基于ARM與有理數(shù)濾波的甲烷體積分數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：介紹了一種甲烷體積分數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用分子輻射吸收理論的紅外檢測技術(shù)，設(shè)計了CH4體積分數(shù)檢測的紅外傳感器，其具有響應(yīng)速度快、能在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點。信號調(diào)理電路采用鎖相放大器進行微弱信號檢測，同時軟件設(shè)計中采用有理數(shù)濾波算法進行數(shù)據(jù)處理，能顯著提高系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性。實驗表明：測試精度約為5×106，可廣泛用于化工、電力、礦山等行業(yè)的危險氣體監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：監(jiān)測；甲烷；紅外；鎖相放大器；有理數(shù)濾波

隨著能源需求的增加，石油、天然氣以及煤炭開發(fā)不斷擴大，生產(chǎn)環(huán)境中含有大量甲烷，甲烷屬于易燃易爆氣體，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。這使得探測甲烷氣體在工業(yè)生產(chǎn)中的濃度成為面臨的一個重要問題。甲烷檢測多以熱導(dǎo)式分析法、氣相色譜法和電化學(xué)方法為主，不僅檢測周期長而且探測范圍小。本系統(tǒng)選用紅外氣體傳感器，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點。選用ARM核心的S3C44BOX處理器，提高系統(tǒng)處理器性能。在信號調(diào)理中采用了鎖相放大器，軟件處理中采用了有理數(shù)濾波技術(shù)，處理器端可以通過串口與PC通信完成監(jiān)控計算機的相關(guān)操作。由此構(gòu)成的甲烷體積分數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在礦山礦井中，對于預(yù)防事故的發(fā)生具有重要意義。

1 紅外傳感器檢測原理
紅外吸收型氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段都具有一定的吸收帶，分子本身的原子結(jié)構(gòu)決定了吸收帶的強弱及所在的波長范圍?；衔锏姆肿訉t外光譜內(nèi)某一個或一組特定波段內(nèi)的輻射有選擇地吸收形成特征吸收帶。
甲烷氣體分子的特征吸收帶主要分布在1～25 μm波長范圍的紅外區(qū)。如圖1所示，CH4在3．2～3．4 μm、2．3μm以及1．65μm附有強吸收帶，在1．9μm和2．7μm附近存在弱吸收帶。本傳感器選擇2．3μm作為CH4的工作波長，選擇1．9μm作為參考波長，以消除光源的波動帶來的干擾。探測器選用PD25進行探測，對2．3μm和1．9μm波長的紅外光都有響應(yīng)。

比爾-朗伯定律反映了某種氣體在某一體積分數(shù)時對光的吸收情況

式中，I為透射紅外輻射的強度；I0為入射紅外輻射的強度；K為氣體的紅外光吸收系數(shù)；C為待測氣體的摩爾百分體積分數(shù)；L為紅外輻射穿透過的待測氣體長度。
當紅外輻射穿過待測組分的長度L和入射紅外輻射的強度I0一定時，由于K對某一種特定的待測組分是常數(shù)，故透過的紅外輻射強度I是待測組分摩爾百分體積分數(shù)C的單值函數(shù)。通過測定透射的紅外輻射強度，就可以確定待測組分的體積分數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)主要由傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器和ARM處理單元組成，如圖2所示。

采用ARM嵌入式處理器作為系統(tǒng)的處理核心，這里選取了具有豐富外設(shè)的三星S3C44BOX處理器，由于內(nèi)部不含存儲器，還需要外接ROM和RAM。通過串口將處理的結(jié)果可以通過RS-232的串口線送入監(jiān)控主機；監(jiān)控主機放在監(jiān)控室，負責(zé)實時顯示、存儲和查詢。