基于紅外光譜吸收的甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、甲烷(CH4)是一種重要的溫室氣體，在所有溫室氣體中，其含量?jī)H僅比二氧化碳(CO2)低，其增溫效果非常顯著。單位摩爾CH4的輻射強(qiáng)度是CO2的21～23倍，對(duì)全球氣候變暖的貢獻(xiàn)率約占15％。農(nóng)田是甲烷氣體最主要的排放源之一，農(nóng)田甲烷的排放速率及排放通量信息的快速獲取是一項(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。目前普遍采用的靜態(tài)箱-氣相色譜法存在著采樣程序繁瑣、成本高、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，難以滿足農(nóng)田甲烷低成本、快速檢測(cè)要求?？紤]甲烷氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅

2、外輻射具有選擇性吸收且吸收強(qiáng)度與甲烷濃度呈正相關(guān)，本文擬利用紅外光譜吸收原理來(lái)對(duì)農(nóng)田甲烷氣體進(jìn)行定量檢測(cè)。設(shè)計(jì)了光電檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合以STM32F103VB為MCU的嵌入式技術(shù)、無(wú)線遠(yuǎn)程通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套農(nóng)田甲烷氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田甲烷氣體排放的在線監(jiān)測(cè)。
　　首先，重點(diǎn)闡述了分子吸收光譜形成原理、紅外吸收原理以及差分吸收檢測(cè)技術(shù)等理論，以此作為本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。
　　其次，基于紅外光譜吸收理論設(shè)計(jì)了甲烷檢測(cè)系統(tǒng)。

3、由于農(nóng)田甲烷氣體排放量少，信噪比較低，為提高檢測(cè)精度以及結(jié)合成本考慮，使用了差分吸收檢測(cè)。在光路方面，通過(guò)理論分析以及針對(duì)各類(lèi)光源與探測(cè)器性能比較，優(yōu)選了紅外光源IRL715和雙通道熱釋電探測(cè)器PYS3228，并通過(guò)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了甲烷傳感系統(tǒng);電路方面，以STM32為微控制單元設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電源、光源驅(qū)動(dòng)與調(diào)制、信號(hào)調(diào)理、SD卡存儲(chǔ)、時(shí)鐘、串口通訊等模塊;軟件方面通過(guò)對(duì)STM32嵌入式軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器信號(hào)的AD讀取，經(jīng)運(yùn)算得到甲烷濃

4、度。服務(wù)器端設(shè)計(jì)有上位機(jī)軟件并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS模塊上傳至服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)在本地SD卡存儲(chǔ)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了web端。根據(jù)以上所述設(shè)計(jì)了甲烷氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
　　最后，對(duì)甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作了實(shí)驗(yàn)分析。首先進(jìn)行了系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，包括零點(diǎn)標(biāo)定以及甲烷氣體吸收實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了系統(tǒng)特性曲線;其次對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的系統(tǒng)重復(fù)性與穩(wěn)定性較好。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)麥田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)達(dá)到了農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)