基于LMP91000的便攜式可燃和有毒雙氣體檢測(cè)儀研制*

朱 亮

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

1 石化企業(yè)氣體檢測(cè)特點(diǎn)

石化企業(yè)涉及的有毒有害氣體包括可燃?xì)?、H2S、VOCs、CO、NH3、SO2等，這些氣體可分為可燃類和毒性類，前者泄漏容易造成火災(zāi)爆炸，后者泄漏容易造成人員中毒傷亡，特別是H2S氣體，容易帶來(lái)閃電式中毒[1]。目前，針對(duì)這些氣體的檢測(cè)，從原理上劃分主要有半導(dǎo)體型、催化燃燒型、電化學(xué)式、紅外式、光電離式[2,3]，其對(duì)比如表1所示。

從安全角度考慮，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員威脅最大、最直接的是由于可燃?xì)怏w泄漏而引發(fā)的火災(zāi)爆炸，以及毒性氣體泄漏引發(fā)的人員中毒，例如硫化氫中毒、一氧化碳窒息等。根據(jù)某煉化裝置設(shè)計(jì)建造和安全生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的固定式氣體報(bào)警器85%以上為可燃?xì)夂土蚧瘹?種，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員佩戴的便攜式報(bào)警器100%為可燃?xì)夂土蚧瘹鋱?bào)警器，可燃?xì)夂土蚧瘹?種氣體檢測(cè)是石化行業(yè)最常見的組合。這2種氣體分別基于催化燃燒和電化學(xué)原理傳感檢測(cè)，其輸出信號(hào)非常微弱，通常采用多級(jí)A/D放大完成信號(hào)調(diào)理，容易造成信號(hào)穩(wěn)定性不好、一致性差、干擾中毒等問題[4-6]。因此，設(shè)計(jì)一種高效率、穩(wěn)定的氣體傳感調(diào)理電路，對(duì)于保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)很有必要。

2 基于LMP91000的氣體檢測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 LMP91000可配置前端模擬芯片

表1 石化氣體檢測(cè)原理對(duì)比

LMP91000芯片是業(yè)界首款可全面配置的低完整的信號(hào)路徑解決方案。設(shè)計(jì)三電極氣體傳感、雙端氧氣傳感調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)，通過微控制器I2C接口設(shè)置跨阻抗增益值，LMP91000就可輸出與氣體濃度成比例的電壓值，氣體傳感信號(hào)調(diào)理靈敏度高，可調(diào)理檢測(cè)范圍寬，每百萬(wàn)分之一體積濃度氣體靈敏度為0.5 nA至9 500 nA，滿足有毒有害氣體檢測(cè)應(yīng)用需求，并且內(nèi)置的溫度傳感可提供附加輸出，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)合氣體傳感器特性，獲得穩(wěn)定的線性。工作電壓范圍在2.7～5.5 V之間，氣體檢測(cè)電路功耗平均值低至10 μA，相較于傳統(tǒng)的多級(jí)A/D放大具有電路功耗低、穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，基于該芯片完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錂z測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。

2.2 雙氣體檢測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅鞣謩e基于催化燃燒和電化學(xué)原理?？扇夹詺怏w在催化劑作用下氧化無(wú)焰燃燒，溫度增高，元件阻值增加，打破電橋的平衡，使其電阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生微小的電壓差信號(hào)，每百分之一爆炸下限體積濃度的信號(hào)靈敏度不超過20 mV；硫化氫氣體與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，這一電流與氣體濃度成正比，每百萬(wàn)分之一體積濃度氣體靈敏度不超過0.7 μA，通過檢測(cè)以上微弱的電壓電流信號(hào)獲得可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w的濃度?；贚MP91000的雙氣體傳感檢測(cè)調(diào)理電路如圖1所示，可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w傳感器分別連接一片LMP91000，檢測(cè)信號(hào)通過I2C接口與CPU相連，CPU控制MOS管Q1實(shí)現(xiàn)兩種氣體檢測(cè)切換，并配置LMP91000內(nèi)部寄存器，獲得最適合的信號(hào)放大和最優(yōu)的信噪比。

圖1 雙氣體傳感檢測(cè)調(diào)理電路

3 硫化氫可燃?xì)怆p氣體檢測(cè)儀研制

3.1 硬件電路

硫化氫可燃?xì)怆p氣體檢測(cè)儀以STM32微處理器為核心，兩路傳感器信號(hào)通過I2C接口和IO使能端控制接入，輸入高信噪比的氣體檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)利用LMP91000溫度檢測(cè)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度，以合理補(bǔ)償傳感器的溫度影響。使用人員通過人機(jī)接口校準(zhǔn)氣體濃度、設(shè)置報(bào)警值等，當(dāng)環(huán)境中可燃?xì)怏w和硫化氫氣體濃度超過報(bào)警值時(shí)，檢測(cè)儀通過OLED顯示和報(bào)警電路控制聲、光、振動(dòng)報(bào)警，提醒攜帶人員氣體濃度超標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙氣體檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

圖3所示為雙氣體檢測(cè)儀軟件流程。首先，根據(jù)可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅餍吞?hào)，利用SensorAFE Designer工具獲得LMP91000寄存器參數(shù)，并確定報(bào)警值和顯示控制模式，完成檢測(cè)儀各種參數(shù)初始化；然后，根據(jù)微處理器I/O端口輸出確定檢測(cè)氣體種類，完成濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理；之后，根據(jù)檢測(cè)的濃度值與設(shè)定值的差別，完成聲光振動(dòng)報(bào)警，并提供結(jié)果顯示。

圖3 雙氣體檢測(cè)儀軟件流程

4 實(shí)驗(yàn)部分

為了驗(yàn)證可燃?xì)怏w和硫化氫雙氣體檢測(cè)儀的準(zhǔn)確性，在基于LMP91000的氣體傳感調(diào)理電路的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件及步驟

實(shí)驗(yàn)采用濃度為10.0 %LEL和60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體[7]，利用氣袋灌裝后，經(jīng)過流量泵勻速抽氣后自然擴(kuò)散到雙氣體檢測(cè)儀，流量泵抽氣速度分別為0.25 L/min和0.5 L/min。為了實(shí)驗(yàn)安全，以上實(shí)驗(yàn)在帶有尾氣處理裝置的通風(fēng)櫥中進(jìn)行。

氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)步驟為：①啟動(dòng)通風(fēng)櫥，檢查系統(tǒng)是否完好，一人安全監(jiān)護(hù)一人開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試；②在通風(fēng)櫥中將濃度為10.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體灌裝到氣袋中，通過軟管連接流量泵后釋放，流速設(shè)置為0.25 L/min，記錄檢測(cè)值；③關(guān)閉流量泵，1 min后再開啟，記錄檢測(cè)值，重復(fù)獲得3組數(shù)據(jù)；④將流速增大到500 mL/s，重復(fù)步驟③；⑤將標(biāo)準(zhǔn)氣體分別換成濃度為60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫氣體，重復(fù)步驟②③④；⑥清除殘留氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的氣體濃度檢測(cè)結(jié)果如表2。

表2 甲烷氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %LEL

由表2可知，甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為10.0 %LEL、60.0 %LEL 時(shí)，最大檢測(cè)誤差分別為0.4 %LEL和2.9 %LEL，相對(duì)誤差均小于5%；由表3可知，硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為24.9×10-6、79.8×10-6時(shí)，最大檢測(cè)誤差分別為0.5×10-6和2.3×10-6，相對(duì)誤差均小于3%；由表2和表3各種標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下的多次檢測(cè)值可知，氣體濃度檢測(cè)幾乎不受標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度釋放速率的影響，檢測(cè)值比較穩(wěn)定，說(shuō)明基于LMP91000氣體檢測(cè)調(diào)理電路性能較好。

表3 硫化氫氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果×10-6

5 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)石化行業(yè)對(duì)有毒有害氣體檢測(cè)需求的不斷增加，特別是檢測(cè)多種氣體時(shí)，傳統(tǒng)的氣體傳感信號(hào)調(diào)理電路存在穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。針對(duì)此現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了一種雙氣體檢測(cè)儀，重點(diǎn)介紹了基于LMP91000完成了雙氣體檢測(cè)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和雙氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)，最后完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w在多種條件下的濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于LMP91000的硫化氫和可燃?xì)怆p氣體檢測(cè)儀檢測(cè)氣體濃度的相對(duì)誤差不超過5%，氣體檢測(cè)性能穩(wěn)定、功耗低、便攜性好?？捎糜谑F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全防護(hù)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可燃?xì)夂陀卸練怏w的濃度，超過爆炸限值和接觸限值時(shí)及時(shí)給攜帶人員提供警示，從而保障人員安全。