摘要：論述了一種智能化可燃性氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的組成與原理，提出以氣體濃度絕對變化量和相對變化率為氣體泄漏判定的雙重依據(jù)，給出了計算方法，給出了智能核心單片機的主流程框圖。該系統(tǒng)具有氣敏元件自檢功能，可對氣敏元件靈敏度的個體差異及自身變化，具有較強的測控功能和較高的工作可靠性。

關(guān)鍵詞： 燃?xì)庑孤┍O(jiān)控； 氣敏傳感器；報警； 泄漏判定

　　工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛存在使用天然氣、煤氣和液化石油氣等易燃、易爆氣體的場所。出于安全的考慮，這些場所通常都要求安裝可燃性氣體的監(jiān)測、預(yù)報和自動控制裝置^[１，2]。由于檢測現(xiàn)場的溫度、濕度、粉渣和油霧等環(huán)境條件常常變化，并且氣體與敏感元件材料會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物附著在元件表面，使氣敏傳感器性能變差，如靈敏度下降。因此，僅以單一可燃性氣體濃度的絕對大小作為檢測報警指標(biāo)來設(shè)計電路系統(tǒng)是極不可靠的。整個測控裝置的可靠性可從硬件和軟件兩方面來考慮。從硬件方而來說，氣敏傳感器應(yīng)有長期穩(wěn)定性和較好重復(fù)性，響應(yīng)速度快，且受共存物質(zhì)影響??；電子元件性能和電路制作工藝優(yōu)良可靠。從軟件方面來說，對氣體探測的算法應(yīng)能自適應(yīng)于溫度、濕度及氣敏傳感器靈敏度的變化，即智能化。下面就有關(guān)問題進(jìn)行研究。

1 可燃性氣體測控系統(tǒng)組成與原理
　　可燃性氣體測控系統(tǒng)的復(fù)雜程度取決于功能的設(shè)計要求，既可以是簡單的報警電路，也可以是集報警和氣源控制于一體的完整系統(tǒng)^[3]。目前應(yīng)用較廣泛的氣敏元件是SnO₂電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器，其基本原理是當(dāng)元件吸附敏感氣體的濃度變化時，元件的電阻值會發(fā)生變化。但實際使用時問題要復(fù)雜得多，會涉及到氣敏元件的響應(yīng)時間、恢復(fù)時間和初期穩(wěn)定時間等問題。由于涉及到時間控制，由一般電子電路構(gòu)成即使是功能最簡單的報警系統(tǒng)也是很復(fù)雜的^[4]，更不必說可靠性和智能化了。有文獻(xiàn)報道，采取一定的措施可以判定電路中的元件故障現(xiàn)象^[5]，但對傳感器的離散性問題未能解決。因此，應(yīng)以單片機作為智能化可燃性氣體測控系統(tǒng)的核心，這樣才能實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，完成各種控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)及實現(xiàn)復(fù)雜的算法。使用單片機還可使系統(tǒng)硬件規(guī)模和功耗減小，成本降低(單片機極便宜)，而可靠性提高。圖1給出了可燃性氣體測控系統(tǒng)組成。
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圖1 可燃性氣體測控系統(tǒng)組成
Fig.1 Composition of supervisory control system for combustible gas
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　　圖1中的加熱電源使SnO₂氣敏元件工作在200～300℃下。檢測電路將氣敏元件的電阻值轉(zhuǎn)快為直流電壓并輸入單片機，電壓高表示可燃性氣體濃度高。單片機依一定算法判定現(xiàn)場可燃性氣體的、濃度情況，以輸入適當(dāng)?shù)膱缶刂菩盘柡蜌庠纯刂菩盘?。檢測電路的另一個作用是在單片機控制下完成氣敏元件自檢過程，以防止氣敏元件因本身特性差異或故障而產(chǎn)生誤報和誤控，同時氣敏元件的自檢也為有關(guān)算法的實現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。自檢就是在氣源控制閥門開啟前的相對潔凈空氣環(huán)境中使氣敏元件工作在加熱后的穩(wěn)定期期間，對由氣敏元件電阻值轉(zhuǎn)換來直流電壓進(jìn)行測試，若氣敏元件正常，則對應(yīng)靜態(tài)電阻值應(yīng)為1～100kΩ，具體值由產(chǎn)品手冊給出，該數(shù)據(jù)作為元件正常與否的判定依據(jù)。自檢結(jié)果也可通過顯示輸出。

2 測控判定的算法規(guī)則
　　單片機是實現(xiàn)測控的智能核心，氣敏元件工作溫度為200～300℃，故現(xiàn)場環(huán)境溫度和濕度的影響可忽略。研究泄漏可燃性氣體濃度的判定算法時應(yīng)主要考慮氣敏元件靈敏度的個體差異以及氣敏元件壽命和表面潔凈度等因素導(dǎo)致的靈敏度變化問題。為工作可靠，可采用雙重判定法。一是以測得的可燃性氣體的絕對濃度為判定依據(jù)，二是以可燃性氣體濃度的變化率為判定依據(jù)。
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　　式中 U_on——氣源開通后檢測電路輸出電壓
　　　　U_m——可燃性氣體濃度允許上限對應(yīng)的檢測電路輸出電壓
　　　　U₁——氣源開通后t₁，時刻檢測電路輸出電壓
　　　　U₂——氣源開通后t₂：時刻檢測電路輸出電壓
　　　　δ——可燃性氣體濃度對應(yīng)檢測電路輸出電壓相對增加率允許上限
　　兩次檢測的時間間隔△t=t₁-t₂，即延時時間。顯然，同時采用兩種判定規(guī)則可降低氣敏元件靈敏度因素對系統(tǒng)正確判定的不利影響，使系統(tǒng)工作的可靠性得以提高。