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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Alarme de fuga de gás doméstico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Casa, casa, passatempo O monitoramento constante da concentração de gases explosivos no ar das instalações residenciais e de trabalho é o meio mais eficaz de prevenir o seu incêndio. Com o tempo, a relevância da segurança do gás só aumenta. O ar que nos rodeia pode conter não apenas a fonte da vida - oxigênio, mas também substâncias perigosas, por exemplo, gases explosivos. Os detectores de gás são dispositivos técnicos de segurança. Eles são projetados para detectar níveis excessivos de concentrações permitidas de gases perigosos no meio ambiente. O gás natural, um dos mais explosivos, é amplamente utilizado na vida cotidiana como combustível barato para aquecimento, aquecimento de água e cozinha. Como se sabe, o principal componente do gás natural é o metano (CH4), contém de 70 a 98%. Portanto, para monitorar vazamentos de gás natural, é necessária a utilização de um sensor que responda à concentração de metano no ar. Limites de concentração de propagação de chama em uma mistura de metano com ar em porcentagem de volume: inferior - 5, superior - 15 [1]. O limite inferior de concentração de propagação de chama (LCFL) ou limite inferior de explosão (LET) é a fração mínima de uma substância combustível em uma mistura homogênea com um oxidante (ar, oxigênio), na qual é possível que uma chama se espalhe através a mistura a qualquer distância da fonte de ignição (chama externa aberta, faísca, etc.). Para metano 100% LEL (LEL) = 5 por cento em volume = 50000 ppm = 33500 mg/m3 [2]. Como regra, a maioria dos detectores de vazamento de gás doméstico produzidos comercialmente são ajustados para uma concentração de um por cento em volume. É nesta concentração que soam o alarme, ligam o sistema de ventilação da sala e, através de uma válvula eletromagnética, desligam o fornecimento de gás ao sistema de abastecimento de gás de um edifício residencial ou apartamento. Devido à sua simplicidade de design, os sensores semicondutores e termocatalíticos do tipo pelistor são mais adequados para monitorar o vazamento de gases inflamáveis. Normalmente, sensores semicondutores são usados apenas para sinalizar que a concentração permitida de metano no ar foi excedida e, se houver necessidade de medir a concentração de gás, são usados sensores termocatalíticos de dois pelistores. Eles contêm dois pelistores - espirais feitas de fio de platina, aquecidas por uma corrente que passa por elas a uma temperatura de cerca de 400 оC. Eles formam um divisor de tensão resistivo convencional (Fig. 1).
Quando não há metano no ar, as resistências de ambos os pelistores são iguais, portanto, a tensão de saída do divisor é exatamente metade da tensão de alimentação Ucova. Como o pelistor ativo é recoberto por uma camada de catalisador, em sua superfície, na presença de metano, ocorre a oxidação desse gás com o oxigênio atmosférico. A temperatura do pelistor ativo aumenta e a resistência aumenta. Ao conectar esse sensor a uma ponte de medição, você pode medir facilmente a tensão de desequilíbrio da ponte: ∆U=UO - VOCÊcova/ 2, e, em seguida, determinar a concentração do gás. Os sensores catalíticos térmicos são baratos e fáceis de usar, mas apresentam várias desvantagens. Primeiramente, quando a concentração de gás é alta, o sensor fica supersaturado e falha. Em segundo lugar, o catalisador se esgota com o tempo, o que leva a uma diminuição na sensibilidade do sensor. Em terceiro lugar, a reação química que ocorre no sensor requer oxigênio; portanto, se houver falta dele, o sensor subestima muito as leituras. Finalmente, o sensor termocatalítico pode ser “envenenado” por certas substâncias. É sensível, por exemplo, a silicatos ou altas concentrações de sulfeto de hidrogênio (H2S). Além disso, os sensores termocatalíticos exigem manutenção. Para garantir o seu desempenho, são necessárias verificações periódicas. A vida útil de um pelistor é de no máximo um a três anos. Sensores infravermelhos altamente confiáveis e praticamente à prova de falhas para gases combustíveis (sensores NDIR) não apresentam todas essas desvantagens. Utilizando detectores de medição e padronização, avaliam o grau de absorção da radiação infravermelha pelo gás. Os detectores usam dois comprimentos de onda de radiação infravermelha. Um deles absorve gás, mas o segundo não. O sensor mede o nível de radiação absorvida e compara-o com o nível padrão. Essas informações são processadas usando um algoritmo bastante complexo, para o qual quase todos os sensores possuem um microprocessador integrado. Os sensores digitais NDIR da série PrimePell [3] podem substituir os sensores pelistor. A base dos sensores PrimePell é um sensor IR patenteado e um microprocessador baseado no núcleo ARM V7 que controla o sensor, calcula a concentração de gás e exibe o resultado em formato analógico e digital. O microcontrolador também monitora a integridade do sensor e registra falhas de energia. As informações digitais podem ser recebidas através da porta serial ou da interface I2C, que também altera os modos de operação do sensor. Desde que a tensão de alimentação seja adequada, o sensor PrimePell pode substituir o sensor termocatalítico previamente instalado no analisador de gases, não sendo necessárias modificações no analisador para isso. O diagrama de um detector de vazamento de gás doméstico usando um sensor infravermelho de metano PrimePell é mostrado na Fig. 2. A sensibilidade deste sensor é de 100 mV a 100% LEL. Os "pellistores" internos do sensor e os resistores R1-R3 formam uma ponte de medição. O sinal retirado da diagonal da ponte é amplificado pelo amplificador de instrumentação DA1 com ganho fixo de 10. Sua tensão de saída de 1000 mV corresponde a 100% LEL. Portanto, as leituras do voltímetro digital integrado PV1 em dezenas de milivolts são numericamente iguais à porcentagem do LEL.
No Reino Unido (país fabricante do sensor), 100% LEL é 4,4% em volume, e não 5% em volume, como temos. Com base nisso, o limite de resposta do comparador DA2, correspondente a uma porcentagem do volume, é definido como igual a 227 mV por uma seleção de resistores R5 e R6. Não é necessária alta precisão na configuração do limite. Quando o comparador é acionado, o emissor piezoelétrico HA1 com gerador embutido gera um alarme. Além disso, o sinal do comparador através do optoacoplador U1 é enviado para os atuadores - a unidade de controle do sistema de ventilação (abridores de fanlight, exaustores, etc.) e para a válvula eletromagnética de gás, que desliga o fornecimento de gás. O ajuste do dispositivo se resume a definir o voltímetro digital PV1 para zero leituras usando um resistor variável R2 na ausência de metano no ar. A vida útil garantida do sensor é de pelo menos cinco anos. Não há necessidade de verificar frequentemente seu desempenho. Literatura
Autor: A. Kornev
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