基于遺傳算法對氨氣檢測中溫度補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>
2021-11-26 09:15:42鄧傳魯胡程勇董艷華張小貝王廷云
應(yīng)用光學(xué) 2021年6期 關(guān)鍵詞：檢測
李 陽，黃 懌，施 援，鄧傳魯，胡程勇，董艷華，張小貝，王廷云
（上海大學(xué) 特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室，上海 200444）
引言
氨氣是大氣污染物的主要成分之一，對其進(jìn)行在線監(jiān)測是控制大氣污染的重要措施[1]。溫度變化會對氣體檢測的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響。目前已經(jīng)有許多關(guān)于溫度對氣體檢測影響的研究[2-6]，其中，差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）不易受到散射、暗噪聲的干擾，利用氣體分子的窄帶吸收特性可實現(xiàn)低濃度氣體的精確檢測[7]。
2008年，浙江大學(xué)的周潔等人測量了308 K～397 K 下氨氣在紫外波段的吸收截面，結(jié)果表明在212.5 nm 處吸收截面峰值的最大相對減幅為46%，且減小趨勢隨波長紅移減弱[8]。2012年，南京工業(yè)大學(xué)的朱靳等人研究并利用分子數(shù)密度比和對應(yīng)溫度的關(guān)系，擬合出溫度補(bǔ)償函數(shù)，對氨氣檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，誤差在2%以內(nèi)[9]。2016年，東南大學(xué)的許康等人根據(jù)氨氣的差分吸收截面峰值同溫度的對應(yīng)關(guān)系，擬合得到溫度補(bǔ)償函數(shù)，從而有效消除了氨氣對一氧化氮濃度檢測的影響，誤差在3%以內(nèi)[10]。然而，這些研究都是基于傳統(tǒng)DOAS展開的，并沒有通過算法優(yōu)化而進(jìn)一步提高氣體濃度檢測精度。
本文將遺傳算法（GA）與紫外差分吸收光譜技術(shù)（UV-DOAS）相結(jié)合，建立了296 K～328 K 下氨氣濃度檢測系統(tǒng)，通過對比不同溫度下氨氣標(biāo)準(zhǔn)濃度與檢測結(jié)果之間的關(guān)系，擬合得到溫度補(bǔ)償函數(shù)，并對實驗檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果表明本文提出的補(bǔ)償方法可實現(xiàn)不同溫度下氨氣的準(zhǔn)確檢測。
1 基本原理
DOAS 是基于Lambert-Beer 定律的一種有效的氣體濃度檢測技術(shù)[11]，其將光譜分為包含吸收信息的快速變化部分和由瑞利散射、米氏散射和氣流振顫等干擾因素引起的緩慢變化部分[12]，氣體濃度可由（1）式計算得到：
式中：OD(λ)為差分吸收光譜；σ(λ)為差分吸收截面；c為氣體濃度；L為光路長度。
本文將GA 與DOAS 相結(jié)合，采用實驗得到的OD(λ)與理論計算得到的σ(λ)cL之間的平均絕對誤差作為該算法中的目標(biāo)函數(shù)，通過多次迭代計算，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值最小時，即可得到最優(yōu)解[13]，目標(biāo)函數(shù)如（2）式所示。
式中：c為變量，即氣體濃度；OD(λi)為某波長處實驗得到的差分吸收光譜強(qiáng)度；σ(λi)Lc為某波長處計算得到的差分吸收光譜強(qiáng)度；n為數(shù)據(jù)點數(shù)。
2 實驗系統(tǒng)
實驗系統(tǒng)如圖1所示，功率為26 W 的氘燈（DH-2000-S-DUV-TTL，Ocean Optics）輸出190 nm～400 nm 的紫外光，通過多模光纖（QP150-2-XSR，Ocean Optics）傳輸后，測得其光功率為10 μW，經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直入射到氣體吸收池（GW-1020UV-2.4M，GAINWAY）中，反射11 次，實現(xiàn)240 cm 的長光程，隨后通過多模光纖（QP230-2-XSR，Ocean Optics）將信息傳輸?shù)焦庾V儀（Maya2000 Pro，Ocean Optics），再由計算機(jī)進(jìn)行解調(diào)計算。為研究溫度對氨氣檢測的影響，在溫度控制器（GW-5030P）上設(shè)定目標(biāo)溫度，將熱電偶（80PK-1，F(xiàn)LUKE）放置在出氣口處，溫度表（53/54ⅡB，F(xiàn)LUKE）實時顯示氣體溫度。
圖1 基于UV-DOAS 的氨氣檢測系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for ammonia detection based on ultraviolet differential optical absorption spectroscopy
實驗中的氨氣由上海通輝特種氣體公司提供，使用配氣儀將高純氮氣與氨氣混合，并采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS-QP2020，島津）對氨氣進(jìn)行標(biāo)定。由于氨氣具有較強(qiáng)的吸附性，靜置一段時間后會吸附在氣體吸收池內(nèi)壁上，從而影響其檢測精度。因此，本文采用動態(tài)檢測法，將氨氣以500 mL/min 的流量注入氣體吸收池中進(jìn)行檢測。
3 結(jié)果及討論
本文選擇195 nm～210 nm 作為濃度反演波段[14]，采用Sym8 小波對差分吸收光譜進(jìn)行濾波，幾乎消除了高低頻噪聲的影響[13]。圖2所示為不同溫度下6×10-6氨氣的差分吸收光譜，可看到氨氣吸收峰的位置相同，但吸收峰值隨溫度升高而變小。
圖2 不同溫度下6×10-6氨氣的差分吸收光譜Fig.2 Differential absorption spectrum of 6×10-6ammonia under different temperatures
根據(jù)不同溫度下氨氣的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的比值擬合得到溫度補(bǔ)償函數(shù)K(T)，如圖3所示，可發(fā)現(xiàn)K(T)與溫度之間近似為非線性關(guān)系，通過指數(shù)函數(shù)擬合，得到K(T)關(guān)于溫度的表達(dá)式（4），如圖3 中黑色實線所示。
圖3 溫度補(bǔ)償函數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature compensation function and temperature
圖4（a）顯示了不同溫度下采用GA 計算得到的氨氣濃度，計算中設(shè)置群體大小為50，個體長度為10，交叉概率為0.3，變異概率為0.02，迭代次數(shù)為2 000。圖中觀察得知，誤差隨著溫度升高而變大，說明溫度對氨氣檢測精度有較大影響。使用K(T)對氨氣在296 K～328 K 下的檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果如圖4（b）所示，所擬合直線的斜率接近于1，表明本文提出的補(bǔ)償方法顯著提高了不同溫度下 氨氣檢測的精度。
圖4 296 K～328 K 下氨氣檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between detection results and standard concentration of ammonia at 296 K～328 K
表1 具體給出了296 K～328 K 下溫度補(bǔ)償前后的氨氣濃度，在溫度328 K 下標(biāo)準(zhǔn)濃度為44×10-6氨氣的計算結(jié)果為30.97×10-6，檢測誤差達(dá)到29.61%，而使用K(T)對檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償后，氨氣濃度計算結(jié)果為42.84×10-6，檢測誤差降低為2.64%，有效消除了溫度對氨氣檢測的非線性影響，實現(xiàn)了不同溫度下氨氣的準(zhǔn)確檢測。
表1 296 K～328 K 下氨氣的計算體積濃度及溫度補(bǔ)償后的濃度Table 1 Calculated concentration and concentration after temperature compensation of ammonia at 296 K～328 K
線性相關(guān)系數(shù)是研究變量之間線性相關(guān)程度的量[15]，在溫度328 K 下，溫度補(bǔ)償前線性相關(guān)系數(shù)為0.999 92，溫度補(bǔ)償后線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 97，說明溫度對線性相關(guān)系數(shù)基本沒有影響，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)不同濃度氨氣的準(zhǔn)確檢測。
本文選擇6×10-6的氨氣在328 K 下進(jìn)行10 次實驗，檢測結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)檢測結(jié)果存在一定波動，考慮是由于氣體吸收池內(nèi)部溫度不均造成的。圖6 給出了20 min 內(nèi)吸收池內(nèi)部溫度的測試情況，溫度在設(shè)定值328 K 附近上下波動，可知檢測結(jié)果的波動性是吸收池內(nèi)部溫度不穩(wěn)定造成的。計算得到溫度補(bǔ)償前系統(tǒng)的檢測限為198×10-9，溫度補(bǔ)償后系統(tǒng)的檢測限為278×10-9，檢測限指標(biāo)有一定程度增大。因此本系統(tǒng)可實現(xiàn)×10-9量級的氨氣檢測，可用于大氣中氨氣濃度的在線監(jiān)測。
圖5 328 K 下6×10-6氨氣的多次檢測結(jié)果Fig.5 Multiple test results of 6×10-6ammonia at 328 K
圖6 20 min 內(nèi)氣體吸收池內(nèi)部溫度穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 Test results of internal temperature stability of gasabsorption cell in 20 minutes
4 結(jié)論
本文提出將DOAS 和GA 相結(jié)合，搭建了氨氣檢測系統(tǒng)，采用GA 得到296 K～328 K 溫度范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償函數(shù)，并對檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后44×10-6氨氣檢測結(jié)果的最大誤差降低了26.97%，有效消除了溫度對氨氣檢測的非線性影響。溫度對線性相關(guān)系數(shù)沒有明顯影響，說明本系統(tǒng)可實現(xiàn)不同濃度氨氣的準(zhǔn)確檢測。在溫度328 K 下，6×10-6氨氣在溫度補(bǔ)償前后系統(tǒng)的檢測限分別為0.198×10-6和0.278×10-6。
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本文將遺傳算法（GA）與紫外差分吸收光譜技術(shù)（UV-DOAS）相結(jié)合，建立了296 K～328 K 下氨氣濃度檢測系統(tǒng)，通過對比不同溫度下氨氣標(biāo)準(zhǔn)濃度與檢測結(jié)果之間的關(guān)系，擬合得到溫度補(bǔ)償函數(shù)，并對實驗檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果表明本文提出的補(bǔ)償方法可實現(xiàn)不同溫度下氨氣的準(zhǔn)確檢測。
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式中：c為變量，即氣體濃度；OD(λi)為某波長處實驗得到的差分吸收光譜強(qiáng)度；σ(λi)Lc為某波長處計算得到的差分吸收光譜強(qiáng)度；n為數(shù)據(jù)點數(shù)。
2 實驗系統(tǒng)
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圖2 不同溫度下6×10-6氨氣的差分吸收光譜Fig.2 Differential absorption spectrum of 6×10-6ammonia under different temperatures
根據(jù)不同溫度下氨氣的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的比值擬合得到溫度補(bǔ)償函數(shù)K(T)，如圖3所示，可發(fā)現(xiàn)K(T)與溫度之間近似為非線性關(guān)系，通過指數(shù)函數(shù)擬合，得到K(T)關(guān)于溫度的表達(dá)式（4），如圖3 中黑色實線所示。
圖3 溫度補(bǔ)償函數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature compensation function and temperature
圖4（a）顯示了不同溫度下采用GA 計算得到的氨氣濃度，計算中設(shè)置群體大小為50，個體長度為10，交叉概率為0.3，變異概率為0.02，迭代次數(shù)為2 000。圖中觀察得知，誤差隨著溫度升高而變大，說明溫度對氨氣檢測精度有較大影響。使用K(T)對氨氣在296 K～328 K 下的檢測結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果如圖4（b）所示，所擬合直線的斜率接近于1，表明本文提出的補(bǔ)償方法顯著提高了不同溫度下 氨氣檢測的精度。
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線性相關(guān)系數(shù)是研究變量之間線性相關(guān)程度的量[15]，在溫度328 K 下，溫度補(bǔ)償前線性相關(guān)系數(shù)為0.999 92，溫度補(bǔ)償后線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 97，說明溫度對線性相關(guān)系數(shù)基本沒有影響，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可實現(xiàn)不同濃度氨氣的準(zhǔn)確檢測。
本文選擇6×10-6的氨氣在328 K 下進(jìn)行10 次實驗，檢測結(jié)果如圖5所示，發(fā)現(xiàn)檢測結(jié)果存在一定波動，考慮是由于氣體吸收池內(nèi)部溫度不均造成的。圖6 給出了20 min 內(nèi)吸收池內(nèi)部溫度的測試情況，溫度在設(shè)定值328 K 附近上下波動，可知檢測結(jié)果的波動性是吸收池內(nèi)部溫度不穩(wěn)定造成的。計算得到溫度補(bǔ)償前系統(tǒng)的檢測限為198×10-9，溫度補(bǔ)償后系統(tǒng)的檢測限為278×10-9，檢測限指標(biāo)有一定程度增大。因此本系統(tǒng)可實現(xiàn)×10-9量級的氨氣檢測，可用于大氣中氨氣濃度的在線監(jiān)測。
圖5 328 K 下6×10-6氨氣的多次檢測結(jié)果Fig.5 Multiple test results of 6×10-6ammonia at 328 K
圖6 20 min 內(nèi)氣體吸收池內(nèi)部溫度穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 Test results of internal temperature stability of gasabsorption cell in 20 minutes
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