本發(fā)明涉及一種催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置及評(píng)估方法，特別針對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可燃?xì)怏w的催化燃燒傳感器的工作壽命評(píng)估。

背景技術(shù)：

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的催化燃燒傳感器主要檢測(cè)可燃?xì)怏w的濃度。產(chǎn)品輸出信號(hào)與待測(cè)可燃性氣體濃度成線(xiàn)性關(guān)系，檢測(cè)范圍一般在0～100％LEL(low explosive limit,爆炸下限)內(nèi)。由于采取的是催化燃燒方式，催化劑在工業(yè)環(huán)境中，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，催化活性會(huì)逐漸降低，表現(xiàn)在產(chǎn)品上就是相同氣體濃度下，輸出信號(hào)逐漸減小。產(chǎn)品輸出信號(hào)與待測(cè)氣體濃度的比值稱(chēng)為靈敏度，催化燃燒傳感器的靈敏度，會(huì)隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而降低。為保證傳感器輸出信號(hào)必要的信噪比，一般都會(huì)設(shè)定一個(gè)最低靈敏度閥值(稱(chēng)為S2)，低于該值就需要更換新的傳感器。傳感器由初始靈敏度(稱(chēng)為S1)，降低到S2所對(duì)應(yīng)的使用時(shí)間，稱(chēng)為傳感器使用壽命(稱(chēng)為T(mén))。任何型號(hào)的催化燃燒傳感器，嚴(yán)格的說(shuō)同一型號(hào)不同批次的產(chǎn)品，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用前，必須對(duì)其工作壽命做出可靠的評(píng)估，便于傳感器及時(shí)更換，保證人員和設(shè)備的安全。本發(fā)明就是針對(duì)催化燃燒傳感器的工作壽命提出了一種催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置及評(píng)估方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置及評(píng)估方法，能夠準(zhǔn)確的對(duì)催化燃燒傳感器進(jìn)行壽命評(píng)估。

本發(fā)明公開(kāi)的一種催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置及評(píng)估方法，采 用的技術(shù)方案如下：

包括氣體濃度控制單元，加速老化測(cè)試單元，傳感器信號(hào)處理單元，壽命評(píng)估單元：氣體濃度控制單元與加速老化測(cè)試單元相連接，傳感器信號(hào)處理單元安裝在加速老化測(cè)試單元內(nèi)，傳感器信號(hào)處理單元與壽命評(píng)估單元相連接，壽命評(píng)估單元處于加速老化測(cè)試單元外，并與之相連，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

氣體濃度控制單元包括：一瓶帶減壓閥的100％濃度的可燃?xì)怏w，一個(gè)流量可調(diào)的浮子流量計(jì)，一個(gè)兩位兩通直動(dòng)式常閉型的電磁閥，一臺(tái)固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，一個(gè)電源模塊。

固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀包括：一個(gè)檢測(cè)儀表頭和一個(gè)隔爆探頭，隔爆探頭與檢測(cè)儀表頭在結(jié)構(gòu)上是分離的，電連接，檢測(cè)儀表頭給隔爆探頭供電，兩者之間通過(guò)總線(xiàn)通信。隔爆探頭內(nèi)安裝紅外傳感器，紅外傳感器測(cè)量范圍從0～100％濃度的可燃?xì)怏w，測(cè)量精度高出催化燃燒傳感器一個(gè)數(shù)量級(jí)，在空氣和可燃?xì)怏w中輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，優(yōu)于催化燃燒傳感器至少10倍以上，優(yōu)選地，使用英國(guó)Dynament紅外可燃?xì)怏wPremier系列紅外傳感器。隔爆探頭安裝在加速老化測(cè)試單元內(nèi)，而檢測(cè)儀表頭安裝在加速老化測(cè)試單元外。

檢測(cè)儀表頭包含一個(gè)ARM單片機(jī)，一個(gè)繼電器，在儀表固件中可設(shè)定兩個(gè)報(bào)警濃度，其中一個(gè)為低濃度報(bào)警(稱(chēng)為Alarm Low，AL)，一個(gè)為高濃度報(bào)警(稱(chēng)為Alarm High，AH)，固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到報(bào)警濃度，繼電器就會(huì)動(dòng)作，或者吸合導(dǎo)通或分離斷路；

固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的隔爆探頭包含一個(gè)英國(guó)Dynament的Premier系列的紅外傳感器，一塊模擬信號(hào)調(diào)理PCB板，PCB板包含一個(gè) 混合信號(hào)處理器MSP430(Mixed Signal Processor)，其中的A/D轉(zhuǎn)換通道，將紅外傳感器產(chǎn)生的表示氣體濃度的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c氣體濃度成線(xiàn)性比例的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)總線(xiàn)將該數(shù)字信號(hào)集中于檢測(cè)儀表頭的ARM單片機(jī)上。

電源模塊輸入220V 50Hz交流電，輸出24V 1A直流電，分別給固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀和電磁閥供電。流量可調(diào)的浮子流量計(jì)，箱體容積24升時(shí)，浮子流量計(jì)流量可設(shè)定為50豪升/分鐘。

氣體濃度控制單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：電路是由電源模塊，繼電器和電磁閥構(gòu)成一個(gè)回路，當(dāng)ARM單片機(jī)控制繼電器吸合時(shí)，繼電器導(dǎo)通，整個(gè)回路導(dǎo)通，電源模塊給電磁閥上電，電磁閥控制的氣路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。氣路是氣瓶中可燃?xì)怏w，通過(guò)浮子流量計(jì)限流，經(jīng)過(guò)電磁閥，進(jìn)入加速老化測(cè)試單元。

加速老化測(cè)試單元包括：一個(gè)氣密有機(jī)玻璃測(cè)試箱，兩個(gè)風(fēng)扇，一個(gè)溫濕度計(jì)，一個(gè)數(shù)顯壓力表，一個(gè)壓力泄氣口，一個(gè)航空插頭，一個(gè)氣體濃度控制單元進(jìn)氣口，一個(gè)壽命評(píng)估單元進(jìn)氣口。

加速老化測(cè)試單元的有機(jī)玻璃測(cè)試箱，有機(jī)玻璃壁厚15毫米以上，采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，上蓋板可拆卸。上蓋板與箱體采用聚四氟乙烯密封墊片密封，螺絲孔均勻分布在有機(jī)玻璃壁，由貫穿上蓋板的螺絲壓緊密封。箱體體積由待測(cè)傳感器數(shù)目決定，優(yōu)選同時(shí)測(cè)試8只傳感器，箱體內(nèi)部尺寸400×300×200毫米。加速老化測(cè)試箱平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

加速老化測(cè)試箱中兩個(gè)風(fēng)扇，采用本安防爆型，相對(duì)安裝在箱體側(cè)壁，工作方向平行，盡量錯(cuò)開(kāi)距離，且與氣體濃度控制單元和壽命評(píng)估單元的進(jìn)氣口垂直，快速將可燃?xì)怏w與空氣混合。

加速老化測(cè)試箱中溫濕度計(jì)，采用本安防爆型，小體積尺寸，電池供電，測(cè)量溫度范圍-30℃～100℃，測(cè)量濕度范圍0～100％RH。

加速老化測(cè)試箱中數(shù)顯壓力表，采用本安防爆型，小體積尺寸，電池 供電，測(cè)量壓力范圍0～0.05MPa。

加速老化測(cè)試箱中壓力泄氣口，裝有彈簧式泄壓閥，泄壓壓力優(yōu)選為0.1MPa，能夠自動(dòng)泄壓保證安全。

加速老化測(cè)試箱中的航空插頭，給箱中所有部件供電，給需要與外部數(shù)據(jù)通信的部件提供電連接。航空插頭保證電連接接頭氣密隔爆，芯數(shù)由待測(cè)傳感器數(shù)目決定，優(yōu)選地采用24芯直式插頭，插座四眼法蘭安裝。加速老化測(cè)試箱中的兩個(gè)進(jìn)氣口，優(yōu)選地采用卡套式直通過(guò)板管接頭，材質(zhì)為不銹鋼316，氣路采用直徑4毫米不銹鋼管或特氟龍硬管。

傳感器信號(hào)處理單元電路原理圖如圖4所示，其中包括：一塊傳感器模擬信號(hào)提取電路板，一個(gè)傳感器模擬信號(hào)處理電路。傳感器模擬信號(hào)提取電路板，可同時(shí)安裝8只催化燃燒傳感器，傳感器模擬信號(hào)提取電路板有三個(gè)部分：(1)8只傳感器呈圓形均勻分布在傳感器模擬信號(hào)提取電路板的四周，傳感器模擬信號(hào)提取電路板的中央是傳感器信號(hào)處理電路，電路中的電源芯片給每個(gè)傳感器提供固定工作電壓；(2)兩個(gè)阻值相同的電阻構(gòu)成惠斯通電橋的一個(gè)橋臂，傳感器的催化(黑)和參考(白)元件構(gòu)成另一個(gè)橋臂。8只傳感器的黑白元件各是一個(gè)橋臂，共用電阻橋臂，構(gòu)成8個(gè)惠斯通電橋。傳感器黑白元件橋臂，電流先經(jīng)過(guò)白元件，再經(jīng)過(guò)黑元件，連接到地；(3)惠斯通電橋中，黑白元件橋臂的中點(diǎn)電壓記為VC，電阻橋臂的中點(diǎn)電壓記為VR，傳感器的輸出信號(hào)按VC-VR計(jì)算；

傳感器信號(hào)處理電路包括兩部分：(1)電源芯片TPS76333的供電部分，該芯片將外部供電轉(zhuǎn)換成傳感器工作電壓，同時(shí)給信號(hào)放大部分的運(yùn)算放大器供電；(2)調(diào)理電路部分，運(yùn)算放大器TLV2461差分放大惠斯通電橋輸入信號(hào)，放大后的模擬信號(hào)傳輸給壽命評(píng)估單元。

壽命評(píng)估單元包括：兩瓶帶減壓閥的標(biāo)準(zhǔn)氣體，一瓶為高純空氣，一瓶為50％LEL濃度的可燃?xì)怏w，一個(gè)手動(dòng)T型三通球閥，一個(gè)流量可調(diào)的浮子流量計(jì)，一臺(tái)帶I/O擴(kuò)展插槽的臺(tái)式電腦，一張PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡，一套數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件。壽命評(píng)估單元中的手動(dòng)T型三通球閥， 材質(zhì)為316不銹鋼，能夠在1秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)高純空氣和50％LEL可燃?xì)怏w間切換。壽命評(píng)估單元中的流量可調(diào)的浮子流量計(jì)，箱體容積24升時(shí)，浮子流量計(jì)的流量可設(shè)定為5升/分鐘。

壽命評(píng)估單元中的數(shù)據(jù)采集卡，插入PC機(jī)主板的I/O擴(kuò)展槽中，以PCI總線(xiàn)方式接入，采集傳感器信號(hào)處理單元輸入的電壓模擬信號(hào)。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集卡通道數(shù)為單端16路/差分8路，采樣頻率1M，分辨率16位，精度為滿(mǎn)量程的0.05％，量程0～5V。壽命評(píng)估單元中的數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件，優(yōu)選地，能夠設(shè)定數(shù)據(jù)采集條件，何時(shí)開(kāi)始和結(jié)束采樣/采樣頻率/記錄時(shí)間/通道數(shù)目等，能夠?qū)崿F(xiàn)12小時(shí)以上電壓模擬輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能支持多種文件格式，如：Microsoft Excel,NI LabVIEW及MathWorks MATLAB等。壽命評(píng)估單元的原理圖如圖5所示。

整個(gè)催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估方法，初次基準(zhǔn)運(yùn)行步驟如下：

1.將整個(gè)系統(tǒng)裝置安裝在強(qiáng)通風(fēng)環(huán)境，比如通風(fēng)櫥中，環(huán)境溫濕度恒定在20～25℃@40～60％RH間；

2.將待壽命評(píng)估的催化燃燒傳感器安裝在傳感器模擬信號(hào)提取電路板上；

3.給整個(gè)系統(tǒng)所有單元上電；

4.將氣體濃度控制單元的紅外傳感器標(biāo)定；

5.讓催化燃燒傳感器預(yù)熱10分鐘，然后蓋上加速老化測(cè)試箱上蓋，不要加螺絲壓緊；

6.打開(kāi)壽命評(píng)估單元的高純空氣氣瓶減壓閥，手動(dòng)切換三通閥到高純空氣，向加速老化測(cè)試箱通入高純空氣，通過(guò)浮子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量 5升/分鐘，觀察加速老化測(cè)試箱中數(shù)顯壓力表，保證箱體內(nèi)氣壓在催化燃燒傳感器正常工作壓力范圍；

7.觀察氣體濃度控制單元的紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，保證箱體內(nèi)可燃?xì)怏w濃度為零；

8.打開(kāi)壽命評(píng)估單元中的數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件，待催化燃燒傳感器在空氣中輸出信號(hào)穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；

9.打開(kāi)壽命評(píng)估單元的50％LEL可燃?xì)怏w氣瓶減壓閥，帶軟件記錄1分鐘后，手動(dòng)切換三通閥到50％LEL可燃?xì)怏w，由軟件持續(xù)記錄/儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)，直到信號(hào)穩(wěn)定記錄下次數(shù)紅外傳感器濃度讀數(shù)；

10.結(jié)束壽命評(píng)估單元中的軟件；

11.手動(dòng)切換三通閥到高純空氣，向加速老化測(cè)試箱通入高純空氣，流量5升/分鐘，觀察氣體濃度控制單元的紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，保證箱體內(nèi)可燃?xì)怏w濃度恢復(fù)為零；

12.關(guān)閉壽命評(píng)估單元兩個(gè)氣瓶的減壓閥，然后關(guān)閉壽命評(píng)估單元的浮子流量計(jì)；

13.將加速老化測(cè)試箱上蓋用螺絲壓緊；

14.打開(kāi)氣體濃度控制單元的100％濃度可燃?xì)怏w氣瓶減壓閥；

15.打開(kāi)氣體濃度控制單元的浮子流量計(jì)，待繼電器接通，電磁閥動(dòng)作氣路導(dǎo)通時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量50豪升/分鐘；

如需測(cè)量催化燃燒傳感器當(dāng)前靈敏度時(shí)，運(yùn)行步驟如下：

1.關(guān)閉氣體濃度控制單元的100％濃度可燃?xì)怏w氣瓶減壓閥；

2.關(guān)閉氣體濃度控制單元的浮子流量計(jì)；

3.松開(kāi)壽命評(píng)估測(cè)試箱上蓋的螺絲；

運(yùn)行初次基準(zhǔn)運(yùn)行步驟中的第6步到第15步；

氣體濃度控制單元控制加速老化測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度的原理如下：

預(yù)估傳感器使用壽命，設(shè)計(jì)加速老化測(cè)試時(shí)間，由前者除以后者，確定加速老化濃度系數(shù)α。根據(jù)實(shí)際工業(yè)環(huán)境，可燃?xì)怏w常見(jiàn)濃度C1(檢測(cè)儀記錄的報(bào)警濃度平均值)，以及α和加速老化測(cè)試濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(由實(shí)驗(yàn)確定，后有詳述)，確定加速老化實(shí)驗(yàn)的可燃?xì)怏w濃度。

原則上加速老化測(cè)試箱內(nèi)可燃?xì)怏w濃度不要超過(guò)70％LEL，除保證測(cè)試安全外，還需防止特殊情況下濃度過(guò)載對(duì)傳感器造成損傷。以下以加速老化濃度50％LEL為例說(shuō)明。

可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，低濃度報(bào)警點(diǎn)(稱(chēng)為Alarm Low，AL)設(shè)定為49％LEL，高濃度報(bào)警點(diǎn)(稱(chēng)為Alarm High，AH)設(shè)定為50％LEL。檢測(cè)儀繼電器的工作條件是：低于49％LEL接通，高于50％LEL斷開(kāi)。

當(dāng)壽命評(píng)估測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度低于49％LEL時(shí)，繼電器接通，電磁閥上電，氣路導(dǎo)通，100％濃度可燃?xì)怏w以50毫升/分鐘的小流量通入測(cè)試箱，通過(guò)風(fēng)扇迅速混合均勻。當(dāng)測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到50％LEL時(shí)，繼電器斷開(kāi)，電路斷路，電磁閥斷電，氣路截止。此時(shí)由于氣路滯后效應(yīng)，測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度仍會(huì)小幅上升，通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)流量，可將最高濃度值控制在51％LEL內(nèi)。整個(gè)濃度控制過(guò)程中，可燃?xì)怏w濃度在49～51％LEL范圍內(nèi)，以正弦波形式振蕩變化。

C1和C2間必須有一個(gè)范圍，否則繼電器頻繁動(dòng)作，反而無(wú)法有效控 制濃度。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB15322.1可燃?xì)怏w探測(cè)器第1部分工業(yè)及商業(yè)用途可燃?xì)怏w探測(cè)器中，測(cè)量范圍在3～100％LEL的氣體探測(cè)器，量程指示偏差在±5％LEL，本壽命評(píng)估系統(tǒng)中可燃?xì)怏w濃度±1％LEL的波動(dòng)范圍是可以接受的。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果：

基于本系統(tǒng)的催化燃燒傳感器剩余壽命計(jì)算方法：

1.催化燃燒傳感器靈敏度計(jì)算方法：

空氣中輸出信號(hào)-V1

可燃?xì)怏w中輸出信號(hào)-V2

可燃?xì)怏w濃度-C

傳感器靈敏度-S

S＝(V2-V1)/C

2.催化燃燒傳感器壽命計(jì)算方法：

2.1加速老化氣體濃度系數(shù)α的確認(rèn)

傳感器初始靈敏度-S1

傳感器最低靈敏度閥值-S2

實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，可燃?xì)怏w常見(jiàn)濃度-C1

高濃度加速老化的可燃?xì)怏w濃度-C2

實(shí)驗(yàn)一：C1濃度下，同型號(hào)同批次傳感器，在本系統(tǒng)中24小時(shí)不間斷老化，靈敏度由S1降低到S2所需的時(shí)間，記為T(mén)1；

實(shí)驗(yàn)二：C2濃度下，同型號(hào)同批次傳感器，在本系統(tǒng)中24小時(shí)不間斷老化，靈敏度由S1降低到S2所需的時(shí)間，記為T(mén)2；

則加速老化氣體濃度系數(shù)α＝T1/T2；

2.2加速老化時(shí)間間隔系數(shù)β的確認(rèn)

實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，24小時(shí)內(nèi)可燃?xì)怏w出現(xiàn)平均頻次(檢測(cè)儀報(bào)警次數(shù))-N

實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，24小時(shí)內(nèi)可燃?xì)怏w出現(xiàn)平均時(shí)間(檢測(cè)儀報(bào)警持續(xù)時(shí)間)-T3

則：實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，24小時(shí)內(nèi)檢測(cè)儀暴露在可燃?xì)怏w中的時(shí)間-T4＝N×T3

實(shí)驗(yàn)三：C2濃度下，同型號(hào)同批次傳感器，在本系統(tǒng)中24小時(shí)內(nèi)老化T4時(shí)間(由氣體濃度控制單元控制C2濃度，由剩余壽命評(píng)估單元保證潔凈空氣氣氛)，靈敏度由S1降低到S2所需的時(shí)間，記為T(mén)5；

則加速老化時(shí)間間隔系數(shù)β＝T5/T2；

2.3壽命T的確認(rèn)

T＝T2×α×β；

實(shí)際工業(yè)環(huán)境往往復(fù)雜惡劣，氣體種類(lèi)不止一種可燃?xì)怏w，還會(huì)有各種有毒/干擾氣體。如果能夠確認(rèn)主要有毒/干擾氣體的種類(lèi)和濃度，可將本系統(tǒng)中，氣體濃度控制單元的100％濃度燃?xì)怏w，以及壽命評(píng)估單元50％LEL濃度可燃?xì)怏w，預(yù)先按比例配入有毒/干擾氣體，能夠更準(zhǔn)確的進(jìn)行壽命評(píng)估。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為氣體濃度控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為加速老化測(cè)試單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為傳感器信號(hào)處理單元電路原理圖。

圖5為壽命評(píng)估單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

1氣體濃度控制單元 2加速老化測(cè)試單元 3傳感器信號(hào)處理單元

4壽命評(píng)估單元 11檢測(cè)儀表頭 111 ARM單片機(jī)

112繼電器 12交流電源 121電路

13隔爆探頭 131混合信號(hào)處理器 132紅外線(xiàn)傳感器

14航空接頭 15氣密接頭 16電磁閥

17電源模塊 18浮子流量計(jì) 19可燃?xì)怏w

191氣路 21氣體濃度控制單元進(jìn)氣口 22航空插頭

23壓力泄氣口 24風(fēng)扇 25螺釘

26數(shù)顯壓力表 27溫濕度計(jì) 28壽命評(píng)估單元進(jìn)氣口

31傳感器信號(hào)處理電路 32傳感器 41加速老化測(cè)試箱

42高純空氣 43可燃?xì)怏w 44顯示屏

45機(jī)箱

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明公開(kāi)的一種催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估裝置及評(píng)估方法，采 用的技術(shù)方案如下：

包括氣體濃度控制單元1，加速老化測(cè)試單元2，傳感器信號(hào)處理單元3，壽命評(píng)估單元4：氣體濃度控制單元1與加速老化測(cè)試單元2相連接，傳感器信號(hào)處理單元3安裝在加速老化測(cè)試單元2內(nèi)，傳感器信號(hào)處理單元3與壽命評(píng)估單元4相連接，壽命評(píng)估單元4處于加速老化測(cè)試單元2外，并與之相連，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

氣體濃度控制單元1包括：一瓶帶減壓閥的100％濃度的可燃?xì)怏w43，一個(gè)流量可調(diào)的浮子流量計(jì)18，一個(gè)兩位兩通直動(dòng)式常閉型的電磁閥16，一臺(tái)固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，一個(gè)電源模塊17。

固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀包括：一個(gè)檢測(cè)儀表頭11和一個(gè)隔爆探頭13，隔爆探頭13與檢測(cè)儀表頭11在結(jié)構(gòu)上是分離的，電連接，檢測(cè)儀表頭11給隔爆探頭13供電，兩者之間通過(guò)總線(xiàn)通信。隔爆探頭13內(nèi)安裝紅外傳感器132，紅外傳感器132測(cè)量范圍從0～100％濃度的可燃?xì)怏w19，測(cè)量精度高出催化燃燒傳感器一個(gè)數(shù)量級(jí)，在空氣和可燃?xì)怏w中輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，優(yōu)于催化燃燒傳感器至少10倍以上，優(yōu)選地，使用英國(guó)Dynament紅外可燃?xì)怏wPremier系列紅外傳感器。隔爆探頭13安裝在加速老化測(cè)試單元內(nèi)2，而檢測(cè)儀表頭11安裝在加速老化測(cè)試單元2外。

檢測(cè)儀表頭11包含一個(gè)ARM單片機(jī)111，一個(gè)繼電器112，在儀表固件中可設(shè)定兩個(gè)報(bào)警濃度，其中一個(gè)為低濃度報(bào)警(稱(chēng)為Alarm Low，AL)，一個(gè)為高濃度報(bào)警(稱(chēng)為Alarm High，AH)，固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀檢測(cè)到氣體濃度達(dá)到報(bào)警濃度，繼電器112就會(huì)動(dòng)作，或者吸合導(dǎo)通或分離斷路；

固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀的隔爆探頭13包含一個(gè)英國(guó)Dynament的 Premier系列的紅外傳感器，一塊模擬信號(hào)調(diào)理PCB板，PCB板包含一個(gè)混合信號(hào)處理器MSP430(Mixed Signal Processor)，其中的A/D轉(zhuǎn)換通道，將紅外傳感器產(chǎn)生的表示氣體濃度的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c氣體濃度成線(xiàn)性比例的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)總線(xiàn)將該數(shù)字信號(hào)集中于檢測(cè)儀表頭11的ARM單片機(jī)111上。

電源模塊17輸入220V 50Hz交流電，輸出24V 1A直流電，分別給固定式可燃?xì)怏w檢測(cè)儀和電磁閥16供電。流量可調(diào)的浮子流量計(jì)18，箱體容積24升時(shí)，浮子流量18計(jì)流量可設(shè)定為50豪升/分鐘。

氣體濃度控制單元1結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：電路是由電源模塊17，繼電器112和電磁閥16構(gòu)成一個(gè)回路，當(dāng)ARM單片機(jī)111控制繼電器16吸合時(shí)，繼電器16導(dǎo)通，整個(gè)回路導(dǎo)通，電源模塊117給電磁閥16上電，電磁閥16控制的氣路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。氣路是氣瓶中可燃?xì)怏w19，通過(guò)浮子流量計(jì)18限流，經(jīng)過(guò)電磁閥16，進(jìn)入加速老化測(cè)試單元2。

加速老化測(cè)試單元2包括：一個(gè)氣密有機(jī)玻璃測(cè)試箱，兩個(gè)風(fēng)扇24，一個(gè)溫濕度計(jì)，一個(gè)數(shù)顯壓力表26，一個(gè)壓力泄氣口23，一個(gè)航空插頭22，一個(gè)氣體濃度控制單元進(jìn)氣口21，一個(gè)壽命評(píng)估單元進(jìn)氣口28。

加速老化測(cè)試單元2的有機(jī)玻璃測(cè)試箱，有機(jī)玻璃壁厚15毫米以上，采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，上蓋板可拆卸。上蓋板與箱體采用聚四氟乙烯密封墊片密封，螺絲孔均勻分布在有機(jī)玻璃壁，由貫穿上蓋板的螺絲壓緊密封。箱體體積由待測(cè)傳感器數(shù)目決定，優(yōu)選同時(shí)測(cè)試8只傳感器，箱體內(nèi)部尺寸400×300×200毫米。加速老化測(cè)試箱平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

加速老化測(cè)試箱41中兩個(gè)風(fēng)扇24，采用本安防爆型，相對(duì)安裝在箱體側(cè)壁，工作方向平行，盡量錯(cuò)開(kāi)距離，且與氣體濃度控制單元1和壽命評(píng)估單元進(jìn)氣口28垂直，快速將可燃?xì)怏w與空氣混合。

加速老化測(cè)試箱41中溫濕度計(jì)，采用本安防爆型，小體積尺寸，電 池供電，測(cè)量溫度范圍-30℃～100℃，測(cè)量濕度范圍0～100％RH。

加速老化測(cè)試箱41中數(shù)顯壓力表26，采用本安防爆型，小體積尺寸，電池供電，測(cè)量壓力范圍0～0.05MPa。

加速老化測(cè)試箱41中壓力泄氣口，裝有彈簧式泄壓閥，泄壓壓力優(yōu)選為0.1MPa，能夠自動(dòng)泄壓保證安全。

加速老化測(cè)試箱41中的航空插頭22，給箱中所有部件供電，給需要與外部數(shù)據(jù)通信的部件提供電連接。航空插頭22保證電連接接頭氣密隔爆，芯數(shù)由待測(cè)傳感器數(shù)目決定，優(yōu)選地采用24芯直式插頭，插座四眼法蘭安裝。加速老化測(cè)試箱41中的兩個(gè)進(jìn)氣口，優(yōu)選地采用卡套式直通過(guò)板管接頭，材質(zhì)為不銹鋼316，氣路采用直徑4毫米不銹鋼管或特氟龍硬管。

傳感器信號(hào)處理單元3電路原理圖如圖4所示，其中包括：一塊傳感器模擬信號(hào)提取電路板，一個(gè)傳感器模擬信號(hào)處理電路31。傳感器模擬信號(hào)提取電路板，可同時(shí)安裝8只催化燃燒傳感器，傳感器模擬信號(hào)提取電路板有三個(gè)部分：(1)8只傳感器呈圓形均勻分布在傳感器模擬信號(hào)提取電路板的四周，傳感器模擬信號(hào)提取電路板的中央是傳感器信號(hào)處理電路31，電路中的電源芯片給每個(gè)傳感器32提供固定工作電壓；(2)兩個(gè)阻值相同的電阻構(gòu)成惠斯通電橋的一個(gè)橋臂，傳感器32的催化(黑)和參考(白)元件構(gòu)成另一個(gè)橋臂。8只傳感器32的黑白元件各是一個(gè)橋臂，共用電阻橋臂，構(gòu)成8個(gè)惠斯通電橋。傳感器32黑白元件橋臂，電流先經(jīng)過(guò)白元件，再經(jīng)過(guò)黑元件，連接到地；(3)惠斯通電橋中，黑白元件橋臂的中點(diǎn)電壓記為VC，電阻橋臂的中點(diǎn)電壓記為VR，傳感器的輸出信號(hào)按VC-VR計(jì)算；

傳感器信號(hào)處理電路31包括兩部分：(1)電源芯片TPS76333的供電部分，該芯片將外部供電轉(zhuǎn)換成傳感器工作電壓，同時(shí)給信號(hào)放大部分的運(yùn)算放大器供電；(2)調(diào)理電路部分，運(yùn)算放大器TLV2461差分放大惠斯通電橋輸入信號(hào)，放大后的模擬信號(hào)傳輸給壽命評(píng)估單元。

壽命評(píng)估單元4包括：兩瓶帶減壓閥的標(biāo)準(zhǔn)氣體，一瓶為高純空氣42， 一瓶為50％LEL濃度的可燃?xì)怏w43，一個(gè)手動(dòng)T型三通球閥，一個(gè)流量可調(diào)的浮子流量計(jì)18，一臺(tái)帶I/O擴(kuò)展插槽的臺(tái)式電腦，一張PCI接口的數(shù)據(jù)采集卡，一套數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件。壽命評(píng)估單元4中的手動(dòng)T型三通球閥，材質(zhì)為316不銹鋼，能夠在1秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)高純空氣和50％LEL可燃?xì)怏w間切換。壽命評(píng)估單元4中的流量可調(diào)的浮子流量計(jì)18，箱體容積24升時(shí)，浮子流量計(jì)18的流量可設(shè)定為5升/分鐘。

壽命評(píng)估單元4中的數(shù)據(jù)采集卡，插入PC機(jī)主板的I/O擴(kuò)展槽中，以PCI總線(xiàn)方式接入，采集傳感器信號(hào)處理單元輸入的電壓模擬信號(hào)。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集卡通道數(shù)為單端16路/差分8路，采樣頻率1M，分辨率16位，精度為滿(mǎn)量程的0.05％，量程0～5V。壽命評(píng)估單元4中的數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件，優(yōu)選地，能夠設(shè)定數(shù)據(jù)采集條件，何時(shí)開(kāi)始和結(jié)束采樣/采樣頻率/記錄時(shí)間/通道數(shù)目等，能夠?qū)崿F(xiàn)12小時(shí)以上電壓模擬輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能支持多種文件格式，如：Microsoft Excel,NI LabVIEW及MathWorks MATLAB等。壽命評(píng)估單元的原理圖如圖5所示。

整個(gè)催化燃燒傳感器工作壽命評(píng)估方法，初次基準(zhǔn)運(yùn)行步驟如下：

1.將整個(gè)系統(tǒng)裝置安裝在強(qiáng)通風(fēng)環(huán)境，比如通風(fēng)櫥中，環(huán)境溫濕度恒定在20～25℃@40～60％RH間；

2.將待壽命評(píng)估的催化燃燒傳感器安裝在傳感器模擬信號(hào)提取電路板上；

3.給整個(gè)系統(tǒng)所有單元上電；

4.將氣體濃度控制單元的紅外傳感器標(biāo)定；

5.讓催化燃燒傳感器預(yù)熱10分鐘，然后蓋上加速老化測(cè)試箱上蓋， 不要加螺絲壓緊；

6.打開(kāi)壽命評(píng)估單元4的高純空氣氣瓶減壓閥，手動(dòng)切換三通閥到高純空氣42，向加速老化測(cè)試箱41通入高純空氣42，通過(guò)浮子流量計(jì)18調(diào)節(jié)流量5升/分鐘，觀察加速老化測(cè)試箱41中數(shù)顯壓力表26，保證箱體內(nèi)氣壓在催化燃燒傳感器正常工作壓力范圍；

7.觀察氣體濃度控制單元1的紅外傳感器132測(cè)量數(shù)據(jù)，保證箱體內(nèi)可燃?xì)怏w濃度為零；

8.打開(kāi)壽命評(píng)估單元4中的數(shù)據(jù)采集/儲(chǔ)存/顯示軟件，待催化燃燒傳感器在空氣中輸出信號(hào)穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；

9.打開(kāi)壽命評(píng)估單元4的50％LEL可燃?xì)怏w氣瓶減壓閥，帶軟件記錄1分鐘后，手動(dòng)切換三通閥到50％LEL可燃?xì)怏w，由軟件持續(xù)記錄/儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)，直到信號(hào)穩(wěn)定記錄下次數(shù)紅外傳感器濃度讀數(shù)；

10.結(jié)束壽命評(píng)估單元4中的軟件；

11.手動(dòng)切換三通閥到高純空氣，向加速老化測(cè)試箱41通入高純空氣42，流量5升/分鐘，觀察氣體濃度控制單元1的紅外傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，保證箱體內(nèi)可燃?xì)怏w43濃度恢復(fù)為零；

12.關(guān)閉壽命評(píng)估單元4兩個(gè)氣瓶的減壓閥，然后關(guān)閉壽命評(píng)估單元4的浮子流量計(jì)；

13.將加速老化測(cè)試箱41上蓋用螺絲壓緊；

14.打開(kāi)氣體濃度控制單元的100％濃度可燃?xì)怏w43氣瓶減壓閥；

15.打開(kāi)氣體濃度控制單元1的浮子流量計(jì)18，待繼電器接通，電磁 閥動(dòng)作氣路導(dǎo)通時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量50豪升/分鐘；

如需測(cè)量催化燃燒傳感器當(dāng)前靈敏度時(shí)，運(yùn)行步驟如下：

1.關(guān)閉氣體濃度控制單元1的100％濃度可燃?xì)怏w氣瓶減壓閥；

2.關(guān)閉氣體濃度控制單元1的浮子流量計(jì)18；

3.松開(kāi)壽命評(píng)估測(cè)試箱上蓋的螺絲；

運(yùn)行初次基準(zhǔn)運(yùn)行步驟中的第6步到第15步；

氣體濃度控制單元1控制加速老化測(cè)試箱41中可燃?xì)怏w濃度的原理如下：

預(yù)估傳感器使用壽命，設(shè)計(jì)加速老化測(cè)試時(shí)間，由前者除以后者，確定加速老化濃度系數(shù)α。根據(jù)實(shí)際工業(yè)環(huán)境，可燃?xì)怏w常見(jiàn)濃度C1(檢測(cè)儀記錄的報(bào)警濃度平均值)，以及α和加速老化測(cè)試濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(由實(shí)驗(yàn)確定，后有詳述)，確定加速老化實(shí)驗(yàn)的可燃?xì)怏w濃度。

原則上加速老化測(cè)試箱41內(nèi)可燃?xì)怏w43濃度不要超過(guò)70％LEL，除保證測(cè)試安全外，還需防止特殊情況下濃度過(guò)載對(duì)傳感器造成損傷。以下以加速老化濃度50％LEL為例說(shuō)明。

可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，低濃度報(bào)警點(diǎn)(稱(chēng)為Alarm Low，AL)設(shè)定為49％LEL，高濃度報(bào)警點(diǎn)(稱(chēng)為Alarm High，AH)設(shè)定為50％LEL。檢測(cè)儀繼電器的工作條件是：低于49％LEL接通，高于50％LEL斷開(kāi)。

當(dāng)壽命評(píng)估測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度低于49％LEL時(shí)，繼電器接通，電磁閥上電，氣路導(dǎo)通，100％濃度可燃?xì)怏w以50毫升/分鐘的小流量通入測(cè)試箱，通過(guò)風(fēng)扇24迅速混合均勻。當(dāng)測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到50％LEL時(shí)，繼電器斷開(kāi)，電路斷路，電磁閥斷電，氣路截止。此時(shí)由于氣路滯后 效應(yīng)，測(cè)試箱中可燃?xì)怏w濃度仍會(huì)小幅上升，通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)流量，可將最高濃度值控制在51％LEL內(nèi)。整個(gè)濃度控制過(guò)程中，可燃?xì)怏w濃度在49～51％LEL范圍內(nèi)，以正弦波形式振蕩變化。

C1和C2間必須有一個(gè)范圍，否則繼電器頻繁動(dòng)作，反而無(wú)法有效控制濃度。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB15322.1可燃?xì)怏w探測(cè)器第1部分工業(yè)及商業(yè)用途可燃?xì)怏w探測(cè)器中，測(cè)量范圍在3～100％LEL的氣體探測(cè)器，量程指示偏差在±5％LEL，本壽命評(píng)估系統(tǒng)中可燃?xì)怏w濃度±1％LEL的波動(dòng)范圍是可以接受的。