家用燃?xì)獍踩y的研究與設(shè)計(jì)

李傳海 謝健德 呂俊 牟洪鐘 周炯

（湖北民族學(xué)院理學(xué)院，湖北恩施 445000）

0 引言

我國天然氣產(chǎn)量保持較高的增長率，2005-2007年均增幅達(dá)18.58%[1]。從閥門行業(yè)來看，1997年的統(tǒng)計(jì)資料，全國年產(chǎn)閥門56萬噸，年產(chǎn)值68億元[2]。從用戶的事故成分看, 燃?xì)庑孤┦悄壳爸饕陌踩[患。天津市2006年的部分統(tǒng)計(jì)資料顯示,燃?xì)庑孤┑木S修量約占58 %[3]。

以上的數(shù)據(jù)表明，燃?xì)獾氖褂梅秶絹碓綇V，閥門的使用數(shù)量越來愈多。隨著城鎮(zhèn)天然氣的普及，天然氣的使用人口日益增加，天然氣的用途愈加廣泛，用氣的安全問題已經(jīng)慢慢成為社會(huì)聚焦的熱點(diǎn)。燃?xì)馐鹿视l(fā)嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在燃?xì)庑孤⑷細(xì)獠煌耆紵鹊?，其中燃?xì)馐鹿手腥細(xì)庑孤┘s占50%，主要是由于用戶使用操作不規(guī)范、管道泄漏、閥門質(zhì)量存在問題等引起的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因天然氣是一種混合氣態(tài)化石燃料，主要成分是烷烴中的甲烷。本設(shè)計(jì)使用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器，以甲烷傳感器檢測室內(nèi)空氣中的甲烷濃度，當(dāng)室內(nèi)空氣中泄漏的甲烷超過一定濃度，控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電磁閥門關(guān)閉，并以聲光報(bào)警的方式提示用戶天然氣泄漏；另外，在管道內(nèi)裝有壓力傳感器，針對(duì)在停氣或氣壓不足而無法燃燒而未關(guān)閉閥門等情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)測管內(nèi)的氣壓值，并設(shè)有一個(gè)極限關(guān)閉閥門的壓力值，當(dāng)管道內(nèi)氣壓低于預(yù)設(shè)極限關(guān)閉壓力值時(shí)，電磁閥不能被開啟，并用聲光報(bào)警的方式提示用戶氣壓不足，燃?xì)獠荒苷Ｊ褂?，避免忘記關(guān)閉閥門造成危險(xiǎn)。考慮到停電時(shí)系統(tǒng)不能正常工作，本設(shè)計(jì)配備有蓄電池，保證燃?xì)獍踩y門任何時(shí)候都能正常工作。同時(shí)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了定時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾y定時(shí)關(guān)閉功能，提高了時(shí)間效率。本安全閥門的原理圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 傳感器部分

天然氣是一種可燃性氣體, 由可燃物質(zhì)烷烴和非烴類組份混合組成。烷烴約占95%, 烷烴中大部分為甲烷。非烴類組份有硫化氫、二氧化碳、氮?dú)獾萚4]。據(jù)此組成成分，本設(shè)計(jì)選用可檢測易燃?xì)怏w的甲烷傳感器MQ-4作為天然氣泄漏檢測的敏感元件。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)用甲烷傳感器和壓力傳感器，甲烷傳感器MQ-4檢測天然氣在室內(nèi)空氣中的濃度值判斷是否泄漏，若天然氣發(fā)生泄漏，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉閥門并報(bào)警。

MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷有很高的靈敏性，響應(yīng)恢復(fù)特性快，使用壽命長，穩(wěn)定可靠，該氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。所以使用此類氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整很重要，在設(shè)計(jì)時(shí)用5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。由甲烷傳感器MQ-4檢測回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理和換算等系列處理后即可得當(dāng)前甲烷在空氣中的濃度。甲烷濃度檢測電路原理圖如圖2所示：

圖2 甲烷濃度檢測原理圖

考慮有時(shí)突然停氣或氣壓過低無法正常使用，打開燃?xì)忾y后忘記關(guān)閉閥門可能釀成氣體泄漏等事故，此設(shè)計(jì)內(nèi)裝有壓力傳感器對(duì)管內(nèi)的氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)管內(nèi)的氣壓值低于預(yù)設(shè)值時(shí)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，在手動(dòng)開啟閥門前，電磁閥無法開啟并提示氣壓不足等提示信息。壓力檢測原理圖如圖3所示：

圖3 壓力檢測原理圖

3 報(bào)警及定時(shí)部分

安全閥門在天然氣泄漏時(shí)，用聲光報(bào)警器提示用戶，當(dāng)氣壓不足或突然停氣時(shí)提示用戶并自動(dòng)關(guān)閉閥門，此設(shè)計(jì)給閥門的人性化設(shè)計(jì)和安全帶來了便利。聲光報(bào)警由高分貝的蜂鳴器和高亮的彩燈組成，不僅效果好，而且價(jià)格便宜。

生活中用戶在使用天然氣時(shí)，如做飯、燒水等，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)一般不需要進(jìn)行任何操作，可能會(huì)因?yàn)槊β祷蚴峭涥P(guān)閉閥門而造成危險(xiǎn)和浪費(fèi)燃?xì)?。此安全閥門設(shè)有定時(shí)器可有效解決這類問題，用戶可開啟定時(shí)器通過按鍵設(shè)定安全閥門的工作時(shí)間，當(dāng)定時(shí)結(jié)束后，安全閥門自動(dòng)熄火關(guān)閉，為使操作更直觀簡潔，該設(shè)計(jì)使用3位數(shù)碼管輔助顯示時(shí)間，前兩位表示分鐘整數(shù)，后一位表示分鐘小數(shù)。為減少電路設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全閥門用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)操作，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)作用。

4 閥門部分

4.1.電磁閥選用博盛BS-S-20 型電磁閥, 該電磁閥是專用室內(nèi)燃?xì)夤艿揽焖偾袛嚯姶砰y, 是一種低電壓直流脈沖驅(qū)動(dòng)關(guān)閉型產(chǎn)品, 能在緊急下安全切斷燃?xì)夤艿馈Ｋ膳c燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)連接或與及其他智能報(bào)警控制終端模塊連接,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場或遠(yuǎn)程自動(dòng)/手動(dòng)緊急切斷氣源。該閥門閥體利用優(yōu)質(zhì)紅銅紅沖而成，其結(jié)構(gòu)是一種新型雙穩(wěn)態(tài)、雙制式電磁閥, 增強(qiáng)了閥門的可靠性和使用壽命, 獨(dú)特的小體積設(shè)計(jì), 使其小巧美觀[5]。其技術(shù)規(guī)格如下:

* 適應(yīng)氣體:天然氣、液化氣等無腐蝕性氣體

* 驅(qū)動(dòng)電壓:DC6-DC12V(脈沖)

* 驅(qū)動(dòng)電流:0.1-0.5A(脈沖)

* 動(dòng)作時(shí)間:小于1s

* 最大工作壓力:0.1Mpa

* 使用溫度:-10～+50℃

* 使用濕度:35%～95%RH

* 連接方式:G1/2”(DN15)/G3/4”(DN20)

* 關(guān)閥方式:直流脈沖驅(qū)動(dòng)/手動(dòng)

* 閥體材質(zhì):黃銅合金/不銹鋼/鋁合金

4.2.安全系統(tǒng)的主要功能是控制閥門的開啟和閉合，完成天然氣的通斷過程。為簡化結(jié)構(gòu)及降低系統(tǒng)的使用成本，此設(shè)計(jì)采用氣體常閉電磁閥。當(dāng)使用天然氣時(shí)，按下開啟/關(guān)閉按鈕，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電磁閥打開，帶有開啟字樣的綠燈亮（若安全系統(tǒng)檢測到氣壓不足或室內(nèi)甲烷濃度過高，不能開啟閥門并且?guī)в袣鈮翰蛔愕募t燈或帶有燃?xì)庑孤┳謽拥募t燈閃爍）；若連續(xù)按兩次進(jìn)入定時(shí)模式，這時(shí)帶有定時(shí)模式字樣的黃燈亮，調(diào)節(jié)“+”，“-”按鈕就可實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作，時(shí)間設(shè)定5秒后系統(tǒng)自動(dòng)開始倒計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)完成后系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電磁閥自動(dòng)關(guān)閉熄火。在以上模式下再按一次開啟/關(guān)閉按鈕，帶有關(guān)閉的字樣的黃燈閃爍，電磁閥門關(guān)閉；突然停氣或氣壓不足不能正常使用時(shí)，帶有氣壓不足字樣的紅燈閃爍，關(guān)閉電磁閥閥門；檢測到燃?xì)庑孤r(shí)，帶有燃?xì)庑孤┳謽拥募t燈閃爍，并關(guān)閉電磁閥閥門。

5 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Kile4和Proteus進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并制作實(shí)物檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性，由仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，操作簡單，效果好。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示：

圖4 軟件主流程圖

6 結(jié)束語

家用燃?xì)獍踩到y(tǒng)進(jìn)行軟件仿真和實(shí)物制作，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)效果明顯能達(dá)到預(yù)期效果，可實(shí)現(xiàn)天然氣泄露時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并及時(shí)關(guān)閉閥門。突然停氣或氣壓不足不能正常使用時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閥門，保證用氣時(shí)的安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)計(jì)實(shí)用效果明顯，成本低廉，操作簡單，能滿足一般家庭用氣的需要，為用戶的用氣安全提供了保證。

[1]殷建平,袁芳,從天然氣短缺談我國天然氣安全問題,《價(jià)格理論與實(shí)踐》，2010.4：75-76.

[2]鐘昌勤，鄧乾旺，范中平，基于特征的閥門CAD系統(tǒng)的研究，《閥門》，1998（4）：7-10.

[3]吳旭，王新華，戶內(nèi)天然氣泄漏的原因與對(duì)策，《煤氣與熱力》2008.11：49-50.

[4]匡琨吉,天然氣安全技術(shù)知識(shí),《石油與天然氣化工》，1980.4：72-73.

[5]李華，智能廚房煤氣監(jiān)控系統(tǒng)，《電腦開發(fā)與應(yīng)用》2011.2（4）：67-68.