一氧化碳火災報警器中一氧化碳感測器選擇

當火災發生時，尤其是火災發生初期，由於不完全燃燒，在火災現場的建築物內會有大量的一氧化碳產生，直接威脅著建築物內人員以及將要進入火災現場救助的消防人員的生命安全。

因此找到一種一氧化碳火災報警器，並把建築物內的一氧化碳濃度狀況實時傳送到消防控制中心用於指導火災救援至關重要。

一、感測器的選擇

針對一氧化碳火災報警器，目前國家有相應的產品標準GBl5631-200s《特種火災探測器》，其中的4.5條款(點型一氧化碳探測器)中，對其技術要求已有明確規定。關於報警器的響應閥值，固定式的應設定為26～45ppm，可調式的應設定為23～66ppm，該標準的規定對火災發生的初期探測及報警是必要的。

但當火災的信號已發出等到消防人員趕到火災現場后，除報警房間的一氧化碳氣體濃度外，還需要了解其他地點的氣體濃度(如通道、走廊等)是多大，消防人員是否能直接進入該建築物內。對還沒來得及撤離的人員實施救援，救援多長時間就必須撤離，否則一氧化碳的濃度會危及救援人員的生命。

因此設計一種測量範圍寬、精度高、響應速度快的一氧化碳火災報警器將勢在必行。

目前檢測一氧化碳的感測器按檢測原理主要分為半導體型、電化學型和紅外型，其主要工作原理及優缺點分析如下：

1、半導體型一氧化碳感測器

(1)工作原理及特性曲線

半導體感測器對氣體的敏感度取決於敏感元件被加熱的溫度。對一氧化碳的檢測而言，敏感元件被加熱的最佳溫度為100"C以下。這個溫度遠低於對其他氣體(如丁烷、甲烷、氫氣、乙醇蒸汽等)的檢測溫度。可是，在如此低的溫度下，一氧化碳的響應速度下降，而且其敏感特性很容易受大氣中的水蒸氣的影響。

為了解決這個問題，敏感元件採用從高溫到低溫交替加熱， 在高溫期間，水蒸氣和其他混雜的氣體被從敏感元件表面清除， 在低溫期間，敏感單元可以很好的檢測一氧化碳，且具有優良的靈敏度和再現性。

圖1為靈敏度特性曲線，可見一氧化碳的靈敏特性很高。(圖中的Ro=空氣中含100ppm一氧化碳氣氛下的感測器電阻值。

(2)氣體響應時間

根據感測器的檢測原理，對其表面素子的加熱方式一般是採用脈衝方式，所以感測器氣體響應時間較長。

圖2為感測器分別放置在70、150和400ppm的CO中。 然後取出放置在正常空氣中的輸出信號模型，其輸出信號達到90％飽和水平的響應時間大約為3．3min，恢復到90％基本水平的時間在10min之內。

2、電化學型一氧化碳感測器

(1)工作原理及特性曲線

電化學型氣體感測器的檢測原理如圖3所示。

當電解槽的正負電極上施加一個固定電壓后，在作用極和對極上分別發生反應，以一氧化碳感測器為例，其化學反應式為：

總反應是一氧化碳被氧化成二氧化碳，電子流動形 成外部電流，電荷平衡則是電解液中的載流子流動來完成。

電化學式氣體感測器的最大特點是：電流與一氧化碳濃度完全成正比，輸出信號與氣體濃度呈良好的線性關係，所以信號處理和顯示非常方便。另一個特點是，因為是常溫反應，不需要加熱器，所以，電極間電壓可以使用乾電池，不需要市電，而且便於攜帶式一氧化碳報警器。

當然，從檢測原理就可以明顯看出，電化學式感測器的氣體選擇性非常高，可以大大降低干擾氣體的影響。電化學式一氧化碳感測器的靈敏度特性如圖4所示。

在電化學式氣體感測器中還有凝膠電化學式和原電池式感測器，在燃氣報警中使用較少，不再細講。

3、紅外式感測器

紅外式感測器的檢測原理是：由2種不同原子構成的分子都有所謂偶極矩(偶極長和偶極上一端電荷電量 的乘積)，當氣體上照射了紅外光后，就會吸收由該氣體分子結構決定了的特定波長的光。

從吸收光譜的吸收波長可以判定氣體的種類，從吸收的強度可以測定該氣體的濃度。這種感測器靈敏度、選擇性、特別是精度非常高，常用於儀錶，但其結構複雜、成本較高，很少用在報警器上。

綜上所述根據感測器的檢測範圍、檢測精度、氣體響應時間及成本等因素的綜合指標考慮採用電化學式氣體感測器可以滿足要求。

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二、一氧化碳火災報警器的設計

根據GBl5631，2008特種火災探測器中的「4.5點型一氧化碳探測器」，對其技術要求有如下規定：

該響應閥值應為火災初期的報警值。

另外根據UL2034．2007碳氧血紅蛋白數量與一氧化碳濃度和時間的關係曲線，救援(消防)人員的碳氧血紅蛋白規定在25％COHb(頭痛、噁心)以下，即曲線F以下，應能直接進入該建築物內，對還沒來得及撤離的人員實施救援，救援后並能安全的撤離時間如按10min計算。那麼報警器的上限報警濃度應設定在1000ppm。

為了能實時掌握建築物內的一氧化碳氣體濃度，該報警器除在現場發出報警信號以外，還應把氣體濃度信號實時的傳送到消防控制中心，以便對進入現場的救援人員進行指導。

報警器的設計電路框圖如圖8。目前的單片機的A/D轉換位數一般為10位，為了解決氣體的檢測在低濃度段(0-250ppm)的準確性及檢測範圍寬(0-3000ppm)的特點。

對感測器的信號採用兩級放大雙A/D輸入方法，即在低濃度段，使用兩級放大，高濃度段使用一級放大。從圖中可以看出感測器需要一個2v的偏置電壓。

如果單片機的A/D轉換輸入電壓為5V的話，其解析度=1024x3+5=614．4。低濃度段(0-250ppm)的檢測精度為 250／分辨搴=0．407，高濃度l愛(0-3000ppm)的檢測精度為 3000/解析度=4．88。這樣，就可以兼顧檢測準確性及寬範圍的要求。

三、結論

因為電化學式感測器對電源的要求很低，直線性好， 選擇性也很高，在報警應用產品的設計中，信號的處理和顯示都很容易實現。

為了能夠及時準確的將火災現場的情況傳送到消防控制中心，採用電化學式感測器作為核心器件是最適合的。