天然气泄漏报警装置

华北水利水电大学传感器课程设计

天然气泄漏报警装置

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目录

第一章绪论 (4)

一、课题背景及意义 (4)

二、课题目标及实现功能 (5)

第二章传感器原理及设计方案................. . (5)

一、传感器原理 (5)

二、MQ-2气敏器件 (6)

三、设计方案 (7)

四、方案选择 (8)

第三章电路设计 (8)

一、电源 (8)

二、气敏电路 (8)

三、报警电路 (9)

四、总电路 (9)

第四章proteus软件介绍 (10)

第五章总结 (11)

一、实验结果 (11)

二、总结 (12)

参考文献

设计任务

一．题目：天然气泄漏报警装置

工作要求：利用气敏传感器设计一个天然气泄漏报警器，要求有检测、报警输出。

二．设计任务

1.利用气敏传感器测量某环境天然气浓度；

2.当浓度超过设定值时蜂鸣器报警，发光二极管发光；

3.能够根据需要设定上下限报警温度；

4.利用Protel绘制电路图；

5.焊接电路板；

6.撰写说明书。

三．设计成果

1．设计计算说明书一份；

2．电路板一块。

第一章绪论

一.课题背景及意义

随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，对建筑的防火安全设计要求也越来越高。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“两气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输工程”为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步的进入“天然气时代”。我国天然气市场将迎来一个千戟难逄的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。2000年党中央国务院提出“两部大开发”的重大战略部署，特别是2002 年“两气东输”第一期工程正式开工。这无疑为发展两部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间建立起了一座“金桥”，西气东输工程投入使用后，每年供应长江三角洲地区100亿立方米天然气。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高具名的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛使用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。

“报警早，损失少”，进一步说明了及吋报警的重要性，在家庭里也是如此。一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大火灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，但出现漏气或者着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之文人及时采取措施。

室内煤气、天然气的泄漏严重危害人的生命健康以及性命财产安全，基于此现实，本设计旨在为家庭用户设计一种能够检测煤气、天然气泄漏的装置，从而减少因煤气和天然气的泄漏造成的事故的发生概率，进而保证人民的生命财产安全，减少不必要的损失。本设计用传感器检测天然气的基本状态，并将气体浓度信号转换为电信号,当室内煤气、天然气达到一定浓度时，该装置发出声光报警信号，提醒用户燃气泄漏，采取相应的应对措施。

通过本系统设计，使学生能对自己所学专业知识加以综合运用，了解和掌握实际应用系统的设计、实现及应用的整个过程

二.课题目标及实现功能

当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及

应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，

不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可

燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性

和生活舒适性要求提高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政

府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关

统计猜测，美国在1996年—2002年就煤气报警器的年均增长率为27％～30％。在这些方面，国内应该增强安全意识增强

此次课程设计采用以MQ-2 电阻控制型气敏器件为中心，结合直流稳

压电源，555定时器构成的无稳态音频振荡器，发光二极管，电动式扬声

器等构成燃气泄漏报警电路。电路接入稳定的5V直流电源，电路开始工

作。由USB接口提供的5V电源为MQ-2中的电阻丝加热，加热一段时间后，

当有天然气或烟雾时，MQ-2的电导率上升，此时扬声器和红色LED灯工作，

达到报警作用。

实现可以下基本功能：

1.实现对基本报警电路的控制。

2.实现对检测天然气浓度的精度调整；

3.了解MQ-2气体传感器的具体功能；

4.准确检测周围环境中的天然气的泄漏；

第二章传感器原理及设计方案

一．传感器原理

传感器是能把实测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号输出的装置。传感器主要是由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。

敏感元件：敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是传感器中能直接感受被测量的部分。

传感元件：又称为转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件

传感器按工作原理可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器等。

在这个设计中天然气气体传感器属于电阻式传感器，传感器型MQ-

2。

二. MQ-2气敏器件

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中

可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为

与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气

的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检

测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

特点

在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度

对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高

长寿命、低成本

简单的驱动电路即可

应用

家庭用气体泄漏报警器

工业用可燃气体报警器

便携式气体检测器

电阻式气敏器件MQ－2参数

A. 标准工作条件

符号参数名称技术条件备注

Vc 回路电压≤15V AC or DC

V

H

加热电压 5.0V±0.2 V AC or DC

R

L

负载电阻可调

R

H

加热电阻31Ω±3Ω室温

P

H

加热功耗≤900mW

B. 环境条件

符号参数名称技术条件备注

Tao 使用温度-10℃-50℃

Tas 储存温度-20℃-70℃

RH 相对湿度小于95%RH

O

2

氧气浓度21%(标准条件)

氧气浓度会影响灵敏度

特性

最小值大于２％

C. 灵敏度特性

符号参数名称技术参数备注

Rs 敏感体表面

电阻 3KΩ-30KΩ

(1000ppm 异丁烷 )

探测浓度范围

100ppm-10000ppm

液化气和丙烷 300ppm-5000ppm 丁烷 5000ppm-20000ppm 甲烷 300ppm-5000ppm 氢气 100ppm-2000ppm 酒精

α

(3000/10

00)

异丁烷 浓度斜率 ≤0.6 标准工作

条件 温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V ±0.1V

相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V

±0.1V

预热时间 不超过1小时

MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构 A or B), 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

三．方案设计

方案一：该方案主要由电源电路、气敏探测电路、电子开关电路、报警电路及开放式空气负离子发生器等五部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供5V 的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测天然气浓度及将其转化为电信号；电子开关电路主要负责控制开放式空气负离子发生器的工作；报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。同时，为了进一步完善报警电路的功能，特设置了开放式空气负离子发生器，

方案二：该方案由电源、气敏电路、比较电路。报警电路等四部分组成，电源电路负责给整个电路提供5V的直流稳压电源；气敏电路负责探测天然气浓度及将其转化为电信号，比较电路、报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。

四.方案选择

方案一采用了电源电路、气敏探测电路、电子开关电路、报警电路及开放式空气负离子发生器等五部分来实现报警功能，采用了开放式空气负离子发生器来处理泄漏出的天然气，不仅关闭了天然气装置，还通过自动产生的空气负离子和臭氧，使排放的过多的ＣＯ气体与臭氧Ｏ３化合成对人体无毒害的ＣＯ２，即时解决了天然气泄漏的问题，具有人性化的处理功能，同时在处理由气敏探测电路采集到的信号时采用的是电子开关电路。方案二采用了电源、气敏电路、比较电路。报警电路等四部分组成来实现报警功能，该方案缺少净化泄漏天然气的装置，但是他实现起来比较简单，由于本次设计时间紧迫，没有过多的时间给我充分准备，所以我选方案二进行简单的功能实现，大致了解他的基本原理及实现，方案一我期望可以课余实现，它本身设计实现了人性化的自动管理，非常符合人类需求，是可以得到广泛运用的。

第三章电路设计

一．电源

由USB接口接入5V电压

二．气敏电路

气敏探测电路由气敏元件MQ-2、滑动变阻器和电阻组成，其电路结构图如图所示。

在该电路中电阻起稳定气敏元件灯丝的电流作用，以使报警器工作稳定、可靠。因为灯丝电阻随温度（即通过的电流）而正比变化。温度高，电阻大，致使流过灯丝的电流减小；反之，电流增大，从而确保灯丝电流的稳定。分流电阻用以减少流过的电流，避免灯丝达到正常的白炽化程度（白炽化时就失去稳流作用）气敏元件预热数分钟后，在清洁的空气中，测量极A-A与B-B之间的电阻为一个稳定值，适当调节电位器RV2，可使B-B端的电压接近为零（即RV2为调零电位器），当气敏元件遇到煤气后，A-A与B-B之间的电阻相继下降，B-B端的电位则上升。利用B-B端的电位去控制电子开关电路

.

图气敏电路

三．报警电路

报警电路由LED灯D1、扬声器LS1及阻容元件等组成，其电路结构图如图3.4所示。电路工作时，检测到天然气发生泄漏时，扬声器发出“嘀”的声音，LED 发光。当天然气泄露故障排除后，电路自动恢复。

图报警电路

四．总电路

第四章proteus软件介绍

本设计的元器件较少，所以采用万用板手工焊接。在焊接前利用proteus 软件进行仿真，用滑动变阻器代替MQ-2元件。焊接完成后，检查有无可能出现的虚焊、漏焊，检查电源线和接地线。确定无问题后将电路板通电。在加热一段时间后，用烟雾或打火机气体对电路进行测试。

其中设计中用到的画图软件为Protel 99，Protel 99是一种非常适用的画图软件，下面对Protel 99做了一个简单的介绍。

Protel 99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel 99 是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

Protel 99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

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