一種低功耗本安型H2S檢測儀設計

諸葛云 王曉榮 程明霄 蔡 亮 周 凱

(南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

在石油、煤礦開采過程中，存在大量H2S有毒氣體。H2S的爆炸下限為4%，最高允許濃度為10 mg/m3[1]。在易爆有毒性的氣體環境下，需要一種能實時檢測氣體濃度的報警設備。該設備需要具有本安特性。儀表常用的防爆形式是本安型、隔爆型、增安型。隨著電子技術的發展，低功耗器件不斷升級，本安技術也得到了進一步推廣和應用。該技術在限制能量的同時，也限制產生火花及能量。本安設備因其具有獨特優點而在監測和控制等弱電領域得到了廣泛的應用。目前，國外最新本安儀器為美國英思科GASBADGEPLUS，其產品特點為:待機時間長、可同時檢測4種有毒氣體、儀器可持續記錄15次警報事件、安全系數得到多家煤礦機構的認可，但其價格昂貴、售后服務差。目前，國內最前沿的檢測儀有濟南本安科技。為延長工作時間，該產品采用充電鋰電池。

結合煤礦安全作業的需要，采用防爆型錳酸鋰電池[2]，并設計了穩壓限流電路。該本安型[3]檢測儀具有安全度高、體積小、低功耗等特點。

1 硫化氫檢測儀硬件結構

硫化氫檢測儀[4]采用瑞薩公司最新推出的RL78/G13低功耗單片機作為核心處理芯片，通過低功耗單片機實現氣體濃度的實時顯示、多級報警、氣體檢測等功能。由于傳感器輸出的電流信號極其微弱，很容易被噪聲干擾，因此在信號調理電路中選擇了一款低功耗、雙運算放大器LM358。該芯片能將電流信號轉換為0.4～2.0 V的電壓信號。該電壓信號較低，不會在電火花點燃周圍產生爆炸氣體。在信號進入單片機的A/D接口之前，為了提高信號安全性、穩定性，加入了電壓跟隨電路及濾波電路。將檢測儀置于安全環境，通過與上位機串口通信實現數據處理。當硫化氫濃度值大于預設報警值時，報警模塊工作;當硫化氫濃度值正常，則進行濃度顯示、數據保存等操作。硫化氫報警儀結構如圖1所示。

圖1 檢測儀結構圖Fig.1 Structure of the detector

1.1 主要器件的選擇

1.1.1 單片機 RL78/G13

檢測儀的核心是單片機，其性能對整個系統設計有重要影響，所以選擇一個高速、低功耗和多功能集成化的單片機非常必要。目前，國內主流MSP430[5]為低功耗控制芯片，通過比較，無論是在工作模式，還是在待機模式下，RL78/G13的功耗均較MSP430低。RL78/G13芯片還具有高效16位精簡指令結構，內含“合并MCU”內核。該系列產品采用130 nm制程節點，更具節能效益，以32 MHz運行時，可提供4.1×108條指令/s。它在節約電池供電量的同時也滿足本安要求。

1.1.2 RAE-H2S 電化學傳感器

由美國華瑞公司生產的RAE-H2S系列電化學傳感器具有功耗低、體積小、線性范圍寬、靈敏度高、抗干擾能力強、運行穩定可靠等優點。同時，它還得到UL本質安全認證，是一種廣泛應用于工業、礦下等領域的電化學式傳感器。

電化學傳感器的電位極化原理具體如下[6]:利用氣相擴散阻力原理，獲得穩定的傳質條件，使H2S在電極上發生定電勢極化，產生正比于氣體濃度的極限擴展電流，從而測量出H2S的濃度。敏感電極上可能發生如下3種電極反應[7]:

為了防止因電極反應生成單質硫而毒化工作電極，加入輔助電極使得產物為SO24－:

1.2 本質安全電路設計

本質安全設備的核心就是本質安全電路。該電路要求從自身性能上滿足本質安全，達到防爆的要求。檢測儀通過限制電路能量，使電路實現本質安全性能。在GB 3836.4-2010《爆炸性氣體環境用電氣設備4部分:本質安全型“i”》中，本質安全電路定義為:正常工作和規定的故障條件下產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的電路。

電源設計方案采用穩壓限流相結合的方法，電源升壓模塊由低功耗、輸出具有短路及過流保護的升壓芯片TPS61200、電容、電感組成。國標規定當電源電壓達到3.6 V時，最小點燃電壓為3 A，而TPS61200芯片流過的電流大約為100 mA，其安全系數為20，符合國標中規定的正常工作系數大于1.5的要求。設計的檢測儀電源電路如圖2所示。

圖2 檢測儀電源電路圖Fig.2 The circuit of power circuit in detector

為了進一步提高本安電路的安全系數、降低功耗，防止過流工作，限流并控制電流的設計也是必不可少的，為此，本文設計了一個檢測儀限流電路[8]，其示意如圖3所示。

圖3 檢測儀限流電路Fig.3 The current limiting circuit of detector

圖3中，R4是一個滑動電阻，用來調節電壓的大小，使得負載可在3.6 V的恒壓下工作，同時也能夠輸出恒定的電流。

根據計算式:U1=U4=R4Iload，通過調節R4，就使得負載在恒定的電壓電流下工作。

2 檢測儀火花放電計算

檢測儀的硬件電路部分共分為7個模塊，每個模塊與電源相連的地方都設置有一個本安電阻，其阻值的大小是根據器件的工作電流和整個電路允許電流的范圍來確定的。

通過下文本安電流及總能量計算來確定本安電阻是否合理;同時電路中的電感、電容的分析都必須通過國標的標準來驗證。

2.1 火花電流計算

為了能夠證實檢測儀滿足本安的環境，可參考GB 3836.4-2010中的電壓與設備級別相對應的允許短路電流表，其數值如表1所示。其中，IIC級×1.5是氣體是容易被點燃最高等級，其對應的安全電流都小于其他等級的電流。

表1 電壓對應允許短路電流Tab.1 The allowable short-circuit current corresponding to voltage

當電路中的器件都出現了短路故障時，通過最壞情況計算，檢測儀的最大短路電流為476.02 mA。在此電路中，短路電流應參考IIC類設備安全系數×1.5的標準，計算得到其最大短路電流為714.03 mA。由表1可知，短路電流在安質安全范圍之內。

2.2 總熱能的計算

總熱能計算如表2所示，輸入電壓為3.6 V，電阻誤差精度小于1%，且7個模塊的總功耗之和小于1.1 W(溫度為80℃)。

根據GB 3836.4-2010可知:當所有的器件不超過20 mm2時，需滿足最高升溫小于275℃即可。根據查閱對應的數據手冊可知，所有的元器件工作時溫升都不會超過275℃。

表2 總熱能的計算Tab.2 The calculation of total energy

2.3 電感分析

電感的允許最大能量如表3所示，根據GB 3836.4-2010中電感、電流及能量的關系來確定電路是否本質安全。

在本安型檢測儀中，感性器件分別為蜂鳴器和振動電機。國標中規定電感最大不超過1 H，其最大能量都可以通過公式Q=0.5I2L計算得到，可以參考國標曲線來驗證本設計的可行性。IIC類電路允許的最大感性能量為40 μJ。

表3 電感的允許最大能量Tab.3 The maximum allowable energy of inductor

電感的最大允許電流如表4所示。

表4 電感的最大允許電流Tab.4 The maximum allowable current of inductor mA

2.4 電容分析

對于電路中的電容元件，國標根據電壓與電容關系來確定。電壓對應的允許電容如表5所示。已知電壓為3.6 V，安全系數應選取IIC類×1.5的標準，則參考電壓為5.4 V，通過計算可驗證本設計的可行性。IIC類電路允許的最大電容為100 μF，將電路中的電容值算數相加，得到總電容值為63.2 μF，標準詳見GB 3836.4-2010中附錄A-3本安電容電路的評定。

表5 電壓對應的允許電容Tab.5 The allowable capacitance corresponding to voltage

3 結束語

本文采用TPS61200及限流檢流電路相結合對H2S檢測儀進行了本質安全設計。該設計提高了電路的穩定性，滿足本安電源的設計要求。同時對硬件電路進行了火花[10]及熱能的計算，設計結果完全符合GB 3836.4-2010的要求。該硫化氫檢測儀具有高安全性、低功耗、低電壓等特點。目前，檢測儀正在申請礦用產品安全標志，一旦取得安全標志，即投入煤礦生產中。

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