Бытовой датчик утечки метана

Александр Корнев, Радиолоцман №3-4/2024, ст. 60

Окружающая нас воздушная среда может содержать не только источник жизни — кисло­род, но и опасные вещества в виде взрывоо­пасных и токсичных газов. Газовые анализа­торы (детекторы) являются приборами нашей безопасности и предназначены для обнаружения превышения допустимых уров­ней концентрации таких газов в окружающей нас среде. Поэтому постоянный контроль концентрации опасных для человека газов в воздухе жилых и рабочих помещений на сего­дняшний день является наиболее эффектив­ным средством предупреждения отравления токсичным газом и предупреждения возгора­ния паров горючих газов.

Одним из взрывоопасных газов является природный газ, который широко применяется в качестве дешевого горючего топлива в жилых частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготов­ления пищи. Как известно, основную часть на концентрацию метана в воз­духе. Концентрационный предел распрос­транения пламени для метана в смеси с воз­духом в объемных процентах составляет: нижний — 5 об.%, верхний — 15 об.% (для мно­гих стран Европы нижний предел составляет 4.4 об.%). Нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР) или нижний порог взрываемости (НПВ) — это мини­мальная концентрация горючего вещества (газа, паров горючей жидкости) в однородной смеси с окислителем (воздух, кислород и др.), при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания (открытое внешнее пла­мя, искровой разряд и др.). Согласно норма­тивным документам, безопасный предел кон­центрации метана в воздухе закрытых жилых и производственных помещений должен быть не более 1.05 об.%.

Наиболее выгодным решением для кон­троля утечек горючих паров и газов благода­ря простоте своей конструкции являются полупроводниковые и термокаталитические датчики пеллисторного типа. Обычно полуп­роводниковые датчики используются лишь для сигнализации превышения уровня кон­центрации метана в воздухе, но если необхо­димо еще и измерить этот уровень, то в этом случае применяются двухпеллисторные тер­мокаталитические датчики.

На Рисунке 1 изображена схема датчика метана с применением двухпеллисторного термокаталитического сенсора ТКС-10 (В1). Предел измерения сенсора 0 — 3 об.%. (для справки: об.% — это объёмный процент, то есть процент объема определенного газа в воздухе. Например, 5 об.% метана означает, что объем метана в воздухе составляет 5%). Чувствительность сенсора — 25 мВ/об.%. В двухпеллисторных сенсорах пеллисторы включены по схеме обычного резистивного делителя. При отсутствии метана в воздухе сопротивления активного и пассивного пел- листоров равны между собой, следователь­но, выходное напряжение делителя в этом случае будет равно половине напряжения питания датчика. С увеличением концентра­ции метана уменьшается сопротивление активного пеллистора, а это значит, что выходное напряжение делителя будет увели­чиваться, то есть

причем, зависимость выходного напряжения от концентрации газа имеет линейный харак­тер. Включив такой датчик в измерительный мост Уитстона, посредством дифференци­ального (разностного) или инструментально­го усилителя можно легко измерить напряже­ние Ди, величине которого будет соответство­вать уровень концентрации газа. В схеме для измерения Ди применяется инструменталь­ный усилитель MAX4460 (DA2) с коэффици­ентом усиления К_У = 40. Коэффициент усиле­ния рассчитывается по формуле

После усиления чувствительность сенсо­ра составит 1000 мВ/об.%. Питание датчика +2.8 В обеспечивает DC/DC преобразователь BL8536-28 (DA1).

В схеме датчика метана используются кера­мические конденсаторы. Резисторы R4, R5 должны иметь допуск по номиналу не более 1%, остальные с допуском ±5%. Для баланса моста в отсутствие метана используется мно­гооборотный подстроечный резистор R2.

На Рисунке 2 изображена схема измерите­ля уровня концентрации метана, основанная на описанном выше датчике метана. Такой измеритель, можно сказать тестер, удобно использовать для периодического контроля (что крайне необходимо делать) газового оборудования — АГВ, газовых колонок, венти­лей, трубопроводов подачи газа и прочего оборудования на предмет утечки метана, а так же для проверки вновь установленного газового оборудования. В схеме для измере­ния уровня газа используется, хотя и не очень дешёвый (около 1000 рублей), но удобный в применении цифровой милливольтметр DMS-20PC-2-BS (DA3), изготовленный в виде микросхемы для монтажа на печатную плату. Можно применить и самодельный милливо­льтметр, как на микропроцессорах, так и на дискретных элементах, схем которых доста­точно много можно найти в Интернете. Пита­ние прибора осуществляется от двух пальчи­ковых батареек. Напряжение +5 В для пита­ния тестера в целом формирует повышаю­щий DC/DC преобразователь BL8531LA50 (DA2). Детектор напряжения BL8506-25C (DA1) следит за разрядом батареи до 2.5 В. Светодиод HL1 — индикатор разряда батареи.

Датчик метана (Рисунок 1) также можно использовать в устройстве автоматики для аварийного отключения подачи газа, включе­ния системы проветривания помещения, включения сигнала тревоги и передачи сиг­нала тревоги владельцу помещения по GSM каналу.

Схема такого устройства изображена на Рисунке 3. Алгоритм работы схемы автомати­ки следующий. При превышении допустимого или выбранного уровня концентрации метана на выходе компаратора DA1 (TLV3201) появ­ляется высокий логический уровень. Уровень порога срабатывания компаратора задаётся резистивным делителем R1, R2. В нашем слу­чае он равен 1.5 В, что соответствует 1.5 об.%. По фронту выходного уровня компаратора

дифференцирующей цепочкой C2, R3 фор­мируется короткий положительный импульс для запуска одновибратора DA3 (ICM7242). Выходной импульс одновибратора открывает ключ VT2 (IRML6402), через который подаёт­ся напряжение на запирающий электромаг­нитный клапан VG1 (GV-80) и, соответствен­но, подача газа прекращается. Для надёжного срабатывания клапана длительность импуль­са на выходе одновибратора должна быть не менее 1 секунды. Длительность импульса рассчитывается по формуле:

Тимп = 128 R4 • C4.

Кроме того, посредством оптрона VU1 (CPC1004N) происходит замыкание контакта кнопки одной из цифр на «стареньком» кно­почном мобильном телефоне, для которой при помощи меню телефона предварительно назначена функция быстрого набора номера телефона владельца квартиры. Для актива­ции телефона необходимо открыть меню телефонного аппарата, выбрать настройки вызова одной кнопкой и зафиксировать мобильный номер, на который будет посту­пать DTMF сигнал тревоги.

Также выходной импульс компаратора открывает ключ на транзисторе VT1 (BS170), через который подключаются звуковой сигна­лизатор BA1 (HCM1205X) и оптрон VU2. Этот оптрон применяется в управлении фрамуж­ным открывателем окна или вытяжным вен­тилятором для проветривания помещения.

Эпюры напряжений в контрольных точках, поясняющие работу схемы автоматики, пока­заны на Рисунке 4.

Важно отметить, что сетевой адаптер пита­ния устройства автоматики желательно под­ключить к источнику бесперебойного питания.

В схеме автоматики используются керами­ческие конденсаторы. Резисторы R1, R2 с допуском по номиналу не более 1%, осталь­ные — с допуском ±5%.