魏小梅，楊 劍，馮 剛，賈 濤，孟 錦，蘇小會，張 翔，康 莉，曹紅紅

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紅外煤質(zhì)多參數(shù)實(shí)時分析儀設(shè)計(jì)

魏小梅，楊 劍，馮 剛，賈 濤，孟 錦，蘇小會，張 翔，康 莉，曹紅紅

（陜西華星電子集團(tuán)有限公司（國營795廠），陜西 咸陽 712099）

燃煤內(nèi)不同成分具有不同的紅外吸收光譜，吸收程度的大小與該成分的含量具有正相關(guān)性。根據(jù)燃煤不同成分的紅外光譜吸收特性，設(shè)計(jì)了煤質(zhì)參數(shù)實(shí)時分析儀。采用漫反射灰度板替代濾光片作為參比物，實(shí)驗(yàn)中具有更好的穩(wěn)定性。采用多元線性回歸法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，煤質(zhì)參數(shù)測量結(jié)果與化驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果接近，設(shè)計(jì)可滿足使用要求，工作效率較傳統(tǒng)化驗(yàn)室化驗(yàn)法有了大幅度的提高。

紅外分析儀；吸收光譜；漫反射灰度板；多元線性回歸

0 引言

煤炭作為重要的能源及化工原料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。在火力發(fā)電領(lǐng)域，煤炭的主導(dǎo)地位迄今仍難以撼動。為了有效降低火力發(fā)電成本，提高煤炭利用率，火電廠需要對多個煤質(zhì)參數(shù)（水分、灰分、揮發(fā)分、熱值和硫分）進(jìn)行化驗(yàn)[1-2]，以實(shí)現(xiàn)按照發(fā)電量科學(xué)供煤，提升煤炭消耗的經(jīng)濟(jì)性。但是現(xiàn)有的主流煤質(zhì)化驗(yàn)方法或者耗時長，完成每個樣品的各個參數(shù)化驗(yàn)需要數(shù)小時以上的時間；或者需要放射性g射線源，設(shè)備笨重復(fù)雜、造價高，對操作者及環(huán)境有危害。提出了利用構(gòu)成煤炭的各種參數(shù)具有不同的紅外吸收光譜特性的原理而研制的紅外煤質(zhì)多參數(shù)分析儀，可實(shí)現(xiàn)一分鐘內(nèi)快速精確檢測，為解決煤質(zhì)多參數(shù)實(shí)時分析問題找到了一條有效的途徑。本文結(jié)合紅外探測器在近紅外波段的光譜分析檢測及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，將紅外探測器在煤炭領(lǐng)域中對煤質(zhì)成份的分析檢測做以應(yīng)用推廣。

1 煤質(zhì)多參數(shù)分析原理

我們知道，每一種化學(xué)物質(zhì)都有自己獨(dú)特的紅外吸收光譜。當(dāng)用一定波長范圍內(nèi)的紅外光照射被測物質(zhì)時，某些波長的紅外光就會被被測物質(zhì)所吸收，吸收的程度（吸光度）與相關(guān)物質(zhì)參數(shù)的含量成正比例關(guān)系；其它波長的紅外光則被漫反射。根據(jù)不同的物質(zhì)參數(shù)紅外吸收光譜曲線上某些特定波長處的吸光度的變化就可以測出該物質(zhì)的含量[3-4]。

根據(jù)Kubelka-Munk理論，物質(zhì)的反射率及吸收系數(shù)之間有如下關(guān)系[5]：

式中：為吸光度；為散射系數(shù)；為常數(shù)。

在一定的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，吸收系數(shù)與被測物質(zhì)中某種成分的含量比之間存在線性關(guān)系：

＝×(2)

式中：為比例系數(shù)。

根據(jù)反射率的定義：

＝/0(3)

式中：為被測物質(zhì)反射光強(qiáng)；0為參比板（漫反射灰度板）的反射光強(qiáng)。

由式(4)可見，吸光度與對應(yīng)物質(zhì)成分的含量存在正比例關(guān)系。當(dāng)測得某種物質(zhì)成分的吸光度值，經(jīng)標(biāo)定后就可以計(jì)算出該物質(zhì)成分的含量。

為了檢測水分、灰分、揮發(fā)分、熱值和硫分等5個煤質(zhì)參數(shù)，綜合煤質(zhì)內(nèi)部表征這5個參數(shù)的H2O及C-H、O-H、N-H、S-H、S-O等基團(tuán)在近紅外波段產(chǎn)生倍頻與合頻的漫反射吸收帶，選取了1.92、1.98、2.06、2.14及2.34mm五個近紅外波段的特征波長作為測試波長，并選用工作波段為1～3mm的硫化鉛（PbS）紅外探測器進(jìn)行紅外特性探測。

由于被測物煤是由多種成分組成的，其不同參數(shù)之間的吸收光譜存在重疊與干擾，使得某參數(shù)的吸光度與含量之間的簡單線性關(guān)系被破壞，各參數(shù)之間表現(xiàn)為相關(guān)關(guān)系，這種相關(guān)程度隨各種參數(shù)的含量不同而變化。采用多元線性回歸法可有效地解決上述問題。

設(shè)某參數(shù)的含量為，5個波長對應(yīng)的吸光度為1～5，則有：

＝0＋11＋22＋33＋44＋55(5)

式中：0、1、2、3、4和5為回歸系數(shù)，只要確定了回歸系數(shù)，就可以根據(jù)式(5)用每個波長對應(yīng)的吸光度1～5計(jì)算出該參數(shù)的含量。

確定回歸系數(shù)的過程稱為定標(biāo)。我們用1、2、3、4和5分別代表水分（%）、灰分（%）、揮發(fā)分（%）、熱值（KCal/Kg）和硫分（%）含量，則可以列出如下回歸方程：

1＝10＋111＋122＋133＋144＋155＋1

2＝20＋211＋222＋233＋244＋255＋2

3＝30＋311＋322＋333＋344＋355＋3

4＝40＋411＋422＋433＋444＋455＋4

5＝50＋511＋522＋533＋544＋555＋5(6)

式中：A（＝1～5,＝0～5）為回歸系數(shù)，（＝1～5）為殘差。

如果樣品參數(shù)的估計(jì)值已經(jīng)得到，則有：

即：

為了求得回歸系數(shù)，我們?nèi)€（推薦100個以上，且相同參數(shù)的煤樣不得重復(fù)選?。┎煌拿簶?，經(jīng)粉碎、過篩等制樣過程后用每個煤樣的一半進(jìn)行化驗(yàn)，以確定每個樣品的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值和硫分含量。根據(jù)最小二乘原理，得到回歸系數(shù)的估計(jì)值矩陣：

式中：[]為個樣品吸光度實(shí)際測試值矩陣；[]'為矩陣[]的轉(zhuǎn)置矩陣；[]為個樣品5個參數(shù)實(shí)際化驗(yàn)值矩陣。

至此，只要我們將以上每個煤樣的一半分別化驗(yàn)出煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值和硫分含量，再用煤質(zhì)多參數(shù)分析儀測出各個波長下另一半煤樣及參比板的反射光強(qiáng)并計(jì)算出對應(yīng)的吸光度，用式(9)計(jì)算出回歸系數(shù)，然后把回歸系數(shù)輸入煤質(zhì)多參數(shù)分析儀，之后就可以使用煤質(zhì)多參數(shù)分析儀根據(jù)式(7)測量未知煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分、熱值和硫分等5種參數(shù)的含量了。

2 煤質(zhì)多參數(shù)分析儀設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

煤質(zhì)多參數(shù)分析儀的設(shè)計(jì)含硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)2部分。硬件包括光學(xué)系統(tǒng)（如圖1）、電路和控制系統(tǒng)（如圖2）以及機(jī)體結(jié)構(gòu)等；軟件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及管理軟件（主程序，如圖3）及單片機(jī)操作執(zhí)行軟件（如圖6）2部分。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖1，投射到被測煤樣或參比板表面上的紅外光經(jīng)煤樣（某些波段能量被吸收）或參比板（無吸收）漫反射后由主反射鏡反射并匯聚到次反射鏡，次反射鏡再將紅外光通過旋轉(zhuǎn)濾光片濾波后反射到PbS紅外探測器，探測器接收紅外信號并轉(zhuǎn)化為電信號輸出。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

2.3 電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路及控制系統(tǒng)原理框圖[3]見圖2。PbS探測器接收到的漫反射紅外信號經(jīng)低噪聲前放放大、窄帶濾波器濾波及后級放大器放大后通過有效值變換器轉(zhuǎn)換為直流信號，直流信號的大小與被測煤樣的5種參數(shù)相關(guān)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將直流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送往單片機(jī)，最后由計(jì)算機(jī)讀取并計(jì)算、顯示及儲存測量結(jié)果[6-7]。

圖2 紅外煤質(zhì)多參數(shù)分析儀原理框圖

旋轉(zhuǎn)濾光片是一個包含5個濾光片的轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤從起始位置開始，依次安裝了中心波長分別為1.92、1.98、2.06、2.14及2.34mm的5個窄帶濾光片。設(shè)備工作時單片機(jī)[8]根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令依次測取上述5個波長處的參比板及煤樣的信號供計(jì)算機(jī)處理[9]并計(jì)算出煤樣5種參數(shù)值。

參比板為在近紅外波段內(nèi)反射率平坦的漫反射灰度板，用于5個波段煤樣測試的參比信號源。其測量結(jié)果與煤樣測量的比值用于計(jì)算每個波長的吸光度。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理及管理軟件

計(jì)算機(jī)主程序框圖如圖3，主要包含了系統(tǒng)定標(biāo)、參數(shù)設(shè)置、煤質(zhì)分析、系統(tǒng)狀態(tài)檢測及使用幫助等5個模塊。

設(shè)備在使用前必須進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)，否則將無法正常工作。定標(biāo)的過程為：搜集將要測量的不同成分各種含量的煤樣，其煤質(zhì)參數(shù)必須覆蓋所有可能使用的范圍，樣本數(shù)需足夠多（不同煤礦的100個不同煤質(zhì)），經(jīng)過仔細(xì)制樣后（樣品粒度小于1mm，去除鐵等金屬雜質(zhì)，攪拌均勻），在化驗(yàn)室用傳統(tǒng)的化驗(yàn)方法化驗(yàn)出每個樣品的5個參數(shù)并做好記錄，然后在煤質(zhì)分析儀上進(jìn)行定標(biāo)。

圖3 軟件框圖

進(jìn)入系統(tǒng)定標(biāo)界面（見圖4），依次輸入每個煤樣的5個參數(shù)化驗(yàn)值，用煤質(zhì)分析儀測量出每個煤樣的5個波長的吸光度（數(shù)據(jù)采集，需分別測量煤樣及參比板），系統(tǒng)將自動保存每個煤樣的化驗(yàn)值及測量數(shù)據(jù)，完成所有的煤樣數(shù)據(jù)保存后根據(jù)式(9)計(jì)算出回歸系數(shù)（計(jì)算矩陣）并保存。在完成系統(tǒng)定標(biāo)后，可分別采集參比板及煤樣的紅外漫反射信號，系統(tǒng)將自行計(jì)算出吸光度，然后將吸光度及回歸系數(shù)代入式(7)即得到5個參數(shù)的分析值，分析結(jié)果以數(shù)據(jù)及圖形的方式顯示（圖5）。

經(jīng)過對不同煤礦的100個不同煤樣進(jìn)行實(shí)際化驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同煤礦的煤樣，其模型差異并不大，不需要針對不同煤礦的煤樣重新設(shè)定模型參數(shù)。

2.4.2 單片機(jī)控制與執(zhí)行軟件

設(shè)備通電后，紅外光源及調(diào)制盤處于非工作狀態(tài)，單片機(jī)等待接收并執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令。當(dāng)單片機(jī)收到“開機(jī)”指令后，立即打開紅外光源進(jìn)行預(yù)熱，同時輸出一個與調(diào)整頻率相同的脈沖信號至鎖相控制器讓調(diào)制盤處于正常工作狀態(tài)準(zhǔn)備進(jìn)行測量工作。單片機(jī)按照計(jì)算機(jī)主程序指令要求，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器依次選擇5個濾光片及通過控制參比板的位置來測量參比板或煤樣的5個波長的紅外信號，并將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，如圖6所示。

圖4 系統(tǒng)定標(biāo)界面

圖5 煤質(zhì)分析主程序界面

圖6 單片機(jī)軟件框圖

3 煤質(zhì)多參數(shù)分析儀實(shí)驗(yàn)情況分析

測量結(jié)果快速準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠是煤質(zhì)分析儀存在的必要條件。經(jīng)過一段時間的修改調(diào)試，煤質(zhì)分析儀已可以長期處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，采用120個非定標(biāo)樣本在實(shí)驗(yàn)室與分析儀上進(jìn)行測試精度對比，其實(shí)際測試結(jié)果參見表1。

表1 某煤樣實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)數(shù)據(jù)與煤質(zhì)分析儀分析數(shù)據(jù)對比情況

注：①以上數(shù)據(jù)均是對120個非標(biāo)定樣本的5次化驗(yàn)及測試結(jié)果平均值；②平均測試誤差為分析儀測試結(jié)果相對于實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果的相對誤差；③除硫分外，其它樣品的各個參數(shù)測試誤差絕大部分都在0.3%～2.5%之內(nèi)。

經(jīng)過對每個樣本的快速檢測，從測試結(jié)果可以看出，煤質(zhì)分析儀分析結(jié)果無系統(tǒng)性誤差，測量結(jié)果穩(wěn)定，接近實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)水平，除硫分外測量誤差在可接受范圍內(nèi)。

在實(shí)際測試過程中，低灰分和高灰分煤樣對整體測試結(jié)果有較為明顯的影響，為此嘗試采用馬氏距離判別法將煤樣按灰分高低進(jìn)行分組定標(biāo)及測試，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上令人滿意。

從實(shí)際測量結(jié)果看，目前煤質(zhì)分析儀還存在2個問題：一是硫分測試結(jié)果誤差較大，可能還需要對濾光片的中心波長或者數(shù)量進(jìn)行必要的調(diào)整，以期達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)；二是設(shè)備硬件及軟件尚需進(jìn)一步優(yōu)化，使設(shè)備能適應(yīng)各種煤質(zhì)的測試要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)及不斷地修改完善，煤質(zhì)參數(shù)實(shí)時分析儀在5個測試參數(shù)中的4個與實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果非常吻合，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以滿足實(shí)際使用要求。在實(shí)時性方面相比傳統(tǒng)分析手段則有了顛覆性的突破，檢測速度快，使用成本低，操作簡單方便，是傳統(tǒng)的化驗(yàn)方法無法比擬的，為傳統(tǒng)化驗(yàn)方法的理想替代手段。

使用煤質(zhì)分析儀進(jìn)行硫分分析尚存在較大誤差，需要對硬件及軟件進(jìn)行進(jìn)一步修改完善，以便下一步可以有效地解決硫分分析結(jié)果誤差大的問題。

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Design of Infrared Multi-parameters Analysis Meter for Coal

WEI Xiaomei，YANG Jian，F(xiàn)ENG Gang，JIA Tao，MENG Jin，SU Xiaohui，ZHANG Xiang， KANG LI，CAO Honghong

((795),712099,)

Different ingredients of coal have different infrared absorption spectrums, and there is a positive correlation between the value of absorption degree and the context of the ingredient. According to the infrared absorption characteristic of different ingredients， the real-time multi-parameters analysis meter of coal is designed. By using the diffuse reflection gray scale board instead of the reference filter, a higher stability is obtained in practice. Multiple linear regression is used to process the measure data. The measure result of the infrared analysis meter is consistent with the laboratory testing values, and the design can be actually used. Even more important, its work efficiency is much better than traditional laboratory test method.

infrared analysis meter，absorption spectrum，diffuse reflection gray scale board，multiple linear regression

TN215

A

1001-8891(2016)06-0509-05

2015-11-05；

2016-01-06.

魏小梅（1975-），女，工程師，主要從事紅外探測器及電子技術(shù)應(yīng)用技術(shù)工作。E-mail：swim10@163.com。