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                        紅外光甲烷檢測儀設計

                        添加時間:2019/07/05 來源:太原理工大學 作者:黎湘貴
                        鑒于甲烷氣體濃度的檢測在保障煤礦安全生產以及減少環境污染等方面起著十分重要的作用,本文在參考國內外甲烷濃度檢測的現狀以及發展趨勢的基礎上,研發了一種有著較高性價比的甲烷濃度檢測儀。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          甲烷是煤炭、石油和天然氣開采中的一種常見氣體。近年來,隨著國家工、農業等產業的迅猛發展,社會對這些能源的需求也與日劇增。在這些能源的開采過程中,跟甲烷氣體有關的安全事故時有發生。因此,針對甲烷的檢測研究工作具有十分重要的意義,及時、準確的測量出甲烷的濃度,對保證工業安全生產和人民生命財產安全都有著十分重要的作用。

                          目前,國內外比較先進的檢測方法是選用紅外吸收原理來測量甲烷的濃度。這種方法克服了傳統檢測方法容易出錯、檢測范圍窄、測量誤差大和需要經常校準等缺點,此外它還擁有一些其他的優點,像響應速度快、應用范圍廣、選擇性好、穩定性好和使用壽命長等。因此,本文根據紅外吸收原理的特點研制了一種甲烷濃度檢測儀。

                          根據甲烷對紅外光的吸收特點,本檢測儀選擇了 3.31?m 波長的紅外光來測量甲烷的濃度。為了消除外界和系統的干擾因素給甲烷濃度檢測帶來的影響,本檢測儀采用了差分檢測法來消除誤差。在對差分法的兩種基本方法作了較詳細的介紹和對比后,從檢測儀的結構復雜度與成本考慮,本文選擇了雙波長單光路差分法作為甲烷濃度檢測的基本方法。在此基礎上,本文以 MSP430 單片機為核心研制了甲烷檢測儀,它包括硬件部分設計和軟件部分設計。MSP430 單片機具有極低的功耗、豐富的片上外設和系統工作穩定等優點,本檢測儀選取的單片機型號為 MSP430F1611。

                          硬件部分設計主要包括光學測量部分和電路設計部分。其中光學測量部分主要由紅外光源、探測器和氣室等組成。根據檢測儀對紅外光源和探測器的性能要求,本文分別選取 IRL715 和 PYS3228 作為本檢測儀的光源和探測器,并且對工作氣室做了相應的設計。根據所選紅外光源和紅外探測器的特點,分別設計了相應的光源穩壓驅動電路和放大濾波電路,并對它們的功能做了一些分析。

                          軟件部分設計采用的是模塊化的設計方法,它主要包括信號的采集與處理模塊,濃度反演算法模塊,系統串行通信模塊,以及上位機軟件設計模塊。其中重點對中值濾波和FIR低通濾波器的原理和設計實現作了介紹,并對所設計的 FIR 低通濾波器的濾波效果進行了仿真分析。同時,詳細介紹了常用濃度反演算法(查表法、多項式插值法和多項式擬合法)的原理,并分析了它們各自的特點,設計了一種客觀的分段曲線擬合方法。此外,本文還重點介紹了單片機與 E2PROM 和單片機與上位機的通信實現,根據所選的 E2PROM 型號(AT24C02)和所用的接口標準(RS-232 串口)的特性,分別設計了相應的接口電路,以及根據它們所采用的通信協議設計了相應的通信程序,實現了它們相互之間的通信。為了便于對待測氣體濃度進行監控和對數據進行處理,本文還采用 VB 的 MSComm 控件編寫了具有特定功能的上位機軟件。

                          最后,本文在實驗室條件下對所制作出的樣機進行了性能測試實驗。

                          實驗結果表明,該檢測儀具有較高的準確度、響應速度和穩定性,能滿足一定的生產要求。同時,根據所用元器件和設計方法的特點,該檢測儀也具有較高的性價比和較廣闊的市場前景,其檢測方法對其他類似氣體檢測儀的研究也有一定的借鑒意義。

                          關鍵詞:甲烷,差分檢測法,FIR 低通濾波器,濃度反演算法,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

                          近年來,隨著國家工、農業等產業的迅猛發展,社會對煤炭、石油和天然氣等能源的需求也與日劇增。在其生產和運輸過程中,時有安全事故發生,直接造成人員的傷亡和財產的損失,影響十分惡劣。因此,如何在日常生產和運輸中做好檢測、防護工作,是個關鍵問題。針對這種情況,國家安全生產監督管理總局提出了“科技興安”的戰略,希望能夠運用先進的科技手段來防止事故的發生,降低事故的發生率[1]。因此,針對危險化學氣體檢測儀的研究工作具有十分重要的意義,甲烷氣體的檢測就是其中重要問題之一。

                          礦井中的瓦斯氣體的主要組成成分就是甲烷,其含量大約在 83%到 89%之間[2]。瓦斯爆炸是一種十分劇烈的化學反應,爆炸時將產生高溫火焰,溫度最高可以達到 2600多度,這樣的高溫火焰不僅會直接給人員造成傷害,而且還可能會引起煤塵爆炸或者礦井火災,從而對井下人員造成二次傷害;爆炸發生后還將產生許多有毒、有害氣體,降低空氣中的含氧量,使人員呼吸困難;此外,爆炸產生的高壓氣體會形成沖擊波,這樣的高壓沖擊波會造成井巷、設備的破壞以及人員的傷亡[3,4]。在我國,瓦斯爆炸是最常見的重大安全事故,據人民網報道:僅 2014 年,就先后有云南曲靖、安徽淮南、新疆這些地方發生重大瓦斯爆炸事故,事故總共造成了 80 多人死亡,直接經濟損失超過一億元。

                          瓦斯爆炸的發生必須具備三個基本的條件:(1)空氣中瓦斯濃度范圍在 5%~16%;(2)有溫度為 650~750℃的引爆火源;(3)空氣中氧氣含量不低于 12%[5,6]。三個條件中的任何一個沒滿足,瓦斯爆炸就不可能發生,因此避免瓦斯爆炸事故發生的一種有效方法是控制空氣中甲烷濃度不要超過 5%。如果有儀器或方法可以準確的檢測出甲烷氣體的濃度,那么工作人員就能夠提前知道礦井中瓦斯氣體的濃度,一旦發現濃度超限,就能及時采取有效的措施去處理,這樣能夠解決煤礦生產中的一些安全隱患,減少事故發生的可能性。

                          目前,我國大多數的煤礦采用的是熱催化元件的方法來測量瓦斯氣體的濃度。其檢測精度不高,檢測范圍窄,檢測高濃度氣體時容易出現錯誤,易受其他氣體成分的干擾;并且這種檢測儀的一致性和互換性較差,需要頻繁校準,使用起來十分不方便[7]。因此,迫切需要研究和開發新型的甲烷檢測儀及檢測系統來解決這個問題。隨著紅外光譜技術日益廣泛的應用,目前國內外較為先進的方法是采用紅外吸收原理來檢測氣體濃度。它克服了傳統檢測方法容易出錯和易受周圍環境影響等缺點,同時它還具有一些其他的優點,像響應速度快、應用范圍廣、選擇性好、穩定性好和使用壽命長等[8,9]。因此,采用紅外原理來研究開發甲烷檢測儀及檢測系統,將對保障工業生產安全和人民生命財產安全有著十分重要的作用,其應用前景也比較廣闊。

                          國外發達國家很早就開始對一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體的檢測儀器進行研究。

                          在研究中,陸續的出現了好多種檢測方法,比如氣相色譜法、光學干涉法和紅外光譜吸收法等[10]。紅外吸收法是其中最有效和使用最多的方法之一。

                          20 世紀 70 年代,德國 研制出了一種 防爆型紅外一氧化碳濃度檢測儀SIGMA-CO[11,12]。該儀器的選擇性和靈敏度都比較高,其主要用于礦井中一氧化碳濃度的檢測。其不足之處是體積較大,需要頻繁的更換氣體過濾器,使用十分不方便。

                          20 世紀 80 年代,法國研制出了防爆型紅外二氧化碳濃度檢測儀。該檢測儀采用的是獨特的開放式氣室結構,并具有自診斷電路的特點。在使用過程中,能夠對紅外光源老化、探測器老化、光學器件灰塵堆積所引起的誤差等進行自動補償。其具有測量精度高、可靠性好、使用方便等優點[13]。

                          20 世紀 90 年代初,歐羅斯研制出了 CNTMA-CO-B 型礦用 CO 檢測裝置。該裝置能夠進行自動檢測和校準,并且具有較高的靈敏度、較好的選擇性,精度為±6%[14]。

                          九十年代以來,隨著光學 MEMS(Micro-Electro-Mechanic System,微機電系統)技術的迅速發展,使得紅外氣體檢測系統能夠實現小型化。與傳統器件相比,采用 MEMS技術的微小型紅外氣體傳感器在功耗、穩定性、靈敏度、可靠性、使用壽命以及價格成本等方面都有著顯著優勢[15,16]。因此,對這方面的研究也日益增加。

                          進入第二十一世紀后,紅外甲烷檢測儀在國內外發展十分迅速,有很多這方面的產品被研制,其中也有很多產品進入了國內市場。比如英國 Geotech 公司生產的在線式沼氣分析儀 GA3000 和便攜式沼氣分析儀 GA5000,它們都能同時對 CH4、CO2、O2以及H2S 進行檢測;美國賽默飛公司生產的 48i 系列一氧化碳分析儀,它的量程可選,用戶可遠程下載分析結果;德國福德士公司生產的移動型高溫紅外分析系統 MCA10M,它同時可測量 11 個紅外組分(CH4、CO、CO2、NO 等)和 O2,其分辨率、重復性、線性誤差和零點漂移都能達到 1%。意大利、日本、法國等多家公司也相繼生產出了有關的紅外氣體檢測儀。

                          這些儀器都是運用紅外傳感技術研發的,其可靠性高,安全防爆,穩定性好,具有一定的數據采集功能,具體應用在醫學生理研究、工礦安全檢測、環境檢測等方面?傮w來說,雖然國外生產的一些紅外氣體檢測儀擁有較好的性能、技術也較先進,但是其價格也同樣比較昂貴,在實際生產使用方面受到了很大的限制。

                          國內在 80 年代末才開始對紅外氣體傳感器進行研究。由于 DFB 激光器( DistributedFeedback Laser,分布式反饋激光器)的成本比較高,國內通常都是選用 LED 型光源來研究紅外氣體傳感器[17]。

                          1989 年,西安應用光機研究所的郭栓運介紹了利用光纖系統測量氣體成份含量的新方法,并對其基本原理、實驗框圖和具體實例都做了具體介紹[18]。

                          1996 年,山西礦院探討了現有紅外傳感器的光路結構,并設計出了能應用于礦井下的光學系統,同時對斬波技術進行了改進,采用以單片機為核心的軟件處理技術來進行信號處理[19]。

                          2000 年,浙江大學的葉劍鋒、湯偉中采用中心波長為 1.3?m 的 LED 做光源,完成了對甲烷氣體的測量,其檢測的靈敏度為 1300 ppm/m[20]。

                          2004 年,武漢四方光電科技有限公司在非分光紅外(NDIR)氣體傳感器技術研究方面取得了新進展[21],這一研究結果標志著我國在這一方面的研究已處于跟蹤階段,進入了初級水平。同年,中國礦業大學的朱朱志英、王汝琳設計研發了一種新型礦用紅外瓦斯檢測儀,該儀器采用的是雙探測器、雙光源的結構,具有一定的穩定性、可靠性和防爆功能,能在危險和惡劣環境下使用[22]。

                          2006 年,哈爾濱工業大學的王書濤、車仁生、王玉田等人應用二次諧波檢測技術研究了一種光纖甲烷氣體檢測系統,該系統采用全光纖結構,它的性能穩定、靈敏度高、重復性好[23]。

                          近年來,由于微電子產業的發展,帶動了 MEMS 技術的迅猛發展,國內中科院上海微系統研究所、復旦大學、中北大學等單位先后對這一方面進行了研究,而且都已經取得了一定的成果[24]。

                          目前國內生產紅外氣體檢測儀的廠家主要有武漢四方光電科技有限公司、鄭州煒盛電子科技有限公司、重慶煤科院、南京儀器、西安聚能儀器等,他們的產品雖然價格較國外的便宜,但由于礦井環境復雜,產品性能的穩定性受到很大挑戰,時常出現一些誤測的現象,因此難以大規模的推廣使用。目前國內應用于實際生產中的氣體檢測系統的關鍵部件(整個傳感頭)一般都是從國外進口的,整個傳感頭的進口價格昂貴,而選取一些相應的器件設計出滿足功能要求的傳感頭能極大地降低使用成本,所以針對紅外氣體檢測系統的研究有著十分深遠的意義,國內市場應用前景也十分的廣闊。

                        紅外光甲烷檢測儀設計:

                        單片機與 AT24C02 的接口電路圖
                        單片機與 AT24C02 的接口電路圖

                        時序圖
                        時序圖

                        單字節寫操作順序圖
                        單字節寫操作順序圖

                        按頁寫操作順序圖
                        按頁寫操作順序圖

                        基于 MAX232 芯片的串口電路連接圖
                        基于 MAX232 芯片的串口電路連接圖

                        USART 模塊的完整功能框圖
                        USART 模塊的完整功能框圖

                        上位機軟件界面
                        上位機軟件界面

                        檢測儀實物圖
                        檢測儀實物圖

                        實驗測試裝備
                        實驗測試裝備

                        濃度值對比圖
                        濃度值對比圖

                        目 錄

                          摘 要
                          ABSTRACT
                          第一章 緒論
                            1.1 課題研究背景和意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 國外研究動態
                              1.2.2 國內研究動態
                            1.3 本課題的研究內容和方法
                          第二章 紅外甲烷檢測儀的檢測原理和方法
                            2.1 紅外光譜分析
                            2.2 紅外甲烷檢測原理
                            2.3 差分吸收法
                              2.3.1 單波長雙光路差分法
                              2.3.2 雙波長單光路差分法
                            2.4 本章小結
                          第三章 紅外甲烷檢測儀系統的結構設計
                            3.1 系統的總體結構
                            3.2 單片機的選型
                            3.3 系統光學測量部分的設計
                              3.3.1 紅外光源的選擇
                              3.3.2 紅外探測器的選擇
                              3.3.3 光學吸收氣室的設計
                            3.4 系統電路部分的設計
                              3.4.1 光源穩壓驅動電路設計
                              3.4.2 放大濾波電路設計
                            3.5 本章小結
                          第四章 紅外甲烷檢測儀系統的軟件設計
                            4.1 軟件設計方法
                            4.2 信號的采集與濾波處理
                              4.2.1 A/D 轉換程序設計
                              4.2.2 數字濾波處理
                                4.2.2.1 中值濾波
                                4.2.2.2 FIR 低通濾波器設計
                            4.3 濃度反演算法設計
                              4.3.1 查表法
                              4.3.2 多項式插值法
                              4.3.3 多項式擬合法
                            4.4 本章小結
                          第五章 紅外甲烷檢測儀系統的通信
                            5.1 通信方式與傳輸速率
                            5.2 單片機與 E2PROM 的通信實現
                              5.2.1 單片機與 AT24C02 通信的接口電路設計
                                5.2.1.1 AT24C02 芯片的特性
                                5.2.1.2 單片機與 AT24C02 的接口電路
                              5.2.2 單片機與 AT24C02 通信的軟件設計
                                5.2.2.1 I2C 協議
                                5.2.2.2 單片機的 I2C 模塊功能
                                5.2.2.3 AT24C02 的讀寫操作
                                5.2.2.4 AT24C02 的讀寫操作程序設計
                            5.3 單片機與上位機的通信實現
                              5.3.1 單片機與上位機通信的硬件設計
                                5.3.1.1 RS-232C 接口標準
                                5.3.1.2 單片機與上位機之間的接口電路設計
                              5.3.2 單片機與上位機通信的軟件設計
                                5.3.2.1 單片機的串行通信功能
                                5.3.2.2 串行通信的編程實現
                              5.3.3 單片機與上位機串行通信的擴展
                            5.4 上位機軟件設計
                              5.4.1 MSComm 控件的特點
                              5.4.2 上位機軟件界面設計
                            5.5 本章小結
                          第六章 檢測儀的性能測試
                            6.1 準確度實驗
                            6.2 工作穩定性實驗
                            6.3 誤差原因分析
                            6.4 本章小結
                          第七章 總結與展望
                            7.1 論文工作總結
                            7.2 展望
                          參考文獻
                          致謝
                          攻讀碩士學位期間發表的論文

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