Многогазовая система мониторинга и сигнализации представляет собой аппаратную платформу с несколькими каналами измерения. Она постоянно проверяет несколько газов и подает сигналы тревоги при достижении заданных предельных значений. Рассмотрим систему с четырьмя газами, которая отслеживает эти каналы:
Уровень кислорода (O₂) снижен, при этом отмечается низкий уровень кислорода ниже 19.5%.
Огнестойкость (НПВ), с низким уровнем срабатывания сигнализации при 20% НПВ и высоким уровнем срабатывания сигнализации при 50% НПВ.
Сероводород (H₂S) с предельным содержанием 10 ppm.
Оксид углерода (CO) с предельно допустимой концентрацией 35 ppm.
Одногазовый детектор пропускает большинство этих опасностей. Стационарные и портативные многогазовые детекторы сталкиваются с одними и теми же проблемами на уровне печатной платы. Для создания надежных систем обнаружения и оповещения о наличии газа необходимо освоить сенсорные технологии, цепочку сигналов, логику сигнализации и компромиссы в производстве.
Основные выводы
Многогазовая система состоит из четырех основных частей : датчиков, обработки сигнала, микроконтроллера и выхода аварийного сигнала. Для обеспечения надежности системы каждая часть должна работать исправно.
Для каждого газа выбирайте подходящий датчик. Электрохимические датчики хорошо подходят для токсичных газов. Каталитические датчики хорошо подходят для горючих газов. Датчики NDIR не расходуют химические вещества.
Регулярно проводите калибровку и корректировку показаний с учетом температуры и влажности. Это снизит количество ложных срабатываний и обеспечит точность показаний.
Установите пороговые значения срабатывания сигнализации в соответствии со стандартами безопасности. Добавьте гистерезис и фиксацию для предотвращения помех в работе сигнализации и обеспечения подтверждения критически важных сигналов тревоги.
Для устройств с батарейным питанием необходимо сбалансировать коэффициент заполнения и время отклика. Короткое активное окно экономит энергию, но оно должно быть длиннее, чем тепловая постоянная времени датчика.
Архитектура многогазовой системы измерения
Каждая многогазовая сенсорная система построена на четырех основных блоках. Массив датчиков содержит отдельные каналы. Этап обработки преобразует крошечные токи датчиков в напряжения, которые можно использовать. Микроконтроллер преобразует эти напряжения в концентрации газов и управляет логикой сигнализации. Выходной каскад управляет зуммерами, реле и светодиодами состояния. Следует рассматривать каждый блок как цепочку, поскольку одно слабое звено в любом месте ограничивает всю многогазовую сенсорную платформу.
Массив датчиков и обработка сигналов
Электрохимические ячейки в многогазовом датчике выдают токи в диапазоне от пикоампер до мкА. Трансимпедансный усилитель преобразует этот ток в напряжение, а каскад усиления масштабирует его до диапазона входного сигнала микроконтроллера. Резистор обратной связи следует располагать близко к усилителю, а входные дорожки необходимо защитить от утечки. Последовательность смещения и прогрева также имеет большое значение. Датчикам со смещением требуется около 6 часов или более прогрева после установки, пока базовый уровень не стабилизируется для калибровки. Потенциал противоэлектрода изменяется в зависимости от электролита, температуры, влажности и условий хранения, поэтому для достижения ионного равновесия требуется несколько часов.
Требование | Типичное значение или рекомендация |
|---|---|
Прогрев после установки | Примерно 6 часов или более, пока исходный уровень не стабилизируется. |
Напряжение смещения | Укажите правильное значение для каждого датчика. |
Смещение при выключенном питании | Наносите средство постоянно, чтобы избежать нагревания перед каждым использованием. |
Более высокое напряжение смещения | Требуется более длительное время стабилизации. |
Цепочка сигналов многогазовой сенсорной системы
Типичный четырехгазовый многогазовый датчик объединяет каналы кислорода, горючих веществ, сероводорода и угарного газа. Трехгазовая система обнаружения отбрасывает один канал, часто кислород. Портативные и стационарные многогазовые системы обнаружения различаются главным образом по энергопотреблению и корпусу. Портативный многогазовый детектор работает от батареи и производит измерения с периодичностью. Стационарная многогазовая система безопасности работает непрерывно от сети переменного тока. Обе системы используют одну и ту же сигнальную цепь, поэтому можно повторно использовать схему обработки и подготовки сигналов в разных форм-факторах.
Технологии и интеграция газовых датчиков
Выбор датчика в большей степени определяет характеристики платы. Каждая технология имеет свой диапазон выходного сигнала, требования к смещению, время прогрева и профиль перекрестной чувствительности. Сначала подберите датчик к целевому газу, а затем спроектируйте систему подготовки и корпус с учетом его характеристик.
Электрохимические, каталитические и МОП-датчики
Электрохимические ячейки хорошо подходят для измерения токсичных газов, таких как окись углерода и сероводород. Они выдают небольшие токи, требуют стабильного напряжения и длительного прогрева, прежде чем стабилизируется базовая линия. Каталитические датчики измеряют содержание горючих газов в процентах от НПВ (нижнего предела взрываемости). Они сильно нагреваются, потребляют больше энергии и нуждаются в эталонном датчике для температурной компенсации. MOS-датчики дешевы и чувствительны, но они подвержены дрейфу и реагируют на множество газов одновременно. NDIR-датчики подсчитывают молекулы посредством инфракрасного поглощения и полностью исключают потребление химических веществ.
Технология | Результат | Необходима предвзятость | Разогрев | перекрестная чувствительность |
|---|---|---|---|---|
электрохимический | ток пА–мкА | Да | Часов | Средняя |
Каталитический шарик | Изменение сопротивления | Нет | Минут | Реагирует на большинство горючих веществ. |
МОП | Изменение сопротивления | Подача нагревателя | Минут | Высокий |
NDIR | Оптическая интенсивность | Нет | Короткий | Низкий |
Перекрестная чувствительность — основной риск в любой многогазовой сенсорной системе. Газ, отличный от целевого, может воздействовать на электрод и вызывать ложные показания. Стандартные промышленные датчики CO реагируют на водород: 100 ppm H2 могут вызвать ложное показание CO в 40 ppm. В зонах зарядки аккумуляторов уровень водорода достигает нескольких сотен ppm и может вызывать ложные срабатывания при отсутствии угарного газа.
Перекрестная чувствительность возникает, когда другой газ, помимо контролируемого, может влиять на показания электрохимического датчика, вызывая реакцию электрода даже в отсутствие целевого газа или приводя к неточным показаниям и/или срабатыванию сигнализации.
Цифры показывают, насколько далеко это простирается. Датчик CO показывает 20% отклика на H2 и 1% отклика на H2S. Датчик H2S показывает 5% отклика на CO, 20% отклика на H2 и 300% отклика на HCl. Выбирайте датчики с низким перекрестным откликом для ожидаемой смеси и добавьте фильтрацию в прошивку.
Проектирование многогазовой сенсорной системы среднего инфракрасного диапазона
Многогазовая сенсорная система в среднем инфракрасном диапазоне использует сильное поглощение малых молекул в среднеинфракрасной области спектра. Спектроскопия поглощения в среднем инфракрасном диапазоне дает гораздо более сильные линии, чем обертонные полосы в ближнем ИК-диапазоне, что позволяет обнаруживать газы на уровне ppm–ppb. Сочетание источников среднего ИК-диапазона с узкой шириной линии и многопроходных ячеек обеспечивает селективность ниже 10 ppb даже в сложных матрицах. Такой подход позволяет определять CO, CO2 и CH4 на одном оптическом стенде.
Пределы обнаружения для детекторов CO, CO2 и CH4 зависят от режима работы. В статическом режиме работы они достигают 2.96 ppmv для CO, 4.54 ppmv для CO2 и 2.84 ppmv для CH4. В динамическом режиме эти значения снижаются до 8.83, 8.69 и 10.29 ppmv. Сканирующая конструкция завершает обнаружение CO, CO2 и CH4 за 10 секунд, по 2 секунды на каждый газ. Устройства NDIR на уровне платы потребляют около 30 мВт и реагируют примерно за 10–14 секунд, что значительно ниже 350–400 мВт у более старых MEMS- и двухканальных устройств. Низкое энергопотребление делает непрерывный многогазовый анализ практичным на платах с батарейным питанием.
Интеграция по-прежнему ограничивает ваши возможности. Держите разъемы датчиков подальше от источников тепла и герметизируйте их от пыли. Вентиляционные каналы должны обеспечивать подачу газа в каждую ячейку, не допуская попадания воды. Проложите оптический резонатор многогазового датчика таким образом, чтобы он не изгибался и не подвергался вибрации.
Обработка сигналов в многогазовых системах обнаружения
Исходное напряжение датчика ничего не значит, пока прошивка не преобразует его в концентрацию. Вы преобразуете каждый канал с помощью калибровочной кривой , затем корректируете показания с учетом температуры и влажности, а затем сравниваете результат с предельными значениями срабатывания сигнализации. На этом этапе определяется, показывает ли ваш многогазовый датчик истинные значения.
Калибровка и компенсация перекрестной чувствительности
Начните с нулевой калибровки в чистом воздухе, чтобы установить базовый уровень. Затем установите калибровочный колпачок и подайте контрольный газ со скоростью потока, указанной производителем (обычно 0.5–1.0 л/мин). Отрегулируйте показания до известной концентрации. Концентрация контрольного газа обычно составляет 25–50% от полной шкалы. Записывайте каждое событие: дату, идентификатор детектора, тип газа и номер партии, нулевые и контрольные показания, результат (пройдено/не пройдено), имя техника и дату следующего планового осмотра. Проверки перед каждым использованием должны проводиться, а полная калибровка — не реже одного раза в 12 месяцев. Ведите учет в соответствии с требованиями OSHA 29 CFR 1910.146 и Протоколом прослеживаемости EPA.
Температура и влажность изменяют выходной сигнал каждого датчика. Необходимо разработать компенсационную модель, которая берет исходный сигнал плюс показание температуры и возвращает скорректированное значение. Хорошо подходит таблица соответствия с интерполированными точками, а для более плавных кривых подойдет полиномиальная аппроксимация. Обобщенных кривых недостаточно — зависимость от температуры варьируется в зависимости от модели, целевого газа, партии и степени старения.
Аспект | Электрохимические датчики | МОП-датчики |
|---|---|---|
Влияние температуры | Скорость реакции изменяется; гальванический кислородный элемент изменяет свою работу примерно на 10% при переходе от +20°C к -20°C, датчик водорода — примерно на 80%. | Дрейф часто превышает ±30%, что делает достижение высокой точности в крайних значениях практически невозможным. |
Метод компенсации | Квадратное или кубическое уравнение для нормированного температурного коэффициента | Квадратное уравнение или справочная таблица, в идеале на единицу |
Ограничение | В целом эффективно | Разница между отдельными объектами недвижимости сводит на нет преимущества единой формулы. |
Влажность следует рассматривать отдельно. Она влияет на баланс электролитной воды и конденсацию, а не на кинетику реакции. Многомерная модель, использующая исходный сигнал, температуру и влажность, наилучшим образом учитывает это взаимодействие.
Пороговые значения срабатывания сигнализации и выходной сигнал
Устанавливайте пороговые значения, исходя из опасности, а не из удобства датчика. Для горючих веществ используйте 20% НПВ в качестве минимального значения срабатывания сигнализации по умолчанию и 50% НПВ в качестве максимального значения, оставляя большой запас до возгорания. Сигнализация кислорода срабатывает при 19.5% и 23.5% по объему. Сигнализация угарного газа срабатывает при 35 ppm (минимальное значение) и 70 ppm (максимальное значение), с усредненным значением 35 ppm и предельно допустимой концентрацией 200 ppm. Сигнализация сероводорода срабатывает при 10 ppm (минимальное значение) и 20 ppm (максимальное значение), с усредненным значением 10 ppm и предельно допустимой концентрацией 15 ppm.
Добавьте гистерезис к каждому пороговому значению, чтобы показания, колеблющиеся на пределе, не вызывали дребезжание зуммера. Зафиксируйте критические сигналы тревоги до подтверждения оператором. Управляйте зуммером через транзистор с обратноходовым диодом, и управляйте реле таким же образом. Перед установкой платы проверьте ток катушки на соответствие номинальному току драйвера.
Вопросы проектирования системы мониторинга нескольких газов
Ограничения по энергопотреблению, соответствию нормативным требованиям и проектированию для производства (DFM).
Успех или неудача конструкций с батарейным питанием зависят от графика отбора проб. Средняя потребляемая мощность практически напрямую зависит от коэффициента заполнения. Керамический датчик Figaro TGS 26XX, работающий с коэффициентом заполнения 0.8% в 10-минутных циклах, потребляет очень мало среднего тока. Проблема заключается в активной фазе. Она должна быть длиннее тепловой постоянной времени нагревателя, примерно 3 с для керамических компонентов, поэтому подходит активное окно в 5 с. MEMS-компоненты, такие как MiCS-5525, работают с коэффициентом заполнения 20–60% с периодами 0.5–1.5 с, а 30% с периодом 0.5 с — хорошая отправная точка. Если увеличить период с 0.5 с до 1.5 с, предел обнаружения возрастет.
Рабочий цикл / период | Тип датчика | Силовой эффект | эффект времени реакции |
|---|---|---|---|
0.8% в 10-минутных циклах (~5 с активного действия) | Керамическая плита TGS 26XX | Очень низкая средняя мощность | Активная фаза должна превышать примерно 3 секунды тепловой постоянной времени. |
20–60%, периоды 0.5–1.5 с (30% при оптимальном значении 0.5 с) | MEMS MiCS-5525 | Более высокая нагрузка, более высокая средняя мощность | Более длительный период повышает предел обнаружения. |
10% за 10-минутные периоды | МОКС (прогноз CO) | Экономия энергии до 90% | Ошибка возросла в 2 раза. |
По требованию | МОКС (прогноз CO) | Самый низкий уровень энергии | Погрешность увеличилась примерно в 5 раз. |
Для устройств с батарейным питанием «низкое энергопотребление» следует оценивать по всему режиму работы, а не только по одному параметру нагревательного элемента. Важны рабочий цикл, стратегия прогрева и интервал выборки.
Соответствие стандартам также влияет на конструкцию платы . Стандарт EN 50291:2010 охватывает электрооборудование для обнаружения угарного газа в жилых помещениях. Стандарт UL 2034 охватывает одно- и многостанционные детекторы угарного газа. Сертифицированные устройства должны соответствовать требованиям к времени срабатывания при различных уровнях CO и избегать ложных срабатываний от паров, отличных от CO. Разрабатывайте программное обеспечение для обнаружения газа и фильтрующие элементы с учетом этих ограничений на раннем этапе, а не после компоновки.
Надежность и системная интеграция
Вентиляция определяет, будет ли ваш многогазовый датчик вообще обнаруживать газ. Совместите отверстия корпуса непосредственно с местами расположения датчиков, направьте каждый порт датчика к отверстиям и обеспечьте зазор вокруг каждой ячейки. Заблокированный поток воздуха снижает скорость реакции и точность. Разместите датчики влажности в нижней трети корпуса, поскольку влажный воздух оседает у дна, а расположенные сверху детали могут показывать влажность на 10–15% ниже нормы. Держите их подальше от нагревателей и кабельных вводов, где влага попадает первой.
Прокладывайте кабели аналоговых датчиков вдали от силовых проводников и используйте экранированные заземленные кабели для ограничения электромагнитных помех. Добавьте резервные датчики в критических точках, чтобы один отказ не оставлял «слепых зон». Согласуйте ожидаемые значения времени отклика с областью применения: датчики температуры должны реагировать с задержкой 1–5 секунд, отслеживая тепловую массу, а датчики влажности — примерно в течение 30 секунд. Многогазовый детектор, построенный таким образом, обеспечивает непрерывный мониторинг газовой безопасности без неожиданностей в полевых условиях.
Ваша платформа для обнаружения нескольких газов работает по одному принципу: датчики преобразуют газ в электрический ток, обработка преобразует этот ток в чистое напряжение, микроконтроллер вычисляет концентрацию, а этап сигнализации реагирует на результат. Выбор датчиков, стратегия калибровки, логика сигнализации и производственные решения на уровне платы в совокупности определяют реальную безопасность. Дрейф температуры и влажности может смещать показания относительно базового уровня, поэтому компенсируйте их, и вы сократите количество ложных срабатываний в системах обнаружения нескольких газов. Рассматривайте датчик для обнаружения нескольких газов как уровень безопасности, а не как измерительный прибор. Проверяйте каждую конструкцию системы обнаружения газов на соответствие соответствующим стандартам и требованиям вашего приложения. Хорошо разработанная система безопасности для обнаружения нескольких газов завоевывает доверие благодаря повторяемой калибровке и достоверному срабатыванию сигнализации.
FAQ
Сколько времени следует прогревать датчик перед калибровкой?
Подождите, пока базовый уровень стабилизируется. Электрохимическим элементам с постоянным смещением обычно требуется около 6 часов или больше после установки. Поддерживайте постоянное смещение, когда плата выключена. В противном случае цикл прогрева будет начинаться заново перед каждым использованием.
Какие газы входят в стандартную четырехкомпонентную газовую конфигурацию?
Используйте кислород, горючие вещества (НПВ), сероводород и угарный газ. Этот набор охватывает как токсичные, так и легковоспламеняющиеся опасности. Одноканальное устройство пропустит большинство из них. Подберите для каждого канала датчик, соответствующий его диапазону выходного сигнала и требованиям к смещению.
Как часто следует калибровать многогазовый детектор?
Перед каждым использованием проводите проверку работоспособности. Полную калибровку выполняйте не реже одного раза в 12 месяцев. Подавайте контрольный газ со скоростью потока, указанной производителем, обычно 0.5–1.0 л/мин, и установите точку калибровки на уровне 25–50% от полной шкалы. Записывайте каждое событие с подробным описанием, которое можно отследить.
Что вызывает ложные срабатывания газоанализаторов?
Перекрестная чувствительность является причиной большинства из них. Ячейка для обнаружения угарного газа может реагировать на водород, а ячейка для обнаружения сероводорода — на другие пары. Добавьте гистерезис и фиксацию в логику сигнализации. Затем компенсируйте дрейф температуры и влажности, прежде чем сравнивать показания с пороговыми значениями.
Почему для многогазового монитора важен рабочий цикл отбора проб?
Средняя потребляемая мощность практически напрямую зависит от коэффициента заполнения. Короткий активный период экономит энергию, но он должен быть длиннее, чем тепловая постоянная времени нагревателя. Если период выборки будет слишком длинным, предел обнаружения повысится. Необходимо сбалансировать энергетический бюджет с временем отклика для вашего приложения.
