一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統的製作方法

2023-06-01 17:13:11 2

一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統，該系統主要包括半導體雷射器、用於驅動半導體雷射器的溫度與電流控制器、用於產生驅動信號的信號發生器、用於接收和轉換雷射束的光學探頭、用於採集焙燒爐內溫度及壓力傳感器、用於接收採集光電、溫度和壓力信號的數據採集模塊以及用於計算檢測氧氣濃度的上位機，該系統通過背景輻射濾除、基線校正、吸光度Voigt線型擬合、修正計算氧氣光譜線強、氧氣濃度計算和反演等步驟克服燃燒環境下的背景輻射幹擾，實現了焙燒爐內的氧氣濃度的實時精確檢測。
【專利說明】一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及藉助於測定材料的化學或物理性質來測試材料，具體涉及利用雷射光 譜檢測氣體濃度。

【背景技術】
[0002] 含砷金精礦石在高溫焙燒冶煉時，如果焙燒爐內含氧不足，含砷金精礦石中的砷 以三氧化二砷的氣態形式揮發，而含氧不足，含砷金精礦石中的砷則以五氧化二砷的固態 形式存在，五氧化二砷與燒渣中的三氧化二鐵，氧化鉛等生成難揮發的砷酸鹽，會造成黃金 的二次包裹，降低黃金的產出量。因此需要在焙燒冶煉時嚴格檢測爐內的氧氣濃度。
[0003] 現有氧氣濃度的檢測系統主要有：採用抽取式測量裝置的檢測系統、採用氧化鋯 探測器的檢測系統以及雷射吸收光譜原位檢測系統。採用抽取式測量裝置的檢測系統在檢 測時，抽取的樣品容易受吸附、其他物質汙染或人為等因素影響，檢測精度不高，且不能實 時反映焙燒時氧氣濃度的變化；採用氧化鋯探測器的檢測系統的探測器壽命短，而且容易 受灰塵、溫度等因素影響，檢測精度不高，也不能實時反映焙燒時氧氣濃度的變化。
[0004] 雷射吸收光譜原位檢測系統是一種高級的檢測技術，它採用半導體雷射器發射調 制雷射通過待測氣體，根據雷射強度與待測氣體濃度的關係分析計算待測氣體濃度，該系 統相比於採用抽取式測量裝置的檢測系統和採用氧化鋯探測器的檢測系統，具有檢測精度 更高，響應速度更快的優點。但是現有的雷射吸收光譜原位檢測系統發射的調製雷射束分 為連續波或脈衝波兩種，在處理燃燒環境下背景輻射的影響較為複雜，容易造成檢測誤差； 另外，由於高溫條件下氧氣吸收譜線為Voigt線型，而這種線型是高斯線型和洛侖茲線型 的卷積形式，只能採用數值計算方法得到其近似解，而現有計算方法採用高斯-埃爾米特 積分來進行吸光度Voigt線型擬合，其計算方法如下：
[0005] 由於，高溫條件下氧氣吸收譜線為Voigt線型，如下式（1)所示：

【權利要求】
1. 一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統，該系統主要包括半導體激 光器、用於驅動半導體雷射器的溫度與電流控制器、用於產生驅動信號的信號發生器、用於 接收和轉換雷射束的光學探頭、用於採集焙燒爐內溫度的傳感器及壓力的傳感器、用於接 收採集光電、溫度和壓力信號的數據採集模塊以及用於計算檢測氧氣濃度的上位機，其特 徵在於，該系統檢測含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的檢測方法主要由以下步驟組成： 1) 背景輻射濾除：由信號發生器產生階躍掃描信號送至溫度與電流控制器，驅動半導 體雷射器交替工作於關斷狀態和掃描狀態，並通過數據採集模塊記錄半導體雷射器關斷狀 態下光學探頭得到的光譜信號序列B(Ii1)和半導體雷射器掃描時光學探頭得到的光譜信號 序列X(n2)，以半導體雷射器關斷狀態下光學探頭得到的光譜信號序列B(Ii1)的平均值為 背景輻射光譜，並用光譜信號序列X(n2)減去背景輻射光譜，從而得到待測的光譜信號序列 D(n2)； 2) 基線校正：按下式I)對待測的光譜信號序列D(n2)做基線校正，得到校正後的光譜 信號d(n2): (K H·,)= --~~- I) Τ(η2) 式I)中T(n2)為基線校正函數； 3) 吸光度Voigt線型擬合：根據Voigt線型構造一如下式II)所示的校正後的光譜信 號d(n2)線型擬合函數模型y(n):
式Π)中，為光譜信號直流分量，為洛侖茲線型幅度，h和Ye分別為洛侖茲 線型譜線的半高全寬和高斯線型譜線的半高全寬，V(X，Y)為Voigt函數，該函數滿足下式 III)：
式III)中，變量I= _______:變F=^i，其中，n為採樣序列位置，％為採 rG 樣序列中心位置；式m)中，Ai、Bi、Ci、D_為常數，取值如下表所示：
採用迭代算法計算Voigt線型擬合函數模型y(η)，得到光譜信號d(n2)的積分吸光度 Αλ ; 4) 修正計算氧氣光譜線強：根據焙燒爐內溫度傳感器採集的絕對溫度值Τ，按下式IV) 計算當前溫度下的氧氣光譜線強S(T):
式IV)中，Ttl為參考溫度，S(Ttl)為參考溫度下的氧氣光譜線強，h為普朗克常數，c為 光速，E"為氧氣分子低態能級，Q(T)為氧氣分子總的內分配函數，Q(Ttl)為參考溫度下的氧 氣分子總的內分配函數，Q(T)和Q(Ttl)均滿足式V): Q(T) =a+bT+cT2+dT3V) Q(T0) =a+bT0+cT02+dT03 式V)中，a，b，c，d均為常數取值如下表所示:_ι_ι
5) 氧氣濃度反演計算：根據上位機預存的吸收線強標準參數，按下式VII)計算反演後 的氧氣濃度X:
) 式VII)中，Stl(Ttl)為上位機預存的在參考溫度Ttl時氧氣標準品池的吸收線強標準參 數，Q1為氧氣標準品池的濃度值，Ltl為氧氣標準品池的光路長度，Ptl為氧氣標準品池的壓 強，Atl為氧氣標準品池的積分吸光度，P為數據採集模塊從焙燒爐內的壓力傳感器獲得的當 前溫度下的爐內壓強，L為檢測系統實際光路長度。
2. 如權利要求1所述的一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統，其特 徵在於，所述的基線校正函數T(n2)為下式VIII)所示的多項式函數： T(H2)^ ha+btn2 +h2n；VIII) 式VIII)中，bd，bpb2為基線擬合係數，n2為半導體雷射器掃描時的光譜信號序列位 置。
3. 如權利要求1或2所述的一種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統， 其特徵在於，所述的迭代算法為Levenberg-Marquardt算法，且，Ytl初值選取光譜信號d(n2) 的最小值或〇, 初值選取光譜信號d(n2)的峰值，初值選取光譜信號d(n2)曲線的半 高全寬值的0.85倍，Ye初值選取光譜信號d(n2)曲線的半高全寬值的0.85倍，採樣序列 中心位置Iitl的初值選取α,初值對應的採樣序列位置。
4. 如權利要求1或2所述的種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統，其 特徵在於，所述半導體雷射器的中心波長為768nm。
5. 如權利要求1所述的種含砷金精礦焙燒爐內氧氣濃度的雷射原位檢測系統，其特徵 在於，步驟4)所述的參考溫度Ttl為300K。
【文檔編號】G01N21/31GK104316480SQ201410623697
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】張玉鈞, 高彥偉, 高閩光, 尤坤, 何瑩, 陳東, 劉建國, 劉文清 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院