氣體傳感器在液化氣泄漏檢測中的應用

蘭建軍，辛紅偉，張玉財

（東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林 132012）

0 引言

家用石油液化氣是石油化工行業的副產品，其為多種烴類的混合物，主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等極易燃燒和爆炸的碳氫化合物。近年來，由于設備老化泄漏和使用者誤操作造成的液化氣爆炸事件頻發，給人們的生命和財產安全帶來了巨大的損失［1］。泄漏有時是無法避免的，但是泄漏后如果能進行快速有效的檢測，從而采取合理的處理措施，同樣可以減少或者避免爆炸事故的發生。

目前，對于易燃易爆氣體泄漏檢測的方法主要分成主動檢測和被動檢測，主動檢測有光譜分析法、氣相檢測法等檢測方法;被動檢測方法通常采用相應氣體傳感器和被測氣體接觸，通過相應的物理、化學反應變成電信號，多用于環境的監測或報警信號的產生。如皮亞鐳、張維華使用的氣相色譜分析技術來進行氣體泄漏檢測［2，3］，但是該方法在定量分析時，常需要用已知物體的純樣品對檢測后輸出的信號進行校正。吳曉南采用的光譜分析法［4］和韓慧伶提出的超聲檢測方法等［5］，存在易受光學系統參數等外部或內部因素影響，經常出現曲線非線性問題，對檢測結果的準確度影響較大。針對家用液化氣泄漏檢測，半導體氣體傳感器以其體積小、穩定、抗毒，可檢測低體積分數氣體等優點，在可燃氣體檢測中有重要作用。倉懷文等人采用Fe2O3氣體傳感器實現了液化石油氣等3種氣體成分的檢測［6］，然而半導體氣體傳感器受傳感器周圍環境溫濕度變化影響［7，8］，因此，使用半導體氣體傳感器測量氣體體積分數必須對傳感器的數據進行溫濕度補償。

本文介紹了以MQ—2型傳感器和MC9XS128單片機為核心的液化氣泄漏檢測裝置設計方案，根據實驗數據進行了傳感器曲線繪制，針對溫度影響問題，分析了環境溫度變化導致的傳感器誤差，繪制了傳感器的溫度影響曲線，采用溫度補償方法對傳感器測量值進行了修正。方案具有成本低，檢測靈敏度高等優點，實驗數據表明:該方案可用于家用液化氣的泄漏檢測。

1 系統概述

氣體傳感器種類較多，按照氣敏特性情況來分，可分為半導體式、固體電解質式、電化學式、接觸燃燒式、光學式、熱導式等［10］。本文設計選用半導體式MQ—2型氣體傳感器進行液化氣組份的檢測。

1．1 MQ—2型氣體傳感器工作原理

MQ—2是一種體電阻控制型的氣敏器件，其阻值隨被測氣體的體積分數（成分）而變化，傳感器具有探測范圍寬、靈敏度高、響應速度快、穩定性高等優點，可實現液化氣、丁烷、丙烷等可燃性氣體的探測。MQ—2型氣體傳感器把微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件封裝在不銹鋼制成的腔體內，利用加熱器提供氣敏元件必要的工作條件。

當傳感器處于最佳工作條件下，接觸同一種氣體成分時，其電阻阻值RS隨氣體體積分數變化的特性稱之為靈敏度特性，用K（K=RS/R0）表示，R0為傳感器在潔凈空氣中的電阻值，RS為傳感器在不同氣體體積分數下的電阻值。圖1給出了MQ—2型傳感器對于各種氣體成分的靈敏度特性曲線。

圖1 MQ—2型傳感器靈敏度特性曲線Fig 1 Sensitivity characteristic curve of MQ—2 sensor

1．2 系統總體結構

系統主要由氣體傳感器、溫度傳感器、主機、顯示和報警電路構成，具體的系統結構框圖如圖2所示。氣體傳感器主要負責檢測環境中泄露液化氣體積分數的檢測;溫度傳感器主要實時測量環境溫度，對氣體傳感器進行溫度補償;顯示電路完成各種參數的實時顯示;當液化氣泄漏超標，環境中液化氣體積分數達到設定值時，單片機輸出報警信號進行報警，同時啟動通風裝置進行通風。

圖2 系統總體結構框圖Fig 2 Overall structure diagram of system

2 數據采集系統設計

2．1 核心部分硬件設計

1）控制器選擇

系統控制器采用飛思卡爾高性能的16位單片機MC9XS128，該單片機具有速度快、功能強、功耗低等特點。其內部帶有128 kB的FLASH程序存儲器和8 kB的FLASH數據存儲器;可支持高達40 MHz的總線頻率;內部集成有8通道位數可配的A/D器;8通道的PWM控制器;良好的低功耗特性，帶有中斷喚醒功能的I/O接口可實現喚醒休眠系統的功能。本次設計選擇該單片機無需外部擴展A/D轉換器就可完成氣體體積分數的采樣和轉換，同時可利用PWM通道對通風裝置的風機進行調速。

2）主要器件電路設計

MQ—2型氣體傳感器和單片機的接口電路比較簡單，傳感器需要施加加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）2個電壓，VH為傳感器提供特定的工作溫度，VC用于測定與傳感器串聯的負載電阻上的電壓，本次負載電阻選擇為5．1 kΩ，輸出連接至X128單片機的模擬量輸入通道0上。MQ—2型傳感器是基于氣體在傳感器表面的化學吸附、反應與脫附原理進行氣體成分檢測的，當環境溫度發生變化時，會改變傳感器化學反應速度;同時由于水蒸汽在傳感器表面上的吸附，導致的濕度變化將引起傳感器阻值RS的降低，從而影響傳感器的敏感特性。因此，當傳感器應用于對測量的精度要求較高的場合時，就需要考慮傳感器的溫濕度補償問題。為了進行溫度補償，系統選擇數字溫度傳感器DS1820進行溫度測量，其和單片機的通信采用單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。詳細的電路連接圖如圖3所示。

圖3 系統硬件電路原理圖Fig 3 Principle diagram of system hardware circuit

2．2 實驗數據和曲線擬合

按照手冊規定的測試條件，利用家用液化氣氣體成分對傳感器進行了測試，測試條件為:溫度20℃，相對濕度為65%RH，負載電阻5．1 kΩ。通過實驗數據進行了曲線繪制，相關資料指出，在給定的工作條件下和適當的氣體體積分數范圍內，傳感器的電阻值和氣體體積分數之間的關系呈指數關系。本文按照對數形式對測試數據進行了曲線擬合，擬合曲線方程如式（1）所示

測試數據曲線和擬合曲線情況如圖4所示。為了驗證曲線擬合精度，用擬合的曲線計算出對應測試點的數據，表1中給出了測試值和擬合值的對比情況，同時進行了誤差分析。實驗數據表明:曲線擬合精度滿足要求，依據式（1），測量出傳感器在各種液化氣體積分數下的電阻比（RS/R0），就可計算出液化氣的濃度C。

圖4 傳感器測試數據擬合曲線圖Fig 4 Fitting curve of sensor test data

表1 測試數據誤差分析表Tab 1 Error analysis form of test data

3 傳感器的溫度補償

3．1 數據測試和曲線擬合

為了分析溫度變化對傳感器測量值的影響情況，在65%RH和固定氣體體積分數條件下，對傳感器進行了測試。圖5給出了傳感器在各溫度點下的輸出數據，數據表明:傳感器輸出變化和溫度變化呈非線性關系。根據圖5數據進行了曲線擬合，發現采用單一曲線擬合，數據誤差較大，無法滿足精度要求。因此，針對數據情況，以20℃為分割點進行了分段曲線擬合，曲線擬合情況如圖6所示。2個溫度段的擬合曲線方程分別為

為了驗證曲線擬合精度，表2對通過擬合曲線方程計算出的數據和實際測試數據進行了對比和誤差分析，表中數據表明:擬合曲線精度可滿足要求。

圖5 傳感器溫度特性曲線Fig 5 Temperature characteristic curve of sensor

3．2 傳感器的溫度補償

圖6 分段擬合曲線圖Fig 6 Subsection fitting curve

MQ—2型氣體傳感器對各種氣體成分的敏感特性都是在溫度20℃條件下進行標定的，當溫度偏離標準溫度20℃時，為了對傳感器的輸出進行修正，需要測試傳感器的ΔRS/R0-ΔT特性，可以把表2中的數據轉換成傳感器溫度差和阻值比差的關系，這樣在每次體積分數測量時，實時測量傳感器環境溫度，就可實現傳感器的溫度補償，提高傳感器的測量精度，如表3。

表2 分段曲線擬合數據誤差分析表（RS/R0）Tab 2 Data error analysis form of segmentation curve fitting（RS/R0）

表3 分段曲線擬合數據誤差分析表（ΔRS/R0－ΔT）Tab 3 Error analysis form of segmentation curve fitting data（ΔRS/R0-ΔT）

4 結束語

本文針對液化氣成分的特點，進行了傳感器選型，利用MQ—2型氣體傳感器進行液化氣體積分數檢測，完成了系統的軟硬件設計。依據測試數據，進行了數據曲線繪制和曲線擬合，同時針對傳感器受溫度影響特點實施溫度補償措施，實驗數據表明:溫度補償可有效解決溫度變化引起的傳感器誤差。該方案具有結構簡單，測量精度高等特點，可應用于家用液化氣的泄漏檢測。

［1］ 陳城明．一起液化氣鋼瓶爆炸事故的分析和思考［J］．安全與健康，2002（17）:33－35．

［2］ 皮亞鐳．SR5乙烷辨識儀在天然氣泄漏檢測的應用［J］．煤氣與熱力，2007，27（5）:43 －45．

［3］ 張維華．燃氣泄漏報警器檢測裝置的研制［J］．煤氣與熱力，1998，18（3）:44 －46．

［4］ 吳曉南，胡 鎂．城市燃氣泄漏檢測新方法及其應用［J］．天然氣工業，2011，31（9）:98 －100．

［5］ 韓慧伶，王彤宇．智能氣體泄漏超聲檢測方法研究［J］．長春理工大學學報，2010，33（4）:114 －117．

［6］ 倉懷文，蔡可芬，莊明夫等．基于Fe2O3系列氣體傳感器陣列的電子鼻系統［J］．傳感器與微系統，2007，26（7）:73 －75．

［7］ 王麗杰，王天榮，蘇子美．環境因素對Fe2O3可燃性氣體傳感器性能的影響［J］．云南大學學報:自然科學版，1997，19（2）:121－124．

［8］ Hiranaka Y，Abe T．Gas-dependent response in the temperature transient of SnO2gas sensors［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，1992，9（3）:177 －182．

［9］ 楊邦朝，張益康．氣體傳感器研究動向［J］．傳感器世界，1997（9）:1－8．

［10］方 俊，趙建華．氣體傳感器及其在火災探測中的應用［J］．火災科學，2002（3）:180－185．