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红外光甲烷检测仪设计

添加时间:2019/07/05
鉴于甲烷气体浓度的检测在保障煤矿安全生产以及减少环境污染等方面起着十分重要的作用,本文在参考国内外甲烷浓度检测的现状以及发展趋势的基础上,研发了一种有着较高性价比的甲烷浓度检测仪。
  以下为本篇论文正文:

摘要

  甲烷是煤炭、石油和天然气开采中的一种常见气体。近年来,随着国家工、农业等产业的迅猛发展,社会对这些能源的需求也与日剧增。在这些能源的开采过程中,跟甲烷气体有关的安全事故时有发生。因此,针对甲烷的检测研究工作具有十分重要的意义,及时、准确的测量出甲烷的浓度,对保证工业安全生产和人民生命财产安全都有着十分重要的作用。

  目前,国内外比较先进的检测方法是选用红外吸收原理来测量甲烷的浓度。这种方法克服了传统检测方法容易出错、检测范围窄、测量误差大和需要经常校准等缺点,此外它还拥有一些其他的优点,像响应速度快、应用范围广、选择性好、稳定性好和使用寿命长等。因此,本文根据红外吸收原理的特点研制了一种甲烷浓度检测仪。

  根据甲烷对红外光的吸收特点,本检测仪选择了 3.31?m 波长的红外光来测量甲烷的浓度。为了消除外界和系统的干扰因素给甲烷浓度检测带来的影响,本检测仪采用了差分检测法来消除误差。在对差分法的两种基本方法作了较详细的介绍和对比后,从检测仪的结构复杂度与成本考虑,本文选择了双波长单光路差分法作为甲烷浓度检测的基本方法。在此基础上,本文以 MSP430 单片机为核心研制了甲烷检测仪,它包括硬件部分设计和软件部分设计。MSP430 单片机具有极低的功耗、丰富的片上外设和系统工作稳定等优点,本检测仪选取的单片机型号为 MSP430F1611。

  硬件部分设计主要包括光学测量部分和电路设计部分。其中光学测量部分主要由红外光源、探测器和气室等组成。根据检测仪对红外光源和探测器的性能要求,本文分别选取 IRL715 和 PYS3228 作为本检测仪的光源和探测器,并且对工作气室做了相应的设计。根据所选红外光源和红外探测器的特点,分别设计了相应的光源稳压驱动电路和放大滤波电路,并对它们的功能做了一些分析。

  软件部分设计采用的是模块化的设计方法,它主要包括信号的采集与处理模块,浓度反演算法模块,系统串行通信模块,以及上位机软件设计模块。其中重点对中值滤波和FIR低通滤波器的原理和设计实现作了介绍,并对所设计的 FIR 低通滤波器的滤波效果进行了仿真分析。同时,详细介绍了常用浓度反演算法(查表法、多项式插值法和多项式拟合法)的原理,并分析了它们各自的特点,设计了一种客观的分段曲线拟合方法。此外,本文还重点介绍了单片机与 E2PROM 和单片机与上位机的通信实现,根据所选的 E2PROM 型号(AT24C02)和所用的接口标准(RS-232 串口)的特性,分别设计了相应的接口电路,以及根据它们所采用的通信协议设计了相应的通信程序,实现了它们相互之间的通信。为了便于对待测气体浓度进行监控和对数据进行处理,本文还采用 VB 的 MSComm 控件编写了具有特定功能的上位机软件。

  最后,本文在实验室条件下对所制作出的样机进行了性能测试实验。

  实验结果表明,该检测仪具有较高的准确度、响应速度和稳定性,能满足一定的生产要求。同时,根据所用元器件和设计方法的特点,该检测仪也具有较高的性价比和较广阔的市场前景,其检测方法对其他类似气体检测仪的研究也有一定的借鉴意义。

  关键词:甲烷,差分检测法,FIR 低通滤波器,浓度反演算法,串口通信

ABSTRACT

  Methane is common gas in the petroleum, natural-gas and coal exploration. In recent years, with the rapid development of the national industry, agriculture and other industries, the social demand for these energy increases with every passing day. In the process of energy exploitation, safety accidents related to methane gas have occurred. Therefore, it has very important significance for the research work of methane gas detection. Measuring the concentration of methane gas in a timely and accurately, it plays a very important role to ensure the safety of industrial production, people's life and property.

  At present, the more advanced detection method at home and abroad is to measure the concentration of methane gas by infrared absorption principle. This method overcomes some shortcomings of the traditional detection methods, such as easily be wrong, narrow detection scope, large measuring error and the need for frequent calibration etc. It also has some other advantage, such as fast response speed, good selectivity, good stability, long service life and wide application range and so on. Therefore, this paper has developed a methane gas concentration detector based on the infrared absorption principle. According to the absorption characteristics of methane to infrared light, this detector selected the 3.31?m wavelength to measure methane gas concentration. In order to eliminate the influence of interference factors of external and system, the detector used the differential detection method to eliminate the measurement error of methane concentration. After making a more detailed presentation and comparison to two basic methods of the difference method, considering from the complexity and cost of the detector’s structure, this paper chooses dual wavelength single optical path difference method as the basic method of methane gas concentration detection. On this basis, this paper developed a methane detection instrument with MSP430 single chip computer as the core, which includes hardware part design and software part design. The MSP430 microcontrollers has some advantages, such as very low power consumption, rich on-chip peripherals, system stability and so on, selection model is the MSP430F1611 microcontroller for this detector.

  The hardware design mainly includes the optical measuring part and the circuit design part. The optical measurement is mainly composed of an infrared light source, prober and a gas chamber etc. According performance requirements of the detector to the infrared light source and prober, this paper respectively selected IRL715 and PYS3228 as the light source and prober of this detector, and do the corresponding design for the gas chamber. According to the characteristics of the selected infrared light source and prober, respectively designed the corresponding source voltage drive circuit and amplifying filter circuit, and did some analysis for their characteristics.

  The software part design adopted the modular design method, mainly includes the data acquisition and processing module of signal, concentration retrieval algorithm module, serial communication module of the system, and the computer software design module. This paper focused on introducing the principles and the design enablement of the median filter and FIR low-pass filter, and simulation analysis the effect of the FIR low-pass filter. Meanwhile, detailed introduced the principle of commonly used Concentration Retrieval Algorithm (look-up table method, the polynomial interpolation and polynomial fitting method), and analyzed their respective characteristics, designed an objective piecewise curve fitting methods. In addition, this paper also focused on the communication implementation between MCU and E2 PROM, and between MCU and computer. According to the selected E2PROM model (AT24C02) and the characteristics of the interface standard used (RS-232 serial), respectively designed the corresponding interface circuit, and according to the communication protocol which they used to design the corresponding communication program, to achieve the communication between each other. In order to easily monitor the measured gas concentration and facilitate data processing, the paper also written the PC software with specific function by using VB MSComm control.

  Finally, this paper did performance test for the prototype under laboratory conditions. The experimental results show that the detector has high accuracy, response speed and stability, and can meet certain production requirements. At the same time, according to the characteristics of the design methods and the components used, the detector also has a high cost performance and relatively broad market prospects. Its detection method also has certain reference meanings to the research of other similar gas detector.

  KEY WORDS: methane, differential detection method, FIR low-pass filter, concentration inversion algorithm, serial communication

  近年来,随着国家工、农业等产业的迅猛发展,社会对煤炭、石油和天然气等能源的需求也与日剧增。在其生产和运输过程中,时有安全事故发生,直接造成人员的伤亡和财产的损失,影响十分恶劣。因此,如何在日常生产和运输中做好检测、防护工作,是个关键问题。针对这种情况,国家安全生产监督管理总局提出了“科技兴安”的战略,希望能够运用先进的科技手段来防止事故的发生,降低事故的发生率[1]。因此,针对危险化学气体检测仪的研究工作具有十分重要的意义,甲烷气体的检测就是其中重要问题之一。

  矿井中的瓦斯气体的主要组成成分就是甲烷,其含量大约在 83%到 89%之间[2]。瓦斯爆炸是一种十分剧烈的化学反应,爆炸时将产生高温火焰,温度最高可以达到 2600多度,这样的高温火焰不仅会直接给人员造成伤害,而且还可能会引起煤尘爆炸或者矿井火灾,从而对井下人员造成二次伤害;爆炸发生后还将产生许多有毒、有害气体,降低空气中的含氧量,使人员呼吸困难;此外,爆炸产生的高压气体会形成冲击波,这样的高压冲击波会造成井巷、设备的破坏以及人员的伤亡[3,4]。在我国,瓦斯爆炸是最常见的重大安全事故,据人民网报道:仅 2014 年,就先后有云南曲靖、安徽淮南、新疆这些地方发生重大瓦斯爆炸事故,事故总共造成了 80 多人死亡,直接经济损失超过一亿元。

  瓦斯爆炸的发生必须具备三个基本的条件:(1)空气中瓦斯浓度范围在 5%~16%;(2)有温度为 650~750℃的引爆火源;(3)空气中氧气含量不低于 12%[5,6]。三个条件中的任何一个没满足,瓦斯爆炸就不可能发生,因此避免瓦斯爆炸事故发生的一种有效方法是控制空气中甲烷浓度不要超过 5%。如果有仪器或方法可以准确的检测出甲烷气体的浓度,那么工作人员就能够提前知道矿井中瓦斯气体的浓度,一旦发现浓度超限,就能及时采取有效的措施去处理,这样能够解决煤矿生产中的一些安全隐患,减少事故发生的可能性。

  目前,我国大多数的煤矿采用的是热催化元件的方法来测量瓦斯气体的浓度。其检测精度不高,检测范围窄,检测高浓度气体时容易出现错误,易受其他气体成分的干扰;并且这种检测仪的一致性和互换性较差,需要频繁校准,使用起来十分不方便[7]。因此,迫切需要研究和开发新型的甲烷检测仪及检测系统来解决这个问题。随着红外光谱技术日益广泛的应用,目前国内外较为先进的方法是采用红外吸收原理来检测气体浓度。它克服了传统检测方法容易出错和易受周围环境影响等缺点,同时它还具有一些其他的优点,像响应速度快、应用范围广、选择性好、稳定性好和使用寿命长等[8,9]。因此,采用红外原理来研究开发甲烷检测仪及检测系统,将对保障工业生产安全和人民生命财产安全有着十分重要的作用,其应用前景也比较广阔。

  国外发达国家很早就开始对一氧化碳、二氧化碳、甲烷等气体的检测仪器进行研究。

  在研究中,陆续的出现了好多种检测方法,比如气相色谱法、光学干涉法和红外光谱吸收法等[10]。红外吸收法是其中最有效和使用最多的方法之一。

  20 世纪 70 年代,德国 研制出了一种 防爆型红外一氧化碳浓度检测仪SIGMA-CO[11,12]。该仪器的选择性和灵敏度都比较高,其主要用于矿井中一氧化碳浓度的检测。其不足之处是体积较大,需要频繁的更换气体过滤器,使用十分不方便。

  20 世纪 80 年代,法国研制出了防爆型红外二氧化碳浓度检测仪。该检测仪采用的是独特的开放式气室结构,并具有自诊断电路的特点。在使用过程中,能够对红外光源老化、探测器老化、光学器件灰尘堆积所引起的误差等进行自动补偿。其具有测量精度高、可靠性好、使用方便等优点[13]。

  20 世纪 90 年代初,欧罗斯研制出了 CNTMA-CO-B 型矿用 CO 检测装置。该装置能够进行自动检测和校准,并且具有较高的灵敏度、较好的选择性,精度为±6%[14]。

  九十年代以来,随着光学 MEMS(Micro-Electro-Mechanic System,微机电系统)技术的迅速发展,使得红外气体检测系统能够实现小型化。与传统器件相比,采用 MEMS技术的微小型红外气体传感器在功耗、稳定性、灵敏度、可靠性、使用寿命以及价格成本等方面都有着显着优势[15,16]。因此,对这方面的研究也日益增加。

  进入第二十一世纪后,红外甲烷检测仪在国内外发展十分迅速,有很多这方面的产品被研制,其中也有很多产品进入了国内市场。比如英国 Geotech 公司生产的在线式沼气分析仪 GA3000 和便携式沼气分析仪 GA5000,它们都能同时对 CH4、CO2、O2以及H2S 进行检测;美国赛默飞公司生产的 48i 系列一氧化碳分析仪,它的量程可选,用户可远程下载分析结果;德国福德士公司生产的移动型高温红外分析系统 MCA10M,它同时可测量 11 个红外组分(CH4、CO、CO2、NO 等)和 O2,其分辨率、重复性、线性误差和零点漂移都能达到 1%。意大利、日本、法国等多家公司也相继生产出了有关的红外气体检测仪。

  这些仪器都是运用红外传感技术研发的,其可靠性高,安全防爆,稳定性好,具有一定的数据采集功能,具体应用在医学生理研究、工矿安全检测、环境检测等方面。总体来说,虽然国外生产的一些红外气体检测仪拥有较好的性能、技术也较先进,但是其价格也同样比较昂贵,在实际生产使用方面受到了很大的限制。

  国内在 80 年代末才开始对红外气体传感器进行研究。由于 DFB 激光器( DistributedFeedback Laser,分布式反馈激光器)的成本比较高,国内通常都是选用 LED 型光源来研究红外气体传感器[17]。

  1989 年,西安应用光机研究所的郭栓运介绍了利用光纤系统测量气体成份含量的新方法,并对其基本原理、实验框图和具体实例都做了具体介绍[18]。

  1996 年,山西矿院探讨了现有红外传感器的光路结构,并设计出了能应用于矿井下的光学系统,同时对斩波技术进行了改进,采用以单片机为核心的软件处理技术来进行信号处理[19]。

  2000 年,浙江大学的叶剑锋、汤伟中采用中心波长为 1.3?m 的 LED 做光源,完成了对甲烷气体的测量,其检测的灵敏度为 1300 ppm/m[20]。

  2004 年,武汉四方光电科技有限公司在非分光红外(NDIR)气体传感器技术研究方面取得了新进展[21],这一研究结果标志着我国在这一方面的研究已处于跟踪阶段,进入了初级水平。同年,中国矿业大学的朱朱志英、王汝琳设计研发了一种新型矿用红外瓦斯检测仪,该仪器采用的是双探测器、双光源的结构,具有一定的稳定性、可靠性和防爆功能,能在危险和恶劣环境下使用[22]。

  2006 年,哈尔滨工业大学的王书涛、车仁生、王玉田等人应用二次谐波检测技术研究了一种光纤甲烷气体检测系统,该系统采用全光纤结构,它的性能稳定、灵敏度高、重复性好[23]。

  近年来,由于微电子产业的发展,带动了 MEMS 技术的迅猛发展,国内中科院上海微系统研究所、复旦大学、中北大学等单位先后对这一方面进行了研究,而且都已经取得了一定的成果[24]。

  目前国内生产红外气体检测仪的厂家主要有武汉四方光电科技有限公司、郑州炜盛电子科技有限公司、重庆煤科院、南京仪器、西安聚能仪器等,他们的产品虽然价格较国外的便宜,但由于矿井环境复杂,产品性能的稳定性受到很大挑战,时常出现一些误测的现象,因此难以大规模的推广使用。目前国内应用于实际生产中的气体检测系统的关键部件(整个传感头)一般都是从国外进口的,整个传感头的进口价格昂贵,而选取一些相应的器件设计出满足功能要求的传感头能极大地降低使用成本,所以针对红外气体检测系统的研究有着十分深远的意义,国内市场应用前景也十分的广阔。

红外光甲烷检测仪设计:

单片机与 AT24C02 的接口电路图
单片机与 AT24C02 的接口电路图

时序图
时序图

单字节写操作顺序图
单字节写操作顺序图

按页写操作顺序图
按页写操作顺序图

基于 MAX232 芯片的串口电路连接图
基于 MAX232 芯片的串口电路连接图

USART 模块的完整功能框图
USART 模块的完整功能框图

上位机软件界面
上位机软件界面

检测仪实物图
检测仪实物图

实验测试装备
实验测试装备

浓度值对比图
浓度值对比图

目 录

  摘 要
  ABSTRACT
  第一章 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
      1.2.1 国外研究动态
      1.2.2 国内研究动态
    1.3 本课题的研究内容和方法
  第二章 红外甲烷检测仪的检测原理和方法
    2.1 红外光谱分析
    2.2 红外甲烷检测原理
    2.3 差分吸收法
      2.3.1 单波长双光路差分法
      2.3.2 双波长单光路差分法
    2.4 本章小结
  第三章 红外甲烷检测仪系统的结构设计
    3.1 系统的总体结构
    3.2 单片机的选型
    3.3 系统光学测量部分的设计
      3.3.1 红外光源的选择
      3.3.2 红外探测器的选择
      3.3.3 光学吸收气室的设计
    3.4 系统电路部分的设计
      3.4.1 光源稳压驱动电路设计
      3.4.2 放大滤波电路设计
    3.5 本章小结
  第四章 红外甲烷检测仪系统的软件设计
    4.1 软件设计方法
    4.2 信号的采集与滤波处理
      4.2.1 A/D 转换程序设计
      4.2.2 数字滤波处理
        4.2.2.1 中值滤波
        4.2.2.2 FIR 低通滤波器设计
    4.3 浓度反演算法设计
      4.3.1 查表法
      4.3.2 多项式插值法
      4.3.3 多项式拟合法
    4.4 本章小结
  第五章 红外甲烷检测仪系统的通信
    5.1 通信方式与传输速率
    5.2 单片机与 E2PROM 的通信实现
      5.2.1 单片机与 AT24C02 通信的接口电路设计
        5.2.1.1 AT24C02 芯片的特性
        5.2.1.2 单片机与 AT24C02 的接口电路
      5.2.2 单片机与 AT24C02 通信的软件设计
        5.2.2.1 I2C 协议
        5.2.2.2 单片机的 I2C 模块功能
        5.2.2.3 AT24C02 的读写操作
        5.2.2.4 AT24C02 的读写操作程序设计
    5.3 单片机与上位机的通信实现
      5.3.1 单片机与上位机通信的硬件设计
        5.3.1.1 RS-232C 接口标准
        5.3.1.2 单片机与上位机之间的接口电路设计
      5.3.2 单片机与上位机通信的软件设计
        5.3.2.1 单片机的串行通信功能
        5.3.2.2 串行通信的编程实现
      5.3.3 单片机与上位机串行通信的扩展
    5.4 上位机软件设计
      5.4.1 MSComm 控件的特点
      5.4.2 上位机软件界面设计
    5.5 本章小结
  第六章 检测仪的性能测试
    6.1 准确度实验
    6.2 工作稳定性实验
    6.3 误差原因分析
    6.4 本章小结
  第七章 总结与展望
    7.1 论文工作总结
    7.2 展望
  参考文献
  致谢
  攻读硕士学位期间发表的论文

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