基于ARM與有理數(shù)濾波的甲烷體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：介紹了一種甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用分子輻射吸收理論的紅外檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了CH4體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)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(diǎn)。信號(hào)調(diào)理電路采用鎖相放大器進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)中采用有理數(shù)濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能顯著提高系統(tǒng)的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明：測(cè)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(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；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(kuò)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(xiǎn)。這使得探測(cè)甲烷氣體在工業(yè)生產(chǎn)中的濃度成為面臨的一個(gè)重要問題。甲烷檢測(cè)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(cè)周期長(zhǎng)而且探測(cè)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。選用ARM核心的S3C44BOX處理器，提高系統(tǒng)處理器性能。在信號(hào)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(jì)算機(jī)的相關(guān)操作。由此構(gòu)成的甲烷體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在礦山礦井中，對(duì)于預(yù)防事故的發(fā)生具有重要意義。

1 紅外傳感器檢測(cè)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(qiáng)弱及所在的波長(zhǎng)范圍。化合物的分子對(duì)紅外光譜內(nèi)某一個(gè)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(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)，選擇1．9μm作為參考波長(zhǎng)，以消除光源的波動(dòng)帶來的干擾。探測(cè)器選用PD25進(jìn)行探測(cè)，對(duì)2．3μm和1．9μm波長(zhǎng)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?jǐn)?shù)時(shí)對(duì)光的吸收情況

式中，I為透射紅外輻射的強(qiáng)度；I0為入射紅外輻射的強(qiáng)度；K為氣體的紅外光吸收系數(shù)；C為待測(cè)氣體的摩爾百分體積分?jǐn)?shù)；L為紅外輻射穿透過的待測(cè)氣體長(zhǎng)度。
當(dāng)紅外輻射穿過待測(cè)組分的長(zhǎng)度L和入射紅外輻射的強(qiáng)度I0一定時(shí)，由于K對(duì)某一種特定的待測(cè)組分是常數(shù)，故透過的紅外輻射強(qiáng)度I是待測(cè)組分摩爾百分體積分?jǐn)?shù)C的單值函數(shù)。通過測(cè)定透射的紅外輻射強(qiáng)度，就可以確定待測(cè)組分的體積分?jǐn)?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(chǔ)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(jī)；監(jiān)控主機(jī)放在監(jiān)控室，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和查詢。