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萊森光學：圓柱形空間約束對LIBS檢測煤粉顆粒流的優化研究
圓柱形空間約束對LIBS檢測煤粉顆粒流的優化研究
在工業制造的許多領域中存在著對顆粒流進行快速在線檢測的需求，例如煤粉燃燒、飛灰的在線監測、金屬零件制造等過程以及水泥原料的檢測等。煤質的在線分析對于控制燃料成本和混煤特性、指導運行、控制鍋爐燃燒達到能源高效利用和促進碳中和目標的達成等具有重要意義。然而，由于目前傳統的離線分析手段需要漫長的樣品預處理和檢測過程，難以滿足于電廠對鍋爐進行控制優化的實時性需求。
激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜技術，具有快速、實時、微損、多元素同時分析以及無需復雜的制樣過程等特點。在現有的研究中，直接利用LIBS分析煤粉顆粒流時，其比較大的優勢在于不用進行復雜的樣品制備且檢測裝置簡便，這**縮短了檢測的周期，符合電廠的實際需求。
由于空間約束可改造性強、適應場景廣、結構簡單、成本較低等優勢，根據LIBS檢測煤粉顆粒流的特點，設計了一種中空石英管來對煤粉顆粒流形成圓柱形空間約束，探究該約束對煤粉顆粒流光譜強度和重復性的提升效果。
一、實驗系統
本文的實驗系統包括LIBS設置、顆粒流裝置和圓柱形空間約束設置，如圖1所示。實驗樣品以10種電廠常用煤為例，煤粉顆粒皆研磨過后經過直徑為200μm的篩網過篩，并在溫度設定為45℃的干燥箱中烘干4h，形成空氣干燥基煤粉顆粒。壓電振動給料機振動篩將實驗樣品拋入管道中，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實驗臺架
二、拉曼技術在食品安全檢測中的應用
在工業生產現場的在線檢測當中，檢測信號的重復性和穩定性是決定檢測結果是否可靠的一大重要因素。因此，為了驗證在LIBS檢測煤粉顆粒流時空間約束的添加不僅能提升光譜信號強度，還能對信號重復性起到穩定作用，本文對比分析了一些重要特征譜線的脈沖到脈沖的相對標準偏差（RSDs）。這些特征譜線的脈沖間的RSD都是基于每種煤樣下1050次脈沖數據計算所得。
在LIBS顆粒流檢測過程中，由于顆粒流波動等原因，燒蝕效果和穩定性會受到很大影響。當有效燒蝕質量較小或等離子**置波動較大時，所得到的等離子體光譜不能有效表征粒子組成信息，導致采集到的光譜不包含或者包含較弱的主元素的激發特征線，即無效光譜的產生。針對LIBS檢測煤粉顆粒流時產生的無效光譜，在實際檢測應用時往往會將其剔除來提高檢測時預測指標的準確性?，F有的研究中，標準偏差法（SD法）和信噪比法（SNR法）常被用于單個脈沖的光譜檢測篩選。本文采用標準偏差法，以CI247.86發射線的SD為基準，所有煤樣的剔除閾值統一設置為110，小于該閾值便視為需剔除對象并對其進行剔除。剔除后計算添加約束前后10種煤樣的1050次光譜數據的剔除率，繪制圖2，總結說明驗證圓柱形空間約束的添加可以提高光譜數據的可用質量。從圖2中可以看出，CI247.86平均信噪比較低的7號、8號煤樣的剔除率比較高；添加約束后所有煤樣的剔除率都明顯下降，除8號煤樣，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化LIBS直接檢測煤粉顆粒流的實驗系統，使光譜數據的質量得到一個質的提升。
圖2添加約束前后10種煤樣的無效光譜剔除率
三、結論
本文針對實際應用中LIBS檢測煤粉顆粒流時光譜強度較差、穩定性較弱等問題，設計了一種配合LIBS檢測顆粒流特點的中空石英管，達到對檢測實現圓柱形空間約束的目的。首先，分析了煤當中一些重要特征譜線在添加空間約束后的特征峰強度變化，驗證了空間約束應用于LIBS檢測煤粉顆粒流時對光譜強度的增***應。而后針對煤粉顆粒流的波動性較大的特點，對比分析了添加約束前后各特征譜線的脈沖對脈沖的RSD，發現空間約束可以很有效地提高煤粉顆粒流的穩定性和光譜的重復性。綜上，圓柱形空間約束可以有效地提升LIBS檢測煤粉顆粒流的光譜質量，使得檢測的可靠性得到提升。
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