礦用CH4-CO2紅外傳感器溫度補償算法模型研究

馬 礪,范新麗,張曉龍,張鵬宇,黃 霄,王 燁

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 陜西省煤火災(zāi)害防控重點實驗室,陜西 西安 710054)

1 引 言

紅外氣體傳感器利用不同氣體對紅外光譜的選擇吸收性不同,通過待測氣體特征吸收方式來表示氣體濃度[1-2],具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、應(yīng)用范圍廣等特點,在礦井井下氣體監(jiān)測中得到使用[3-4]。然而溫度是影響氣體吸收系數(shù)的主要因素[5-6],礦井溫度變化影響氣體分子活性,從而影響朗伯-比爾定律中的摩爾吸收系數(shù),增加吸收系數(shù)的波動性,使紅外氣體傳感器產(chǎn)生溫度漂移,引起輸出量發(fā)生變化,導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差[7-9]。

關(guān)于紅外氣體傳感器溫度補償,主要有硬件補償和軟件補償。硬件電路溫度補償難以實現(xiàn)完全補償,實際工程中使用率低[10]。采用線性擬合,當(dāng)樣本容量增大時會導(dǎo)致精度降低[11]。樊榮等[12]采用迭代補償算法對CH4傳感器進行溫度補償。張學(xué)典等[13]建立改進型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型消除環(huán)境溫度對CO2氣體濃度的非線性影響。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在收斂速度慢、易陷入局部極小等缺點[14]。牛萍娟等[15]采用卡爾曼濾波對傳感器數(shù)據(jù)進行處理,建立溫度補償模型。楊震等[16]利用高斯回歸過程建立礦用紅外CH4傳感器的溫度補償算法模型以消除非線性誤差。常敏等[17]應(yīng)用受控馬氏鏈算法減小了溫度變化對CO2紅外傳感器測量結(jié)果的影響。汪本干等[18]根據(jù)CH4紅外傳感器輸出值與溫度變化之間的關(guān)系得到補償溫度影響率,結(jié)合補償數(shù)據(jù)處理算法得到補償值。

本文針對傳統(tǒng)監(jiān)測方法傳輸可靠性低、精度低,基于自主研發(fā)的礦井災(zāi)變區(qū)域多組分氣體無線監(jiān)測設(shè)備,實驗測試了CH4-CO2紅外傳感器在不同溫度下的響應(yīng)信號,研究溫度變化對CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號的影響特征,建立隨機森林氣體濃度修正模型進行溫度補償,分析溫度變化引起的紅外氣體傳感器響應(yīng)信號的誤差情況。

2 實驗裝置及條件

2.1 實驗儀器

實驗裝置主要包括礦井多組分氣體無線監(jiān)測設(shè)備、電源(12 V,30 W)、待測氣瓶、純N2標(biāo)準(zhǔn)氣瓶、EN2000高精度全自動配氣系統(tǒng)等。壓力表實時監(jiān)測通入氣室內(nèi)待測氣體壓力,轉(zhuǎn)子流量計測定待測氣流量,實驗流量為200 mL/min。監(jiān)測裝置進氣管與全自動配氣系統(tǒng)出氣口相接,氣泵出氣口與傳感器模塊相接并通過出氣管將待測氣體排出。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

2.2 實驗方法

在實驗測試前進行零點標(biāo)定,通入氮氣排除氣管內(nèi)多余氣體,通入已知濃度待測氣體對其進行系數(shù)校正消除偏差。通過改變待測氣體與N2標(biāo)準(zhǔn)氣瓶的流量比配制不同濃度的待測氣體,待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄傳感器響應(yīng)信號。

3 實驗測試

3.1 不同氣體濃度下響應(yīng)信號相關(guān)性測試

傳感器性能參數(shù)測試在20 ℃進行,用標(biāo)準(zhǔn)CH4、CO2氣體和N2分別配制氣體濃度為0.2 %～1.4 %的待測氣體,氣體濃度間隔為0.1 %,得到CH4-CO2紅外傳感器的輸出特性。

3.1.1 CH4傳感器輸出特性

在室溫條件(20 ℃)下通入不同濃度的CH4氣體,得到CH4紅外傳感器響應(yīng)信號如圖2所示。對CH4紅外傳感器響應(yīng)信號與待測氣體濃度數(shù)據(jù)點進行擬合,得到CH4紅外傳感器響應(yīng)信號與氣體濃度的一次線性關(guān)系式為y=1.30208x-0.18561,數(shù)據(jù)相關(guān)度為99.445 %,與理想響應(yīng)信號曲線呈“X”型,交點處CH4濃度為0.61 %。氣體濃度小于0.61 %時,響應(yīng)信號低于實際氣體濃度值,大于0.61 %時,響應(yīng)信號高于實際氣體濃度值。氣體濃度為0.51 %～0.71 %時,響應(yīng)信號與實際氣體濃度較接近。

3.1.2 CO2傳感器輸出特性

在室溫條件(20 ℃)下通入不同濃度的CO2氣體,得到CO2紅外傳感器響應(yīng)信號如圖3所示。對CO2紅外傳感器與待測氣體濃度數(shù)據(jù)點進行擬合,得到CO2紅外傳感器響應(yīng)信號與氣體濃度的一次線性關(guān)系式為y=1.26374x-0.02637,數(shù)據(jù)相關(guān)度為98.293 %,與理想響應(yīng)信號曲線呈“V”型,相關(guān)程度低于CH4紅外傳感器,在整個濃度測量范圍內(nèi)響應(yīng)信號均大于實際氣體濃度值。當(dāng)CO2氣體濃度低于0.8 %時,CO2紅外傳感器響應(yīng)信號與實際待測氣體濃度之間絕對誤差較小,隨著CO2氣體濃度增加,響應(yīng)信號與實際待測氣體濃度之間絕對誤差增大。

圖2 CH4傳感器響應(yīng)信號與氣體濃度關(guān)系曲線Fig.2 Curve of CH4 sensor response signal and gas concentration

圖3 CO2傳感器響應(yīng)信號與氣體濃度關(guān)系曲線Fig.3 Curve of CO2 sensor response signal and gas concentration

3.2 不同溫度條件下響應(yīng)信號相關(guān)性測試

分別改變監(jiān)測裝置所處環(huán)境溫度:10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃(絕對誤差維持在±0.5 ℃),通入不同濃度的待測CH4和CO2氣體,得到傳感器在不同溫度下的響應(yīng)信號。定義相對誤差為傳感器響應(yīng)信號與實際氣體濃度的差值與實際氣體濃度之比。

3.2.1 CH4傳感器輸出特性

不同溫度下,CH4紅外傳感器響應(yīng)信號與濃度關(guān)系曲線如圖4所示。溫度一定時,傳感器的待測氣體濃度值與響應(yīng)信號線性關(guān)系良好,即傳感器的響應(yīng)信號隨待測氣體濃度增加而增加；不同測試溫度下,隨著氣體濃度增加,測試溫度較低時(10 ℃、15 ℃),傳感器的響應(yīng)信號增長幅度較小,測試溫度較高時(20 ℃、25 ℃),傳感器的響應(yīng)信號增長幅度較大；當(dāng)CH4氣體濃度一定,10 ℃和15 ℃時響應(yīng)信號較小,低于實際待測氣體濃度,20 ℃和25 ℃時響應(yīng)信號逐漸增大,響應(yīng)信號從低于實際待測氣體濃度向高于待測氣體濃度過渡。

圖4 CH4傳感器響應(yīng)值與濃度關(guān)系曲線Fig.4 Curve of response value and concentration of CH4 sensor

不同環(huán)境溫度下,CH4紅外傳感器相對誤差與濃度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 CH4傳感器相對誤差與濃度關(guān)系曲線Fig.5 CH4 sensor relative error and concentration curve

傳感器處于10～15 ℃溫度范圍時,整個濃度區(qū)間內(nèi)的相對誤差為負(fù)值,即響應(yīng)信號均低于實際待測氣體值,溫度不變時,隨著氣體濃度增加,相對誤差逐漸減小,即逐漸接近于實際待測氣體濃度值。傳感器處于20～25 ℃時,當(dāng)氣體濃度低于0.71 %,傳感器響應(yīng)信號低于實際待測氣體濃度值,相對誤差為負(fù)值,當(dāng)氣體濃度高于0.71 %時,傳感器的響應(yīng)信號逐漸接近并高于實際待測氣體值,此時相對誤差為正值,傳感器在溫度范圍為20～25 ℃時,受溫度影響最小,響應(yīng)信號最為精準(zhǔn)。當(dāng)傳感器所處溫度較低時,其內(nèi)部敏感元件溫度變化較小,導(dǎo)致傳感器響應(yīng)信號減小,隨著環(huán)境溫度不斷升高,敏感元件溫度逐漸上升,傳感器的響應(yīng)信號變大。

3.2.2 CO2傳感器輸出特性

不同環(huán)境溫度下,CO2傳感器響應(yīng)值與濃度關(guān)系曲線如圖6所示。CO2實際氣體濃度低于0.7 %時,傳感器響應(yīng)信號與實際氣體濃度之間線性關(guān)系較好,當(dāng)CO2濃度高于0.7 %時,傳感器的響應(yīng)信號隨實際氣體濃度上升呈現(xiàn)出波動上升趨勢,線性關(guān)系程度減弱；不同測試溫度下,隨著測試氣體濃度的增加,響應(yīng)信號起伏不大,與CH4傳感器響應(yīng)信號相比,受溫度影響較??；整個氣體濃度測試范圍內(nèi),響應(yīng)信號均大于等于實際氣體濃度,并且響應(yīng)信號隨待測氣體濃度增加偏差逐漸增大。

圖6 CO2傳感器響應(yīng)值與濃度關(guān)系曲線Fig.6 Curve of response value and concentration of CO2 sensor

在不同環(huán)境溫度下,CO2傳感器相對誤差與濃度的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 CO2傳感器相對誤差與濃度關(guān)系曲線Fig.7 CO2 sensor relative error and concentration curve

相對誤差為正值,即傳感器響應(yīng)信號均高于實際待測氣體濃度值；在25 ℃環(huán)境溫度下,CO2實際氣體濃度低于0.7 %時,相對誤差為0,響應(yīng)信號與實際氣體濃度值相同；當(dāng)CO2實際氣體濃度不變時,所處環(huán)境溫度越高,傳感器的相對誤差越??；當(dāng)傳感器所處溫度不變時,隨著實際氣體濃度的增加,相對誤差呈先減小后增大的趨勢。

CO2與CH4氣體分子結(jié)構(gòu)不同,在紅外光譜帶上吸收峰的位置存在差異,紅外光源的波動對傳感器的響應(yīng)信號產(chǎn)生影響。當(dāng)CO2紅外傳感器所處溫度較高時,CO2的分子活性增強,對紅外光譜的能量吸收發(fā)生變化,從而CO2紅外傳感器的響應(yīng)信號較低。

4 隨機森林溫度補償模型

在MATLAB中建立隨機森林建立溫度補償模型,根據(jù)不同溫度下得到的實驗數(shù)據(jù),將測試氣體濃度值、紅外氣體傳感器響應(yīng)信號值及溫度作為一組樣本數(shù)據(jù)點,CH4和CO2傳感器各有52組樣本數(shù)據(jù),隨機選取36組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本,16組數(shù)據(jù)作為測試樣本,分別設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)為500次,得到CH4和CO2紅外傳感器訓(xùn)練次數(shù)和誤差率之間的關(guān)系曲線如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 CH4-CO2紅外傳感器訓(xùn)練次數(shù)與誤差率關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between training times and error rate of CH4 and CO2 infrared sensor

從圖8(a)可以看出,CH4紅外傳感器的誤差率在訓(xùn)練樣本數(shù)低于100時波動較大,誤差率最大為0.043。隨著訓(xùn)練樣本數(shù)的增加,誤差率在0.023～0.027間上下起伏,訓(xùn)練樣本數(shù)在350次之后,誤差率穩(wěn)定在0.025附近。從圖8(b)可以看出,對于CO2紅外傳感器,訓(xùn)練樣本較少時,誤差率較高且波動較大。訓(xùn)練次數(shù)為25～30次時,誤差率達到最小,為0.0175；訓(xùn)練樣本數(shù)為57時,誤差率達到最高為0.0256。隨著訓(xùn)練樣本數(shù)的增加,訓(xùn)練樣本數(shù)高于300次,誤差率穩(wěn)定在0.020附近。因此,隨機森林溫度補償模型對環(huán)境溫度引起的CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號誤差有良好的補償作用。

5 補償效果分析

為驗證隨機森林溫度補償模型的準(zhǔn)確性和可靠性,將不同溫度下不同待測氣體濃度條件下CH4和CO2紅外傳感器的響應(yīng)信號中隨機各抽取16組測試樣本數(shù)據(jù)引入隨機森林模型中得到溫度補償后的數(shù)據(jù),并與未進行溫度補償?shù)脑紨?shù)據(jù)進行比較,結(jié)果如圖9(a)和圖9(b)所示。

從圖9(a)可以看出,對于CH4紅外傳感器,與補償前響應(yīng)信號相比,補償后響應(yīng)信號更接近直線y=x(即補償后響應(yīng)信號更接近待測氣體濃度真實值),在整個CH4濃度測試范圍內(nèi),隨著CH4濃度的增加,補償后的響應(yīng)信號均穩(wěn)定在直線y=x附近,CH4濃度變化對其補償效果影響較小,計算二者相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn),CH4紅外傳感器的待測氣體濃度與進行溫度補償后的響應(yīng)信號之間的相關(guān)系數(shù)為0.9203,相關(guān)度好,因此隨機森林溫度補償模型減小了溫度對傳感器響應(yīng)信號的影響,提高了CH4濃度監(jiān)測精度。此外,待測氣體濃度與補償后氣體濃度之間的相對誤差波動范圍減小,平均相對誤差為0.111034。從圖9(b)可以看出,對于CO2紅外傳感器,在整個CO2濃度測試范圍內(nèi),隨著CO2濃度的增加,補償后的響應(yīng)信號逐漸偏離直線y=x,CH4濃度大小對其補償效果影響較大,計算二者相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn),進行溫度補償后CO2紅外傳感器待測氣體濃度和補償后的響應(yīng)信號相關(guān)系數(shù)為0.9099,相關(guān)度較好,但相關(guān)系數(shù)稍低于CH4隨機森林溫度補償模型,是因為CO2紅外傳感器在高濃度時精度降低,實際響應(yīng)信號誤差較大,盡管CO2隨機森林溫度補償模型減小了溫度變化帶來的誤差,補償后響應(yīng)信號仍在一定程度偏離直線y=x,平均相對誤差為0.096827,可能由于檢測氣體中含有雜質(zhì)氣體對待測氣體濃度值造成干擾,影響紅外氣體傳感器對待測氣體的敏感性,造成其補償效果低于CH4紅外傳感器。

以均方誤差和平均絕對誤差對溫度補償前后的CH4-CO2紅外傳感器在不同溫度下的響應(yīng)信號進行對比,結(jié)果如表1所示。誤差分析結(jié)果表明,CH4-CO2紅外傳感器進行隨機森林溫度補償模型后的響應(yīng)信號均方誤差和平均絕對誤差均減小,并且均方誤差越小,精確性越高,因此隨機森林溫度補償模型對CH4紅外傳感器響應(yīng)信號的補償效果更好。CH4-CO2紅外傳感器進行隨機森林溫度補償模型后的響應(yīng)信號均方誤差均低于0.01300,對二者都起到一定溫度補償作用。說明選用隨機森林溫度補償模型在一定程度上可消除溫度對CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號的影響。

圖9 CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號補償前后關(guān)系Fig.9 Relation curve between prediction value and test value of CH4 and CO2 infrared sensors

表1 溫度補償前后誤差分析Tab.1 Error analysis before and after temperature compensation

6 結(jié) 論

本文通過實驗測試CH4-CO2紅外傳感器隨溫度變化響應(yīng)信號的輸出特性,在溫度范圍(10～25 ℃)內(nèi)測試不同氣體濃度下響應(yīng)信號,確定CH4-CO2紅外傳感器的溫度特性曲線,建立了隨機森林溫度補償模型并進行驗證,得到如下結(jié)論:

(1)20 ℃下,CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號與測試氣體濃度呈良好的線性關(guān)系,CH4紅外傳感器響應(yīng)信號與理想響應(yīng)信號曲線呈“X”型,CO2紅外傳感器響應(yīng)信號與理想響應(yīng)信號曲線呈“V”型。

(2)氣體濃度在0.21 %～1.42 %的測量范圍內(nèi),CH4紅外傳感器響應(yīng)信號受溫度影響較大,CO2紅外傳感器響應(yīng)信號受溫度影響較小。

(3)CH4和CO2紅外傳感器基于隨機森林溫度模型補償后的待測氣體濃度與響應(yīng)信號的相關(guān)系數(shù)分別為0.9203和 0.9099,可減小溫度對CH4-CO2紅外傳感器響應(yīng)信號的影響,均方誤差和平均絕對誤差均減小,精確性提高。