當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，尤其是火災(zāi)發(fā)生初期，由于不完全燃燒，在火災(zāi)現(xiàn)場的建筑物內(nèi)會有大量的
一氧化碳產(chǎn)生，直接威脅著建筑物內(nèi)人員以及將要進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)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(zāi)報警器，并把建筑物內(nèi)的一氧化碳濃度狀況實時傳送到消防控制中心用于指導(dǎo)火災(zāi)救援至關(guān)重要。
一、傳感器的選擇
針對一氧化碳火災(zāi)報警器，目前國家有相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GBl5631-200s《特種火災(zāi)探測器》，其中的4.5條款(點型一氧化碳探測器)中，對其技術(shù)要求已有明確規(guī)定。關(guān)于報警器的響應(yīng)閥值，固定式的應(yīng)設(shè)定為26～45ppm，可調(diào)式的應(yīng)設(shè)定為23～66ppm，該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對火災(zāi)發(fā)生的初期探測及報警是必要的。
但當(dāng)火災(zāi)的信號已發(fā)出等到消防人員趕到火災(zāi)現(xiàn)場后，除報警房間的一氧化碳?xì)怏w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(jìn)入該建筑物內(nèi)。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(shè)計一種測量范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快的一氧化碳火災(zāi)報警器將勢在必行。
目前檢測一氧化碳的傳感器按檢測原理主要分為
半導(dǎo)體型、電化學(xué)型和紅外型，其主要工作原理及優(yōu)缺點分析如下：
1、半導(dǎo)體型
(1)工作原理及特性曲線
半導(dǎo)體傳感器對氣體的敏感度取決于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(yuǎn)低于對其他氣體(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(yīng)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，敏感元件采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(yōu)良的靈敏度和再現(xiàn)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?xì)夥障碌膫鞲衅麟娮柚怠?br />
(2)氣體響應(yīng)時間
根據(jù)傳感器的檢測原理，對其表面素子的加熱方式一般是采用脈沖方式，所以傳感器氣體響應(yīng)時間較長。
圖2為傳感器分別放置在70、150和400ppm的CO中。 然后取出放置在正常空氣中的輸出信號模型，其輸出信號達(dá)到90％飽和水平的響應(yīng)時間大約為3．3min，恢復(fù)到90％基本水平的時間在10min之內(nèi)。
2、電化學(xué)型
(1)工作原理及特性曲線
電化學(xué)型氣體傳感器的檢測原理如圖3所示。
當(dāng)電解槽的正負(fù)電極上施加一個固定電壓后，在作用極和對極上分別發(fā)生反應(yīng)，以一氧化碳傳感器為例，其化學(xué)反應(yīng)式為：
總反應(yīng)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(xué)式氣體傳感器的最大特點是：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(guān)系，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(yīng)，不需要加熱器，所以，電極間電壓可以使用干電池，不需要市電，而且便于攜帶式一氧化碳報警器。
當(dāng)然，從檢測原理就可以明顯看出，電化學(xué)式傳感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(xué)式一氧化碳傳感器的靈敏度特性如圖4所示。
在電化學(xué)式氣體傳感器中還有凝膠電化學(xué)式和原電池式傳感器，在燃?xì)鈭缶惺褂幂^少，不再細(xì)講。
3、紅外式傳感器
紅外式傳感器的檢測原理是：由2種不同原子構(gòu)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(dāng)氣體上照射了紅外光后，就會吸收由該氣體分子結(jié)構(gòu)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。這種傳感器靈敏度、選擇性、特別是精度非常高，常用于儀表，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，很少用在報警器上。
綜上所述
根據(jù)傳感器的檢測范圍、檢測精度、氣體響應(yīng)時間及成本等因素的綜合指標(biāo)考慮采用電化學(xué)式氣體傳感器可以滿足要求。
二、一氧化碳火災(zāi)報警器的設(shè)計
根據(jù)GBl5631，2008特種火災(zāi)探測器中的“4.5點型一氧化碳探測器”，對其技術(shù)要求有如下規(guī)定：
該響應(yīng)閥值應(yīng)為火災(zāi)初期的報警值。
另外根據(jù)UL2034．2007碳氧血紅蛋白數(shù)量與一氧化碳濃度和時間的關(guān)系曲線，救援(消防)人員的碳氧血紅蛋白規(guī)定在25％COHb(頭痛、惡心)以下，即曲線F以下，應(yīng)能直接進(jìn)入該建筑物內(nèi)，對還沒來得及撤離的人員實施救援，救援后并能安全的撤離時間如按10min計算。那么報警器的上限報警濃度應(yīng)設(shè)定在1000ppm。
為了能實時掌握建筑物內(nèi)的一氧化碳?xì)怏w濃度，該報警器除在現(xiàn)場發(fā)出報警信號以外，還應(yīng)把氣體濃度信號實時的傳送到消防控制中心，以便對進(jìn)入現(xiàn)場的救援人員進(jìn)行指導(dǎo)。
報警器的設(shè)計電路框圖如圖8。目前的單片機的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)一般為10位，為了解決氣體的檢測在低濃度段(0-250ppm)的準(zhǔn)確性及檢測范圍寬(0-3000ppm)的特點。
對傳感器的信號采用兩級放大雙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。從圖中可以看出傳感器需要一個2v的偏置電壓。
如果單片機的A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓為5V的話，其分辨率=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/分辨率=4．88。這樣，就可以兼顧檢測準(zhǔn)確性及寬范圍的要求。
三、結(jié)論
因為電化學(xué)式傳感器對電源的要求很低，直線性好， 選擇性也很高，在報警應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計中，信號的處理和顯示都很容易實現(xiàn)。
