[发明专利]一种含砷金精矿焙烧炉内氧气浓度的激光原位检测系统

摘要

本发明公开了一种含砷金精矿焙烧炉内氧气浓度的激光原位检测系统，该系统主要包括半导体激光器、用于驱动半导体激光器的温度与电流控制器、用于产生驱动信号的信号发生器、用于接收和转换激光束的光学探头、用于采集焙烧炉内温度及压力传感器、用于接收采集光电、温度和压力信号的数据采集模块以及用于计算检测氧气浓度的上位机，该系统通过背景辐射滤除、基线校正、吸光度Voigt线型拟合、修正计算氧气光谱线强、氧气浓度计算和反演等步骤克服燃烧环境下的背景辐射干扰，实现了焙烧炉内的氧气浓度的实时精确检测。

主权项

一种含砷金精矿焙烧炉内氧气浓度的激光原位检测系统，该系统主要包括半导体激光器、用于驱动半导体激光器的温度与电流控制器、用于产生驱动信号的信号发生器、用于接收和转换激光束的光学探头、用于采集焙烧炉内温度的传感器及压力的传感器、用于接收采集光电、温度和压力信号的数据采集模块以及用于计算检测氧气浓度的上位机，其特征在于，该系统检测含砷金精矿焙烧炉内氧气浓度的检测方法主要由以下步骤组成：1)背景辐射滤除：由信号发生器产生阶跃扫描信号送至温度与电流控制器，驱动半导体激光器交替工作于关断状态和扫描状态，并通过数据采集模块记录半导体激光器关断状态下光学探头得到的光谱信号序列B(n₁)和半导体激光器扫描时光学探头得到的光谱信号序列X(n₂)，以半导体激光器关断状态下光学探头得到的光谱信号序列B(n₁)的平均值为背景辐射光谱，并用光谱信号序列X(n₂)减去背景辐射光谱，从而得到待测的光谱信号序列D(n₂)；2)基线校正：按下式I)对待测的光谱信号序列D(n₂)做基线校正，得到校正后的光谱信号d(n₂)：$d\left(n_2\right)=\frac{D\left(n_2\right)}{T\left(n_2\right)}---I)$式I)中T(n₂)为基线校正函数；3)吸光度Voigt线型拟合：根据Voigt线型构造一如下式II)所示的校正后的光谱信号d(n₂)的Voigt线型拟合函数模型y(n)：$y\left(n\right)=y_0+\mathrm{\φ}\left(n\right)=y_0+\frac{{\mathrm{\γ}}_L}{{\mathrm{\γ}}_G}{\mathrm{\α}}_L\sqrt{\mathrm{\π}1n2}V(X,Y)---\mathrm{II})$式II)中，y₀为光谱信号直流分量，α_L为洛仑兹线型幅度，γ_L和γ_G分别为洛仑兹线型谱线的半高全宽和高斯线型谱线的半高全宽，V(X,Y)为Voigt函数，该函数满足下式III)：$V(X,Y)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_i(Y-A_i)+D_i(X-B_i)}{{(Y-A_i)}^2+{(X-B_i)}^2}---\mathrm{III})$式III)中，变量其中，n为采样序列位置，n₀为采样序列中心位置；式III)中，A_i、B_i、C_i、D_i为常数，取值如下表所示：iA_iB_iC_iD_i1‑1.21501.2359‑0.30850.02102‑1.35090.37860.5906‑1.18583‑1.2150‑1.2359‑0.3085‑0.02104‑1.3509‑0.37860.59061.1858采用迭代算法计算Voigt线型拟合函数模型y(n)，得到光谱信号d(n₂)的积分吸光度A_λ；4)修正计算氧气光谱线强：根据焙烧炉内温度传感器采集的绝对温度值T，按下式IV)计算当前温度下的氧气光谱线强S(T)：$S\left(T\right)=S\left(T_0\right)\frac{Q\left(T_0\right)}{Q\left(T\right)}\left(\frac{T_0}{T}\right)\exp (-\frac{\mathrm{hc}{E}^{\′\′}}{k_b}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0}))\frac{(1-\exp \left(\frac{{\mathrm{hcn}}_0}{k_{b}T}\right))}{(1-\exp \left(\frac{{\mathrm{hcn}}_0}{k_b{T}_0}\right))}---\mathrm{IV})$式IV)中，T₀为参考温度，S(T₀)为参考温度下的氧气光谱线强，h为普朗克常数，c为光速，E″为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总的内分配函数，Q(T₀)为参考温度下的氧气分子总的内分配函数，Q(T)和Q(T₀)均满足式V)：Q(T)＝a+bT+cT²+dT³                           V)Q(T₀)＝a+bT₀+cT₀²+dT₀³式V)中，a，b，c，d均为常数取值如下表所示：温度范围(K)abcd296≤T≤5000.359230.73534‑0.64870E‑40.13073E‑6500＜T≤15000.36539E20.570150.16332E‑30.45568E‑75)氧气浓度反演计算：根据上位机预存的吸收线强标准参数，按下式VII)计算反演后的氧气浓度x：$x=\frac{A_{\mathrm{\λ}}}{A_0}\frac{S_0\left(T_0\right)P_0{L}_0}{S\left(T\right)\mathrm{PL}}{C}_0---\mathrm{VII})$式VII)中，S₀(T₀)为上位机预存的在参考温度T₀时氧气标准品池的吸收线强标准参数，C₀为氧气标准品池的浓度值，L₀为氧气标准品池的光路长度，P₀为氧气标准品池的压强，A₀为氧气标准品池的积分吸光度，P为数据采集模块从焙烧炉内的压力传感器获得的当前温度下的炉内压强，L为检测系统实际光路长度。