新型船用可燃气体探测器设计构想.pdf

v 工作与研究 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 48 v 新型船用可燃气体探测器设计构想 海军驻 426 厂军事代表室 王坤 摘要：介绍目前船用可燃气体探测器工作环境及工作原理，并针对目前可燃气体探测器存在的缺 陷，提出一种集成氧气探测功能的可燃气体探测器设计构想。 关键词：可燃气体探测器 氧气浓度 舰船 引言 现代舰船中一般都设置一个或多个油舱，装有大 量的燃油。当燃油泄漏时，就会挥发出可燃气体。由 于油舱周围空间比较狭小，通风情况一般较差，产生 的可燃气体随着时间不断累积，给舰船带来极大的安 全隐患。为了能实时检测可燃气体浓度，及时做出报 警提示，就需要在油舱周围的隔舱中设置可燃气体探 测器，实时监测油舱周围的可燃气体浓度。 1 常用可燃气体探测器简述 常用的可燃气体探测器主要有：催化燃烧型、 半导体型、热导型、红外线吸收型、光干涉型等类 型。催化燃烧型探测器使用催化燃烧来测量可燃气 体或蒸气在空气中的含量直到达到该气体爆炸的最 低气体浓度 1-2。半导体型探测器的工作原理是当被 检测气体与半导体敏感材料接触时，会改变敏感材 料的的电导率，使电阻值产生与可燃气体浓度相关 的变化，灵敏度较好，但比较容易受到外界环境条 件的影响 3。热导型可燃气体探测器利用不同气体具 有不同热传导能力的特性，即可以根据气体组分热 导率的改变来测定其浓度，应用范围较窄，限制因 素较多。红外吸收型 4 和光干涉型利用气体在中红 外区都有特征吸收峰，检测特征吸收峰位置的吸收 情况，能够有效地分辨气体的种类，准确测定气体 浓度。而催化燃烧型报警器具有输出信号大、线性 好、温湿度对其影响小，以及技术成熟、反应灵敏 准确等优点，因此在船舶领域得到了广泛的应用。 2 催化燃烧型探测器工作原理及缺点 催化燃烧型可燃气体探测器当含有可燃气体的 混合气体扩散到检测元件上时，迅速进行无焰燃烧， 并产生反应热，使热铂丝电阻值增大，电桥输出一 个变化的电压信号，这个电压信号与可燃气体的浓 度成正比。它的优点是：选择性好、反应准确、稳 定性好、能够定量检测、不易产生误报、控制可靠、 寿命为 3 年左右。桥路输出电压呈线性、响应速度 快、具有良好的重复性、组件工作稳定可靠。 但这种探测器也有一个致命缺点，就是其工作 时必须要有氧气，如果进气口被凝水或其他物体堵 塞，就无法有效检测环境中的可燃气体浓度。 为验证催化燃烧型可燃气体探测器与氧气浓 度的关系，我们在不同氧气浓度下，观察探测器 对 50% LEL 可燃气体的检测效果。结果如图 1 所示。 从图 1 可以明显看出，在可燃气体实际浓度不 变的情况下，氧气浓度的变化决定了探测器的测量 60 50 40 30 20 10 0 21 氧气浓度值% 测得可燃气体浓度LEL% 1815129760 图 1 50% LEL 可燃气体在不同氧气浓度下测得值 v 双月刊 / 总第 260 期49 催化燃烧检测元件 A 和 B 构成惠斯通电桥的两 个臂，Rc和 Rb两个固定电阻构成惠斯通电桥的另外 两个臂，当 A 或者 B 接触到可燃气体浓度后（设计 上，只让 A、B 其中一个元件可接触到可燃气体） ， 其相应元件上的铂丝表面就会发生氧化反应，产生 的热量使铂丝的温度升高，从而使其电阻阻值发生 变化。变化的阻值造成了电桥的失衡，产生一个毫 伏级电压信号，信号经过放大器调理后送给 MCU 进行处理，计算出测得的可燃气体浓度值。 由于氧气探测器器输出信号电压较弱，需要对 其进行放大，设计如图 4 所示电路，将氧气探测器 输出信号进行放大处理，得到 0 到 +5V 的标准电压。 氧气浓度探测器输出的信号经过一级跟随器后输入 仪表放大器的输入端，仪表放大器的放大倍数可以 通过调整电位器 W2的阻值来改变；同时可以调整 仪表放大器 5 脚连接的电位器 W1使输出信号 2 向 正负两个方向移动。 信号处理原理框图见图 5。经过处理后的两路 探测器信号输入到单片机的模拟输入端，单片机对 信号进行模数转换后，再进行数字滤波去除干扰， 测得所在位置的可燃气体浓度和氧气浓度值。系统 首先判断测得的氧气浓度值，如果氧气浓度在正常 准确度。特别是当氧气浓度为 0 时，虽然此时密闭 的试验盒中可燃气体浓度仍为 50% LEL，但此时探 测器显示可燃气体浓度为 0。试验表明，在氧气浓 度低于正常浓度时，催化燃烧型可燃气体探测器准 确度会下降甚至失效。 而船舶上的环境相比陆地较为恶劣，其长期处 于高温、高湿状态，不同时段不同舱室的温湿度差 较大，因此极易产生凝水，尤其是在隔离舱内。故 在船舶上使用的催化燃烧型可燃气体探测器存在被 凝水堵塞的隐患。因此目前在船舶上，人员要经常 对可燃气体探测器进行巡查，防止探测器被堵塞。 这不仅增加了人员工作强度，而且还无法在第一时 间发现并排除隐患。 3 新型传感器构想 为解决氧气浓度影响催化燃烧型可燃气体探 测器安全隐患，提高探测器可靠性，避免因氧气浓 度过低而导致探测器无法正常工作，我们在满足 GJB 3185-1998舰船可燃气体监测报警装置通用规 范 和 GJB 4000-2000舰船通用规范 的有关要求 前提下，构想了一种新型传感器，即在原有催化可 燃气体探测器上增设一个可同时测量氧气浓度的元 件，当检测到氧气浓度过低时，就会发出报警信号， 提示人员及时进行排查。 探测器构想如 图 2 所示，探测器 共有三个敏感元件 组成，两个为催化 燃烧检测元件（简 称为催化元件 A 和 B，其构成一组检测 元件） ，一个为氧气 探测器。催化燃烧 检测元件检测扩散 过来的可燃气体，氧气探测器检测扩散过来的氧气。 3.1 电路设计构想 电路包括催化燃烧检测元件电路的设计和氧气 浓度探测器电路的设计，见图 3 所示。 催化元件B 催化元件A 氧气传感器 图 2 探测器示意图 RcRb 催化燃烧检测元件A 催化燃烧检测元件B + - 1 2 3 4 5 6 7 8 U1 信号1 图 3 催化燃烧检测原理电路 8 5 2 3 4 6 7 1 氧气传感器 + - R C GND +12V -12V -12V +12V 1 2 3 4 5 6 7 8 W1 -12V+12V W2 信号2 图 4 氧气浓度检测原理电路 王坤 新型船用可燃气体探测器设计构想 v 工作与研究 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 50 v 浓度范围内，将测得可燃气体浓度值与设定阈值进 行比，当测得值超过阈值时开启声光报警，同时打 开风机进行强制通风；如果测得氧气浓度过低，则 不再对可燃气体浓度值是否超标进行判断，直接发 出探测器非正常工作报警，提示工作人员及时巡查， 排除故障，同时自动启动风机。 3.2 软件设计构想 系统通电后，首先单片机初始化各端口状态和 通讯模块，同时对氧气探测器和可燃气体探测器进 行预热。然后单片机通过两个通道同时读取氧气和 催化燃烧探测器返回的信号，通过数字滤波处理后， 单片机 信号1 信号2 D GND S 通讯模块 通讯接口 图 5 信号处理原理框图 得到探测器测得的氧气浓度和可燃气体浓度信号。 根据氧气浓度值单片机判断可燃气体探测器的工作 状态，如果氧气浓度低于设定值，则通过通讯接口 向上位机发出报警信号，提示此时可燃气体浓度值 无效，建议对探测器进行检查；同时提示隔离舱氧 气浓度值偏低，提示工作人员需要通风后才能进入 隔离舱。 4 结束语 新型催化燃烧型探测器能够在环境中氧气浓度 过低时发出报警，提示人员及时进行检查，实现起 来也较为简单可行，能提高系统的可靠性，减轻值 班人员的工作强度。 参考文献 1 任先武，徐振忠，周博催化载体的掺杂对催化元件稳定性 的影响 J探测器与微系统，2009，28（4） ： 30-32 2 严河清，张甜，王鄂凤，等甲烷催化燃烧催化剂的研究进 展 J武汉大学学报 ( 理学版 )，2005，51（2） ： 161-166 3 Razus D M，Krause UComparison of empirical and semiempirical calculation methods for venting of gas explosion J. Fire Safety Journal，2001. 4 赵建华现代安全监测技术 M合肥：中国科学技术大学出 版社，2006. 2015 年 9 月 17 日至 18 日，国际标准化组织 / 船舶与海洋工程技术委员会 / 海洋技术分技术委员 会（ISO/TC8/SC13）年会在杭州召开，来自中国和 日本的 20 名代表参加了本届年会，ISO/TC8 主席李 延庆也出席了本次会议。 ISO/TC8/SC13 成立于 2014 年，秘书处设在国 家海洋局第二海洋研究所，主要工作范围是对海洋 观测、开发和保护方面技术与设备的试验、操作、 设计、建造等。该分技术委员会目前下设 WG1 潜器 工作组。 本次 SC13 年会共形成会议决议 3 项： 1） 决议 3 ： ISO/TC8/SC13 通过了 SC13/WG1 的 工作报告，并鼓励 SC13 的 P 成员对 ISO 20992（潜 器耐压结构的静水压力试验） NP 投票提出积极意见。 2） 决议 4： ISO/TC8/SC13 同意建立以下工作组： WG2，海洋水文观测仪器与试验技术工作组； WG3， 海水淡化工作组。 3） 决议 5 ： ISO/TC8/SC13 第三次年会将在明年 举行，时间地点待定。 （朱家帅） 消息 ISO/TC8/SC13 年会在杭州顺利召开