水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動化測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前工業(yè)上對水泥生料元素的定量分析主要采用化學(xué)分析法即國標(biāo)法，但工序復(fù)雜、條件要求苛刻且分析時間長，無法及時指導(dǎo)原料配比調(diào)整；X射線熒光光譜法雖然耗時短(~5分鐘)，但要對生料樣品進(jìn)行人工取樣、磨細(xì)、壓樣等預(yù)處理，且測量室需要抽真空，測量環(huán)境要求溫濕度恒定；γ射線分析法能夠?qū)ζ系幕旌显线M(jìn)行在線檢測，但其檢測結(jié)果受高原子序數(shù)元素含量的影響較大，樣品的形態(tài)及不均勻性也都大大降低了檢測精度，并且存在放射性污染，放射源的保養(yǎng)及日常護(hù)理難度也較高。由此可見，當(dāng)前各種檢測方法都難以快速準(zhǔn)確的反饋水泥生料的品質(zhì)信息，急需發(fā)展基于新技術(shù)的在線檢測方法及
目.ο
[0003]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)是一種全新的物質(zhì)元素分析技術(shù)，其原理是將一束高能脈沖激光聚焦到樣品上，使樣品表面燒蝕成等離子體，通過測量該等離子體熒光光譜來精確獲得樣品元素含量。LIBS不需對樣品進(jìn)行預(yù)處理，具有檢測精度高、測量速度快、多元素同時檢測、安全無輻射、成本低等優(yōu)勢，適合于實(shí)時在線檢測水泥生料品質(zhì)，以及時指導(dǎo)調(diào)整原料配比，提高入窯合格率，節(jié)約成本，提高效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
[0004]國際上目前在LIBS混凝土檢測方面，沙特阿拉伯法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)的Μ.A.Gondal等人采用雙脈沖LIBS系統(tǒng)對混凝土中的硫元素進(jìn)行了檢測，所采用譜線為S (I)545.38 nm，最小可探測限(LOD)為38.5 ppm ;俄羅斯莫斯科國立大學(xué)的T.A.Labutin等人采用雙脈沖LIBS系統(tǒng)和譜線歸一化處理方法對混凝土中的氯、硫和碳等元素含量進(jìn)行了檢測，LOD值滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。在LIBS水泥檢測方面，德國亞森工業(yè)大學(xué)的C.D.Gehlen等人使用LIBS技術(shù)對水泥中氯元素進(jìn)行了定量分析，所采用的氯元素譜線為Cl (I)134.72 nm,所獲氯元素檢測的LOD值為0.1% ;伊朗沙希德貝赫什提A.Mansoori等人利用LIBS技術(shù)對水泥料中的Ca、S1、Mg、Al、Na、Ti元素含量進(jìn)行了檢測，所獲定標(biāo)曲線的線性擬合度大于0.96，LOD值小于40 ppmo然而，以上報道均為LIBS實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果，未能將LIBS技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對水泥生料品質(zhì)的實(shí)時在線檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決目前工業(yè)上對水泥生料元素的定量分析存在分析結(jié)果不準(zhǔn)確且不能有效應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的技術(shù)問題，提供一種水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置及方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種可實(shí)時、快速、準(zhǔn)確地對工業(yè)現(xiàn)場輸送管中水泥生料化合物成分及率值進(jìn)行在線檢測的全自動水泥生料品質(zhì)在線激光檢測方法，相應(yīng)裝置如圖1所示。
[0007]本發(fā)明所述的水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置，包括脈沖激光器、順次設(shè)在脈沖激光器出射光路上的匯聚透鏡組以及帶中孔凹面鏡；帶中孔凹面鏡的凹面一側(cè)設(shè)有石英鏡片、高壓氣罐和射流裝置；射流裝置的進(jìn)料口與水泥生料輸送管相連通，高壓氣罐與射流裝置的進(jìn)氣口相連通；帶中孔凹面鏡旁還設(shè)有連續(xù)激光器；帶中孔凹面鏡的反射光路上設(shè)有光纖聚焦頭，光纖聚焦頭通過光纖連接有光譜儀，光譜儀連接有工控機(jī)，工控機(jī)的信號輸出端與脈沖激光器的電壓控制端相連接；脈沖激光器出射的脈沖激光穿過匯聚透鏡組、帶中孔凹面鏡的中孔后穿過石英鏡片并入射至由射流裝置的氣料出口噴射出的待測氣粉柱上，待測氣粉柱在脈沖激光激發(fā)下發(fā)射的等離子體熒光被帶中孔凹面鏡反射至光纖聚焦頭中；所述連續(xù)激光器出射的連續(xù)激光透過石英鏡片并經(jīng)待測氣粉柱散射后由帶中孔凹面鏡反射至光纖聚焦頭中；連續(xù)激光入射至待測氣粉柱上的位置與脈沖激光入至待測氣粉柱上的位置相同；連續(xù)激光的波長與等離子體熒光的譜線不重合。
[0008]所述全自動水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置工作時，脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)過匯聚透鏡組以及石英鏡片之后入射至待測氣粉柱17上，待測氣粉柱17內(nèi)的水泥粉末在脈沖激光的作用下發(fā)射出的等離子體熒光(也即元素特征發(fā)射光譜)在帶中孔凹面鏡反射下經(jīng)光纖聚焦頭7采集后輸入至光譜儀10 ;連續(xù)激光器8和光譜儀10配合完成對待測氣粉柱17中料粉濃度的實(shí)時檢測:連續(xù)激光照射到待測氣粉柱上發(fā)生散射，散射光經(jīng)帶中孔凹面鏡6匯聚后，由光纖聚焦頭7收集進(jìn)入光譜儀10中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所轉(zhuǎn)換的反映散射光強(qiáng)度的數(shù)字信號傳送至工控機(jī)12中。由于水泥生料輸送管16中的生料流量不斷發(fā)生變化，造成待測氣粉柱17的濃度不穩(wěn)定，將會影響定量分析結(jié)果，而所測散射光光強(qiáng)與待測氣粉柱17的氣粉混合濃度呈正相關(guān)。因此，在光譜數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)利用該散射光光強(qiáng)對生料等離子體光譜進(jìn)行歸一化處理，即采集多組元素特征譜線強(qiáng)度Yi (i=l，2，3，…)與散射光光強(qiáng)Xi(i=l，2，3，…)后得到線性擬合公式y(tǒng)=ax+b，則元素特征譜線歸一化強(qiáng)度=元素特征譜線強(qiáng)度/ (a*散射光強(qiáng)度+b);再將多次測量歸一化值數(shù)組中偏離較大的數(shù)據(jù)剔除，篩選后的剩余數(shù)值的均值作為定量分析的有效數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)處理方法有效避免了待測氣粉柱的流量變化對其成分分析所造成的影響，使得成分分析結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。這里，要求連續(xù)激光不僅要線寬窄，并且其輸出波長要與生料等離子體光譜中的譜線不重合，從而避免相互干擾。
[0009]進(jìn)一步的，脈沖激光器與匯聚透鏡組之間設(shè)有分束鏡；匯聚透鏡組位于分束鏡的透射光路上，分束鏡的反射光路上設(shè)有功率計，功率計的信號輸出端與工控機(jī)的信號輸入端相連接；所述匯聚透鏡組包括順次位于分束鏡透射光路上的凹透鏡、凸透鏡以及聚焦鏡。
[0010]所述全自動水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置中，為了使脈沖激光器I的輸出功率能夠長期穩(wěn)定地工作在預(yù)設(shè)值的允許區(qū)間內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計了脈沖激光功率反饋穩(wěn)定裝置，該裝置由脈沖激光器1、功率計11和工控機(jī)12組成。由于脈沖激光器I在短時間自由運(yùn)行時相對比較穩(wěn)定，并且功率計存在一個短暫的響應(yīng)時間，所以脈沖激光器工作后，工控機(jī)12每隔數(shù)秒采集一次功率值并與預(yù)設(shè)值比較，如果功率值與預(yù)設(shè)值的差值在允許區(qū)間內(nèi)則不動作，如果差值大于允許區(qū)間，則將脈沖激光器的氙燈電壓相應(yīng)調(diào)節(jié)一個小量，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖激光功率的穩(wěn)定輸出，獲得穩(wěn)定的等離子體光譜。
[0011]進(jìn)一步的，工控機(jī)的信號輸出端連接有光端機(jī)。
[0012]光端機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測信息的遠(yuǎn)距離快速傳輸。
[0013]進(jìn)一步的，石英鏡片的入射面與從帶中孔凹面鏡的中孔出射的激光不垂直；石英鏡片旁配設(shè)有吹掃頭。
[0014]所述全自動水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置為了實(shí)現(xiàn)高效激發(fā)和光譜收集，發(fā)明了防塵式高效光學(xué)激發(fā)收集裝置，由凹透鏡3、凸透鏡4、聚焦鏡5、帶中孔凹面鏡6、石英鏡片9以及吹掃頭18組成。其中，脈沖激光經(jīng)凹透鏡3后變?yōu)榘l(fā)散光，再經(jīng)凸透鏡4后變?yōu)槠叫泄?，?shí)現(xiàn)了對脈沖激光的擴(kuò)束，激光先擴(kuò)束后再聚焦，不僅可獲得直徑更小的焦點(diǎn)，而且光束質(zhì)量也會得到改善，從而獲得更高信噪比的光譜；裝置中包含一個帶中孔凹面鏡6，其作用是一方面可以使脈沖激光通過，另一方面又可以匯聚等離子體熒光，從而進(jìn)一步提高等離子體光譜的信噪比；裝置中的石英鏡片9不與輸出激光垂直放置，其目的是防止被鏡片反射的脈沖激光沿原路返回而損壞激光器；裝置中的石英鏡片9的一側(cè)配備了定期吹掃式高壓吹掃頭18，防止鏡片表面被粉塵污染而降低透光率和由高能脈沖激光引起的鏡面損傷。
[0015]本發(fā)明所述水泥生料品質(zhì)在線激光檢測方法是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種水泥生料品質(zhì)在線激光檢測方法，包括如下步驟:水泥生料品質(zhì)在線激光檢測裝置工作時，高壓氣罐內(nèi)的潔凈壓縮空氣驅(qū)動射流裝置將水泥生料粉末從水泥生料輸送管處吸出，與壓縮空氣混合后，再以氣粉混合物的形式噴出，形成連續(xù)的待測氣粉柱；工控機(jī)啟動脈沖激光器，出射的脈沖激光經(jīng)過分束鏡后被分為兩束，反射光由功率計探測后，工控機(jī)每隔數(shù)秒采集一次功率值，通過計算分析反饋穩(wěn)定脈沖激光器的輸出功率；透射光經(jīng)凹透鏡和凸透鏡擴(kuò)束后，再經(jīng)過聚焦鏡進(jìn)行匯聚，匯聚光經(jīng)過帶中孔凹面鏡和石英鏡片后，到達(dá)待測氣粉柱表面，在其表面燒蝕形成等離子體；等離子體發(fā)出的熒光經(jīng)石英鏡片后被帶中孔凹面鏡反射匯聚至光纖聚焦頭，再由光纖傳入光譜儀中，光譜儀將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳入工控機(jī)中；同時，連續(xù)激光器發(fā)出的激光照射到待測氣粉柱表面上的同一位置，其散射光經(jīng)帶中孔凹面鏡匯聚由光纖聚焦頭收集后進(jìn)入光譜儀；工控機(jī)對接收到的光譜信號進(jìn)行歸一化和數(shù)據(jù)篩選處理:所述散射光光強(qiáng)能夠用來對生料等離子體熒光光譜進(jìn)行歸一化，即用生料等離子體熒光光譜強(qiáng)度除以散射光光強(qiáng)，再將多次測量歸一化值數(shù)組中偏離較大的數(shù)據(jù)剔除，篩選后的剩余數(shù)值的均值作為定量分析的有效數(shù)據(jù)；利用支持向量機(jī)模型對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得到水泥中元素含量及三率值，同時光端機(jī)將檢測結(jié)果傳送至中控室以指導(dǎo)調(diào)整水泥原料配比。
[0016]本發(fā)明可實(shí)時、快速、準(zhǔn)確地對工業(yè)現(xiàn)場輸送管中水泥生料化合物成分及率值進(jìn)行在線檢測，連續(xù)激光器與脈沖激光器的配合使用避免了待測水泥氣粉柱由于流量變化造成的影響，極大的提高了檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度；激光功率反饋穩(wěn)定裝置則有效保證了脈沖激光器出射激光的功率穩(wěn)定。整個裝置設(shè)計精妙，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠有效保證水泥產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2散射光強(qiáng)度和Ca 318.1 nm譜線強(qiáng)度間的關(guān)系圖。
[0019]圖3散射光強(qiáng)度和Ca 318.1 nm歸一化譜線強(qiáng)度間的關(guān)系圖。
[0020]圖4脈沖激光功率反饋穩(wěn)定前后激光器800小時的輸出功率對比圖。
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