CN112798467B - 一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置及检测方法，本发明的装置包括智能测灰仪和取样执行机构，装置结构紧凑、降低了传送过程中管壁对煤样的影响，该方法可以将大粒级煤炭充分粉化，并通过高速显微视觉技术分析煤炭的微观物理组成，以计算煤炭的灰分含量。本发明提供了一种高效、精确、安全、环保、节能的检测手段，可有效指导煤炭生产。

Description

一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置及检测方法
技术领域
本专利申请属于煤炭灰分含量检测技术领域，更具体地说，是涉及一种针对煤炭灰分含量的基于高速显微视觉的智能在线测灰装置及检测方法。
背景技术
煤炭的灰分是指煤质中可燃成分在充分燃烧过程中，矿物质经过分解、化合等化学反应后残存的非可燃矿渣。煤炭的灰分含量与煤的发热量密切相关，是评价煤炭品质的主要指标之一。煤炭洗选是降低煤炭灰分的有效方法，如何快速、准确的检测煤炭灰分，对指导煤炭生产过程和提高煤炭的利用效率具有重要意义。
常规检测方法主要包括灼烧称重法和辐射型灰分检测法。灼烧称重法化验结果准确，但操作过程复杂，检测周期长，不能实时指导工业生产；辐射型灰分检测法同步性好，但对于周围环境与人员存在一定的安全隐患，且煤炭作为一种复杂的混合物，要求测量条件苟刻，过多的不确定因素直接影响灰分的检测精度。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置及检测方法，该装置及方法将大粒级煤炭充分粉化，并通过高速显微视觉技术分析煤炭的微观物理组成，以计算煤炭的灰分含量。
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，包括智能测灰仪和取样执行机构。
智能测灰仪内置有煤炭制样单元、高速显微视觉分析单元和除尘单元，煤炭制样单元用于制备超细粒级煤粉，高速显微视觉分析单元用于分析煤样的密度组成和体积含量，除尘单元进行除尘操作；智能测灰仪外设有现场显示表和数据远传接口；
取样执行机构包括机器人和末端铲斗。
本发明技术方案的进一步改进在于：煤炭制样单元包括依次连接的给料溜槽、一级破碎机构、第一封闭振动溜槽、二级破碎机构、第二封闭振动溜槽、智能缩分单元，智能缩分单元的出口通过第三封闭振动溜槽和第四封闭振动溜槽对应连接细粒级存查样储罐和制粉单元，制粉单元的出料口通过煤样输送管路连接真空恒温储样单元。
本发明技术方案的进一步改进在于：智能缩分单元包括单元本体，以及设置在单元本体上的入料口卸料闸门、自动翻滚搅拌机构、第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门、高温空气烘干装置和环境除湿装置，入料口卸料闸门与第二封闭振动溜槽连接，第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门分别对应连接第三封闭振动溜槽和第四封闭振动溜槽，自动翻滚搅拌机构位于单元本体内部，高温空气烘干装置和环境除湿装置分别位于单元本体的不对称两侧。
本发明技术方案的进一步改进在于：真空恒温储样单元包括变频调压煤样泵、真空储样罐、温控单元和煤样吸纳泵，真空储样罐的入口通过煤样吸纳泵与煤样输送管路连接、出口设置变频调压煤样泵，真空恒温储样单元内设有温控单元。
本发明技术方案的进一步改进在于：高速显微视觉分析单元包括依次布置的除尘前室、高速显微视觉成像单元和超细粒级煤粉存查样储罐，除尘前室与真空恒温储样单元连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：除尘前室包括密封接口、除尘装置和小管径煤样输送管路，小管径煤样输送管路一端连接变频调压煤样泵、另一端经由密封接口引入除尘前室，除尘装置位于除尘前室内。
本发明技术方案的进一步改进在于：高速显微视觉成像单元包括高速成像相机、显微镜头、毛细扁平煤样介质、小管径煤样输送软管、微量精密电子秤和背光源，小管径煤样输送软管一端经由密封接口引入超净环境下的高速显微视觉成像单元、另一端连接毛细扁平煤样介质的入口，毛细扁平煤样介质位于高速成像相机和背光源中间、上方布置有微量精密电子秤，显微镜头位于高速成像相机上，毛细扁平煤样介质的出口连接超细粒级煤粉存查样储罐。
一种基于高速显微视觉的智能在线煤炭灰分检测方法，包括如下步骤：
S1，由取样执行机构从输煤胶带运输机抽取煤样，定点卸料于智能测灰仪的给料溜槽。
S2，一级破碎机构对原料煤进行初级破碎工作，将初破煤样由第一封闭振动溜槽传输至二级破碎机构进行细粒级煤样破碎。
S3，智能缩分单元的入料口卸料闸门闭锁开启，细粒级煤样由第二封闭振动溜槽传输至智能缩分单元。
S4，卸料结束，智能缩分单元的入料口卸料闸门关闭，自动翻滚搅拌机构、高温空气烘干装置和环境除湿装置依次开启，建立恒温环境，对细粒级煤样进行快速气流烘干。
S5，高温空气烘干装置和环境除湿装置关闭，智能缩分单元的第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门开启，对细粒级煤样缩分，煤样分流至制粉单元和细粒级存查样储罐。
S6，干燥细粒级煤样由制粉单元制备成超细粒级煤粉，由真空恒温储样单元的煤样吸纳泵抽送至真空储样罐。
S7，变频调压煤样泵将真空储样罐内的干燥超细粒级煤粉经由小管径煤样输送管路泵送至高速显微视觉分析单元的除尘前室，除尘装置吸取小管径煤样输送管路外环境中的灰尘，建立超净环境下的高速显微视觉成像单元。
S8，煤粉经由小管径煤样输送软管均匀平铺、高速通过毛细扁平煤样介质，通过背光源照明，由高速成像相机对流经介质内的煤粉气流进行微观组成的显微成像。
S9，计算煤质内不同成分的体积比，由显微成像结果可得煤炭中可燃和不同的非可燃物的面积比Sc:Sn1:...:Sni,其中Sc表示可燃物，Sn1～Sni表示不同种类的不可燃物，由于煤粉气流通过的毛细扁平煤样介质的厚度可以忽略不计，所以，面积比可以近似为体积比，Sc:Sn1:...:Snm≈Vc:Vn1:...:Vnm，应用深度学习理论建立自学习模型，通过样本训练，提高可燃物和不可燃物的识别精度，获得精确体积比，因总面积为介质面积S，所以可得各密度组成的体积含量。
S10，计算煤质的密度组成，由微量精密电子秤测量每帧图像成像时刻的介质总重量mi，由于单次采集样品中，煤质的组成相似，所以，当计算样本数大于密度组成数值时，可计算得煤质内部不同物质的密度组成。
Figure GDA0003749086800000041
其中；ρc，ρ1，…ρni为煤质的密度组成，M为系统质量，δ为气流阻尼系数，V为各密度组成的体积含量。
S11，计算煤炭的灰分值
Figure GDA0003749086800000051
其中，mn为不可燃物总质量，m为煤炭质量，(为提高检测精度)，定义以真空储样罐容量内的样品为一个计算周期，剔除数值统计过程中的畸变值，以整体平均值为最终灰分值。
Figure GDA0003749086800000052
S12，将测试后的煤粉吸纳至超细粒级煤粉存查样储罐。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：
(1)智能缩分单元可在保证煤质指标的情况下，完成对细粒级煤炭表面附着水分的快速烘干，并实现煤样的概率性缩分，提高了制样的效率和科学性。
(2)真空恒温储样单元有效规避内外温差造成的超细粒级煤粉的微观结团现象。
(3)智能测灰仪内部结构紧凑，较短的煤样输送管路降低了传送过程中管壁对煤样的影响。
(4)智能测灰仪各内部单元为封闭结构，并设置设备整体除尘和除尘前室，确保了高速显微视觉检测的超净环境，提高检测精度。
(5)高速显微视觉分析单元可实现高帧率的数据采集和对应的称重统计，将一个检测周期内的计算点无限细化，提高了煤炭灰分的计算精度。
(6)存查样储罐中的煤样未发生煤质变化，可依据不同工艺要求进行排放处理，避免了资源的浪费。
(7)本发明装置的取样点可以为煤炭输送带、堆煤场及任意开放式储煤或输煤地点，取样点限制少、范围广。
(8)取样执行机构可根据煤样采集点空间要求，设置为码垛机器人或直角坐标机器人。
(9)封闭振动溜槽可根据智能测灰仪安装空间高度要求，设计为封闭振动给料机与封闭胶带输送机组合，实现水平物料传送。
(10)本发明的智能在线测灰装置及检测方法，其检测结果仅和煤炭的采集样本有关，与测量环境和测量方式无关，避免了不确定因素对灰分检测的精度影响，且检测对象是煤炭的微观物质组成，与采样过程的煤炭重量无关，可通过智能缩分单元合理控制样本量，检测手段高效、精确、安全、环保、节能，可有效指导煤炭生产。
附图说明
图1为本发明装置总体架构示意图；
图2为智能测灰仪内部结构示意图；
图3高速显微视觉成像单元示意图；
图中：1-煤炭制样单元；2-高速显微视觉分析单元；3-智能测灰仪；31-现场显示表；32-数据远传接口；4-给料溜槽；5-一级破碎机构；6-第一封闭振动溜槽；7-二级破碎机构；8-第二封闭振动溜槽；9-智能缩分单元；91-入料口卸料闸门；92-自动翻滚搅拌机构；93-第一出料口卸料闸门；94-高温空气烘干装置；95-环境除湿装置；96-第二出料口卸料闸门；10-第三封闭振动溜槽；11-细粒级存查样储罐；12-第四封闭振动溜槽；13-制粉单元；14-煤样输送管路；15-真空恒温储样单元；151-变频调压煤样泵；152-真空储样罐；153-温控装置；154-煤样吸纳泵；16-小管径煤样输送管路；17-除尘前室；171-密封接口；172-除尘装置；18-高速显微视觉成像单元；181-高速成像相机；182-显微镜头；183-毛细扁平煤样介质；184-小管径煤样输送软管；185-微量精密电子秤；186-背光源；19-超细粒级煤粉存查样储罐；20-除尘单元；21-取样执行机构；211-机器人；212-末端铲斗。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，参见图1-图3，包括智能测灰仪3和取样执行机构21。
智能测灰仪3内置有煤炭制样单元1、高速显微视觉分析单元2和除尘单元20，煤炭制样单元1用于制备超细粒级煤粉，高速显微视觉分析单元2用于分析煤样的密度组成和体积含量，除尘单元20进行除尘操作；智能测灰仪3外设有现场显示表31和数据远传接口32；
取样执行机构21包括机器人211和末端铲斗212。
煤炭制样单元1包括依次连接的给料溜槽4、一级破碎机构5、第一封闭振动溜槽6、二级破碎机构7、第二封闭振动溜槽8、智能缩分单元9，智能缩分单元9的出口通过第三封闭振动溜槽10和第四封闭振动溜槽12分别对应连接细粒级存查样储罐11和制粉单元13，制粉单元13的出料口通过煤样输送管路14连接真空恒温储样单元15。
智能缩分单元9包括单元本体，以及设置在单元本体上的入料口卸料闸门91、自动翻滚搅拌机构92、第一出料口卸料闸门93、第二出料口卸料闸门96、高温空气烘干装置94和环境除湿装置95，入料口卸料闸门91与第二封闭振动溜槽8连接，第一出料口卸料闸门93、第二出料口卸料闸门96分别对应连接第三封闭振动溜槽10和第四封闭振动溜槽12，自动翻滚搅拌机构92位于单元本体内部，高温空气烘干装置94和环境除湿装置95分别位于单元本体的不对称两侧。
真空恒温储样单元15包括变频调压煤样泵151、真空储样罐152、温控单元153和煤样吸纳泵154，真空储样罐152的入口通过煤样吸纳泵154与煤样输送管路14连接、出口设置变频调压煤样泵151，真空恒温储样单元15内设有温控单元153。
高速显微视觉分析单元2包括依次布置的除尘前室17、高速显微视觉成像单元18和超细粒级煤粉存查样储罐19，除尘前室17与真空恒温储样单元15连接。
除尘前室17包括密封接口171、除尘装置172和小管径煤样输送管路16，小管径煤样输送管路16一端连接变频调压煤样泵151、另一端经由密封接口171引入除尘前室17，除尘装置172位于除尘前室17内。
高速显微视觉成像单元18包括高速成像相机181、显微镜头182、毛细扁平煤样介质183、小管径煤样输送软管184、微量精密电子秤185和背光源186，小管径煤样输送软管184一端经由密封接口171引入超净环境下的高速显微视觉成像单元18、另一端连接毛细扁平煤样介质183的入口，毛细扁平煤样介质183位于高速成像相机181和背光源186中间，上方布置有微量精密电子秤185，显微镜头182位于高速成像相机181上，毛细扁平煤样介质183的出口连接超细粒级煤粉存查样储罐19。
一种基于高速显微视觉的智能在线煤炭灰分检测方法，利用了上述的装置，包括如下步骤：
S1，由取样执行机构21从输煤胶带运输机抽取煤样，定点卸料于智能测灰仪的给料溜槽4。
S2，一级破碎机构5对原料煤进行初级破碎工作，将初破煤样由第一封闭振动溜槽6传输至二级破碎机构7进行细粒级煤样破碎。
S3，智能缩分单元9的入料口卸料闸门91闭锁开启，细粒级煤样由第二封闭振动溜槽8传输至智能缩分单元9。
S4，卸料结束，智能缩分单元9的入料口卸料闸门91关闭，自动翻滚搅拌机构92、高温空气烘干装置94和环境除湿装置95依次开启，建立恒温环境，对细粒级煤样进行快速气流烘干。
S5，高温空气烘干装置94和环境除湿装置95关闭，智能缩分单元9的第一出料口卸料闸门93、第二出料口卸料闸门96开启，对细粒级煤样缩分，煤样分流至制粉单元13和细粒级存查样储罐11。
S6，干燥细粒级煤样由制粉单元13制备成超细粒级煤粉，由真空恒温储样单元15的煤样吸纳泵154抽送至真空储样罐152。
S7，变频调压煤样泵151将真空储样罐152内的干燥超细粒级煤粉经由小管径煤样输送管路16泵送至高速显微视觉分析单元2的除尘前室17，除尘装置172吸取小管径煤样输送管路16外环境中的灰尘，建立超净环境下的高速显微视觉成像单元18。
S8，煤粉经由小管径煤样输送软管184均匀平铺、高速通过毛细扁平煤样介质183，通过背光源186照明，由高速成像相机181对流经介质内的煤粉气流进行微观组成的显微成像。
S9，计算煤质内不同成分的体积比，由显微成像结果可得煤炭中可燃和不同的非可燃物的面积比Sc:Sn1:...:Sni,其中Sc表示可燃物，Sn1～Sni表示不同种类的不可燃物，由于煤粉气流通过的毛细扁平煤样介质183的厚度可以忽略不计，所以，面积比可以近似为体积比，Sc:Sn1:...:Snm≈Vc:Vn1:...:Vnm，应用深度学习理论建立自学习模型，通过样本训练，提高可燃物和不可燃物的识别精度，获得精确体积比，因总面积为介质面积S，所以可得各密度组成的体积含量。
S10，计算煤质的密度组成，由微量精密电子秤185测量每帧图像成像时刻的介质总重量mi，由于单次采集样品中，煤质的组成相似，所以，当计算样本数大于密度组成数值时，可计算得煤质内部不同物质的密度组成。
Figure GDA0003749086800000101
其中；ρc，ρ1，…ρni为煤质的密度组成，M为系统质量，δ为气流阻尼系数，V为各密度组成的体积含量。
S11，计算煤炭的灰分值
Figure GDA0003749086800000102
其中，mn为不可燃物总质量，m为煤炭质量，(为提高检测精度)，定义以真空储样罐152容量内的样品为一个计算周期，剔除数值统计过程中的畸变值，以整体平均值为最终灰分值。
Figure GDA0003749086800000103
S12，将测试后的煤粉吸纳至超细粒级煤粉存查样储罐19。

Claims (7)

1.一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：包括智能测灰仪和取样执行机构；
智能测灰仪内置有煤炭制样单元、高速显微视觉分析单元和除尘单元，煤炭制样单元用于制备超细粒级煤粉，高速显微视觉分析单元用于分析煤样的密度组成和体积含量，除尘单元进行除尘操作；智能测灰仪外设有现场显示表和数据远传接口；
取样执行机构包括机器人和末端铲斗；
煤炭制样单元包括依次连接的给料溜槽、一级破碎机构、第一封闭振动溜槽、二级破碎机构、第二封闭振动溜槽、智能缩分单元，智能缩分单元的出口通过第三封闭振动溜槽和第四封闭振动溜槽对应连接细粒级存查样储罐和制粉单元，制粉单元的出料口通过煤样输送管路连接真空恒温储样单元；
所述智能测灰仪的检测方法包括有如下步骤：
S7，变频调压煤样泵将真空储样罐内的干燥超细粒级煤粉经由小管径煤样输送管路泵送至高速显微视觉分析单元的除尘前室，除尘装置吸取小管径煤样输送管路外环境中的灰尘，建立超净环境下的高速显微视觉成像单元；
S8，煤粉经由小管径煤样输送软管均匀平铺、高速通过毛细扁平煤样介质，通过背光源照明，由高速成像相机对流经介质内的煤粉气流进行微观组成的显微成像；
S9，计算煤质内不同成分的体积比，由显微成像结果可得煤炭中可燃和不同的非可燃物的面积比Sc:Sn1:...:Sni,其中Sc表示可燃物，Sn1～Sni表示不同种类的不可燃物，由于煤粉气流通过的毛细扁平煤样介质的厚度可以忽略不计，所以，面积比可以近似为体积比，Sc:Sn1:...:Snm≈Vc:Vn1:...:Vnm，应用深度学习理论建立自学习模型，通过样本训练，提高可燃物和不可燃物的识别精度，获得精确体积比，因总面积为介质面积S，所以可得各密度组成的体积含量；
S10，计算煤质的密度组成，由微量精密电子秤测量每帧图像成像时刻的介质总重量mi，由于单次采集样品中，煤质的组成相似，所以，当计算样本数大于密度组成数值时，可计算得煤质内部不同物质的密度组成；
Figure FDA0003893385270000021
其中；ρc，ρ1，…ρni为煤质的密度组成，M为系统质量，δ为气流阻尼系数，V为各密度组成的体积含量；
S11，计算煤炭的灰分值
Figure FDA0003893385270000022
其中，mn为不可燃物总质量，m为煤炭质量，定义以真空储样罐容量内的样品为一个计算周期，剔除数值统计过程中的畸变值，以整体平均值为最终灰分值；
Figure FDA0003893385270000023
2.根据权利要求1所述的一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：智能缩分单元包括单元本体，以及设置在单元本体上的入料口卸料闸门、自动翻滚搅拌机构、第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门、高温空气烘干装置和环境除湿装置，入料口卸料闸门与第二封闭振动溜槽连接，第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门分别对应连接第三封闭振动溜槽和第四封闭振动溜槽，自动翻滚搅拌机构位于单元本体内部，高温空气烘干装置和环境除湿装置分别位于单元本体的不对称两侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：真空恒温储样单元包括变频调压煤样泵、真空储样罐、温控单元和煤样吸纳泵，真空储样罐的入口通过煤样吸纳泵与煤样输送管路连接、出口设置变频调压煤样泵，真空恒温储样单元内设有温控单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：高速显微视觉分析单元包括依次布置的除尘前室、高速显微视觉成像单元和超细粒级煤粉存查样储罐，除尘前室与真空恒温储样单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：除尘前室包括密封接口、除尘装置和小管径煤样输送管路，小管径煤样输送管路一端连接变频调压煤样泵、另一端经由密封接口引入除尘前室，除尘装置位于除尘前室内。
6.根据权利要求5所述的一种基于高速显微视觉的智能在线测灰装置，其特征在于：高速显微视觉成像单元包括高速成像相机、显微镜头、毛细扁平煤样介质、小管径煤样输送软管、微量精密电子秤和背光源，小管径煤样输送软管一端经由密封接口引入高速显微视觉成像单元、另一端连接毛细扁平煤样介质的入口，毛细扁平煤样介质位于高速成像相机和背光源中间、上方布置有微量精密电子秤，显微镜头位于高速成像相机上，毛细扁平煤样介质的出口连接超细粒级煤粉存查样储罐。
7.一种基于高速显微视觉的智能在线煤炭灰分检测方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，由取样执行机构从输煤胶带运输机抽取煤样，定点卸料于智能测灰仪的给料溜槽；
S2，一级破碎机构对原料煤进行初级破碎工作，将初破煤样由第一封闭振动溜槽传输至二级破碎机构进行细粒级煤样破碎；
S3，智能缩分单元的入料口卸料闸门闭锁开启，细粒级煤样由第二封闭振动溜槽传输至智能缩分单元；
S4，卸料结束，智能缩分单元的入料口卸料闸门关闭，自动翻滚搅拌机构高温空气烘干装置和环境除湿装置依次开启，建立恒温环境，对细粒级煤样进行快速气流烘干；
S5，高温空气烘干装置和环境除湿装置关闭，智能缩分单元的第一出料口卸料闸门、第二出料口卸料闸门开启，对细粒级煤样缩分，煤样分流至制粉单元和细粒级存查样储罐；
S6，干燥细粒级煤样由制粉单元制备成超细粒级煤粉，由真空恒温储样单元的煤样吸纳泵抽送至真空储样罐；
S7，变频调压煤样泵将真空储样罐内的干燥超细粒级煤粉经由小管径煤样输送管路泵送至高速显微视觉分析单元的除尘前室，除尘装置吸取小管径煤样输送管路外环境中的灰尘，建立超净环境下的高速显微视觉成像单元；
S8，煤粉经由小管径煤样输送软管均匀平铺、高速通过毛细扁平煤样介质，通过背光源照明，由高速成像相机对流经介质内的煤粉气流进行微观组成的显微成像；
S9，计算煤质内不同成分的体积比，由显微成像结果可得煤炭中可燃和不同的非可燃物的面积比Sc:Sn1:...:Sni,其中Sc表示可燃物，Sn1～Sni表示不同种类的不可燃物，由于煤粉气流通过的毛细扁平煤样介质的厚度可以忽略不计，所以，面积比可以近似为体积比，Sc:Sn1:...:Snm≈Vc:Vn1:...:Vnm，应用深度学习理论建立自学习模型，通过样本训练，提高可燃物和不可燃物的识别精度，获得精确体积比，因总面积为介质面积S，所以可得各密度组成的体积含量；
S10，计算煤质的密度组成，由微量精密电子秤测量每帧图像成像时刻的介质总重量mi，由于单次采集样品中，煤质的组成相似，所以，当计算样本数大于密度组成数值时，可计算得煤质内部不同物质的密度组成；
Figure FDA0003893385270000041
其中；ρc，ρ1，…ρni为煤质的密度组成，M为系统质量，δ为气流阻尼系数，V为各密度组成的体积含量；
S11，计算煤炭的灰分值
Figure FDA0003893385270000042
其中，mn为不可燃物总质量，m为煤炭质量，定义以真空储样罐容量内的样品为一个计算周期，剔除数值统计过程中的畸变值，以整体平均值为最终灰分值；
Figure FDA0003893385270000051
S12，将测试后的煤粉吸纳至超细粒级煤粉存查样储罐。
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