CN201382913Y - 带传感器过浓度保护的气体检测器 - Google Patents
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Abstract
一种带传感器过浓度保护的气体探测器，包括一气体浓度传感器和一控制电路，所述控制电路包括：一微控制器，其具有一存储单元，用于存储用以控制探测器运行的应用程序；与所述微控制器电性连接的数/模和模/数转换模块；一可控电源，其控制端通过所述数/模转换模块与所述微控制器连接，其输出端和所述气体浓度传感器的输入端电性连接，根据所述微控制器的控制信号给所述微气体浓度传感器提供相应的电力供应；且所述气体浓度传感器的检测输出端通过所述模/数转换模块连接到所述微控制器。当MCU检测到超高气体浓度信号时，通过控制环改变或关断传感器的供电电压，降低了传感器的加热能源，使氧化反应的速率降低，进而保护了传感器免受损坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及用电、电化学的方法，借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的装置，特别是涉及一种使用依赖于与流体发生反应的电阻的气体探测器。
背景技术
为保证生产和生活的安全，在有可能发生可燃性气体泄漏的场所通常会安装有气体探测器，以在可燃气体达到一定浓度时进行报警。但是，当有大量可燃气体泄漏的事件发生时，这种高浓度的可燃气体，会令该范围内的气体探测器受到损坏，甚至使探测器失灵，从而给周围的人员和设备构成很大威胁。例如，在煤矿等矿山中使用的瓦斯监测传感器，如果在发生瓦斯严重泄漏时由于CH4浓度过高而使传感器失灵，使监测装置不能发挥正常的作用，则会导致瓦斯爆炸等严重的后果，给人民生命和财产带来巨大损失。
气体浓度过高会导致传感器失灵或性能下降的原因在于，可燃气体探测器一般为采用催化元件的接触燃烧式传感器，探测器里的气体传感器在高浓度下，其内含的催化剂加速消耗，使其灵敏度和响应速度等性能急剧恶化，而且这种现象是不可逆转的。同时，过高的气体浓度，也会产生过高的温度，进而使含催化剂的敏感材料中的催化剂遭到破坏，使其失去催化作用，造成传感器性能下降，缩短传感器的使用寿命。
因此保护探测器在高浓度下不受损坏，成为了气体检测领域的一个重要而迫切的课题。但是，数年来现有技术中对于此问题却并无改善。当前市售的可燃气体探测器均是只针对低浓度的气体检测而没有在高浓度下的有效保护措施。
例如，申请号为89209343.9，公告号为CN2052902U，名为“接触燃烧式气敏传感器”的中国实用新型专利公开了一种使用恒流源为一气敏元件提供工作电流，当环境中存在欲报警的气体时，气敏元件的电阻发生变化从而致使其所在的惠斯通电桥失去平衡并产生输出的气体探测器。其电路原理如附图1所示，由桥式检测电路、恒流源电路、输出控制电路组成。其中桥式检测电路由气敏元件S1，温度补偿元件S2，电阻R19，R20组成。温度补偿元件S2用来维持桥路随温度变化的平衡。当有欲报警的气体(如甲烷等)时，气敏元件S1的阻值发生变化，破坏了桥路的平衡，产生电信号输出；恒流源电路由高精度稳压源WY(W723)、高频大功率管T1(3CAIE)、电阻R1-R11、电容C1，C2，稳压管D1，电感L组成。其输入为直流24V电压，调整电阻R2，使稳压源WY的5脚电位与取样电阻R8上的电压降相等，则稳压源WY的输出达到稳定，由此来控制高颇大功率管T1的输出。而这个输出大小是由气敏元件S1的加热电流决定的，也就是说，根据所选用的气敏元件S1来调整电阻R2使恒流源达到所需的电流。其中的电感L和电容C1、C2构成平滑电路。稳压管D根据输出电压选定。电阻R9-R11组成调平衡电路。调整电阻R10，使桥路在零状态下平衡；输出控制电路由电容C3、C4，电阻R12-R18、运算放大器F(F741)、三极管T2(3CG120C)组成。由桥式检测电路检测到的信号，经电容C3、C4，电阻R18滤波，加到运算放大器F的输入端，运算放大器F的输出端经电阻R13，与三极管T2的基极相连，三极管T2的发射极经电阻R12与直流电压12V正极相连，T2的发射极与运算放大器F的负相输入端之间设有可调电阻R14，三极管T2的集电极为电流输出端，运算放大器输出的电压信号经三极管T2变换为电流信号，其输出电流信号的大小通过调整电R14来实现，输出电流的调整范围在4-20mA。符合工业上通用的标准。
该专利的公告日期为1990年2月14日，但时至今日，业界接触燃烧式气敏传感器所使用的工作原理和应用技术仍是大体如此。
发明内容
本实用新型的目的在于解决当前使用的气体探测器在环境中待测气体浓度过高时会导致传感器失灵或受到损坏灵敏度下降的问题。
为此，发明人提供了一种带传感器过浓度保护的气体探测器，包括一气体浓度传感器，其特征在于，所述气体探测器还包括一控制电路，所述控制电路包括：
一微控制器，其具有一存储单元，用于存储用以控制探测器运行的应用程序；
与所述微控制器电性连接的数/模和模/数转换模块；
一可控电源，其控制端通过所述数/模转换模块与所述微控制器连接，其输出端和所述气体浓度传感器的输入端电性连接，根据所述微控制器的控制信号给所述微气体浓度传感器提供相应的电力供应；
且所述气体浓度传感器的检测输出端通过所述模/数转换模块连接到所述微控制器。
本实实用新型的有益效果在于，可通过控制电路控制传感器的输入电压(或电流)，并且该传感器的输出经模/数转换后反馈到控制电路的微控制器，从而形成了闭环控制。当MCU检测到超高气体浓度信号时，它可以通过此控制环改变或关断传感器的供电电压，降低了传感器的加热能源，使氧化反应的速率降低，进而保护了传感器免受损坏。
附图说明
图1为现有的使用接触燃烧式气敏传感器的检测器的电路示意图；
图2A、2B为本实用新型的一实施例所使用的催化燃烧式传感器的原理示意图；
图3为本实用新型传感器过浓度保护电路的原理示意图；
图4是本实用新型的控制电路电路信号输出部分的一实施例示意图；
图5是本实用新型使用恒压式传感器的实施例结构方框图；
图6是本实用新型使用恒流式传感器的实施例结构方框图；
图7是本实用新型一实施例控制电路电路信号输出部分电路图；
图8是本实用新型一实施例恒压式传感器及控制电路图；
图9是本实用新型另一实施例恒流式传感器及控制电路图；
图10A、10B是本实用新型的过浓度保护流程示意图。
具体实施方式
气体检测器包括传感器和外围电路。传感器可使用现有技术中的产品，例如从市面购买或依据现有技术的原理制造。图2A为本实用新型的一实施例所使用的催化燃烧式传感器的结构原理示意图。该传感器为现有技术中的成熟内容，在此仅加以简要说明。一般来说，催化燃烧式传感器包括一半封闭的壳体201及一盖体202，所述盖体和所述壳体以一密封圈203密封。在所述盖体上设有传感头204以令环境中的气体进入，一端引出两根引线205与外部电路连接，在两根引线之间是传感球206。所述传感球206如图2B所示，其外层为多孔催化层207，内部是卷绕的铂丝208构成的电阻。当有带检测气体进入壳体内部并在多孔催化层207上的催化物质作用下发生催化反应时，会产生热量，从而使铂丝208的温度升高，电阻变大，通过对铂丝208电阻变化的检测来计算待检测气体的浓度。
图3为本实用新型带传感器过浓度保护的气体探测器的电路原理示意图。其中，图2A所示的传感器相当于图3中的测量元件301。在具体实施中，根据传感器的不同，也可以将补偿元件与测量元件甚至是整个惠斯通电桥均做入传感器产品之中，而构成以节点A，B作为输出引脚的整体产品。这些变化均是本领域技术人员根据现有技术很容易想到的，将不会影响本实用新型的保护范围。图3仅是为了对本实用新型的电路原理进行说明，其中，测量元件、补偿元件和电压检测电路可视为抽象的元件，其可为单独的元件也可为多个元件的组合，只要是能实现相应的功能的现有技术均可应用于此。该测量元件301可以是如图2A所示的催化燃烧式传感器，也可以是任何其他现有的催化燃烧式或其它气体传感器，只要能检测到待测气体的浓度变化，并将之转化为测量元件的等效电阻值的变化即可。所述补偿元件302用于进行温度补偿，其阻值应具有与测量元件相同的温度变化率，以避免环境温度的变化给测量结果带来干扰。例如补偿元件选用在结构上与测量元件相同的构成方式，只是不含有催化剂和氧化材料，不能参与氧化反应。而所述检测电路303则是用于对电桥的非平衡状态进行检测，一般是对节点A、B之间的电压进行检测，并通过信号转换，产生与气体浓度呈线性正向相关的输出信号，例如，可由检测电路303产生符合现有技术的行业标准的4-20mA DC标准电流信号；也可以检测电路303只产生一电压信号，并将之送入控制电路，而由控制电路将之转化为4-20mA DC标准电流信号或其它输出信号。而上述测量元件301、补偿元件302和检测电路303的具体实现形式则可以能实现上述功能的现有技术的任何元件或电路实现，例如图1所示的电路。
根据图3的本实用新型带传感器过浓度保护的气体探测器的电路原理图，带传感器过浓度保护的气体探测器包括一惠斯通电桥，在电桥的两个端点C、D之间包括两个支路；其第一支路包括串联连接的第一固定电阻304和第二固定电阻305，两个电阻之间形成第一节点A；其第二支路包括串联连接的补偿元件302和测量元件301，二者之间形成节点B；检测电路303的两个输入端连接在节点A和节点B之间，其输出端可以作为气体探测器的输出与外部的其它设备进行信号传输，同时，检测电路303的输出还反馈到控制电路306，控制电路306连接在气体探测器的供电电源307和惠斯通电桥的端点C、D之间，用以根据检测电路303的输出来控制C、D两点间的输入电压或电流；所述供电电源307可依实际需要，选择恒压源或恒流源。
图4是本实用新型的一实施例控制电路的信号输出部分原理方框图。该实施例是浓度传感器的检测电路303只产生一电压信号，并将之送入控制电路，而由控制电路将之转化为4-20mA DC标准电流信号或其它输出信号的情况。此时，浓度传感器产生的测量输出直接或通过A/D转换之后输入到微控制器MCU401，微控制器401将浓度传感器的信号处理之后通过数/模转换器402送至电压-电流转换单元403，电压-电流转换单元403将转换后的电流送至4-20mA电流发生器，以生成适于工业标准的4-20mA标准输出信号。同时，该生成的4-20mA标准输出信号还通过A/D(模/数转换)模块405之后反馈给微控制器401。
图5是本实用新型使用恒压式传感器的实施例传感器控制部分结构方框图。这里所谓恒压式传感器，是指传感器处于一定工作状态时在所述惠斯通电桥的两个端点C、D之间加以恒定的电压。整个气体探测器包括微控制器501、必要的A/D(模/数转换)模块505和D/A(数/模转换)模块502、电压控制电压源503以及恒压传感器504。
而在本实施例中，“恒压式传感器504”是包括图3所示的整个惠斯通电桥和检测电路303。该恒压式传感器504具有两个电压输入端，分别对应惠斯通电桥的端点C和D，用以控制补偿元件302和测量元件301之上的电压和；以及一个检测输出端，该检测输出端相当于检测电路303的输出端。
其中，所述恒压式传感器504的输出端通过一A/D(模/数转换)模块505连接到微控制器501的输入端口，将传感器的输出信号传送到微控制器501；微控制器501根据传感器的检测结果产生相应的控制信号，微控制器501的数字输出端口通过数/模转换模块502连接到电压控制电压源503的电压控制端，电压控制电压源503的电压输出端连接到恒压式传感器504的两个电压输入端。
图6是本实用新型使用恒流式传感器的实施例传感器控制部分结构方框图。其与图5的结构类似，这里所谓恒流传感器，是指传感器处于一定工作状态时在所述惠斯通电桥的两个端点C、D之间加以恒定的电流。整个气体探测器包括微控制器601、必要的A/D(模/数转换)模块605和D/A(数/模转换)模块602、电压控制电流源603以及恒流传感器604。
在本实施例中，“恒流式传感器604”是包括图3所示的整个惠斯通电桥和检测电路303。该恒流式传感器604具有两个流输入端，分别对应惠斯通电桥的端点C和D，用以控制补偿元件302和测量元件301之上的电压；以及一个检测输出端，该检测输出端相当于检测电路303的输出端。
其中，所述恒流式传感器604的输出端通过一模/数转换模块605连接到微控制器601的输入端口，将传感器的输出信号传送到微控制器601；微控制器601根据传感器的检测结果产生相应的控制信号，微控制器601的数字输出端口通过D/A(数/模转换)模块602连接到电压控制电流源603的电压控制端，电压控制电流源603的电流输出端连接到恒流式传感器604的两个电压输入端。
其中微控制器501、601可根据实际运用中对反应速度、精度和成本等的考虑而选用诸如单片机、PLC、CPLD、FPGA、DSP等任何具有数据处理能力的元件，并且，根据元件选型的不同，所述模/数转换模块505和数/模转换模块502也可以直接为集成在微控制器501之内。这些变化均将属于本实用新型的保护范围。根据本实用新型的一实施例，所述微控制器501、601使用MSP430F1232单片机。
关于图4、图5、图6所示的实施例，其中控制电路的信号输出部分和传感器控制部分可同时连接到微控制器而构成本实用新型气体探测器的整体方案。例如，可以是图4和图5组合，也可以是图4和图6的组合。
下面结合图7-图9到本实用新型的具体电路实现进行说明。
图7是如图4所示的方框图的一种具体实施方式，其中微控制器CPU为自带A/D和D/A转换。
本实施例控制电路的信号输出部分主要用以根据检测电路的检测电压产生4-20mA的标准输出，该检测电压通过CPU的另外模拟量输入端口输入，在图中未示出。该部分包括：第一比较器U2A和第二比较器U2B，以及双极性晶体管N1，其中，所述CPU的模拟输出端口DAC连接到第二比较器U2B的反向输入端，第二比较器U2B的输出端通过一电阻R76连接到双极性晶体管N1的基极；在第二比较器U2B的输出端和反向输入端之间连接有第一滤波电容C73；双极性晶体管N1的集电极接高电压，晶体管N1的发射极则通过输出电阻R75输出4-20mA的电流信号；同时，为对输出的4-20mA的电流信号进行采样，在所述输出电阻的两端分别连接到运算放大电路701的两个输入端。所述运算放大电路701由第一比较器U2A和相应的输入电阻R71、R72、R70、以及反馈电阻R79构成。所述运算放大电路701的输出端反馈连接到CPU的模拟信号输入端。
图8是图5所示的方框图的一种具体实施方式，其中微控制器CPU为自带A/D和D/A转换。本实施例中，CPU的模拟电压输出端DAC经线性稳压器LDO稳压后连接到传感器的一个电压输入端，传感器另一电压输入端接地。同时，传感器的非零电压输入端还反馈连接到CPU的模拟电压输入端ADC，以便于CPU对传感器的两端电压实施精确反馈控制。较佳地，在传感器的两个电压输入端之间并联连接一电容SMD_CAP，本实施例中，使用一表贴电容。而传感器的检测输出电压则通过CPU的另一模拟量输入端口输入到CPU，在本图中并未示出。
图9是是图6所示的方框图的一种具体实施方式，其中微控制器CPU为自带A/D和D/A转换。而传感器的CPU的模拟量输出端DAC连接到第三比较器U2C的反向输入端，第三比较器U2C的输出端通过一电容C93反馈到其反向输入端；同时还通过一电阻R95连接到三极管N2的基极，而三极管N2的集电极c连接到恒流传感器的一输入端，恒流式气体浓度传感器的另一输入端接工作电路标准高电压Vcc。三极管N2的发射极通过并联连接的电容C92和电阻R94接地，同时，该集电极端还反馈连接到该第三比较器U2C的正向输入端，同时连接到CPU的一模拟输入端ADC。以保证恒式气体流浓度传感器可根据CPU的模拟输出获得相应的稳定电流输入。检测输出信号则通过CPU的另一模拟量输入端口输入到CPU，在本图中并未示出。
下面结合图10A、10B对本实用新型的过浓度保护工作流程进行说明。为保护传感器不受损坏，本实用新型的发明人设计希望当环境中待检测的气体浓度超过其测量范围或达到一定预订限度时，通过关断传感器的电源使传感器自动进入休眠状态，在休眠状态下，传感器的输入电压或电流降低到一个比正常工作水平低的程度，并周期性的检测气体浓度，当检测到气体浓度恢复到其测量范围之内时，探测器自动进入正常的检测状态，从而保护传感器在高浓度时不受到损坏。
同时，由于可燃性气体的探测器通常会结合报警装置配套使用，本实用新型的优选实施例为微控制器电性连接有显示器、各种有线或无线通信接口以及报警器中的一种或一种以上，亦可连接其全部。
根据上述方法，本实用新型的过浓度保护工作流程为由微控制器501(或601)控制，以存储在微控制器的存储单元内的预定程序，控制其执行以下步骤，如图10A所示：
首先对系统进行初始化，令探测器工作在正常的检测状态；
然后进入一个循环程序，在循环体中顺序执行：
对检测电路的输出进行A/D转换，获得待测气体浓度的检测值；
执行超浓度判断，判断该气体浓度的检测值是否超过一预定阈值；
当其未超过预定阈值时，执行正常的检测处理程序，包括报警处理，数据显示和通讯处理；
当该气体浓度的检测值是否超过一预定阈值，依次执行关断传感器电源，开启定时器中断，并进行过浓度报警；
其中，在定时器中断程序中，如图10B所示，系统按定时周期依次执行以下步骤：降低传感器的输入电压(对恒压式传感器)，读入当前气体浓度的检测值，判断其是否小于预定阈值，如果小于预定阈值，则关闭定时器中断，中断返回，进入正常检测。
综上所述，本实用新型可通过控制电路控制传感器的输入电压(或电流)，并且该传感器的输出经模/数转换后反馈到控制电路的微控制器，从而形成了闭环控制。当MCU检测到超高气体浓度信号时，它可以通过此控制环改变或关断传感器的供电电压，降低了传感器的加热能源，使氧化反应的速率降低，进而保护了传感器免受损坏。
Claims (10)
1、一种带传感器过浓度保护的气体探测器，包括一气体浓度传感器，其特征在于，所述气体探测器还包括一控制电路，所述控制电路包括：
一微控制器，且其具有一存储单元，用于存储用以控制探测器运行的应用程序；
与所述微控制器电性连接的数/模和模/数转换模块；
一可控电源，其控制端通过所述数/模转换模块与所述微控制器连接，其输出端和所述气体浓度传感器的输入端电性连接，根据所述微控制器的控制信号给所述微气体浓度传感器提供相应的电力供应；
且所述气体浓度传感器的检测输出端通过所述模/数转换模块连接到所述微控制器。
2、根据权利要求1所述的气体探测器，其特征在于，所述气体浓度传感器包括：
一惠斯通电桥，在电桥的两个输入端点C、D之间包括两个支路；其第一支路包括串联连接的第一固定电阻和第二固定电阻，两个电阻之间形成第一节点A；其第二支路包括串联连接的补偿元件和测量元件，二者之间形成节点B；检测电路的两个输入端连接在节点A和节点B之间，其输出端作为气体浓度传感器的输出端。
3、根据权利要求2所述的气体探测器，其特征在于，所述测量元件为催化燃烧式传感器。
4、根据权利要求1所述的气体探测器，其特征在于，所述气体浓度传感器为恒压式气体浓度传感器，且所述电源为电压控制电压源；所述气体浓度传感器的输出端通过一模/数转换模块连接到微控制器的输入端口，将传感器的输出信号传送到微控制器；微控制器用于根据传感器的检测结果产生相应的控制信号，微控制器的数字输出端口通过一数/模转换模块连接到一电压控制电压源的电压控制端，电压控制电压源的电压输出端连接到气体浓度传感器的两个电压输入端。
5、根据权利要求1所述的气体探测器，其特征在于，所述气体浓度传感器为恒流式气体浓度传感器，且所述电源为电压控制电流源；所述气体浓度传感器的输出端通过一模/数转换模块连接到微控制器的输入端口，将传感器的输出信号传送到微控制器；微控制器用于根据传感器的检测结果产生相应的控制信号，微控制器的数字输出端口通过一数/模转换模块连接到该电压控制电流源的电压控制端，电压控制电流源的电流输出端连接到气体浓度传感器的两个电压输入端。
6、根据权利要求1所述的气体探测器，其特征在于，所述控制电路的微控制器和数/模转换模块和模/数转换模块为用一集成的CPU实现，且该控制电路还包括4-20mA信号生成电路，其包括第一比较器(U2A)和第二比较器(U2B)，以及双极性晶体管(N1)，其中，所述CPU的模拟输出端口连接到第二比较器(U2B)的反向输入端，第二比较器(U2B)的输出端通过一电阻(R76)连接到双极性晶体管(N1)的基极；在所述第二放大器(U2B)的输出端和反向输入端之间连接有第一滤波电容(C73)；双极性晶体管(N1)的集电极接高电压，双极性晶体管(N1)的发射极则通过输出电阻(R75)输出4-20mA的电流信号；所述输出电阻(R75)的两端分别连接到一运算放大电路(701)的两个输入端，所述运算放大电路(701)的输出端反馈连接到CPU的一模拟信号输入端。
7、根据权利要求4所述的气体探测器，其特征在于，所述控制电路的微控制器和数/模转换模块和模/数转换模块为用一集成的CPU实现，且该控制电路还包括一线性稳压器(LDO)，所述CPU的模拟电压输出端经线性稳压器(LDO)稳压后连接到气体浓度传感器的一个电压输入端，气体浓度传感器另一电压输入端接地；且该气体浓度传感器的该非零的电压输入端还反馈连接到该CPU的模拟电压输入端。
8、根据权利要求7所述的气体探测器，其特征在于，所述气体浓度传感器的两个电压输入端之间并联一电容元件(SMD_CAP)。
9、根据权利要求5所述的气体探测器，其特征在于，所述控制电路的微控制器和数/模转换模块和模/数转换模块为用一集成的CPU实现，且该控制电路包括还包括一第三比较器(U2C)和一三极管(N2)，其中：
所述CPU的模拟量输出端连接到第三比较器(U2C)的反向输入端，第三比较器(U2C)的输出端通过一电容(C93)后反馈到其反向输入端；同时还通过一电阻(R95)连接到该三极管(N2)的基极，而该三极管(N2)的集电极连接到该恒流式气体浓度传感器的一输入端，恒流式气体浓度传感器的另一输入端接工作电路标准高电压(Vcc)，该三极管(N2)的发射极通过并联连接的一电容(C92)和电阻(R94)接地，同时，该集电极端还反馈连接到该第三比较器(U2C)的正向输入端，以及同时连接到CPU的一模拟输入端。
10、根据权利要求1所述的气体探测器，其特征在于，所述气体探测器还包括连接到所述控制电路的一显示装置和/或一报警装置。
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