温湿度自补偿的高精度可燃气体探测报警系统的设计

　　本文以甲烷气体为例,介绍一种具有温湿度同时补偿的智能型高精度的气体探测报警器。

　　1　气体探测器原理及应用

　　气敏元件采用FIGARO的半导体式传感器TGS2611(SnO2烧结体),敏感体在大约350℃的温度下,与还原性气体发生氧化还原反应,导致敏感元件阻值(RS)随气体浓度呈指数关系变化,图1为其特性曲线。基本测量电路见图2,VH为加热电压,VC为工作电压,RH为加热器电阻,传感器电阻RS与负载电阻RL串联,通过采样输出电压VRL。由式(1)可算出RS,进而得出甲烷气体浓度。RL一定时,气体浓度采样信号VRL的大小主要取决于气体浓度及环境温度、湿度。

　　通过实验得到气敏元件的温度特性及湿度特性,如图3所示。从图3(a)可以看出: 5000×10-6(10% LEL)情况下,当相对湿度为65%RH、温度在0~55℃之间变化时,采样电压从2.04V增大到3V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4.5~23.4)%LEL,与20℃时报警设定值10%LEL的最大偏差达到13.4% LEL; 3000×10-6(6% LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.8~14.2)%LEL。

　　湿度对传感器的影响程度可以从图3(b)看出:

　　5000×10^-6情况下,当温度为20℃、相对湿度在(20~95%RH)之间变化时,采样电压从1.97V增大到2.67V,根据式(1)及传感器特性曲线可算出对应的气体浓度变化范围为(4~13.3)%LEL; 3000×10^-6(6%LEL)情况下的气体浓度变化范围为(2.5~7.9)%LEL。

　　2　硬件系统组成与设计

　　系统的硬件结构框图如图4所示,它主要由模拟量输入、声光报警、联动输出、显示、数据存储、功能测试及通讯模块等构成,微处理器选用PIC16C74。

　　其工作原理为:由气体传感器探测到气体浓度,热敏电阻和湿度传感器分别检测此时的环境温度和湿度,模拟信号经滤波放大后送入单片机A/D口,数据在单片机内部处理后,给出相应的动作信息。

　　2.1　微处理器的选择

　　选用Microchip公司生产的8位单片微机PIC16C74,它带有8路高速A/D转换电路等。

　　2.2　模拟信号测量

　　1)气体测量电路如图2,传感器输出电压VRL作为气体模拟量输出。

　　2)温度测量电路采用负温度系数热敏电阻作为敏感元件,温度变送电路如图5,W1用来调零,W2用来调满刻度,满度调整不影响零点。

　　3)湿度测量选用温湿度模块CHTM202/N,湿度敏感元件是新一代复合型高分子湿敏电阻CHR201。该湿度模块具有自身温度校正,输出电压与环境相对湿度呈线性关系,所以,可方便地将湿度转换成PIC16C74可以接受的电信号。

　　2.3　报警及输出控制电路

　　采用分段延时报警模式,根据测量值和设定报警阈值在单片机内的比较结果,判断气体浓度属哪一段,根据所在段的延时报警时间定出何时报警,驱动蜂鸣器和发光二极管,并输出联动控制信号。不同报警阈值段内,通过RC2输出不同频率的PWM信号进行控制,发出不同的报警声音。