便攜式智能油氣檢測儀設計

摘 要:為了防備油氣濃度超標造成的安全事故，研制了便攜式智能油氣檢測儀。采用接觸燃燒式氣敏傳感器進行油氣檢測，并增加補償元件。用電橋電路作為測量電路，用雙端輸入方式連接電橋與運算放大器，對所采集的信號作放大、補償處理。采用集成電路A/D芯片進行信號A/D轉換，并在LCD數字顯示屏上顯示油氣濃度值。設計報警電路，用C++語言設計軟件，采用單片機進行系統控制。氣敏元件的誤差補償和數字化濃度檢測有創新。該檢測儀適用于石油、天燃汽等儲運和使用場所。關鍵詞:油氣; 智能檢測; 氣敏傳感器; 信號A/D轉換; 單片機

中圖分類號:TN919-34; TP216 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0157-03

Design of Portable Smart Oil-gas Detector

ZHOU Yu-di

(College of Engineering， Hong Kong Polytechnic University， Hong Kong， China)

Abstract: For taking precautions against the safe accidents by reason of oil-gas whose consistency is over standard limit， the portable smart oil-gas detector is developed， and the contact combust-type gas sensitive sensor is adopted and a compensatory component is added to detect the oil-gas concentration. The bridge circuit is used as a measuring circuit and is connected with the operational amplifier in double-ended input mode. The detected signal is amplified and compensated. The integrated circuit A/D chip is used for signal A/D converting. The consistency value of oil gas is displayed in LCD digital monitor. The alarm circuit is designed. The software is programmed with C++. The system control is accomplished by single chip proce-ssor. It has innovation in error compensation of gas sensitive component and digital consistency detection. It is applicable for the places where oil and natural gas are stored， transported and used.Keywords: oil-gas; smart detection; gas sensitive sensor; signal A/D converting; single chip processor

0 引 言

隨著國民經濟高速發展，石油、天燃汽等能源在日常生活和化工等領域得到廣泛應用。在使用過程中，不可避免地存在著易燃、易爆油氣，油氣濃度超標極易釀成火災、爆炸和人員中毒等惡性事故。分析事故發生的主要原因是油氣濃度檢測設備技術落后，不能準確檢測出油氣濃度超標并及時報警。因此，研制性能可靠的便攜式智能油氣檢測儀是極為必要的。

1 設計思路

便攜式智能油氣檢測儀是一種應用傳感器、集成電路、單片機和計算機模式識別等技術而設計的儀器。采用接觸燃燒式氣敏傳感器進行油氣檢測，這種傳感器是經“國家防爆電氣產品質量監督檢驗測試中心”檢測認定達到國家防爆標準的密封吸入式防爆裝置，其穩定性和準確性好，檢測范圍較大。進行氣敏元件的時變誤差補償和濃度定量檢測，通過電橋測量電路來達到檢測作用，用運算放大器放大處理弱電信號;用集成電路A/D芯片將模擬信號轉換為數字信號;通過微處理器處理數字信號，并通過LCD數字顯示屏顯示油氣濃度數值量和模擬量。設計報警電路，用C++語言設計軟件， 采用單片機進行系統控制。運用數字電調技術進行零點標定和量程標定。

2 工作原理

2.1 油氣檢測

采用接觸燃燒式氣敏油氣濃度傳感器進行油氣檢測，把油氣濃度這一非電物理量變換成電量。該傳感器以密封吸入方式達到防爆要求標準，其檢測元件是在Φ0.05 mm的鉑絲繞成的線圈上，鍍以氧化鋁或者氧化鋁與氧化硅混合而成的涂覆層，經一定溫度燒結而形成的球狀多孔體。在氧化鋁外表上敷有鉑、鈀等貴重金屬作催化層，組裝成氣敏元件。

對鉑絲圈通入電流，使檢測元件保持高溫(300～400 ℃)。此時，用小電扇經探針吸入少許氣體到傳感器密封裝置內，若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體將在貴重金屬催化層上暗火燃燒，使鉑絲溫度上升，電阻增大。因此，通過測量鉑絲電阻變化的大小測得可燃氣體的濃度。鉑絲電阻線圈既起到加熱作用，又起到檢測電阻變化的作用[1-2]。

對傳感器增加補償元件。補償元件的結構與檢測元件基本相同，只是沒有活性催化層，其作用是補償因環境溫度、電源電壓等變化所引起的偏差。

測量電路采用電橋電路，如圖1所示。當空氣中油氣濃度達到一定濃度時，傳感器由于燃燒，溫度上升，電阻值增大，使電橋失去平衡，橋路輸出電壓變量，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，從而起到檢測作用[3]。

圖1 電橋測量電路

2.2 信號處理

檢測電路電橋輸出的微弱電信號達不到所要求的電平，不能直接被利用，必須經放大、補償等措施進行處理，將來自傳感器的信號進行精密放大，抑制共模成分，提高信號質量。信號放大電路是油氣濃度傳感器信號調理電路。采用的器件為運算放大器，選擇放大器應考慮精度、速度、幅度及共模抑制等要求。

采用雙端輸入方式進行電橋與運算放大器的連接，如圖2所示。當油氣濃度傳感器橋臂有較高的電壓時，如果該電壓在運算放大器允許的共模范圍內，由于為雙端輸入，可正常工作。調試時，應注意運算放大器的共模抑制比[4-5]。

圖2 電橋和運算放大器的連接

2.3 信號轉換

油氣濃度傳感器的輸出信號是模擬信號，為了實現通過LCD數字顯示屏顯示油氣濃度值，需將模擬信號轉換為數字信號。A/D轉換器是模擬信號源與數字設備(如LCD數字顯示屏)之間聯系的橋梁，其任務是將連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號，以便于數字設備進行處理和顯示。

采用集成電路A/D芯片作為A/D轉換器，來實現模擬信號與數字信號的轉換。集成電路將精密的權電阻、模擬開關、數據鎖存器等做在同一芯片上，只需少量外圍電路即可構成完整的D/A轉換部件[6]。

2.4 數字顯示

經A/D轉換器，將油氣濃度傳感器的輸出模擬信號轉換為數字信號后，再通過微處理器對這些數字信號進行處理，并在LCD數字顯示屏上顯示出油氣濃度值，使得油氣濃度的檢測提示信息更為準確，可靠性較好。

2.5 報警電路

報警電路如圖3所示。A1和G1組成穩壓電源，調整電阻Rw1可輸出1.72 V電壓電源，調節電阻Rw2使在潔凈空氣中電橋輸出電壓為零，A2接成增益為1的差動放大器，A3接成同相放大器，調節電阻Rw3可獲得不同放大倍數，A4接成比較器，調節電阻Rw4可設置不同濃度的報警閾值，比較器輸出接G2，G2為集電極開路，接入蜂鳴器、LCD液晶顯示屏。

圖3 報警電路

3 軟件設計與儀器制作

軟件用C++語言編程， 采用單片機進行系統控制，完成復雜的檢測操作。軟件包括數據采集、A/ D轉換、數據處理與顯示、按鍵設置等功能模塊[7-8]。

設計各功能模塊的接口函數，以調用相應的底層函數的方式來完成各模塊的功能。數據采集模塊是優先級最高的功能，其功能實現過程是:調用底層函數ad_ read(M，N)對第M路A/D采樣通適進行N次A/D轉換，對基準電壓進行N次A/D轉換，取N個計算結果均值并返回，將所得到的數據發送到消息箱，并作延時處理[9-10]。

其關鍵程序代碼如下:

void ad_function(void*pdata)

{

uint32 ad_data，*p;

p= ad_data;

while(1){OS_ENTER_CRITICAL();

ad_data= ad_ read(M，N);

OS_EXIT_CRITICAL();

OSMboxPost(ALARM_Mbox，( void*)p);

OSTimeDly(60);

}

}

儀器制作過程如下:

(1) 選用接觸燃燒式氣敏傳感器。

(2) 選用LCD液晶顯示屏，屏幕區域設置為128×64像素。

(3) 設計報警軟件，采用C++語言編程。

(4) 制作一個單片機。

(5) 設計控制電路

① 由于檢測儀是手持式便攜式設備，要求功耗低、節電，因此，主控制器選用PIC低功耗的單片機。

② PCB制作，PCB采用雙面電路板。

③ 電路板制作與調試。主要對電橋檢測電路、放大電路、散熱電路、報警電路、充電電路、O/I電路、顯示電路等的設計與制作。

(6) 檢測模塊的設計與制作。

(7) 外殼設計與制作。

4 結 語

便攜式智能油氣檢測儀檢測油氣濃度準確，報警及時。該檢測儀經檢驗測試，達到國家防爆電氣產品的技術標準，適用于石油、天燃汽運輸、儲存和使用等場所，如油庫、加油站、石油化工企業等，可消除因油氣濃度超標所造成的人員中毒、火災和爆炸等事故隱患，防止空氣污染，減少燃氣泄漏所造成的能源浪費。

參考文獻

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