专利名称：便携式低功耗数字气体检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种用以检测各种环境中可能存在的某种易燃、易爆、有害气体浓度，并在该气体浓度超限时发出报警信号的检测仪器。
目前生产的便携式气体检测仪大致可分两类。一类是连续测量型。这类仪器大都采用简单的供电方式，因而功耗大。如“SWJ－1A数字沼气测定仪”等。这类仪器中有的为减小功耗而采用自动间断测量方式，如“JJ－1型袖珍甲烷检测器”(引自《煤矿安全仪器手册》)。由于传感器受频繁的电流冲击，因而影响使用寿命；同时，仪器在被测气体浓度临近超限时仍处于间断测量状态，对突变的被测气体浓度存在误测、漏测的危险。另一类是点测型，这类仪器仅用于不需要连续测量的场合。
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，设计一种功耗低、寿命长、性能可靠的气体检测仪。
本实用新型由传感器电桥、主放大器、超限检测及超限声光报警电路、数值显示电路、值警状态识别电路、状态控制电路、状态显示电路、断线检测及断线声光报警电路、电压检测及欠压声光报警电路、电压调整电路、电源及电源变换电路等部分组成。其特征是用状态控制电路控制电压调整电路，使其在值守状态下提供传感器电桥以周期性变化的工作电压。用状态控制电路控制超限检测电路，免除误报警。用状态控制电路控制数值显示电路，使数值显示稳定、准确。
本实用新型用值警状态识别电路判别被测气体浓度是否达到警戒浓度值。当被测气体浓度达到警戒浓度值时，值警状态识别电路输出低电平，仪器自动进入连续测量的警戒状态。
本实用新型的状态控制电路可由双时基电路IC4、四双向开关IC7、四异或门IC8、二极管V4、V17、电阻R11、R25、R26、R27、电容C11、C12、C13、C14组成。R25接在IC4(1)、(4)脚间，R26接在IC4(1)、(2)脚间，C11接在IC4(3)、(7)脚间，C12接在IC4(6)、(7)脚间，IC4(2)、(6)脚短接，IC4(4)脚接电源正极。这样，IC4／2与R25、R26、C11、C12组成无稳态振荡器，其信号由IC4(5)脚输出。IC4(5)脚与IC7(3)脚连接。IC7(3)、(4)、(5)脚间为一组双向开关，IC7(5)脚接值警状态识别电路中IC2(14)脚，无稳态振荡器输出信号经此开关由IC7(4)脚接至V17正极，V17负极接电压调整电路中IC5(5)脚，从而控制电压调整电路。IC4(5)脚同时接IC8(6)脚。IC8(4)、(5)、(6)脚间为一异或门，IC8(5)脚接电源正极，IC4(5)脚信号经此门反相后由IC8(4)脚输出接至IC4(8)脚。R27接在IC4(12)、(14)脚间，C13接在IC4(12)、(7)脚间，C14接在IC4(7)、(11)脚间，IC4(12)、(13)脚短接，IC4(10)脚接电源正极。这样，IC4／2与R27、C13、C14组成单稳延时器，IC4(8)脚接触发信号，输出端IC4(9)脚接IC7(2)脚。IC7(1)、(2)、(13)脚间为一组双向开关，IC7(13)脚接值警状态识别电路中IC2(14)脚，单稳脉冲信号经此开关由IC7(1)脚接V4正极，V4负极接R11，R11另一端接超限检测电路中IC1－3(9)脚，进而控制超限检测电路和值警识别电路的比较基准电压。IC4(9)脚同时接IC8(9)脚。IC8(8)、(9)、(10)脚间为一异或门，IC8(8)脚接电源正极。单稳脉冲信号经此门反相由IC8(10)脚输出。IC8(10)脚接IC7(6)脚。IC7(6)、(8)、(9)脚间为一组双向开关，IC7(8)脚接数值显示电路中IC9(31)脚，IC7(9)脚接主放大器输出电阻R10。IC7(6)脚上的反相的单稳脉冲信号控制此开关，使主放大器输出信号只在正常检测时间里送至数值显示电路。IC7(10)、(11)、(12)脚间为一组双向开关，IC7(8)、(10)脚短接，IC7(9)、(11)脚短接，IC7(12)脚接IC8(3)脚，因IC8(1)脚接电源正极，(2)脚接值警状态识别电路中IC2(14)脚，当检测仪处于警戒状态时，IC2(14)脚为低电平，IC7(10)、(11)脚导通，主放大器输出信号送至数值显示电路IC9(31)脚。当检测仪处于值守状态时，IC7(10)、(11)脚阻断。
本实用新型的电压调整电路由集成运放IC2、时基电路IC5、VMOS管V14、三极管V16、二极管V13、V15、电阻R23、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、电容C4、C5、C6、C7、C15、C16、电感L1组成。其中IC2－3与R34、R35、R36、R37组成放大器，R35一端接IC2(9)脚，另一端接数值显示电路中IC9(32)脚，R36一端接IC2(10)脚，另一端接电源正极，放大器由此得到稳定的2.8V电压。R34接在IC2(8)、(9)脚间，R37接在IC2(10)、(11)脚间，IC2(11)脚接地，IC2(5)、(8)脚短接，IC2(6)、(7)脚短接，这样IC2－2构成电压缓冲级。R33一端接IC2(6)脚，另一端接IC2(2)脚，R32一端接IC2(3)脚，另一端接电压调整电路输出端C7正极。IC2－1与R32、R33构成比较放大器，其输出端IC2(1)脚经R31接IC5电压控制端(5)脚。IC5、R29、R30、C15组成压控多谐振荡器。R29接在IC5(7)、(8)脚间，R30接在IC5(6)、(7)脚间，C15接在IC5(1)、(6)脚间，IC5(2)、(6)脚短接。振荡信号由IC5(3)脚输出。V16的b极接IC5(3)脚，V16的e极接地，V16的c极接V14的G极。V16接成倒相器。C4一端、C5正极、V13正极、V14D极均接电源正极，C4、C5另一端接地，V13负极接R23、C6，R23另一端接V14G极，C6另一端接V14S极，V15负极、L1接V14S极，V15正极接地，L1另一端接C7正极，C7负极接地。
值警状态识别电路由集成运放IC2－4、电阻R7、R8、R9、R12、RP3组成。R7、R8串联，R8一端接地，R7一端接IC2(13)脚。R9一端接IC2(12)脚，另一端接RP3滑动端。R12与RP3串联，R12另一端接电压基准即IC2(8)脚，RP3另一端接地。IC2(14)脚输出信号接至IC7(5)、(13)脚、IC8(2)、(13)脚。
本实用新型由于用状态控制电路控制电压调整电路，使电压调整电路在值守状态下周期性地供给传感器电桥以稳定的高、低两种工作电压，即在值态时为稳定的某一高电压，例如2.4V，仪器正常检测；守态时为稳定的一低电压，例如1.0V，传感器中有一维持电流，仪器处于待测守候状态。这样可使仪器功耗约降为同类仪器的百分之六十以下，同时可延长传感器使用寿命。状态控制电路对超限检测电路的控制，消除了误报警。状态控制电路对数值显示电路的控制，使数值显示稳定、准确。由于值警状态识别电路能在被测气体浓度达到警戒浓度值时使仪器自动由值守状态进入连续测量的警戒状态，消除了对突变的被测气体浓度误测、漏测的可能。
下列附图描述了本实用新型的一个实施例。
图1是外形图。
图2是方框图。
图3是电原理图。
图4是波形图。
图5是结构示意图。图中1上盖，2密封圈，3印制板，4扬声器，5电池组，6甲烷传感器，7下盖。
图6是印制板图。
图7和图8是图3的放大图。两图中A、B、C、D、E、F各点对应联接。
下面通过附图详细描述本实用新型的这个实施例。
附图3中，由催化元件RT1、RT2及电阻R1、RP1、R2组成甲烷传感器电桥。当环境中因甲烷存在使电桥失去平衡时，其输出信号电压经IC1－1及R3、R4、R5、R6组成的主放大器放大，经RP2、R7、R8组成的分压器分压，分别送入IC1－3、IC2－4组成的超限检测电路和值警状态识别电路输入端。取样电阻R8上的信号电压与RP3上的基准电压比较，当信号电压高于基准电压时，超限检测器输出高电平，触发V11及IC3，使闪光二极管V12发出红色闪光信号，同时扬声器发出起伏报警声。值警状态识别电路的输入信号由R7、R8取得。选取适当的R7、R8阻值，可以确定所需要的值守、警戒状态转折点，即确定警戒浓度值。
值警状态识别电路输出信号分别送至a、四双向开关IC7控制端(5)脚，用以开关由IC4及R25、R26、C12组成的无稳态振荡器的输出信号，进而控制电压调整电路中的多谐振荡器。当值警状态识别电路输出为高电平，即为值守状态时，双向开关导通，无稳态振荡器输出的脉冲信号经此开关及V17至IC5的电压控制端(5)脚，使电压调整电路输出电压如图4(a)。在警戒状态时，双向开关阻断，电压调整电路输出稳定的2.4V电压。
b、四双向开关IC7的控制端(13)脚，用以开关由IC4及R27、C13组成的单稳延时器的输出信号，以控制超限检测电路和值警状态识别电路，使其比较基准在值守状态下的每一周期始端，即图4(d)中的t3段呈现高电平，以免除传感器电桥的过冲信号产生误动作。
c、四异或门IC8的输入端(2)脚。因其(1)脚接高电平，故该门输出反相的值警状态识别电路输出信号，进而控制四双向开关IC7，使其(10)、(11)脚在值守状态时阻断，主放大器输出信号被阻断；在警戒状态时，主放大路输出信号经此开关送至数值显示电路。
d、四异或门IC8的输入端(13)脚。当它为高电平，即值守状态时，该门输出与共另一输入端(12)脚信号，即A／D转换器7106(IC9)背电极信号相反的方波，使液晶显示屏P1(38)脚所接笔划“←”点亮，以示此时为值守状态；反之，当值警状态识别电路输出低电平，笔划“←”熄灭，表示此时为警戒状态。
IC4为双时基电路。其一半与R25、R26、C12组成无稳态振荡器，其振荡波形如图4(b)。因为t1＝0.693(R25＋R26)·C12t2＝0.693·R26·C12，故选取适当的R、C值，可以得到所需要的脉冲信号周期和占空比。以此信号(经双向开关IC7)控制电压调整电路中的多谐振荡器。当其为高电平即t1段，多谐振荡器产生占空比很大的高频振荡，经V16倒相，使电压调整电路输出低电压1.0V。V17在此用以隔离电压调整电路中比较放大器IC2－1的输出信号，同时利用其管压降，使多谐振荡器在此状态下能维持一高频振荡(否则将输出高电平)，使电压调整电路有一低电压输出(否则是零电压)，用以使传感器电桥在t1时间里有一维持电流，避免电冲击。当无稳态振荡器为一低电平即t2段，V17反向偏置，电压调整电路不受其控制，从而保证在t2时间里传感器电桥有一稳定的2.4V供电电压。本实施例中R25为2.2M，R26为1.1M。C12为47μ，所以t1为107.5秒，t2为35.8秒。这样，该甲烷检测仪值守状态时的检测周期为143.3秒，其中107.5秒为守候待测状态，电桥工作电压为1.0V，实测整机工作电流为40mA；35.8秒为值勤检测状态，电桥工作电压为2.4V，实测整机工作电流为98mA，仪器电源电压为4.8V。这样，整机平均功耗P＝(4.8×0.04×107.5＋4.8×0.098×35.8)／(107.5＋35.8)＝0.262(W)，而一般连续测量型功耗P1＝4.8×0.098＝0.47(W)。由P／P1可知，本实施例功耗为同类仪器的56％。(如考虑仪器有时工作在警戒状态，整机平均功耗应略有增加)。
IC4的另一半与R27、C13组成单稳延时器。为与供给传感器电桥的工作电压信号同步，该单稳延时器的触发信号由异或门IC8将无稳态振荡器输出的信号反相而得。触发信号波形如图4(c)。因为延时时间t3＝1.1R27·C13，选取适当的R27、C13值，可得到如图4(d)的输出信号。此信号a、经过由值警状态识别电路输出电平控制的双向开关IC7及V4送至超限检测电路的比较基准端IC1(9)脚，使其在t3时间呈现高电平，进而使IC1(8)脚输出低电平，V8、V9反偏，V10、V11截止，超限报警电路失电。在t4时间即单稳延时信号中的低电平段，信号被V4隔离，比较基准不受单稳信号影响。此时若甲烷浓度达到警戒浓度值，IC2－4翻转，其(14)脚输出为低电平，传感器电桥得到稳定的2.4V工作电压，仪器立即进入连续测量的警戒状态。若甲烷浓度继续升高达到限定的报警值时，超限检测电路IC1－3翻转，其(8)脚输出高电平触发超限声光报警电路，发出报警信号。
b、经异或门IC8反相后控制双向开关IC7，使主放大器的输出信号在值守状态下，仅在t4时间里送至数值显示电路IC9(31)脚，即仅在此段时间内显示甲烷浓度，从而阻断了检测过程中的不稳定信号。
电压调整电路由VMOS管V14、二极管V13、V15、三极管V16、集成电路IC5、IC2及阻容、电感等组成。电压基准取自大规模集成电路A／D转换器7106(IC9)(1)脚与(32)脚间。该2.8V极稳定的直流电压经IC2－3、R34、R35、R36、R37组成的放大器放大，再经由IC2－2组成的电压缓冲器隔离后送至由IC2－1、R31、R32、R33组成的比较放大器作为2.4V电压基准。电压调整电路输出端“b”点电压送至比较放大器IC2－1输入端(3)脚与2.4V基准比较，若“b”点电压高于2.4V，比较放大器输出电平升高，该电平至由IC5、R29、R30、C15组成的多谐振荡器的电压控制端IC5(5)脚，使其输出脉冲信号占空比增大，经V16倒相形成占空比减小的脉冲信号，该信号至开关管V14栅极，使其源极、漏极间导通时间缩短，储能元件L1、C7上获得能量减少，“b”点电位降低，直至等于2.4V。反之，“b”点电位低于2.4V，比较放大器输出电平降低，多谐振荡器输出信号占空比减小，V14导通时间加长，“b”点电位升高，直至等于2.4V。这样，电压调整电路就将由电池组提供的电源电压变成稳定的2.4V直流电压。
IC1－4、V2、V3、R13、R14、R15、R16组成电桥断线检测电路。当电桥断线时，桥路失去平衡，使IC1－4输出由低电平转为高电平，触发断线声光报警电路。
IC1－2、R20、R21、R22、C3组成电压检测电路。当电源电压低于最低允许值时，IC1－2输出由低电平转为高电平，触发欠压声光报警电路。
超限、断线、欠压声光报警电路由音响集成电路IC3、开关二极管V5、V8、V9、发光二极管V6、V7、闪光二极管V12、三极管V10、V11及电阻，扬声器组成。当超限检测电路、断线检测电路、电压检测电路均无高电平输出时，V10、V11截止，无声光信号产生。当甲烷浓度超限时，IC1－3输出高电平，经V8触发V10导通，经V9触发IC3(4)脚，使扬声器发出警报声，同时触发V11，使红色闪光二极管V12点亮。当断线检测电路输出高电平，V6导通，发黄光，触发V10导通，同时V5导通，触发IC3(1)脚，扬声器发出断续报警声。同样，当欠压时，V7导通，发绿光，扬声器发出警车声。
由A／D转换电路IC9，液晶显示屏P1及阻容组成数值显示电路。由电源电路IC6及阻容组成电源变换电路，以产生负电压供有关电路使用。
下面给出本实施例主要元器件型号和参数RT1、RT2热催化元件甲烷传感器IC1LM324 IC2LM324 IC3CW9561IC4ICM7556 IC5ICM7555 IC6ICL7660IC7CD4066 IC8CD4070 IC9ICL7106
P1N39V1IN4001 V2、V3、V4、V5、V8、V9、V13、V17IN4148V6FG331000 V7FG371000 V12BTS11403V15IN4455V10、V11、V169013 V14VN06R1、R224K R3、R4、R21、R22、150K R5、R6300KR71.8K R88.2K R9、R10、R11、R32、R3310KR12510K R13220K R14180K R20100KR231.2K R252.2M R261.1M R272.5MR29、R303.9K R3133K R34、R37102.8KR35、R36120K RP1、RP2、RP36.8KC42μ C5、C722μ C6、C11、C14、C1610nC12、C1347μ C153.9nL1200μH本实用新型配以不同的传感器，如一氧化碳传感器、半导体气敏传感器等，可构成不同的气体检测仪。为适应不同传感器工作电压，可改变电压调整电路中放大器IC2－3增益，即改变R34、R37和R35、R36阻值。为适应不同传感器的反应灵敏度，可改变主放大器IC1－1增益，即改变R3、R4和R5、R6阻值。改变R25、R26、C12及R27、C14值可获得不同的检测时间参数和尽可能低的功耗。
权利要求1.一种便携式低功耗数字气体检测仪，由传感器电桥、主放大器、超限检测及超限声光报警电路、数值显示电路、值警状态识别电路、状态控制电路、状态显示电路、继线检测及断线声光报警电路、电压检测及欠压声光报警电路、电压调整电路、电源及电源变换电路等部分组成；其特征是a、状态控制电路中四双向开关IC7(4)脚接二极管V17正极、V17负极接电压调整电路中时基电路IC5(5)脚；b、状态控制电路中四双向开关IC7(5)、(13)脚、四异或门IC8(2)、(13)脚接值警状态识别电路中集成运放IC2-4(14)脚；c、状态控制电路中四双向开关IC7(1)脚接二极管V4正极，V4负极接电阻R11，R11另一端接超限检测电路中集成运放IC1-3(9)脚；d、状态控制电路中四双向开关IC7(8)、(10)脚短接，再接数值显示电路中A/D转换器IC9(31)脚，IC7(9)、(11)脚短接，再接主放大器输出电阻R10。
2.根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是状态控制电路由双时基电路IC4、四双向开关IC7、四异或门IC8、二极管V4、V17、电阻R11、R25、R26、R27、电容C11、C12、C13、C14组成；R25接在IC4(1)、(4)脚间，R26接在IC4(1)、(2)脚间，C11接在IC4(3)、(7)脚间，C12接在IC4(6)、(7)脚间，R27接在IC4(12)、(14)脚间，C13接在IC4(7)、(12)脚间，C14接在IC4(7)、(11)脚间，IC4(2)、(6)脚短接，(12)、(13)脚短接，(4)、(10)脚接电源正极，IC4(5)脚接IC7(3)脚，IC7(4)脚接V17正极，IC4(5)脚接IC8(6)脚，IC8(1)、(5)、(8)脚接电源正极，IC4(8)脚接IC8(4)脚，IC4(9)脚接IC7(2)脚，IC4(9)脚接IC8(9)脚，IC8(10)脚接IC7(6)脚，IC8(3)脚接IC7(12)脚。
3.根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是电压调整电路由集成运放IC2、时基电路IC5、VMOS管V14、三极管V16、二极管V13、V15、电阻R23、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、电容C4、C5、C6、C7、C15、C16、电感L1组成；R34接在IC2(8)、(9)脚间，R35一端接IC2(9)脚，另一端接数值显示电路中A／D转换器IC9(32)脚，R36一端接IC2(10)脚，另一端接电源正极，R37接在IC2(10)、(11)脚间，IC2(5)、(8)脚短接，(6)、(7)脚短接，R33接在IC2(6)、(2)脚间，R32一端接在IC2(3)脚，另一端接C7正极，R31一端接IC2(1)脚，另一端接IC5(5)脚，R29接在IC5(7)、(8)脚间，R30接在IC5(6)、(7)脚间，C15接在IC5(1)、(6)脚间，IC5(2)、(6)脚短接，IC5(3)脚接V16b极，V16e极接地，V16c极接V14G极，C4一端、C5正极、V13正极、V14D极均接电源正极，C4另一端及C5负极接地，V13负极接R23、C6，R23另一端接V14G极，C6另一端接V14S极，V14S极接V15正极、L1，V15负极接地，L1另一端接C7正极，C7负极接地。
4.根据权利要求1所述的便携式低功耗数字气体检测仪，其特征是值警状态识别电路由集成运放IC2－4、电阻R7、R8、R9、R12、RP3组成；R7、R8串联，R7一端接IC2(13)脚，R8一端接地，R9一端接IC2(12)脚，另一端接RP3滑动端，R12与RP3串联，R12一端接电压调整电路中IC2(8)脚，RP3另一端接地。
专利摘要一种便携式低功耗数字气体检测仪，可检测各种环境中可能存在的某种易燃、易爆、有害气体浓度，并在该气体浓度超限时发出报警信号。目前此类仪器大都采用简单供电方式，功耗大，传感器寿命短。本实用新型的特征是设置了状态控制电路、值警状态识别电路等，使仪器工作状态随被测气体浓度变化而自动改变，从而功耗降低，传感器使用寿命延长，同时免除了误测、漏测和误报警。
文档编号G01N27/12GK2098712SQ9121869
公开日1992年3月11日 申请日期1991年7月19日 优先权日1991年7月19日
发明者金基优 申请人:金基优