深基坑有毒有害气体检测仪的研制

　　在建筑基坑施工过程中,特别是出于对地质基础构造不很清楚的情形下,最易发生突发性中毒事故,造成人员伤亡。因此,怎样及时发现并采取措施,来减轻中毒、减少损失,是业内人士广泛关注的问题。

　　本文针对深基坑易引发中毒气体的特殊种类CO,H2S,CO2,研制出了一种能同时并实时检测三种气体浓度并提供声、光等报警信号的新型便携式气体检测仪,对保证操作人员的生命安全起到了重要的作用,具有很强的实用性和较高的市场价值。

　　1　整体设计

　　1.1　系统概述

　　气体检测仪的系统结构如图1所示,由传感器模块、信号调理模块、电源调整模块[2]、按键输入模块、液晶显示模块、报警模块、微控制器模块组成。

　　气体传感器主要用于准确的检测基坑中有毒气体的浓度。信号调理电路则把传感器输出的微弱的电流量转换成具有一定动态范围的电压信号,并输入到LPC2131的ADC端口进行模拟信号采集,经过信号处理后计算出相应气体的浓度,并送至液晶显示模块;如果浓度超过设定的警戒阈值,则微控制器LPC2131自动发出警报,提醒工作人员采取相应的防护措施。按键输入和液晶显示模块构成了人机交互界面,便于用户完成对检测仪的各种参数的设定。

　　1.2　硬件电路设计

　　检测仪的微控制器采用PHILPS公司的LPC2131,它是整个硬件电路的核心。

　　1.2.1　电源调理模块

　　电源电路采用9 V电池供电。本例采用宽压输入稳压单输出电源模块ZY0505WRBD-3W,输入电压范围4.5 V~9 V之间,充分提高了电池的使用寿命;稳压输出5 V即保证气体传感器加热电压的精度,又供给SPX1117转化为标准3.3 V电压,供微控制器工作。

　　1.2.2　传感器及调理模块

　　传感器作为气体检测仪的核心检测元件,其性能参数决定了本仪器的检测性能。对于有毒有害气体的检测采用电化学传感器,它以恒定电位电解为其基本工作原理[3]。

　　对于CO2的浓度检测,采用TGS4161型传感器。它的突出特性是ΔEMF与被测气体的浓度成线性关系,由于自带有高温加热电路,只需保证加热电源的稳定,就可以消除ΔEMF随被检气体的温度、湿度的变化情况。

　　ΔEMF=EMF₁-EMF₂。

　　其中,EMF1为CO2浓度为350 ppm时传感器的输出电压;EMF2为被测浓度气体的输出电压。

　　在信号调理电路中,加入电压跟随器作缓冲级[4],随后经过放大后送至微控制器的ADC输入端,如图2所示。微控制器对转换信号经过计算后,以实现对二氧化碳气体浓度真实值的准确检测。

　　对于CO的浓度检测,采用CO/CF-200型传感器;对于H2S的浓度检测,采用H2S/M-100型传感器。它们的结构和测试电路相同。传感器中的电极包括工作电极(Working Electrode)、参比电极(Reference Electrode)和计数电极(Counter Electrode)。工作电极和参比电极应形成一个稳定的电压,如图3所示,运放IC2就起到此作用,在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化。工作电极响应目标气体,无论氧化过程还是减少气体,都会产生与气体浓度成比例相应大小的电流,电流都由传感器的计数电极产生,经过电流电压变换放大电路后送至微控制器的ADC输入端,对数据进行采集处理,以实现对CO及气体H2S浓度真实值的准确检测。