Winsen ZС05

sadman41
Offline
Зарегистрирован: 19.10.2016
Контроль природного газа - чем и зачем.
sadman41
Offline
Зарегистрирован: 19.10.2016
Большая просьба не комментировать этот пост, так как возможны дополнение и актуализация сведений, приведенных в нем.
 
Природный газ, он же "газ из плиты" - наверное самое первое, что вспоминает городской житель, при слове "газ". Он, газ, его друг и враг одновременно. Помогая в быту и согревая, газ таит в себе взрывоопасность такой силы, что не обрадуются жители соседних подъездов и домов. Вовремя заметить, когда ситуация выходит из под контроля нам всё так же помогает электроника и соответствующие датчики.
 
Итак, вновь призовём на помощь Wikipedia, как источник, в котором даже почетный троешник может увидеть знакомые слова. Она утверждает, что природный газ в основном состоит из метана (CH4) — на 70..98%. Так же, в состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды — этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10), пентан (C5H12). Ещё в нем присутствуют иные вещества, такие как водород, азот, гелий и др. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). 
 
Однако, как мы понимаем, в 2020 году Covid-19, отбив нюх самоизолированному больному, подкладывает свинью практически всем. 
 
На помощь ответственным бюргерам спешит модуль ZC05 от компании Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co. (нет, я не имею отношения к этому китайскому производителю). 
 
 
ZC05 относится к датчикам бытового назначения, предназначенных для обнаружения горючих газов. Принцип работы его сенсора - каталитический (термохимический). Т.е. концентрация газа вычисляется по сопротивлению чувствительного элемента, величина которого изменяется вследствие сгорания, без образования пламени, газа при его контакте с нагреваемой керамической капсулой, покрытой металлом-катализатором. 
 
 
Опасен ли такой "зажигательный" метод измерения?  Наука говорит, что нет, так как "... смеси взрывоопасных газов не горят, пока их температура не достигнет точки воспламенения. Однако в присутствии определенных химических процессов газ начинают возгораться даже при низких температурах". Практика же применения в промышленности каталитических датчиков для детектирования взрывоопасных газов составляет уже почти 100 лет.
 
Ощущения подтверждают то, что написано выше: датчик MC105, установленный на модуле ZC05, нагревавается. Этот факт необходимо учитывать при сборке устройства, дополнительно регистрирующего температуру и влажность.
 
Справочный листок модуля намекает на то, что основным регистрируемым газом является метан (CH4), которого, как мы знаем из Wikipedia, больше всего в природном газе.  Так же листок сообщает, что диапазон обнаружения концентрации составляет 1%~25% LEL. Эта, пока что загадочная, единица измерения является аббревиатурой от фразы "Lower Explosive Limit", что означает наименьшую концентрацию (в процентах) газа в воздухе, которая способна вызвать пламя в присутствии источника воспламенения (электрическая дуга, открытое пламя, тепло и т. д.). Таким образом - 0% LEL означает отсутствие горючего газа в атмосфере, 100% LEL - концентрацию, достаточную для взрыва. Каждый вид газа имеет свой предел LEL, соответствующий его объёмной доле в атмосфере. Т.е. для одного газа взрывоопасная концентрация ниже, для другого - выше.  Для метана, излюбленного газа модуля ZC05, 100%LEL достигается при нахождении в атмосфере 5% (в российских источниках информации - 4.4%) газа. 
 
 
Однако, модуль выдает значение метрики вовсе не в %LEL, а в единицах PPM (Parts Per Million). Для пересчёта необходимо знать, что объёмная доля метана в атмосфере, равная 5% и 100%LEL, соответствует 50000 PPM. Путем несложных математических вычислений находится максимальное значение метрики, эквивалентной 25%LEL и объёмной доле метана - 1.25%, равное 12500 PPM. 
 
Документ "РД 3112199-1069-98" содержит термин "опасная концентрация", который означает концентрацию горючего газа в воздухе помещения более 20% от нижнего концентрационного предела распространения пламени.  Таким образом, при помощи ZC05 можно обнаружить так называемую довзрывную опасную концентрацию природного газа, составляющую 20% LEL или объёмную долю метана в 1% (10000 PPM). Хочу отметить, что российские источники указывают опасную концентрацию в 0,88% (8800 PPM). Так же встречаются рекомендации дополнительно применять предупредительный порог сигнализации в 10%LEL или 0.5% или (0.44% или 4400 PPM по российским источникам).
 
Из документа "ТУ-ГАЗ-86" можно подчерпнуть, что периодичность анализа для каждой точки отбора не должна превышать 10мин. Место установки детектора тоже не должно быть случайным.
 
Кроме того, что метан взрывоопасен (не самостоятельно, а при наличии источника воспламенения), он, что естественно, воздействует на организм человека. Wikipedia сообщает, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему. При содержании в воздухе 25—30% (250000..300000 PPM) метана появляются первые признаки удушья из-за вытеснения кислорода. Наличие метана в рабочей зоне регулируется нормативными документами, а именно - гигиеническими нормативами. По действующим на данный момент "ГН 2.2.5.3532-18" ПДКр.з. составляет 7000 мг/м3 (~10500ppm).
 
Подведём краткий итог по пороговым значениям:
- 4400 PPM - предупредительная сигнализация о взрывоопасности;
- 8800 PPM - аварийная сигнализация о взрывоопасности;
- 10500 PPM - сигнализация о вреде здоровью. 
 
Естественно, что данные цифры не говорят о том, что замеры за 10 сек, показавшие уровень в 12500 PPM свидетельствуют о неминуемом взрыве или удушьи.
 
Разобравшись (или запутавшись) с нормативами, перейдём к подключению модуля. Как всегда китайские разработчики не ударили в грязь лицом и использовали в модуле разъём для шлейфа, немного большего, чем используется в ZE08-CH2O или MH-Z14. Так что, если планируете разрезать шлейф от MH-Z14 напополам и использовать чести для подключения двух модулей к МК - полной диагностики ZC05 не получите. А она там крайне неплоха: обнаружение неисправности на стадии преднагрева и сигнализация о ее окончании, автономная сигнализация о неисправности через пищалку (buzzer), или тревоге по концентрации через пищалку, реле или Solenoid valve. Уровень тревожной концентрации, традиционно, не указан. Но, узнав его, можно теоретически даже обойтись без дополнительного микроконтроллера, подключив исполнительные устройства к самому модулю.
 
Получение данных осуществляется через UART, функционирующий по-умолчанию в режиме "initiative upload mode" - модуль каждую секунду отсылает пакет данных МК.  Модуль можно перевести в режим "Запрос-ответ" путем посылки пакета определенного формата, на который будет выдан другой пакет, содержащий значение концентрации природного газа. Однако, если в течении 30 секунд пакет с запросом не будет повторно передан модулю, он возвращается в режим "initiative upload mode". Так же, как и в, например, ZE15-CO, модуль в бите #8 значения концентрации передаёт состояние датчика: 1 - неисправен, 0 - исправен.
 
Ожидаемое время жизни датчика - 2 года. После этого, видимо, придётся заменить MC105 и произвести калибровку. Как - неизвестно.
 
Селективность датчика неплохая. Он, хоть и отреагировал на TVOC в виде одеколона "Тройной", но только играя роль пробки флакона. Просто находясь рядом с горлышком ничего не чует. Газ из зажигалки детектирует. На тыканье в открытую на 1 сек конфорку газовой плиты - тоже реагирует. В обычных условиях выдаёт 0 PPM.
 
 
 
ЕвгенийП
ЕвгенийП аватар
Offline
Зарегистрирован: 25.05.2015

?

sadman41
Offline
Зарегистрирован: 19.10.2016

ЕвгенийП, не нервничайте. Я же не модератор, чтобы скрывать посты/темы на время оформления.