摘要：論述了一種智能化可燃性氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的組成與原理，提出以氣體濃度絕對(duì)變化量和相對(duì)變化率為氣體泄漏判定的雙重依據(jù)，給出了計(jì)算方法，給出了智能核心單片機(jī)的主流程框圖。該系統(tǒng)具有氣敏元件自檢功能，可對(duì)氣敏元件靈敏度的個(gè)體差異及自身變化，具有較強(qiáng)的測(cè)控功能和較高的工作可靠性。

關(guān)鍵詞： 燃?xì)庑孤┍O(jiān)控； 氣敏傳感器；報(bào)警； 泄漏判定

　　工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛存在使用天然氣、煤氣和液化石油氣等易燃、易爆氣體的場(chǎng)所。出于安全的考慮，這些場(chǎng)所通常都要求安裝可燃性氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制裝置^[１，2]。由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、粉渣和油霧等環(huán)境條件常常變化，并且氣體與敏感元件材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物附著在元件表面，使氣敏傳感器性能變差，如靈敏度下降。因此，僅以單一可燃性氣體濃度的絕對(duì)大小作為檢測(cè)報(bào)警指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)是極不可靠的。整個(gè)測(cè)控裝置的可靠性可從硬件和軟件兩方面來(lái)考慮。從硬件方而來(lái)說(shuō)，氣敏傳感器應(yīng)有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和較好重復(fù)性，響應(yīng)速度快，且受共存物質(zhì)影響?。浑娮釉阅芎碗娐分谱鞴に噧?yōu)良可靠。從軟件方面來(lái)說(shuō)，對(duì)氣體探測(cè)的算法應(yīng)能自適應(yīng)于溫度、濕度及氣敏傳感器靈敏度的變化，即智能化。下面就有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 可燃性氣體測(cè)控系統(tǒng)組成與原理
　　可燃性氣體測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度取決于功能的設(shè)計(jì)要求，既可以是簡(jiǎn)單的報(bào)警電路，也可以是集報(bào)警和氣源控制于一體的完整系統(tǒng)^[3]。目前應(yīng)用較廣泛的氣敏元件是SnO₂電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器，其基本原理是當(dāng)元件吸附敏感氣體的濃度變化時(shí)，元件的電阻值會(huì)發(fā)生變化。但實(shí)際使用時(shí)問(wèn)題要復(fù)雜得多，會(huì)涉及到氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和初期穩(wěn)定時(shí)間等問(wèn)題。由于涉及到時(shí)間控制，由一般電子電路構(gòu)成即使是功能最簡(jiǎn)單的報(bào)警系統(tǒng)也是很復(fù)雜的^[4]，更不必說(shuō)可靠性和智能化了。有文獻(xiàn)報(bào)道，采取一定的措施可以判定電路中的元件故障現(xiàn)象^[5]，但對(duì)傳感器的離散性問(wèn)題未能解決。因此，應(yīng)以單片機(jī)作為智能化可燃性氣體測(cè)控系統(tǒng)的核心，這樣才能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，完成各種控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。使用單片機(jī)還可使系統(tǒng)硬件規(guī)模和功耗減小，成本降低(單片機(jī)極便宜)，而可靠性提高。圖1給出了可燃性氣體測(cè)控系統(tǒng)組成。
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圖1 可燃性氣體測(cè)控系統(tǒng)組成
Fig.1 Composition of supervisory control system for combustible gas
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　　圖1中的加熱電源使SnO₂氣敏元件工作在200～300℃下。檢測(cè)電路將氣敏元件的電阻值轉(zhuǎn)快為直流電壓并輸入單片機(jī)，電壓高表示可燃性氣體濃度高。單片機(jī)依一定算法判定現(xiàn)場(chǎng)可燃性氣體的、濃度情況，以輸入適當(dāng)?shù)膱?bào)警控制信號(hào)和氣源控制信號(hào)。檢測(cè)電路的另一個(gè)作用是在單片機(jī)控制下完成氣敏元件自檢過(guò)程，以防止氣敏元件因本身特性差異或故障而產(chǎn)生誤報(bào)和誤控，同時(shí)氣敏元件的自檢也為有關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。自檢就是在氣源控制閥門開啟前的相對(duì)潔凈空氣環(huán)境中使氣敏元件工作在加熱后的穩(wěn)定期期間，對(duì)由氣敏元件電阻值轉(zhuǎn)換來(lái)直流電壓進(jìn)行測(cè)試，若氣敏元件正常，則對(duì)應(yīng)靜態(tài)電阻值應(yīng)為1～100kΩ，具體值由產(chǎn)品手冊(cè)給出，該數(shù)據(jù)作為元件正常與否的判定依據(jù)。自檢結(jié)果也可通過(guò)顯示輸出。

2 測(cè)控判定的算法規(guī)則
　　單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)測(cè)控的智能核心，氣敏元件工作溫度為200～300℃，故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度和濕度的影響可忽略。研究泄漏可燃性氣體濃度的判定算法時(shí)應(yīng)主要考慮氣敏元件靈敏度的個(gè)體差異以及氣敏元件壽命和表面潔凈度等因素導(dǎo)致的靈敏度變化問(wèn)題。為工作可靠，可采用雙重判定法。一是以測(cè)得的可燃性氣體的絕對(duì)濃度為判定依據(jù)，二是以可燃性氣體濃度的變化率為判定依據(jù)。
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　　式中 U_on——?dú)庠撮_通后檢測(cè)電路輸出電壓
　　　　U_m——可燃性氣體濃度允許上限對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路輸出電壓
　　　　U₁——?dú)庠撮_通后t₁，時(shí)刻檢測(cè)電路輸出電壓
　　　　U₂——?dú)庠撮_通后t₂：時(shí)刻檢測(cè)電路輸出電壓
　　　　δ——可燃性氣體濃度對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路輸出電壓相對(duì)增加率允許上限
　　兩次檢測(cè)的時(shí)間間隔△t=t₁-t₂，即延時(shí)時(shí)間。顯然，同時(shí)采用兩種判定規(guī)則可降低氣敏元件靈敏度因素對(duì)系統(tǒng)正確判定的不利影響，使系統(tǒng)工作的可靠性得以提高。