基于LMP91000的便携式可燃和有毒双气体检测仪研制.docx

基于 LMP91000 的便携式可燃和有毒双气体检测仪研制朱亮【期刊名称】安全、健康和环境【年(卷),期】2019(019)005【总页数】4 页(P15-18)【关键词】气体检测; 气体检测仪; 低功耗性能; 有毒有害气体【作 者】朱亮【作者单位】中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室 山东青岛 266071【正文语种】中 文1 石化企业气体检测特点石化企业涉及的有毒有害气体包括可燃气、H2S、VOCs、CO、NH3、SO2 等， 这些气体可分为可燃类和毒性类，前者泄漏容易造成火灾爆炸，后者泄漏容易造成人员中毒伤亡，特别是 H2S 气体，容易带来闪电式中毒1。目前，针对这些气体的检测，从原理上划分主要有半导体型、催化燃烧型、电化学式、红外式、光电离式2,3，其对比如表 1 所示。从安全角度考虑，对现场人员威胁最大、最直接的是由于可燃气体泄漏而引发的火灾爆炸，以及毒性气体泄漏引发的人员中毒，例如硫化氢中毒、一氧化碳窒息等。根据某炼化装置设计建造和安全生产运行数据统计，现场安装的固定式气体报警器85%以上为可燃气和硫化氢 2 种，现场作业人员佩戴的便携式报警器 100%为可燃气和硫化氢报警器，可燃气和硫化氢 2 种气体检测是石化行业最常见的组合。这 2 种气体分别基于催化燃烧和电化学原理传感检测，其输出信号非常微弱，通常采用多级 A/D 放大完成信号调理，容易造成信号稳定性不好、一致性差、干扰中毒等问题4-6。因此，设计一种高效率、稳定的气体传感调理电路，对于保证现场作业人员安全防护很有必要。2 基于 LMP91000 的气体检测调理电路设计2.1 LMP91000 可配置前端模拟芯片表 1 石化气体检测原理对比检测原理 检测特点 检测气体 适用性半导体灵敏度高、响应快、对环境气体的单一性要求比较高 SnO2、ZnO、CO、NH3、H2 等主要用于燃气、CO 等气体检测催化燃烧可检测各种可燃气体,具有广谱性,稳定性好,成本低绝大多数可燃性气体普遍用于石化、矿井隧道等领域电化学式可连续检测,具有一定抗毒性,成本低 CO、H2S、SO2、NH3、HCl、NO2 等普遍用于石化行业气体泄漏报警红外式精度最高,维护成本低,但是价格昂贵适用于具有长链的碳氢化合物石化行业重点工艺部位使用光电离式响应快、可连续检测、线性范围宽,抗毒性好,相对较贵适用于易挥发有机化合物,包含 400 多种 VOCs,以及部分无机有毒气体普遍用于石化行业 VOCs 浓度检测LMP91000 芯片是业界首款可全面配置的低完整的信号路径解决方案。设计三电极气体传感、双端氧气传感调理电路设计时，通过微控制器 I2C 接口设置跨阻抗增益值，LMP91000 就可输出与气体浓度成比例的电压值，气体传感信号调理灵敏度高，可调理检测范围宽，每百万分之一体积浓度气体灵敏度为 0.5 nA 至 9500 nA，满足有毒有害气体检测应用需求，并且内置的温度传感可提供附加输出， 进行温度补偿，结合气体传感器特性，获得稳定的线性。工作电压范围在 2.75.5 V 之间，气体检测电路功耗平均值低至 10 A，相较于传统的多级 A/D 放大具有电路功耗低、稳定性好、电路简单的特点，基于该芯片完成了可燃气和硫化氢检测调理电路设计。2.2 双气体检测调理电路设计可燃气和硫化氢传感器分别基于催化燃烧和电化学原理。可燃性气体在催化剂作用下氧化无焰燃烧，温度增高，元件阻值增加，打破电桥的平衡，使其电阻值发生变化，产生微小的电压差信号，每百分之一爆炸下限体积浓度的信号灵敏度不超过20 mV；硫化氢气体与电解质发生化学反应产生电流，这一电流与气体浓度成正比，每百万分之一体积浓度气体灵敏度不超过 0.7 A，通过检测以上微弱的电压电流信号获得可燃气和硫化氢气体的浓度。基于 LMP91000 的双气体传感检测调理电路如图 1 所示，可燃气和硫化氢气体传感器分别连接一片 LMP91000，检测信号通过 I2C 接口与 CPU 相连，CPU 控制 MOS 管 Q1 实现两种气体检测切换， 并配置 LMP91000 内部寄存器，获得最适合的信号放大和最优的信噪比。图 1 双气体传感检测调理电路3 硫化氢可燃气双气体检测仪研制3.1 硬件电路硫化氢可燃气双气体检测仪以 STM32 微处理器为核心，两路传感器信号通过 I2C 接口和 IO 使能端控制接入，输入高信噪比的气体检测信号，同时利用 LMP91000 温度检测特点，实时监控环境温度，以合理补偿传感器的温度影响。使用人员通过人机接口校准气体浓度、设置报警值等，当环境中可燃气体和硫化氢气体浓度超过报警值时，检测仪通过 OLED 显示和报警电路控制声、光、振动报警，提醒携带人员气体浓度超标，总体结构如图 2 所示。图 2 双气体检测仪总体结构3.2 软件设计图 3 所示为双气体检测仪软件流程。首先，根据可燃气和硫化氢传感器型号，利用 SensorAFE Designer 工具获得 LMP91000 寄存器参数，并确定报警值和显示控制模式，完成检测仪各种参数初始化；然后，根据微处理器 I/O 端口输出确定检测气体种类，完成浓度检测数据传输、温度补偿和数据处理；之后，根据检测的浓度值与设定值的差别，完成声光振动报警，并提供结果显示。图 3 双气体检测仪软件流程4 实验部分为了验证可燃气体和硫化氢双气体检测仪的准确性，在基于 LMP91000 的气体传感调理电路的稳定性的基础上，进行了气体浓度检测实验。4.1 实验条件及步骤实验采用浓度为 10.0 %LEL 和 60.0 %LEL 的甲烷标准气体、浓度为 24.9×10-6 和79.8×10-6 的硫化氢标准气体7，利用气袋灌装后，经过流量泵匀速抽气后自然扩散到双气体检测仪，流量泵抽气速度分别为 0.25 L/min 和 0.5 L/min。为了实验安全，以上实验在带有尾气处理装置的通风橱中进行。气体浓度检测实验步骤为：启动通风橱，检查系统是否完好，一人安全监护一人开展实验测试；在通风橱中将浓度为 10.0 %LEL 的甲烷标准气体灌装到气袋中， 通过软管连接流量泵后释放，流速设置为 0.25 L/min，记录检测值；关闭流量泵，1 min 后再开启，记录检测值，重复获得 3 组数据；将流速增大到 500 mL/s，重复步骤；将标准气体分别换成浓度为 60.0 %LEL 的甲烷标准气体、浓度为 24.9×10-6 和 79.8×10-6 的硫化氢气体，重复步骤；清除残留气体，实验结束。4.2 结果分析根据实验记录的气体浓度检测结果如表 2。表 2 甲烷气体浓度检测实验结果 %LEL标准气体浓度次数释放流速 0.25 L/min 时检测值释放流速 0.5 L/min 时检测值最大误差10.0110.310.30.3210.310.40.4310.310.30.360.0157.457.12.9257.657.32.7357.457.12.9由表 2 可知，甲烷标准气体浓度为 10.0 %LEL、60.0 %LEL 时，最大检测误差分别为 0.4 %LEL 和 2.9 %LEL，相对误差均小于 5%；由表 3 可知，硫化氢标准气体浓度为 24.9×10-6、79.8×10-6 时，最大检测误差分别为 0.5×10-6 和 2.3×10-6， 相对误差均小于 3%；由表 2 和表 3 各种标准气体浓度下的多次检测值可知，气体浓度检测几乎不受标准气体浓度释放速率的影响，检测值比较稳定，说明基于LMP91000 气体检测调理电路性能较好。表 3 硫化氢气体浓度检测实验结果 ×10-6标准气体浓度次数释放流速 0.25 L/min 时检测值释放流速 0.5 L/min 时检测值最大误差24.9125.325.30.4225.424.90.5325.325.20.479.8181.980.12.1282.180.72.3382.181.92.35 结语面对石化行业对有毒有害气体检测需求的不断增加，特别是检测多种气体时，传统的气体传感信号调理电路存在稳定性差、结构复杂的问题。针对此现状，研究设计了一种双气体检测仪，重点介绍了基于 LMP91000 完成了双气体检测调理电路设计和双气体检测仪设计，最后完成了可燃气和硫化氢气体在多种条件下的浓度测试实验。实验结果表明：基于 LMP91000 的硫化氢和可燃气双气体检测仪检测气体浓度的相对误差不超过 5%，气体检测性能稳定、功耗低、便携性好。可用于石化现场作业人员安全防护，检测现场环境中可燃气和有毒气体的浓度，超过爆炸限值和接触限值时及时给携带人员提供警示，从而保障人员安全。6 参考文献【相关文献】1 潘跃东.石化企业硫化氢中毒事故分析与防治J. 安全、健康和环境，2018，18(4):5-7.2 朱亮，严龙，邹兵，等. 便携式硫化氢检测仪J. 仪表技术与传感器，2011，48(3):31-33.3 马须敬，徐磊.气体传感器的研究现状与发展趋势J. 传感器与微系统，2018，37(5):1-4.4 智凌云，任鑫，李泓锦. 基于多传感器的石化装置有毒气体检测报警系统的设计J. 北华航天工业学院学报，2017，27(1):18-20.5 魏晓东，杨海.气体报警器检定工作中遇到的问题和解决办法J. 计量与测试技术，2018， 45(6):103-104.6 于明岩. 基于神经网络的电化学多气体传感器数据融合研究D. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2012.7 韩江振. 有毒有害气体标准物质的研究D. 石家庄：河北大学，2014.