基于A(yíng)RM與有理數濾波的甲烷體積分數監測系統

摘要：介紹了一種甲烷體積分數數據采集系統。該系統運用分子輻射吸收理論的紅外檢測技術(shù)，設計了CH4體積分數檢測的紅外傳感器，其具有響應速度快、能在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點(diǎn)。信號調理電路采用鎖相放大器進(jìn)行微弱信號檢測，同時(shí)軟件設計中采用有理數濾波算法進(jìn)行數據處理，能顯著(zhù)提高系統的檢測精度和穩定性。實(shí)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)的危險氣體監測。
關(guān)鍵詞：監測；甲烷；紅外；鎖相放大器；有理數濾波

隨著(zhù)能源需求的增加，石油、天然氣以及煤炭開(kāi)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(gè)重要問(wèn)題。甲烷檢測多以熱導式分析法、氣相色譜法和電化學(xué)方法為主，不僅檢測周期長(cháng)而且探測范圍小。本系統選用紅外氣體傳感器，具有響應速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。選用ARM核心的S3C44BOX處理器，提高系統處理器性能。在信號調理中采用了鎖相放大器，軟件處理中采用了有理數濾波技術(shù)，處理器端可以通過(guò)串口與PC通信完成監控計算機的相關(guān)操作。由此構成的甲烷體積分數監測系統可以廣泛應用在礦山礦井中，對于預防事故的發(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，分子本身的原子結構決定了吸收帶的強弱及所在的波長(cháng)范圍?；衔锏姆肿訉t外光譜內某一個(gè)或一組特定波段內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(cháng)范圍的紅外區。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(cháng)，選擇1．9μm作為參考波長(cháng)，以消除光源的波動(dòng)帶來(lái)的干擾。探測器選用PD25進(jìn)行探測，對2．3μm和1．9μm波長(cháng)的紅外光都有響應。

比爾-朗伯定律反映了某種氣體在某一體積分數時(shí)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；C為待測氣體的摩爾百分體積分數；L為紅外輻射穿透過(guò)的待測氣體長(cháng)度。
當紅外輻射穿過(guò)待測組分的長(cháng)度L和入射紅外輻射的強度I0一定時(shí)，由于K對某一種特定的待測組分是常數，故透過(guò)的紅外輻射強度I是待測組分摩爾百分體積分數C的單值函數。通過(guò)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。

2 系統結構
該系統主要由傳感器、A／D轉換器和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的處理核心，這里選取了具有豐富外設的三星S3C44BOX處理器，由于內部不含存儲器，還需要外接ROM和RAM。通過(guò)串口將處理的結果可以通過(guò)RS-232的串口線(xiàn)送入監控主機；監控主機放在監控室，負責實(shí)時(shí)顯示、存儲和查詢(xún)。