可燃气体浓度测量设计方案比较研究

肖阳 寇玮辰 高岩 简华旭

摘 要：在很多工业领域，比如石油，采矿，冶金，化工等行业，都会用到或者产生可燃气体。近年来，随着燃气的变革，可燃气体已经成为了大多数城乡居民取暖和做饭的燃料。但由于各种各样的原因，如漏气，阀门故障，使用产品不当等原因造成的可燃气体泄露，室内可燃气体浓度上升，当浓度上升到一定程度会引起人中毒甚至死亡，如果遇到火花等，还可能引起爆炸，造成人身伤亡和财产损失。由于可燃气体的危害性严重影响了人们的生活安全，因此怎样防止可燃气体中毒与爆炸至关重要。

关键词：气敏传感器;浓度测量;报警;仿真

1前言

可燃性气体报警器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。

2总体方案设计

气体传感器是通过物体随气体浓度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作气体浓度传感器的材料相当多。本设计实验主要分为四个部分，即传感器、电压比较器、模数转换器、计数器以报警电路。经过分析，传感器可以选择对气体浓度比较敏感的器件，做好是在某参数与气体浓度成线性关系;电压比较器由集成芯片构成;A/D转换器需要选择有LED驱动显示功能的，而可供选择的参考元件有CC7107，CC7117，MC14433等;显示部分用4位LED数码管显示。

2.1方案一：使用集成芯片

根基电路的方案设计出方案流程如下图：

气体的浓度检测使用QM-N5作为气体浓度传感器，QMn5为含锰量较高的锰青铜。有较高的强度、硬度和良好的塑性，能很好地在热态及冷态下承受压力加工，有好的耐蚀性，并有高的热强性，400？下还能保持其力学性能。QMn5锰青铜用于制作蒸汽机零件和锅炉的各种管接头、蒸汽阀门等高温耐蚀零件。

模数转换电路可以使用集成芯片TLC7107， 输入电压可调，含内部时钟发生器。双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

使用ICL7107的输出可以直接驱动数码管显示，显示输入电压大小。

报警电路，因为是检测浓度是否高于某一个浓度，所以我们可以使用电压比较器，通过比较传感器的电压与设定的电压之间的大小，当传感器电压大于设定值的电压的时候，驱动蜂鸣器报警。在蜂鸣器报警前面 可以加一个NE555做一个震荡电路驱动蜂鸣器的声音。计数部分，可以使用使用两块74LS161作為加法器，当第一片的时钟管脚有一个脉冲时，则计数加一，使用数码管驱动芯片74LS48进行显示。74LS161是常用的四位二进制可预臵的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。

7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器，74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

2.2方案二 使用单片机

方案框图如下：

气体浓度传感器出来的电压送给单片机，单片机比较信号，在驱动报警器和数码管显示。在C51单片机内部计数，再由数码管显示。

2.3方案选择

由于此次设计是基于数字电子技术以及模拟电子技术的基础。且因为方案二存在单片机的原因，方案一的成本比方案二低。在目前的学习基础上来看，方案一更具有可实现性。

结束语：

我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，又进行研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。

参考文献：

[1] 康华光、秦臻、张林.电子技术基础数字部分[M].高等人民出版社.445-470