CN101529231A - 没有危险的散装材料分析器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理散装材料的系统，包括将散装材料从第一处理位置传送至第二处理位置的流的至少一个传送设备；将光投射到该流的表面上的照明源；以及捕获由该流反射，发射或吸收的光的至少一个分光计。

Description

没有危险的散装材料分析器系统
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年5月10日申请的欧洲专利申请号06405196.4、于2007年3月12日申请的序列号为11/684,972的美国专利申请，以及于2006年8月9日申请的序列号为60/836,379的美国临时专利申请的优先权，其中序列号为11/684,972的美国专利申请是于2006年6月26日申请的序列号为11/474,477的美国专利申请的部分继续申请。所有在先申请的全部内容在此引入以供参考。
技术领域
本发明通常涉及光谱成像，更具体地涉及动态工艺中散装材料(bulk material)的光谱成像。
背景技术
在工业应用中利用和生产散装材料，所述工业应用比如水泥生产，废料处理以及工艺废物处理。散装材料可被表征为用在工业应用中的材料，所述材料在为了下游生产中更容易处理的目的而被粉碎或以其他方式减小尺寸之后，在诸如传送带之类的连续移动装置上以大体积传送该材料。散装材料可以进一步被表征为被成比例地组合以及处理以形成另一种材料(比如预混合的材料)的原材料，以均匀或不均匀的形式混合的原材料(比如后混合材料)，废料材料和工艺废物的合成组合。散装材料还可表征为具有低单位值(即重量小于一吨的个体量基本上具有非常小的商业价值)的材料。为了实现经济的处理，大量材料被传送至下游生产单元，其中相对有价值的矿物成分被分离，或者粉碎处理将大块减小至可处理的颗粒尺寸，以用于化学，湿法冶金或高温冶金处理阶段。因此，没有一个颗粒具有比它的邻居更多或更少的价值(不像经历与大量材料分离的如同包含的贵重金属或宝石高价值颗粒)，并且全部材料被“散装”处理。典型的散装材料包括不均匀的一块块粗粉碎矿井或采石场散装材料，比如石灰石的矿石，铝土矿，铜，锌，铅，铁，硅石，磷酸盐岩，钾碱，粘土，稀土。类似传送的其它散装材料包括废料材料，白垩，煤和焦炭，氧化铝，泥灰岩，黄铁矿，飞灰，工艺废物等。在工艺流中利用这种散装材料，其中从源连续地、成批地或者在延长的时间段内馈送或供给散装材料。
在利用散装材料的一些工艺中，从分配源(比如料仓或筒仓)传送组分或原材料，将其混合在一起并且经过处理来形成新的材料。典型地，利用传送带，将散装材料大量地传送通过这些过程。传送带包括两个端部滑轮，具有连续的耐受力强的柔性橡胶，胶布或金属复合带，其以连续的无终止循环绕着滑轮旋转。给滑轮提供动力，以固定或可变速度将带以及在带上加载的散装材料通常向前移动至另一个带转载点，或者用于该具体制造工艺中的其它带系统。传送大量散装材料的许多工艺使用气动运送管或气动滑板在处理点之间转移散装材料。
在散装材料的传送和处理过程中，为了控制的目的，有必要分析散装材料的精确或平均的化学或矿物含量和组成。当散装材料被混合，研磨或处理以形成新的材料时，这些分析尤其有必要。在工艺废物的情况中，散装材料的表征在诊断工艺的有效性和监控污染物方面可能是有效的。获取散装材料的移动流的物理和化学状态的足够精确和详细的知识会比较困难并富有挑战性。
如上面指出的，水泥处理的特征在于散装材料的处理和形成。通过在干燥条件(干法工艺)中混合和相互研磨不同的原材料成分可以形成水泥，或者可以在水(湿法工艺)中进行。在图1中描述了用于水泥制造工艺的流程图。在该水泥制造工艺的典型版本中，一个或多个进料器100-102将粉碎的原始成分引入到传送带105-107上。进行组合以最终形成水泥的原始成分的类型取决于生产的水泥的类型和所利用的原始成分的组成。典型的原始成分包括石灰质材料(比如石灰石，泥灰岩，白垩，牡蛎壳，霰石等)，泥质材料(比如粘土，页岩，板岩，矿渣，飞灰，沙子，砂石等)，含铁材料(比如轧屑，铁矿石或硫化铁矿)，氧化铝(比如铝土矿或富含氧化铝的材料)和对水泥特性有贡献的某些添加剂。在世界的某些地方，包括石灰质成分的石灰石，泥灰岩等也可以包括足够比例的泥质材料，比如氧化铝和氧化铁，从而使得仅需要添加硅质材料。硅质材料可以类似地包含泥质材料，从而使这种硅质材料可以包括需要的氧化铝。每种原始成分可以具有不同的质量颗粒尺寸(mass particle size)。例如，一种原始成分可以具有较大的相对颗粒尺寸，而另一种原始成分可以具有小得多的平均颗粒尺寸。结果，就不同的化学性质以及广泛不同的颗粒尺寸来说，这些成分的总体混合物可以不同。
粉碎的原始成分通常被运送至第二传送带115，并以预定比例在传送带115上被混合。通过进料器分配原始成分的速率和第一传送带传送原始成分的速率可以控制原始成分的混合比例。结果，以每单位时间的量的不同速率来混合每一种原始成分。表1示出了典型的混合物的相对矿物组成：
干燥质        组成
氧化物        范围*(％)
SiO2          20(5-25)
Al2O3         8(0-8)
Fe2O3         8(0-8)
CaO           30(25-55)
MgO           6(0-6)
K2O           3(0-3)
Na2O          3(0-3)
SO3           3(0-3)
表1
在干法处理中，混合的原始成分被传送通过一系列的粗和/或精细研磨机125。研磨机将原始成分合并为均匀混合物，并分别分配粗粒度(比如在50和100目(mesh)之间)或细粒度(比如小于100目)。该研磨机可以是任何种类的研磨设备，比如工业滚筒，旋转研磨机(rotarymill)，球磨机(ball mill)，盘磨，笼式磨机，湿式悬轮磨机(mullermill)，高速研磨机等。这些研磨机将得到的原始混合物分配到随后的传送带130上，该传送带将原始混合物传送至其它研磨机或处理站。在完成对原始混合物的处理后，原始混合物被传送至窑(kiln)140。
在原始成分和原始混合物从进料器到窑的传输过程中，可以任意地包括其它处理步骤和设备。这些附加的步骤和设备可以是附加的粉碎机、提供附加添加剂至原始混合物的进料器、传送带和存储设施等。
该窑可以是垂直成角度安装的，使得其可以绕着它的中心纵轴旋转。原始混合物在窑的顶端(或者进料端)被引入，并在重力的作用下沿窑的长度向下传送。该窑工作在大约1,000摄氏度的温度下。当原始混合物通过窑时，原始混合物被煅烧(按化学术语来讲，其被还原)。水和二氧化碳被分离(drive off)，在原始混合物的成分之间发生化学反应，并且原始混合物的各成分熔化形成所称的渣块(clinker)。在这些反应的过程中，形成新的化合物。熔化温度取决于进料材料的化学组成和存在于混合物中的熔剂(flux)的类型和量。主要的熔剂是氧化铝(Al2O3)和氧化铁(Fe2O3)，其使得化学反应能够在相对较低的温度下发生。
因此形成的渣块通常被排出到篦式冷却机(grate-type cooler)上面。然后通过传送带145传送冷却的渣块，其中进料器155分配并混合石膏至渣块。该混合物被传送至研磨机165，研磨机165碾碎渣块并均匀地将石膏混合到该成分中，形成细粉水泥成分(fine powder cementcomposition)。研磨机165将水泥成分分配到传送带170上，该传送带将水泥至传送筒仓190，195，以进行存储。
湿法系统(wet system)包括单独地或作为混合的组分通过合适的粉碎机，磨碎机(grinder)和研磨机将原始成分处理成期望的细度水平。然后将原始成分送入水中形成泥浆。将泥浆传送至存储罐进行保存并不断搅动泥浆。在该阶段，可以测试泥浆，并且可以包括添加剂。然后通过将泥浆经过合适的粉碎机，磨碎机和研磨机，将泥浆减小至期望的细度。该泥浆最后被送入窑中并进行处理，如同在干法工艺过程中的那样。
生成水泥中的一个重要考虑是成分的比例必须被保持在狭窄的限度内。引入原始混合物中的成分的量的差异和在处理过程中形成的成分的组成差异会影响水泥的质量和等级。影响生产的水泥类型的其它因素包括温度，滞留时间，颗粒的尺寸以及颗粒之间接触的紧密度。结果，当为了实现期望的结果而对原始组成材料的混合进行任何调节时，在决策过程中必须认真考虑上游条件并预测下游结果。
传统地，通过从连续流中提取样品，并且人工地或经由自动化的“后置管”气动载舱(capsule)采样传送系统将它们从采样点传送至中央实验室进行分析，已经实现了对任意的原材料成分，诸如原始混合物的混合材料以及经过处理的水泥的分析和监控。然后实验室将利用多种标准设备和仪器来制备和分析样品。这些分析的结果然后用于调节诸如原始成分被成比例混合以实现期望的混合配方的速率之类的因数。
该布置虽然提供了高精度，但仍是不完善的，因为采样、分离、传送、制备和分析所需的总时间可以从最小的15-30分钟到一小时或更多改变。在该延迟过程中，成分和混合物的流连续被处理，使得由每个分析的样品所代表的快速移动的数吨的散装材料的控制点和调节点过去很长时间。这些材料从进料器，沿着传送带通过磨碎机和窑并进入筒仓所遵循的路径是连续的流动(或流)。随后对该工艺所做的任何调节将不能校正已经移出可以进行校正动作的位置之外的原始混合物和经过处理的水泥的不足。这些调节将仅影响在调节之后生成的原始成分，原始混合物和经过处理的水泥。
上述的另一个困难在于该方法不能提供对需要迅速的动态校正动作的潜在问题的解决方案。例如，混合原始成分的速率不仅取决于被混合的材料类型，而且取决于这些成分的组成。如果进料器包括缺乏组成均匀性的原始成分，则样品分析不能代表当前的流。因此，在样品分析之后进行的任何调节将不适用于当前的成分和这些成分的相应组成。
例如，美国专利4026717描述了一种用于监控水泥生产的方法，其中在沿着工艺的各个点处从材料流获得样品。在粗研磨机处理样品之后，利用桶的窑前采样器每15秒钟提取样品并且将样品沉积在第二传送带上。该带将样品传送至混合研磨机，该混合研磨机在15分钟长的时间段内收集生成混和样品。传送器然后将该混和样品传送至x-射线分析器。还公开了用于从窑和渣块冷却系统中提取样品的这些采样器。
水泥散装材料的分析可能还需要氧化物或矿相(分子多晶型物)的知识，或者基于存在的氧化物的量(或其它期望的测量的性质)的标准计算模块的知识，以进行标准质量控制。使用的一些分析装置不能直接测量氧化物或实际相位，而只测量元素值。
已经采用一些方法来得到各种原始或混合材料的化学组分的元素形式以及氧化物形式。然而在实际应用方面，这些方法是有限的，并且主要利用基于经由核子活化的中子活化原子事件。这些所谓的瞬发γ中子活化分析(PGNAA)系统需要放射性同位素用于中子通量，比如锎的同位素Cf252，或者中子发生器(管)。在这些情况中，引入的中子引起所包含材料的原子核的瞬时和临时不平衡，导致伽马辐射特征(gammaradiation signature)的发射，作为恢复平衡的反应。中子活化系统应用(对人类)潜在危险的技术，其需要保护性的永久的小心屏蔽来避免和最小化直接或间接的暴露，以及频繁昂贵的同位素或发生器管更换。Cf252的仅大约两年半的短半衰期，以及对于中子管发生器的更换的需要(通常每一到一年半需要更换一次)意味着昂贵的维护成本，以及解决在说服公共安全机构运输和操作这两种类型的中子源的过程中所遇到日益增加的困难的需要。此外，来自由辐射材料的原子核的中子通量轰击引起的散装材料的中子活化的合成伽马辐射表示附加的潜在健康和环境危害。已经尝试的其它在线(on-line)技术(比如高功率X-射线管系统，或X-射线衍射系统)也需要对当地管理机构的严格遵守。在一些地方，各种类别的所有这种装置的某一些的存在可能是受限制的或者被完全禁止的。
需要一种用于分析散装材料的系统和方法，该系统和方法提供实时分析用于快速和实时控制。关键是该设备和方法在散装材料通过时对它们进行分析。如果这种设备和方法分析工艺流中的散装材料，其将是有益的。此外，这种设备和方法不能(物理或化学地)改变或接触流动的散装材料。结果，分析的散装材料沿着工艺流不受阻断地通过。另一优点是当散装材料在移动传送带上从一个处理站被传送至下一个处理站时，该设备和方法实施对该散装材料的分析。
US2003/0123056公开了一种超光谱(hyperspectral)成像设备阵列，其用于开发详细的多光谱，超光谱和超高光谱成像和非成像特征信息。这可以实时完成，以便识别目标的独特光谱特性。该设备阵列包括安装在固定的或可移动的硬件框架上并且与类似安装的数字照相机、校准的可视光源、校准的热源和校准的荧光源共同瞄准目标上的小点的至少一个机械集成的超光谱传感器。该目标在阵列上移动，允许该阵列以高空间分辨率和光谱分辨率实施针对目标的绝对辐射校正的光谱数据的收集。
US2004/232339公开了一种超光谱成像工作站，其包括共同在单个外壳中的UV和VNIR传感器。每一个传感器捕获目标或试样的图像，产生相应的UV和VNIR数据集，该UV和VNIR数据集然后被融合成单个超光谱数据集，该单个超光谱数据集包括在从200至1000纳米的范围内高度相关的连续光谱带。
WO2006/054154公开了一种在可见(VIS)到近红外(NIR)光谱范围中利用反射光谱识别和分类目标颗粒的设备和方法。在一个版本中，超光谱成像设备用于识别和分类一批颗粒中的目标颗粒，该设备包括用于支持该批颗粒的盘，用于将该批颗粒平整成基本单层的平整(leveling)装置，用于扫描该批颗粒以产生该批颗粒的超光谱图像的超光谱扫描系统，用于在超光谱图像中确定目标颗粒的像素坐标的分类器，用于将像素坐标转换成目标颗粒在盘上的世界坐标(worldcoordinate)的转换器装置，以及用于根据计算的世界坐标拾取目标颗粒并且用于将拾取的目标颗粒转移至存储装置的目标颗粒提取装置。
WO2004/106874公开了一种用于光电测量的设备和方法。该设备包括：单个或多个光电转换装置，优选是阵列传感器，比如CCD，CMOS，CID等；光学系统，其在一个轴或多个轴上是模可扩展的，以便以任何期望的分辨率从目标上的任何期望尺寸的线或区域获取电磁辐射，其中所述光学系统优选地将所述电磁辐射模分离成多个较小的片段，并将对应于所述较小的片段的电磁辐射投射于所述单个或多个单独的光电转换装置上；以及与所述光电转换装置相关的传感器电子器件，其使得所述光电转换装置的操作模式和功能性能够被实时定义和改变，由此诸如像素的读出顺序和两维的像素装仓(pixel binning)的无限柔性的功能是完全可编程的，并且所述光电转换装置可以独立和/或同时地工作和/或被控制。
发明内容
因此本发明的一个目标是提供一种稳健的、一致的、实时的散装材料分析系统，用于识别和量化(quantify)变化散装材料的元素，化学和矿物学的特性，该变化散装材料不受阻碍和干扰地在检测器阵列下通过或穿过检测器阵列。
本发明的另一目标是提供一种分析系统，其不阻断或提取来自工艺流中的任何量的样品材料。
本发明的又一目标是提供一种专门利用无危险的激励源的散装材料分析系统。
本发明的又一目标是提供一种用于处理散装材料和控制被监控的散装材料的处理的方法。
这些和其它目的是通过一种处理散装材料的系统实现的，该系统具有将散装材料的流从第一处理位置运送至第二处理位置的至少一个传送设备，将光投射到该流表面上的照明源，以及捕获由该流反射，发射或吸收的光的至少一个分光计。优选地，该照明源将光斑或照亮的区域投射于固定位置上，该流的表面在该固定位置下通过或该流的表面穿过该固定位置，并且分光计捕获散装材料的光谱特征，还优选的是该光谱特征指示散装材料对光的反射，发射和/或吸收。
本发明的又一方面是提供一种控制单元，该控制单元与一个(或多个)分光计通信，并接收通过该一个(或多个)分光计捕获的光谱特征。优选地，该控制单元通过查询包括存储的光谱特征的数据库并且将测量的光谱特征与存储的光谱特征进行比较，来分析通过分光计进行的测量。
本发明的另一方面是控制单元与均包括至少一个操作设置的工艺设备或传送设备通信，并且发送指令至该工艺设备或传送设备，以改变操作设置。这些操作设置可以控制第一材料与第二材料组合的方式，分配第一材料或第二材料的速率，传送第一材料或第二材料的速率，或是否激活(activate)工艺设备或者传送设备。
本发明的又一方面是该系统包括分配散装材料流的至少一个散装材料分配器，运送散装材料分配器分配的散装材料流的至少一个传送设备，以及将散装材料流从第一材料变更(modify)至第二材料的至少一个工艺设备。该(至少)一个工艺设备可以混合或研摩散装材料流，分配第三材料以与该流组合，热加热该流，或执行另外的工艺动作。
本发明的又一方面是该至少一个分光计在工艺设备处理散装材料流之前或之后捕获由该散装材料流反射，发射或吸收的光。
根据以下描述，本发明的这些和其它方面以及它的具体特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是描述用于制造水泥的普通方法的工艺步骤的流程图；
图2是位于装载有散装材料的移动传送带之上的散装材料分析器的示图；
图3是装载有散装材料的传送带和位于带上方的分析器装置的轮廓的截面图。
具体实施方式
现在参照示出本发明的优选实施例的附图在下文中更完全地描述本发明。然而可以多种不同的形式体现本发明，并且本发明不应被解释为受限这里所阐述的那些内容。相反，提供这些实施例，使得本公是详尽的和完全的，并向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在所有附图中相似的数字表示相似的元件。
在本发明的优选实施例中，散装材料处理系统合并了实时散装材料分析系统，该实时散装材料分析系统采用亮度水平一致的白光，利用例如准直光栅，检测器或发生器分离并收集光谱分量的阵列，以及在一个或多个小的稳健的分光计中的一个或多个检测器的阵列，来提供光谱特征。该分析系统从白光照射的散装材料块捕获反射的和吸收的、平移的和旋转振动的光谱。
自然表面的反射和发射光谱对材料中的特殊化学键非常敏感，不管该材料是固体，液体还是气体。光谱学具有对晶体材料和非晶材料都敏感的优点，不象一些可选的光学受限的诊断方法。光谱学还适用于在可变范围和在可变几何形状中提供分析材料。
图2-3示出了用于处理散装材料的系统的多个部分。这些系统采用放置在将散装材料从一个处理点转移至另一处理点的运送设备之上的散装材料分析器，该运送设备比如传送带或气动转移。
图2和3特别示出了通过传送带200装载和传输的散装材料210。这些散装材料210是在传送带200上不均匀分布的材料，具有可变的颗粒尺寸，底料高度(bed height)(也就是带表面上散装材料的高度)和组成。图3示出了装载有散装材料210的传送带200的轮廓的截面图。该图示出了带200上散装材料210的量和重量导致该带朝向带200的中心偏斜。这通常导致带200上散装材料不均匀的底料高度和分布。
图2和3也示出了位于传送带200之上的散装材料分析器220，其将白光225投射散装材料210的表面上。散装材料分析器220基于散装材料210反射，发射和吸收的光测量散装材料210的光谱特征，这将在下面更加详细地讨论。
散装材料分析器包括具有照明源和控制单元的分光计。散装材料在传送带的表面区域上展开，以形成散装材料底负载(bed load)。散装材料底部(bed)具有面向创新的散装材料分析器的方向的上表面区域和与传送带相邻的下表面区域。传送带上散装材料的高度可以根据材料分布而变化，然而，上表面区域可被认为具有标称的底料高度。散装材料可以包括个体成分的组合或单个成分。任意一个可以是变化的质量，颗粒尺寸和组成。随着传送带的移动，散装材料在散装材料分析器之下流动，使得散装材料分析器下面的散装材料的成分发生变化。照明源发射白光，并被定位在分光计附近的某处。照明源投射光束于散装材料上，形成可以具有多种形式的照明斑，比如宽圆形，窄带或狭缝。也可以在散装材料底部的上表面区域的一部分上或在传送带400的整个宽度上形成照明斑。照明源可以包括一个或多个光发射器。照明源发出的白光可被设置成不同的强度和频率。当光被发射，发射或吸收时，提供特有的和可识别的波长，这可以用于进一步增强反射率，发射率和吸收性的光现象，导致离散的光谱特征。此外，照明源可以被放置在距标称底料高度的规定距离处，比如2米。
光谱传感器可以包括多种光学部件。在传送带400上方的预定高度处可以安装前透镜。图2进一步示出了扫描区域，该扫描区域表示分光计利用比如CMOS或CCD装置的图像传感器收集的来自散装材料的反射光的区域。沿着图像传感器的y-轴的像素分布对应于来自散装材料的反射或发射能量的波长。沿着图像传感器的x-轴的像素分布可以表示测量的位置。在扫描区域中捕获的散装材料的每一个成分具有它自身的光谱特征。该图像传感器产生输出信号，该输出信号由连接至分光计的控制单元处理。该控制单元优选包括计算机，该计算机具有至少一个处理器和具有多个数据库的存储器。该控制单元可以进一步包括象监视器之类的用于显示信息的装置，并且可以具有至处理工具的通信链路，其将在下面更加详细地描述。输出信号可经由光纤或高带宽电缆或射频链路被传送。
当散装材料通过分光计时，可以连续地、以规则的周期或在请求时进行扫描。以规则的时间间隔进行周期性的扫描，能够实现扫描材料的各个区域的定期测量。当散装材料在分光计之下通过时，周期性或连续的扫描可以用于收集关于散装材料的数据。
为了便于光谱分析，可以在x-轴上减小二维输出阵列的分辨率。在该实施例中，创新的散装材料分析系统的一个这种特别简单的实施例，输出阵列在x-轴上的分辨率被减小，使得仅一个光谱特征被转送至控制单元。该单个光谱特征然后被分析，并与一组先前记录和存储的可能材料组成的光谱特征进行比较。该实施例可应用于散装材料的分布是均匀的情况，比如水泥处理中的原始混合物，以及可用于在传送带上不同材料的分布不如散装材料的组成那么重要的情况，即正确量的特定成分的存在才是关键的情况。在观测少量的可能成分的应用中优选使用该技术。
在创新的散装材料分析系统的一个版本中，仅需要白光进行持续照明，以提供红外源，其分裂从而产生所包含的散装材料的反射和吸收光谱结构。包括NIR(近红外)，VNIR(可视近红外)，SWIR(短波红外)和TIR(热红外)的红外跨越250至2500纳米(nm)的波长范围，以用于材料的成分表征。当受到明亮的白光源的照明时，检查电磁光谱内的任何范围的选择取决于被检查的材料。在无机材料(岩石，矿石等)的情况中，在250至2500纳米范围中哪些范围的选择可能更为重要，因为平移和旋转振动的程度取决于感兴趣的分子而高度可变。如果钙，铁，铝，硅，硫，碱金属，游离氧化物等等是感兴趣的(以它们的组合分子或结晶形式)，将必须检查红外光谱的波长的不同部分。在优选实施例中，光源发射在整个250至2500纳米范围的光。例如200-1000nm的子范围对于具有不同成分组的散装材料而言可能不是有效的，因为光谱可能不能捕获足以表征散装材料的光谱特征。检查整个范围上的光谱使得能够分析不同的分子和元素组(许多散装材料的特性)，因为在感兴趣的元素/分子/矿相中对照明的反射和吸收响应产生沿着可能波长的不同振幅的光谱。
因为散装材料可以处于氧化，还原，元素或结晶/分子状态，为了报告的目的识别这些条件并将它们转换成期望的结果将是有用的。可以经由从元素至其氧化物形式的标准转换的内置计算来报告(report)氧化物。作为例子：通过将1.8895的自动转换因数乘以元素Al的报告量，铝(Al)可被转换来报告氧化铝Al2O3。对于感兴趣的任何检测的元素，可以容易获得类似的转换因数用于报告。这些转换因数对于根据原子或分子形式的所有元素的已知化学性质来报告结果是标准的，并且可以按照需要由使用者以任何形式提供，以利用内置在装置软件中的简单计算来报告分析结果。
在另一实施例中，散装材料分析器或分光计被用于对要分析的元素的波长中的几个光谱范围有效地提供最强的s/n(信噪比)。在几个分光计的布置中，每个光谱传感器可被布置成使得虚直线从每一个传感器的中心延伸至要分析的散装材料上的公共点。可替代地，如果必要的话，通过精确的分光计定位可以进行重叠光谱报告，以提供横越传送带的宽度的扫描条带(strip-swath)。如此，每一个分光计可以识别和表征对于光谱范围的不同部分的光谱特征。例如，一个分光计可以识别250至1000纳米范围的光谱特征，而另一个分光计可以识别1000至2500纳米范围的光谱特征。该技术克服了单独的分光计的光谱范围限制的局限。因此，满足了全跨度(full span)的IR光谱的要求，因为不同元素/矿物成分以不同波长区域处的强信号响应。
任何数量的化学计量技术可以用于提供将如此获得的光谱拟合(fitting)到存储的光谱库。在该装置的初始校准中，存储期望的特定散装材料块的光谱，以覆盖对于恢复和分解光谱的元素贡献物的浓度和混合物(掺合物)的全部可能范围。将这种采集的光谱与存储的光谱进行“比较”，以定义采集的光谱如何与预测的氧化物或矿相阵列相比较。采集的光谱的拟合精确度和其相对于所选的存储于装置中的标准光谱库的高度差根据光谱区域和峰值确定元素/氧化物/相位的含量和量。
反射和吸收响应都提供了对于每一个感兴趣区域的独特的和唯一的信号，但是并没有均匀地或者用相同的强度来提供。化学计量学提供了统计解决方法来生成基线，根据该基线求解重要的光谱信息，以便以有意义的方式匹配(也就是拟合)到模型化的校准库。感兴趣的组合信号的连续体以及“噪声”的附加响应必须被分离，以便检测最高的可能的S/N(信噪比)比。该信噪比可以从几十至几千改变，取决于在波长的动态范围中的哪个范围配置分光计。
分光计和它们所包括的光栅，射束分离器，检测器和光纤连接的可能组合，以及光源优选地被封装在固定在移动传送带上方的预定高度处的扫描外壳中。这样所述的外壳被布置成垂直于带和它的材料负载的正常前向或后向运动地定位。
该技术的应用适用但不局限于通过工业传送器传输的材料，比如石灰石，页岩，铝土矿，铁矿石，铜矿石，锌矿石，铅矿石，含金属(含铁和不含铁)矿石，硅石，磷酸盐岩，钾碱，粘土，膨润土，药物(pharamceuticals)，锰，稀土，废料材料，白垩，煤和焦炭，氧化铝，泥灰岩，黄铁矿，飞灰，任何上面的泥浆，包含磷酸盐的肥料，含氨成分，钾/钾碱，工业矿石(陶瓷，玻璃制造原材料，耐火材料)，镁化合物，钴，镍，钛，铬和钨。
在操作中，控制单元比较每一扫描的光谱特征与表示先前表征的标准的期望浓度的一组存储的校准。在计算机软件的帮助下，这可以实时进行。结果，在传送带上分布的散装材料的材料特性被识别。
在下一步骤中，控制单元采集所有扫描的信息，以便获得被扫描的散装材料中材料的整体分布。可以因此识别特定元素或它们的氧化物的存在，并且通过所检测和识别的光谱特征的强度来表征其浓度。
控制单元可以包括具有诊断能力的一个或多个算法，其中确定光谱特征是否与对应于每种具体散装材料的数据库中的存储的光谱特征一致。利用该特征，控制单元可被编程为确定对于特定的测量位置，每一个单独的测量位置的测量的光谱特征，或者表示测量位置的组合的光谱特征是否匹配一个或多个存储的光谱特征或落入该一个或多个存储的光谱特征的可接受的公差中。该分析也可以包括确定散装材料中的矿物或元素在量或比例上是否不足或过度。根据不足或过度的任何确定，控制单元可以执行合适的算法来预测利用散装材料形成的材料的特征，比如最后或中间工艺组成。
该诊断能力可以进一步包括确定可以或应当对工艺实施什么形式的校正动作的能力。该控制单元可以查询数据库以查找可被实施来解决问题的校正动作。该校正动作可以包括调节散装材料的馈送速度，激活或调节将提供添加剂来补偿不足的第二源，或者调节随后工艺设备(比如窑)的参数。在确定一个或多个合适的校正动作后，控制单元可以在比如显示器的普通装置上显示校正动作。
可替代地，控制单元可耦合至一个或多个处理设备，并包括发布指令给这些设备的能力。例如，控制单元可以指示原始成分进料器或传送带降低或增加原始成分与其它成分混合的速率。控制单元可以指示比如添加剂源的第二成分源引入附加的矿物或分子来校正测量的偏差。可以在工艺中散装材料被分析之前或散装材料被分析之后的一个点布置第二源。如果在散装材料被分析之前，该第二源分配添加剂，这将使得分析系统能够迅速确定校正动作在解决不足方面是否是有效的。如果在散装材料被分析之后，第二源分配添加剂，这将使得能够校正被识别为不足的散装材料，避免了不足材料的产生。
也可以在散装材料被混合在一起之后，散装材料被研磨或混合成均匀混合物之后，散装材料被处理形成新的成分之后的处理位置处，以及在其中分配来自制造工艺的工艺废料的处理点处集成散装材料分析系统。如上面描述的，分析器可被集成在比如传送带的传输设备之上，并当材料流通过分析器时，周期性或连续地分析材料。该分析器采集流动材料的光谱特征，并确定测量的特征是否与存储的特征一致。在分析器确定存在不一致的情况中，分析器可以确定合适的校正动作，并且对操作者显示这种校正动作，或者传送指令给在过程中采用的合适机器，以便调节机器的工作参数。
也可以在后处理(post process)位置处集成分析器，以用于识别不同等级或质量的经过处理的材料。在这种实施例中，分析器被定位在传送通过工艺形成的材料的传送带之上。该分析器采集流动材料的光谱特征，并确定测量的特征是否对应于存储的不同等级或质量的特征。在分析器识别材料为具有特定的等级或质量的情况中，分析器可以为操作者显示这种等级或质量，或者传送指令至开关或将所识别的材料转移或导引至合适的存储设备的其它装仓设备。
在示范性实施例中，创新的散装材料分析系统被集成到如在图1中示出的制造水泥的工艺中。分析系统监控从进料器分配的并通过传送带传输的用于混合物的原始成分的流(110-112)，传输至磨碎机或研磨机的混合物(120)，传输至窑的原始混合物(135)，从窑分配的渣块(150)，传输至研磨机的渣块和石膏的混合物(160)，以及传输至筒仓进行存储的水泥成分(175)。当沿着传送带在每个处理点之间传送散装材料时，分析系统监控流动的流。在分析系统确定散装材料的光谱特征不一致的情况中，分析系统可以警告操作者这种情况，或者指示工艺设备改变它的工艺参数，所述工艺设备比如原始成分进料器100-102，传送带控制器，磨碎机125，165，添加剂进料器155或窑140。为了确保能够依据规格保持得到的水泥成分，分析系统可以采用从分析系统报告的结果中独立地和共同地获得散装材料的实时化学性质的控制算法，以及提供信息或发布指令，所述指令通过如所要求地添加每一种材料来校正或多或少更充足或更贫乏的成分等级(依据所包含的矿物化学性质)。
表2示出了对于该水泥制造工艺的动态性能通常期望的精度：
干燥质        精度
氧化物        (RMSD，1小时)
              (％)
SiO2          0.33
Al2O3         0.30
Fe2O3         0.08
CaO           0.32
MgO           0.29
K2O           0.21
Na2O          0.11
SO3           0.20
表2
表3示出了用于报告用途的来自元素分析的从氧化物至元素的转换因数：
干燥质        转换因数
氧化物        (元素的)
SiO2          2.1393
Al2O3         1.8895
Fe2O3         1.4297
CaO           2.4973
MgO           1.6581
K2O           1.2046
Na2O          1.3480
表3
在水泥工艺中在干燥的散装材料在传送带上传输的过程中，随着散装材料暴露于环境湿度，散装材料中的湿量可以超过5-8％(升重量％)。在处理过程中，通过利用与分析系统通信的湿度计(通常为相移微波装置)来将湿量标准化。控制单元从湿度计接收湿度数据，并且将校正因数应用到光谱特征，从而改进光谱特征的精度。如果可以保证湿度不超过4-5％，那么可以不需要湿度计，并且可以采用标准的校正因数。
为了将散装材料分析系统集成到工艺环境中，需要为待分析散装材料的类型来校准该分析系统。在水泥制造工艺中，校准范围需要被拓宽，以便覆盖低等级以及高等级的石灰石，因为不纯的石灰石中碳酸镁的存在对于量化何时同较高等级混合是重要的，因为太多的氧化镁(例如超过2.5％)是真正的质量问题。这种水泥制造工艺通常需要在每一个处理点处被分析的散装材料的类型的五个校准标准。
可以适用稀释来准备校准，而不是水泥工艺样品。这可以通过利用中性稀释剂基质(比如已知浓度的氧化钙的纯石灰石)来例如使分解(factoring)简单而实现。
校准样品的范围应包括典型的范围示出(range show)以避免损害分析器在可选的且(通常)变化大的材料被并入混合物时将变化拟合到合成的校准曲线的能力，如在典型的工厂环境中所预期的那样。随着增加可选原材料的使用，分析的需要也增加。如果可以预期这些关键氧化物的浓度中的狭窄带宽，则不太需要监控，而被校准以捕获宽范围(当然在合理的限度中)中的变化的分析器变得更有益。
由于材料的密度会改变，应当确定体积或重量度量。如果将为此目的制备的样品与退化或恶化隔离开(被封装在密封塑料中，或以类似的方式)，它们应保持大致不变。关于样品结果的该类型的信息(离线)通常是由工厂的现场中央实验室预先提供的，并且结果被并入工厂控制系统(也可以人工实施)。
用于散装材料的上述工艺和散装材料分析系统是有益的，因为它们提供了用于监控和控制散装材料工艺的实时系统和方法。散装材料分析系统成本低，维护低，使用和控制简单，通用，无危险且非常稳健。低成本归功于终端用户的价格预期是传统中子(neutron)在线分析器(即PGNAA)的一小部分，以及伴随的该系统的使用和维修的简单性。这些方面和优点是由于这样的事实：仅照明灯需要周期改变，从而消除了保留现场专业技术人员的需要。该分析系统也提供了一种可以识别能同时定性和定量测量的大量的不同元素以及矿相(多晶型物)的通用系统。该分析系统也具有本质上无危险的能力，因为不使用X-射线或中子激励系统源来激励待分析的材料。
尽管已经参照部件，步骤，特征等的特定布置描述了本发明，这些并不打算穷尽所有可能的布置，部件，步骤或特征，并且实际上许多其它修改和变形对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (43)

1、一种用于处理散装材料的系统，包括：将散装材料的流从第一处理位置运送至第二处理位置的至少一个传送设备；将光投射到该流的表面上的照明源；以及捕获由该流反射的光的至少一个分光计。
2、权利要求1的系统，其中照明源投射白光。
3、权利要求1的系统，其中照明源将光投射到固定位置上，其中该流的表面通过该固定位置。
4、权利要求1的系统，其中分光计捕获散装材料的光谱特征。
5、权利要求4的系统，其中光谱特征指示散装材料对光的发射，反射和吸收。
6、权利要求4的系统，进一步包括控制单元，该控制单元与分光计通信，并接收由分光计捕获的光谱特征。
7、权利要求6的系统，其中控制单元分析由分光计进行的测量。
8、权利要求7的系统，其中控制单元查询包括存储的光谱特征的数据库，并且将测量的光谱特征与存储的光谱特征相比较。
9、权利要求8的系统，其中控制单元确定测量的光谱特征是否在可接受的制造公差内。
10、权利要求7的系统，其中控制单元与每一个均包括至少一个操作设置的工艺设备或传送设备通信，并且传送指令给工艺设备或传送设备，以改变操作设置。
11、权利要求10的系统，其中该操作设置控制第一材料与第二材料组合的方式。
12、权利要求10的系统，其中该操作设置控制第一材料或第二材料被分配的速率。
13、权利要求10的系统，其中该操作设置控制第一材料或第二材料被传送的速率。
14、权利要求10的系统，其中该操作设置控制是否激活工艺设备或者传送设备。
15、权利要求1的系统，其中用于处理散装材料的系统进一步包括：分配散装材料的流的至少一个散装材料分配器；传送散装材料分配器分配的该散装材料的流的至少一个传送设备；以及将该散装材料的流从第一材料变更到第二材料的至少一个工艺设备。
16、权利要求15的系统，其中该至少一个工艺设备混合或研磨该散装材料的流。
17、权利要求15的系统，其中该至少一个工艺设备分配与该散装材料的流组合的第三材料。
18、权利要求15的系统，其中该至少一个工艺设备热加热该散装材料的流。
19、权利要求15的系统，其中该至少一个传送设备将第一材料传送至该至少一个工艺设备。
20、权利要求19的系统，其中该至少一个分光计捕获由该至少一个传送设备上的第一材料反射的光。
21、权利要求15的系统，其中第二传送设备传送由该至少一个工艺设备分配的第二材料。
22、权利要求21的系统，其中该至少一个分光计捕获由该至少一个传送设备上的第二材料反射的光。
23、权利要求1的系统，其中该至少一个分光计包括每一个都捕获由该流反射的光的第一分光计和第二分光计。
24、权利要求23的系统，其中第一分光计捕获的光对应于第一频率范围，并且第二分光计捕获的光对应于第二频率范围。
25、权利要求1的系统，其中该至少一个设备是传送带。
26、权利要求1的系统，其中第二处理位置将散装材料从第一材料变更至第二材料。
27、权利要求1的系统，其中第一处理位置将散装材料分配到传送带上。
28、一种用于处理散装材料的方法，包括：将至少一种散装材料从第一处理位置流传送至第二处理位置；将光投射到该流的表面之上；以及捕获由该流反射的光。
29、权利要求28的方法，其中捕获由该流反射的光的步骤是周期性的。
30、权利要求28的方法，其中捕获由该反射的光的步骤是连续的。
31、权利要求28的方法，进一步包括在流传送至少一种散装材料的步骤之前，分配由传送设备传送的该至少一种散装材料的步骤。
32、权利要求31的方法，其中该至少一种散装材料是传送带。
33、权利要求31的方法，其中放置在传送设备上的该至少一种散装材料不均匀地分布在传送设备上。
34、权利要求31的方法，其中放置在传送设备上的该至少一种散装材料形成可变的底料高度。
35、权利要求28的方法，其中散装材料包括不均匀的颗粒尺寸。
36、权利要求28的方法，进一步包括为了散装材料的光谱特征而分析由该流反射的光的步骤。
37、权利要求36的方法，进一步包括指示工艺设备或传送设备改变操作设置的步骤。
38、权利要求37的方法，进一步包括改变第一材料与第二材料组合的方式的步骤。
39、权利要求37的方法，进一步包括改变第一材料或第二材料被分配的速率的步骤。
40、权利要求37的方法，进一步包括改变第一材料或第二材料被传送的速率的步骤。
41、权利要求37的方法，进一步包括激活或去激活工艺设备或传送设备的步骤。
42、权利要求28的方法，其中第二处理位置将该至少一种散装材料的流从第一材料变更至第二材料。
43、权利要求28的方法，其中第一处理位置将该至少一种散装材料的流从第一材料变更至第二材料。
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