基于LMP91000的便攜式可燃和有毒雙氣體檢測儀研制*

朱 亮

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實驗室，山東青島 266071)

1 石化企業(yè)氣體檢測特點(diǎn)

石化企業(yè)涉及的有毒有害氣體包括可燃?xì)狻2S、VOCs、CO、NH3、SO2等，這些氣體可分為可燃類和毒性類，前者泄漏容易造成火災(zāi)爆炸，后者泄漏容易造成人員中毒傷亡，特別是H2S氣體，容易帶來閃電式中毒[1]。目前，針對這些氣體的檢測，從原理上劃分主要有半導(dǎo)體型、催化燃燒型、電化學(xué)式、紅外式、光電離式[2,3]，其對比如表1所示。

從安全角度考慮，對現(xiàn)場人員威脅最大、最直接的是由于可燃?xì)怏w泄漏而引發(fā)的火災(zāi)爆炸，以及毒性氣體泄漏引發(fā)的人員中毒，例如硫化氫中毒、一氧化碳窒息等。根據(jù)某煉化裝置設(shè)計建造和安全生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)場安裝的固定式氣體報警器85%以上為可燃?xì)夂土蚧瘹?種，現(xiàn)場作業(yè)人員佩戴的便攜式報警器100%為可燃?xì)夂土蚧瘹鋱缶鳎扇細(xì)夂土蚧瘹?種氣體檢測是石化行業(yè)最常見的組合。這2種氣體分別基于催化燃燒和電化學(xué)原理傳感檢測，其輸出信號非常微弱，通常采用多級A/D放大完成信號調(diào)理，容易造成信號穩(wěn)定性不好、一致性差、干擾中毒等問題[4-6]。因此，設(shè)計一種高效率、穩(wěn)定的氣體傳感調(diào)理電路，對于保證現(xiàn)場作業(yè)人員安全防護(hù)很有必要。

2 基于LMP91000的氣體檢測調(diào)理電路設(shè)計

2.1 LMP91000可配置前端模擬芯片

表1 石化氣體檢測原理對比

LMP91000芯片是業(yè)界首款可全面配置的低完整的信號路徑解決方案。設(shè)計三電極氣體傳感、雙端氧氣傳感調(diào)理電路設(shè)計時，通過微控制器I2C接口設(shè)置跨阻抗增益值，LMP91000就可輸出與氣體濃度成比例的電壓值，氣體傳感信號調(diào)理靈敏度高，可調(diào)理檢測范圍寬，每百萬分之一體積濃度氣體靈敏度為0.5 nA至9 500 nA，滿足有毒有害氣體檢測應(yīng)用需求，并且內(nèi)置的溫度傳感可提供附加輸出，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)合氣體傳感器特性，獲得穩(wěn)定的線性。工作電壓范圍在2.7～5.5 V之間，氣體檢測電路功耗平均值低至10 μA，相較于傳統(tǒng)的多級A/D放大具有電路功耗低、穩(wěn)定性好、電路簡單的特點(diǎn)，基于該芯片完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錂z測調(diào)理電路設(shè)計。

2.2 雙氣體檢測調(diào)理電路設(shè)計

可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅鞣謩e基于催化燃燒和電化學(xué)原理。可燃性氣體在催化劑作用下氧化無焰燃燒，溫度增高，元件阻值增加，打破電橋的平衡，使其電阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生微小的電壓差信號，每百分之一爆炸下限體積濃度的信號靈敏度不超過20 mV；硫化氫氣體與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，這一電流與氣體濃度成正比，每百萬分之一體積濃度氣體靈敏度不超過0.7 μA，通過檢測以上微弱的電壓電流信號獲得可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w的濃度。基于LMP91000的雙氣體傳感檢測調(diào)理電路如圖1所示，可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w傳感器分別連接一片LMP91000，檢測信號通過I2C接口與CPU相連，CPU控制MOS管Q1實現(xiàn)兩種氣體檢測切換，并配置LMP91000內(nèi)部寄存器，獲得最適合的信號放大和最優(yōu)的信噪比。

圖1 雙氣體傳感檢測調(diào)理電路

3 硫化氫可燃?xì)怆p氣體檢測儀研制

3.1 硬件電路

硫化氫可燃?xì)怆p氣體檢測儀以STM32微處理器為核心，兩路傳感器信號通過I2C接口和IO使能端控制接入，輸入高信噪比的氣體檢測信號，同時利用LMP91000溫度檢測特點(diǎn)，實時監(jiān)控環(huán)境溫度，以合理補(bǔ)償傳感器的溫度影響。使用人員通過人機(jī)接口校準(zhǔn)氣體濃度、設(shè)置報警值等，當(dāng)環(huán)境中可燃?xì)怏w和硫化氫氣體濃度超過報警值時，檢測儀通過OLED顯示和報警電路控制聲、光、振動報警，提醒攜帶人員氣體濃度超標(biāo)，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙氣體檢測儀總體結(jié)構(gòu)

3.2 軟件設(shè)計

圖3所示為雙氣體檢測儀軟件流程。首先，根據(jù)可燃?xì)夂土蚧瘹鋫鞲衅餍吞枺肧ensorAFE Designer工具獲得LMP91000寄存器參數(shù)，并確定報警值和顯示控制模式，完成檢測儀各種參數(shù)初始化；然后，根據(jù)微處理器I/O端口輸出確定檢測氣體種類，完成濃度檢測數(shù)據(jù)傳輸、溫度補(bǔ)償和數(shù)據(jù)處理；之后，根據(jù)檢測的濃度值與設(shè)定值的差別，完成聲光振動報警，并提供結(jié)果顯示。

圖3 雙氣體檢測儀軟件流程

4 實驗部分

為了驗證可燃?xì)怏w和硫化氫雙氣體檢測儀的準(zhǔn)確性，在基于LMP91000的氣體傳感調(diào)理電路的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氣體濃度檢測實驗。

4.1 實驗條件及步驟

實驗采用濃度為10.0 %LEL和60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體[7]，利用氣袋灌裝后，經(jīng)過流量泵勻速抽氣后自然擴(kuò)散到雙氣體檢測儀，流量泵抽氣速度分別為0.25 L/min和0.5 L/min。為了實驗安全，以上實驗在帶有尾氣處理裝置的通風(fēng)櫥中進(jìn)行。

氣體濃度檢測實驗步驟為：①啟動通風(fēng)櫥，檢查系統(tǒng)是否完好，一人安全監(jiān)護(hù)一人開展實驗測試；②在通風(fēng)櫥中將濃度為10.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體灌裝到氣袋中，通過軟管連接流量泵后釋放，流速設(shè)置為0.25 L/min，記錄檢測值；③關(guān)閉流量泵，1 min后再開啟，記錄檢測值，重復(fù)獲得3組數(shù)據(jù)；④將流速增大到500 mL/s，重復(fù)步驟③；⑤將標(biāo)準(zhǔn)氣體分別換成濃度為60.0 %LEL的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體、濃度為24.9×10-6和79.8×10-6的硫化氫氣體，重復(fù)步驟②③④；⑥清除殘留氣體，實驗結(jié)束。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)實驗記錄的氣體濃度檢測結(jié)果如表2。

表2 甲烷氣體濃度檢測實驗結(jié)果 %LEL

由表2可知，甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為10.0 %LEL、60.0 %LEL 時，最大檢測誤差分別為0.4 %LEL和2.9 %LEL，相對誤差均小于5%；由表3可知，硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為24.9×10-6、79.8×10-6時，最大檢測誤差分別為0.5×10-6和2.3×10-6，相對誤差均小于3%；由表2和表3各種標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下的多次檢測值可知，氣體濃度檢測幾乎不受標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度釋放速率的影響，檢測值比較穩(wěn)定，說明基于LMP91000氣體檢測調(diào)理電路性能較好。

表3 硫化氫氣體濃度檢測實驗結(jié)果×10-6

5 結(jié)語

面對石化行業(yè)對有毒有害氣體檢測需求的不斷增加，特別是檢測多種氣體時，傳統(tǒng)的氣體傳感信號調(diào)理電路存在穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。針對此現(xiàn)狀，研究設(shè)計了一種雙氣體檢測儀，重點(diǎn)介紹了基于LMP91000完成了雙氣體檢測調(diào)理電路設(shè)計和雙氣體檢測儀設(shè)計，最后完成了可燃?xì)夂土蚧瘹錃怏w在多種條件下的濃度測試實驗。實驗結(jié)果表明：基于LMP91000的硫化氫和可燃?xì)怆p氣體檢測儀檢測氣體濃度的相對誤差不超過5%，氣體檢測性能穩(wěn)定、功耗低、便攜性好。可用于石化現(xiàn)場作業(yè)人員安全防護(hù)，檢測現(xiàn)場環(huán)境中可燃?xì)夂陀卸練怏w的濃度，超過爆炸限值和接觸限值時及時給攜帶人員提供警示，從而保障人員安全。