摘要:为了能够有效地减少由于液化石油气的泄漏而引起的事故, 设计了一种适用于中小型液化气站的泄漏自动控制系统。基于PIC 单片机具有指令简单、控制迅速、集成度高等特点, 以PIC16F870 为核心组成的泄漏报警和自动排风控制系统; 并讨论了传感器的选用和满足防爆标准要求的传感器布置, 介绍了系统组成及软件系统。该系统集检测、报警和控制为一体, 功能齐全, 特别是较好地解决了气体传感器的温度补偿问题, 提高了系统的工作可靠性。该系统通过了消防部门的安全认定, 使用效果理想。

关键词;液化石油气; 传感器; 自动控制; PIC16F870 单片机

石油液化气(以下简称液化气) 作为一种燃料, 应用范围相当广泛。液化气具有较低的爆炸下限、较低的闪点和燃点, 如果泄漏到空气中极易引起爆燃, 造成破坏。预防液化气站发生事故是至关重要的。对液化气的泄漏进行实时监测, 并根据检测结果进行自动强制排风可以很好地预防由于液化气泄漏引起的事故。笔者根据某液化气站的实际情况, 利用PIC16F870 单片机设计了一套液化气泄漏自动控制系统, 并在实际中使用, 效果良好。

　硬件系统设计

PIC 系列单片机硬件系统(图1) 设计简洁,指令系统设计精练。

传感器电路

1) 传感器的选用　目前在可燃气体探测方面应用的传感器主要有2 大类: 一类是基于半导体机理和催化机理的点型气体传感器; 另一类是基于红外光谱吸收机理的线性气体传感器。2 类传感器各有优缺点。根据市场元件供应情况和承受能力, 选择了MQ K系列点型气敏传感器。MQ K 系列气敏元件采用半导体敏感材料。用该系列元件组装成易燃易爆和有毒气体泄漏报警器及检测装置, 可广泛运用于矿山、油田、化工、国防、医药及家庭。根据某液化气站的实际情况, 采用6 只半导体点型传感器进行重点部位检测。

2) 传感器的温度补偿　在确定传感器后, 要解决传感器的温度漂移问题。如何处理好气体传感器温度补偿问题是系统设计的关键。气体传感器在不同环境温度下输出的灵敏度会有不同, 特别是在低温情况下, 灵敏度会变差。如果设定的报警阈值电压不当的话, 就会在环境温度低时遇到气体泄漏超过报警浓度不报警, 在环境温度高时达不到报警浓度反而误报警。以前的做法是根据环境温度调整报警阈值电压进行补偿, 这样电路比较简单, 但补偿的效果不太理想, 主要是在低温环境里, 气体传感器的表面温度降低导致气体传感器的性能变差。考虑地处北方, 液化气站又是开放布置, 环境温度低。解决的方法是在低温环境里提高气体传感器的加热功率, 使气体传感器的表面温度维持相对恒定, 达到稳定气体传感器工作的目的。

3) 传感器加热电压控制电路　传感器加热电压控制电路原理如图2 所示。利用PIC 单片机的CCP模块的脉冲宽度调节输出功能(简称PWM) 及A/ D 转换输入功能实现传感器加热电压的监控与调整,达到稳定加热电压符合预定值的目的。

利用高速电子开关TWH8778 作为开关管的降压式开关电源。其中, V _i 为输入电压, V_o 为输出电压。二极管D 和电感L 、电容C 构成积分电路, 对TWH8778 输出的方波电压进行积分。由于TWH8778 输出的方波电压的占空比受PIC16F870 输出的PWM 控制, 所以根据不同的占空比就可以得到不同的输出电压值V_o 。

该电路的工作原理是: PIC16F870根据检测的环境温度, 设定传感器加热电压目标值, 输出到PWM , 启动开关电源工作, 通过A/ D 转换电路将V_o电压值读入单片机。如果电压值偏离给定值, 则调整PWM 输出, 这样形成一个电压调整的闭合环路, 直到电压值维持在给定值并恒定。从而达到随外界温度的改变而改变加热功率的目的, 以补偿气体传感器的温度变化。

控制电路

如图3 所示, 用LM224 构成控制电路。当泄露的液化气浓度达到一定浓度时, 报警装置将产生一个阶跃报警触发信号。将该信号(若没有配备报警器, 可增设气敏传感器及相应电路) 同步引到LM224 的同相输入端,使其输出高电平开通源极输出器, 直流继电器JD 得到工作电流, 其3 个常开触电J ₁ , J₂ , J ₃ 被吸合。

此时, 如图3 所示3 组晶闸管被开通, 电动机三相绕组得到交流电压开始工作, 排风扇向室外排风。从而实现排风与报警的联动。D₁ 引入正反馈,使比较器输出的高电平得以保持, 以免排风扇误停。当确认排风扇可以停止工作时, 由工作人员触按一下按钮开关S , 即可解除排风状态。电容C₁ 的作用是为了避免因停电后恢复供电可能引起的控制电路的错误输出和排风扇的误动作。S₁ , S₂ , S₃ 为原手动开关。

该电路用晶闸管实现了电机的无触电开关, 不需要防爆密封; 通过继电器触点对两个控制极的连接, 使每组开关的两个晶闸管中的控制极、阴极之间的电压互为触发电压, 这样解决了外加触发信号时交直流共地的问题; 继电器的工作电流小于20mA , 符合有关安全要求。

软件设计

程序框图如图4 所示。系统上电后, 对单片机的各个接口的工作方式、CCP 模块等进行初始化。启动环境温度测试程序, 检测环境温度, 根据环境温度设定传感器加热电压, 确定PWM 控制脉宽, 开启开关电源对传感器进行加热。同时检测传感器加热电压与给定值是否相符, 如果不相符, 对PWM 控制脉宽进行调整。形成传感器加热电压的闭环控制, 使传感器得到稳定的加热功率。不断检测环境温度, 根据环境温度不断调整传感器加热电压。程序的另一个主要分支是执行上电延时程序, 避免传感器误报警。对设置的6 路传感器进行巡回检测, 并显示正在检测的传感器标号。将传感器信号与设定的报警浓度信号进行对比, 判断是否达到报警限度。如没有达到, 则不断进行巡回检测。如果达到报警限度, 锁定传感器标号显示, 指出泄漏方位, 同时执行强制排风程序, 控制排风电机强制排风, 并发出声光报警信号。

结　　语

该设计硬件电路简单, 便于在线开发和调试, 十分适合现场应用。系统集检测、报警和控制为一体, 功能齐全。全部采用防爆设计, 安全可靠。特别是较好地解决了气体传感器的温度补偿问题, 提高了系统的工作可靠性。如果液化气站是半封闭或处于南方温度较高地区, 也可以利用系统资源扩充输出控制功能, 如有条件可以增加储瓶间喷洒水雾装置。现在该系统正在某液化气站使用, 并通过了当地消防部门的安全认定, 使用效果理想。