CN111380860A - 一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末成分在线监测技术领域，特别涉及一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及其方法。包括传送带、刮板组件、激光激发系统、光谱收集系统、数据处理及控制系统、激光和信号耦合系统及探杆，刮板组件设置于传送带上；激光激发系统和光谱收集系统设置于传送带的上方，激光激发系统用于发射激光至传送带上的粉末物料表面并且产生等离子体；光谱收集系统用于收集等离子的反射信号并且将光谱信息传输到数据处理及控制系统；激光和信号耦合系统用于将激光和等离子反射信号光耦合到同轴光路；探杆设置于激光和信号耦合系统的末端。本发明可实时得到传送带上粉末物料的组分含量，进而指导生产过程，提高产品质量，提升生产效率，降低能源消耗。

Description

一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及其方法

技术领域

本发明涉及粉末成分在线监测技术领域，特别涉及一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及其方法。

背景技术

在水泥、煤炭、无机盐等行业，传送带上固体粉末物料的成分是通过人工取样，送到实验室进行离线分析，这种分析方法不仅费时、费力，分析出来的样品成分具有严重的滞后性，不能实时指导前序的生产工艺进行成分调整，也无法实时反馈给后续的分类、分装等生产过程。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是由一束高能量的激光聚焦到样品产生等离子体，通过对等离子体光谱的分析，可对样品中不同元素进行定性、定量分析。它具有无需样品制备、快速、可同时分析多种元素等优点，非常适合在工业现场进行物质成分的实时、在线分析。

传送带上快速传输的固体粉末物料，具有物料时多时少、物料状态变化频繁、高粉尘等特点，实时、在线监测成分分析设备还需克服以上难点。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及其方法，能够克服现场高粉尘对光谱信号的影响，提供稳定的光谱数据，可实时得到传送带上粉末物料的组分含量，进而指导生产过程，提高产品质量，提升生产效率，降低能源消耗。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，包括：

传送带，用于粉末物料的输送；

刮板组件，设置于所述传送带上，用于将所述传送带上的粉末物料刮平；

激光激发系统，设置于所述传送带的上方，用于发射激光至所述传送带上的粉末物料表面并且产生等离子体；

光谱收集系统，设置于所述传送带的上方，用于收集等离子的反射信号并且将光谱信息传输到数据处理及控制系统；

激光和信号耦合系统，设置于所述激光激发系统和所述光谱收集系统的下方，用于将激光和等离子反射信号光耦合到同轴光路；

探杆，设置于所述激光和信号耦合系统的末端，用于输出激光和导入等离子反射信号光；

数据处理及控制系统，用于控制所述激光激发系统、光谱收集系统及激光和信号耦合系统，并对等离子体光谱进行数据处理，获得物料中不同元素的浓度值。

所述激光激发系统包括光路同轴设置的激光出光系统和扩束聚焦镜组，所述扩束聚焦镜组由一片发散透镜和一片汇聚透镜组成；所述激光出光系统产生的激光经扩束聚焦镜组扩束聚焦到所述传送带上的粉末物料表面产生等离子体。

所述光谱收集系统包括光路同轴设置的光谱收集镜组和光谱收集阵列，激光在粉末物料表面产生的等离子体通过光谱收集镜组将信号光传输到光谱收集阵列，所述光谱收集阵列将光谱信息传输到所述数据处理及控制系统；所述光谱收集镜组由两片消色差透镜组成。

所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，还包括设置于所述激光和信号耦合系统上的激光能量监测系统，所述激光能量监测系统与所述数据处理及控制系统连接，用于实时监测所述激光激发系统出射的激光能量大小；所述激光和信号耦合系统、激光能量监测系统、扩束聚焦镜组及光谱收集镜组均设置于光学腔中。

所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，还包括防尘系统，所述防尘系统用于向所述光学腔内和所述探杆的窗口输送压缩空气。

所述刮板组件包括沿所述传送带的输送方向依次设置的一个或多个刮板，各所述刮板的底部为平面，前端为船型结构。

所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，还包括风扫系统，所述风扫系统设置于所述探杆和粉末物料表面之间，用于吹扫所述探杆到物料表面之间的区域内的粉尘或激光聚焦溅射物质；所述探杆的末端出口为锥形结构。

所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，还包括机柜和温度控制系统，所述激光激发系统、光谱收集系统、激光和信号耦合系统、温度控制系统及数据处理及控制系统均设置于所述机柜内；所述温度控制系统与所述数据处理及控制系统连接，用于控制整个装置的温度。

一种利用如上所述传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1)：由传送带传输过来的粉末物料，通过刮板组件刮平到固定高度；

步骤2)：防尘系统将一部分压缩空气输送到光学腔中，避免环境中的粉尘进入到光学腔中污染光学镜片；另一部分压缩空气传输到探杆内，且对着窗口吹气，避免粉尘污染窗口；

步骤3)：启动温度控制系统，通过数据处理及控制系统保证激光出光系统在恒定温度下工作；

步骤4)：数据处理及控制系控制激光出光系统发出激光，激光经扩束聚焦镜组将激光扩束并通过激光和信号耦合系统中的反射镜和二向色镜将激光聚焦到刮平的粉末物料表面产生等离子体；

步骤5)：等离子体光谱经激光和信号耦合系统中的二向色镜传输到光谱收集镜组，最后经光纤传输到光谱收集阵列，通过数据处理及控制系统中的时序控制器控制光谱收集阵列开始收集光谱；

步骤6)：收集到的等离子体光谱经数据处理及控制系统进行数据处理，建立模型，最终转换成粉末物料中不同元素的浓度值。

所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测方法，通过风扫系统产生定向气流，将探杆下方到物料表面上方的激光聚焦区域中的粉尘或激光聚焦溅射物质吹扫干净；通过激光能量监测系统实时监测激光能量变化，通过数据处理及控制系统改变激光出光系统中的内部参数，保证激光能量长时间的稳定性。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明为了保证粉末物料的高度一致，采用了船型设计的刮板来降低传送带快速传输过程中刮板在刮平粉末物料过程中带起的粉尘。

2.本发明的聚焦区域设计风扫系统使得光谱不受激光溅射物质及粉尘的影响，保证了光谱信号的稳定性。

3.本发明采用的防尘系统和温度控制系统可使本装置长时间稳定的工作于恶劣的现场工况条件下。

4.本发明实时、在线分析粉末物料的组分含量，数据直接传送到中控室中，可实时指导生产过程，提高生产效率，为企业带来经济效益。

附图说明

图1为本发明传送带上粉末物料成分在线监测装置的结构示意图。

图中：1为传送带，2为一级刮板，3为二级刮板，4为风扫系统，5为防尘系统，6为光谱收集镜组，7为光学腔，8为光谱收集阵列，9为数据处理及控制系统，10为激光出光系统，11为温度控制系统，12为扩束聚焦镜组，13为激光能量监测系统，14为激光和信号光耦合系统，15为窗口，16为探杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种传送带上粉末物料成分在线监测装置，包括传送带1、刮板组件、激光激发系统、光谱收集系统、数据处理及控制系统9、激光和信号耦合系统14及探杆16，其中传送带1用于粉末物料的输送；刮板组件设置于传送带1上，用于将传送带1上的粉末物料刮平；激光激发系统设置于传送带1的上方，用于发射激光至传送带1上的粉末物料表面并且产生等离子体；光谱收集系统设置于传送带1的上方，用于收集等离子的反射信号并且将光谱信息传输到数据处理及控制系统9；激光和信号耦合系统14设置于激光激发系统和光谱收集系统的下方，用于将激光和等离子反射信号光耦合到同轴光路；探杆16设置于激光和信号耦合系统14的末端，用于输出激光和导入等离子反射信号光；数据处理及控制系统9用于控制光谱收集系统、光谱收集系统及激光和信号耦合系统14，控制各个系统之间协调工作，并对等离子体光谱进行数据处理，获得物料中不同元素的浓度值。

进一步地，刮板组件包括沿传送带1的输送方向依次设置的一个或多个刮板，各刮板的底部为平面，前端为船型结构。

本发明的实施例中，刮板组件由一级刮板2和二级刮板3组成，采用前端船型设计，底端为平面结构。保证最小的接触面积将传送带1快速运输过来的粉末物料刮平到固定高度，可极大避免刮平过程中扬起的粉尘；同时二级刮板3可再次刮平由于物料过多时一级刮板2刮平效果不好的情况，更加有效的保证刮平到固定高度。

本发明的实施例中，激光激发系统包括光路同轴设置的激光出光系统10和扩束聚焦镜组12，扩束聚焦镜组12由一片发散透镜和一片汇聚透镜组成；激光出光系统10产生的激光经扩束聚焦镜组12扩束聚焦到传送带1上的粉末物料表面产生等离子体。

本发明的实施例中，光谱收集系统包括光路同轴设置的光谱收集镜组6和光谱收集阵列8，激光在粉末物料表面产生的等离子体通过光谱收集镜组6将信号光传输到光谱收集阵列8，光谱收集阵列8将光谱信息传输到数据处理及控制系统9；光谱收集镜组6由两片消色差透镜组成。激光和信号耦合系统14包括二向色镜和反射镜。

本发明的实施例中，传送带上粉末物料成分在线监测装置还包括设置于激光和信号耦合系统14上的激光能量监测系统13，激光能量监测系统13与数据处理及控制系统9连接，用于实时监测激光激发系统出射的激光能量大小；激光和信号耦合系统14、激光能量监测系统13、扩束聚焦镜组12及光谱收集镜组6均设置于光学腔7中。

激光能量监测系统13包括光电二极管、衰减片和数字采集卡。

本发明的实施例中，传送带上粉末物料成分在线监测装置还包括防尘系统5，防尘系统5用于向光学腔7内和探杆16的窗口15输送压缩空气。防尘系统包括洁净压缩空气、气体流量计和压力传感器。

本发明的实施例中，传送带上粉末物料成分在线监测装置还包括机柜和温度控制系统11，激光激发系统、光谱收集系统、激光和信号耦合系统14、温度控制系统11及数据处理及控制系统9均设置于机柜内；温度控制系统11与数据处理及控制系统9连接，用于控制整个装置的温度。

本发明的实施例中，传送带上粉末物料成分在线监测装置还包括风扫系统4，风扫系统4设置于探杆16和粉末物料表面之间，用于吹扫探杆16到物料表面之间的区域内的粉尘或激光聚焦溅射物质；探杆16的末端出口为锥形结构，尽量减少粉尘进入探杆16中。

风扫系统4保证激光聚焦区域内洁净，从而保证光谱信号的稳定性，可通过调速风扇模块和可旋转支架将探杆16下方到物料表面上方的激光聚焦区域中的粉尘或激光聚焦溅射物质吹散，根据现场的实际情况可通过数据处理及控制系统9中的PLC改变风量大小，找到最佳的吹扫角度及风量大小。

数据处理及控制系统9包括工控机、PLC模块及时序控制器。

将本发明装置的机柜固定于传送带中心正上方合适高度位置，将刮板系统固定于传送带中心正上方合适高度，机柜前方合适距离，保证正常的供电、压缩空气、通信；设置好激光出光系统10的参数，包括激光能量大小、频率，设置好激光出光和光谱收集之间的延时，设置好风扫系统4的风量大小和角度，设置好防尘系统5的压力、流量；设置好温度控制系统11的温度控制范围，启动风扫系统4、防尘系统5和温度控制系统11。开始测量，通过数据处理及控制系统9控制激光出光系统10发出激光，进而激发物料产生等离子体，通过光谱收集系统将等离子光谱收集上来传到数据处理及控制系统9，得到监测物料的实时光谱。利用已建立好的标定模型如线性标定或PLS模型，将不同元素的特征谱线的强度值转换成元素浓度值，从而得到了传送带上粉末物料的实时浓度值。通过PLC将浓度数据传送到中控室，进而由中控室决策下一步生产流程。实时监测激光能量、温度、压力、流量、谱线均值等参数，如有异常，实时进行调整，保证整套系统正常运转。

一种利用上述任一实施例中传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测方法，包括以下步骤：

步骤1)：将机柜固定于传送带中心正上方合适高度位置，将刮板组件固定于传送带中心正上方合适高度，机柜前方合适距离，保证正常的供电、压缩空气和通信；由传送带1传输过来的粉末物料，通过刮板组件刮平到固定高度；

步骤2)：防尘系统5将一部分压缩空气输送到光学腔7中，避免环境中的粉尘进入到光学腔7中污染光学镜片；另一部分压缩空气传输到探杆16内，且对着窗口15吹气，避免粉尘污染窗口15；

步骤3)：设置好温度控制系统11的温度控制范围，启动温度控制系统11，通过数据处理及控制系统9保证激光出光系统10在恒定温度下工作，提高激光能量的稳定性；

步骤4)：设置好激光出光系统10的参数，包括激光能量大小、频率，设置好激光出光和光谱收集之间的延时，通过数据处理及控制系9控制激光出光系统10发出激光，激光经扩束聚焦镜组12将激光扩束并通过激光和信号耦合系统14中的反射镜和二向色镜将激光聚焦到刮平的粉末物料表面产生等离子体；

步骤5)：等离子体光谱经激光和信号耦合系统14中的二向色镜传输到光谱收集镜组6，最后经光纤传输到光谱收集阵列8，通过数据处理及控制系统9中的时序控制器控制光谱收集阵列8开始收集光谱；

步骤6)：收集到的等离子体光谱经数据处理及控制系统9进行数据处理，建立模型，最终转换成粉末物料中不同元素的浓度值。

进一步通过PLC传送到中控室，为下一步生产过程提供指导。

设置好风扫系统4的风量大小和角度，及风量的压力、流量，通过风扫系统4产生定向气流，将探杆16下方到物料表面上方的激光聚焦区域中的粉尘或激光聚焦溅射物质吹扫干净；通过激光能量监测系统13实时监测激光能量变化，通过数据处理及控制系统9改变激光出光系统10中的内部参数，保证激光能量长时间的稳定性。

本发明传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测工作原理是：

首先，通过数据处理及控制系统9中的时序控制器控制激光出光和光谱收集之间的延时，激光出光系统10发出具有一定发散角和光斑大小的激光后，首先经过扩束聚焦镜组12中的发散透镜将激光进一步扩束，减小其发散角，再经汇聚透镜汇聚到远处的物料表面，通过扩束再聚焦后可减小聚焦光斑直径，提高激光功率密度，从而激发出更强的等离子体。经汇聚透镜出来的激光再经激光和信号耦合系统14中的反射镜改变激光方向传输到二向色镜上，二向色镜再次反射改变激光方向，从而使激光从探杆16中射出。通过调整反射镜角度可使激光从探杆16正中心射出聚焦到物料表面产生等离子体。等离子体光沿探杆16原路返回经过二向色镜透射到光谱收集镜组6中，光谱收集镜组6采用了消色差设计，保证宽波段光谱的收集聚焦效果，光谱收集镜组6将等离子体光聚焦到光纤，然后通过光纤传输到光谱收集阵列8中，为了保证光谱分辨率，可采用多个光谱仪组成光谱收集阵列。

温度控制系统11包括制冷功能和制热功能，根据机柜中温度传感器反馈的温度信息，实时开启制冷或制热，保证机柜处于一个合理的温度区间，尤其对于激光出光系统10的恒定温度工作，可保证激光输出能量稳定，从而保证光谱数据的稳定性。

防尘系统5包括光学腔7的防尘和窗口的防尘，光学腔7通过保持一定的正压来防止环境中的粉尘进入光学腔，从而避免在激光高能量的击打下污染镜片。窗口15的防尘首先是探杆16的末端出口采用锥形设计，保证激光聚焦和光谱收集不受影响的情况下，减小探杆出口的直径，从而减少进入探杆16中的粉尘，其次通过对窗口15吹气，避免粉尘落在窗口15上污染窗口。

数据处理及控制系统9包括工控机、时序控制器和PLC，分别连接激光出光系统10、光谱收集阵列8、激光能量监测系统13、防尘系统5、温度控制系统11和风扫系统4，首先通过工控机设置好各系统参数，然后通过时序控制板触发激光出光系统10发出激光，经过设置好的光谱收集与激光出光之间的延时后，光谱收集阵列开始工作，将光谱数据传到工控机，然后通过单变量模型或多变量模型将特征光谱强度值转换成元素浓度值，最后通过PLC将浓度数据实时传送到中控室，进而指导生产过程。激光能量监测系统13收集的激光为透射过激光和信号耦合系统14中的反射镜的少许激光，通过光电二极管将光信号转成电信号，利用数字采集卡采集电信号，建立激光能量和电信号之间的标定模型，将电信号转换成激光能量值，这样就可以实时监测激光能量的变化，如果激光能量出现了下降或上升，可通过改变激光出光系统10的参数来维持恒定的激光能量输出，从而保证浓度数据的稳定性。

综上所述，本发明提供的一种传送带上粉末物料成分在线监测装置及方法，通过传送带快速传输过来的固体粉末物料经刮板组件刮平到固定高度后，机柜内的激光激发系统聚焦激光到粉末物料表面产生等离子体，产生的等离子体通过机柜中的光谱收集系统进行收集，风扫系统用于减少激光聚焦区域内激光聚焦溅射产生的物质和环境中的粉尘对激光聚焦和光谱收集的影响，收集到的光谱信号经机柜内的数据处理及控制系统最终转换成物料中不同元素的浓度值，浓度值实时传送到中控室，进而决策下一步生产流程，机柜中的激光能量监测系统、温度控制系统和防尘系统用于保证设备在现场恶劣条件下进行长时间正常运转。本发明能够有效降低传送带上物料时多时少以及现场粉尘对等离子体信号的影响，提高了信号的稳定性。本发明集成度高，能适应恶劣工况环境，能够在传送带上实时、在线监测粉末物料的组分含量，进而指导生产工艺，提高产品质量，降低生产成本及能源消耗，提高企业经济效益。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，包括：

传送带(1)，用于粉末物料的输送；

刮板组件，设置于所述传送带(1)上，用于将所述传送带(1)上的粉末物料刮平；

激光激发系统，设置于所述传送带(1)的上方，用于发射激光至所述传送带(1)上的粉末物料表面并且产生等离子体；

光谱收集系统，设置于所述传送带(1)的上方，用于收集等离子的反射信号并且将光谱信息传输到数据处理及控制系统(9)；

激光和信号耦合系统(14)，设置于所述激光激发系统和所述光谱收集系统的下方，用于将激光和等离子反射信号光耦合到同轴光路；

探杆(16)，设置于所述激光和信号耦合系统(14)的末端，用于输出激光和导入等离子反射信号光；

数据处理及控制系统(9)，用于控制所述激光激发系统、光谱收集系统及激光和信号耦合系统(14)，并对等离子体光谱进行数据处理，获得物料中不同元素的浓度值。

2.根据权利要求1所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，所述激光激发系统包括光路同轴设置的激光出光系统(10)和扩束聚焦镜组(12)，所述扩束聚焦镜组(12)由一片发散透镜和一片汇聚透镜组成；所述激光出光系统(10)产生的激光经扩束聚焦镜组(12)扩束聚焦到所述传送带(1)上的粉末物料表面产生等离子体。

3.根据权利要求2所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，所述光谱收集系统包括光路同轴设置的光谱收集镜组(6)和光谱收集阵列(8)，激光在粉末物料表面产生的等离子体通过光谱收集镜组(6)将信号光传输到光谱收集阵列(8)，所述光谱收集阵列(8)将光谱信息传输到所述数据处理及控制系统(9)；所述光谱收集镜组(6)由两片消色差透镜组成。

4.根据权利要求3所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，还包括设置于所述激光和信号耦合系统(14)上的激光能量监测系统(13)，所述激光能量监测系统(13)与所述数据处理及控制系统(9)连接，用于实时监测所述激光激发系统出射的激光能量大小；所述激光和信号耦合系统(14)、激光能量监测系统(13)、扩束聚焦镜组(12)及光谱收集镜组(6)均设置于光学腔(7)中。

5.根据权利要求4所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，还包括防尘系统(5)，所述防尘系统(5)用于向所述光学腔(7)内和所述探杆(16)的窗口(15)输送压缩空气。

6.根据权利要求1所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，所述刮板组件包括沿所述传送带(1)的输送方向依次设置的一个或多个刮板，各所述刮板的底部为平面，前端为船型结构。

7.根据权利要求1所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，还包括风扫系统(4)，所述风扫系统(4)设置于所述探杆(16)和粉末物料表面之间，用于吹扫所述探杆(16)到物料表面之间的区域内的粉尘或激光聚焦溅射物质；所述探杆(16)的末端出口为锥形结构。

8.根据权利要求1所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置，其特征在于，还包括机柜和温度控制系统(11)，所述激光激发系统、光谱收集系统、激光和信号耦合系统(14)、温度控制系统(11)及数据处理及控制系统(9)均设置于所述机柜内；所述温度控制系统(11)与所述数据处理及控制系统(9)连接，用于控制整个装置的温度。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：由传送带(1)传输过来的粉末物料，通过刮板组件刮平到固定高度；

步骤2)：防尘系统(5)将一部分压缩空气输送到光学腔(7)中，避免环境中的粉尘进入到光学腔(7)中污染光学镜片；另一部分压缩空气传输到探杆(16)内，且对着窗口(15)吹气，避免粉尘污染窗口(15)；

步骤3)：启动温度控制系统(11)，通过数据处理及控制系统(9)保证激光出光系统(10)在恒定温度下工作；

步骤4)：数据处理及控制系(9)控制激光出光系统(10)发出激光，激光经扩束聚焦镜组(12)将激光扩束并通过激光和信号耦合系统(14)中的反射镜和二向色镜将激光聚焦到刮平的粉末物料表面产生等离子体；

步骤5)：等离子体光谱经激光和信号耦合系统(14)中的二向色镜传输到光谱收集镜组(6)，最后经光纤传输到光谱收集阵列(8)，通过数据处理及控制系统(9)中的时序控制器控制光谱收集阵列(8)开始收集光谱；

步骤6)：收集到的等离子体光谱经数据处理及控制系统(9)进行数据处理，建立模型，最终转换成粉末物料中不同元素的浓度值。

10.根据权利要求9所述的传送带上粉末物料成分在线监测装置的在线监测方法，其特征在于，通过风扫系统(4)产生定向气流，将探杆(16)下方到物料表面上方的激光聚焦区域中的粉尘或激光聚焦溅射物质吹扫干净；通过激光能量监测系统(13)实时监测激光能量变化，通过数据处理及控制系统(9)改变激光出光系统(10)中的内部参数，保证激光能量长时间的稳定性。

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