CN101198845B - 气流内被传输颗粒的流内光谱元素分析 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种颗粒呈现设备(10)，用于呈现在气流(16)内传输且用于流内光谱元素分析(14)的颗粒，该设备包括：颗粒混合部分，用于均质化具有显著不同尺寸的颗粒分布，颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内；以及颗粒取样部分(10)，其包括适于供激发束，比如激光束(12)和光子发射穿过的窗口(24)，以及管路(15)，用于让颗粒的均质化气流传输经过窗口，从而使穿过窗口(24)的颗粒激发束能够穿入到均质化颗粒流(16)中。该设备可与钻机组合使用，其中颗粒混合部分配接到钻机的出口管(15)上，用于容纳随机分布颗粒的所述气流(16)，颗粒从钻孔排出。

Description

气流内被传输颗粒的流内光谱元素分析
对相关申请的交叉引用
该申请为2005年6月16日提交的美国临时专利申请第60/691,076号的部分继续申请。
背景技术
本发明大体上涉及对颗粒物质的元素分析，尤其涉及对气流内被传输颗粒的流内光谱元素分析。
在许多情况下，在气流内被传输且用于流内光谱元素分析的颗粒物质的分布具有显著的随机性。这种随机性是由颗粒尺寸或重量的差异、气流内的速度分布或流动几何学所引起的。气流内颗粒尺寸的范围可以从亚微米到超过50毫米。
GB1390745涉及用于测量同质悬浮形式的粉状材料的精细度的设备。来自激光辐射的会聚射束经过悬浮物，且在激光的聚焦平面形成的分散的图案由光电管进行检测。
US2002159059涉及一种使用激光产生的等离子光谱学，对液体(包括熔化材料)进行光谱化学分析的方法和设备。
发明内容
本发明提供一种颗粒呈现设备，用于呈现在气流内传输用于流内光谱元素分析的颗粒，该设备包括：
颗粒混合部分，用于均质化具有显著不同尺寸的颗粒分布，该颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内；以及
颗粒取样部分，以及管路，该管路用于传输颗粒的该均质化气流，从而使颗粒激发束能够穿入到该均质化颗粒流中；
其中，该颗粒混合部分适用于均质化用于流内光谱元素分析的颗粒分布；且该颗粒取样部分包括适于供颗粒激发束(excitation beam)与光子发射(photon emission)穿过的窗口，从而使穿过该窗口的颗粒激发束能够穿入到该均质化颗粒流中，并在用于光谱元素分析的流内激发均质化分布的颗粒。
本发明同时提供一种颗粒呈现方法，用于对具有显著不同尺寸的颗粒进行流内光谱元素分析，颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内，该方法包括步骤：
(a)均质化具有显著不同尺寸的颗粒的分布，颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内；
(b)让颗粒的均质化流传输经过窗口，该窗口适于供颗粒激发束与光子发射穿过，
(c)将颗粒激发束穿过窗口而发射到传输经过窗口的颗粒的均质化流中，从而在流内激发颗粒中的一些，光子自颗粒穿过窗口而发射，光子具有波长，该波长为颗粒的成份元素或分子的特性；以及
(d)将穿过窗口而被发射的光子导向至光谱仪。
优选地，颗粒激发束为激光束。
本发明尤其对借助分解光谱学对流内元素分析有用。分解光谱学涉及高温等离子的产生，其导致颗粒分离(分解)。在等离子冷却的过程中，原子内的电子跃迁导致具有特性波长的光子的发射。分解通常由激光、电火花或微波诱发。
分解光谱学产生非常小的敏感体积，并具有大约为1mm3的发射体积。因为这一点，测量体积常常显著地小于容纳于气流中的颗粒材料分布的瞬间可变性的规模，并且常常小于最大颗粒尺寸。通过均质化气流内颗粒的分布，本发明以某种方式呈现了用于分解及用于作为结果的光谱分析的颗粒，从而使在每个取样间隔过程中穿过测量体积的颗粒材料的平均尺寸，更好地接近整个气流内颗粒材料的平均尺寸，并且因此减小了取样测量的影响，该测量由不同尺寸颗粒的随机分布差异所偏移。
本发明的额外特征阐述于详细描述中。
附图说明
图1为示意图，其展示了根据本发明的颗粒呈现设备在系统内的利用，该系统用于借助激光诱发的分解光谱学而执行元素分析。
图2为根据本发明的颗粒呈现设备的一个优选实施例的示意图。
图3为包括于图2所示颗粒呈现设备内的颗粒混合部分的一个实施例的截面图。
图4为包括于图2所示颗粒呈现设备内的颗粒取样部分内的静态混合器的一个实施例的截面图。
图4A为图4所示颗粒取样部分的截面端视图。
图5为示意图，其展示了光学系统的一个实施例，激光与光谱仪借助该光学系统而与图2所示的颗粒呈现设备组合起来，用于借助激光诱发的分解光谱学而进行元素分析。
图6为示意图，其展示了光学系统的另一个实施例，激光与光谱仪借助该光学系统而与图2所示的颗粒呈现设备组合起来，用于借助激光诱发的分解光谱学而进行元素分析。
具体实施方式
参考图1，根据本发明一个实施例的颗粒呈现设备10与系统内的激光12和光谱仪14组合起来，用于借助激光诱发的分解光谱学(LIBS)而执行元素分析。
在一个实施例中，设备10用于呈现颗粒，该颗粒包含于在压力下从钻孔排出的气流内，设备10借此而安装到钻机上。钻机包括出口管，自该出口管，由钻机疏松、但没有被钻机带到表面的土质材料颗粒，在压力下从气流内的钻孔中排出，并且通常经由管和/或软管系统而传输到废料点。在该实施例中，颗粒呈现设备10借助管和/或软管15而配接到钻机的出口管(图未示)上，用于容纳排出的颗粒气流。典型地，包含于这种气流内的颗粒的分布包括从微米到毫米尺寸的颗粒。当待分析颗粒提取自采石场的时候，该实施例尤其有用。
颗粒呈现设备10借助管和/或软管15而配接到钻机的出口管(图未示)上，由钻机疏松、但没有被钻机带到表面的土质物质颗粒，在压力下从气流内的钻孔中经由出口管而排出。颗粒流在箭头16所示方向内经由颗粒呈现设备10而传输，然后经由管和/或软管17、18而传输到废料点(图未示)。当颗粒流的速度不足以将颗粒经由颗粒呈现设备10而推进成近似平行的流的时候，泵20配接到废物处理管和/或软管17、18的系统上，用于增加颗粒流的速度，从而使流近似平行。
激光12穿过颗粒呈现设备10内的窗口24而发射激光束22，然后发射进入颗粒流内，以便产生等离子，该等离子诱发颗粒的分解或荧光。从诱发事件发射的光子穿过颗粒呈现设备10内的窗口24，然后穿过光学系统26而到达光谱仪14。在一些实施例中，窗口24为光学透镜。
颗粒呈现设备10、激光12、光谱仪14及光学系统26设计成承受振动与震动，以便当用于钻机环境的时候维持光学性能。仪器(图未示)配接到钻深测量仪上，用于传送作为钻深函数的元素分析。该分析与接收自全球定位系统(GPS)的位置数据组合起来，此时钻机再定位成提供采石场内的岩石质量的三维绘图。
激光功率选择成产生具有足够尺寸的稳定等离子，以便在光谱仪内产生充足的信号。激光功率也导致等离子温度的演化，其影响了谱线的相对强度。因此，信噪比由激光功率的选择所影响。
光谱仪的门延迟(gate delay)差异(激光脉冲与光谱仪采集开始之间的时间)改变了从由光谱仪采集的等离子发射的连续光线的数量，并且也改变了光谱的相对谱线强度，因为等离子冷却及高能量激发衰退的缘故。
在优选实施例中，光谱借助不同的光谱仪的门延迟而被采集起来，用于分别为不同元素确定优化的信号与背景的比值。较长的门延迟允许宽带等离子辐射(背景)的衰退，但也导致信号的损失。从信号与背景比值的角度考虑，较长的门延迟看起来最合适。
光谱仪根据敏感性、分辨率及定时而被选择。在一个实施例中，使用基于非强化的电荷耦合装置(CCD)的光谱仪。单个光谱仪是用于光谱采集的最简单且最便宜的方案，但分辨率典型地限制于2000到4000像素之间，其必须覆盖感兴趣的被发射光子的波长，该波长大致在大约从200到900纳米的范围之间。使用额外的光谱仪可改善分辨率，但也增加成本和复杂度。光谱仪的积分(integration)时间应当足够小，以便避免由等离子的冷却而引起的信号改变，并且使光谱能够在不同的门延迟被采集起来，并且同时避免了这种变化。
数字信号处理器28配接到光谱仪14上，用于处理光谱仪输出信号。射频调制解调器30配接到数字信号处理器28上，用于将被处理的光谱仪输出信号传送到远离钻场的位置。
参考图2，颗粒呈现设备10的一个实施例包括颗粒混合部分32及颗粒取样部分33。颗粒流在箭头34所示的方向内同时经由部分32、33而被传输。在优选实施例中，颗粒流经由颗粒呈现设备10的流动朝向为水平状。这种朝向也可用于其它实施例中。
颗粒混合部分32包括用于传输颗粒流的管路36，及静态混合器37，用于混合颗粒流内的颗粒，该颗粒流自管15而容纳于管路36内，用于加强颗粒流内不同尺寸及不同重量颗粒的分布一致性，该颗粒流经由颗粒取样部分33而被传输。颗粒取样部分33包括用于传输颗粒流的管路38，及用于使激光束22与被发射光子能够穿过管路38的壁的窗口24。
参考图3，在一个实施例中，颗粒混合部分32的静态混合器37包括重复系列的不同形状的挡板40、41、42，用于混合颗粒。挡板借助螺丝44而安装到管路36上。挡板40、41、42设置成相对之间具有不同角度。在优选实施例中，颗粒混合部分32为标示为ASX80-4-S4-NRL-A150的产品，其由澳大利亚的PACT IntemationalPTY公司销售。挡板40、41、42可去掉并且可替换。挡板必须经常被替换，因为由与颗粒流接触而引起的磨损的缘故。
在备选实施例中(图未示)，静态混合器37包括喷嘴系统，其设置成用于加强颗粒流内不同尺寸颗粒的分布一致性。在其它实施例中(图未示)，用于加强颗粒流内不同尺寸颗粒的分布一致性的装置不同于静态混合器。
参考图4和图4A，颗粒取样部分33包括窗口24；以及经过管路38壁的入口46，喷射气流在高压下从外源(图未示)自该入口46而被泵抽；以及挡板48，挡板48用于将喷射空气流在平行于颗粒流流动的方向内，导向经过窗口24内的内表面，如箭头50所示。挡板48导致喷射空气在移动经过窗口24内表面时相对平坦。喷射空气流以比颗粒流速度更高的速度而泵抽经过窗口24的内表面。
通过将相对较高速度的清洁空气喷射流导向经过窗口24的内表面，流内的颗粒与窗口24的接触得以减少。流内的颗粒与窗口24接触的减少近而减少了对窗口24的损坏，并且减少了激光束24及光子发射的任何朦胧，其由精细颗粒在窗口24的内表面上的聚积而引起。窗口24应当保持清洁，并且当存在精细和/或研磨粉末的时候未被划伤，因为聚积或窗口的模糊将吸收激光能量，并且降低等离子的性能，或者烧坏窗口并阻止光的传输。如果窗口24没有积极地保持清洁的话，那么70mJ是导致窗口24上的材料燃烧的足够能量。
并且也使用空气幕，其中气流为穿过窗口24表面的薄层，并且平行于处理流。也可以使用横向薄层空气幕。
在备选实施例中(图未示)，(a)喷射空气对着窗口24而导向；(b)喷射空气在未平行于颗粒流流动的方向内被导向；和/或(c)喷射空气的速度并不比颗粒流速度高许多。
遮光器(图未示)结合于管路38内，以便在气流损失、气流压力显著减小或进水的情况下，保持窗口24清洁。在优选实施例中，遮光器为密封的滑动阀，并且其由弹簧装载的气动气缸所致动。气流的优选压力使得气缸逆着弹簧恢复力而保持打开。气流损失或气流压力的显著减小导致弹簧通过对阀进行密封而关闭遮光器。遮光器系统与光谱分析系统的控制电子器件互锁，从而使遮光器在将要打开之前使气流能够流动。提供于入口46的气流流的湿度检测也将导致遮光器关闭。激光与遮光器互锁，从而直到遮光器打开的时候，它才会点火。遮光器可以电性地致动，也可以机械地致动。
激光束发送与光子采集可以共享相同的光轴或维持独特的轴线。同轴结构必须在某点分开已发送的激光束与已采集的光子。这可以通过从主光轴转动激光束、转动已采集的光子或者同时转动两者而实现。通过使用镜像直角棱镜，激光束可以被转动90度。备选地，可以使用任何激光等级的镜子或棱镜，包括介电材料或双色材料。相比之下，光学系统可以具有一定的朝向，从而使聚焦透镜与采集透镜的光轴线与主激光轴线相同，而所采集的光子则通过使用一些镜子结构(可以选择穿孔镜、双色镜或介电镜)而转离轴线。
灰尘的特性与颗粒的移动使得光密度沿着激光束的聚焦路径可变。同时，由激光束引起的分解或荧光的位置并未沿着其路径而固定到透镜的精确焦点上，而是变动了几毫米。因此光学设计必须使得目标位置的差异没有显著地影响光子的采集。为此，在一个实施例中，激光束发送与光子采集光学系统设计成共享经过窗口24的相同光路。备选地，激光束发送与光子采集可以利用独立的光路，并且光子采集可相对于所发送的激光束而朝向任何角度。横向朝向(90度)为理所当然的选择。
采集起来的光子被基于线性电荷耦合装置的光谱仪所捕获，它们在此被处理成光谱并且被传送到用于分析的远程计算机。光子采集通过使用多个不同类型的光谱仪，包括电荷耦合装置、强化的电荷耦合装置以及光电倍增管阵列(PMTs)而得以实现。
参考图5，在一个实施例中，激光12借助光学系统而耦合到颗粒呈现设备10的颗粒取样部分33上，该光学系统包括穿孔镜52和激光聚焦透镜54。激光束22穿过位于穿孔镜52中心内的开孔55、激光聚焦透镜54以及窗口24，以便将等离子56引入到颗粒流内，该颗粒流沿着箭头58所示的方向经由管路38而传输。为描述简单，图5中省略了入口46和板48。
光谱仪14借助光学系统而耦合到颗粒呈现设备10的颗粒取样部分33上，该光学系统包括激光聚焦透镜54、穿孔镜52、抛物面镜60、光纤透镜62以及配接到光纤透镜62上的光纤64。在等离子56冷却的过程中，从已分离颗粒中发射出的光子66穿过窗口24及激光聚焦透镜54，被穿孔镜52反射到抛物面镜60上，并且被抛物面镜60反射到光纤透镜62上，该光纤透镜62使所发射的光子穿过光纤64，以便传输到光谱仪14。
等离子内颗粒的分解位置可变，尤其是当管路38内的颗粒密度低的时候。因此，光谱仪14优选地没有精确地聚焦于小区域上，而是能够沿着激光束22的轴线被观察到几毫米。
光纤64具有有限的直径与接收角。抛物面镜60可以不必完美地对光进行聚焦。为了增加可视图像的有效尺寸，并且为了改善光纤64的有效接收角，可以优选地将球体透镜作为光纤透镜62而使用，所采集的发射光谱借此而对激光12的定位及对光学系统相对于等离子56的定位不太敏感。
参考图6，在另一个实施例中，激光12借助光学系统而耦合到颗粒呈现设备10的颗粒取样部分33上，该光学系统包括激光聚焦透镜24’，其也作为颗粒取样部分33的管路38内的窗口24’而使用。激光束22穿过激光聚焦透镜/窗口24’，以便将等离子56引入到颗粒流内，该颗粒流沿着箭头58所示的方向经由管路38而传输。为描述简单，图6中省略了入口46和板48。
光谱仪14借助光学系统而耦合到颗粒呈现设备10的颗粒取样部分33上，该光学系统包括激光聚焦透镜/窗口24’、光纤透镜62及配接到光纤透镜62上的光纤64。从等离子56内的颗粒中发射出的光子66，穿过激光聚焦透镜/窗口24’而到达光纤透镜62，该光纤透镜62使所发射的光子穿过光纤64，以便传输到光谱仪14。虽然由图6中的实施例所示的光学系统提供的光采集并不比由图5中的实施例所示的光学系统提供的光采集光学有效，展示于图6实施例中的光学系统，相对于需要用于许多应用中的光学系统，更加稳健并且提供更多的光。
对于一些实施例(图未示)，针对激光12的相对定位及光学系统相对于等离子56的相对定位的敏感度，通过消除大多数光学组件，尤其是镜子，并且通过在可能的场合使用光纤而得以减小。在这样的一个实施例中，光纤将激光发送到颗粒取样部分管路内的聚焦窗口。光谱仪也通过光纤而配接到窗口，并且使用了采集透镜。
在其它方面中，利用了本发明的方法与设备，用于借助备选的光谱分析技术进行流内元素分析，该光谱分析技术没有利用分解光谱学。这样的一种备选技术利用了荧光光谱学。
当分析材料从锻烧炉取样的时候，使用了垂直朝向的颗粒流流动。来自锻烧炉的取样器借助重力而推进样品，并且样品直接地掉落经过颗粒呈现设备的取样部分。
在其它实施例中，利用本发明来呈现颗粒，该颗粒用于借助光谱学而进行元素分析，其中颗粒包含于生料、热料(从大约在1000℃的锻烧炉中提炼出来的材料)、飞灰(添加到生料中的成份)、水泥(精加工产品)、烟气(分析污染物)、煤粉、烧结物或旁灰或窑灰(从预加热器中排出)流中。
在一些实施例中，颗粒没有包含于在压力下被推动的气流内。比如，颗粒包含于在重力下被推动的气流内。
本发明在水泥工业及矿业与金属业中有用，其中生料被采集或挖掘。在许多过程中，生料与处理添加剂被碾磨成产生从微米到毫米尺寸的颗粒。所有这些材料可借助分解光谱学或其变型而被分析。
在优选实施例中，颗粒分解是由激光束诱发的。在其它实施例中，颗粒分解是由其它装置，比如电火花或微波诱发的。
本发明的颗粒呈现设备可以移动。虽然它可以安装于固定的位置，容易地移动用于移动诊断的颗粒呈现设备是可能的。
文中特别描述的优点并不必然应用于本发明的每个可构思出的实施例。此外，本发明这样陈述的优点仅仅为举例，不应当解释为本发明的唯一优点。
虽然上述描述包含了许多特例，它们不应当被解释为对本发明范围的限制，而应当作为文中描述的优选实施例的举例。其它变形实施例是可能的，并且本发明的范围不应当由文中描述的实施例所决定，而应当由权利要求及它们的法律等同所确定。

Claims (14)

1.一种颗粒呈现设备(10)，用于呈现在气流内传输用于流内光谱元素分析的颗粒，所述设备(10)包括：
颗粒混合部分(32)，用于均质化具有显著不同尺寸的颗粒分布，所述颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内；以及
颗粒取样部分(33)，以及管路(36)，所述管路用于传输颗粒的所述均质化气流，从而使颗粒激发束能够穿入到所述均质化颗粒流中；
其特征在于，所述颗粒混合部分(32)适用于均质化用于流内光谱元素分析的颗粒分布；且所述颗粒取样部分(33)包括适于供颗粒激发束(22)与光子发射穿过的窗口(24)，从而使穿过所述窗口(24)的颗粒激发束(22)能够穿入到所述均质化颗粒流中，并在用于光谱元素分析的流内激发均质化分布的颗粒。
2.如权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，与钻机组合，其中所述颗粒混合部分(32)配接到所述钻机的出口管上，用于容纳所述随机分布颗粒的气流，所述颗粒从钻孔排出。
3.如权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，所述窗口(24)为聚焦透镜。
4.如权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，进一步包括：
用于减少所述流内所述颗粒与所述窗口(24)接触的装置，用于减少对所述窗口(24)的损坏。
5.如权利要求4所述的设备(10)，其特征在于，所述用于减少接触的装置包括用于将清洁空气喷射流导向经过或导向至所述窗口(24)内表面的装置。
6.如权利要求1所述的设备(10)，其特征在于，与装置组合，所述装置用于在压力下或重力下将所述气流推动经过所述颗粒混合部分(32)和所述颗粒取样部分(33)。
7.如权利要求5所述的设备(10)，其特征在于，所述用于减少接触的装置包括遮光器，该遮光器结合于所述管路(36)内，以便在气流损失、气流压力减小或进水的情况下保持所述窗口(24)清洁。
8.如权利要求7所述的设备(10)，其特征在于，所述遮光器是由弹簧装载的气动气缸所致动的密封的滑动阀。
9.如权利要求8所述的设备(10)，其特征在于，气流的压力能够克服弹簧恢复力而使所述遮光器保持打开，而气流损失或气流压力的减小导致弹簧通过对阀进行密封而关闭所述遮光器。
10.如权利要求7所述的设备(10)，其特征在于，所述颗粒激发束(22)为激光束，所述遮光器与激光束互锁，从而直到遮光器打开时激光束才会点火。
11.一种颗粒呈现方法，用于对具有显著不同尺寸的颗粒进行流内光谱元素分析，所述颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内，所述方法包括步骤：
(a)均质化所述具有显著不同尺寸的颗粒的分布，所述颗粒容纳于具有随机分布颗粒的气流内；
(b)让所述颗粒的均质化流传输经过窗口，所述窗口适于供颗粒激发束与光子发射穿过；
(c)将颗粒激发束穿过所述窗口而发射到传输经过所述窗口的所述颗粒均质化流中，从而在所述流内激发所述颗粒中的一些，光子自所述颗粒穿过所述窗口而发射，所述光子具有波长，所述波长为所述颗粒的成份元素或分子的特性；以及
(d)将穿过所述窗口而被发射的所述光子导向至光谱仪。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤：
(e)从钻孔接收所述随机分布颗粒的气流，所述气流依照步骤(a)而均质化，其中所述颗粒从所述钻孔排出。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤：
(e)减少所述流内的所述颗粒与所述窗口的接触，以便减少对所述窗口的损坏。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括步骤：
(f)将清洁空气喷射流导向经过或导向至所述窗口的内表面。
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