便携式红外吸收型甲烷检测仪的研究与设计

论文摘要

在我国新农村建设的进程中,能源问题近年来成为一个较突出的问题。沼气能源作为一种清洁无污染的生物能源,成为农村能源建设的首选。最近几年我国在沼气项目及配套沼气服务体系的建设上取得了一定的进展。而在沼气技术服务体系中,沼气浓度的检测是判断和排除沼气池故障的重要手段,因此沼气检测方法的探讨和检测仪器的研制十分必要。本课题旨在研究出适用于农村沼气池的甲烷检测仪,功能包括甲烷气体浓度和环境温度检测并能实现声光报警,仪器包括气体分析装置和信号处理装置。主要工作如下：(1)分析了甲烷检测仪在沼气服务体系中的应用,明确了研究的对象,确定了以红外光谱吸收为原理的红外甲烷检测方法。根据农村沼气检测的具体要求,明确了红外甲烷检测仪的具体功能和参数。(2)简要介绍了红外甲烷检测仪的基本原理。选用了IR715红外灯和PYD212红外热释电红外探测器作为检测仪传感器的激励光源和信号接收装置。根据红外检测甲烷的基本原理,设计了适用于便携式仪器的密封气室。(3)选取了MSP430F149作为仪器的微处理器。设计了光源调制电路对红外光进行调制。设计了信号调理电路对探测器输出信号进行放大滤波处理。根据密封气室的特点,为仪器设计了微型气泵装置。硬件电路还包括键盘电路、温度检测电路和液晶显示电路。(4)对仪器软件功能模块进行了设计。程序编译环境为IAR Embedded Workbench IDE,用C语言编写。程序的设计包括光源调制程序设计、采样程序设计、继电器延时程序设计、温度检测程序设计和键盘功能程序设计。(5)通过标定实验得到红外传感器输出值与气体浓度的关系曲线,并拟合成具体方程式。将得到的方程式写入到单片机中,作为仪器测量甲烷气体的计算公式。然后对仪器进行了误差分析和参数分析。通过实验研制出了红外吸收型甲烷检测仪,该仪器能够相对准确的检测甲烷气体浓度,测量范围为[1000ppm,100%],满量程精度达到±8.11%FS,响应时间为3秒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和研究意义
• 1.2 农村沼气检测简介
• 1.2.1 甲烷检测仪在农村沼气检测中的应用
• 1.2.2 农村沼气浓度检测常用方法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外相关技术研究现状
• 1.3.2 国内相关技术研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.4.1 本课题的研究目标
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 1.5 技术路线
• 第二章 检测原理及检测方法
• 2.1 分子光谱理论
• 2.1.1 分子能级
• 2.1.2 分子红外光谱的形成
• 2.2 红外光谱吸收检测原理
• 2.2.1 甲烷气体红外吸收峰的选择
• 2.2.2 朗伯比尔定律
• 2.2.3 红外甲烷传感器检测甲烷浓度原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 检测装置的研究与设计
• 3.1 红外探测器的选型
• 3.1.1 红外探测器的分类及其对比
• 3.1.2 红外探测器PYD212性能分析
• 3.2 红外光源选型
• 3.2.1 红外光源的分类及其对比
• 3.2.2 红外灯IR715性能分析
• 3.3 密封气室的设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 检测仪的硬件电路设计
• 4.1 总体设计
• 4.2 单片机电路的设计
• 4.2.1 单片机型号对比分析
• 4.2.2 MSP430F149简介
• 4.2.3 MSP430F149电路设计
• 4.3 气体分析电路设计
• 4.3.1 光源驱动电路设计
• 4.3.2 微型气泵电路设计
• 4.4 信号处理电路设计
• 4.4.1 放大滤波电路设计
• 4.4.2 温度检测电路设计
• 4.4.3 液晶显示电路设计
• 4.4.4 键盘电路设计
• 4.4.5 声光报警电路设计
• 4.5 检测仪电源设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 检测仪的软件模块设计
• 5.1 主程序设计
• 5.2 光源调制程序设计
• 5.3 采样程序设计
• 5.4 继电器延时程序设计
• 5.5 温度检测程序设计
• 5.6 键盘功能程序设计
• 5.7 本章小结
• 第六章 试验设计
• 6.1 样本甲烷气体的制取
• 6.1.1 纯净甲烷气体的制取
• 6.1.2 标准浓度甲烷的配置
• 6.2 仪器参数的标定
• 6.2.1 标定方法及其原理
• 6.2.2 数据分析及其处理
• 6.3 仪器参数分析
• 6.3.1 误差分析
• 6.3.2 参数分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与建议
• 7.1 总结
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及研究成果