基于NDIR技术的矿用瓦斯浓度检测报警装置

发布时间：2017-08-11 21:27

  本文关键词：基于NDIR技术的矿用瓦斯浓度检测报警装置

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【摘要】：我国是煤炭开采和消费的大国。作为工业生产中最重要的能源之一，煤炭资源有着短期内不可替代的重要地位。近年来，煤矿安全事故一再发生，形成了巨大的人员伤亡和资产损失，其中瓦斯爆炸占事故缘由的很大一部分。瓦斯的主要成分是甲烷，是一种没有颜色没有味道的物质。一定浓度的甲烷能够使人缺氧而窒息。当环境中的甲烷达到5%就会导致爆炸。因此煤矿中瓦斯浓度的准确检测和及时报警就显得十分必要。 目前煤矿中最为普遍使用的甲烷浓度传感器是基于催化燃烧放热原理的电化学器件。这种传感器灵敏度低，精度差，测量范围小，容易老化中毒。它需要经常校准，并且使用寿命短。近年来，基于NDIR技术的甲烷传感器有了一定的发展，在一定程度上克服了催化元件的局限性。但是由于红外吸收型气体传感器信号处理相对复杂，稳定性好的器件价格较高等问题，在煤矿甲烷浓度检测的使用中一直未得到普及。 本课题旨在研究一种低成本的煤矿用甲烷浓度检测仪，该设备基于NDIR理论。具有实时浓度检测，声光报警，二线制信号输出，用户自定义遥控器设定等主要功能。同时设计并研制了配套使用的断电仪。依照节制成本的规定，内核处理器选用STC12C5A60S2单片机。显示部分按照煤矿安全生产标准的要求，采用三位数码管显示。输出信号为PWM方波信号。控制部分采用红外一体化接收头和遥控器，方便用户设定报警上限。 光源选用德国PerkinElmer公司的红外光源IR715，，它具有高可靠性，稳定工作寿命可达40000小时。目前这种光源在红外气体检测中最为常用。探测器选用PYS3228-TC型热释电传感器。热释电红外传感器在调制光源的作用下，经过放大可以输出正弦信号。PYS3228常温状态下就可以工作，不需要制冷，价格低廉，稳定性好，具有极高的性价比。 本论文具体论述了传感器信号处理电路的设计。在对比同类产品的基础上提出了独创的放大，整流，滤波的设计思想。结合煤矿的使用环境，进行了有针对性的设计，完成了硬件设计和软件程序的编写，并重点介绍了本质安全和防爆的相关知识。最后完成了系统实验和误差分析。
【关键词】：热释电探测器 单片机 本质安全
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 气体浓度检测的发展概况10-12
• 1.3 国内外红外气体检测的研究现状12-15
• 1.3.1 国外研究现状12-13
• 1.3.2 国内研究现状13-15
• 1.4 主要研究的内容和目的15-16
• 第2章 瓦斯检测仪的基本理论及设计方案16-24
• 2.1 红外气体检测的理论基础16-19
• 2.1.1 气体分子光谱特性16-18
• 2.1.2 兰波比尔定律18-19
• 2.1.3 NDIR 红外吸收技术19
• 2.2 矿用环境分析及拟采取措施19-21
• 2.3 系统总体方案设计21-23
• 2.3.1 系统总体框图21-22
• 2.3.2 系统总体功能简介22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 瓦斯检测系统硬件设计24-43
• 3.1 光源接收系统的设计24-30
• 3.1.1 光源的选型24-25
• 3.1.2 探测器的选型25-27
• 3.1.3 光源调制频率的选择27-28
• 3.1.4 光源恒流电路的设计28-29
• 3.1.5 探测器温度补偿方法的设计29-30
• 3.2 信号处理电路的设计30-32
• 3.2.1 信号放大电路的设计30-31
• 3.2.2 精密整流电路的设计31
• 3.2.3 积分和滤波电路的设计31-32
• 3.3 处理器的选择32-34
• 3.3.1 单片机 STC12C5A60S2 简介32
• 3.3.2 存储器 EEPROM 功能简介32-33
• 3.3.3 内置 AD 采集功能简介33-34
• 3.4 显示模块的设计34-35
• 3.5 遥控器收发系统的设计35-36
• 3.6 报警系统的设计36-37
• 3.7 气室的设计37-38
• 3.8 断电仪的相关设计38-39
• 3.9 本安与防爆39-42
• 3.10 本章小结42-43
• 第4章 瓦斯检测系统软件设计43-49
• 4.1 系统软件总体流程设计43-45
• 4.1.1 检测部分软件总体流程43-44
• 4.1.2 断电仪部分软件总体流程44-45
• 4.2 信号输出与频率检测45-46
• 4.2.1 信号输出程序设计45
• 4.2.2 频率检测程序设计45-46
• 4.3 遥控器解码程序设计46-47
• 4.4 软件滤波程序设计47-48
• 4.5 本章小结48-49
• 第5章 系统的实验及不确定度分析49-55
• 5.1 系统的标定49-52
• 5.1.1 实测数据的分析50-51
• 5.1.2 函数曲线的拟合51-52
• 5.2 系统的实验52-53
• 5.2.1 系统稳定性实验52
• 5.2.2 系统一致性实验52-53
• 5.3 系统不确定度分析与技术指标53-54
• 5.4 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-59
• 附录 整机实物图59-61
• 致谢61

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张正勇,张耀华,焦正,李民强,张蓉,刘锦淮;半导体氧化物气体传感器测试新原理与方法[J];传感技术学报;2000年02期

2 张樋;魏庆农;张伟;;一种光离子化检测系统的设计与实验研究[J];大气与环境光学学报;2007年02期

3 陈东;刘文清;张玉钧;刘建国;王晓梅;阚瑞峰;王敏;;开放光程TDLAS系统对北京城区NH_3浓度的连续检测[J];光学技术;2007年02期

4 阚瑞峰;刘文清;张玉钧;刘建国;王敏;陈东;陈玖英;崔益本;;A high sensitivity spectrometer with tunable diode laser for ambient methane monitoring[J];Chinese Optics Letters;2007年01期

5 刘福

本文编号：658312