新型通用式民用燃气报警器的研究
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摘 要：天然气作为一种优质燃料，相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净、易输送等优势。但天然气本身的燃点较低，在空气中的浓度达到5%就会达到爆炸点，遇明火便会发生爆炸，造成严重人员伤亡和财产损失。为此，用户在使用天然气作为燃料时，都会悬挂能够与电磁阀门联动的可燃气体报警器，以预防事故的发生。但现有的家用可燃气体泄漏报警器种类繁多，稳定性差，经常误报警，且一种报警器仅能连接几种电磁阀门，无法做到通用。本文针对现有可燃气体报警存在的不足，研究出一种新型通用式民用燃气报警器，并通过实践，体现出该系统的优越性。
关键词：安全；通用；精准；远程数据传输
中图分类号：TP277 文献标识码：A
1.设计思路
通过对大庆地区的民用燃气户内设施进行调查，研究人员认为想要成功研制新型通用式燃气报警器，需要从5个关键技术入手进行研究：
第一，工作电压。各种电磁阀门所对应的燃气报警器工作电压不同，现阶段有8V/12V/24V三种工作电压，这意味着新型报警器必须可以分别输出这3种工作电压，且在每种电压下都能够令电磁阀稳定工作。
第二，可更换传感器。新型通用民用燃气报警器要能够更换传感器以达到减少使用成本，延长报警器使用寿命的目的，且更换传感器时操作步骤不能够过于复杂，且更换传感器后燃气报警器的精度及工作稳定性不能够下降。
第三，接口通用。因为不同燃气表所用电磁阀接口并不完全相同，新型民用报警器要能够连接所有型号的电磁阀。
第四，体积控制。在实现通用功能的同时，新型通用民用燃气报警器的体积不能够有明显的增大，要保持安装简单，小巧灵便等现有报警器所具备的优点。
第五，成本控制。在增加新功能前提下，新型报警器的成本不能过高，如果超过现有燃气报警器太多，将不利于大面积推广。
第六，无线传输。新型报警器要能够实现信息无线传输。
2.主要研究内容
2.1 关键技术的解决方案
2.1.1 不同工作电压的解决方案
如果新型报警器想要做到通用，就需要先解决不同电磁阀所对应的不同工作电压这一问题，所以在研制过程中，研究人员将解决工作电压的问题放在了首位。为攻克这一难题，研究人员与燃气报警器生产厂家结合，在新型报警器加装电压线圈，使新型民用燃气报警器可以通过新加装的电压线圈输出3种不同的工作电压，以适应各种型号的电磁阀门。
2.1.2 可拆卸传感器的解决方案
为了解决现有可燃气体报警器测量精度不高，针对性不强这一问题，研究人员在多款传感器之间进行对比，最终选用日本根本公司生产的55A型传感器。该传感器针对天然气探测进行了优化，测量准确，且价格适中，不会大幅度提高生产成本。
在确定所选用传感器后，研究人员设计了一块小电路板，将传感器焊接固定在该电路板上，形成传感器单元，并设计成可拆卸结构。在传感器老化或损坏后，只需将原有传感器单元拔出，更换上新的传感器，燃气报警器便可继续正常使用，延长了非易损件的使用时间，降低了用户的使用成本。
2.1.3 不同插口的解决方案
如果想要燃气报警器与电磁阀联动，就必须让报警器与电磁阀相连接。在解决了报警器工作电压的问题之后，接下来研究人员着手解决报警器与电磁阀连接的问题。电磁阀与报警器的连接口存在多种型号，而且有的燃气表电磁阀是内置的，有的燃气表为外置电磁阀。为此，研究人员通过对不同型号的电磁阀接头进行统计，将所有种类的电磁阀接口归类，然后设计出相应的可拆装子母头，在使用不同种类电磁阀时，只要找出相应的子头插于母头之上便可与电磁阀连接。
2.1.4 体积与造价问题的解决方案
为了控制新型报警器的体积，研究人员采用外置万能接线盒的方式，使新型报警器与现有报警器体积相当。在增加通用功能的同时，研究人员会尽量选用价格较低、体积较小的原件，这样做不仅能够降低单个报警器的体积，而且能够有效地控制新型民用报警器的生产成本，使用户能够更加容易的接受。为了延长民用燃气报警器的使用时间和降低报警器的使用成本，研究人员在研制新型民用报警器时将报警器中最易老化、损坏的传感器部分设计为可拆卸模式，而更换传感器的费用要远远低于更换整机，这样一来用户虽然初次购买新型报警器的费用提高了，但新型报警器在更换探头的情况下，能够安全平稳的运行更长时间，单位时间内的使用成本反而下降。
2.1.5 实现信息无线传输
为了实现信息无线传输，研究人员在万能接线盒上预留了一个无源触点输出接口。次接口可以连接无线传输模块，在报警器探测到燃气泄漏并发出报警时，向相应设备（手机、电脑等）发送报警信息，提示用户家中燃气设施存在异常现象。
2.2 系统设计
2.2.1 系统原理
系统由电源部分，传感器部分，信号放大部分，拨码选择部分，测试功能部分，中央控制器部分，声光报警部件，控制接口部分等组成。CPU内部集成A/D转换器，用于采集放大后的传感器电压信号成数字量，程序逻辑运算分析数字量信号，在气体浓度超出报警范围时，发出声光报警，并且启动输出接口电路，控制燃气切断阀。
故障检测电路检测传感器是否发生故障，输出故障信号给CPU供检测。测试按钮用来启动测试操作，可人工测试声光报警设备是否能正常工作。
2.2.2 关键器件选择与硬件电路设计
（1）传感器部分
传感器选用线性较好的催化原理，在通恒压工作情况下随气体浓度变化产生相应的毫伏信号。传感器选用特殊供电方式，提高工作的稳定性，软件采用补偿修正算法，使测量结果更加线性化，传感器参数一旦确定后，不可随意更改，以免供电和补偿参数不匹配。
传感器分为敏感端和对比端两部分，使用惠斯顿电桥方式获取敏感端微小的电信号变化。 （2）电源设计
本装置的电源供电总功耗小于5W，CPU使用5V供电，为了保持系统的稳定性，采用9VDC输出的AC/DC电路，然后通过专业芯片DC/DC变换，确保5VDC电压不受外界供电变化或继电器动作影响。外部电源为交流220V。
3.技术参数
（1）工作电压：AC220V/50Hz。
（2）功耗：正常监视≤1.5W，报警状态≤3.0W。
（3）报警音响：大于80dB。
（4）报警浓度设定：
天然气报警浓度：≥10%LEL
城市煤气报警浓度：≥10%LEL
液化石油气报警浓度：≥15%LEL
（5）报警输出信号：控制电磁阀或机械手。
（6）传感器寿命：大于3年。
（7）使用环境：温度：-100℃～+500℃，相对湿度≤90%，不凝露。
（8）外形尺寸：122mm×76mm× 38mm。
（9）壳体材料和颜色：ABS象牙白。
（10）传感器结构：可插拔式更换。
4.实际应用情况
在完成新型报警器的研究后，研究人员制作了10台样机，用于验证新型报警器其各项功能指标。
通过筛选，研究人员确定了5户使用不同表型的民用用户，将样机悬挂于这些用户家中，观察报警器的日常使用状态。通过6个月的跟踪，我们对用户进行了问卷调查，发现之前老式报警器存在的误报问题得到了根本的解决，避免了用户在做饭时使用黄酒或烹饪鱼类等因做饭造成的误报现象，并且在定期的联动性测试中，新型报警器都能够切断电磁阀门。6个月中5户居民共出现2次报警，皆因用户在使用过程中火焰熄灭，天然气扩散导致报警器报警。研究人员将剩余5台新型报警器发放给龙凤分公司辖区和东风分公司辖区内的维修人员，安排他们在入户维修完毕后对新型报警器进行测试。首先对联动性进行测试，如果能够联动，再用皮囊储存天然气，对报警器进行实际报警测试。在测试的438家用户中，新型报警器都能够在检测到天然气成分后及时报警，并顺利切断电磁阀门。
结语
新型通用式民用燃气报警器能够有效地解决现有燃气报警器存在的诸多缺陷，减少企业的库房储备数量，减少燃气员工的工作量，降低用户端使用成本，并能够实现无线远传功能，较好的保障用户端安全，同时为燃气公司的信息化提供了良好的切入契机。新型通用式民用燃气报警器的推广，会为燃气企业级居民用户带来显著的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]于宏军.智能与技术[M].北京：电子工业出版社，1997：4.
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