孫世嶺，龔仲強(qiáng)，茍　怡

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 重慶研究院，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

基于激光光譜的高溫O2濃度檢測技術(shù)研究

孫世嶺1,2，龔仲強(qiáng)1,2，茍怡1

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 重慶研究院，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

[摘要]O2作為煤礦自然發(fā)火過程的一種關(guān)鍵性特征氣體，其濃度的準(zhǔn)確檢測為煤礦火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警提供基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)。基于激光光譜吸收(TDLAS)的O2濃度檢測技術(shù)具有響應(yīng)快，穩(wěn)定性好、抗干擾等優(yōu)勢，介紹了其基本檢測原理和系統(tǒng)組成。重點(diǎn)分析系統(tǒng)檢測O2濃度受環(huán)境溫度變化的影響因素，給出具體的溫度補(bǔ)償方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用該補(bǔ)償方法對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，由實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可知，在30～200℃范圍，系統(tǒng)測量誤差降至2%以內(nèi)，大大提高了系統(tǒng)在煤礦現(xiàn)場應(yīng)用的準(zhǔn)確性和可行性。

[關(guān)鍵詞]光學(xué)檢測；激光光譜；溫度補(bǔ)償；O2濃度

煤礦環(huán)境中，煤與O2接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，引起煤層結(jié)構(gòu)變化，其內(nèi)能也隨之變化并釋放熱量，熱量積聚并最終導(dǎo)致煤炭自燃。隨著煤層溫度的變化，煤炭與O2復(fù)合所處的狀態(tài)也發(fā)生變化，表現(xiàn)出來就是耗氧速率發(fā)生變化。煤層溫度與環(huán)境中O2濃度有確定的關(guān)系，因此精確測定煤礦環(huán)境中O2的含量，再根據(jù)O2隨煤層溫度的變化規(guī)律(圖1)，可以判定煤層自燃的階段[1]。煤炭溫度在小于110℃時，煤層以物理吸附為主，耗氧量不大，煤炭溫度在110～200℃時，以伴有放熱的化學(xué)反應(yīng)為主，耗氧量急劇加大。煤礦環(huán)境中O2濃度數(shù)據(jù)，為煤炭自燃預(yù)警監(jiān)測提供有效的決策依據(jù)。

圖1　環(huán)境中O2濃度隨煤層溫度的變化關(guān)系

1O2濃度檢測技術(shù)

傳統(tǒng)O2濃度檢測分為電化學(xué)和熱磁式兩大類，但這些傳統(tǒng)方法受限于其檢測原理，存在一些不足。例如：電化學(xué)方法中的氧化鋯具有相對速度慢，壽命短，長期標(biāo)校等缺點(diǎn)；熱磁式則具有容易受外界電磁干擾，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)O2檢測方法相比，基于可調(diào)諧激光光譜吸收(TDLAS)的O2檢測技術(shù)具有非接觸，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好等[2]優(yōu)點(diǎn)，能夠避免高溫環(huán)境對O2濃度測量的影響，近年越來越受人們關(guān)注。

可調(diào)諧激光光譜吸收(TDLAS)技術(shù)是基于比爾-郎伯光波吸收理論，利用半導(dǎo)體激光器光波頻率隨驅(qū)動電流可調(diào)的特性，對待測氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行定量精確檢測。采用以50Hz頻率鋸齒波驅(qū)動電流掃描O2的吸收峰，并在掃描電流上疊加10kHz的小幅值正弦調(diào)制信號。激光器受電流驅(qū)動后，輸出激光信號的瞬時頻率v和瞬時光強(qiáng)I可表示為：

v(t)=v0+acos(wt)

(1)

I(t)=I0+ΔIcos(wt)

(2)

式中，v0為激光的中心頻率；α為激光頻率變化幅值；I0為平均光強(qiáng)；ΔI為光強(qiáng)變化幅值；w為調(diào)制角頻率。

頻率為v的單頻激光束通過光程為L、壓力為P、溫度為T和濃度為X的待測氣體，待測氣體對激光能量的吸收滿足比爾-郎伯定律，即

I1=Iexp[-S(T)Φ(v,P,X,T)PXT]

(3)

式中，I和I1分別是入射和透射光強(qiáng)度；線性函數(shù)Ф決定待測氣體吸收譜線的形狀；S(T)為與溫度相關(guān)的吸收函數(shù)。結(jié)合(1)～(3)式，可得吸收信號的n次諧波幅值為

(4)

由式(4)可知，吸收信號的諧波幅值與待測氣體的濃度X成正比，通過檢測信號的諧波幅值可以反演出氣體濃度[2-3]。

2O2濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫可知，O2在近紅外區(qū)域的特征吸收光譜圖如圖2所示，選擇系統(tǒng)工作的中心波長761nm。

圖2　O2在近紅外區(qū)域的光譜吸收

基于可調(diào)諧激光光譜吸收技術(shù)的O2濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3所示，主要由激光驅(qū)動和控制單元、光路單元、溫度控制單元、數(shù)據(jù)采集與信號處理單元組成[4]。

圖3　基于TDLAS技術(shù)的O2濃度和溫度檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)軟件在Labview測試平臺上編程，包括觸發(fā)信號、調(diào)制信號、D/A、A/D、信號處理等單元，如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)labview控制軟件界面

軟件通過控制波形發(fā)生器輸出正弦波模擬信號對DFB激光器進(jìn)行波長掃描，掃描頻率為10kHz；通過控制數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測器接收的電信號。采集的數(shù)字信號再經(jīng)過鎖相放大處理、濾波、互相關(guān)等數(shù)據(jù)處理，得到被測氣體的濃度信息。該系統(tǒng)經(jīng)O2吸收后采集的原始吸收波形如圖5所示，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到吸收信號的一次諧波和二次諧波信號如圖6、圖7所示。

圖5　經(jīng)O2吸收后，采集的原始信號波形

圖6　經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，吸收波形的一次諧波信號

圖7　經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，吸收波形的二次諧波信號

O2濃度的大小會影響激光的透射率，O2濃度與諧波信號的比值存在一一對應(yīng)的正比例關(guān)系，通過解算二次諧波信號與一次諧波信號的比值可以準(zhǔn)確反演出環(huán)境中的O2濃度。

3溫度對O2濃度檢測的影響分析

環(huán)境溫度變化會引起氣體吸收光譜的光譜線展寬和線強(qiáng)度的變化，進(jìn)而影響氣體吸收信號的變化。光譜線展寬主要包括多普勒展寬、碰撞展寬和自然展寬等[5]。

(5)

式中，m為氣體分子的摩爾質(zhì)量；T為環(huán)境溫度；k為波爾茲曼常數(shù)；c為光速。

由分子能級理論，分子間相互碰撞會產(chǎn)生能級躍遷，并且由測不準(zhǔn)原理，譜線的碰撞展寬可表述為：

(6)

式中，P為大氣壓強(qiáng)；a為氣體分子的間距。

自然展寬主要由能級壽命決定，對于O2吸收紅外光譜的自然展寬約為10-9cm-1，遠(yuǎn)小于其他展寬的影響，?？珊雎?。

吸收光譜線強(qiáng)度表示分子在該光波長處吸收光能量的大小，與分子結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度等因素相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，光譜吸收譜線強(qiáng)度S(T)可表述為：

(7)

式中，S(T0)為參考溫度下的光譜吸收線強(qiáng)度；Q(T)，Q(T0)為配分函數(shù)；Ei為躍遷能級的能量，eV；T，T0為實(shí)測溫度和參考溫度，K；vi為躍遷能級對應(yīng)的光頻率，cm-1；h為普朗克常數(shù)。

由HITRAN數(shù)據(jù)庫仿真可知，在系統(tǒng)恒定的工作波段759.5～762nm范圍，O2的光譜吸收率隨溫度升高而降低，對應(yīng)的吸收信號減小。

4溫度補(bǔ)償算法及實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)上述理論分析，環(huán)境溫度的變化會造成系統(tǒng)檢測O2濃度的偏差，因此必須針對系統(tǒng)的溫度特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文在大量基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出一種多變量自適應(yīng)線性插值迭代方法對系統(tǒng)的溫度特性進(jìn)行軟件補(bǔ)償。該溫度補(bǔ)償方法的基本思想：利用實(shí)驗(yàn)測試得到的大量離散基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用線性擬合得到多條特定O2濃度下的溫度變化特性，在其余未知?dú)怏w濃度和溫度下，采用插值法求解溫度補(bǔ)償系數(shù)，并進(jìn)行迭代法逐漸逼近真實(shí)的O2濃度。該補(bǔ)償算法的流程如圖8所示。

圖8　補(bǔ)償算法流程

上述算法中的溫度補(bǔ)償函數(shù)Fc(T)和溫度補(bǔ)償系數(shù)Ac(T)為基礎(chǔ)測試數(shù)據(jù)線性擬合和根據(jù)濃度C和溫度T插值得到。

通過改變溫度控制箱的設(shè)定溫度來模擬溫度變化對系統(tǒng)檢測的影響，在30～200℃范圍，每間隔20℃作為一個特征溫度點(diǎn)，并在該狀態(tài)穩(wěn)定(約2h)后通入20.0%，10.0%，5.0%的標(biāo)準(zhǔn)O2，記錄系統(tǒng)補(bǔ)償前后的測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果見表1。

表1　系統(tǒng)進(jìn)行溫度變化補(bǔ)償前后的測試數(shù)據(jù)—20.0%O2

對應(yīng)O2濃度20.0%，在溫度30～200℃范圍調(diào)用的溫度補(bǔ)償函數(shù)Fc(T)為式(8)，將檢測溫度T代入可求得補(bǔ)償系數(shù)Ac(T)。

Fc(T)=4.6614×10-8T3-3.298×10-6T2-0.0048T+0.143

(8)

由于系統(tǒng)前7次求解的O2濃度值受溫度(200℃)影響會存在較大的偏差，調(diào)用溫度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償會存在較大的偏差，多次迭代后解算的O2濃度值和補(bǔ)償系數(shù)均趨于穩(wěn)定。檢測值與迭代次數(shù)的關(guān)系見圖9，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖10所示。

圖9　檢測值與迭代次數(shù)的關(guān)系(在20.0%，200℃條件下)

圖10　溫度補(bǔ)償前后O2檢測濃度值隨溫度的變化

分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在30～200℃溫度變化范圍，對于20.0%的標(biāo)準(zhǔn)O2，系統(tǒng)檢測值波動范圍由補(bǔ)償前的20.0%～8.42%降至20.1%～19.8%；對于10.0%的標(biāo)準(zhǔn)O2，系統(tǒng)檢測值波動范圍由補(bǔ)償前的10.0%～3.25%降至10.2%～9.9%；對于5.00%的標(biāo)準(zhǔn)O2，系統(tǒng)檢測值波動范圍由補(bǔ)償前的5.00%～1.75%降至5.02%～4.98%；在30～200℃范圍，系統(tǒng)采用該方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償后，檢測O2濃度值隨溫度的檢測誤差降至2%以內(nèi)，大大提高了系統(tǒng)在溫度變化環(huán)境中測量的準(zhǔn)確性。

5結(jié)論

首先分析了煤礦中O2濃度隨自燃火災(zāi)過程的變化，給出了基于激光光譜吸收檢測O2濃度的基本原理和系統(tǒng)方案。分析了環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)檢測O2濃度的影響，提出了一種多變量自適應(yīng)線性插值迭代溫度補(bǔ)償方法，并對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明該方法能較好地補(bǔ)償溫度變化造成的系統(tǒng)檢測偏差?；诩す夤庾V吸收原理的O2檢測系統(tǒng)不能直接應(yīng)用于煤礦自然發(fā)火過程中O2的濃度檢測，必須對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償才能準(zhǔn)確檢測煤礦環(huán)境中的O2濃度。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Detection Technology of High Temperature O2Concentration Based on Laser Spectroscopy

SUN Shi-ling1，2，GONG Zhong-qiang1，2，GOU Yi1

(1.Chongqing Research Institute ，China Coal Technical & Engineering Group，Chongqing 400039，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring & Emergency Technology ，Chongqing 400037，China)

Abstract：The oxygen was one key characteristic gas during spontaneous combustion process in coal mine，the O2 concentration detection accurate would provided basis data for coal mine fire monitoring and early-warning.The O2 concentration detection technology that based on TDLAS included characters as following，fast response，good stability，anti-interference and so on.The technology illustrated basic detection principle and system elements.The influence elements of the O2 concentration that influenced by different environment temperature were analyzed specially，and then particular temperature compensation method was put forward and validated by experiment.After temperature compensation was applied in system，on the basis of experimental data ，system measurement error decreased within 2% during scope of 30～200℃，the accuracy and feasibility of system that applied in filed improved obviously.

Key words：optic detection；laser spectroscopy；temperature compensation；O2 concentration

[收稿日期]2015-11-17[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.036

[基金項(xiàng)目]中國煤炭科工集團(tuán)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(112060913)

[作者簡介]孫世嶺(1979-)，男，山東臨沂人，工程師，主要從事礦用安全儀器儀表的研發(fā)。

[中圖分類號]O433

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0135-04

[引用格式]孫世嶺，龔仲強(qiáng)，茍怡.基于激光光譜的高溫O2濃度檢測技術(shù)研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：135-138.