CN105445152A - 一种使用激光方法检测固体物料颗粒流成分的测量室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种使用激光方法检测固体物料颗粒流成分的测量室，包括设置有观察通道、落料通道、激光通道、收光通道的测量室主体以及设置在观察通道两端的观察窗口、分别设置在落料通道上下端的下料口装置和出料口、设置在激光通道出口的聚焦装置、设置在收光通道出口的收光探头。本发明将颗粒流稳定集中下料、激光聚焦、光谱采集、颗粒流状态观察等功能进行了高度集中。在颗粒流下料口周围增设约束性保护气流以保证固体颗粒的稳定集中下料；在聚焦镜片、收光镜头和观察窗口的物料侧设置保护气帘，避免各镜片不被沾污；聚焦和收光装置可调保证激光激发位置准确度和光谱收集的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及固体物料颗粒流成分检测和激光光谱测量技术领域，更具体的说是涉及到，将激光诱导击穿光谱技术（LIBS）应用到固体物料颗粒流成分的在线测量系统中，通过测量室用于获得流态稳定、不沾污镜片的颗粒流。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术（Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS），是近年逐步发展起来的一种潜在的工业过程在线测量技术，被尝试应用于各种工业过程的质量控制或状态诊断。在实际的工业生产过程中，气力输送是固体物料的主要输送方式，因此管道内是风和粉的混合物——气固两相。为了实现真正将LIBS技术应用于工业生产过程的在线检测，需要对气固两相颗粒流进行直接检测，可大大增加检测系统的可靠性。同时为了不影响正常的生产过程，可通过负压连续取样装置将样品从输送管道中取出，将气固两相颗粒流输送到经特殊设计的测量室进行检测，然后再返回输送管道。将脉冲激光聚焦击打颗粒流，通过光谱分析仪得到光谱数据，再通过处理分析获取各元素组分含量信息。颗粒流在从传输管道进入测量室时由于流道空间的变化会有一个扩散过程，使得激光焦点位置处的颗粒浓度降低，影响颗粒流的激发效率和测量精度。同时颗粒的扩散过程会被吸附在光学镜片上，包括激光聚焦镜片、光谱采集窗口和观察窗口，影响颗粒流的激发和光谱采集效率，甚至颗粒在聚焦镜片表面激发，从而导致聚焦镜片的损伤，降低使用寿命。颗粒流本身的特性与LIBS检测技术特点之间的矛盾对测量室的设计提出了特殊的要求：1、尽可能使测量室中的颗粒流稳定且集中在轴心区域；2、保证各个窗口的镜片免受颗粒沾污；3、保证激光与颗粒流作用后有足够的收光角度，提高收光效率。
发明内容
针对激光诱导击穿光谱技术直接应用于颗粒流检测的特殊性，本发明提供一种用于保证从输粉管道中取出的用于被激光检测的颗粒流稳定性较好、各窗口的镜片不被沾污、同时有足够大的收光面积的测量室。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种使用激光方法检测固体物料颗粒流成分的测量室，包括测量室主体，所述测量室主体内包括水平贯穿设置的观察通道、竖直贯穿设置且与观察通道垂直相交的落料通道、两条位于同一水平面上且对称地相交于落料通道轴线的收光通道、垂直落料通道且位于两条收光通道的夹角平分线上的激光通道，所述观察通道、收光通道、激光通道的轴线均位于同一水平面上，所述激光通道的出口设置有聚焦装置，所述收光通道的出口设置有收光探头，所述观察通道的两端设置有观察窗口，所述落料通道的上端设置有倒圆锥形下料口装置，下端设置有出料口，所述下料口装置四周均匀布置若干沿倒圆锥形母线方向倾斜聚拢的导流口，所述导流口连接压缩空气相连形成约束性气流，保证颗粒能稳定、集中下料。
进一步地，所述聚焦装置的镜片位置可前后微调，保证激光聚焦后的焦点在预设位置。
进一步地，所述收光探头的位置可左右微调，保证光纤探头对准等离子体区域，最大可能获取等离子体光谱信号。
进一步地，所述两条收光通道的夹角为50-60度，采用两侧小角度收光，保证有足够的收光面积，提高等离子体的有效激发和光谱数据的有效采集。
进一步地，所述测量室主体内还设置有用于对聚焦装置、收光探头、观察窗口的镜片形成镜片保护气帘的吹扫孔，有效保证聚焦镜片的安全和收光镜片的光谱信号透过率，同时使观察窗口保持在洁净状态。
本发明的特点及效果如下：
1）颗粒流下料口处增加约束性气体之后，颗粒流在锥形气流作用下稳定集中下料；
2）在镜片物料侧通入保护气体之后，聚焦镜片、收光镜头以及观察镜片表面免于颗粒沾污的影响，有效保证聚焦镜片的安全和收光镜片的光谱信号透过率，同时使观察窗口保持在洁净状态。
3）采用两侧小角度收光以及收光和聚焦装置可微调，保证有足够的收光面积，提高等离子体的有效激发和光谱数据的有效采集。
附图说明
图1是测量室正视剖面图。
图2是测量室俯视剖面图。
其中：1、测量室主体，2、下料口装置，3、聚焦装置，4、收光探头，5、观察窗口，6、出料口。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
如图1和图2所示，一种使用激光方法检测固体物料颗粒流成分的测量室，包括测量室主体1，所述测量室主体1内包括水平贯穿设置的观察通道、竖直贯穿设置且与观察通道垂直相交的落料通道、两条位于同一水平面上且对称地相交于落料通道轴线的收光通道、垂直落料通道且位于两条收光通道的夹角平分线上的激光通道，所述观察通道、收光通道、激光通道的轴线均位于同一水平面上，所述激光通道的出口设置有聚焦装置3，所述收光通道的出口设置有收光探头4，所述观察通道的两端设置有观察窗口5，所述落料通道的上端设置有倒圆锥形下料口装置2，下端设置有出料口6，所述下料口装置2四周均匀布置若干沿倒圆锥形母线方向倾斜聚拢的导流口，所述导流口连接压缩空气相连形成约束性气流，保证颗粒能稳定、集中下料。
所述聚焦装置3的镜片位置可前后微调，保证激光聚焦后的焦点在预设位置；所述收光探头4的位置可左右微调，保证光纤探头对准等离子体区域，最大可能获取等离子体光谱信号。聚焦点位置的变化，可通过微调聚焦镜片的前后位置使其达到指定位置，收光探头方向可微调，以保证探头收光方向对准整个等离子体区域。
所述两条收光通道的夹角为50-60度，采用两侧小角度收光，保证有足够的收光面积，提高等离子体的有效激发和光谱数据的有效采集。
所述测量室主体1内还设置有用于对聚焦装置3、收光探头4、观察窗口5的镜片形成镜片保护气帘的吹扫孔，即在检测系统运行过程中，为防止颗粒沾污聚焦镜片、收光镜头以及观察镜片，对这三个镜片物料侧开设了气体连接孔，用于通入保护气体，使镜头表面形成一层保护气帘，保证镜片不被沾污，有效保证聚焦镜片的安全和收光镜片的光谱信号透过率，同时使观察窗口保持在洁净状态，确保了测量模块的运行可靠性。
由附图可以看出，整个测量室为一中空结构，分为四大部分：测量室主体1、下料口装置2、聚焦装置3和收光探头4，测量室实现了将颗粒下料、激光聚焦、光谱收集、颗粒下料观察等功能高度集中于一体。
下料口装置2的设计关系到颗粒下料的稳定性问题，颗粒在下落过程中会由于流通截面的变化而发生扩散，在接触流道壁面后会反弹至各个方向，导致颗粒下流过程中产生溅射，影响到聚焦。故在下粉口四周均与布置数个斜开的导流口，并套上锥形套管，与顶部可通气连接套组合在一起。保证压缩空气从连接套侧面通气进入环形槽导流口，形成锥形约束性气流，使颗粒竖直且集中于轴线附近向下流动。
聚焦装置3用于连接激光光源和测量室，且用于固定聚焦镜片。为了保证激光聚焦后的焦点在预设位置，该装置可实现聚焦镜片前后距离的微调。收光探头4由收光镜头和与光纤接头匹配的连接头组成，其中收光镜头由两个聚焦镜片组成，置于收光装置的前端。为了最大可能获取等离子体光谱信号，收光探头4可左右微调，保证收光镜头对准等离子体区域。
本发明将上述四大部分组合在一起，保证颗粒流从下料口装置2稳定下落，形成稳定的约束性颗粒流。激光可透过聚焦装置3与颗粒流作用产生等离子体，再利用收光装置获取等离子体光谱信号，利用光纤传输至光谱分析仪中，从而实现固体颗粒流成分的检测。测量室的两侧设置了观察窗口5，便于检测过程中观察颗粒流的下料情况以及激光击打情况。为防止颗粒沾污镜片，分别在聚焦镜片，收光镜头以及观察窗口镜片前端设置通气孔，用于连接保护气。检测开始之前开通保护气，在镜片物料侧形成保护气帘，保证颗粒流被气帘隔离，从而保证镜片不受颗粒沾污。
总结而言，本发明相比现有技术，具备如下特点：
1、在下料口出口处增加约束性气体，通过在下料口装置2内部周围斜向下开孔，导入压缩空气形成约束性气流，保证颗粒能稳定、集中下料；
2、镜片物料一侧通入保护气，具体在聚焦镜片、收光镜头以及观察镜片表面附近位置开孔进行吹扫，形成保护气帘阻止颗粒与镜片接触，保证镜片不被沾污，消除或降低聚焦镜片沾污引起的表面激发概率；
3、在激光入射方向两侧小角度收光，增大收光面积，收光和聚焦位置可微调，提高光谱采集效率。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种使用激光方法检测固体物料颗粒流成分的测量室，其特征在于：包括测量室主体(1)，所述测量室主体(1)内包括水平贯穿设置的观察通道、竖直贯穿设置且与观察通道垂直相交的落料通道、两条位于同一水平面上且对称地相交于落料通道轴线的收光通道、垂直落料通道且位于两条收光通道的夹角平分线上的激光通道，所述观察通道、收光通道、激光通道的轴线均位于同一水平面上，所述激光通道的出口设置有聚焦装置(3)，所述收光通道的出口设置有收光探头(4)，所述观察通道的两端设置有观察窗口(5)，所述落料通道的上端设置有倒圆锥形下料口装置(2)，下端设置有出料口(6)，所述下料口装置(2)四周均匀布置若干沿倒圆锥形母线方向倾斜聚拢的导流口，所述导流口连接压缩空气相连形成约束性气流。
2.根据权利要求1所述的测量室，其特征在于：所述聚焦装置(3)的镜片位置可前后微调。
3.根据权利要求1所述的测量室，其特征在于：所述收光探头(4)的位置可左右微调。
4.根据权利要求1所述的测量室，其特征在于：所述两条收光通道的夹角为50-60度。
5.根据权利要求1所述的测量室，其特征在于：所述测量室主体(1)内还设置有用于对聚焦装置(3)、收光探头(4)、观察窗口(5)的镜片形成镜片保护气帘的吹扫孔。
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