片机的a f d 转换器。单片机定时( 每隔1 5 秒) 采集浓度信号、温度信号 和故障信号，经数字滤波或判断处理后将数据信息整理和打包。当单片机收到主 机查询本机命令后，由s c i 串行口通过r s 一4 8 5 总线收发器将当前数据信息传送 给主机。 3 2 探测器信号采集和处理 一信号采集 本系统的探测器采用图31 ( a ) 所示的取样电路。其中，v 。为加热电压，v 。 6 笙三皇皇苎堡型堡塑塑些堡鉴塑堡生 为工作电压，r x 为t e 敏传感器的体电阻，r ，为负载电阻，v i 为传感器的输出电 压。 5 0 r 1 k 1 0 j 0 2 0 i 刘3l 气敏传感器的取样电路及特性曲线 气体浓度 i ，m ( i ) ) 当气敏元件接触待测气体时，其阻值r x 发生变化，其变化规律可近似t | _ f j 下 式表示， l g 般= 一m l g c + 月 ( 3 - 1 ) 式中，m 。n 由传感器元件、检测气体种类等因素决定的常数，且m 1 当r ， 1 2 i 为了减小续流二极管的功耗，还应选取正向压降小，反向电流小和存储时间 短的管子。 综上所述，选择肖特基二极管l n 5 8 1 9 ( v p m = 4 0 v , i f a f l a ) 作为续流二极管。 二测量和放大滤波电路 测量电路由温度测量和可燃性气体浓度测量电路组成。电路原理见图34 。 第三章气体探测器和输出模块的设计 图中，h e a t 代表力热丝( 阻值3 0 - - 3q ) ，r x 表示气敏电阻，r 4 为取样电阻( 1 i f t 值39 k 蚰) 。 图3 4 测量和放大电路 探测器内的测温元件选用美国a d 公司生产的低电压精密温度传感器 t m p 3 6 。它的主要特点有：静态电流小( 小于5 0ua ) ：灵敏度和线性度高( 1 0 m v ) ；在整个测量温度范围内，精度2 ( 典型值) ；自热效应低；使用方便， 接线简单等特点。t m p 3 6 在2 5 时，输出7 5 0 m v 可计算7 0 时的理论输出 14 5 m v 。设计放大倍数为3 4 倍。 放大电路由低功耗、低温漂、低失调双路运算放大器t l c 2 2 5 2 反馈放大。 一路用于放大温度信号，另路用于实现跟随可燃气体浓度采样信号。两路放大 信号被送入单片机的a d 转换模拟通道。滤波电路采用简单的r s 阻容滤波电路。 三自检电路 依据可燃性气体报警控制器技术要求和试验方法国家标准要求，在可燃 性气体探测器内设计了对气敏元件失效以及与取样电路连线的短、断路故障自检 的电路。自检电路由自复保险丝、比较器和一个或非门组成，电路原理见图35 。 第三章气体探测器和输出模块的设计 f 忿 i 图3 5探测器自捡电路 l自复保险丝的功能和选取 电源变换电路的输出电压5 v ，直接向单片机、运算放大器、比较器、或q f 门、温度元件提供工作电压，向气敏元件和取样电路供电之前串联了一个 p o l y s w i t c h 自复保险丝。串联自复保险丝的目的有两个，一是对气敏元件起到过 电流保护作用，二是在自检电路中发挥作用。 p o l y s w i t c h 自复保险丝以聚合物为基础掺杂导体制成。当电流急速增加时， p o l y s w i t c h 自复保险丝的温度瞬间上升，阻抗提高，电路如同开路，达到保护目 的，当异常电流消失后，瞬时恢复成低阻抗导体。 气敏元件加热丝的阻值为3 0 + 3q ，则工作电流最大为1 8 5 m h ，工作温度为 7 0 。c 以下。由于当环境温度大于2 0 时，自复保险丝的通过电流会随温度增加 而递减，为维持正常电流的提供，应根据折减率计算所选用的自复保险丝的i 。 值。依据厂家提供的环境温度及电流值折减率表，可查到，r x e 规格在7 0 c 时有 5 4 的折减，则i = 1 8 5 r n a 0 5 4 = 3 4 2 6 m a 。因此选用r x e 0 4 0 ( i = 4 0 0 m a ，r m a x = o 8 6 q ) 。 第三章气体探测器和输出模块的设计 2 自检电路：i 作原理 电压比较器选川低功耗、高精度、低失调电压的双路比较器l m l 9 3 。两个 比较器的输出端分) ；i j 连接或非门的两个输入端，或非门的输出端与单片机的i 0 接口相连。两个比较器在线路正常及没有或有少量可燃性气体存在的情况下，输 出电平均为低电平。当发生故障时，比较器翻转，输出电平由低变高，只要有一 个比较器翻转，就会引起或非门的输出由0 变为l 。例如当加热丝短路，即a 、 c 短路时，由于自复保险丝的存在，而使电路处于开路状态，b 点处的取样电压 降为0 ，导致比较器a 路发生翻转；当气敏电阻短路即a 、b 短路时，b 点取样 电压升高到5 v ，引起比较器b 路翻转。 3 自检电路的缺陷和修正 该自检电路在没有或有少量可燃性气体存在的情形下，能够完全起到故障报 警作用，但在可燃。陀气体浓度较高时，引起比较器b 路翻转，发生误报。剥此， 必须通过分析所采集浓度信号进一步加以判断。若浓度信号采样过高，可判断取 样电压达到5 v ，电路处于故障状态。 四下位机的选型和接口电路 下位机型号的选用应当满足如下的技术要求和功能指标：( 1 ) 基于总线的监 控系统而言，选用低功耗的单片机更具有实际意义；( 2 ) 系统设计要求探测器能 安装在工矿、楼宇等各种环境，工作温度范围为4 0 - 7 0 ，需要选用能用于抗 恶劣环境、抗干扰能力强的单片机；( 3 ) 需要将浓度信号等模拟量信号转换成便 于可靠传输的数字信号：( 4 ) 需要进行串行异步通信，应选用带有通用异步接收 发送器( u a r t ) 的单片机。 p i c l 6 c 7 3 是美国m i c r o c h i p 公司生产的一种低价格、高速、低功耗全静态 c m o s 、有极高性能价格比的8 位微控制器，采用宽字单周期指令、哈佛双总线及 类一r i s c 结构，片内带e p r o m ，看门狗电路( w d t ) 和复位电路，需要外围部件 极少，有1 1 个内部和外部的中断源，集成了5 通道a d 转换器和通信部件。在 目前诸多品种的单片机中，p i c l 6 c 7 3 是最为合适的选择。1 3 5 1 图36 为p i c l 6 c 7 3 接口电路图。p o r t a 口的d o ，d 1 分别通过编程作为温 度信号和浓度信号的? d d 通道模拟输入口。d 2 作为一般i o 口，接收来自或非 门的故障信号。p o r t c 的d 6 、d 7 两个引脚作为通信线的二线制串行通信接口， 2 4 第三章气体探测器和输出模块的设计 d 4 引脚与通信芯片驱动器的使能端相连。p o r t b 口与拨码开关相连，用于读取 本机地址。 + 5u 2 t 1 m c i 脚p r p 0 1 l a f l2 0 2 89 一、 8 v d dr b 7 2 78 ， i 1 9 v s sr b 6 2 67 v s sr b 5。v 上 r b 4 2 56 。一、 r b 3 2 4 5 厂 ! ! 堡e ) ； r a 0r b 2 2 34 ，_ l 蹦e v e 。l 。；j p a lr b l 2 23 一_ 2 1 i 一 2 ，_ r a 2r b 0 1 纠if 9 o s c l 一卜 f = -2 0 k 2 2 p l r c 4 羔- i i 1 0 _ - 5 o s c 2 r c 6 仃x 卫n a + 5 = 2 2 p t 图36p l c 接口电路 3 4 气体探测器的软件设计 根据气体探测器的功能要求和硬件设计，软件必须配合硬件完成以下功能： ( 】) 气体浓度信号、温度信号的采集以及两种信号进行数学处理；( 2 ) 自检故 障信号的判断和处理( 3 ) 完成与上位机