便携式红外甲烷报警仪的设计

【摘要】： 随着世界各国大力发展石油天然气工业以及煤炭工业,与甲烷泄漏相关的事故日益增加。这使得探测甲烷和燃油在工业区和居民区的管道中泄漏以及甲烷气体在矿井中的积累成为我们所面临的一个重要问题。目前的甲烷检查设备由于体积大、成本高、需要经常校准,不能够满足人们在日常生活中对一些有害气体检测的需求。急需研制集成化、小型化、免维护的新型光学气体监测设备,增强人们的安全监测能力。 本论文通过对国内外红外甲烷浓度检测方法进行研究,在本实验室前期取得的研究基础上,基于光谱吸收式红外气体检测原理,运用现代红外气体检测技术和数据处理技术,设计了便携式红外甲烷报警仪。红外甲烷报警仪具有不易老化、响应速度快,灵敏度好、性能稳定、抗干扰能力强等优点。本论文主要包括报警仪整体方案的设计,本安电路的设计,防爆外壳的设计,选择了合适的防爆电池,并对红外光学气室运用zemax光学分析软件进行了系统设计,同时结合神经元RBF网络引入了温度补偿,并对报警仪进行了低功耗设计,因为是做便携式产品,为使用户方便使用,采用菜单式设计模式,使报警仪不仅具有浓度超标时的声光报警功能,还具有电池电压实时检测,剩余工作时间显示,欠压关机以及密码输入等功能。根据现有的实验条件,完成了报警仪样机的组装,并进行了相关的测试实验。 本论文在完成对便携式红外甲烷报警仪设计的同时,也解决了报警仪价格昂贵、成本高、体积大等缺点,对促进其市场化进程有重要意义。 【关键词】：便携式 红外甲烷 本安 防爆 气室
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP277
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 概述9-14
• 1.1 课题研究的目的、意义及经费来源9
• 1.2 红外甲烷报警仪基本原理概述9-10
• 1.3 国内外相关研究情况以及发展趋势10-12
• 1.4 本课题主要研究的内容12-13
• 1.5 设计目标及主要技术指标13-14
• 2. 报警仪的总体设计14-34
• 2.1 总体方案的设计14-16
• 2.2 本安电路设计16-24
• 2.2.1 本安电路的基本原则与方法16-17
• 2.2.2 报警仪本安电路性能计算分析17-22
• 2.2.3 电气间隙和爬电距离22-23
• 2.2.4 印刷电路板23-24
• 2.3 防爆电池24-27
• 2.3.1 本安电气电源供电特点24
• 2.3.2 防爆电池选择24-25
• 2.3.3 锂离子电池的特点25-27
• 2.3.4 充电时电池的外部触点27
• 2.4 隔爆外壳的设计27-33
• 2.4.1 隔爆材质选择28
• 2.4.2 形状选择28-29
• 2.4.3 厚度的选择29-30
• 2.4.4 接合面结构参数30-32
• 2.4.5 观察窗的设计32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 3. 气室设计34-44
• 3.1 气室的基本构成34-35
• 3.2 红外光学系统特点和设计原则35
• 3.3 整体设计方案35-39
• 3.3.1 光学元件的材料35-36
• 3.3.2 气室基本参数确定36-38
• 3.3.3 能量损失估算38-39
• 3.3.4 光路设计39
• 3.4 zemax 软件光学优化设计39-43
• 3.4.1 zemax 软件简介39-40
• 3.4.2 内部结构优化仿真40-43
• 3.4.3 实验对比43
• 3.5 本章小结43-44
• 4. 报警仪的温度补偿及低功耗设计44-52
• 4.1 环境温度变化的影响44
• 4.2 温度补偿芯片的选择44-46
• 4.2.1 智能数字传感器SHT11 介绍45-46
• 4.2.2 SHT11 结构及工作原理46
• 4.3 检测信号的预测模型46-47
• 4.4 基于BRF 神经网络的甲烷定量分析47-49
• 4.4.1 BRF 神经网络47-48
• 4.4.2 聚类训练48-49
• 4.4.3 实验分析49
• 4.5 报警仪的低功耗设计49-51
• 4.5.1 硬件低功耗设计50
• 4.5.2 软件低功耗设计50-51
• 4.6 本章小结51-52
• 5. 报警仪的功能设计52-64
• 5.1 菜单52-53
• 5.2 开关按键53-56
• 5.3 报警值的密码输入56-57
• 5.4 电池电压的实时显示以及欠压关机57-59
• 5.4.1 电池电压的采集57-58
• 5.4.2 报警仪剩余工作时间的确定58-59
• 5.5 系统时间的显示59-60
• 5.6 USB 通讯接口实现60-62
• 5.6.1 USB 芯片的选择61
• 5.6.2 电路连接61
• 5.6.3 串口通信的程序设计与实现61-62
• 5.7 防尘防水62-63
• 5.8 本章小结63-64
• 6. 定标、实验验证及结论64-69
• 6.1 样机64
• 6.2 标定64-66
• 6.2.1 气体浓度配置65-66
• 6.2.2 标定步骤66
• 6.3 结论66-69
• 总结与展望69-70
• 论文总结69
• 展望69-70
• 附录：报警仪电路图70-71
• 参考文献71-75
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果75-76
• 致谢76

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