CN106887107A - 一种针对电缆火灾的气体复合探测器 - Google Patents

一种针对电缆火灾的气体复合探测器 Download PDF

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Abstract

一种针对电缆火灾的气体复合探测器，包括CO传感器、CO2传感器、NOx传感器、CxHy传感器、信号放大电路、ADC模数转换电路、电源模块、微控制器和报警模块，CO传感器、NOx传感器和CxHy传感器发出的传感器信号均依次经过二级信号放大电路和ADC模数转换电路后输送给微控制器，CO2传感器发出的传感器信号则直接采用数字信号传输方式输送给微控制器，电源模块提供电源给各个传感器和微控制器，报警模块接收到微控制器发给它的控制信号后会以发光或/和鸣叫的方式进行报警。本发明具有极早期、高灵敏度、低误报率、抗环境干扰、寿命长的优点。

Description

一种针对电缆火灾的气体复合探测器
技术领域：
本发明属于火灾探测技术领域，具体讲是涉及一种针对电缆火灾的气体复合探测器。
背景技术：
由于电力电缆火灾高发性的特点，以及可能造成巨大损失的风险，亟需针对电力电缆火灾进行早期探测预警，及时进行灭火和应急处置程序。目前电力电缆火灾探测主要有以下几个方法：
(1)点式感烟探测作为市场上应用最为广泛的火灾探测手段，具有成本低、寿命较长等优点，但是容易受到水蒸气、灰尘等干扰，尤其是在电力电缆敷设复杂环境中，极易发生误报。
(2)缆式线型定温或者差温火灾探测技术对环境耐受性较强，相比于其他技术，可以较好的适应潮湿、腐蚀性场所，如果电力电缆长距离铺设，可以采用缆式线型感温探测技术。但是，电缆火灾往往先由热解阶段开始，产生大量的气体和烟雾，然后才会发生明火，温度明显上升。因此，感温探测从原理上决定了无法极早期探测电缆火灾。
(3)单一气体探测(目前市面上应用最多的是CO气体探测)可以在电缆火灾热解阶段发现异常情况，对气体选择性较好，灵敏度较高。但是，气体传感器容易受到污染，寿命不长，并且单一气体探测技术受环境响应较大，可靠性不高。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是，提供一种针对电缆火灾的气体复合探测器，该气体复合探测器具有极早期、高灵敏度、低误报率、抗环境干扰、寿命长等优点。
本发明的技术解决方案是，提供一种针对电缆火灾的气体复合探测器，该气体复合探测器包括：
CO传感器，所述CO传感器发出的传感器信号依次经过信号放大电路和ADC模数转换电路后输送给微控制器；
CO2传感器，所述CO2传感器发出的传感器信号直接采用数字信号传输方式输送给微控制器；
NOx传感器，所述NOx传感器发出的传感器信号依次经过信号放大电路和ADC模数转换电路后输送给微控制器；
CxHy传感器，CxHy传感器发出的传感器信号依次经过信号放大电路和ADC模数转换电路后输送给微控制器；
电源模块，所述电源模块提供电源给各个传感器和微控制器；
报警模块，所述报警模块接收到微控制器发给它的控制信号后会以发光或/和鸣叫的方式进行报警。
进一步的，所述CO传感器、NOx传感器和CxHy传感器各自独立配置一套信号放大电路和ADC模数转换电路。
进一步的，所述信号放大电路为二级信号放大电路。
进一步的，所述CO传感器为电化学传感器，其型号为TGS5042。
进一步的，所述CO2传感器(200)是利用非色散红外原理测量CO2气体浓度，其型号为CDM7160-B00。
进一步的，所述NOx传感器为电化学传感器，其型号为FECS41-250。
进一步的，所述CxHy传感器为催化燃烧式传感器，其型号为TGS6812。
进一步的，所述报警模块包括报警信号灯、蜂鸣器和驱动电路，所述驱动电路接收到微控制器的控制信号后用于驱动报警信号灯发光和驱动蜂鸣器进行鸣叫。
进一步的，每个传感器都具有单独报警信号灯，每个传感器拥有的报警信号灯数量为两个。
进一步的，所述蜂鸣器的数量为两个，分别为板载蜂鸣器和外置蜂鸣器。
与已有的火灾报警器相比，本发明针对电缆火灾产生的特殊气体，采用四种典型的气体传感器，结合变阈值算法，能够使探测器对电缆火灾初期气体产物非常敏感，任意一种气体浓度或者几种气体浓度处于较低水平均可以及时发出报警信息，保证探测的高灵敏度；同时又可以在一种或者几种气体传感器出现故障情况下，依旧保持着火灾探测功能的可靠性；温度、湿度、干扰气体等环境参数的变化，对不同种类的气体传感器影响不一样，通过对气体传感器输出值的修正，从而最大化的减小外界非火灾信号的干扰，因此，本发明具有极早期、高灵敏度、低误报率、抗环境干扰、寿命长等优点。
附图说明：
图1为本发明一种针对电缆火灾的气体复合探测器的整体构成图；
图2为本发明中二级信号放大电路的结构示意图；
图3为本发明中CxHy传感器采用的CxHy气体浓度探测电路结构示意图；
图4为本发明中报警模块的电路结构示意图。
具体实施方式：
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
请参照图1，本发明一种针对电缆火灾的气体复合探测器包括CO传感器100、CO2传感器200、NOx传感器300、CxHy传感器400、信号放大电路500、ADC模数转换电路600、电源模块700和报警模块900。所述CO传感器100利用传感器模块输出电流和CO气体浓度成正比特性，传感器信号依次经过信号放大电路500和ADC模数转换电路600后输送给微控制器800。所述CO2传感器200输出数据和微控制器800直接采用UART数字信号通讯。所述NOx传感器300输出与气体浓度有关的电流信号，依次经过信号放大电路500和ADC模数转换电路600后输送给微控制器800。所述CxHy传感器400输出与气体浓度有关的电压信号，依次经过信号放大电路500和ADC模数转换电路600后输送给微控制器800。所述电源模块700提供电源给CO传感器100、CO2传感器200、NOx传感器300、CxHy传感器400和微控制器800。所述报警模块900接收到微控制器800发给它的控制信号后会以发光或/和鸣叫的方式进行报警。
在本发明实施例中，所述CO传感器100、NOx传感器300和CxHy传感器400各自独立配置一套信号放大电路500和ADC模数转换电路600，且所述信号放大电路500采用为二级信号放大电路。请参照图2，二级信号放大电路500用两个OPA2336分别搭成跨阻放大和同向放大形式，OPA2336是TI公司的精密微功耗运放，其仅1pA的输入偏置电流对跨阻放大器来说是完美的，在此基础上提供了极低的功耗和输入失调。两级放大的输出被微控制器800内的ADC同时采样，在CO气体、NOx气体或CxHy气体浓度较低时，选用TGS_OUT2的值精度更高，即采用二级放大后的数值；在CO气体、NOx气体或CxHy气体浓度较高时后级放大器将饱和，此时用TPS_OUT1的值来计算气体浓度，即采用一级放大数值，这种方式既保证了低浓度时有很高的精度，也保证了整体气体浓度量程范围足够宽。OPA2336不到125uV的输入失调将量程切换时的非线性降至最低。
本发明实施例采用的CO传感器100为电化学传感器，其型号为TGS5042，其输出电流与CO气体浓度成正比。
本发明实施例采用的CO2传感器200为日本Figaro公司生产的CDM7160-B00，该传感器利用非色散红外(NDIR)原理测量CO2气体浓度，具有体积小、功耗低、精度高的优点，并且具有UART(异步收发)与I2C(同步串行总线)双数字接口，可直接输出气体浓度数字信号。
本发明实施例采用的NOx传感器为日本Figaro公司生产的电化学式传感器FECS41-250，该传感器具有对NOx有高灵敏度与高选择性，对NOx响应极快，线性输出，长寿命等优点，是检测NOx气体的理想选择。该传感器将NOx气体浓度输出为电流大小信号，关系为400±80nA/ppm，分辨率为0.5ppm。NOx传感器输出的电流信号经过和CO传感器输出信号类似的两级信号放大电路，输出给微控制器。
请参照图3，本发明实施例采用的CxHy传感器为催化燃烧式传感器TGS6812，该传感器具有与气体浓度成比例的模拟线性输出，免维护，体积小，耐久性好，稳定性高等优点。测量分辨率为1ppm，该模块将CxHy浓度转化为电压信号输出，关系式为：Vout(V)＝[CxHy浓度(ppm)/4000]+1.0。TGS6812的四个脚，其中1脚连接+3.0V，2脚连接GND，3和4脚互相连接且共同输出Vout信号。R1和R2的值均为1.2千欧，可变电阻VR的值为100欧姆。
本发明实施例采用的报警模块900分为报警信号灯、蜂鸣器及驱动电路三部分，其中每种气体都具有单独报警信号灯，在探测器周围设定足够多的报警信号灯，使在探测器四周360度均可见报警信号。蜂鸣器分为板载蜂鸣器和外置蜂鸣器，板载蜂鸣器功率小，用于探测器故障报警；外置蜂鸣器功率大，用于探测器火灾报警。请参照图4，本发明实施例设计了8个LED和两个蜂鸣器LS1和P2用于报警，每种气体浓度升高达到设定报警阈值，均会触发相应的两个LED灯发亮，两个LED灯分别布置于探测器两侧，便于人员围绕探测器360度可见报警灯光信号。为保证亮度和响度，使用一片大电流复合晶体管uln2003作为LED和蜂鸣器的电流驱动器。其中在板的蜂鸣器为3.3V供电，应选择支持3.3V的型号；外接蜂鸣器直接由VCC电源供电，可通过限流电阻R23调整响度。
相对于一般火灾类型，电力电缆火灾具有明显的特点。通常通讯电缆的护套材料为聚氯乙烯(PVC)，动力电缆外套材料为合成橡胶。在火灾起始阶段，PVC和橡胶会先经历升温、软化、降解和分解的过程。根据试验结果，聚氯乙烯和合成橡胶在降解和分解过程中会产生CO、CO2、NOx、CxHy等物质。根据裂解出来的CO、CO2、NOx、CxHy等气体，采用相应的气体传感器，可以在发生剧烈燃烧之前及时预警电缆火情。鉴于气体传感器容易受到污染，从而影响可靠性这一问题，本发明采用四种不同类型的传感器，结合权重耦合算法，可以在一种甚至几种传感器受到影响的情况下，系统整体上仍具有优良的探测报警和抗误报能力。
在算法设计上，本发明采用变阈值算法，每种气体的浓度对总的探测报警信号都具有一个权重，这个权重随着气体浓度的变化而变化，单独一种气体的浓度达到设定阈值，探测器即会发出报警；或者每种气体的浓度都处于较低水平，但是结合权重之后的加权值达到报警阈值，也会发出报警信号；当系统自检发现某一种气体传感器模块发生故障，其他几种气体浓度权重及报警阈值会发生变化，以使探测器依旧保持高灵敏度和高可靠性。
与已有的火灾报警器相比，本发明针对电缆火灾产生的特殊气体，采用四种典型的气体传感器，结合变阈值算法，能够使探测器对电缆火灾初期气体产物非常敏感，任意一种气体浓度或者几种气体浓度处于较低水平均可以及时发出报警信息，保证探测的高灵敏度；同时又可以在一种或者几种气体传感器出现故障情况下，依旧保持着火灾探测功能的可靠性；温度、湿度、干扰气体等环境参数的变化，对不同种类的气体传感器影响不一样，通过对气体传感器输出值的修正，从而最大化的减小外界非火灾信号的干扰。综上所述，本发明的电缆火灾气体复合探测器具有极早期、高灵敏度、低误报率、抗环境干扰、寿命长等优点。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：该气体复合探测器包括：
CO传感器(100)，所述CO传感器(100)发出的传感器信号依次经过信号放大电路(500)和ADC模数转换电路(600)后输送给微控制器(800)；
CO2传感器(200)，所述CO2传感器(200)发出的传感器信号直接采用数字信号传输方式输送给微控制器(800)；
NOx传感器(300)，所述NOx传感器(300)发出的传感器信号依次经过信号放大电路(500)和ADC模数转换电路(600)后输送给微控制器(800)；
CxHy传感器(400)，所述CxHy传感器(400)发出的传感器信号依次经过信号放大电路(500)和ADC模数转换电路(600)后输送给微控制器(800)；
电源模块(700)，所述电源模块(700)提供电源给各个传感器和微控制器(800)；
报警模块(900)，所述报警模块(900)接收到微控制器(800)发给它的控制信号后会以发光或/和鸣叫的方式进行报警。
2.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述CO传感器(100)、NOx传感器(300)和CxHy传感器(400)各自独立配置一套信号放大电路(500)和ADC模数转换电路(600)。
3.根据权利要求1或2所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述信号放大电路(500)为二级信号放大电路。
4.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述CO传感器(100)为电化学传感器，其型号为TGS5042。
5.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述CO2传感器(200)是利用非色散红外原理测量CO2气体浓度，其型号为CDM7160-B00。
6.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述NOx传感器(300)为电化学传感器，其型号为FECS41-250。
7.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述CxHy传感器(400)为催化燃烧式传感器，其型号为TGS6812。
8.根据权利要求1所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述报警模块(900)包括报警信号灯、蜂鸣器和驱动电路，所述驱动电路接收到微控制器(800)的控制信号后用于驱动报警信号灯发光和驱动蜂鸣器进行鸣叫。
9.根据权利要求8所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：每个传感器都具有单独报警信号灯，每个传感器拥有的报警信号灯数量为两个。
10.根据权利要求8所述的一种针对电缆火灾的气体复合探测器，其特征在于：所述蜂鸣器的数量为两个，分别为板载蜂鸣器和外置蜂鸣器。
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