蘭建軍，辛紅偉，張玉財(cái)

（東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

0 引言

家用石油液化氣是石油化工行業(yè)的副產(chǎn)品，其為多種烴類的混合物，主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等極易燃燒和爆炸的碳?xì)浠衔?。近年?lái)，由于設(shè)備老化泄漏和使用者誤操作造成的液化氣爆炸事件頻發(fā)，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了巨大的損失［1］。泄漏有時(shí)是無(wú)法避免的，但是泄漏后如果能進(jìn)行快速有效的檢測(cè)，從而采取合理的處理措施，同樣可以減少或者避免爆炸事故的發(fā)生。

目前，對(duì)于易燃易爆氣體泄漏檢測(cè)的方法主要分成主動(dòng)檢測(cè)和被動(dòng)檢測(cè)，主動(dòng)檢測(cè)有光譜分析法、氣相檢測(cè)法等檢測(cè)方法;被動(dòng)檢測(cè)方法通常采用相應(yīng)氣體傳感器和被測(cè)氣體接觸，通過(guò)相應(yīng)的物理、化學(xué)反應(yīng)變成電信號(hào)，多用于環(huán)境的監(jiān)測(cè)或報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生。如皮亞鐳、張維華使用的氣相色譜分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行氣體泄漏檢測(cè)［2，3］，但是該方法在定量分析時(shí)，常需要用已知物體的純樣品對(duì)檢測(cè)后輸出的信號(hào)進(jìn)行校正。吳曉南采用的光譜分析法［4］和韓慧伶提出的超聲檢測(cè)方法等［5］，存在易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等外部或內(nèi)部因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)曲線非線性問(wèn)題，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度影響較大。針對(duì)家用液化氣泄漏檢測(cè)，半導(dǎo)體氣體傳感器以其體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測(cè)低體積分?jǐn)?shù)氣體等優(yōu)點(diǎn)，在可燃?xì)怏w檢測(cè)中有重要作用。倉(cāng)懷文等人采用Fe2O3氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了液化石油氣等3種氣體成分的檢測(cè)［6］，然而半導(dǎo)體氣體傳感器受傳感器周圍環(huán)境溫濕度變化影響［7，8］，因此，使用半導(dǎo)體氣體傳感器測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)必須對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。

本文介紹了以MQ—2型傳感器和MC9XS128單片機(jī)為核心的液化氣泄漏檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳感器曲線繪制，針對(duì)溫度影響問(wèn)題，分析了環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的傳感器誤差，繪制了傳感器的溫度影響曲線，采用溫度補(bǔ)償方法對(duì)傳感器測(cè)量值進(jìn)行了修正。方案具有成本低，檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:該方案可用于家用液化氣的泄漏檢測(cè)。

1 系統(tǒng)概述

氣體傳感器種類較多，按照氣敏特性情況來(lái)分，可分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式、接觸燃燒式、光學(xué)式、熱導(dǎo)式等［10］。本文設(shè)計(jì)選用半導(dǎo)體式MQ—2型氣體傳感器進(jìn)行液化氣組份的檢測(cè)。

1．1 MQ—2型氣體傳感器工作原理

MQ—2是一種體電阻控制型的氣敏器件，其阻值隨被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)（成分）而變化，傳感器具有探測(cè)范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)液化氣、丁烷、丙烷等可燃性氣體的探測(cè)。MQ—2型氣體傳感器把微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件封裝在不銹鋼制成的腔體內(nèi)，利用加熱器提供氣敏元件必要的工作條件。

當(dāng)傳感器處于最佳工作條件下，接觸同一種氣體成分時(shí)，其電阻阻值RS隨氣體體積分?jǐn)?shù)變化的特性稱之為靈敏度特性，用K（K=RS/R0）表示，R0為傳感器在潔凈空氣中的電阻值，RS為傳感器在不同氣體體積分?jǐn)?shù)下的電阻值。圖1給出了MQ—2型傳感器對(duì)于各種氣體成分的靈敏度特性曲線。

圖1 MQ—2型傳感器靈敏度特性曲線Fig 1 Sensitivity characteristic curve of MQ—2 sensor

1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由氣體傳感器、溫度傳感器、主機(jī)、顯示和報(bào)警電路構(gòu)成，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。氣體傳感器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)環(huán)境中泄露液化氣體積分?jǐn)?shù)的檢測(cè);溫度傳感器主要實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)氣體傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償;顯示電路完成各種參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示;當(dāng)液化氣泄漏超標(biāo)，環(huán)境中液化氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)輸出報(bào)警信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)通風(fēng)裝置進(jìn)行通風(fēng)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Overall structure diagram of system

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 核心部分硬件設(shè)計(jì)

1）控制器選擇

系統(tǒng)控制器采用飛思卡爾高性能的16位單片機(jī)MC9XS128，該單片機(jī)具有速度快、功能強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。其內(nèi)部帶有128 kB的FLASH程序存儲(chǔ)器和8 kB的FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;可支持高達(dá)40 MHz的總線頻率;內(nèi)部集成有8通道位數(shù)可配的A/D器;8通道的PWM控制器;良好的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能的I/O接口可實(shí)現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能。本次設(shè)計(jì)選擇該單片機(jī)無(wú)需外部擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器就可完成氣體體積分?jǐn)?shù)的采樣和轉(zhuǎn)換，同時(shí)可利用PWM通道對(duì)通風(fēng)裝置的風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

2）主要器件電路設(shè)計(jì)

MQ—2型氣體傳感器和單片機(jī)的接口電路比較簡(jiǎn)單，傳感器需要施加加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）2個(gè)電壓，VH為傳感器提供特定的工作溫度，VC用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻上的電壓，本次負(fù)載電阻選擇為5．1 kΩ，輸出連接至X128單片機(jī)的模擬量輸入通道0上。MQ—2型傳感器是基于氣體在傳感器表面的化學(xué)吸附、反應(yīng)與脫附原理進(jìn)行氣體成分檢測(cè)的，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)改變傳感器化學(xué)反應(yīng)速度;同時(shí)由于水蒸汽在傳感器表面上的吸附，導(dǎo)致的濕度變化將引起傳感器阻值RS的降低，從而影響傳感器的敏感特性。因此，當(dāng)傳感器應(yīng)用于對(duì)測(cè)量的精度要求較高的場(chǎng)合時(shí)，就需要考慮傳感器的溫濕度補(bǔ)償問(wèn)題。為了進(jìn)行溫度補(bǔ)償，系統(tǒng)選擇數(shù)字溫度傳感器DS1820進(jìn)行溫度測(cè)量，其和單片機(jī)的通信采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。詳細(xì)的電路連接圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路原理圖Fig 3 Principle diagram of system hardware circuit

2．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線擬合

按照手冊(cè)規(guī)定的測(cè)試條件，利用家用液化氣氣體成分對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件為:溫度20℃，相對(duì)濕度為65%RH，負(fù)載電阻5．1 kΩ。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線繪制，相關(guān)資料指出，在給定的工作條件下和適當(dāng)?shù)臍怏w體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和氣體體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系。本文按照對(duì)數(shù)形式對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，擬合曲線方程如式（1）所示

測(cè)試數(shù)據(jù)曲線和擬合曲線情況如圖4所示。為了驗(yàn)證曲線擬合精度，用擬合的曲線計(jì)算出對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，表1中給出了測(cè)試值和擬合值的對(duì)比情況，同時(shí)進(jìn)行了誤差分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:曲線擬合精度滿足要求，依據(jù)式（1），測(cè)量出傳感器在各種液化氣體積分?jǐn)?shù)下的電阻比（RS/R0），就可計(jì)算出液化氣的濃度C。

圖4 傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)擬合曲線圖Fig 4 Fitting curve of sensor test data

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析表Tab 1 Error analysis form of test data

3 傳感器的溫度補(bǔ)償

3．1 數(shù)據(jù)測(cè)試和曲線擬合

為了分析溫度變化對(duì)傳感器測(cè)量值的影響情況，在65%RH和固定氣體體積分?jǐn)?shù)條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行了測(cè)試。圖5給出了傳感器在各溫度點(diǎn)下的輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明:傳感器輸出變化和溫度變化呈非線性關(guān)系。根據(jù)圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，發(fā)現(xiàn)采用單一曲線擬合，數(shù)據(jù)誤差較大，無(wú)法滿足精度要求。因此，針對(duì)數(shù)據(jù)情況，以20℃為分割點(diǎn)進(jìn)行了分段曲線擬合，曲線擬合情況如圖6所示。2個(gè)溫度段的擬合曲線方程分別為

為了驗(yàn)證曲線擬合精度，表2對(duì)通過(guò)擬合曲線方程計(jì)算出的數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比和誤差分析，表中數(shù)據(jù)表明:擬合曲線精度可滿足要求。

圖5 傳感器溫度特性曲線Fig 5 Temperature characteristic curve of sensor

3．2 傳感器的溫度補(bǔ)償

圖6 分段擬合曲線圖Fig 6 Subsection fitting curve

MQ—2型氣體傳感器對(duì)各種氣體成分的敏感特性都是在溫度20℃條件下進(jìn)行標(biāo)定的，當(dāng)溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時(shí)，為了對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行修正，需要測(cè)試傳感器的ΔRS/R0-ΔT特性，可以把表2中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成傳感器溫度差和阻值比差的關(guān)系，這樣在每次體積分?jǐn)?shù)測(cè)量時(shí)，實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器環(huán)境溫度，就可實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償，提高傳感器的測(cè)量精度，如表3。

表2 分段曲線擬合數(shù)據(jù)誤差分析表（RS/R0）Tab 2 Data error analysis form of segmentation curve fitting（RS/R0）

表3 分段曲線擬合數(shù)據(jù)誤差分析表（ΔRS/R0－ΔT）Tab 3 Error analysis form of segmentation curve fitting data（ΔRS/R0-ΔT）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)液化氣成分的特點(diǎn)，進(jìn)行了傳感器選型，利用MQ—2型氣體傳感器進(jìn)行液化氣體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)，完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)曲線繪制和曲線擬合，同時(shí)針對(duì)傳感器受溫度影響特點(diǎn)實(shí)施溫度補(bǔ)償措施，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:溫度補(bǔ)償可有效解決溫度變化引起的傳感器誤差。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于家用液化氣的泄漏檢測(cè)。

［1］ 陳城明．一起液化氣鋼瓶爆炸事故的分析和思考［J］．安全與健康，2002（17）:33－35．

［2］ 皮亞鐳．SR5乙烷辨識(shí)儀在天然氣泄漏檢測(cè)的應(yīng)用［J］．煤氣與熱力，2007，27（5）:43 －45．

［3］ 張維華．燃?xì)庑孤﹫?bào)警器檢測(cè)裝置的研制［J］．煤氣與熱力，1998，18（3）:44 －46．

［4］ 吳曉南，胡 鎂．城市燃?xì)庑孤z測(cè)新方法及其應(yīng)用［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（9）:98 －100．

［5］ 韓慧伶，王彤宇．智能氣體泄漏超聲檢測(cè)方法研究［J］．長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（4）:114 －117．

［6］ 倉(cāng)懷文，蔡可芬，莊明夫等．基于Fe2O3系列氣體傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（7）:73 －75．

［7］ 王麗杰，王天榮，蘇子美．環(huán)境因素對(duì)Fe2O3可燃性氣體傳感器性能的影響［J］．云南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1997，19（2）:121－124．

［8］ Hiranaka Y，Abe T．Gas-dependent response in the temperature transient of SnO2gas sensors［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，1992，9（3）:177 －182．

［9］ 楊邦朝，張益康．氣體傳感器研究動(dòng)向［J］．傳感器世界，1997（9）:1－8．

［10］方 俊，趙建華．氣體傳感器及其在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用［J］．火災(zāi)科學(xué)，2002（3）:180－185．