基于ARM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，設計了CH4體積分數檢測的紅外傳感器，其具有響應速度快、能在惡劣環境下工作的優點。信號調理電路采用鎖相放大器進行微弱信號檢測，同時軟件設計中采用有理數濾波算法進行數據處理，能顯著提高系統的檢測精度和穩定性。實驗表明：測試精度約為5×106，可廣泛用于化工、電力、礦山等行業的危險氣體監測。
關鍵詞：監測；甲烷；紅外；鎖相放大器；有理數濾波

隨著能源需求的增加，石油、天然氣以及煤炭開發不斷擴大，生產環境中含有大量甲烷，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生產中的濃度成為面臨的一個重要問題。甲烷檢測多以熱導式分析法、氣相色譜法和電化學方法為主，不僅檢測周期長而且探測范圍小。本系統選用紅外氣體傳感器，具有響應速度快、抗干擾能力強的優點。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，處理器端可以通過串口與PC通信完成監控計算機的相關操作。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范圍。化合物的分子對紅外光譜內某一個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，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。

比爾-朗伯定律反映了某種氣體在某一體積分數時對光的吸收情況

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；C為待測氣體的摩爾百分體積分數；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，故透過的紅外輻射強度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。通過串口將處理的結果可以通過RS-232的串口線送入監控主機；監控主機放在監控室，負責實時顯示、存儲和查詢。