基于光声法的甲烷气体检测的研究(毕业设计45页20741字)
摘要：近年来，瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高，给矿工的生产生活带来了极大的灾难，必须加强对瓦斯的监测监控，避免瓦斯爆炸事故。因此对瓦斯气体进行快速、实时检测对于土矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。
光声光谱技术作为一种微量气体检测技术，其具有高灵敏度、高选择性、动态检测范围大等优点，受到越来越多研究工作人员的关注，因此在本文中，设计了一套应用光声光谱技术检测甲烷的实验系统。
本文首先对甲烷检测的意义和现有的检测方法做了简要的综述，通过对检测方法的比对，发现光声光谱技术的优越性，在分析光声光谱技术的理论后，设计甲烷检测系统的主要部分—光声池，其中包括池长、形状等的确定，然后进行整个检测系统的搭建，其中包括：光源、斩波器、微音器、锁相放大器的选取；这些器材和光声池之间的连接；锁相放大器仪器的使用。最后应用检测系统进行实验和数据采集，对数据进行分析，验证系统的可实用性。

关键词：光声；甲烷；光声池；锁相放大器

     Research on detecting methane based on photoacoustic technique
Abstract: In recent years, the percentage of gas accidents in the total number of accidents which have happened is increasing ,they have invoked the disaster for miner's lives. It should be strengthen the control of gas to prevent the danger of high-density gas and gas explosion aheadly. So the fast and real-time monitoring of gas is of particularly significance for safety production of mine and environment protection.
The technique of photoacoustic spectroscopy as a Measurement Technique of weaksignal has the advantages of high sensitivity and selectivity, and its scale of  dynamicly detecting is very large. More and more researchers pay much attention to the technique of photoacoustic spectroscopy, so in this paper an experimental system which is used to detect methane through applying photoacoustic spectroscopy technology.
Firstly, it illuminates the significance of detecting methane and the methods of detecting briefly, after comparing these methods, we can discover the superiority of  photoacoustic spectroscopy technology, after making analysis of the theory of photoacoustic spectroscopy technology, the main part of the system of detecting methane—photoacoustic cell is devised according the theory, including the determination of the length and shape of photoacoustic cell, then construct the whole detecting system, including the selection of lamp-house, chopper, microphone and phase-locked amplifier; the connection of these equipment and photoacoustic cell;how to use the phase-locked amplifier. Finally, to experimentsize and gather the data through using the detecting system, then to analyse the data and validate the practicability of the system.
Key words :  photoacoustic, methane, photoacoustic cell, phase-locked amplifier
 
目  录
第1章  绪  论 1
1.1  课题背景及研究意义 1
1.2  国内外甲烷检测的方法综述 2
1.2.1  载体催化法甲烷检测系统 2
1.2.2  光干涉原理的甲烷检测系统 3
1.2.3  光声光谱法甲烷检测系统 4
第2章  光声池的设计 7
2.1  气体光声光谱检测理论 7
2.1.1  热的产生 7
2.1.2  声波的产生 9
2.2  光声池的具体设计 11
2.2.1  非共振光声池 11
2.2.2  共振式光声池 12
第3章  光声法甲烷检测系统 18
3.1  整个检测系统框图 18
3.2  电路各部分说明 18
3.2.1  光源 18
3.2.2  斩波器 19
3.2.3  光声池 20
3.2.4  微音器 21
3.2.5  锁相放大器 21
3.2.6  信号采集与处理系统 22
第4章  锁相放大器 23
4.1  锁相放大器的理论基础 23
4.2  锁相放大器在实验中的使用 24
第5章  实验与实验数据分析 27
5.1  配气系统 27
5.2  确定共振频率数值实验 27
5.3  温度对光声信号的影响 29
5.4  电流对光声信号的影响 30
5.5  甲烷浓度与光声强度的关系 31
5.6  甲烷浓度与共振频率的关系 32
结  论 33
致  谢 34
参考文献 35
附  录1 37
附  录2 38
附  录3 39
附  录4 40

 
第1章  绪  论
我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要能源。近年来，重大、特大瓦斯事故在生产事故中所占比例越来越高[1]，所造成的损失和伤亡也十分巨大。避免瓦斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作，提前掌握煤矿瓦斯的变化情况，一旦出现异常，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。
1.1  课题背景及研究意义
瓦斯是煤矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4 )，二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)等。在这些有毒有害气体中，甲烷的含量占了80%以上，所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯。
瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体，与空气混合在一起后，既看不到，摸不着，也闻不出来。瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，从而使人窒息，当空气中的瓦斯含量达到40%以上时，就能使人立刻死亡[2]。  
新鲜空气中，瓦斯浓度达到5%～16%时，就达到爆炸浓度，也称爆炸极限。当瓦斯浓度在5%以下时，遇到火源能燃烧，但不会爆炸，当瓦斯浓度大于16%时，在混合气体中遇到火源不会燃烧，也不会爆炸，如有新鲜空气供给，在混合气与新鲜空气的接触面上，遇火就会燃烧，其浓度在5%～16%时，遇火源就会爆炸，在9.5%时，爆炸能力最强[3]，由于矿井内涌出的可燃性气体不仅仅是甲烷，还有一部分重碳氢化合物，重碳氢化合物分子量越重，其爆炸下限越低。在新鲜空气中，瓦斯的引燃温度为650～750℃，而点燃的香烟头的温度都在千度以上，所以明火、吸烟、电火花、放炮产生的火焰以及摩擦火花，都可以引起瓦斯爆炸。   
瓦斯爆炸是一种激烈的化学反应，瓦斯爆炸后会产生大量有毒有害气体，使空气中的含氧量大大降低，瓦斯爆炸时产生大量的热量，形成火焰，温度可达1850～2650℃，这样的高温及火焰能使人员被烧伤，还会引起煤尘爆炸及矿井火灾。由于空气温度的骤然升高，使爆炸源附近空气压力急剧增大，因而形成强大的冲击波。这种直接冲击波，使爆炸源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成井巷、设备及人员伤亡。瓦斯、煤尘爆炸后，由于空气稀薄，在爆炸源附近形成低压区，因而又形成了爆炸波的反向冲击，对井巷、设备会造成更大的破坏，对人员也构成更大的威胁[4]。近几年煤矿灾害事故频繁发生，让我们先看一看国家安监局官方公布的数字：煤矿企业2000年发生伤亡事故2863起，死亡5798人；2001共发生死亡事故3082起，死亡5670人；2002年共发生死亡事故4344起，死亡6995人；2004年全年煤矿企业发生各类伤亡事故3853起，死亡6009人；2005年全年煤矿企业发生事故3306起，死亡5938人；2006年1～10月全国煤矿共发生死亡事故2456起，死亡3818人。随着科技水平的提高和企业管理的规范，我国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现了不断好转的局面.在开展机械化生产，原煤产量不断提升的情况下，1949年至2000年全国煤矿百万吨死亡率总体趋于稳步下降态势。1999年煤矿的百万吨死亡率为6.08，2000年为6.0，2001 年为5.85，2002年为5.0，2003年为4.170，2004年为3.100 。有关资料显示，中国目前煤炭产量占世界总产量的百分之三十五，但死亡率却占全球煤矿的百分之八十。2003年世界煤炭产量约50亿吨，煤矿事故死亡总数约8000人。当年我国的煤炭产量约占全球的35%，事故死亡人数则占近80%。2003年我国煤矿平均每人每年产煤321吨，全员效率仅为美国的2.2%，南非的8.1%；而百万吨死亡率则是美国的200倍，南非的30倍。2004年全国煤矿百万吨死亡率即使控制在3.1，但与世界上先进产煤国家相比,差距仍然不小。美国2004年产煤10亿吨，仅死亡27人，美国已经连续3年煤矿死亡人数在30人以内。中国是世界产煤大国，去年煤炭产量约十九亿吨，远远超过美国，俄罗斯等国。按理较为发达的产业，其安全技术也应比较先进.然而在中国情况却并非如此，中国煤矿事故死亡人数是世界上主要采煤国家死亡总人数的4倍，去年，中国煤矿事故夺去了六千多人的生命，制造了六千多个家庭悲剧，为国家和社会造成了巨大损失。
发生瓦斯事故的原因是多方面的，煤矿瓦斯综合治理工作任务艰巨、责任重大。除了从管理机制、政策等方面治理瓦斯，加强矿井内瓦斯的早期可靠性检测监控，可以起到非常重要的防范作用，也是防止瓦斯事故的一个重要方面。因此，煤矿瓦斯气体检测仪表对保证煤矿工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失有重要意义，市场应用前景十分广阔。