摘要：论述了一种智能化可燃性气体泄漏监控系统的组成与原理，提出以气体浓度绝对变化量和相对变化率为气体泄漏判定的双重依据，给出了计算方法，给出了智能核心单片机的主流程框图。该系统具有气敏元件自检功能，可对气敏元件灵敏度的个体差异及自身变化，具有较强的测控功能和较高的工作可靠性。

关键词： 燃气泄漏监控； 气敏传感器；报警； 泄漏判定

　　工业生产和日常生活中广泛存在使用天然气、煤气和液化石油气等易燃、易爆气体的场所。出于安全的考虑，这些场所通常都要求安装可燃性气体的监测、预报和自动控制装置^[１，2]。由于检测现场的温度、湿度、粉渣和油雾等环境条件常常变化，并且气体与敏感元件材料会发生化学反应，其产物附着在元件表面，使气敏传感器性能变差，如灵敏度下降。因此，仅以单一可燃性气体浓度的绝对大小作为检测报警指标来设计电路系统是极不可靠的。整个测控装置的可靠性可从硬件和软件两方面来考虑。从硬件方而来说，气敏传感器应有长期稳定性和较好重复性，响应速度快，且受共存物质影响小；电子元件性能和电路制作工艺优良可靠。从软件方面来说，对气体探测的算法应能自适应于温度、湿度及气敏传感器灵敏度的变化，即智能化。下面就有关问题进行研究。

1 可燃性气体测控系统组成与原理
　　可燃性气体测控系统的复杂程度取决于功能的设计要求，既可以是简单的报警电路，也可以是集报警和气源控制于一体的完整系统^[3]。目前应用较广泛的气敏元件是SnO₂电阻型半导体气敏传感器，其基本原理是当元件吸附敏感气体的浓度变化时，元件的电阻值会发生变化。但实际使用时问题要复杂得多，会涉及到气敏元件的响应时间、恢复时间和初期稳定时间等问题。由于涉及到时间控制，由一般电子电路构成即使是功能最简单的报警系统也是很复杂的^[4]，更不必说可靠性和智能化了。有文献报道，采取一定的措施可以判定电路中的元件故障现象^[5]，但对传感器的离散性问题未能解决。因此，应以单片机作为智能化可燃性气体测控系统的核心，这样才能实现更复杂的功能，完成各种控制和数据处理任务及实现复杂的算法。使用单片机还可使系统硬件规模和功耗减小，成本降低(单片机极便宜)，而可靠性提高。图1给出了可燃性气体测控系统组成。
 

图1 可燃性气体测控系统组成
Fig.1 Composition of supervisory control system for combustible gas
 

 

　　图1中的加热电源使SnO₂气敏元件工作在200～300℃下。检测电路将气敏元件的电阻值转快为直流电压并输入单片机，电压高表示可燃性气体浓度高。单片机依一定算法判定现场可燃性气体的、浓度情况，以输入适当的报警控制信号和气源控制信号。检测电路的另一个作用是在单片机控制下完成气敏元件自检过程，以防止气敏元件因本身特性差异或故障而产生误报和误控，同时气敏元件的自检也为有关算法的实现提供参考数据。自检就是在气源控制阀门开启前的相对洁净空气环境中使气敏元件工作在加热后的稳定期期间，对由气敏元件电阻值转换来直流电压进行测试，若气敏元件正常，则对应静态电阻值应为1～100kΩ，具体值由产品手册给出，该数据作为元件正常与否的判定依据。自检结果也可通过显示输出。

2 测控判定的算法规则
　　单片机是实现测控的智能核心，气敏元件工作温度为200～300℃，故现场环境温度和湿度的影响可忽略。研究泄漏可燃性气体浓度的判定算法时应主要考虑气敏元件灵敏度的个体差异以及气敏元件寿命和表面洁净度等因素导致的灵敏度变化问题。为工作可靠，可采用双重判定法。一是以测得的可燃性气体的绝对浓度为判定依据，二是以可燃性气体浓度的变化率为判定依据。
 

 

　　式中 U_on——气源开通后检测电路输出电压
　　　　U_m——可燃性气体浓度允许上限对应的检测电路输出电压
　　　　U₁——气源开通后t₁，时刻检测电路输出电压
　　　　U₂——气源开通后t₂：时刻检测电路输出电压
　　　　δ——可燃性气体浓度对应检测电路输出电压相对增加率允许上限
　　两次检测的时间间隔△t=t₁-t₂，即延时时间。显然，同时采用两种判定规则可降低气敏元件灵敏度因素对系统正确判定的不利影响，使系统工作的可靠性得以提高。