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.西安科技大學安全科學與工程學院,陜西 西安 710054；2.西安科技大學 陜西省煤火災害防控重點實驗室,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],具有響應速度快、穩(wěn)定性高、應用范圍廣等特點,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,導致監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差[7-9]。

關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,當樣本容量增大時會導致精度降低[11]。樊榮等[12]采用迭代補償算法對CH4傳感器進行溫度補償。張學典等[13]建立改進型BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型消除環(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)的礦井災變區(qū)域多組分氣體無線監(jiān)測設備,實驗測試了CH4-CO2紅外傳感器在不同溫度下的響應信號,研究溫度變化對CH4-CO2紅外傳感器響應信號的影響特征,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)測設備、電源(12 V,30 W)、待測氣瓶、純N2標準氣瓶、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標準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信號。

3 實驗測試

3.1 不同氣體濃度下響應信號相關性測試

傳感器性能參數(shù)測試在20 ℃進行,用標準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紅外傳感器響應信號如圖2所示。對CH4紅外傳感器響應信號與待測氣體濃度數(shù)據(jù)點進行擬合,得到CH4紅外傳感器響應信號與氣體濃度的一次線性關系式為y=1.30208x-0.18561,數(shù)據(jù)相關度為99.445 %,與理想響應信號曲線呈“X”型,交點處CH4濃度為0.61 %。氣體濃度小于0.61 %時,響應信號低于實際氣體濃度值,大于0.61 %時,響應信號高于實際氣體濃度值。氣體濃度為0.51 %～0.71 %時,響應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紅外傳感器響應信號與氣體濃度的一次線性關系式為y=1.26374x-0.02637,數(shù)據(jù)相關度為98.293 %,與理想響應信號曲線呈“V”型,相關程度低于CH4紅外傳感器,在整個濃度測量范圍內(nèi)響應信號均大于實際氣體濃度值。當CO2氣體濃度低于0.8 %時,CO2紅外傳感器響應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傳感器響應信號與氣體濃度關系曲線Fig.2 Curve of CH4 sensor response signal and gas concentration

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

3.2 不同溫度條件下響應信號相關性測試

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信號。定義相對誤差為傳感器響應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紅外傳感器響應信號與濃度關系曲線如圖4所示。溫度一定時,傳感器的待測氣體濃度值與響應信號線性關系良好,即傳感器的響應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 ℃),傳感器的響應信號增長幅度較小,測試溫度較高時(20 ℃、25 ℃),傳感器的響應信號增長幅度較大；當CH4氣體濃度一定,10 ℃和15 ℃時響應信號較小,低于實際待測氣體濃度,20 ℃和25 ℃時響應信號逐漸增大,響應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傳感器響應值與濃度關系曲線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系曲線如圖5所示。

圖5 CH4傳感器相對誤差與濃度關系曲線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)的相對誤差為負值,即響應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,當氣體濃度低于0.71 %,傳感器響應信號低于實際待測氣體濃度值,相對誤差為負值,當氣體濃度高于0.71 %時,傳感器的響應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,響應信號最為精準。當傳感器所處溫度較低時,其內(nèi)部敏感元件溫度變化較小,導致傳感器響應信號減小,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傳感器響應值與濃度關系曲線如圖6所示。CO2實際氣體濃度低于0.7 %時,傳感器響應信號與實際氣體濃度之間線性關系較好,當CO2濃度高于0.7 %時,傳感器的響應信號隨實際氣體濃度上升呈現(xiàn)出波動上升趨勢,線性關系程度減弱；不同測試溫度下,隨著測試氣體濃度的增加,響應信號起伏不大,與CH4傳感器響應信號相比,受溫度影響較??；整個氣體濃度測試范圍內(nèi),響應信號均大于等于實際氣體濃度,并且響應信號隨待測氣體濃度增加偏差逐漸增大。

圖6 CO2傳感器響應值與濃度關系曲線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系曲線如圖7所示。

圖7 CO2傳感器相對誤差與濃度關系曲線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,響應信號與實際氣體濃度值相同；當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小；當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信號產(chǎn)生影響。當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)作為訓練樣本,16組數(shù)據(jù)作為測試樣本,分別設置訓練次數(shù)為500次,得到CH4和CO2紅外傳感器訓練次數(shù)和誤差率之間的關系曲線如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 CH4-CO2紅外傳感器訓練次數(shù)與誤差率關系曲線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練樣本數(shù)低于100時波動較大,誤差率最大為0.043。隨著訓練樣本數(shù)的增加,誤差率在0.023～0.027間上下起伏,訓練樣本數(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,訓練樣本較少時,誤差率較高且波動較大。訓練次數(shù)為25～30次時,誤差率達到最小,為0.0175；訓練樣本數(shù)為57時,誤差率達到最高為0.0256。隨著訓練樣本數(shù)的增加,訓練樣本數(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,與補償前響應信號相比,補償后響應信號更接近直線y=x(即補償后響應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信號之間的相關系數(shù)為0.9203,相關度好,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信號相關系數(shù)為0.9099,相關度較好,但相關系數(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紅外傳感器響應信號的影響。

圖9 CH4-CO2紅外傳感器響應信號補償前后關系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紅外傳感器響應信號與測試氣體濃度呈良好的線性關系,CH4紅外傳感器響應信號與理想響應信號曲線呈“X”型,CO2紅外傳感器響應信號與理想響應信號曲線呈“V”型。

(2)氣體濃度在0.21 %～1.42 %的測量范圍內(nèi),CH4紅外傳感器響應信號受溫度影響較大,CO2紅外傳感器響應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信號的相關系數(shù)分別為0.9203和 0.9099,可減小溫度對CH4-CO2紅外傳感器響應信號的影響,均方誤差和平均絕對誤差均減小,精確性提高。