一種基于溫度參量的西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度檢測(cè)方法

朱高峰，陽(yáng)春華，朱紅求，桂衛(wèi)華，朱劍平

（1中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2湖南人文科技學(xué)院信息學(xué)院，湖南 婁底 417000；3楚天科技股份有限公司研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410600）

一種基于溫度參量的西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度檢測(cè)方法

朱高峰1,2，陽(yáng)春華1，朱紅求1，桂衛(wèi)華1，朱劍平3

（1中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2湖南人文科技學(xué)院信息學(xué)院，湖南 婁底 417000；3楚天科技股份有限公司研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410600）

目前西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度多采用離線抽樣破壞性檢測(cè)，存在耗時(shí)長(zhǎng)、精度低、漏檢率高等不足。應(yīng)用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)理論，構(gòu)建氧氣濃度與溫度、二次諧波強(qiáng)度之間的理論關(guān)系模型，提出一種利用溫度參量在線檢測(cè)瓶?jī)?nèi)氧氣濃度的方法。詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和步驟，優(yōu)化了最佳入射角和系統(tǒng)主要參數(shù)，在氣體壓強(qiáng)為1atm（101.325 kPa）和溫度為296 K的條件下，采集不同氧氣濃度的西林瓶作為初始建模樣本，建立常規(guī)的氧氣濃度反演模型。同時(shí)樣本濃度為21%的西林瓶所對(duì)應(yīng)的二次諧波幅度，作為基于溫度參量來(lái)定量預(yù)測(cè)的參考幅度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用溫度參量檢測(cè)瓶?jī)?nèi)氧氣濃度能有效克服溫度大幅變化對(duì)濃度反演的直接影響，預(yù)測(cè)的均方根誤差(RMSEP)相對(duì)直接濃度反演預(yù)測(cè)降低了80.33%。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜；氣體；溫度補(bǔ)償；二次諧波；測(cè)量；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引 言

醫(yī)藥行業(yè)中所用的西林瓶一般采用抽真空或充氮?dú)獾姆椒ㄊ顾幤放c氧氣隔絕，從而保證藥品的穩(wěn)定性和無(wú)菌性。但由于加塞及軋蓋工藝不穩(wěn)定、包材自身破損及人為因素等原因，使瓶?jī)?nèi)氧氣濃度過(guò)高而影響藥效，甚至危害藥品使用者的安全，所以必須進(jìn)行瓶?jī)?nèi)含氧量檢測(cè)，以防止殘氧量超標(biāo)的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。我國(guó)2015版無(wú)菌藥品GMP檢查指南中也明確規(guī)定，對(duì)于密封的藥物產(chǎn)品，必須選取有效期內(nèi)0、6、12和24個(gè)月分別進(jìn)行產(chǎn)品的定期含氧量測(cè)試和趨勢(shì)分析，以充分保護(hù)產(chǎn)品在儲(chǔ)存期的有效性。

目前對(duì)西林瓶?jī)?nèi)的氧氣檢測(cè)手段主要為抽樣破壞性檢測(cè)[1-2]，耗時(shí)長(zhǎng)，精度低，且漏檢率很高。TDLAS技術(shù)是控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出激光波長(zhǎng)掃描某物質(zhì)的吸收譜線，通過(guò)檢測(cè)其透射光強(qiáng)來(lái)識(shí)別其成分及性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)非破壞性原位快速檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程等領(lǐng)域的物質(zhì)濃度、溫度、流量檢測(cè)中[3-10]。當(dāng)前美國(guó)LIGHTHOUSE公司，意大利貝威蒂公司等已將TDLAS技術(shù)應(yīng)用在密封玻璃藥瓶?jī)?nèi)殘氧量的定性篩查，裝置一般附帶安裝在燈檢機(jī)上[11-12]。中國(guó)科學(xué)院和天津大學(xué)等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也已將波長(zhǎng)調(diào)制光譜（wavelength modulation spectroscopy，WMS）技術(shù)應(yīng)用在 CO2、氨氣、氧氣等氣體濃度定量檢測(cè)上[13-17]，但都是將被測(cè)氣體引入吸收池以加大光程，讓氣體較充分吸收，以提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。賈良權(quán)等[18-21]對(duì)光譜吸收技術(shù)中溫度和壓強(qiáng)的影響進(jìn)行了研究，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，給出了不同溫度和壓強(qiáng)下的濃度反演誤差修正公式。本文建立了一種開放的單光路短光程快速檢測(cè)西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度的方法，基于HITRAN 2012數(shù)據(jù)庫(kù)中各參數(shù)的理論關(guān)系，建立了濃度與溫度、二次諧波強(qiáng)度之間的關(guān)系模型，提出了利用溫度參量來(lái)快速測(cè)定西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度，無(wú)須對(duì)不同規(guī)格的西林瓶進(jìn)行多次定標(biāo)建模，應(yīng)用更加方便。

1 檢測(cè)原理

溫度的變化會(huì)導(dǎo)致氣體內(nèi)部分子間的作用力發(fā)生變化，這將改變分子在不同能級(jí)間的躍遷情況，從而影響分子的吸收光譜。具體來(lái)說(shuō)，溫度的變化主要會(huì)影響氣體的吸收線強(qiáng)、吸收譜線線型的半高全寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)和氣體分子數(shù)密度等，這為利用溫度參量和二次諧波強(qiáng)度來(lái)定量檢測(cè)氣體濃度提供了依據(jù)。

由Lambert-Beer定律可知，頻率為v，強(qiáng)度為I0(t)的入射光穿透氣體后的光強(qiáng)可表示為

式中，S(T)是一定溫度T下的譜線強(qiáng)度，atm-1·cm-2；N是吸收氣體的體積濃度；L是吸收的光路長(zhǎng)度，cm；P是氣體壓強(qiáng)，atm，1atm=101.325 kPa；g(v)是氣體吸收譜線線型函數(shù)，cm。

本系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象是氣體壓強(qiáng)為 1 atm、氮?dú)庾髌胶鈿獾奈髁制績(jī)?nèi)氧氣，所以吸收譜線線型可用洛倫茲線型擬合，與 Voigt線型相比，線型峰值相對(duì)誤差少于 0.1[22]。設(shè)氣體吸收譜線的中心頻率為v0，Δvc代表半最大值全寬，則吸收線線型函數(shù)可表示為

設(shè)高頻正弦波調(diào)制信號(hào)頻率為f，調(diào)制幅度為vm，I′0(t)表示由低頻信號(hào)引起的輸出光強(qiáng)的平均變化，α代表高頻信號(hào)引起的光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)，定義m稱為調(diào)制度。因?yàn)?S(T)NLPg(v) ?1,α?1，則調(diào)制后的激光通過(guò)待測(cè)氣體，透射激光光強(qiáng)經(jīng)計(jì)算可得[23-25]

I(t)經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)展開，則它的二次諧波系數(shù)為

當(dāng)v=v0時(shí)，即在氣體吸收峰的中心頻率處，二次諧波的峰值H2fmax為

式（5）表明，在氣體溫度、壓強(qiáng)、吸收光程及硬件相關(guān)參數(shù)、激光光強(qiáng)等保持不變的情況下，二次諧波的幅值H2fmax與氣體濃度N呈正比，這是利用二次諧波強(qiáng)度來(lái)反演氣體濃度的依據(jù)。而理論上溫度的變化會(huì)使西林瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)P、吸收線形的展寬Δvc、調(diào)制度m、譜線強(qiáng)度S(T)變化，進(jìn)而干擾氣體濃度的測(cè)量。

由式（5）可知，忽略小范圍內(nèi)溫度變化引起的瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變化及調(diào)制度對(duì)濃度反演的影響，則

實(shí)際應(yīng)用中，吸收譜線的譜線強(qiáng)度可近似由以式(7)計(jì)算[26-28]

式中，S(T0)是在參考溫度T0下的譜線強(qiáng)度，h是Planck常數(shù)，c是光速，k是Boltzmann常量，E是分子躍遷底層能級(jí)，Q是配分函數(shù)，E和Q值可由HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)查得[29-30]。在環(huán)境溫度變化范圍（273～323 K）內(nèi)，查閱Hitran2012數(shù)據(jù)庫(kù)中溫度T隨譜線線強(qiáng)S(T)的變化情況如圖1所示，求得相關(guān)系數(shù)為-0.9997，說(shuō)明譜線強(qiáng)度在小溫度范圍內(nèi)可以近似認(rèn)為是溫度的線性函數(shù)，即此范圍內(nèi)任意現(xiàn)場(chǎng)溫度的線強(qiáng)和參考溫度下的線強(qiáng)之比可以精確求得。

溫度變化會(huì)導(dǎo)致氣體空間內(nèi)壓力變化，考慮洛倫茲線型，氣體吸收譜線形狀的半最大值全寬可表示如下

式中，T是測(cè)量溫度，P是測(cè)量壓強(qiáng)，n是溫度系數(shù)，γ是空氣展寬。在標(biāo)準(zhǔn)參考溫度T0=296 K下，當(dāng)波長(zhǎng)為760.885 nm時(shí)（此時(shí)氧氣的吸收線強(qiáng)度最大），其對(duì)應(yīng)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫(kù)γ=0.049 cm-1·atm-1，n=0.74。

圖1 吸收線強(qiáng)與溫度的關(guān)系Fig.1 Relationship between temperature and line strength in 760.885 nm（HITRAN）

由式（6）～式（8）可得到，基于濃度與溫度、二次諧波強(qiáng)度之間的理論關(guān)系模型為

式中，Nc為被測(cè)氣體的實(shí)際濃度，H2fmax為當(dāng)前測(cè)得的二次諧波峰值，N0為參考溫度T0（本實(shí)驗(yàn)的參考溫度取296 K）下的氣體濃度，H2fmax0為對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，j為理論比例因子。不同規(guī)格西林瓶對(duì)應(yīng)的空氣瓶（N0≈21%）的數(shù)據(jù)（即T0為296 K時(shí)的二次諧波幅度H2fmax0）可預(yù)先測(cè)定，存入設(shè)置好的數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的自由空間溫度值T和當(dāng)前被測(cè)西林瓶的二次諧波峰值，即可求得相應(yīng)的瓶?jī)?nèi)氧氣濃度。

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)西林瓶檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)要求，成功構(gòu)建的基于TDLAS的開放單光路短光程的測(cè)試平臺(tái)如圖 2所示，信號(hào)發(fā)生器（美國(guó)，Tektronix公司，AFG3022C）產(chǎn)生低頻鋸齒波掃描信號(hào)，高精度的鎖相放大器（美國(guó)，Signal Recovery公司，Model 7280）提供高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，由加法器相加后送往激光二極管及溫度控制器（美國(guó)，Newport公司,Model 6100），對(duì)中心波長(zhǎng)是 760 nm的 DFB激光器（德國(guó)，Nanoplus公司）進(jìn)行電流調(diào)諧，受調(diào)制的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡組件（美國(guó)，Thorlab公司），在自由空間中（6 cm），單光路傾斜穿透被測(cè)密封西林瓶的無(wú)藥部分（相對(duì)瓶壁入射角θ≈ 11°），再經(jīng)聚焦透鏡組件（美國(guó)，Thorlab公司）會(huì)聚至光電探測(cè)器組件（美國(guó)，Thorlab公司，PDA36A-EC），轉(zhuǎn)換的電信號(hào)由鎖相器相敏檢波輸出二次諧波數(shù)據(jù)，和溫度傳感器采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)由GPIB接口卡（中國(guó)，研華公司，PCI-1671UP）送往計(jì)算機(jī)處理。

圖2 WMS檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of detection system based on WMS

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）針對(duì)西林瓶的兩玻璃壁之間存在標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，如圖 3所示，M1、M2分別為西林瓶?jī)蓪?duì)立瓶壁，y表示入射光束的傳輸軸線，入射角為θ，y0表示光束的自由空間長(zhǎng)度（6 cm），X表示相鄰兩透射光之間距離，d為玻璃瓶?jī)?nèi)徑即干涉腔長(zhǎng)。激光透射后的能量主要集中在直接透射光E0與經(jīng)過(guò)反射后第一次透射光E1上，求得這兩次透射光之間距離X

當(dāng)X大于探測(cè)器感光半徑與光束第1次反射后的透射光光斑半徑之和時(shí)，接收的直接透射光將不受第1次透射光干擾，波形將不會(huì)產(chǎn)生形變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)求出入射角的最小值為9.3°，在此基礎(chǔ)上對(duì)氧氣濃度是21%的西林瓶進(jìn)行角度調(diào)節(jié)測(cè)試，以20次諧波信號(hào)峰值的平均值作為信號(hào)，峰值的標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲，進(jìn)一步計(jì)算信噪比，以信噪比最大作為優(yōu)化指標(biāo)，獲得實(shí)際系統(tǒng)中的最佳入射角為10.5°，在不加入復(fù)雜光學(xué)器件和額外信息抗干擾處理前提下，有效抑制了西林瓶壁間的光學(xué)干涉條紋影響。

圖3 多光束干涉示意圖Fig.3 Sketch graph of multi-beam interference

（2）針對(duì)本系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象是在自由空間中，空氣背景噪聲大，精細(xì)選擇優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。在系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，激光器的直流工作電流、工作溫度以得到吸收峰并使吸收峰處于鋸齒波掃描信號(hào)中心為準(zhǔn)，相關(guān)參數(shù)不能超過(guò)激光器的閾值，同時(shí)激光器的光功率不能超過(guò)光電探測(cè)器的光飽和值；低頻鋸齒波掃描信號(hào)、高頻調(diào)制信號(hào)疊加在激光器直流工作電流上，幅值應(yīng)小于激光器允許的最大電流值；在得到完整不失真的二次諧波信號(hào)的前提下，調(diào)制相關(guān)參數(shù)和鎖相器的延時(shí)時(shí)間常數(shù)都以二次諧波幅度最大和標(biāo)準(zhǔn)差最小作為優(yōu)化指標(biāo)，確定相應(yīng)的參數(shù)優(yōu)化值或選擇范圍。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇優(yōu)化后為：激光器的工作溫度28.25℃，直流工作電流為35.89 mA，對(duì)應(yīng)氧氣的吸收譜線中心760.885 nm。低頻鋸齒波掃描信號(hào)電壓為 14 mV，頻率為 10 Hz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)掃描范圍是760.885 nm+10 pm。高頻正弦波調(diào)制信號(hào)電壓為10 mV，頻率為12 kHz，鎖相器的延時(shí)時(shí)間常數(shù)為20 ms，使輸出的二次諧波信號(hào)峰值較大且穩(wěn)定性好。

（3）在氣體壓強(qiáng)為1atm和溫度為296 K的條件下，氮?dú)庾髌胶鈿怏w，采集不同氧氣濃度的西林瓶（底部直徑22 mm）作為初始建模樣本，樣本濃度分別為0%、1%、4%、8%、12%、15%、21%，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：

① 對(duì)每個(gè)初始建模樣本取20個(gè)周期的二次諧波信號(hào)進(jìn)行平均處理，即將20列采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均取值，得到相應(yīng)的一列二次諧波數(shù)據(jù)，以減少隨機(jī)噪聲；

② 窗口滑動(dòng)加權(quán)平均濾波快速處理，窗口大小設(shè)置為19，用3次多項(xiàng)式進(jìn)行最小二乘擬合，用擬合所得的多項(xiàng)式計(jì)算出該測(cè)量點(diǎn)的值，作為平滑結(jié)果，以抑制系統(tǒng)周期性干擾；

③ 提取二次諧波信號(hào)峰值作為二次諧波信號(hào)特征值；

④ 背景扣除，將步驟③中得到的特征值減去建模樣本中的 0%樣本所對(duì)應(yīng)的特征值，消除開放光程中空氣里的氧氣影響，同時(shí)減少系統(tǒng)光譜漂移和玻璃瓶壁引起的光學(xué)噪聲，得到瓶?jī)?nèi)氧氣吸收的特征值。

各種濃度的西林瓶樣本各取 15支，重復(fù)步驟①～④，將對(duì)應(yīng)的 15個(gè)特征值算術(shù)平均后進(jìn)行擬合，建立常規(guī)的氧氣濃度反演模型。同時(shí)樣本濃度是 21%的西林瓶所對(duì)應(yīng)的二次諧波幅度（預(yù)處理后），作為基于溫度參量來(lái)定量預(yù)測(cè)的參考幅度（H2fmax0）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

樣本中不同濃度的西林瓶，采集 20個(gè)周期的二次諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行平均和平滑濾波快速處理后，所得波形如圖4所示，其中x軸代表在一個(gè)掃描周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，y軸代表所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值。經(jīng)峰值提取和背景扣除后，得到瓶?jī)?nèi)氧氣吸收的二次諧波峰值與濃度的最小二乘擬合關(guān)系如圖5所示。相關(guān)系數(shù)為0.9966，說(shuō)明他們之間有好的線性關(guān)系，可以用于常規(guī)的氧氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）的反演計(jì)算。

利用現(xiàn)場(chǎng)空調(diào)來(lái)改變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，利用熱電偶來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度，考慮西林瓶實(shí)際的檢測(cè)環(huán)境及可能的溫度范圍，取溫度參量從276 K開始，間隔10 K向316 K內(nèi)變化，對(duì)21%的樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，顯然二次諧波幅值是隨溫度的增加而單調(diào)降低。

圖4 不同濃度的二次諧波信號(hào)Fig.4 Second harmonic signal for different oxygen concentrations

圖5 二次諧波信號(hào)峰值和濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between second harmonic intensity and oxygen concentrations

圖6 不同溫度的二次諧波信號(hào)Fig.6 Second harmonic signal in different temperature

在不同溫度下測(cè)量氧氣濃度為21%的西林瓶，采集的二次諧波經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理后獲得相應(yīng)的二次諧波峰值，代入相應(yīng)的常規(guī)濃度反演和利用溫度參量預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，所得測(cè)量值及相對(duì)誤差如表1所示。

表1 不同溫度下的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比（氧氣濃度為21%）Table 1 Measured data of two methods at different temperatures (with oxygen concentration being 21%)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）溫度相隔10 K以上時(shí)，數(shù)據(jù)預(yù)處理后的諧波峰值最小相差9 μV以上，大于系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試時(shí)的最大幅值波動(dòng)6 μV（系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的正常波動(dòng)為4 μV左右），說(shuō)明諧波幅度變化是溫度波動(dòng)在起主導(dǎo)作用而非系統(tǒng)噪聲干擾。（2）樣本濃度在 296 K時(shí)的直接反演預(yù)測(cè)值偏離實(shí)際值，同時(shí)當(dāng)溫度在286 K時(shí)的直接反演預(yù)測(cè)值誤差較小，這是瓶?jī)?nèi)氧氣吸收的二次諧波峰值與濃度的最小二乘擬合的線性偏差所導(dǎo)致的。（3）溫度升高或偏離參考溫度太大時(shí)，直接濃度反演的測(cè)量結(jié)果偏離真實(shí)值更大，而利用溫度參量來(lái)預(yù)測(cè)濃度更加準(zhǔn)確，相當(dāng)于對(duì)溫度變化的影響有抑制作用。（4）整體來(lái)看，常規(guī)濃度反演預(yù)測(cè)和利用溫度參量預(yù)測(cè)的均方根誤差（RMSEP）分別是1.22%和0.24%，后者比前者降低了80.33%，說(shuō)明利用溫度參量預(yù)測(cè)的效果更好。這是因?yàn)槔碚撘蜃有Ｕ胁槐剡M(jìn)行不同溫度和諧波強(qiáng)度的測(cè)量，避免了多次測(cè)量的數(shù)據(jù)采集和處理誤差，同時(shí)不需要進(jìn)行溫度和諧波強(qiáng)度的近似擬合，也避免了擬合偏差影響，因而所得結(jié)果更趨向樣本數(shù)據(jù)采集時(shí)的標(biāo)定濃度。（5）為了提高測(cè)量精度，系統(tǒng)將鋸齒波掃描信號(hào)頻率設(shè)為 10 Hz，經(jīng)20個(gè)周期信號(hào)處理費(fèi)時(shí)2 s。兩種方法從上位機(jī)啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)開始到系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理完畢顯示測(cè)量濃度，所花時(shí)間都在2.1 s以內(nèi)，說(shuō)明濃度預(yù)測(cè)算法基本上不影響系統(tǒng)速度。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于溫度參量的西林瓶?jī)?nèi)氧氣濃度檢測(cè)方法，構(gòu)建了基于TDLAS技術(shù)的開放單光路短光程檢測(cè)系統(tǒng)，闡述了數(shù)據(jù)處理流程。在溫度變化范圍276～316 K內(nèi)（間隔10 K），析取相應(yīng)的二次諧波峰值進(jìn)行直接濃度反演預(yù)測(cè)和利用溫度參量預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用溫度參量的預(yù)測(cè)方法能有效克服溫度大幅變化所引起的諧波峰值波動(dòng)影響，預(yù)測(cè)的均方根誤差相對(duì)直接濃度反演方法降低了80.33%，而測(cè)量時(shí)間幾乎不受影響，同時(shí)其濃度預(yù)測(cè)算法不需要對(duì)不同規(guī)格的西林瓶進(jìn)行多次定標(biāo)建模，應(yīng)用更加方便。當(dāng)然由于溫度本身的控制和測(cè)量誤差，在更小范圍的溫度變化時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)不能辨析為是噪聲干擾還是溫度影響。下一步工作將結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量中溫度和諧波強(qiáng)度關(guān)系，進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合補(bǔ)償以進(jìn)一步提高本方法的測(cè)量精度。

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date:2017-06-07.

ZHU Hongqiu,csuzhq@163.com

supported by the Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (61621062),the Key Program of the National Natural Science of China (61533021) and the Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department(17A109).

A method to determine oxygen concentration in penicillin vials using temperature parameter

ZHU Gaofeng1,2,YANG Chunhua1,ZHU Hongqiu1,GUI Weihua1,ZHU Jianping3
(1School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha410083,Hunan,China;2School of Information,Hunan University of Humanities,Science and Technology,Loudi417000,Hunan,China;3Research Center,Truking Technology Limited,Changsha410600,Hunan,China)

Oxygen concentration in penicillin vials is currently detected by destructive measurement of off-line samples,which has many limitations including long lead time,low precision,and high missing detection rate.Using tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS),a theoretical correlation model between oxygen concentration,temperature,and second harmonic signal strength was constructed,and an on-line detection method to determine vial’s oxygen concentration was proposed by temperature parameter.The experimental design and procedure were described in detail,angle of incidence and main parameters of the system were optimized.Under condition of 1 atm (101.325 kPa) air pressure and 296 K temperature,a conventional oxygen concentration inversion model was established on vials of different oxygen concentrations.At the same time,the second harmonic signal amplitude of 21% oxygen concentration sample was used as reference for quantitative prediction by temperature parameters.Experimental results show that temperature parameter for detecting vial’s oxygen concentration can effectively overcome direct influence of large temperature variation on concentration inversion.The root mean square error of prediction (RMSEP) was reduced by 80.33%,compared to prediction method of relative direct concentration inversion.

TDLAS; gas; temperature compensation; second harmonic signal; measurement; experimental validation

O 439

A

0438—1157（2017）12—4658—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170737

2017-06-07收到初稿，2017-07-11收到修改稿。

聯(lián)系人：朱紅求。

朱高峰（1979—），男,副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(61621062)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (61533021)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（17A109）。