家用燃气 警器误 原因及降低误 率的方法

摘自《煤气与热力》2021年6月刊

1 概述

近年来，因居民厨房燃气泄漏引发的火灾爆炸事故时有发生，给人民的生命财产造成了重大损失。家用燃气 警器（以下简称 警器）的使用，可减少该类事故的发生，但是多年来 警器的误 一直影响着它的推广使用。分析 警器产生误 的原因，并提出合理可行的降低误 率的解决方案，是 警器使用推广过程中的一项重要工作。

2 警器工作流程

警器工作流程见图1，传感器用于检测 警器所处空间中可燃气体的体积分数，信号转换硬件电路将传感器检测到的气体体积分数信号转换成单片机可识别的电信号，软件处理程序为烧录在 警器单片机中的程序，它可以根据信号转换硬件电路输出的信号判断被测空间中可燃气体的体积分数，当可燃气体体积分数超标时，软件处理程序输出信号给 警输出硬件电路， 警输出硬件电路驱动相关设备进行 警以及阀门切断等操作。

图1 警器工作流程

3 警器误 原因分析

从 警器的工作流程来看，每一个环节出现问题都可能导致错误的 警输出，这种错误的 警输出称为误 。因此，可能导致 警器误 的原因分别为传感器原因、硬件电路原因和软件处理程序原因。

3.1 传感器原因

因传感器导致 警器误 的原因有很多，但最终表现出来的均是当被测气体中不含可燃气体或可燃气体体积分数很低且未达到 警设定值时，传感器错误的输出导致 警器误 。因传感器导致 警器误 的原因主要是传感器的抗干扰性能差、耐温性能差、耐湿性能差和长期稳定性差等。以抗干扰性能差导致的 警器误 为例，当空气中存在干扰气体（乙醇、乙酸等）时，抗干扰性能差的传感器输出信号与空气中存在一定体积分数甲烷气体时的输出信号一致，就会导致 警器误 。

3.2 硬件电路原因

警器的 警动作是由硬件电路直接驱动完成的，因此，硬件电路问题是导致 警器误 最直接的原因。硬件电路问题导致 警器误 的原因主要有电子元器件质量差、电子元器件老化、电子元器件焊接不当或电路板设计缺陷等。硬件电路问题引起的 警器误 一般是复杂且不易排查的，但对于目前国内大多数生产厂家的技术水平来说， 警器硬件电路的质量是能够控制的［1］。

3.3 软件处理程序原因

软件处理程序包含了 警器中的信号输入处理、逻辑关系运算、信号输出处理等内容。软件处理程序是 警器的大脑，在 警器软件处理的过程中，信号输入、逻辑关系运算和信号输出任何一个环节出现问题均可能导致 警器的误 。但只要是正规厂家生产的 警器，它的软件处理程序基本上都是通过长期的测试验证的，一般不会存在问题。

3.4 警器误 的主要原因

在实际应用中，只要是正规厂家的合格产品，在规定的寿命以内， 警器的硬件电路和软件处理程序一般不会出现问题，导致 警器误 的主要原因还是传感器的原因。传感器的抗干扰性能差、耐温性能差、耐湿性能差和长期稳定性差这4个原因都可能导致 警器误 。市场上一般甲烷传感器的耐温性能、耐湿性能和长期稳定性基本都能满足 警器日常的使用需求，但不同的甲烷传感器在抗干扰性能方面存在比较大的差异。因此，在传感器原因中，抗干扰性能差是导致 警器误 的最主要原因。

4 降低 警器误 率的措施

4.1 选择抗干扰性能好的传感器

在我国的厨房中，烹饪过程中使用的料酒和食醋等调料会产生乙醇和乙酸，乙醇和乙酸是厨房中导致 警器误 的主要干扰气体。绝大多数 警器均是采用以二氧化锡为敏感材料的半导体传感器，也有少数厂家采用催化燃烧式传感器。无论是半导体传感器还是催化燃烧式传感器，基本都在对甲烷敏感的同时，对乙醇等干扰气体也具有一定的灵敏度。选择合适的传感器，是保证 警器抗干扰性能，降低 警器误 率的关键。

下面以某公司的几款半导体传感器为例，分析如何通过选择合适的传感器来提高 警器的抗干扰性能，降低 警器误 率。在下 中，各半导体传感器灵敏度特性曲线（见图2～4），均采用对数坐标，横坐标为气体体积分数，纵坐标为传感器的电阻比（传感器在不同体积分数的测试气体中的电阻与传感器在甲烷体积分数为0.5%的气体中的电阻之比）。TGS2611-C00半导体传感器灵敏度特性曲线见图2。

图2 TGS2611-C00半导体传感器灵敏度特性曲线

从图2可以看出，在一定的范围内，半导体传感器敏感元件电阻比的对数与气体体积分数的对数成近似线性关系［2］。

当 警器的 警设定值为甲烷爆炸下限的1％时，即当甲烷体积分数大于等于0.05%时， 警器就应该 警。由图2可以看出，当甲烷体积分数等于0.05%时，传感器输出的电阻比约为2.7；而如果测试气体为乙醇，传感器输出同样电阻比时的体积分数约为0.3%。因此，当厨房中乙醇体积分数大于0.3%， 警器中没有辅助的抗干扰气体识别程序时， 警器就会 警，而此时的 警即为误 警。

TGS2611-D00半导体传感器灵敏度特性曲线见图3。可以看出，TGS2611-D00半导体传感器对乙醇的灵敏度很低，传感器在乙醇体积分数为1%以下环境中的电阻比均在10以上，而传感器在甲烷体积分数为1%以下环境中的电阻比均在5以下。因此，使用这款传感器的 警器可以直接根据传感器输出的电阻比来判断出 警器所处的环境中是否有甲烷，排除了乙醇对 警器的干扰。

图3 TGS2611-D00半导体传感器灵敏度特性曲线

TGS2611-E00半导体传感器对乙醇的灵敏度也很低。TGS2611-E00传感器中加装了可消除乙醇等干扰气体影响的滤罩，具有对甲烷气体极高选择性的灵敏特性。TGS2611-E00半导体传感器灵敏度特性曲线见图4。

图4 TGS2611-E00半导体传感器灵敏度特性曲线

由图4可以看出，在空气中和在含乙醇的气体环境中传感器的输出值都固定不变，与气体体积分数无关。因此，使用TGS2611-E00半导体传感器的 警器可以消除因乙醇而产生的误 ，是比较理想的 警器用传感器。

4.2 通过程序处理提高 警器抗干扰性能

由于抗干扰性能好的传感器价格相对较高，像 警器这类小型家用电子设备对成本是比较敏感的，如何在保证 警器抗干扰性能的同时又控制住成本，是一个值得思考的问题。下面提出几种当选用抗干扰气体性能不高的传感器时，通过程序处理的方式提高 警器抗干扰性能的方法。

①提高 警设定值

由于半导体传感器敏感元件的电阻比的对数与气体体积分数的对数成近似线性关系，同时半导体传感器对于干扰气体（乙醇、乙酸等）的灵敏度基本都低于甲烷，如果将 警器的 警设定值提高，就需要更高体积分数的干扰气体才能导致 警器误 。因此，提高 警器的 警设定值，是一种提高 警器抗干扰性能的方法。

以使用TGS2611-C00半导体传感器的 警器为例，从前 的分析结果可知：如果将 警设定值设为爆炸下限的1％（甲烷体积分数为0.05%时），当乙醇体积分数大于0.3%， 警器中没有辅助的抗干扰气体识别程序时， 警器就会产生误 。从图2可以看出， TGS2611-C00半导体传感器在甲烷体积分数为0.15%时的电阻比约为1.5，而传感器在乙醇体积分数不大于1％的气体环境中的电阻比均大于1.5，如果将 警设定值设为爆炸下限的3％（甲烷体积分数为0.15%时），只要 警器所处环境的乙醇体积分数不大于1％， 警器就不会产生误 。从传感器灵敏度曲线的走势可以看出，如果将 警设定值再提高， 警器的抗干扰性能会进一步提高。

GB 15322.2—2019《可燃气体探测器 第2部分：家用可燃气体探测器》（以下简称GB 15322.2—2019）第3.3.1.9款规定， 警器的 警设定值应在爆炸下限的5%~25%范围。

为了提高 警器抗干扰性能，同时兼顾 警器的灵敏度，建议将 警器的 警设定值设置为爆炸下限的10%左右。

②增加响应时间

GB 15322.2—2019第3.3.4条规定，除探测一氧化碳的探测器外，其他气体探测器的响应时间不应大于30 s。

厨房内的干扰气体基本是在用户烹饪时产生的，这些干扰气体体积分数具有在短时间内迅速升高然后快速下降的变化规律，而在燃气泄漏环境中，甲烷的体积分数是在持续缓慢上升的。 警器可根据这个规律，在 警器程序中进行特定的设定来排除干扰。例如，当 警器检测到传感器输出值所对应的甲烷体积分数从0开始上升时，就开始进行一定时间（ 警器厂家自行确定）的排除干扰监测，在排除干扰监测时间内，如果传感器输出值所对应的甲烷体积分数迅速上升后又下降到了 警器 警设定值以下，此时 警器判定为有干扰气体，将不进行 警。

警器可以通过增加排除干扰监测来增加响应时间，从而达到提高 警器抗干扰性能的目的。建议设置合适的排除干扰检测时间，使 警器的响应时间接近30 s。

③接入智慧厨房系统

智慧厨房系统建设使厨房中智能设备互联互通成为可能。既然 警器的干扰气体基本是在用户烹饪时产生的，那么我们可以将 警器接入智慧厨房系统，以此获取智慧厨房中灶具的设备状态以及人员的活动状态，经过对灶具设备以及人员活动状态的判断，让 警器针对不同的厨房场景采取不同的工作设定，以此来提高 警器的抗干扰性能。例如，当厨房内有人员活动并且灶具处于开启状态时， 警器可将响应时间和 警设定值都设成允许范围内的最大值，以此来提高抗干扰性能，因为这种场景是极易出现干扰源的。当厨房内无人员活动并且灶具处于关闭状态时， 警器可将响应时间和 警设定值都适当减小，在保证抗干扰性能的同时又提高了响应速度，进一步确保厨房安全。

5 结论

导致 警器误 的原因有传感器原因、硬件电路原因和软件处理程序原因，传感器原因中的传感器抗干扰性能差是导致 警器误 的最主要原因。选用抗干扰性能好的传感器虽然可直接有效地降低 警器误 率，但同时会导致 警器成本的增加。当 警器选用抗干扰性能不高的传感器时，可通过提高 警设定值、增加响应时间和将 警器接入智慧厨房系统3种程序处理方式来降低 警器的误 率。

参考 献：

［1］赵大力，刘天庆，徐洁等. 传感器影响可燃气体 警器长期稳定性及产生误 的原因分析［J］. 传感器世界，2012（6）：20-22.

［2］才春利，付蔷，王黎东，等. 关于气体 警器稳定性的探讨［J］. 传感器世界，2002（6）：15-18.