鄧洛均 張明淇 譚國良 劉津哲 董 羽

“安全+”家用燃氣報警吸收裝置設計

鄧洛均 張明淇 譚國良 劉津哲 董 羽

（山東工商學院，山東 煙臺 264000）

如今家用燃氣安全問題愈發(fā)引起人們的高度重視，城市燃氣安全事故嚴重危害著人們的生命與財產安全。為預防相關事故的發(fā)生，文章設計了一種家用燃氣報警吸收中和裝置，在保證不影響燃氣使用的同時，通過采用凌陽spmc75f2313A單片機的主控系統(tǒng)與電磁繼電器系統(tǒng)，配合以320型微型抽氣泵為主的燃氣吸收裝置和采用負離子發(fā)射器的中和工作模塊，實現(xiàn)了燃氣濃度的檢測、燃氣閥門的開關以及燃氣清除的自動化。

燃氣安全；燃氣泄漏；報警裝置；燃氣吸收；中和裝置

引言

隨著國家經濟水平的不斷提高，現(xiàn)代化、智能化的多功能建筑越來越多，建筑的防火安全設計要求也愈來愈高。以“西氣東輸”工程為開端的大規(guī)模天然氣利用工程的實施，意味著我國城市燃氣將大踏步地進入“天然氣時代”。但是隨著燃氣的廣泛應用，燃氣泄漏所引發(fā)的爆炸、中毒和火災事故時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。

使用家用燃氣報警裝置是預防燃氣爆炸事故發(fā)生的重要手段之一。燃氣爆炸事故主要是由于燃氣的主要成分甲烷發(fā)生爆炸，采用燃氣報警器能夠起到及時發(fā)現(xiàn)燃氣泄漏并預防事故發(fā)生的作用。經過有關部門的長期實驗調查發(fā)現(xiàn)，若使用燃氣報警裝置可使燃氣爆炸事故的發(fā)生概率降低95%以上[1]。

為了使燃氣更好地造福于民、造福于社會，減少甚至杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災事故的發(fā)生，居民用戶選擇安裝一種適合的室內燃氣安全裝置實為必要之舉[2]。

家用燃氣報警裝置是一種適合家庭使用的小型燃氣安全防范產品，它能有效地預防因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸、火災、中毒等惡性事故。家用燃氣報警裝置已經成為家庭生活的必需品，然而傳統(tǒng)的家用燃氣報警裝置普遍只具有檢測報警功能，當燃氣泄漏發(fā)生時，室內的空氣已經受到污染，對人類的健康產生威脅，無法從根本上預防此類事件造成的危害[3]。因此，本文設計了一種“安全+”家用燃氣報警吸收裝置，可以從根本上防止危險事故的發(fā)生，保護人們的生命及財產安全。

1 發(fā)展趨勢

1.1 戶內燃氣事故原因分析

通過對歷年的燃氣爆炸事故原因分析發(fā)現(xiàn)，有60%的燃氣事故是找不到原因的，由此可見我國對于燃氣的安全使用與調查研究方面是有所欠缺的，從而導致事故的分析與應急預案的缺乏[4]。因此，我國應該加強在這方面的管理，做到防患于未然。

1.2 戶內燃氣報警安全裝置發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的家用燃氣報警裝置與檢測裝置相互分離，無法有效進行聯(lián)動。當燃氣發(fā)生泄漏時，易發(fā)生報警裝置的延遲關閉，導致即使知道燃氣已經泄漏但依舊會發(fā)生燃氣事故。并且當用戶外出時也無法得知家中的燃氣情況。

因此，本文設計了一種“安全+”家用燃氣報警吸收裝置，可以將燃氣報警器與開放負離子發(fā)生器相結合，并接入LED顯示屏和WiFi系統(tǒng)模塊，這樣燃氣報警器可以隨時檢測室內燃氣的含量，并將檢測數據通過LED顯示屏直觀地顯示給用戶知悉。當室內泄漏的燃氣含量超過標準值時，報警器會通過通信模塊自動向用戶發(fā)出警報，同時吸收燃氣，且燃氣中和裝置會啟動開放式負離子發(fā)生器，電離出空氣中的臭氧，中和室內有毒氣體，避免用戶出現(xiàn)燃氣中毒的現(xiàn)象，從根本上防止危險事故的發(fā)生。

2 燃氣檢測預警清除裝置系統(tǒng)整體方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

本文所設計的裝置主要用于城市內民用燃氣泄漏的檢測報警與吸收，將電子元件與機械元件相互結合，形成整體系統(tǒng)，具有安全高效的特點。這樣既能對用戶發(fā)出燃氣泄漏警告，又能降低相關事故的發(fā)生概率與燃氣泄漏的危害性。裝置的總體功能如下。

（1）燃氣的檢測報警。燃氣檢測報警模塊以單片機作為總體控制中樞，將檢測和報警兩個子裝置相連，甲烷濃度檢測儀將檢測的濃度與預定的監(jiān)測濃度進行比較后，將檢測結果以電信號的形式傳給MQ-4傳感器和單片機，單片機通過分析電信號決定是否啟動報警裝置。

（2）吸收裝置。當濃度檢測儀傳遞給單片機的信號為濃度超標時，單片機就會以電信號的形式命令吸收裝置進行工作，將泄漏的燃氣吸收進氣體儲存裝置內。

（3）中和裝置。當燃氣濃度超過預設的濃度時，吸收裝置將泄漏的燃氣進行吸收后，中和裝置進行工作，負離子發(fā)射器通過電磁振蕩產生負離子中和泄漏的燃氣。

（4）通信模塊。本模塊主要是通過GPRS技術進行用戶與裝置之間的信息傳遞，其主要特點為速率快、費用低、可端與端直接傳輸。

（5）機械關閉裝置。若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)燃氣的泄漏是因為燃氣閥門未關閉，則運行機械關閉裝置，以機械傳動的方式將閥門關閉。

2.2 總體方案設計

系統(tǒng)整體框架圖由一個檢測報警工作主模塊和吸收工作、中和工作、機械工作3個子模塊構成。主要由凌陽spmc75f2313A單片機、320型微型抽氣泵、負離子發(fā)射器和電磁繼電器以及控制開關的磁體構成[5]，系統(tǒng)整體框架如圖1所示，安裝位置如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖2 裝置安裝位置示意圖

本設計共采用一個spmc單片機，主模塊的單片機用來處理濃度檢測XHCH4LAS-01激光甲烷監(jiān)測儀的信號，再將處理后的信號顯示在LED顯示屏上。單片機將處理好的信號轉換成電流信號，通過電磁繼電器連接觸點和吸收工作模塊進行工作，即320微型抽氣泵將含有高濃度甲烷的混合氣體吸入到儲氣瓶中，由負離子發(fā)射器進行中和。

3 系統(tǒng)硬件設施及工作流程

3.1 硬件設施

3.1.1 檢測報警工作模塊

主控芯片采用凌陽spmc75f2313A單片機，設計單片機的最小系統(tǒng)，包含復位電路、晶振電路，單片機所提供的接口均可對外擴展。設計圖中的聲光報警、LED顯示屏、濃度檢測系統(tǒng)均采用網絡標號。系統(tǒng)中所有元器件的供電均由單片機的供電口供電。MQ-4天然氣傳感器將激光甲烷監(jiān)測儀的檢測信號轉換為實時數據顯示在人機交互界面。表1為MQ-4天然氣傳感器基本信息表。

表1 MQ-4天然氣傳感器基本信息表

3.1.2 吸收工作模塊

在本次設計中，吸收工作模塊的主控芯片通過電路接收檢測報警裝置的工作信號，當檢測報警系統(tǒng)將工作信號傳遞給吸收工作模塊，吸收工作模塊接收信息后通過電路控制320微型抽氣泵，將已經泄漏的燃氣與空氣混合物吸收至氣體儲存裝置。表2為320型抽氣泵基本工作信息表。

表2 320型抽氣泵基本工作信息表

3.1.3 中和工作模塊

中和工作系統(tǒng)主要由負離子發(fā)射器構成，負離子發(fā)射器振蕩電路高速發(fā)射出大量的電子，由于電子無法長期存在空氣中，會被氧氣分子結合形成負離子。燃氣爆炸的反應式為

CH4＋2O2＝CO2＋2H2O（完全反應）

2CH4＋3O2＝2CO＋4H2O（不完全反應）

因此可通過負離子發(fā)生器來預防燃氣爆炸的發(fā)生。裝置內負離子發(fā)射器工作示意圖如圖3所示。

圖3 負離子發(fā)射器工作示意圖

3.1.4 機械工作模塊

機械工作模塊中的主要構成為機械關閉裝置。將繼電器連接在控制電路中，濃度檢測儀與繼電器相連接。隨著甲烷濃度的不斷升高，濃度檢測儀的氣體傳感器將氣體濃度通過信號調理電路轉化成模擬電壓信號，再通過轉換模塊將電壓信號轉化為燃氣濃度信號，并由LED顯示屏顯示當前的燃氣濃度，將轉化出的燃氣濃度與檢測儀預設的濃度閾值進行比較，再將比較的結果輸出到外部的EFPROM。若大于閾值，則EFPROM進行干預，通過改變電阻，使電阻增大，當甲烷未達到爆炸極限但達到一定濃度時，電阻值過大，電路無法正常供電，繼電器中的銜鐵與關閉觸電結合，控制煤氣開關的磁鐵得到因電路產生的電磁場吸引，從而關閉燃氣[6]。裝置內濃度檢測工作原理如圖4所示。

圖4 濃度檢測裝置工作原理

3.1.5 信息傳遞模塊

信息傳遞模塊可通過WiFi將裝置檢測的室內信息與手機聯(lián)系起來，使用戶能通過手機得知室內情況，接收到預警信息，避免燃氣泄漏造成較大的人身傷害和財產損失。當室內的燃氣泄漏時，濃度檢測儀將濃度信號轉化為電信號傳遞給外部的EFPROM，EFPROM對傳遞出的電信號進行分析并通過信息傳遞模塊中的WiFi模塊將信息傳輸到廣域網，最后到達手機移動終端，手機移動終端提醒用戶燃氣發(fā)生泄漏，用戶得到消息時將會以最快的速度作出反應。

其中，WiFi工作模塊連入廣域網是通過GPRS來實現(xiàn)的，GPRS是廣域網的重要組成部分，具有花費少、效率高、端到端傳輸的特點。GPRS網絡通信的數據傳輸流程可以被理解為三大部分。首先是WiFi網絡與機房GPRS之間的數據傳輸，比如當用戶拿起手機連上WiFi發(fā)送消息時，第一個經過的終端就是GPRS機房。其次是數據在GPRS機房終端被處理，處理完后發(fā)送給下一個終端，即GSM基站。數據經過基站后被再次封裝，封裝完成后發(fā)送到GPRS骨干網。最后是網關型GSN可以從路由節(jié)點接收到WiFi網絡，再將接收到的信息通過服務型GSN傳輸到廣域網[7]。工作原理圖如圖5所示。

圖5 GPRS工作原理示意圖

3.2 工作流程

“安全+”家用燃氣報警吸收裝置由多種機械構成的傳動裝置和由燃氣濃度檢測儀與報警裝置、燃氣負離子發(fā)生器組成的控制中心配合工作，完成燃氣泄漏時的報警、吸收燃氣和開放負離子發(fā)生器協(xié)調任務，盡可能地吸收清除泄漏的燃氣來保障生命安全。

當室內泄漏的燃氣含量超過標準值時，一方面燃氣報警器會自動報警并將燃氣吸收，另一方面燃氣中和裝置會啟動開放式負離子發(fā)生器，電離出空氣中的臭氧，中和室內有毒氣體，避免用戶出現(xiàn)燃氣中毒的現(xiàn)象。因此可以將燃氣報警器及吸收裝置與開放式負離子發(fā)生器相結合，從根本上防止危險事故的發(fā)生，保護人們的生命及財產安全，項目燃氣檢測預警清除裝置結構示意圖如圖6所示，裝置內濃度檢測工作流程圖如圖7所示。

（a）“安全＋”裝置構造

（b）氣體儲存器內部構造

1－報警裝置和小型抽氣機；2－閥門關閉裝置；3－氣體儲存器；4－進氣孔；5－負離子發(fā)射器；6－濃度檢測器。

圖6 燃氣檢測預警清除裝置結構示意圖

圖7 濃度檢測工作流程圖

4 裝置實用性及設計構想

（1）多功能融合。本項目設計了將檢測報警、吸收和清除功能融于一體的新型燃氣安全裝置。本裝置將燃氣報警器與開放負離子發(fā)生器和檢測裝置相結合，并接入LED顯示裝置。通過LED顯示裝置能明確屋內濃度是否超過標準，當濃度檢測儀檢測空氣中的天然氣超過標準濃度時，會收到報警裝置發(fā)出的報警信息并自行關閉閥門。吸收裝置自動啟動將空氣中的天然氣盡可能吸收到吸收裝置里面，即開放式負離子吸收器開始運作將吸收裝置的天然氣進行清除，改變了傳統(tǒng)燃氣吸收裝置只關閉閥門而無法吸收氣體的缺點。

（2）智能連接。本裝置可連接各類智能終端設備。與傳統(tǒng)的裝置不同，燃氣報警器可與手機App相連，如果燃氣發(fā)生了泄漏情況，在燃氣報警器發(fā)出報警的同時，還會以電話、語音、短信等預先設置好的方式通過手機向用戶發(fā)出警告，如果用戶的燃氣報警與物業(yè)、燃氣公司相連，這些信息也會同時發(fā)送給相關部門，以便對燃氣泄漏事故進行及時處理。

（3）裝置一體化。本裝置可實現(xiàn)裝置一體化，便于搬運、安裝和拆卸，有效節(jié)約了空間和人力成本，也能更好地解決燃氣泄漏的問題。

5 結束語

“安全＋”家用燃氣報警吸收裝置設計通過以一個凌陽spmc單片機作為主控系統(tǒng)，以電磁繼電器、320微型抽氣泵、負離子發(fā)射器、激光檢測器以及濃度電阻輔助組成一個集檢測、預警于一體，可以減少甚至避免燃氣爆炸事故發(fā)生的裝置，具有很好的實用推廣價值。

[1] 張濤. 日本和我國燃氣用戶安全分析[J]. 煤氣與熱力，2020，40(5): 30-32，46.

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[3] 張群強，趙巧妮. 基于MQ-2型傳感器火災報警系統(tǒng)的設計[J]. 價值工程，2015(13): 96-98.

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[5] 張敏麗，郭紅壯，于源華. 智能家用燃氣無線報警系統(tǒng)設計[J]. 科技風，2020(18): 34-35.

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[7] US-ISA. Recommended Practice for the Installation, Operation, and Maintenance of Combustible Gas Detection Instrument: ISA 12.13.02-2003[S]. Chicago: US-ISA, 2003.

Design of "Safety+" Household Gas Alarm Absorption Device

Nowadays, household gas safety issues are increasingly receiving high attention, and urban gas safety accidents seriously endanger people's lives and property safety. To prevent related accidents, this article designs a household gas alarm absorption and neutralization device. While ensuring that the use of gas is not affected, it adopts the main control system of Lingyang spmc75f2313A single chip microcomputer and the electromagnetic relay system, and combines the gas absorption device based on the type 320 micro air pump and the neutralization module using the negative ion emitter. The detection of gas concentration, the switching of gas valve and the automation of gas removal are realized.

gas safety; gas leakage; alarm device; gas absorption; neutralization device

TK16

A

1008-1151(2023)11-0081-04

2023-08-03

山東工商學院博士啟動基金（BS201522）。

鄧洛均（2002－），男，山東工商學院學生，研究方向為安全科學與技術。