家用燃氣安全閥的研究與設計

李傳海 謝健德 呂俊 牟洪鐘 周炯

（湖北民族學院理學院，湖北恩施 445000）

0 引言

我國天然氣產量保持較高的增長率，2005-2007年均增幅達18.58%[1]。從閥門行業來看，1997年的統計資料，全國年產閥門56萬噸，年產值68億元[2]。從用戶的事故成分看, 燃氣泄漏是目前主要的安全隱患。天津市2006年的部分統計資料顯示,燃氣泄漏的維修量約占58 %[3]。

以上的數據表明，燃氣的使用范圍越來越廣，閥門的使用數量越來愈多。隨著城鎮天然氣的普及，天然氣的使用人口日益增加，天然氣的用途愈加廣泛，用氣的安全問題已經慢慢成為社會聚焦的熱點。燃氣事故愈發嚴重，主要表現在燃氣泄漏、燃氣不完全燃燒等等，其中燃氣事故中燃氣泄漏約占50%，主要是由于用戶使用操作不規范、管道泄漏、閥門質量存在問題等引起的。

1 系統設計

因天然氣是一種混合氣態化石燃料，主要成分是烷烴中的甲烷。本設計使用STC12C5A60S2單片機為核心控制器，以甲烷傳感器檢測室內空氣中的甲烷濃度，當室內空氣中泄漏的甲烷超過一定濃度，控制器發出指令驅動電磁閥門關閉，并以聲光報警的方式提示用戶天然氣泄漏；另外，在管道內裝有壓力傳感器，針對在停氣或氣壓不足而無法燃燒而未關閉閥門等情況下，實時監測管內的氣壓值，并設有一個極限關閉閥門的壓力值，當管道內氣壓低于預設極限關閉壓力值時，電磁閥不能被開啟，并用聲光報警的方式提示用戶氣壓不足，燃氣不能正常使用，避免忘記關閉閥門造成危險。考慮到停電時系統不能正常工作，本設計配備有蓄電池，保證燃氣安全閥門任何時候都能正常工作。同時該系統設計了定時系統實現燃氣閥定時關閉功能，提高了時間效率。本安全閥門的原理圖如圖1所示：

圖1 系統原理圖

2 傳感器部分

天然氣是一種可燃性氣體, 由可燃物質烷烴和非烴類組份混合組成。烷烴約占95%, 烷烴中大部分為甲烷。非烴類組份有硫化氫、二氧化碳、氮氣等[4]。據此組成成分，本設計選用可檢測易燃氣體的甲烷傳感器MQ-4作為天然氣泄漏檢測的敏感元件。

系統總體設計用甲烷傳感器和壓力傳感器，甲烷傳感器MQ-4檢測天然氣在室內空氣中的濃度值判斷是否泄漏，若天然氣發生泄漏，系統將自動關閉閥門并報警。

MQ-4氣體傳感器對甲烷有很高的靈敏性，響應恢復特性快，使用壽命長，穩定可靠，該氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。所以使用此類氣敏元件時，靈敏度的調整很重要，在設計時用5000ppm甲烷校準傳感器。由甲烷傳感器MQ-4檢測回來的數據，經過A/D轉換器、數據處理和換算等系列處理后即可得當前甲烷在空氣中的濃度。甲烷濃度檢測電路原理圖如圖2所示：

圖2 甲烷濃度檢測原理圖

考慮有時突然停氣或氣壓過低無法正常使用，打開燃氣閥后忘記關閉閥門可能釀成氣體泄漏等事故，此設計內裝有壓力傳感器對管內的氣壓進行實時監控，當管內的氣壓值低于預設值時電磁閥自動關閉，在手動開啟閥門前，電磁閥無法開啟并提示氣壓不足等提示信息。壓力檢測原理圖如圖3所示：

圖3 壓力檢測原理圖

3 報警及定時部分

安全閥門在天然氣泄漏時，用聲光報警器提示用戶，當氣壓不足或突然停氣時提示用戶并自動關閉閥門，此設計給閥門的人性化設計和安全帶來了便利。聲光報警由高分貝的蜂鳴器和高亮的彩燈組成，不僅效果好，而且價格便宜。

生活中用戶在使用天然氣時，如做飯、燒水等，在這個時間段內一般不需要進行任何操作，可能會因為忙碌或是忘記關閉閥門而造成危險和浪費燃氣。此安全閥門設有定時器可有效解決這類問題，用戶可開啟定時器通過按鍵設定安全閥門的工作時間，當定時結束后，安全閥門自動熄火關閉，為使操作更直觀簡潔，該設計使用3位數碼管輔助顯示時間，前兩位表示分鐘整數，后一位表示分鐘小數。為減少電路設計，保證系統的穩定性，安全閥門用STC12C5A60S2單片機內部定時器，對系統進行定時操作，以實現定時作用。

4 閥門部分

4.1.電磁閥選用博盛BS-S-20 型電磁閥, 該電磁閥是專用室內燃氣管道快速切斷電磁閥, 是一種低電壓直流脈沖驅動關閉型產品, 能在緊急下安全切斷燃氣管道。它可與燃氣泄漏報警系統連接或與及其他智能報警控制終端模塊連接,實現現場或遠程自動/手動緊急切斷氣源。該閥門閥體利用優質紅銅紅沖而成，其結構是一種新型雙穩態、雙制式電磁閥, 增強了閥門的可靠性和使用壽命, 獨特的小體積設計, 使其小巧美觀[5]。其技術規格如下:

* 適應氣體:天然氣、液化氣等無腐蝕性氣體

* 驅動電壓:DC6-DC12V(脈沖)

* 驅動電流:0.1-0.5A(脈沖)

* 動作時間:小于1s

* 最大工作壓力:0.1Mpa

* 使用溫度:-10～+50℃

* 使用濕度:35%～95%RH

* 連接方式:G1/2”(DN15)/G3/4”(DN20)

* 關閥方式:直流脈沖驅動/手動

* 閥體材質:黃銅合金/不銹鋼/鋁合金

4.2.安全系統的主要功能是控制閥門的開啟和閉合，完成天然氣的通斷過程。為簡化結構及降低系統的使用成本，此設計采用氣體常閉電磁閥。當使用天然氣時，按下開啟/關閉按鈕，系統驅動電磁閥打開，帶有開啟字樣的綠燈亮（若安全系統檢測到氣壓不足或室內甲烷濃度過高，不能開啟閥門并且帶有氣壓不足的紅燈或帶有燃氣泄漏字樣的紅燈閃爍）；若連續按兩次進入定時模式，這時帶有定時模式字樣的黃燈亮，調節“+”，“-”按鈕就可實現定時操作，時間設定5秒后系統自動開始倒計時。計時完成后系統驅動電磁閥自動關閉熄火。在以上模式下再按一次開啟/關閉按鈕，帶有關閉的字樣的黃燈閃爍，電磁閥門關閉；突然停氣或氣壓不足不能正常使用時，帶有氣壓不足字樣的紅燈閃爍，關閉電磁閥閥門；檢測到燃氣泄漏時，帶有燃氣泄漏字樣的紅燈閃爍，并關閉電磁閥閥門。

5 軟件設計

本設計使用Kile4和Proteus進行了仿真實驗，并制作實物檢驗設計的可行性，由仿真和實物實驗結果表明，本設計穩定可靠，操作簡單，效果好。軟件設計流程圖如圖4所示：

圖4 軟件主流程圖

6 結束語

家用燃氣安全系統進行軟件仿真和實物制作，并進行相關實驗。實驗結果表明本設計效果明顯能達到預期效果，可實現天然氣泄露時自動報警，并及時關閉閥門。突然停氣或氣壓不足不能正常使用時自動關閉閥門，保證用氣時的安全。實驗結果表明本設計實用效果明顯，成本低廉，操作簡單，能滿足一般家庭用氣的需要，為用戶的用氣安全提供了保證。

[1]殷建平,袁芳,從天然氣短缺談我國天然氣安全問題,《價格理論與實踐》，2010.4：75-76.

[2]鐘昌勤，鄧乾旺，范中平，基于特征的閥門CAD系統的研究，《閥門》，1998（4）：7-10.

[3]吳旭，王新華，戶內天然氣泄漏的原因與對策，《煤氣與熱力》2008.11：49-50.

[4]匡琨吉,天然氣安全技術知識,《石油與天然氣化工》，1980.4：72-73.

[5]李華，智能廚房煤氣監控系統，《電腦開發與應用》2011.2（4）：67-68.