水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化測(cè)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(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前工業(yè)上對(duì)水泥生料元素的定量分析主要采用化學(xué)分析法即國(guó)標(biāo)法，但工序復(fù)雜、條件要求苛刻且分析時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)指導(dǎo)原料配比調(diào)整；X射線熒光光譜法雖然耗時(shí)短(~5分鐘)，但要對(duì)生料樣品進(jìn)行人工取樣、磨細(xì)、壓樣等預(yù)處理，且測(cè)量室需要抽真空，測(cè)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(cè)，但其檢測(cè)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(cè)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(jiàn)，當(dāng)前各種檢測(cè)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(cè)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(guò)測(cè)量該等離子體熒光光譜來(lái)精確獲得樣品元素含量。LIBS不需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，具有檢測(cè)精度高、測(cè)量速度快、多元素同時(shí)檢測(cè)、安全無(wú)輻射、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)水泥生料品質(zhì)，以及時(shí)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(guó)際上目前在LIBS混凝土檢測(cè)方面，沙特阿拉伯法赫德國(guó)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(duì)混凝土中的硫元素進(jìn)行了檢測(cè)，所采用譜線為S (I)545.38 nm，最小可探測(cè)限(LOD)為38.5 ppm ;俄羅斯莫斯科國(guó)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(duì)混凝土中的氯、硫和碳等元素含量進(jìn)行了檢測(cè)，LOD值滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。在LIBS水泥檢測(cè)方面，德國(guó)亞森工業(yè)大學(xué)的C.D.Gehlen等人使用LIBS技術(shù)對(duì)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(cè)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(duì)水泥料中的Ca、S1、Mg、Al、Na、Ti元素含量進(jìn)行了檢測(cè)，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(bào)道均為L(zhǎng)IBS實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果，未能將LIBS技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥生料品質(zhì)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決目前工業(yè)上對(duì)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(chǎng)的技術(shù)問(wèn)題，提供一種水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)裝置及方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種可實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)輸送管中水泥生料化合物成分及率值進(jìn)行在線檢測(cè)的全自動(dòng)水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(hào)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(guò)匯聚透鏡組、帶中孔凹面鏡的中孔后穿過(guò)石英鏡片并入射至由射流裝置的氣料出口噴射出的待測(cè)氣粉柱上，待測(cè)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(guò)石英鏡片并經(jīng)待測(cè)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(cè)氣粉柱上的位置與脈沖激光入至待測(cè)氣粉柱上的位置相同；連續(xù)激光的波長(zhǎng)與等離子體熒光的譜線不重合。
[0008]所述全自動(dòng)水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)裝置工作時(shí)，脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)過(guò)匯聚透鏡組以及石英鏡片之后入射至待測(cè)氣粉柱17上，待測(cè)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(duì)待測(cè)氣粉柱17中料粉濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè):連續(xù)激光照射到待測(cè)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(hào)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(cè)氣粉柱17的濃度不穩(wěn)定，將會(huì)影響定量分析結(jié)果，而所測(cè)散射光光強(qiáng)與待測(cè)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(shí)，應(yīng)利用該散射光光強(qiáng)對(duì)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(cè)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(cè)氣粉柱的流量變化對(duì)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(zhǎng)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(jì)，功率計(jì)的信號(hào)輸出端與工控機(jī)的信號(hào)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(dòng)水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)裝置中，為了使脈沖激光器I的輸出功率能夠長(zhǎng)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(jì)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(jì)11和工控機(jī)12組成。由于脈沖激光器I在短時(shí)間自由運(yùn)行時(shí)相對(duì)比較穩(wěn)定，并且功率計(jì)存在一個(gè)短暫的響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(gè)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(hào)輸出端連接有光端機(jī)。
[0012]光端機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)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(dòng)水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)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)槠叫泄猓瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)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(huì)得到改善，從而獲得更高信噪比的光譜；裝置中包含一個(gè)帶中孔凹面鏡6，其作用是一方面可以使脈沖激光通過(guò)，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(cè)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(cè)方法，包括如下步驟:水泥生料品質(zhì)在線激光檢測(cè)裝置工作時(shí)，高壓氣罐內(nèi)的潔凈壓縮空氣驅(qū)動(dòng)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(cè)氣粉柱；工控機(jī)啟動(dòng)脈沖激光器，出射的脈沖激光經(jīng)過(guò)分束鏡后被分為兩束，反射光由功率計(jì)探測(cè)后，工控機(jī)每隔數(shù)秒采集一次功率值，通過(guò)計(jì)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(guò)聚焦鏡進(jìn)行匯聚，匯聚光經(jīng)過(guò)帶中孔凹面鏡和石英鏡片后，到達(dá)待測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入工控機(jī)中；同時(shí)，連續(xù)激光器發(fā)出的激光照射到待測(cè)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(duì)接收到的光譜信號(hào)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(lái)對(duì)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(cè)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(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到水泥中元素含量及三率值，同時(shí)光端機(jī)將檢測(cè)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(shí)、快速、準(zhǔn)確地對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)輸送管中水泥生料化合物成分及率值進(jìn)行在線檢測(cè)，連續(xù)激光器與脈沖激光器的配合使用避免了待測(cè)水泥氣粉柱由于流量變化造成的影響，極大的提高了檢測(cè)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(gè)裝置設(shè)計(jì)精妙，檢測(cè)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(shuō)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(shí)的輸出功率對(duì)比圖。
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