CN1244812C - 便携式智能组合气体检测报警仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式智能组合气体检测报警仪，包括：多个不同种类的气体传感器，用于检测不同种类的气体；多个放大通道，分别对相应的气体传感器检测信号进行放大；一个模拟开关，在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路信号逐一送入模数转换电路；一个模数转换器，将模拟开关输出的模拟信号转换成数字信号；一个中央处理器，控制模拟开关的选通切换，并且读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果；一个显示部分，用于显示分析的结果；一个报警部分，根据超出预置值的分析结果进行声光报警。可以同时检测5种气体(包括氧气、易燃易爆气体和有毒有害气体)。

Description

便携式智能组合气体检测报警仪

技术领域

本发明涉及一种气体检测仪，特别是一种便携式智能组合气体检测报警仪。

背景技术

气体检测仪表是国防建设、环境检测、社会公共事业、工矿企业等领域必备的安全装备。随着社会的进步和科学技术的不断发展，气体检测仪表的应用领域越来越广，对仪器的使用性能要求也越来越高，原有的仪器已不再适应当今社会的实际需要，用现代化的先进设备取而代之势在必行。人们不再满足于只能测试单种气体的检测仪表，不再满足于单一的仪器功能，所需要的检测仪器种类越来越多，性能越来越优良，功能越来越完善，以便适用于各种不同的监测环境和场合。例如，在密闭的导弹阵地内会同时存在多种对人体有害的气体，为确保指战员的生命安全，加强对这些气体的实时监测是极为必要的。要做到对作业现场环境中的所有有毒有害气体进行监测，及时向现场作业人员发出危险报警，就要使用相应的气体监测仪器。

然而，目前在国内针对气体检测而设计的报警仪，最多只能同时检测多种有毒有害气体的便携式仪器尚不多见，如果在危险环境中同时存在多种有毒有害气体，则必须携带两台以上的仪器，这对于作业者来说是非常不便的。因此提出了开发多通道组合式有毒有害气体检测报警仪的设想，同时对环境中的多种气体进行监测，在同一个显示屏上读到各种被测气体的读数，这不仅可以简化工作人员的操作，减轻他们的负担，同时对仪器的维护也提供了极大的便利。

目前在国际市场上较为多见的多通道气体检测仪为四通道气体检测仪，如OLDHAM公司的MX21和Quest公司的MultiLog 2000，四通道气体检测报警仪在技术上已经较为成熟，目前还没有继续开发必要。然而，当工作现场需要监测的危险气体超过四种达到五种时，再使用四通道气体检测仪表进行测试显然已失去其安全性。这种情况在很多场合都会遇到，例如：作战时待蔽环境中可能会同时出现NO、HCN、Cl₂：、CH₄气体和缺氧的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式智能组合气体检测报警仪和检测方法，即在一台气体检测报警仪上可以放置五个不同类别的传感器，使其可以同时检测5种气体，并且用单片微处理器进行控制，使其向智能化方向发展。

本发明所提供的便携式智能组合气体检测报警仪包括：多个不同种类的气体传感器，用于检测不同种类的气体；多个放大通道，分别对相应的气体传感器检测信号进行放大；一个模拟开关，在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路信号逐一送入模数转换电路；一个模数转换器，将模拟开关输出的模拟信号转换成数字信号；一个中央处理器，控制模拟开关的选通切换，并且读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果；一个显示部分，用于显示分析的结果；一个报警部分，根据超出预置值的分析结果进行声光报警。

所述的气体传感器有12种，所述的放大道还有5个。

所述的5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道，氯气检测信号放大通道。

所述的5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道，臭氧检测信号放大通道。

所述的5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道；氯化氢检测信号放大通道。

此外，还包括一个键盘输入装置，以人工设置各种参数；以及一个电池检测电路。

所述的放大通道包括：I/V变换器，多级电压放大器以及极性切换器。

本发明所提供的便携式智能组合气体检测方法包括：检测不同种类的气体；分别对相应的气体传感器检测信号进行放大；在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路模拟信号逐一送入模数转换电路，变换成数字信号；读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果；显示分析的结果；根据超出预置值的分析结果进行声光报警。

本发明的可检测的气体种类包括可燃气，氧气和有毒有害气体，以便适应不同的需求。

下面结合附图以举例方式对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的外观图；

图2是取样器的结构图；

图3是本发明的原理图；

图4是本发明的放大通道原理图；

图5显示了本发明的中文菜单软件框架；

图6显示了本发明的实时监视软件框架；

图7显示了本发明的原始设置的软件框架；

图8是本发明的零点校正原理图。

具体实施方式

参见图1，本发明的便携式智能组合气体检测报警仪外壳采用抗磨损、高强度ABS材料。壳体经特殊处理，对无线电干扰(RF)有阻抗作用。上下壳体由螺丝拧紧固定。

在仪器内部装有印刷电路板、声光报警器件、电池盒、薄膜泵和高灵敏度传感器。

从外形上看，仪器正面有液晶显示器、键盘、发光报警灯和采光孔；仪器上部有气体检测窗口和报警声出口；右侧有充电器插孔。

参见图2，本发明的气体采样器专门为泵吸测量方式设计的配套部件有：采气罩、连接气管和取样器。

采气罩为黄色，在进行泵吸测量时将它叩在红色传感器采气窗口上，通过连接气管与取样气相连。取样器包括4部分：1个手柄、1个取样头和2个加长取气管配件。在操作时，可根据实际情况调整取样气的长度。取样头在设计时进行了特殊的处理，其目的是防止脏物进入气路。

参见图3，本发明的便携式智能组合气体检测报警仪包括：多个不同种类的气体传感器，用于检测不同种类的气体；多个放大通道，分别对相应的气体传感器检测信号进行放大；一个模拟开关，在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路信号逐一送入模数转换电路；一个模数转换器，将模拟开关输出的模拟信号转换成数字信号；一个中央处理器，控制模拟开关的选通切换，读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果：一个显示部分，用于显示分析的结果；一个报警部分，根据超出预置值的分析结果进行声光报警。此外，一个键盘输入装置，以人工设置各种参数；以及一个电池检测电路。

所述的气体传感器有12种。所述的放大通道有5个。因此，所述的放大通道有三种组合。

第一种组合：5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道，氯气检测信号放大通道。。

第二种组合：5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道，臭氧检测信号放大通道。

第三种组合：5个放大通道分别是：氧气检测放大通道，易燃易爆气体检测信号放大通道，氢化氰检测信号放大通道，一氧化氮检测信号放大通道；氯化氢检测信号放大通道。

参见图4，所述的放大通道包括：I/V变换器，二级电压放大器以及极性切换器。

参见图1，本发明的便携式智能组合气体检测方法包括：检测不同种类的气体；分别对相应的气体传感器检测信号进行放大；在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路模拟信号逐一送入模数转换电路，变换成数字信号；读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果；显示分析的结果；根据超出预置值的分析结果进行声光报警。

充电器

当仪器内部的电池需要充电时，充电器是必不可少的。将充电器直接插入220V_AC电源，在将充电器上的4芯插头接插到仪器的充电器插孔上，即可充电。

本仪器可监测对象包括：环境氧含量不足或过高、可燃性气体的危险浓度、以及在有毒气体中的暴露程度和NO(一氧化氮)、Cl₂(氯气)、HCN(氢化氰)的浓度。

传感器种类

本仪器采用最先进的英国C.T.公司的电化学传感器，传感器种类有：

氧气——O₂

易燃易爆气体——LEL

有毒有害气体——NO(一氧化氮)、NO₂(二氧化氮)、PH₃(磷化氢)、NH₃(氨)、HCN(氢化氰)、Cl₂(氯气)、SO₂(二氧化硫)、H₂S(硫化氢)、O₃(臭氧)、H₂(氢气)、HCl(氯化氢)、CO(一氧化碳)、CO₂(二氧化碳)等。

用户可以根据现场情况选择相应的传感器，可组合3种毒气传感器。

本发明已将可测气体种类扩大到12种{一氧化碳(CO)、硫化氢(H₂S)、氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氯气(Cl₂)、二氧化硫(SO₂)、磷化氢(PH₃)、臭氧(O₃)、氨气(NH₃)、氢气(H₂)、氰化氢(HCN)、氯化氢(HCl)}。

本发明有三种最基本的检测气体搭配方式，三种气体传感器的搭配方式和三种放大通道的搭配方式：

O₂(氧气)-LEL(易燃易爆气体)-HCN(氢化氰)-NO(一氧化氮)-Cl₂(氯气)

O₂-LEL-HCN-NO-O₃(臭氧)

O₂-LEL-HCN-NO-HCl(氯化氢)

传感器工作原理

本发明的便携式智能组合气体检测报警仪可测3大类气体，即：氧气、可燃气和有毒有害气体，这三类气体传感器的工作原理有很大的区别，分别为原电池原理；控制电位电解法原理；催化燃烧原理。

氧气传感器采用原电池传感器由阳极(铅)和阴极(金)，以及电解液构成，用薄膜将电极与外部隔开，被测气体透过此膜到达阴极，发生氧化还原反应。此时传感器将有一电压信号输出，此电压信号与空气中氧气浓度成正比关系。

可燃气传感器采用催化燃烧原理，是由一对在铂丝上处理多孔物载体，载体上浸渍有贵金属催化剂的工作元件、补偿元件组成。它与两只固定电阻构成检测桥路，当含有可燃性气体的空气扩散到检测元件上时，迅速进行无焰燃烧，产生的反应热使铂丝的电阻值增大，电桥失去平衡。这时电桥会输出一个变化的电压信号，这个电压信号与可燃性气体的浓度成正比。

有毒气体传感器采用控制电位电解法，也称定电位电解法，其传感器构造是在电解池内安置了三个电极，即工作电极、对电极和参比电极，并施以一定的偏置电压，以薄膜同外界隔开，内有电解液。被测气体透过薄膜到达工作电极，发生氧化还原反应，此时产生的电流与被测气体浓度成正比关系。

传感器安装

氧气和可燃气传感器的安装位置是固定的，但有毒气体传感器分7系列和4系列两种类型，在本仪器中7系列传感器的安装位置有一个，4系列传感器的安装位置有两个。

通道号

为使CPU能够识别传感器的位置，提出了通道号的概念。通道号与传感器位置的对应关系如图3所示。

通道1——氧气传感器

通道2——可燃气传感器

通道3——4系列有毒有害气体传感器

通道4——4系列有毒有害气体传感器

通道5——7系列有毒有害气体传感器

键盘功能

键盘键只有4个键，它们都是多功能的，可以完成参数设定、更改配置、仪器校准、开关气泵、屏蔽声音报警等操作。

▲键和键：在菜单窗口中为上下移位键；在输入数值时为加1和减1键；在气体检测时为开泵和关泵键。

①键：为开机键；修改数值时为移位键：其它情况下为取消键。

键：气体测量时为消声键；其它情况下为确认键(回车键)。

中文菜单

仪器开机后便自动进入中文菜单，共有7个选项，依次为：气体测量、调整时间、更改密码、零点校准、量程校准、原始设置、仪器关机。其软件框架如图5所示。

实时监测

在菜单上选择“气体测量”，便进入实时监测状态。在此状态下，仪器可同时检测1-5种气体，气体浓度值、计算单位及被测气体的化学分子式被依次显示出来。

仪器在进行气体测量的同时，还随时查询键盘动作，一旦某个键盘按下，便立即响应。其软件框架如图6所示。

3.6.3.4状态显示

在某测量通道未打开的情况下，对应通道显示位置处用横线来表示。

当某通道的气体浓度超过报警上限时，该通道显示行的右侧将出现一个实心三角形。

当某通道的气体浓度超过报警下限时，该通道显示行的右侧将出现一个空心三角形。

当某通道的检测信号过低时，该通道不再显示浓度值，而用4个向下的箭头来代替。

当某通道的气体浓度值超越一定量程值范围足时，该通道不再显示浓度值，而用4个向上的箭头来代替。

辅助功能显示

本仪器具有电池电压监测功能，电量示意图在气体测量的同时显示在屏幕的左侧。示意图上的横线越多，表明电量越足。

在电量示意图的上方是仪器预热标志(i)，当仪器还处在预热阶段时显示。

原始设置

在“原始设置”单元内，可以对各通道及其参数进行设定。

选定“设置通道”后，可以对仪器上的五个通道进行状态设定。当您安装上新的传感器时，可以设置“打开”通道，选择要测量的气体，并输入安装日期，以便查看传感器的使用时间。

在“设置参数”内，可以对已打开的通道进行参数设定，这些参数包括：传感器的基本量程，高级报警值和低级报警值，气体测量时数值的计算单位和显示格式。

可选的显示格式有3种：“****”、“*** .*”和“**.**”。在量程范围允许的情况下，增加小数点的位数，可以提高读数的分辨率。其软件框架如图7所示。

传感器应用电路技术

筛选了传感器后下一步急待解决的问题就是怎样将传感器的探测信号转换为电信号，传送给CPU进行分析处理。因为就毒气传感器而言：

各种传感器的输出信号量值大小不同。各种传感器的最大的输出信号(满量程)为6μA到120μA不等，相差20倍。CPU要读取这些信号必须将信号放大到一个统一的量值，放大倍数在1000-20000范围之内；

传感器的偏置电压有不同的要求，如NO和HCL气体传感器都有+300mV的偏压要求；

传感器输出信号的极性，如测量CO、H₂S、SO₂、NO、H₂、HCN、HCL为正极性输出传感器，而NO₂和Cl₂为负极性输出传感器；

就电路设计而言，在PK2000气体检测报警仪中，要设计三个通道来测量有毒有害气体，但是哪一个通道测量哪种气体(即使用哪种传感器)在设计时是不确定的，它们是在具体应用时根据实际需求进行配置的。因此，在设计时必须考虑各种可能，使它们可以兼容所有CITY公司的有毒有害气体传感器，实现可互换性。

参见图4，首先，将传感器输出电流转换为电压信号，然后使用了两极放大电路来实现检测信号放大，通过合理配置，可以将不同传感器的输出信号放大到1伏(满量程)内部标准信号，该电路具有较高的信噪比，有效的防止因输入信号过小容易引起失真的现象。

另外，针对不同传感器应用，通过选择性连接可以对电路进行搭配。在传感器需要偏置电压时，可以连通偏置电路；在传感器输出信号为负极性时，可以搭配反向电路。由此，实现了通用性的设想。

减少气体交叉干扰的电路技术

由于PK2000气体检测报警仪主要用途足进行多种气体混合检测，测试环境中必定会同时存在多种气体，各种气体之间是否会产生交叉干扰，如何克服交叉干扰，这是我们需要面对的问题。因为如果不能排除各种被测气体之间的交叉干扰，将严重的影响检测的准确性。

通过对CITY公司的传感器进行研究我们发现，4系列和7系列传感器的交叉干扰数据有所不同，如果进行适当搭配，可以减少交叉干扰的影响。例如测量0—20ppm二氧化硫的4系列和7系列的传感器分别是4S和7SH传感器，相对硫化氢的交叉干扰灵敏度分别是1％和130％。显而易见，选择4系列传感器是克服硫化氢交叉干扰的最好办法。但是，4系列和7系列的最大区别是传感器的体积大小不同：4系列小，7系列大。为了能够，两者兼顾，我们将PK2000气体检测报警仪内部的三个检测毒气的通道进一步细分：一个通道用7系列传感器，另外两个通道使用4系列传感器。

智能化调控技术

以往对单点仪器进行标定时采用的方法一般足借助工具调整报警仪内的电路上的电位器，但是这种方法对PK2000气体检测报警仪不适用，因为该报警仪有五个气体检测通道，故有五组标定电路，至少有十个调整点。(每组两个调整点，一个调零点，一个调跨度)。这么多的点不可能再用老方法进行标定维护。解决这个问题的办法就是利用CPU进行自动化调控，采用方法如下：

校准零点时(见图8)，测量信号经前级放大后变成“零点信号1”。CPU检测“零点信号2”，该信号非零时，CPU自动调控电子电位器的W端，改变“参考电位2”，对“零点信号1”进行修正，直至“零点信号2”为零。

跨度标定时，CPU将读取的测量值与预先输入的标准气体浓度进行比较，算出比例系数k。

实时检测时，将读到的数值和比例系数k带入换算公式，就可以求出实际气体浓度。

本发明具有以下特点

1)五种气体同时检测能力

本发明独创了五通道组合式气体检测报警方式，可以同时检测5种气体(包括氧气、易燃易爆气体和有毒有害气体)。根据需要，用户也可以控制检测通道的开关模式，只有“开”模式的通道具有检测能力。所有通道的检测数值可以被同时地、实时地显示在一个液晶屏幕中。任何一种被测气体超过危险警戒线时，都可以激活报警系统。报警系统包括三种报警方式：报警声、报警灯、报警图像。

虽然PK2000报警仪具有五个气体检测通道，但是它的结构十分紧凑，仪器的体积却非常小巧，外形结构尺寸只有144×113×64mm(1041cm³)。该尺寸甚至小于国外的四通道气体检测仪。如OLDHAM公司的MX21多种气体检测仪，它的外形尺寸为236×119×61mm(1713cm³)。

2)混合型传感器应用电路设计

在PK2000报警仪中，对气体检测采样电路进行了特殊设计处理，使其能够与各种不同配置要求的传感器进行兼容，使可测毒气种类扩大到十余种(一氧化碳(CO)、硫化氢(H₂S)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氯气(CL₂)、二氧化硫(SO₂)、磷化氢(PH₃)、氨气(NH₃)、氢气(H₂)、氰化氢(HCN)、臭氧(O₃)、氯化氢(HCL)，测量这些气体的传感器可在三个毒气专用通道上随意组合、搭配使用。

3)交互式中文菜单界面

在国内外便携式气体检测仪表上，显示方式多采用液晶数码显示或者采用点阵式液晶字符显示。中国产品大多采用的是液晶数码显示方式；如果要显示测量数据和文本信息，则必须采用点阵式液晶字符显示方式。可以在一些进口仪器上看到文本显示，当然这些文本都是英文的。由于报警仪为智能化检测仪表，许多操作过程必须按照菜单提示进行，所以，为了使中国用户能快捷、方便的使用PK2000报警仪，正确操作菜单，特别将显示进行了汉化处理，用大屏幕点阵式液晶显示器来显示中文文本，直观明了。用户可以通过菜单提示进行参数设置、仪器维护、以及实时检测等。

4)自动化操作与维护的程序设计

仪表智能化是当今电子产品的发展方向，也是各国、各公司在仪表设计开发上的主要竞争方面。仪表智能化可以拓展应用，简化维护过程。报警仪通过内部程序实现了以下主要功能。

自动标定

用户只需要按照菜单提示，按动若干个键盘，就可以轻松完成仪器的标定过程，其余的任务由仪器内部程序自动完成，并可记忆标定日期、如参考电位调控，实现对仪器标定点进行自动化标定。

气体检测

CPU自动循环读取检测数值，根据标定系数对读取值进行处理，得到准确的被测气体浓度后进行显示和执行相应的报警动作。

仪器维护

仪器设有密码保护功能，可以控制仪器的维护权限，由CPU对密码进行识别。防止未获得权限的人员进行误操作。

复合防爆

仪器采用了本质安全型和隔爆型复合设计技术，使仪器能够同时满足安全防爆和新颖轻巧的壳体设计要求。

背光控制

PK2000报警仪显示器背光的控制电路采用了独特的设计构思。为了节省电池的能量消耗，在电路设计时，对点亮背光的条件和点亮时间进行了限制，只允许用户在低于某个光照度条件下点亮显示屏背光20秒左右的时间。

Claims (7)

1、一种便携式智能组合气体检测报警仪，包括：

多个不同种类的气体传感器，用于检测不同种类的气体；

多个放大通道，分别对相应的气体传感器检测信号进行放大，所述多个放大通道包括：一个氧气检测放大通道，一个易燃易爆气体检测信号放大通道，和三个毒气检测放大通道；

一个模拟开关，在中央处理器的控制下选通多个放大通道之一的输出，把各路信号逐一送入模数转换电路；

一个模数转换器，将模拟开关输出的模拟信号转换成数字信号；

一个中央处理器，控制模拟开关的选通切换，并且读取经模数转换的数据，经程序计算分析后输出分析结果；

一个显示部分，用于显示分析的结果；

一个报警部分，根据超出预置值的分析结果进行声光报警。

2、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，其中所述的气体传感器有12种。

3、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，其中所述的三个毒气检测放大通道分别是氢化氰检测信号放大通道、一氧化氮检测信号放大通道和氯气检测信号放大通道。

4、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，其中所述的三个毒气检测放大通道分别是氢化氰检测信号放大通道、一氧化氮检测信号放大通道和臭氧检测信号放大通道。

5、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，其中所述的三个毒气检测放大通道分别是氢化氰检测信号放大通道、一氧化氮检测信号放大通道和氯化氢检测信号放大通道。

6、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，还包括一个键盘输入装置，以人工设置各种参数；以及一个电池检测电路。

7、根据权利要求1所述的便携式智能组合气体检测报警仪，其中所述的放大通道包括：I/V变换器，多级电压放大器以及极性切换器。

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