家用小型甲烷浓度监测报警装置的设计＊

丁慧杰，张仁杰

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

随着生活水平的不断提高，家用可燃性气体的使用得到了普及［1］。在使用可燃性气体的过程中，因泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外时有发生，给人们的生活带来了极大的威胁。因此安全使用燃气，如何有效地预防爆炸和中毒等意外的发生，成为了人们日益关心的话题。要解决这个问题，必须加强对天然气的监测监控。

检测气体的方法有多种，如热导法、红外光谱系数法、超声波测量法、气敏半导体法和热载体催化元件检测法等。目前较为先进的方法是非分光红外法［2］。其原理是：绝大多数双原子分子和多原子分子气体在红外波段均有特征吸收峰，可用红外吸收光谱法进行气体浓度的检测［3，4］。但是其价格昂贵，用于设计小型检测装置成本较高，不适用于一般家庭安装。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应时间快、价格便宜、不需定期标定、寿命长等优点，适合家用报警。

现设计采用气敏传感器，对可燃气体（其主要成分CH4）浓度信号进行监测并将其转变成电压信号，与已设定的电压信号进行比较。当气体浓度超过设定值时，气敏传感器输出的电压值超过设定的电压值，经过三极管放大后，驱动蜂鸣器工作，实现装置的报警功能。

1 电路的组成及工作原理

监测装置的设计主要由电源、气敏传感器电路、比较器、放大电路和报警电路组成。图1即为甲烷浓度监测报警装置设计的具体框图。首先气敏传感器根据所监测到的气体浓度的不同，表现出不同的电压信号，传感器输出的电压信号进入比较器与已设定的电压信号进行比较。如果传感器输出的电压信号小于已设定的电压，就不能驱动后面的报警电路工作，则表示空气中甲烷气体浓度小于报警浓度值，在正常值范围内；如果传感器输出的电压信号大于已设定的电压，则经过后面的放大电路放大，从而驱动报警电路工作，发出报警信号，就表示空气中的浓度已经超过了报警浓度值，这时候人们需要打开门窗或者关闭煤气通道等以减低甲烷在空气的浓度，防止意外事故的发生。

图1 甲烷浓度监测报警装置的具体框图Fig.1 The specific block diagram of methane concentration monitoring alarm device

2 气敏传感器的选择

2.1 TGS813的简介

用以检测甲烷这种易燃易爆气体的传感器还是很多的，设计选用的是FIGARO的TGS813型低功耗气敏元件。它是一种由SnO2材料组成的烧结体半导体气敏传感器，具有灵敏度高、结构简单、使用方便、初始稳定时间短、长时间工作性能好和寿命长等优点。此外，其属于一种广谱性气敏元件，对多种气体敏感，如甲烷、丙烷、丁烷等气体，响应灵敏度高，对不被检测的气体不敏感。缺点是易受环境温度的影响。

设计中TS813气敏传感器的主要参数：加热电压为DC／AC（5±0.2V），着火温度为537℃，爆炸极限为5%～15%，温度为200℃＜T≤300℃。传感器设定的警告报警浓度应该为LEL（报警下限）的10%，危险报警浓度应该为LEL（报警下限）的20%。而甲烷的爆炸极限是5%（空气中的百分比），也就是50 000ppm，故报警浓度为5 000～10 000ppm。

2.2 TGS813的工作原理

TGS813的探测原理是基于气敏元件表面气体的化学吸附作用与解吸附作用［5］，TGS813气敏传感器的敏感素子，使用空气中电导率低的二氧化锡（SnO2）。当存在检知气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。传感器就是通过这种电导率变化，以电压方式输出检测信号，从而检测出气体的浓度。若将其置于具有一定浓度的可燃气体中，其电导率将升高，在一定范围内，可燃气体浓度越高，传感器电导率也越高；如果将传感器与负载串联，负载即引起电压变化，读取这一变化电压；经比较、放大即可实现报警与控制等功能［6］。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

2.2.1 灵敏度特性

图2 TGS813灵敏度特性Fig.2 The sensitivity characteristics of TGS813

传感器随被测气体含量变化而引起器件电阻比变化规律的特性称为灵敏度特性。图2所示为TGS813传感器的灵敏度特性，不同曲线表示不同气体、不同浓度时电阻比的变化规律［7］。图2中，R0为传感器在标准测试条件下、当空气中的甲烷浓度等于1 000×10－6时的电阻值，一般为5～15kΩ。R0的离散性较大，即使在相同气体浓度下，其输出值也不完全相同，但不会影响测量精度。这是因为与被测气体浓度成正比的是RS／R0的比值，只要保证RS／R0之间的线性关系，即使R0不同，测量电路的输出电压或输出电流随气体浓度变化的规律是相同的。

2.2.2 内部结构

图3为TGS813的内部结构，TGS813共有6个引脚，其中引脚1和引脚3短接后接回路电压，引脚4和引脚6短接后作为传感器的信号输出端，引脚2和引脚5为传感器的加热丝的两端，外接加热电压。TGS813传感器需要施加两个电压：加热器电压VH和回路电压VC。VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻RL上的两端电压VRL。只要能满足传感器的电气特性要求，VC和VH可以共用同一个电源电路。为了使敏感素子的功耗PS低于15mW的限度值需要选择适当的RL值［8］。功耗PS的计算公式

图3 TGS813内部结构Fig.3 The internal structure of TGS813

式（1）中，

3 硬件电路的设计

设计采用12V的直流电源，经IC78型三端稳压管输出8V的电压供给传感器加热电路和检测电路使用。一般三端集成稳压电路的最小输入／输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压。一般应使电压差保持在4～5V，故采用IC7808型三端稳压管，输出8V的稳定电压。具体电路如图4所示。

图4 整体电路图Fig.4 The whole circuit

3.1 传感器电路

TGS813气敏传感器的加热电压是5V，因此要给传感器的加热电路串联一个电阻使加热电路能够得到5V的正常工作电压。敏感元件与负载电阻R1、RL串联，由R1和RL两端的电压VRL变化检测传感器

信号。VRL可以由下面的公式计算得到，即

式（3）中，VC＝8V，VRL记为当前采样值，其大小随气体浓度、外界环境温度而变化。

由于TGS813传感器易受温度的影响，因此需要加温度补偿措施，一般采用热敏电阻对电路进行补偿。该温度补偿电路中，在比较器LM311的反相输入端（基准电压端）接入一个负温度系数的热敏电阻Rt。在温度降低时，Rt阻值增大，则反相输入端的基准电压降低；而温度升高时基准电压增大，从而可以跟踪温度的变化达到补偿的目的。表1给出了甲烷3 000ppm时空气报警时设置温度补偿电路与不设置温度补偿电路的比较。

表1 气体报警浓度的对比Tab.1 The comparison of the concentration of the gas alarm

3.2 比较器电路

图4中LM311是单比较器，它具有失调电压平衡调节端（或用作选通端），并且具有连接负载多样性及输出电流可达50mA的特点。该器件工作于单电源5～30V或±15V双电源；正电源工作电流为2.4mA（典型值），负电源工作电流为－1.3mA（典型值）；输入失调电压典型值为2mV；输入失调电流典型值为1.7nA，输入偏置电流典型值为45nA；电压增益典型值为200V／mV；响应时间典型值为200ns；输入电压范围为－14.7～13.8V。

根据所测气体浓度的范围设定比较器LM311的反相输入端V－的基准电压，由传感器电路输出的VRL进入比较器的同相输入端V＋，V－端电压与V＋端电压进行比较即可检测到是否有气体泄漏。当可燃性气体与传感器相接触并且浓度超标时，比较器正向输入端电压将会超过设定的基准电压，这时比较器输出高电平，使后面的三极管起到作用，从而驱动蜂鸣器进行报警工作。

4 结 论

利用气敏传感器TGS813及其他元件的特性，使其相辅相成，从而设计出高性价比的燃气报警装置［9］。该家用甲烷浓度监测装置电路简单，还可以根据用户需要和具体情况进一步改进该报警装置。如果向智能家居方向发展，可以加一个GSM模块，即使家里没人或者没有听到报警声音，也能通过发短信的方式及时通知用户，给报警加双保险。此装置推广到普通家庭，作为燃气洗澡装置和厨房可燃气的泄漏报警器，只要将其安装在燃气装置附近即可实现自动泄漏报警，应用前景广阔。

［1］ 李庆功，伍 东，谢 飞，等.居民住宅火灾危险及安全防火措施探析［J］.消防科学与技术，2009，28（6）：457－460.

［2］ 陈乐君，刘玉玲，余飞鸿.光声光谱气体探测器的新发展［J］.光学仪器，2006，28（5）：86－87.

［3］ 刘中奇，王汝淋.基于红外吸收原理的气体检测［J］.煤炭科学技术，2005，33（1）：65－68.

［4］ 李 巍，黄世震，陈文哲.甲烷气体传感元件的研究现状与发展趋势［J］.福建工程学院学报，2006，4（1）：4－8.

［5］ 潘庆谊，董小雯，张剑平，等.溶胶－凝胶法制备纳米级SnO2［J］.无机化学学报，1997，12（4）：494－498

［6］ 孙群英，鄢志丹，刘 鸣.气敏传感器的电路设计［J］.实验科学与技术，2006，4（3）：122－123.

［7］ 黄文科.费伽罗.TGS－813型气敏器件的特性研讨［J］.电子元件与材料，1994，13（3）：35－37.

［8］ 张红剑，也敦范，倪效勇.可燃气体传感器TGS813在多路数据采集电路中应用［J］.国外电子元器件，2007，7（11）：62－64.

［9］ 沈 悦，梁 坚.智能气体识别仪的研究［J］.仪器仪表学报，1998，31（2）：41－44.