红外甲烷浓度检测系统的设计与开发

【摘要】： 在石油钻井、煤层气勘探等过程中,通常使用氢火焰离子化检测仪(FID)作为分析烷烃气体的主要手段,此种仪器具有结构复杂、操作繁琐、造价昂贵、测试周期长、难以连续检测等缺点;而在煤矿瓦斯(甲烷)气体检测中,通常使用电学、电化学类气体浓度检测仪,其灵敏度低、精度差,易中毒。 针对以上气体浓度检测仪的缺点,本文在研究气体分子的红外吸收光谱理论的基础上,以集成24位ADC的单片机ADμC845为核心,利用λ=3.31μm的中红外光作为激励光,设计和开发了一种红外甲烷浓度检测系统。在系统硬件设计方面,对比选择了红外光源、红外探测器、红外滤光片等器件,提出将光学元器件与气体分析室集成在一个模块上的结构设计方案,减小了系统体积,并对后续放大滤波电路、单片机处理电路、液晶显示接口电路等进行了详细设计;在软件设计方面,对数据采集、处理模块、液晶显示模块以及串口通信模块进行了编程设计,提出了一种有效的数据采集方法,该方法利用单片机发出的脉冲去控制红外光源亮灭,同时控制片上ADC在光源亮灭瞬间对红外探测器的输出数据进行采集。最后,对所设计的检测系统在实验室条件下进行了标定。 经过实验室调试运行,所设计的电路达到了很好的效果,放大滤波电路能够有效地滤除环境噪声,检测系统能够稳定运行,能够准确采集数据。该检测系统的灵敏度为200ppm,可测量范围在200ppm~100%,精度达到±0.78%FS,响应时间小于3s。经现场气测录井实验,该系统能够较为准确地测出待测气体中甲烷气体浓度,且克服了FID检测仪的缺点,可代替FID分析仪对钻井液中甲烷含量进行检测。 【关键词】：甲烷 气体浓度检测 红外吸收光谱 热释电红外探测器
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP274.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景及研究意义8-9
• 1.2 气体浓度检测仪的分类及比较9-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 国外研究现状11-12
• 1.3.2 国内研究现状12-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-16
• 第2章 红外光谱原理及甲烷红外检测方法的确定16-24
• 2.1 分子的红外吸收光谱原理16-17
• 2.1.1 分子的振动－转动光谱16
• 2.1.2 分子的红外吸收光谱16-17
• 2.2 气体分子红外吸收定律17-19
• 2.3 甲烷浓度红外检测方法的确定19-23
• 2.3.1 甲烷气体红外吸收峰的对比与选择19-22
• 2.3.2 甲烷浓度检测理论公式推导22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 红外甲烷浓度检测系统的结构设计24-48
• 3.1 系统的总体设计24-25
• 3.2 光学测量部分的结构设计25-35
• 3.2.1 红外辐射光源的选择25-29
• 3.2.2 红外探测器的选择29-33
• 3.2.3 红外滤光片的选择33-34
• 3.2.4 气体分析室的设计与安装34-35
• 3.3 信号检测处理部分的设计35-47
• 3.3.1 光源驱动电路设计36-37
• 3.3.2 前置放大滤波电路设计37-39
• 3.3.3 温度信号放大电路设计39-40
• 3.3.4 基于单片机的信号处理电路设计40-46
• 3.3.5 电源供电电路设计46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 红外甲烷浓度检测系统软件设计48-56
• 4.1 数据采集功能模块设计48-52
• 4.1.1 数据采集程序设计49-51
• 4.1.2 A/D 转换程序设计51-52
• 4.2 液晶显示功能模块设计52-53
• 4.3 串口通信功能模块设计53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 实验数据的分析与仪器标定56-66
• 5.1 输出信号波形测试56-57
• 5.1.1 红外光源驱动信号测试56
• 5.1.2 滤波放大后的信号测试56-57
• 5.2 实验采集数据稳定性分析57-59
• 5.3 甲烷气体浓度检测仪的标定59-64
• 5.3.1 气体浓度配置59-60
• 5.3.2 仪器的标定60-62
• 5.3.3 仪器指标分析62-64
• 5.4 现场运行实验64-65
• 5.5 本章小节65-66
• 总结与展望66-68
• 参考文献68-71
• 附录71-75
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果75-76
• 致谢76

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

基于非分散红外技术实时检测油烟浓度研究    吕善翔;李雪梅;王兆山;秦华标;翁子棉;

基于遗传优化的BP神经网络法在甲烷检测中的应用    李卯东;梁永直;贾文沛;夏路易;

光纤甲烷气体浓度检测系统的设计与实现    柴航

红外吸收粉尘传感器的设计    赵乐平

测量甲烷浓度的红外激光雷达建模仿真研究    井毅鹏

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

光纤乙炔气体检测系统的研究    刘泉,林海燕

甲烷气体多点光纤传感系统的研究    王玉田,李晓昕,刘占伟,郭媛,王书涛,车仁生

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭增军,王莉田

基于可调谐二极管激光吸收光谱遥测CH_4浓度    汪世美;刘文清;刘建国;涂兴华;杨立书;

基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究    吕玉祥;赵根爱;

红外技术的发展    潘小青,刘庆成

气体传感器及其发展    潘小青,刘庆成

气体传感器的研究及发展方向    马戎,周王民,陈明

红外CH_4检测仪    王一丁,钟宏杰,金钦汉,白旭东,王德

光谱吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究    刘瑾

利用LED检测甲烷浓度的实验研究    孙晓峰

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

光纤光栅式甲烷浓度差分检测系统研究    管立君;张景超;褚衍平;刘宇蕾;

光纤气体传感网络的研究进展    余贶琭;吴重庆;郭旋;王智;王拥军;

基于可调谐半导体激光器的甲烷气体监测技术    韦云波;印新达;江山;董雷;

基于全光缓存器的光纤传感甲烷多点监测系统    余贶琭;吴重庆;王智;刘锐;王俏;

红外二氧化碳传感器动态特性校准与改进研究    武晓利,张广军

单光束红外光二氧化碳分析仪    张广军,吕俊芳,周秀银,周浩敏,袁梅

红外气体分析中环境影响的补偿方法研究    张广军,吕俊芳,周秀银,袁梅

基于RBF神经网络的瓦斯检测技术的研究    李海富;王春阳;裴宁;郭成君;王宇;

目标距离和视场角变化对红外热像仪测温精度影响的理论分析    郭帮辉;黄剑波;王志;吴宏圣;

基于可调谐近红外二极管激光波长调制光声光谱    李劲松;高晓明;刘锟;方黎;张为俊;

电化学传感器的研究和进展    郭萌;姚素薇;张卫国;张莹;

火灾早期预测技术的发展趋势    秦华礼;常德强;易光旺;陈宝智;

肉品新鲜度无损检测方法的研究进展    周炜;李小昱;王为;周竹;张军;

基于同态滤波和高通滤波的红外图像预处理方法    张一;李敏;吕东;

毛细管电泳在腐植酸领域的应用    常利红;李文德;

毛细管气相色谱法模拟三混油蒸馏    闫俊杰;闫志武;

基于热释电红外探测技术的车辆制动控制系统    纪成勇;张胜发;韩振铎;

光纤瓦斯传感器    王允韬;蔡海文;耿建新;方祖捷;

近红外吸收光谱技术在炼钢气体检测中的应用    林键;朱力生;浦辰雨;

储层钻井液气体定量检测影响因素及方法研究    王印

水热法制备微/纳米结构WO_3及其气敏与光电性能的研究    闫爱华

复合半导体桥电爆特性及桥温变化的研究    张文超

金属矿山硫化矿自然发火机理及其预测预报技术研究    阳富强

基于吸收光谱法的光纤气体传感器及传感网络    余贶琭

燃煤电站烟气SO_2和NO气体浓度在线监测技术的研究    王华山

连续波腔衰荡光谱技术特性及在气体浓度测量中应用研究    杨秋霞

高温构件三维尺寸红外视觉测量的理论和实验研究    刘启海

基于光纤环衰荡方法的分布式气体监测系统研究    范典

SnO_2基多孔纳米固体CO传感器的研究    于勤勤

红外瞄具零位走动量测试系统研究    谢斌

基于嵌入式Linux的红外呼气酒精检测系统的研究及开发    熊业攀

折射率调制光纤气体传感系统设计与研究    贾林涛

基于红外吸收型CO_2浓度分析仪设计    王晓东

数字化光纤气体检测系统方案研究    杨蕊

近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现    石建中

WCDMA-RNC告警相关性研究    张玉玲

双向拉伸膜用PA6切片基料质量的研究    冯正坤

电化学传感器用于堆肥中简青霉产漆酶检测的研究    周雯婧

便携式甲烷气体检测仪    刘飞

基于Matlab实现最小二乘曲线拟合    王可,毛志伋

基于长周期光栅滤波的全光纤光纤光栅传感器研究    刘云启,柳贺良,刘志国,张颖,董孝义

透射式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭增军,王莉田,侯培国

光纤乙炔气体检测系统的研究    刘泉,林海燕

吸收式光纤气体传感器的研究    甘维兵,朱励,张宇,张爱军

测量甲烷体积分数的高灵敏度光纤传感器研究    付华;井毅鹏;

光纤气体传感器研究进展    李瑛,杨集,冯士维

仪用放大器AD620及其应用    曹茂永,王霞,孙农亮

浓相气固两相流质量浓度摩擦电法测量研究    赵延军,陆勇,朱伯友,王式民

我国煤炭行业粉尘浓度监测技术的现状及发展趋势    李卫东,王连富,刘道文,隋金君

基于光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究    郭增军

甲烷气体分子高灵敏高分辨吸收光谱的理论与实验研究    马维光

基于光谱吸收的光纤式有害气体测量技术的研究    王艳菊

基于遗传神经网络的电子鼻系统研究    王鹤

光谱吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    郭廷荣

用LED作光源的光纤甲烷气体传感器及其检测系统的研究    张洁

甲烷中红外检测系统结构设计及实验研究    张宇

基于MIE散射理论的粉尘浓度测量研究    胡澄

瓦斯气体浓度光电检测系统的研究    李冬梅

瓦斯气体检测中全光纤梳状滤波器研究    李成

基于光谱吸收式的光纤甲烷气体传感系统    周游

提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究    王莹

矿用红外瓦斯传感器原理与实现    杨宝霖

远距离红外激光无线通信系统设计与实现    马鑫

CH_4气体光纤传感器的研究    叶险峰,汤伟中

光纤气体传感器的研究    阎卫平,刘文琦,牛德芳,汤素芬

高分子功能材料及在传感器中的应用─气体传感器(连载二)    卢崇考

镉、锡复合氧化物及掺银薄膜的气敏光透射特性    许富江，翁文华，林祥云

一种新型金属复合氧化物半导体气敏材料体系    张天舒，沈瑜生

吸收式环境气体光纤传感器    王莉田，史锦珊，王玉田

吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国

浅谈傅立叶变换红外光谱技术与应用    乔冬平

高性能虚拟数字示波器的研究    侯培国,王玉田,王莉田,王杰,郭增军

红外生命探测仪的研制及试验    刘良刚,詹碧燕,俞飞鹏

基于光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究    郭增军

光谱吸收式光纤甲烷气体传感器的研究    郭廷荣

光谱吸收式变压器油中乙炔气体浓度测量仪的研究    孟宗

基于气体传感器阵列的混合气体检测系统    王玮

光纤光栅式甲烷浓度差分检测系统研究    管立君;张景超;褚衍平;刘宇蕾;

基于1665nm激光器测量甲烷气体浓度的研究    安宇鹏;宋振宇;王一丁;

CH_4传感系统微弱光电信号处理电路的研究    王艳菊;李东明;王玉田;

以SLED为光源的甲烷浓度检测系统的研究    赵亚丽;路泽永;

基于ARM与有理数滤波的甲烷体积分数监测系统    刘玉宾;丁万山;

甲烷检漏仪    蒋玲;

内腔式甲烷喇曼激光器特性研究    苑高强;贾选军;刘玉岩;

瓦斯传感器的研究进展    柴化鹏;冯锋;白云峰;田茂忠;梁文娟;董川;双少敏;

喇曼频移中甲烷气压对1.54μm喇曼散射红外激光输出功率下降的影响分析    张琳琳;汪岳峰;黄峰;殷智勇;

一种光纤甲烷检测仪智能前端系统的实现方案    任建强;

油井计量检测系统研制    张乃禄;张建华;徐竟天;

干、湿生化分析仪部分测定值的比对分析和偏倚评估    许静;王伟祥;高锋;

基于边缘电场传感器的涂层厚度检测系统    黄云志;

基于SHT75的矿井救生舱温湿度检测    李长有;程晓琦;张胜奎;

微小尺寸精度图像处理检测系统的研究    张建;王智宏;温坚;

SDI-5420 Delta X大型超声C-扫描检测系统    邓延;

基于虚拟仪器技术的温室环境无线检测系统    滕海;祝青园;王书茂;

基于无线通信的三相交流电检测系统设计    黄文聪;常雨芳;丁稳房;

谐振器型声表面波气体传感器检测芥子气的研究    陈传治;左伯莉;马晋毅;江洪敏;

甲基紫薄膜/玻璃光波导元件的气敏性研究    热娜古丽·阿不都热合曼;阿布力孜·伊米提;

西南石油大学物探人才培养基地挂牌    何莉

石油大学喜庆50华诞    屈金星

中国石油大学（北京）积极引导就业    文永红

春华秋实 岁月如歌    常斐

石油大学（北京）抗非典取得阶段性成果    记者　周文斌　通讯员　梁喜书

三大石油巨头首次聚首中国石油大学选人才    记者 赵凤华

中石油天然气与石油大学深度合作    本报记者 赵笛

到基层去寻找事业大舞台    记者　 黄蔚 通讯员　 文永红

中国石油大学5项科研成果获国家奖    本报特约记者 孙兴文

西安石油大学校庆简朴务实    记者　何晓龙 通讯员　李国武

基于光谱吸收的光纤式有害气体测量技术的研究    王艳菊

甲烷与一氧化碳浓度光学检测    曲艺

基于交流电磁场的缺陷智能可视化检测技术研究    李伟

基于光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究    郭增军

苯丙氨酸解氨酶传感器及检测系统研究    周真

金属液综合性能炉前智能检测系统研究与开发    梁昌勇

二氧化碳加氢一段法合成二甲醚催化剂的研究    张建祥

钙钛矿结构锰氧化物La_（0.67-x）R_xCa_（0.33）MnO_3中的电磁性质及红外吸收    卢遵铭

混合气体浓度检测的弛豫声学方法研究    朱明

基于数据融合的拱泥机器人检测系统研究    杨清梅

红外甲烷浓度检测系统的设计与开发    张勇

煤矿安全检测系统中甲烷气体检测仪的研制    徐珍

甲烷气体监测的可调谐多模二极管激光光谱技术研究    高强

便携式甲烷气体检测仪    刘飞

光纤甲烷气体浓度检测系统的设计与实现    柴航

心血管血流动力学专家检测系统的研究    李殿坤

基于IPP开发平台的医学专项检测系统的研制    王青

连铸结晶器振动状态检测仿真系统的建立与数据分析    李玉波

连杆裂解主机检测系统的研制    王立宇

精密排种器排种性能检测系统研究    穆武超