一种实时空间甲烷检测系统的研究

【摘要】：甲烷是一种无色无味的气体,它是沼气、天然气等的主要成分。在民用和工业领域中甲烷是主要的气体燃料和重要的化工原料。同时,也是石油、石化生产过程中的一种主要中间产品。而甲烷是易燃易爆气体,对甲烷气体进行快速、准确的检测和预警,对于保护生产生活安全具有十分重要的意义。另外,大气中的甲烷是一种温室效应气体,甲烷对温室效应的贡献远大于人们所熟悉的二氧化碳,对近地面空间中甲烷含量精确的检测是分析大气中甲烷来源的前提与基础,因此,空间中甲烷气体检测的研究是十分必要的。首先,本文研究了常用气体检测技术的原理与特点,主要包括:超声波气体检测技术、电化学检测技术、半导体气体检测技术、热传导气体检测技术、催化燃烧检测技术、气相色谱检测技术等非光学气体检测技术和基于相干光干涉的气体检测技术、基于吸收光谱的气体检测技术等光学气体检测技术。通过比较,得出结论:基于吸收光谱的气体检测技术具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、不易受气体影响而中毒、老化等特点,是空间甲烷检测的理想选择。其次,从分子吸收光谱理论着手,研究了分子吸收光谱机理、朗伯-比尔定律、光谱吸收测量气体浓度方法,并根基HITRAN数据库中的气体分子吸收参数数据,确定了甲烷位于1653.72 nm处的吸收线为适合本系统的最佳检测波长,并确定了吸收线的相关参数。基于理论研究,提出了一种立体网格式甲烷检测方法,通过对开放性空间分层精细化划分,布置传感器,不仅实现了对空间内甲烷气体实时、准确的探测与定位,而且大大减少了传感器的使用数量,当泄漏发生时该检测方法可及时发现泄漏点,对于保护生产生活安全具有十分重要的意义。最后,完成了检测系统中关键器件的选型和电路设计,包括激光器驱动电路、三角波电路、光电探测器前置放大电路等,实现了基于可调谐激光二极管甲烷检测系统的硬件部分,并提出了下一步研究计划。 【关键词】：TDLAS 甲烷检测 空间定位 吸收光谱 传感器
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 需求分析10-12
• 1.2.1 生产安全10-11
• 1.2.2 环境保护11
• 1.2.3 生活安全11-12
• 1.3 研究内容在该领域的水平和发展动态12-13
• 1.4 研究意义13
• 1.5 主要工作及论文结构13-15
• 第二章 应用环境与技术背景15-24
• 2.1 系统应用环境15-16
• 2.2 现有气体检测技术16-22
• 2.2.1 非光学气体检测技术17-19
• 2.2.2 光学气体检测技术19-22
• 2.3 小结22-24
• 第三章 立体网格化检测方法提案24-38
• 3.1 检测功能要求与检测技术选择24-25
• 3.1.1 检测功能要求24-25
• 3.1.2 检测技术选择25
• 3.2 检测技术理论基础25-32
• 3.2.1 分子吸收光谱理论25-27
• 3.2.2 朗伯-比尔定律27-28
• 3.2.3 谱线选择28-30
• 3.2.4 扫描检测方法30-32
• 3.3 空间检测方法提案32-37
• 3.3.1 空间网格化检测与漏点定位32-34
• 3.3.2 扫描检测34-36
• 3.3.3 定位精度分析技术优势比较36-37
• 3.4 小结37-38
• 第四章 硬件设计38-51
• 4.1 系统结构38
• 4.2 光源选择38-41
• 4.3 驱动电路41-46
• 4.3.1 光源驱动电路的设计41-43
• 4.3.2 三角波发生电路的设计43-45
• 4.3.3 温控电路的设计45-46
• 4.4 光电探测器电路46-50
• 4.4.1 光电探测器的选择46-47
• 4.4.2 前置放大电路47-50
• 4.5 小结50-51
• 第五章 结论51-53
• 5.1 全文总结51
• 5.2 下一步研究展望51-53
• 参考文献53-56
• 致谢56-57
• 硕士期间取得的成果57-58
• 附录A 激光器波长与电流温度关系58-59
• 附录B 光电二极管光谱响应度59-60

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