Разное
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: Сигнализатор утечки бытового газаРаспечатать: Сигнализатор утечки бытового газа

Сигнализатор утечки бытового газа



Постоянный контроль концентрации взрывоопасных газов в воздухе жилых и рабочих помещений - наиболее эффективное средство предупреждения их возгорания. С течением времени актуальность газовой безопасности только растёт. Воздушная среда, окружающая нас, может содержать не только источник жизни - кислород, но и опасные вещества, например, взрывоопасные газы. Приборами технической безопасности служат газовые детекторы. Они предназначены для обнаружения превышения допустимых уровней концентрации опасных газов в окружающей среде.

Природный газ - один из наиболее взрывоопасных - широко применяют в быту в качестве дешёвого горючего для отопления, подогрева воды и приготовления пищи. Как известно, основной компонент природного газа - метан (CH4), его в нём от 70 до 98 %. Следовательно, для контроля утечки природного газа необходимо использовать датчик, реагирующий на концентрацию метана в воздухе.

Концентрационные пределы распространения пламени в смеси метана с воздухом в объёмных процентах: нижний - 5, верхний - 15 [1]. Нижним концентрационным пределом распространения пламени (НКПР) или нижним порогом взрываемости (НПВ) называют минимальную долю горючего вещества в однородной смеси с окислителем (воздухом, кислородом), при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пламя, искровой разряд и др.). Для метана 100 % НКПР (НПВ) = 5 объёмных процентов = 50000 ppm = 33500 мг/м3 [2].

Как правило, большинство серийно выпускаемых сигнализаторов утечки бытового газа настроены на его концентрацию в один объёмный процент. Именно при такой концентрации они подают сигнал тревоги, включают систему вентиляции помещения и с помощью электромагнитного клапана отключают подачу газа в систему газоснабжения жилого дома или квартиры.

Наилучшим образом подходят для контроля утечки горючих газов благодаря простоте конструкции полупроводниковые и термокаталитические датчики пеллисторного типа. Обычно полупроводниковые датчики применяют лишь для сигнализации о превышении допустимой концентрации метана в воздухе, а если есть необходимость измерить концентрацию газа, то используют двухпеллисторные термокаталитические датчики. В них два пеллистора - спирали из платиновой проволоки, разогретые проходящим через них током до температуры около 400 оС. Они образуют обычный резистивный делитель напряжения (рис. 1 ).

Резистивный делитель напряжения

Рис. 1. Резистивный делитель напряжения

Когда метана в воздухе нет, сопротивления обоих пеллисторов равны, следовательно, выходное напряжение делителя - ровно половина напряжения питания Uпит. Поскольку активный пеллистор покрыт слоем катализатора, на его поверхности при наличии метана происходит реакция окисления этого газа кислородом воздуха. Температура активного пеллистора увеличивается, а сопротивление растёт. Включив такой датчик в измерительный мост, можно легко измерить напряжение разбаланса моста:

ΔU = Uвых - Uпит/2,

а по нему определить концентрацию газа.

Термокаталитические датчики недороги и просты в применении, но обладают рядом недостатков. Во-первых, при большой концентрации газа происходит перенасыщение датчика, и он выходит из строя. Во-вторых, катализатор со временем истощается, что приводит к снижению чувствительности датчика. В-третьих, для происходящей в датчике химической реакции необходим кислород, поэтому при его недостатке датчик сильно занижает показания. И наконец, термокаталитический датчик может быть "отравлен" некоторыми веществами. Он чувствителен, например, к воздействию силикатов или высокой концентрации сероводорода (H2S). Кроме того, термокаталитические датчики требовательны к обслуживанию. Чтобы быть уверенными в их работоспособности, необходимы периодические проверки. Время жизни пеллистора - максимум один-три года.

Всех этих недостатков лишены высоконадёжные и практически безотказные инфракрасные датчики горючих газов (NDIR-датчики). С помощью измерительного и нормирующего детекторов они оценивают степень поглощения газом инфракрасного излучения. Детекторы используют ИК-излучение двух длин волн. Одно из них газ поглощает, а второе - нет. Датчик измеряет уровень поглощаемого излучения и сравнивает его с уровнем образцового. Эта информация подвергается обработке по довольно сложному алгоритму, для чего практически в каждом датчике имеется встроенный микропроцессор.

Цифровыми NDIR-датчиками серии PrimePell [3] можно заменять пеллисторные. Основа датчиков PrimePell - запатентованный ИК-датчик и микропроцессор на основе ядра ARM V7, управляющий датчиком, вычисляющий концентрацию газа и выводящий результат в аналоговой и цифровой форме. Микроконтроллер также следит за исправностью датчика и регистрирует сбои питания. Цифровая информация может быть получена либо через последовательный порт, либо по интерфейсу I2C, по которому также изменяют режимы работы датчика.

При условии подходящего напряжения питания датчиком PrimePell можно заменить ранее установленный в газоанализаторе термокаталитический датчик, причём никаких доработок анализатора для этого не требуется.

Схема сигнализатора утечки бытового газа с использованием инфракрасного датчика метана PrimePell изображена на рис. 2. Чувствительность этого датчика - 100 мВ на 100 % НПВ. Внутренние "пеллисторы" датчика и резисторы R1-R3 образуют измерительный мост. Сигнал, снятый с диагонали моста, усиливает инструментальный усилитель DA1 с фиксированным коэффициентом усиления 10. Его выходному напряжению 1000 мВ соответствует 100 % НПВ. Поэтому показания встраиваемого цифрового вольтметра PV1 в десятках милливольт численно равны процентам НПВ.

Схема сигнализатора утечки бытового газа с использованием инфракрасного датчика метана PrimePell

Рис. 2. Схема сигнализатора утечки бытового газа с использованием инфракрасного датчика метана PrimePell

В Великобритании (стране-изготовителе датчика) 100 % НПВ - это 4,4 объёмных процента, а не 5 объёмных процентов, как у нас. Исходя из этого, порог срабатывания компаратора DA2, соответствующий одному объёмному проценту, установлен равным 227 мВ подборкой резисторов R5 и R6. Высокая точность установки порога не требуется. При срабатывании компаратора пьезоизлучатель HA1 с встроенным генератором подаёт сигнал тревоги. Кроме этого, сигнал с компаратора через оптрон U1 поступает на исполнительные устройства - блок управления системой вентиляции (фрамужные открыватели, вытяжные вентиляторы и т. п.) и на электромагнитный газовый клапан, отключающий подачу газа.

Регулировка устройства сводится к установке нулевых показаний цифрового вольтметра PV1 с помощью переменного резистора R2 при отсутствии метана в воздухе. Гарантированный срок службы датчика - не менее пяти лет. Часто проверять его работоспособность нет необходимости.

Литература

1. Государственный стандарт Союза ССР ГОСТ 5542-87 "Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия". - URL: http://www. ukrgazkom.com. ua/assets/files/ normative/5542-87.pdf (28.09.16).

2. Таблица соотношений концентраций для наиболее часто встречающихся горючих и токсичных газов (нормальные условия). - URL: http://centros.ru/tablica-gazy (28.09.16).

3. PrimePell Pellistor Replacement Infrared Gas Sensor. - URL: https://www. terraelectronica.ru/%2Fpdf%2FCLAIRAIR% 2FPrimePell-datasheet-DES 10-Iss4.pdf (28.09.16).

Автор: А. Корнев, г. Одесса, Украина


Дата публикации: 18.04.2017
Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics