瓦斯报警器的电路设计

贾 洁,王玉巧

（黄河科技学院 河南 郑州 450063）

矿井瓦斯是煤炭在生成过程中的一种伴生气体产物，在煤炭开采时，便涌出到井下各种空间或巷道，而污染矿井大气。其含义可分为[1]：

1）广义地讲：凡从围岩或矿体（煤层）中涌入矿井内的气体，统称为矿井瓦斯。其中主要成分有甲烷（俗称沼气）、二氧化碳、氮，还有少量的硫化氢 、一氧化碳 、氢 、二氧化硫 ）及其他碳氢化合物和稀有气体。

2）狭义地讲：我国煤矿习惯上称瓦斯系专指甲烷而言。

瓦斯爆炸界限为：①下限：一般为5%～6%，最低到3.2%，最高到6.7%。当在空气中的浓度低于下限时，只能燃烧不能爆炸，过低时也不能燃烧。②上限：一般为14%～16%，空气中含瓦斯的浓度高于上限时，不燃烧也不爆炸。理论上瓦斯爆炸最强烈的浓度为9.5%，实际为8.5%。

瓦斯造成的爆炸事故时有发生，已经成为影响煤矿生产和矿工生命安全最突出的问题之一，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。

1 瓦斯报警的研究方法

首先，通过气敏元件及附属电路实现信号的采集，将矿井内瓦斯的浓度转换为相应的电信号，然后，将电信号传输到信号处理电路，应用数字电子技术和模拟电子技术，将电信号数字化，触发器触发报警和控制电路，再经过控制电路控制通风设备实现对矿井内瓦斯的监控报警。报警电路系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig. 1 Structure diagram of the power control unit test system

电源部分：为系统各部分提供稳定、可靠的直流电源。它由变压、整流、滤波、稳压四部分组成。

信号采集及处理电路：由气敏传感器MQ-2、比较器μA709及其附属电路组成。传感器将矿井内的瓦斯浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而使得μA709同相输入端电压变化。当比较器同相端输入电压大于反相端电压时，比较器输出端为高电平，反之则为低电平。

触发电路：由LM555定时器及其附属电路组成双稳态触发电路。利用LM555的②、④、⑥脚输入信号的电平决定输出端③脚的电平，去触发后续执行电路。

声光报警电路：在瓦斯浓度超标时，电路以红灯提示，同时DK9561产生音频信号，驱动扬声器，提醒井下操作的工人，空气中有害气体浓度已超出允许范围，应及时撤离现场。在空气洁净时，电路以绿光提示表明环境安全。

排气通风装置：当报警电路工作，提醒工作人员有危险的时候，继电器同时也接通排气通风设备，使其工作，排出矿井内的瓦斯气体。

2 直流电源部分

直流电源的组成框图如图2所示。其中包括电源变压器、桥式整流电路、滤波电路、稳压电路等4个组成部分。

图2 直流电源的组成框图Fig. 2 Composition of dc power supply block diagram

电源部分具体电路如图3所示[2]。

图3 直流电源部分电路图Fig. 3 DC power of the circuit diagram

3 信号采集元件

本课题采用半导体气敏传感器MQ-2。 MQ-2是一种二氧化锡型半导体气敏元件，对可燃性气体具有高度灵敏性和快速响应性，适应于甲烷、乙烷、丙烷、液化气、酒精、烟雾的探测。

气敏传感器MQ-2的工作条件[3]如表1、表2所示。

图4 双稳态触发电路图Fig. 4 Bistable trigger circuit

表1 标准工作条件Tab.1 Standard working conditions

表2 外界环境条件Tab.1 The external environment condition

4 双稳态触发器电路原理

由555芯片和一些外围元器件组成了双稳态触发电路[4]，具体电路如图4所示。

当空气洁净时: 555芯片②脚=0 (因气敏电阻RQ变大，R3和R4分压小), 555芯片④脚＝1,555芯片⑥脚＝0。由555芯片功能表知：555芯片③脚＝1，即③脚为高电平，此时继电器J和D2(红)均不工作；同时555芯片⑦脚＝1（放电管截止，相当断开），此时D3（绿）通过电阻R3导通而发光。由此可得出结论：1) 555芯片③脚=“1” J、D2不工作。2）D3（绿）发光，表示空气洁净。

当存在瓦斯气体时：555芯片②脚=1（因气敏电阻RQ变小，（R3＋R4）分压值大），芯片④脚＝1,芯片⑥脚＝1。此时：芯片③脚＝0，芯片⑦脚＝0，此时D2（红）发光，同时继电器J动作，使其常开触点J1、J2接通，从而报警声和通风装置工作。

5 报警和通风控制电路

本电路由音乐片（DK9561）和继电器（JRC－5M型）组成，如图5所示。

其中继电器（JRC－5M型）是一组触头开关，一组有一个常开触点，一个是常闭触电。其封装与结构如图6所示，主要技术指标如下[5]：

图5 报警电路Fig. 5 Alarm circuit

图6 继电器的封装结构Fig. 6 Relay encapsulation structure

使用条件：环境温度：-55～＋85 ℃；相对温度：＋40 ℃时，达98%；大气压力：达4 400 Pa；振动：10～500 Hz，加速度达49 m/s2；离心加速度：达245 m/s2；工作电压12 V；线圈电阻50±10%；吸合电压≥9 V；释放电压≤2 V；工作位置：任意。

主要参数：接触电阻：0.15 Ω；吸合时间：6 ms；释放时间：4 ms；绝缘电阻：100 MΩ；绝缘抗电强度：能承受300 V（50 Hz） ；耐冲击强度：达245 m/s2；触点负载：在直流阻性负载电路中27VDC×1A；寿命：2×104次；外形尺寸：φ12*12 mm；重量：6 g。

常开触头开关中接的是音乐片DK9561，放大管（2W/3V）及扬声器。由于在设计时不用音乐片也可以，但扬声器发出的声音比较烦躁，若发生紧急情况将会给人们的心理上增加负担，所以采用音乐片以提高悦耳感。

当发现有害气体超标时，继电器发生动作，常开触点闭合，常闭触点断开，音乐片工作，通过三极管的放大作用推动扬声器工作，发出声音报警。

在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为阻止瞬间高压提供一个泄放回路，以保护电路。继电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或闭合，当继电器正常通电时，D2截止，当继电器在断电时，线圈会产生感应电动势，极性为上‘－’下‘＋’，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此时电路中的电流极大，若无二极管的保护，电流会向前一级流动，则发生灌电流损坏电路。二极管就是恰好构成了冲击电流的泄放回路，不至于发生灌电流现象。

6 控制执行电路

通风电路如图7所示，在瓦斯超标的时候，继电器常开触头得电闭合，接通风扇的电源，风扇启动排出瓦斯气体。

图7 继电器的封装结构Fig. 7 Ventilation circuit diagram

7 总体结构

瓦斯报警器的整机该电路接入市电220 V经过降压变压器将电压降为15 V，通过整流桥把15 V电压整流为直流电压，通过电容器C1和C2滤波接入W7812稳压块，输出稳定的直流电压为整机供电。其中，气敏元器件通过R2给加热电阻供电。

当矿井内空气正常时，气敏元器件Q1的相应电阻值大，该电阻与R3、R4分压后的电压使uA709的输出为0，致使555定时器置位，③脚输出高电平，报警电路断开，不发生报警，同时⑦脚为1，绿色指示灯亮。当气敏元器件检测到瓦斯气体时，其内阻减小，该电阻与R3、R4分压后的电压升高，从而使uA709的输出为1，致使555定时器复位，③脚输出低电平，相应使继电器吸合，接通报警电路电源，发出报警信号，同时⑦脚为0，绿色指示灯灭，红色指示灯亮，风扇电源接通工作。通过对井下的综合监控，对瓦斯气体爆炸事故的预防和抑制，以及采取安全措施保障国家财产和人身安全是非常重要的。

8 结 论

本设计主要运用了气敏元件、555集成电路等组成了瓦斯探测报警装置。该装置电路较为简易，便于安装，还可以设计为用直流电池进行供电，这样便于携带，以提高其可用性和普及性。此装置还可以安装在井下工人的安全帽上，利用矿灯的电源对报警器进行供电。同时，更换不同的气敏元件就可以探测不同的气体，改制为其他类型的报警器，实用价值较高和使用范围广。

[1]煤炭科学研究院、抚顺研究所，煤矿抽放瓦斯手册[M].北京:煤炭工业出版社,1980:1-14.

[2]张国华.电源电路[M].北京:电子工业出版社, 1995:46-52.

[3]孙建民.传感器技术[M].北京:清华大学出版社, 2005:178-181.

[4]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社, 1999:233-236.

[5]吴显鼎.集成电子线路设计手册[M].福州:福建科技出版社，2003: 4-5.

[6]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社, 1998:243-244.