基于超声波相位差法的无线甲烷报警器设计

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1、基于超声波相位差法的无线甲烷报警器设计-->第1章绪论1.1课题研究背景及意义近10几年来，清洁安全高效的能源经国家重点推广扶持，在国家西气东输工程投资大量人力物力财力的基础上[1]，天然气管道输送技术日趋成熟，城市民用以及工商业用户使用天然气的成本大幅降低。传统的煤、瓦斯、液化气等等能源逐渐被天然气这种清洁能源所取代[2]。天然气中甲烷含量高达94%以上[3]，它是一种高效、洁净的能源。同样前提下，燃烧天然气所产生的硫氧化物、氮氧化物等严重有害气体量比燃烧油或煤都少得多，环保无污染。我国是原煤生产大国，但国内发现的天然气资源相对贫乏。追溯中国的

2、天然气使用发展历史，可概括为以下三点：发现早，起步晚，利用率低。直到10多年前国家开始围绕西部大开发、新丝绸之路、一带一路建设[4]，加强了与西部接壤国家的合作，从邻国大量进口液化天然气，并且加强了国内西部的基础资源建设，燃气输送站、燃气管道横穿了整个中国。...............1.2课题相关领域发展状况在日常天然气使用过程中，为预防燃气泄漏以及做到及时预警，要求甲烷浓度测量有实时，准确的特点，能够第一时间通知户主报警信息。目前国内外市场上甲烷传感器主要基于以下几种原理：占据半壁江山的催化燃烧法；走高端精密路线的红外吸收检测法以及超声波检

3、测法[15-16]。催化燃烧式方法是依据可燃气体在高温催化敏感元件上“燃烧”所产生的热量来反映气体浓度。高温条件下，甲烷会与敏感元件发生反应，进行无焰燃烧，敏感元件的温度会伴随着燃烧产生的热量进一步上升。温度的变化进一步带来原件电阻的改变[17-18]。...............第2章无线甲烷报警器设计方案及原理2.1设计要求民用天然气安全中甲烷泄漏预警是防患于未然的关键。区别于传统的家用燃气报警器，本设计依据超声波在不同气体成分和浓度中传播速度不同，两路在不同介质中传输相同距离的超声波所产生的时间差信号，通过相位差转换后，甲烷气体的浓度值会

4、体现在被测信号与参考信号的相位差中。相位差经数学算法处理，最后表现为能够反馈出浓度值的电信号。电信号数值在温度补偿作用下数据进一步优化，实现了浓度数据的可靠检测。为保证实时预警，第一时间户主能收到泄漏信息，设计另采用in，放置在纯净的空气中进行浓度测量，相当于出厂前的0点校准。同理再将报警器放置在标准2.5%甲烷气体中，进行量程灵敏度标定，标定重复2~3次。检验报警器的准确性选择了5组标准浓度的甲烷气体。实验室环境下仅有100%标准甲烷气体，需要与纯净的空气按照一定的体积比混合，由于100%浓度甲烷气体属于高危易燃易爆气体，配置低浓度甲烷气体时需

5、要在通风良好的环境下进行体积分配，并且杜绝一切明火火源。配气过程如下：如配置1%浓度的甲烷气体，则将10毫升的甲烷气体混合90ml空气注入标准密封性良好的气袋中，等待3-5分钟，待气体混合均匀。由于混合气体的装置输气口较小，气体混合过程中经管壁摩擦可能会带来温度的变化，因此需要缓慢注射气体，并经历一段时间的等候，使气体温度重新降至室温。...............结论本文在分析了当前基于不同原理的甲烷气体传感器后，分析对比其检测精度、可靠性、市场成本等因素，最终完成了基于-->超声波相位差法的无线甲烷报警器设计。超声波无线甲烷报警器设计时选择了

6、模块化设计，主要分为了检测模块以及无线通信模块。检测模块中围绕建立的超声波相差法甲烷浓度值测量数学算法，进行了报警器的软硬件设计。报警器以PIC系列单片机为核心CPU，超声波传感器接收信号经滤波放大之后进行检相，检相后的信号输入至单片机的模数转换器，经数据处理后，最终完成了浓度信息从模拟量至浓度百分比的转变。无线通信模块实现了与检测模块的信息交互，完成了浓度值信息的联网。浓度值信息通过WiFi模块联网后传输至氦氪云服务器，并向端实时推送报警信息。主要完成的内容具体如下：1.对超声波气体传感器作了深入分析，了解了超声波传感器的性能指标，确保了超声波

7、相位差法气体浓度测量的可行性。参考声速公式，结合温度补偿，提出了甲烷气体浓度关于相位差与温度的数学算法。