基于ARM与有理数滤波的甲烷体积分数监测系统

　　随着能源需求的增加，石油、天然气以及煤炭开发不断扩大，生产环境中含有大量甲烷，甲烷属于易燃易爆气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。这使得探测甲烷气体在工业生产中的浓度成为面临的一个重要问题。甲烷检测多以热导式分析法、气相色谱法和电化学方法为主，不仅检测周期长而且探测范围小。本系统选用红外气体传感器，具有响应速度快、抗干扰能力强的优点。选用ARM核心的S3C44BOX处理器，提高系统处理器性能。在信号调理中采用了锁相放大器，软件处理中采用了有理数滤波技术，处理器端可以通过串口与PC通信完成监控计算机的相关操作。由此构成的甲烷体积分数监测系统可以广泛应用在矿山矿井中，对于预防事故的发生具有重要意义。

　　1 红外传感器检测原理

　　红外吸收型气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都具有一定的吸收带，分子本身的原子结构决定了吸收带的强弱及所在的波长范围。化合物的分子对红外光谱内某一个或一组特定波段内的辐射有选择地吸收形成特征吸收带。

　　甲烷气体分子的特征吸收带主要分布在1～25 μm波长范围的红外区。如图1所示，CH4在3.2～3.4 μm、2.3μm以及1.65μm附有强吸收带，在1.9μm和2.7μm附近存在弱吸收带。本传感器选择2.3μm作为CH4的工作波长，选择1.9μm作为参考波长，以消除光源的波动带来的干扰。探测器选用PD25进行探测，对2.3μm和1.9μm波长的红外光都有响应。

　　比尔-朗伯定律反映了某种气体在某一体积分数时对光的吸收情况

　　式中，I为透射红外辐射的强度;I0为入射红外辐射的强度;K为气体的红外光吸收系数;C为待测气体的摩尔百分体积分数;L为红外辐射穿透过的待测气体长度。

　　当红外辐射穿过待测组分的长度L和入射红外辐射的强度I0一定时，由于K对某一种特定的待测组分是常数，故透过的红外辐射强度I是待测组分摩尔百分体积分数C的单值函数。通过测定透射的红外辐射强度，就可以确定待测组分的体积分数。

　　2 系统结构

　　该系统主要由传感器、A/D转换器和ARM处理单元组成，如图2所示。

　　采用ARM嵌入式处理器作为系统的处理核心，这里选取了具有丰富外设的三星S3C44BOX处理器，由于内部不含存储器，还需要外接ROM和RAM。通过串口将处理的结果可以通过RS-232的串口线送入监控主机;监控主机放在监控室，负责实时显示、存储和查询。