CN2098712U

CN2098712U - 便携式低功耗数字气体检测仪

Info

Publication number: CN2098712U
Application number: CN 91218696
Authority: CN
Inventors: 金基优
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1992-03-11

Abstract

一种便携式低功耗数字气体检测仪，可检测各种环境中可能存在的某种易燃、易爆、有害气体浓度，并在该气体浓度超限时发出报警信号。目前此类仪器大都采用简单供电方式，功耗大，传感器寿命短。本实用新型的特征是：设置了状态控制电路、值警状态识别电路等，使仪器工作状态随被测气体浓度变化而自动改变，从而功耗降低，传感器使用寿命延长，同时免除了误测、漏测和误报警。

Description

本实用新型是一种用以检测各种环境中可能存在的某种易燃、易爆、有害气体浓度，并在该气体浓度超限时发出报警信号的检测仪器。

目前生产的便携式气体检测仪大致可分两类。一类是连续测量型。这类仪器大都采用简单的供电方式，因而功耗大。如“SWJ－1A数字沼气测定仪”等。这类仪器中有的为减小功耗而采用自动间断测量方式，如“JJ－1型袖珍甲烷检测器”（引自《煤矿安全仪器手册》）。由于传感器受频繁的电流冲击，因而影响使用寿命；同时，仪器在被测气体浓度临近超限时仍处于间断测量状态，对突变的被测气体浓度存在误测、漏测的危险。另一类是点测型，这类仪器仅用于不需要连续测量的场合。

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，设计一种功耗低、寿命长、性能可靠的气体检测仪。

本实用新型由传感器电桥、主放大器、超限检测及超限声光报警电路、数值显示电路、值警状态识别电路、状态控制电路、状态显示电路、断线检测及断线声光报警电路、电压检测及欠压声光报警电路、电压调整电路、电源及电源变换电路等部分组成。其特征是：用状态控制电路控制电压调整电路，使其在值守状态下提供传感器电桥以周期性变化的工作电压。用状态控制电路控制超限检测电路，免除误报警。用状态控制电路控制数值显示电路，使数值显示稳定、准确。

本实用新型用值警状态识别电路判别被测气体浓度是否达到警戒浓度值。当被测气体浓度达到警戒浓度值时，值警状态识别电路输出低电平，仪器自动进入连续测量的警戒状态。

本实用新型的状态控制电路可由双时基电路IC₄、四双向开关IC₇、四异或门IC₈、二极管V₄、V₁₇、电阻R₁₁、R₂₅、R₂₆、R₂₇、电容C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄组成。R₂₅接在IC₄（1）、（4）脚间，R₂₆接在IC₄（1）、（2）脚间，C₁₁接在IC₄（3）、（7）脚间，C₁₂接在IC₄（6）、（7）脚间，IC₄（2）、（6）脚短接，IC₄（4）脚接电源正极。这样，IC₄／2与R₂₅、R₂₆、C₁₁、C₁₂组成无稳态振荡器，其信号由IC₄（5）脚输出。IC₄（5）脚与IC₇（3）脚连接。IC₇（3）、（4）、（5）脚间为一组双向开关，IC₇（5）脚接值警状态识别电路中IC₂（14）脚，无稳态振荡器输出信号经此开关由IC₇（4）脚接至V₁₇正极，V₁₇负极接电压调整电路中IC₅（5）脚，从而控制电压调整电路。IC₄（5）脚同时接IC₈（6）脚。IC₈（4）、（5）、（6）脚间为一异或门，IC₈（5）脚接电源正极，IC₄（5）脚信号经此门反相后由IC₈（4）脚输出接至IC₄（8）脚。R₂₇接在IC₄（12）、（14）脚间，C₁₃接在IC₄（12）、（7）脚间，C₁₄接在IC₄（7）、（11）脚间，IC₄（12）、（13）脚短接，IC₄（10）脚接电源正极。这样，IC₄／2与R₂₇、C₁₃、C₁₄组成单稳延时器，IC₄（8）脚接触发信号，输出端IC₄（9）脚接IC₇（2）脚。IC₇（1）、（2）、（13）脚间为一组双向开关，IC₇（13）脚接值警状态识别电路中IC₂（14）脚，单稳脉冲信号经此开关由IC₇（1）脚接V₄正极，V₄负极接R₁₁，R₁₁另一端接超限检测电路中IC_1－3（9）脚，进而控制超限检测电路和值警识别电路的比较基准电压。IC₄（9）脚同时接IC₈（9）脚。IC₈（8）、（9）、（10）脚间为一异或门，IC₈（8）脚接电源正极。单稳脉冲信号经此门反相由IC₈（10）脚输出。IC₈（10）脚接IC₇（6）脚。IC₇（6）、（8）、（9）脚间为一组双向开关，IC₇（8）脚接数值显示电路中IC₉（31）脚，IC₇（9）脚接主放大器输出电阻R₁₀。IC₇（6）脚上的反相的单稳脉冲信号控制此开关，使主放大器输出信号只在正常检测时间里送至数值显示电路。IC₇（10）、（11）、（12）脚间为一组双向开关，IC₇（8）、（10）脚短接，IC₇（9）、（11）脚短接，IC₇（12）脚接IC₈（3）脚，因IC₈（1）脚接电源正极，（2）脚接值警状态识别电路中IC₂（14）脚，当检测仪处于警戒状态时，IC₂（14）脚为低电平，IC₇（10）、（11）脚导通，主放大器输出信号送至数值显示电路IC₉（31）脚。当检测仪处于值守状态时，IC₇（10）、（11）脚阻断。

本实用新型的电压调整电路由集成运放IC₂、时基电路IC₅、VMOS管V₁₄、三极管V₁₆、二极管V₁₃、V₁₅、电阻R₂₃、R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、电容C₄、C₅、C₆、C₇、C₁₅、C₁₆、电感L₁组成。其中IC_2－3与R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇组成放大器，R₃₅一端接IC₂（9）脚，另一端接数值显示电路中IC₉（32）脚，R₃₆一端接IC₂（10）脚，另一端接电源正极，放大器由此得到稳定的2.8V电压。R₃₄接在IC₂（8）、（9）脚间，R₃₇接在IC₂（10）、（11）脚间，IC₂（11）脚接地，IC₂（5）、（8）脚短接，IC₂（6）、（7）脚短接，这样IC_2－2构成电压缓冲级。R₃₃一端接IC₂（6）脚，另一端接IC₂（2）脚，R₃₂一端接IC₂（3）脚，另一端接电压调整电路输出端C₇正极。IC_2－1与R₃₂、R₃₃构成比较放大器，其输出端IC₂（1）脚经R₃₁接IC₅电压控制端（5）脚。IC₅、R₂₉、R₃₀、C₁₅组成压控多谐振荡器。R₂₉接在IC₅（7）、（8）脚间，R₃₀接在IC₅（6）、（7）脚间，C₁₅接在IC₅（1）、（6）脚间，IC₅（2）、（6）脚短接。振荡信号由IC₅（3）脚输出。V₁₆的b极接IC₅（3）脚，V₁₆的e极接地，V₁₆的c极接V₁₄的G极。V₁₆接成倒相器。C₄一端、C₅正极、V₁₃正极、V₁₄D极均接电源正极，C₄、C₅另一端接地，V₁₃负极接R₂₃、C₆，R₂₃另一端接V₁₄G极，C₆另一端接V₁₄S极，V₁₅负极、L₁接V₁₄S极，V₁₅正极接地，L₁另一端接C₇正极，C₇负极接地。

值警状态识别电路由集成运放IC_2－4、电阻R₇、R₈、R₉、R₁₂、RP₃组成。R₇、R₈串联，R₈一端接地，R₇一端接IC₂（13）脚。R₉一端接IC₂（12）脚，另一端接RP₃滑动端。R₁₂与RP₃串联，R₁₂另一端接电压基准即IC₂（8）脚，RP₃另一端接地。IC₂（14）脚输出信号接至IC₇（5）、（13）脚、IC₈（2）、（13）脚。

本实用新型由于用状态控制电路控制电压调整电路，使电压调整电路在值守状态下周期性地供给传感器电桥以稳定的高、低两种工作电压，即在值态时为稳定的某一高电压，例如2.4V，仪器正常检测；守态时为稳定的一低电压，例如1.0V，传感器中有一维持电流，仪器处于待测守候状态。这样可使仪器功耗约降为同类仪器的百分之六十以下，同时可延长传感器使用寿命。状态控制电路对超限检测电路的控制，消除了误报警。状态控制电路对数值显示电路的控制，使数值显示稳定、准确。由于值警状态识别电路能在被测气体浓度达到警戒浓度值时使仪器自动由值守状态进入连续测量的警戒状态，消除了对突变的被测气体浓度误测、漏测的可能。

下列附图描述了本实用新型的一个实施例。

图1是外形图。

图2是方框图。

图3是电原理图。

图4是波形图。

图5是结构示意图。图中1上盖，2密封圈，3印制板，4扬声器，5电池组，6甲烷传感器，7下盖。

图6是印制板图。

图7和图8是图3的放大图。两图中A、B、C、D、E、F各点对应联接。

下面通过附图详细描述本实用新型的这个实施例。

附图3中，由催化元件RT₁、RT₂及电阻R₁、RP₁、R₂组成甲烷传感器电桥。当环境中因甲烷存在使电桥失去平衡时，其输出信号电压经IC_1－1及R₃、R₄、R₅、R₆组成的主放大器放大，经RP₂、R₇、R₈组成的分压器分压，分别送入IC_1－3、IC_2－4组成的超限检测电路和值警状态识别电路输入端。取样电阻R₈上的信号电压与RP₃上的基准电压比较，当信号电压高于基准电压时，超限检测器输出高电平，触发V₁₁及IC₃，使闪光二极管V₁₂发出红色闪光信号，同时扬声器发出起伏报警声。值警状态识别电路的输入信号由R₇、R₈取得。选取适当的R₇、R₈阻值，可以确定所需要的值守、警戒状态转折点，即确定警戒浓度值。

值警状态识别电路输出信号分别送至：

a、四双向开关IC₇控制端（5）脚，用以开关由IC₄及R₂₅、R₂₆、C₁₂组成的无稳态振荡器的输出信号，进而控制电压调整电路中的多谐振荡器。当值警状态识别电路输出为高电平，即为值守状态时，双向开关导通，无稳态振荡器输出的脉冲信号经此开关及V₁₇至IC₅的电压控制端（5）脚，使电压调整电路输出电压如图4（a）。在警戒状态时，双向开关阻断，电压调整电路输出稳定的2.4V电压。

b、四双向开关IC₇的控制端（13）脚，用以开关由IC₄及R₂₇、C₁₃组成的单稳延时器的输出信号，以控制超限检测电路和值警状态识别电路，使其比较基准在值守状态下的每一周期始端，即图4（d）中的t₃段呈现高电平，以免除传感器电桥的过冲信号产生误动作。

c、四异或门IC₈的输入端（2）脚。因其（1）脚接高电平，故该门输出反相的值警状态识别电路输出信号，进而控制四双向开关IC₇，使其（10）、（11）脚在值守状态时阻断，主放大器输出信号被阻断；在警戒状态时，主放大路输出信号经此开关送至数值显示电路。

d、四异或门IC₈的输入端（13）脚。当它为高电平，即值守状态时，该门输出与共另一输入端（12）脚信号，即A／D转换器7106（IC₉）背电极信号相反的方波，使液晶显示屏P₁（38）脚所接笔划“←”点亮，以示此时为值守状态；反之，当值警状态识别电路输出低电平，笔划“←”熄灭，表示此时为警戒状态。

IC₄为双时基电路。其一半与R₂₅、R₂₆、C₁₂组成无稳态振荡器，其振荡波形如图4（b）。因为t₁＝0.693（R₂₅＋R₂₆）·C₁₂t₂＝0.693·R₂₆·C₁₂，故选取适当的R、C值，可以得到所需要的脉冲信号周期和占空比。以此信号（经双向开关IC₇）控制电压调整电路中的多谐振荡器。当其为高电平即t₁段，多谐振荡器产生占空比很大的高频振荡，经V₁₆倒相，使电压调整电路输出低电压1.0V。V₁₇在此用以隔离电压调整电路中比较放大器IC_2－1的输出信号，同时利用其管压降，使多谐振荡器在此状态下能维持一高频振荡（否则将输出高电平），使电压调整电路有一低电压输出（否则是零电压），用以使传感器电桥在t₁时间里有一维持电流，避免电冲击。当无稳态振荡器为一低电平即t₂段，V₁₇反向偏置，电压调整电路不受其控制，从而保证在t₂时间里传感器电桥有一稳定的2.4V供电电压。本实施例中：R₂₅为2.2M，R₂₆为1.1M。C₁₂为47μ，所以t₁为107.5秒，t₂为35.8秒。这样，该甲烷检测仪值守状态时的检测周期为143.3秒，其中107.5秒为守候待测状态，电桥工作电压为1.0V，实测整机工作电流为40mA；35.8秒为值勤检测状态，电桥工作电压为2.4V，实测整机工作电流为98mA，仪器电源电压为4.8V。这样，整机平均功耗P＝（4.8×0.04×107.5＋4.8×0.098×35.8）／（107.5＋35.8）＝0.262（W），而一般连续测量型功耗P₁＝4.8×0.098＝0.47（W）。由P／P₁可知，本实施例功耗为同类仪器的56％。（如考虑仪器有时工作在警戒状态，整机平均功耗应略有增加）。

IC₄的另一半与R₂₇、C₁₃组成单稳延时器。为与供给传感器电桥的工作电压信号同步，该单稳延时器的触发信号由异或门IC₈将无稳态振荡器输出的信号反相而得。触发信号波形如图4（c）。因为延时时间t₃＝1.1R₂₇·C₁₃，选取适当的R₂₇、C₁₃值，可得到如图4（d）的输出信号。此信号：

a、经过由值警状态识别电路输出电平控制的双向开关IC₇及V₄送至超限检测电路的比较基准端IC₁（9）脚，使其在t₃时间呈现高电平，进而使IC₁（8）脚输出低电平，V₈、V₉反偏，V₁₀、V₁₁截止，超限报警电路失电。在t₄时间即单稳延时信号中的低电平段，信号被V₄隔离，比较基准不受单稳信号影响。此时若甲烷浓度达到警戒浓度值，IC_2－4翻转，其（14）脚输出为低电平，传感器电桥得到稳定的2.4V工作电压，仪器立即进入连续测量的警戒状态。若甲烷浓度继续升高达到限定的报警值时，超限检测电路IC_1－3翻转，其（8）脚输出高电平触发超限声光报警电路，发出报警信号。

b、经异或门IC₈反相后控制双向开关IC₇，使主放大器的输出信号在值守状态下，仅在t₄时间里送至数值显示电路IC₉（31）脚，即仅在此段时间内显示甲烷浓度，从而阻断了检测过程中的不稳定信号。

电压调整电路由VMOS管V₁₄、二极管V₁₃、V₁₅、三极管V₁₆、集成电路IC₅、IC₂及阻容、电感等组成。电压基准取自大规模集成电路A／D转换器7106（IC₉）（1）脚与（32）脚间。该2.8V极稳定的直流电压经IC_2－3、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇组成的放大器放大，再经由IC_2－2组成的电压缓冲器隔离后送至由IC_2－1、R₃₁、R₃₂、R₃₃组成的比较放大器作为2.4V电压基准。电压调整电路输出端“b”点电压送至比较放大器IC_2－1输入端（3）脚与2.4V基准比较，若“b”点电压高于2.4V，比较放大器输出电平升高，该电平至由IC₅、R₂₉、R₃₀、C₁₅组成的多谐振荡器的电压控制端IC₅（5）脚，使其输出脉冲信号占空比增大，经V₁₆倒相形成占空比减小的脉冲信号，该信号至开关管V₁₄栅极，使其源极、漏极间导通时间缩短，储能元件L₁、C₇上获得能量减少，“b”点电位降低，直至等于2.4V。反之，“b”点电位低于2.4V，比较放大器输出电平降低，多谐振荡器输出信号占空比减小，V₁₄导通时间加长，“b”点电位升高，直至等于2.4V。这样，电压调整电路就将由电池组提供的电源电压变成稳定的2.4V直流电压。

IC_1－4、V₂、V₃、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆组成电桥断线检测电路。当电桥断线时，桥路失去平衡，使IC_1－4输出由低电平转为高电平，触发断线声光报警电路。

IC_1－2、R₂₀、R₂₁、R₂₂、C₃组成电压检测电路。当电源电压低于最低允许值时，IC_1－2输出由低电平转为高电平，触发欠压声光报警电路。

超限、断线、欠压声光报警电路由音响集成电路IC₃、开关二极管V₅、V₈、V₉、发光二极管V₆、V₇、闪光二极管V₁₂、三极管V₁₀、V₁₁及电阻，扬声器组成。当超限检测电路、断线检测电路、电压检测电路均无高电平输出时，V₁₀、V₁₁截止，无声光信号产生。当甲烷浓度超限时，IC_1－3输出高电平，经V₈触发V₁₀导通，经V₉触发IC₃（4）脚，使扬声器发出警报声，同时触发V₁₁，使红色闪光二极管V₁₂点亮。当断线检测电路输出高电平，V₆导通，发黄光，触发V₁₀导通，同时V₅导通，触发IC₃（1）脚，扬声器发出断续报警声。同样，当欠压时，V₇导通，发绿光，扬声器发出警车声。

由A／D转换电路IC₉，液晶显示屏P₁及阻容组成数值显示电路。由电源电路IC₆及阻容组成电源变换电路，以产生负电压供有关电路使用。

下面给出本实施例主要元器件型号和参数：

RT₁、RT₂热催化元件甲烷传感器

IC₁LM324 IC₂LM324 IC₃CW9561

IC₄ICM7556 IC₅ICM7555 IC₆ICL7660

IC₇CD4066 IC₈CD4070 IC₉ICL7106

P₁N39

V₁IN4001 V₂、V₃、V₄、V₅、V₈、V₉、V₁₃、V₁₇IN4148

V₆FG331000 V₇FG371000 V₁₂BTS11403

V₁₅IN4455

V₁₀、V₁₁、V₁₆9013 V₁₄VN06

R₁、R₂24K R₃、R₄、R₂₁、R₂₂、150K R₅、R₆300K

R₇1.8K R₈8.2K R₉、R₁₀、R₁₁、R₃₂、R₃₃10K

R₁₂510K R₁₃220K R₁₄180K R₂₀100K

R₂₃1.2K R₂₅2.2M R₂₆1.1M R₂₇2.5M

R₂₉、R₃₀3.9K R₃₁33K R₃₄、R₃₇102.8K

R₃₅、R₃₆120K RP₁、RP₂、RP₃6.8K

C₄2μ C₅、C₇22μ C₆、C₁₁、C₁₄、C₁₆10n

C₁₂、C₁₃47μ C₁₅3.9n

L₁200μH

本实用新型配以不同的传感器，如一氧化碳传感器、半导体气敏传感器等，可构成不同的气体检测仪。为适应不同传感器工作电压，可改变电压调整电路中放大器IC_2－3增益，即改变R₃₄、R₃₇和R₃₅、R₃₆阻值。为适应不同传感器的反应灵敏度，可改变主放大器IC_1－1增益，即改变R₃、R₄和R₅、R₆阻值。改变R₂₅、R₂₆、C₁₂及R₂₇、C₁₄值可获得不同的检测时间参数和尽可能低的功耗。

Claims

1、一种便携式低功耗数字气体检测仪，由传感器电桥、主放大器、超限检测及超限声光报警电路、数值显示电路、值警状态识别电路、状态控制电路、状态显示电路、继线检测及断线声光报警电路、电压检测及欠压声光报警电路、电压调整电路、电源及电源变换电路等部分组成；其特征是：

a、状态控制电路中四双向开关IC₇(4)脚接二极管V₁₇正极、V₁₇负极接电压调整电路中时基电路IC₅(5)脚；

b、状态控制电路中四双向开关IC₇(5)、(13)脚、四异或门IC₈(2)、(13)脚接值警状态识别电路中集成运放IC_2-4(14)脚；

c、状态控制电路中四双向开关IC₇(1)脚接二极管V₄正极，V₄负极接电阻R₁₁，R₁₁另一端接超限检测电路中集成运放IC_1-3(9)脚；

d、状态控制电路中四双向开关IC₇(8)、(10)脚短接，再接数值显示电路中A/D转换器IC₉(31)脚，IC₇(9)、(11)脚短接，再接主放大器输出电阻R₁₀。

2、根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是：状态控制电路由双时基电路IC₄、四双向开关IC₇、四异或门IC₈、二极管V₄、V₁₇、电阻R₁₁、R₂₅、R₂₆、R₂₇、电容C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄组成；R₂₅接在IC₄（1）、（4）脚间，R₂₆接在IC₄（1）、（2）脚间，C₁₁接在IC₄（3）、（7）脚间，C₁₂接在IC₄（6）、（7）脚间，R₂₇接在IC₄（12）、（14）脚间，C₁₃接在IC₄（7）、（12）脚间，C₁₄接在IC₄（7）、（11）脚间，IC₄（2）、（6）脚短接，（12）、（13）脚短接，（4）、（10）脚接电源正极，IC₄（5）脚接IC₇（3）脚，IC₇（4）脚接V₁₇正极，IC₄（5）脚接IC₈（6）脚，IC₈（1）、（5）、（8）脚接电源正极，IC₄（8）脚接IC₈（4）脚，IC₄（9）脚接IC₇（2）脚，IC₄（9）脚接IC₈（9）脚，IC₈（10）脚接IC₇（6）脚，IC₈（3）脚接IC₇（12）脚。

3、根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是：电压调整电路由集成运放IC₂、时基电路IC₅、VMOS管V₁₄、三极管V₁₆、二极管V₁₃、V₁₅、电阻R₂₃、R₂₉、R₃₀、R₃₁、R₃₂、R₃₃、R₃₄、R₃₅、R₃₆、R₃₇、电容C₄、C₅、C₆、C₇、C₁₅、C₁₆、电感L₁组成；R₃₄接在IC₂（8）、（9）脚间，R₃₅一端接IC₂（9）脚，另一端接数值显示电路中A／D转换器IC₉（32）脚，R₃₆一端接IC₂（10）脚，另一端接电源正极，R₃₇接在IC₂（10）、（11）脚间，IC₂（5）、（8）脚短接，（6）、（7）脚短接，R₃₃接在IC₂（6）、（2）脚间，R₃₂一端接在IC₂（3）脚，另一端接C₇正极，R₃₁一端接IC₂（1）脚，另一端接IC₅（5）脚，R₂₉接在IC₅（7）、（8）脚间，R₃₀接在IC₅（6）、（7）脚间，C₁₅接在IC₅（1）、（6）脚间，IC₅（2）、（6）脚短接，IC₅（3）脚接V₁₆b极，V₁₆e极接地，V₁₆c极接V₁₄G极，C₄一端、C₅正极、V₁₃正极、V₁₄D极均接电源正极，C₄另一端及C₅负极接地，V₁₃负极接R₂₃、C₆，R₂₃另一端接V₁₄G极，C₆另一端接V₁₄S极，V₁₄S极接V₁₅正极、L₁，V₁₅负极接地，L₁另一端接C₇正极，C₇负极接地。

4、根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是：值警状态识别电路由集成运放IC_2－4、电阻R₇、R₈、R₉、R₁₂、RP₃组成；R₇、R₈串联，R₇一端接IC₂（13）脚，R₈一端接地，R₉一端接IC₂（12）脚，另一端接RP₃滑动端，R₁₂与RP₃串联，R₁₂一端接电压调整电路中IC₂（8）脚，RP₃另一端接地。