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為了提高激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)檢測(cè)煤粉顆粒流時(shí)光譜信號(hào)的質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果的可靠性，根據(jù)顆粒流的檢測(cè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種圓柱形空間約束，并分析了其對(duì) LIBS 直接檢測(cè)煤粉顆粒流的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)化效果。

在工業(yè)制造的許多領(lǐng)域中存在著對(duì)顆粒流進(jìn)行快速在線檢測(cè)的需求，例如煤粉燃燒、飛灰的在線監(jiān)測(cè)、金屬零件制造等過程以及水泥原料的檢測(cè)等。煤質(zhì)的在線分析對(duì)于控制燃料成本和混煤特性、指導(dǎo)運(yùn)行、控制鍋爐燃燒達(dá)到能源高效利用和促進(jìn)碳中和目標(biāo)的達(dá)成等具有重要意義。然而，由于目前傳統(tǒng)的離線分析手段需要漫長(zhǎng)的樣品預(yù)處理和檢測(cè)過程，難以滿足于電廠對(duì)鍋爐進(jìn)行控制優(yōu)化的實(shí)時(shí)性需求。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，具有快速、實(shí)時(shí)、微損、多元素同時(shí)分析以及無需復(fù)雜的制樣過程等特點(diǎn)。在現(xiàn)有的研究中，直接利用LIBS分析煤粉顆粒流時(shí)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于不用進(jìn)行復(fù)雜的樣品制備且檢測(cè)裝置簡(jiǎn)便，這大大縮短了檢測(cè)的周期，符合電廠的實(shí)際需求。

由于空間約束可改造性強(qiáng)、適應(yīng)場(chǎng)景廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)，根據(jù)LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種中空石英管來對(duì)煤粉顆粒流形成圓柱形空間約束，探究該約束對(duì)煤粉顆粒流光譜強(qiáng)度和重復(fù)性的提升效果。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括LIBS設(shè)置、顆粒流裝置和圓柱形空間約束設(shè)置，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)樣品以10種電廠常用煤為例，煤粉顆粒皆研磨過后經(jīng)過直徑為200μm的篩網(wǎng)過篩，并在溫度設(shè)定為45℃的干燥箱中烘干4h，形成空氣干燥基煤粉顆粒。壓電振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)篩將實(shí)驗(yàn)樣品拋入管道中，從自制的錐形出口流出形成直徑為4mm的粒子流。

圖1 煤粉顆粒流LIBS實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

拉曼技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)當(dāng)中，檢測(cè)信號(hào)的重復(fù)性和穩(wěn)定性是決定檢測(cè)結(jié)果是否可靠的一大重要因素。因此，為了驗(yàn)證在LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流時(shí)空間約束的添加不僅能提升光譜信號(hào)強(qiáng)度，還能對(duì)信號(hào)重復(fù)性起到穩(wěn)定作用，本文對(duì)比分析了一些重要特征譜線的脈沖到脈沖的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSDs)。這些特征譜線的脈沖間的RSD都是基于每種煤樣下1050次脈沖數(shù)據(jù)計(jì)算所得。

在LIBS顆粒流檢測(cè)過程中，由于顆粒流波動(dòng)等原因，燒蝕效果和穩(wěn)定性會(huì)受到很大影響。當(dāng)有效燒蝕質(zhì)量較小或等離子體位置波動(dòng)較大時(shí)，所得到的等離子體光譜不能有效表征粒子組成信息，導(dǎo)致采集到的光譜不包含或者包含較弱的主元素的激發(fā)特征線，即無效光譜的產(chǎn)生。

針對(duì)LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流時(shí)產(chǎn)生的無效光譜，在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用時(shí)往往會(huì)將其剔除來提高檢測(cè)時(shí)預(yù)測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)有的研究中，標(biāo)準(zhǔn)偏差法(SD法)和信噪比法(SNR法)常被用于單個(gè)脈沖的光譜檢測(cè)篩選。本文采用標(biāo)準(zhǔn)偏差法，以CI247.86發(fā)射線的SD為基準(zhǔn)，所有煤樣的剔除閾值統(tǒng)一設(shè)置為110.小于該閾值便視為需剔除對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行剔除。

剔除后計(jì)算添加約束前后10種煤樣的1050次光譜數(shù)據(jù)的剔除率，繪制圖2.總結(jié)說明驗(yàn)證圓柱形空間約束的添加可以提高光譜數(shù)據(jù)的可用質(zhì)量。從圖2中可以看出，CI247.86平均信噪比較低的7號(hào)、8號(hào)煤樣的剔除率最高;添加約束后所有煤樣的剔除率都明顯下降，除8號(hào)煤樣，其余煤樣的剔除率均為超過10%。這說明圓柱形空間約束能夠明顯優(yōu)化LIBS直接檢測(cè)煤粉顆粒流的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到一個(gè)質(zhì)的提升。

圖2添加約束前后10種煤樣的無效光譜剔除率

結(jié)論

本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流時(shí)光譜強(qiáng)度較差、穩(wěn)定性較弱等問題，設(shè)計(jì)了一種配合LIBS檢測(cè)顆粒流特點(diǎn)的中空石英管，達(dá)到對(duì)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)圓柱形空間約束的目的。首先，分析了煤當(dāng)中一些重要特征譜線在添加空間約束后的特征峰強(qiáng)度變化，驗(yàn)證了空間約束應(yīng)用于LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流時(shí)對(duì)光譜強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)。而后針對(duì)煤粉顆粒流的波動(dòng)性較大的特點(diǎn)，對(duì)比分析了添加約束前后各特征譜線的脈沖對(duì)脈沖的RSD，發(fā)現(xiàn)空間約束可以很有效地提高煤粉顆粒流的穩(wěn)定性和光譜的重復(fù)性。綜上，圓柱形空間約束可以有效地提升LIBS檢測(cè)煤粉顆粒流的光譜質(zhì)量，使得檢測(cè)的可靠性得到提升。

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