多类型一氧化碳传感器在家用火灾报警器中的应用方案分析

当火灾发生时，尤其是火灾发生初期，由于不完全燃烧，在火灾现场的建筑物内会有大量的一氧化碳产生，直接威胁着建筑物内人员以及将要进入火灾现场救助的消防人员的生命安全。

因此找到一种一氧化碳火灾报警器，并把建筑物内的一氧化碳浓度状况实时传送到消防控制中心用于指导火灾救援至关重要。

一、传感器的选择

针对一氧化碳火灾报警器，目前国家有相应的产品标准GBl5631-200s《特种火灾探测器》，其中的4.5条款(点型一氧化碳探测器)中，对其技术要求已有明确规定。关于报警器的响应阀值，固定式的应设定为26～45ppm，可调式的应设定为23～66ppm，该标准的规定对火灾发生的初期探测及报警是必要的。

但当火灾的信号已发出等到消防人员赶到火灾现场后，除报警房间的一氧化碳气体浓度外，还需要了解其他地点的气体浓度(如通道、走廊等)是多大，消防人员是否能直接进入该建筑物内。对还没来得及撤离的人员实施救援，救援多长时间就必须撤离，否则一氧化碳的浓度会危及救援人员的生命。

因此设计一种测量范围宽、精度高、响应速度快的一氧化碳火灾报警器将势在必行。

目前检测一氧化碳的传感器按检测原理主要分为半导体型、电化学型和红外型，其主要工作原理及优缺点分析如下：

1、半导体型

(1)工作原理及特性曲线 

半导体传感器对气体的敏感度取决于敏感元件被加热的温度。对一氧化碳的检测而言，敏感元件被加热的最佳温度为100"C以下。这个温度远低于对其他气体(如丁烷、甲烷、氢气、乙醇蒸汽等)的检测温度。可是，在如此低的温度下，一氧化碳的响应速度下降，而且其敏感特性很容易受大气中的水蒸气的影响。

为了解决这个问题，敏感元件采用从高温到低温交替加热， 在高温期间，水蒸气和其他混杂的气体被从敏感元件表面清除， 在低温期间，敏感单元可以很好的检测一氧化碳，且具有优良的灵敏度和再现性。

图1为灵敏度特性曲线，可见一氧化碳的灵敏特性很高。(图中的Ro=空气中含100ppm一氧化碳气氛下的传感器电阻值。

(2)气体响应时间 

根据传感器的检测原理，对其表面素子的加热方式一般是采用脉冲方式，所以传感器气体响应时间较长。

图2为传感器分别放置在70、150和400ppm的CO中。 然后取出放置在正常空气中的输出信号模型，其输出信号达到90％饱和水平的响应时间大约为3．3min，恢复到90％基本水平的时间在10min之内。

2、电化学型

(1)工作原理及特性曲线 

电化学型气体传感器的检测原理如图3所示。

当电解槽的正负电极上施加一个固定电压后，在作用极和对极上分别发生反应，以一氧化碳传感器为例，其化学反应式为：

总反应是一氧化碳被氧化成二氧化碳，电子流动形 成外部电流，电荷平衡则是电解液中的载流子流动来完成。

电化学式气体传感器的最大特点是：电流与一氧化碳浓度完全成正比，输出信号与气体浓度呈良好的线性关系，所以信号处理和显示非常方便。另一个特点是，因为是常温反应，不需要加热器，所以，电极间电压可以使用干电池，不需要市电，而且便于携带式一氧化碳报警器。

当然，从检测原理就可以明显看出，电化学式传感器的气体选择性非常高，可以大大降低干扰气体的影响。电化学式一氧化碳传感器的灵敏度特性如图4所示。

在电化学式气体传感器中还有凝胶电化学式和原电池式传感器，在燃气报警中使用较少，不再细讲。

3、红外式传感器

红外式传感器的检测原理是：由2种不同原子构成的分子都有所谓偶极矩(偶极长和偶极上一端电荷电量 的乘积)，当气体上照射了红外光后，就会吸收由该气体分子结构决定了的特定波长的光。

从吸收光谱的吸收波长可以判定气体的种类，从吸收的强度可以测定该气体的浓度。这种传感器灵敏度、选择性、特别是精度非常高，常用于仪表，但其结构复杂、成本较高，很少用在报警器上。

综上所述根据传感器的检测范围、检测精度、气体响应时间及成本等因素的综合指标考虑采用电化学式气体传感器可以满足要求。

炜盛电化学ME2-CO传感器

二、一氧化碳火灾报警器的设计 

根据GBl5631，2008特种火灾探测器中的“4.5点型一氧化碳探测器”，对其技术要求有如下规定：

该响应阀值应为火灾初期的报警值。

另外根据UL2034．2007碳氧血红蛋白数量与一氧化碳浓度和时间的关系曲线，救援(消防)人员的碳氧血红蛋白规定在25％COHb(头痛、恶心)以下，即曲线F以下，应能直接进入该建筑物内，对还没来得及撤离的人员实施救援，救援后并能安全的撤离时间如按10min计算。那么报警器的上限报警浓度应设定在1000ppm。

为了能实时掌握建筑物内的一氧化碳气体浓度，该报警器除在现场发出报警信号以外，还应把气体浓度信号实时的传送到消防控制中心，以便对进入现场的救援人员进行指导。 

报警器的设计电路框图如图8。目前的单片机的A/D转换位数一般为10位，为了解决气体的检测在低浓度段(0-250ppm)的准确性及检测范围宽(0-3000ppm)的特点。

对传感器的信号采用两级放大双A/D输入方法，即在低浓度段，使用两级放大，高浓度段使用一级放大。从图中可以看出传感器需要一个2v的偏置电压。

如果单片机的A/D转换输入电压为5V的话，其分辨率=1024x3+5=614．4。低浓度段(0-250ppm)的检测精度为 250／分辨搴=0．407，高浓度l爱(0-3000ppm)的检测精度为 3000/分辨率=4．88。这样，就可以兼顾检测准确性及宽范围的要求。

三、结论

因为电化学式传感器对电源的要求很低，直线性好， 选择性也很高，在报警应用产品的设计中，信号的处理和显示都很容易实现。

为了能够及时准确的将火灾现场的情况传送到消防控制中心，采用电化学式传感器作为核心器件是最适合的。

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