氣體傳感器在液化氣泄漏檢測中的應用

蘭建軍，辛紅偉，張玉財

（東北電力大學自動化工程學院，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氫化合物。近年來，由于設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)，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了巨大的損失［1］。泄漏有時是無法避免的，但是泄漏后如果能進行快速有效的檢測，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，對于易燃易爆氣體泄漏檢測的方法主要分成主動檢測和被動檢測，主動檢測有光譜分析法、氣相檢測法等檢測方法;被動檢測方法通常采用相應氣體傳感器和被測氣體接觸，通過相應的物理、化學反應變成電信號，多用于環(huán)境的監(jiān)測或報警信號的產(chǎn)生。如皮亞鐳、張維華使用的氣相色譜分析技術來進行氣體泄漏檢測［2，3］，但是該方法在定量分析時，常需要用已知物體的純樣品對檢測后輸出的信號進行校正。吳曉南采用的光譜分析法［4］和韓慧伶提出的超聲檢測方法等［5］，存在易受光學系統(tǒng)參數(shù)等外部或內(nèi)部因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)曲線非線性問題，對檢測結果的準確度影響較大。針對家用液化氣泄漏檢測，半導體氣體傳感器以其體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低體積分數(shù)氣體等優(yōu)點，在可燃氣體檢測中有重要作用。倉懷文等人采用Fe2O3氣體傳感器實現(xiàn)了液化石油氣等3種氣體成分的檢測［6］，然而半導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，使用半導體氣體傳感器測量氣體體積分數(shù)必須對傳感器的數(shù)據(jù)進行溫濕度補償。

本文介紹了以MQ—2型傳感器和MC9XS128單片機為核心的液化氣泄漏檢測裝置設計方案，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行了傳感器曲線繪制，針對溫度影響問題，分析了環(huán)境溫度變化導致的傳感器誤差，繪制了傳感器的溫度影響曲線，采用溫度補償方法對傳感器測量值進行了修正。方案具有成本低，檢測靈敏度高等優(yōu)點，實驗數(shù)據(jù)表明:該方案可用于家用液化氣的泄漏檢測。

1 系統(tǒng)概述

氣體傳感器種類較多，按照氣敏特性情況來分，可分為半導體式、固體電解質式、電化學式、接觸燃燒式、光學式、熱導式等［10］。本文設計選用半導體式MQ—2型氣體傳感器進行液化氣組份的檢測。

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，其阻值隨被測氣體的體積分數(shù)（成分）而變化，傳感器具有探測范圍寬、靈敏度高、響應速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可實現(xiàn)液化氣、丁烷、丙烷等可燃性氣體的探測。MQ—2型氣體傳感器把微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構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。

當傳感器處于最佳工作條件下，接觸同一種氣體成分時，其電阻阻值RS隨氣體體積分數(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數(shù)下的電阻值。圖1給出了MQ—2型傳感器對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)總體結構

系統(tǒng)主要由氣體傳感器、溫度傳感器、主機、顯示和報警電路構成，具體的系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。氣體傳感器主要負責檢測環(huán)境中泄露液化氣體積分數(shù)的檢測;溫度傳感器主要實時測量環(huán)境溫度，對氣體傳感器進行溫度補償;顯示電路完成各種參數(shù)的實時顯示;當液化氣泄漏超標，環(huán)境中液化氣體積分數(shù)達到設定值時，單片機輸出報警信號進行報警，同時啟動通風裝置進行通風。

圖2 系統(tǒng)總體結構框圖Fig 2 Overall structure diagram of system

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

2．1 核心部分硬件設計

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MC9XS128，該單片機具有速度快、功能強、功耗低等特點。其內(nèi)部帶有128 kB的FLASH程序存儲器和8 kB的FLASH數(shù)據(jù)存儲器;可支持高達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接口可實現(xiàn)喚醒休眠系統(tǒng)的功能。本次設計選擇該單片機無需外部擴展A/D轉換器就可完成氣體體積分數(shù)的采樣和轉換，同時可利用PWM通道對通風裝置的風機進行調(diào)速。

2）主要器件電路設計

MQ—2型氣體傳感器和單片機的接口電路比較簡單，傳感器需要施加加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）2個電壓，VH為傳感器提供特定的工作溫度，VC用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻上的電壓，本次負載電阻選擇為5．1 kΩ，輸出連接至X128單片機的模擬量輸入通道0上。MQ—2型傳感器是基于氣體在傳感器表面的化學吸附、反應與脫附原理進行氣體成分檢測的，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會改變傳感器化學反應速度;同時由于水蒸汽在傳感器表面上的吸附，導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，當傳感器應用于對測量的精度要求較高的場合時，就需要考慮傳感器的溫濕度補償問題。為了進行溫度補償，系統(tǒng)選擇數(shù)字溫度傳感器DS1820進行溫度測量，其和單片機的通信采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。詳細的電路連接圖如圖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 實驗數(shù)據(jù)和曲線擬合

按照手冊規(guī)定的測試條件，利用家用液化氣氣體成分對傳感器進行了測試，測試條件為:溫度20℃，相對濕度為65%RH，負載電阻5．1 kΩ。通過實驗數(shù)據(jù)進行了曲線繪制，相關資料指出，在給定的工作條件下和適當?shù)臍怏w體積分數(shù)范圍內(nèi)，傳感器的電阻值和氣體體積分數(shù)之間的關系呈指數(shù)關系。本文按照對數(shù)形式對測試數(shù)據(jù)進行了曲線擬合，擬合曲線方程如式（1）所示

測試數(shù)據(jù)曲線和擬合曲線情況如圖4所示。為了驗證曲線擬合精度，用擬合的曲線計算出對應測試點的數(shù)據(jù)，表1中給出了測試值和擬合值的對比情況，同時進行了誤差分析。實驗數(shù)據(jù)表明:曲線擬合精度滿足要求，依據(jù)式（1），測量出傳感器在各種液化氣體積分數(shù)下的電阻比（RS/R0），就可計算出液化氣的濃度C。

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

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

3 傳感器的溫度補償

3．1 數(shù)據(jù)測試和曲線擬合

為了分析溫度變化對傳感器測量值的影響情況，在65%RH和固定氣體體積分數(shù)條件下，對傳感器進行了測試。圖5給出了傳感器在各溫度點下的輸出數(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系。根據(jù)圖5數(shù)據(jù)進行了曲線擬合，發(fā)現(xiàn)采用單一曲線擬合，數(shù)據(jù)誤差較大，無法滿足精度要求。因此，針對數(shù)據(jù)情況，以20℃為分割點進行了分段曲線擬合，曲線擬合情況如圖6所示。2個溫度段的擬合曲線方程分別為

為了驗證曲線擬合精度，表2對通過擬合曲線方程計算出的數(shù)據(jù)和實際測試數(shù)據(jù)進行了對比和誤差分析，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 傳感器的溫度補償

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

MQ—2型氣體傳感器對各種氣體成分的敏感特性都是在溫度20℃條件下進行標定的，當溫度偏離標準溫度20℃時，為了對傳感器的輸出進行修正，需要測試傳感器的ΔRS/R0-ΔT特性，可以把表2中的數(shù)據(jù)轉換成傳感器溫度差和阻值比差的關系，這樣在每次體積分數(shù)測量時，實時測量傳感器環(huán)境溫度，就可實現(xiàn)傳感器的溫度補償，提高傳感器的測量精度，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 結束語

本文針對液化氣成分的特點，進行了傳感器選型，利用MQ—2型氣體傳感器進行液化氣體積分數(shù)檢測，完成了系統(tǒng)的軟硬件設計。依據(jù)測試數(shù)據(jù)，進行了數(shù)據(jù)曲線繪制和曲線擬合，同時針對傳感器受溫度影響特點實施溫度補償措施，實驗數(shù)據(jù)表明:溫度補償可有效解決溫度變化引起的傳感器誤差。該方案具有結構簡單，測量精度高等特點，可應用于家用液化氣的泄漏檢測。

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［3］ 張維華．燃氣泄漏報警器檢測裝置的研制［J］．煤氣與熱力，1998，18（3）:44 －46．

［4］ 吳曉南，胡 鎂．城市燃氣泄漏檢測新方法及其應用［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方法研究［J］．長春理工大學學報，2010，33（4）:114 －117．

［6］ 倉懷文，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Fe2O3可燃性氣體傳感器性能的影響［J］．云南大學學報:自然科學版，1997，19（2）:121－124．

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［10］方 俊，趙建華．氣體傳感器及其在火災探測中的應用［J］．火災科學，2002（3）:180－185．