基于C8051单片机的光纤气体检测系统设计

以C8051单片机为平台介绍了光纤气体检测系统的实现.文中以甲烷为待测气体,利用傅里叶级数分解对气体吸收信号进行分析,并利用一次谐波信号检测甲烷气体浓度.文中对气体检测系统各模块的功能进行分析,详细分析了数据采集与处理部分的实现,设计了相应软件流程,对测试结果进行分析.系统实时性好,在煤矿瓦斯气体监测领域有广泛应用前景.     

光纤气体传感器的研究

基于气体在吸收峰波长下对光的吸收随浓度变化的机理,研制一种光纤式气全监测仪。根据被测气体的吸收峰对应的波长选择ＬＥＤ作为光源。采用不同频率的光源驱劝电路实现多种气体浓度的产时检测。为保证测量精度,信号处理采用相敏以及测量信号与参考信号比值技术。对甲烷和乙炔气体浓度的检测实验表明,系统具有一定的检测灵敏度和精度。仪器和系统不驻适于甲烷和乙炔气体浓度的检测,稍加改变结构参数,也可测量其它气体的浓度。     

光谱吸收式瓦斯气体传感器及其信号处理方法

基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收光谱的分析,建立了谐波检测的数学模型,提出了一种光谱吸收式甲烷气体检测系统。该系统以1 654nm为中心波长的半导体激光二极管(LD)作为光源,并采用波长响应范围为1.0~2.9μm的高灵敏度、低噪声的PbS前置放大光电探测器。通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用选频放大器对传输信号进行二次谐波检测及噪声滤除,利用一次谐波与二次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。研究表明,灵敏度、精确度和稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测的要求。     

基于STM32RBT6的便携式甲烷浓度检测仪

为实现对甲烷气体浓度的便携式快速检测, 设计一种基于STM32RBT6处理器的甲烷浓度便携式快速检测系统。该系统包含接触燃烧式甲烷气体传感器、 以集成运算放大器和数字电位器为核心的信号调整电路、 片上集成高精度数模转换电路、 铁电存储器、 集成USB（Universal Serial Bus）接口和液晶人机交互接口等。详细阐述了该系统的硬件设计和软件实现。系统的数据采集速率达到12 Mbit/s,与同类设计相比有显著提高, 通过基于VC++6.0的上位机软件绘制甲烷浓度变化曲线, 整个系统使用方便简洁。在实验室条件下进行实际测试, 配合上位机软件给出了实验结果。最终基于STM32的便携式甲烷浓度检测仪实现了对环境中甲烷气体浓度快速检测、 提升了检测系统给的性能。     

气体流量对石英增强型光声光谱检测精度的影响

石英增强型光声光谱(QEPAS)检测技术在痕量气体浓度检测方面具有灵敏度高、可靠性好、系统体积小等优势。以二氧化碳(CO2)为目标气体,深入研究不同气体流量对QEPAS检测系统精度的影响。通过Fluent ANSYS仿真软件对气体流场进行分析,完成对不同流量情况下气室内压强和流速的仿真。通过基于QEPAS的CO2气体检测系统的实验,研究了气室压强对气体浓度检测的影响。实验结果表明通过控制气体流量使得气室内的压强为1.08e-1~1.48e-1 Pa时,检测信号与气体浓度之间线性关系良好,相关系数R=0.99971,系统相对误差为0.5%,系统检测下限为72ppm。     

基于计算流体力学的集气站气体检测报警仪布置优化

提出气体检测报警仪的布置优化方法,以某高含硫气田集气站天然气泄漏为例,构建集气站计算流体力学(CFD)模型并将站内气体检测报警仪设置为模型中的监测点,通过对天然气泄漏及扩散过程的数值模拟获得各监测点的甲烷和硫化氢浓度,据此对可燃气体检测报警仪布置高度、可燃及有毒气体检测报警仪探测有效性及反应时间进行分析.结果表明:对于高含硫天然气泄漏检测,可燃气体检测报警仪高位布置检测效果优于低位布置;硫化氢检测报警仪探测有效性高于可燃气体检测报警仪.建议高含硫气田集气站气体检测报警仪布置可以硫化氢检测报警仪为主并辅以可燃气体检测报警仪.     

基于煤层钻孔气体参数检测的突出预测预报装置

为解决现行的煤层钻孔气体检测装置数据最高值不容易被捕捉、钻孔气体参数比较单一、测定结果不能实时显示的问题,特研制出一种煤层钻孔气体检测装置。此装置能够准确测定煤层钻孔内的气体浓度(包括甲烷、硫化氢和一氧化碳)、气体流量、气体温度和气体压力等(包括高压和低压)参数,并且数据实时显示、连续记录、易于查询。应用实践表明:该装置能够满足煤矿现场测定煤层钻孔参数的要求,对实时预测预报煤与瓦斯突出危险性、保障煤矿安全生产具有重要意义。     

基于TDLAS的甲烷遥测技术

主要研究了基于TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）的甲烷气体浓度遥测技术。对其工作原理、系统构成进行分析,重点研究系统光学部分设计,以提高系统的接收效率。实验证明能够达到利用漫反射光线高速高精度检测甲烷气体浓度的目的。     

变压器油中多组分故障气体的光纤检测

阐述了变压器油中故障气体光纤检测的意义，分析了气体浓度二次和三次谐波检测与调制点的关系；提出了方波调制ＬＤ的非机械暂时分－差分检测方法；讨论了多组分气体的检测方法及其适用条件。     

有害气体检测的电化学技术的应用发展

介绍了电化学气体传感器发展过程、技术原理以及相应电化学检测类型的应用。进一步概述了电化学气体传感器的主要研究内容。简要介绍了气体检测的电化学工作原理及其检测手段发展;并通过检测原理不同,概述了有害气体检测的诸类电化学检测方法,分析了各类检测方式的优缺点。探讨了电化学气体传感器对多种有害气体浓度检测和种类检测的技术途径、最新应用;并根据现有研究成果,提出了在气体传感器检测方式迅速发展的阶段,电化学发展及其所蕴含的潜在动力及意义。     

基于TDLAS一次谐波的甲烷浓度检测系统及其温度补偿研究

本文结合甲烷1 653.72 nm波长2v3带R3支气体吸收线,分析温度变化对甲烷吸收线的谱线特性及甲烷气体浓度测量产生的影响。基于可调谐二极管激光吸收光谱与波长调制光谱技术,应用一次谐波信号检测甲烷气体的浓度,通过温度补偿抑制环境温度变化给检测带来的干扰。实验结果表明,研制的甲烷浓度检测系统的性能稳定,利用温度补偿系数校准后系统测量偏差在1%以内,可以有效地提高系统的检测精度。     

基于差分吸收光谱法的烷烃气体检测系统的研制

利用差分吸收光谱（DOAS）技术研制开发了一套烷烃类气体检测实验系统,在该实验系统上测量了CH4的吸收光谱以及吸收截面,并利用这些参数开展了CH4气体浓度反演算法的研究.实验结果表明：在常温常压下,CH4的检测结果与标准浓度之间的线性拟合系数R2为0.9998,误差小于3%,CH4的最低检测限为0.01%.这些工作为烷烃光谱录井仪的研发奠定了基础.     

基于SONIC软件的鄂霍次克海浅表陆坡可燃冰勘探研究

运用自主研发设计的SONIC软件,控制深海勘探设备Echo水声探测系统,对位于西北太平洋边缘的鄂霍次克海海底可燃冰甲烷释放情况进行勘探研究。重点对萨哈林岛东面浅表陆坡进行了大规模的水声测扫,通过采集回声信号,应用SONIC软件处理和成像后,实现了海底甲烷气体渗漏点（GF）、冷泉和海床的可视化。在发现甲烷气体渗漏点后,运用SONIC的成像功能,分析冷泉中甲烷气体浓度及形态的变化,运用GPS系统进行实时跟踪与定位,利用重力取样器等采样工具,在多个海域成功采集到了可燃冰岩心样本,并及时进行了分析,得到了该地区可燃冰中的甲烷排放速率和甲烷排放量等数据。另外,通过梳理本次考察的经验,对规范我国可燃冰资源调查方法也会产生积极影响。     

基于双差分的高精度甲烷浓度探测系统

现有的甲烷浓度检测系统大多采用窄带激光器、可调谐激光器等实现对甲烷特征波长位置的对准,虽然可以有效提高检测精度,但高性能激光器价格昂贵、结构复杂,难以满足实际应用中需要小型化、便携化以及低成本的要求.据此设计了一种基于双差分的高精度甲烷浓度检测系统,设计了浓度差分转换窗口,可获取2组等效于窄带光对准的差分数据,从而实现了仅用宽带红外二极管作为光源的高精度甲烷浓度探测系统.分析了该系统的工作原理,推导了基于双差分的甲烷浓度函数,给出了双差分的算法流程.实验采用LSIPD型PIN光电二极管与C30659型红外探测器采集响应光强,利用GPro 500系列甲烷浓度检测仪作为标准检测设备对系统进行甲烷浓度检测误差分析.结果显示:当甲烷体积分数小于4.0%时,系统平均相对误差小于1.0%; 当甲烷体积分数高于4.0%时,系统平均相对误差小于1.5%,验证了系统的可行性.     

基于光纤环衰荡腔的甲烷传感系统

为测量甲烷气体浓度,设计基于光谱吸收原理测量气体浓度的传感系统。该系统利用光纤环衰荡腔代替传统的光学腔,使光源产生的光脉冲信号在光纤环中多次循环吸收,延长了吸收路径,从而大大缩短了气室长度。利用该系统对甲烷气体浓度进行测量,对测量结果的参数进行分析,并通过实验仿真得到甲烷气体浓度与光脉冲信号衰荡时间的关系。结果表明:实验结果与理论相符,证明所设计系统正确可靠。     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.     

巷道冒落区瓦斯积聚的数值模拟及应用

巷道冒落区的瓦斯积聚,既可能会引起瓦斯燃烧或爆炸,又会导致煤自燃,同时瓦斯随风流进入巷道也会引起事故,构成煤矿安全生产的重大隐患。文中采用计算流体动力学软件FLU-ENT对巷道冒落区的瓦斯积聚和扩散情况进行了数值模拟,重点比较了不同风速条件下瓦斯积聚的差异。巷道风速越大,瓦斯积聚越弱,但是风速高于临界风速时,并不能显著地降低积聚瓦斯的最高浓度;同时模拟结果表明冒落区内设置导风板对稀释积聚瓦斯具有良好的效果。模拟结果进一步验证了实际预防冒落区瓦斯积聚措施的合理性和科学性。