可燃气体检测报警传感器的选用

应天职业技术学院 葛东旭

可燃气体检测报警传感器的选用

应天职业技术学院 葛东旭

随着对可燃气体检测与报警装置功能与性能要求的提高，市场上出现了多种多样的可燃气体检测和报警的传感器件。这些传感器件所运用的工作原理有所不同，所检测的可燃气体及检测性能也有所差异，器件的结构的差异也决定了检测电路的不同。本文就较为常用的可燃气体监测传感器的工作模式及其典型的传感器件进行了分析，说明其应用要点，并给出了典型的应用电路。

可燃气体检测；传感器

1 可燃气体检测传感器的工作原理

可燃气体检测报警设备在工业生产和日常生活中都起着非常重要的作用。其核心部件就是能够对各种可燃气体进行检测的可燃气体检测传感器。此类传感器的种类繁多,仅从工作原理来分有催化燃烧式、光干涉式、热导式、红外线吸收式、气敏半导体式、电化学式、声速差式等等。

1.1 催化燃烧式

催化燃烧式气体传感器利用的是催化燃烧的热效应原理。在一定温度条件下,可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧,载体温度升高,使其内部铂丝电阻也随之升高。铂丝电阻的变化与可燃气体的浓度成比例,因而能够通过电阻值的变化,来检测可燃气体的浓度。

通常这类传感器在检测元件(探头)附近还会设置一个参考探头。参考探头的铂丝线圈填埋物中没有催化剂,不会对可燃气体做出反应。为了保证参考探头不因老化会对可燃气体误燃烧,质量要求较高的传感器件的参考探头会安装一个玻璃罩进行保护。检测探头上填埋了黑色的燃烧催化剂,而参考探头上没有,所以颜色分为黑白两色,通常也被称为黑白探头,如图1所示。

这类传感器的检测电路通常由检测探头、参考探头和两个外接电阻构成的惠斯登平衡电桥电路构成。参考探头的另一个作用是完成该器件的温度自补偿。

图1 催化燃烧式传感器结构

催化燃烧式传感器具有结构简单,输出信号线性好,技术可靠,成本低,不会与其他非可燃性气体发生交叉感染,受背景气体和温度变化的影响小。其缺点是探测元件的寿命较短,不能测高浓度瓦斯,硫化氢及硅蒸气会引起元件中毒而失效。目前国内外检测瓦斯的仪器广泛采用这一原理。比较有代表性的产品包括MC、TGS等系列。

1.2 光干涉式

光干涉式是利用光波对空气和可燃气体折射率不同所产生的光程差,引起干涉条纹移动来实现对不同可燃气体浓度的测定。其优点是准确度高,坚固耐用,校正容易,高低浓度均可测量。缺点是浓度指示不直观,受气压温度影响严重;光学零件加工复杂,成本较高和实现自动检测较困难,如图2所示。

图2 光干涉式可燃气体检测仪结构

1.3 热导式

热导式工作原理是利用可燃气体的导热率与纯净空气热导率之差来实现对可燃气体浓度的测定。检测时将可燃气体送入气室,气室中央是热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝,通过电路使热敏元件加热到一定温度,若被测气体导热系数较高,热敏元件上的热量较易散发,则使其电阻较小。再利用信号调理电路,将电阻的变化转换为电压的变化,方便后续的显示、记录和控制等处理,从而实现对气体浓度的检测,如图3所示。

图3 热导式可燃气体检测仪结构

这类检测方式的优点是热导元件和仪器设计制作比较简单,成本低,量程大,可连续检测,便于实现自动遥测,被测气体不发生物理化学变化,读数稳定,元件寿命长。其缺点是低浓度检测灵敏度低,受气温及背景气体的影响较大。

1.4 红外线吸收式

红外线吸收式是利用可燃气体分子能吸收特定波长的红外线来测定瓦斯浓度。其优点是测量精度高,选择性好,不受其它气体影响,测量范围宽,可连续检测。其缺点是由于有光电转换精密结构,使制造和保养产生困难,而且体积大,成本高,耗电多,因此推广使用受到一定限制。

1.5 气敏半导体式

气敏半导体的种类较多,按照检测方式,可分为表面电阻控制型和体电阻控制型两大类。如氧化锡、氧化锌等烧结型金属氧化物就为前者,其原理是利用气敏半导体被加热到200℃时,其表面能够吸附被测可燃气体进而改变其电阻值来检测可燃气体浓度。

其优点是对微量可燃气体较为敏感,结构简单,成本低。但当可燃气体浓度较大,例如CH4浓度大于1%时,则反应迟钝,选择性和线性均较差,所以很少用于煤矿井下瓦斯浓度的检测,而多用于可燃气体的检漏报警。典型的传感器件如MQ-2系列。

1.6 电化学式

电化学式传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应,然后是疏水屏障层,最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应,以形成充分的电信号,同时防止电解质漏出传感器。

穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应,传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

通过电极间连接的电阻器,与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流,电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

1.7 声速差式

以甲烷气体为例,在温度为22℃、气压为101325Pa条件下,声波在甲烷中的传播速度为432m/s,而在清洁空气中为322m/s。因而可以声波传播速度来测定可燃气浓度。其优点是读数不受气压影响,对背景气体、粉尘及气温变化很敏感,其缺点是不适合测量低浓度瓦斯,一般只用来检测矿井抽放瓦斯管道中的瓦斯浓度。

2 典型可燃气体检测传感器的应用

下面,就几个较为典型的、常用的可燃气体检测报警传感器,就结构特点、电特性、应用电路、应用实际、价格、温度特性、自身故障报警等几个方面来进行分析。

2.1 TGS6810

TGS6810可对甲烷和液化气进行检测,具有输出良好的线性特性,检测的灵敏度也较好(甲烷气体灵敏度为2.7μV/ppm,丙烷气体为3.8μV/ppm,异丁烷气体为4.2μV /ppm),体积较小,对酒精不敏感,满足RoHS认证要求。适用于住宅液化天然气和液化石油气的检测报警。它属于催化燃烧式传感器,结构分为检测器和补偿器两个部分,如图4所示。

进行可燃气体检测时,检测器部分的电阻值会相对于补偿器部分随被测气体的浓度发生变化,因此采用惠斯登电桥作为其典型检测电路,如图5所示。

图4 TGS6810传感器元器件结构

图5 TGS6810典型检测电路

从图5可以看出,通过微调电位器VR可以方便地设定检测的阈值。由于其线性的特点,对于采用单片机作为处理器的检测系统,也可以通过软件,实现一键式标校功能,同时也可以进行可燃气体浓度连续检测。典型的检测报警系统可以组成如图6所示。

图6 检测系统框图

TGS6810具有良好的温度稳定性,得益于其双检测器的结构,可以完成自温度补偿。

其工作电压较(3V),功耗较小(525mW),结合低功耗MSP430系列单片机,可使以此设计出的检测系统工作在低电压低功耗,适合电池供电手持式检测设备。

TGS6810发生故障时,不论图5中的检测器、补偿器发生短路或断路,则Vout变为+1.5V或-1.5V,单片机可以对此类粗大误差判定为传感器故障,进行单独报警。2.2 TGS813

TGS813属于气敏半导体式传感器,所使用的气敏材料是在洁净空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大,从而通过传感器电导的变换可对可燃气体浓度进行检测。

TGS813对甲烷、丙烷和丁烷都具有较高的检测灵敏度,是较为理想的对天然气和液化气泄漏进行检测的器件。它也可以检测多种可燃气体,成本较低,因此应用较为广泛。它的底座是陶瓷制成,可以用于恶劣的检测环境,耐受高达200°C的温度。

图7是该类型传感器的灵敏度表。

图7 TGS813检测灵敏度图表

图7中,TGS813的检测输出用RS/R0表示,其中R0为某种气体在某浓度值下传感器的电阻值(例如,甲烷气体,在1000ppm时的电阻值可以定为R0),RS为该气体在被测的浓度下的传感器电阻值(例如,甲烷在3000ppm时RS=0.6R0)。

TGS813的基本测量电路如图8所示。

图8 TGS813基本测量电路

进行测量时,需要给传感器加上VH=5V左右的交直流加热电压,在加上最高为24V的直流电路电压VC,便可测量VRL并利用下列公式算得到RS的值。

传感器在工作时功耗随其电气性能而变,可以通过下面公式进行计算：

TGS813随环境温度和湿度而变化,呈负温度系数,在进行精度较高的测量时,需要进行温湿度补偿,可在图8中VC-TGS813-VRL回路中串联具有正温度系数的合适热敏电阻来实现,当然,测量计算公式(1)也要相应地进行修正。

TGS813出现故障时,如果要检测VH回路是否断路,可在该回路中串联一个很小阻值的电阻,并对其电位进行监测,如果电位降为0V,则该回路断路;如要监测VC-VRL回路是否短路断路,可直接响应输出VRL的异常值即可。

其他一些较为常用的传感器,例如MQ-2及其衍生的MQ-3、MQ-5等,与TGS813相类似,可以参照处理。2.3 MH-440D

MH-440D属红外线吸收式传感器,利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CH4进行探测,有很好的选择性,无氧气依赖性,性能稳定,寿命长,还内置温度传感器,可进行温度补偿,具有通用、智能、微型的特点。

这款传感器使用方便,有模拟电压信号输出和串口数字通信两个模式。可直接用来替代催化燃烧元件,广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。

MH-440D有五个管脚：VCC,RXD,Vout,TXD, GND,如图9所示。

图9 MH-440D管脚图

在模拟工作模式下,将传感器VCC端接5V,GND端接电源地,Vout端接AD转换器的输入端。传感器经过预热后从Vout端输出表征气体浓度的电压值,0.4～2.0V代表气体浓度值0～满量程。后续可用三极管电压放大电路或运算放大器电路进行电压放大,进而驱动后续联动的声光报警装置。

在数字工作模式下,VCC端接5V,GND端接电源地,利用单片机与传感器件进行通信,单片机的RXD端接探测器的TXD,单片机的TXD端接探测器的RXD。单片机可以直接通过传感器的UART接口读出气体浓度值,不需要再进行转换计算。

3 结语

可燃气体传感器在工业生产和民用生活中都具有广泛的用途,尤其在涉及可燃气体生产的工厂和矿山,承担着安全卫士的作用。

合理地选用可燃气体传感器,要综合考虑被检测气体的类型、所运用的环境和安全等级的要求(如是否需要防爆等)、传感器产品的可靠性及使用寿命等方面的要求。另外,在基于可燃气体传感器进行系统设计时,也要根据不同的情况对传感器的非线性特性、温度和湿度的影响、电源稳定性对监测性能的影响以及传感器本身故障监测进行修正、补偿和设计,己达到相应要求。

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Adoption of combustible gas sensor for detection and alarming purposes

(YingTian Collage,Dongxu Ge)

There are many kinds of combustible gas sensors to be chosen from the market for detection and alarming purposes,as the requirements to having high and reliable performance to the combustible gas sensor and devices go high.The working principles are different for these sensors;therefore the detectable combustible gas sorts and detection performances vary with their element structure and the circuits.In this paper,the working modules of most popular combustible gas detection sensor and the typical sensor devices are stated and commented,with their characteristics and detecting circuit applications.

Combustible Gas Detection;Sensor

葛东旭（1965—），男，硕士，高级工程师，副教授，现供职于应天职业技术学院，承担电子信息工程技术、计算机科学与技术专业等专业课程教学和科研工作；指导学生参加电子和计算机类别技能竞赛，多次获奖，研究方向：传感器应用，信息管理与信息系统。