CN112881249B - 一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置：单光源多光束激光发射系统，包括激光器、光纤分束器和准直扩束器；激光器发射的激光束依次经光纤分束器和准直扩束器限制成直径不同的准直平行光束，照射输送带形成直径不同的多光斑，颗粒经过光斑产生散射光信号；散射光信号采集系统，包括三条采集通道，用于将散射光信号依次经透镜和分束器分开记录在不同光电探测器上，得到散射光强度‑时间图像；散射光信号处理系统，通过对散射光强度‑时间图像进行模式识别和反演，获得颗粒的粒径。本发明还公开了一种采用上述测量装置的测量方法。该装置和方法基于光散射原理，可以实现宽筛分布颗粒粒度的在线原位测量，测量结果准确及时。
Description
技术领域
本发明涉及粒度在线测量领域，具体涉及一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置及方法。
背景技术
循环流化床(CFB)锅炉床料中的颗粒通常是粒径由小到大的宽筛分布，由于颗粒的直径不同，其流动工况和规律也各不相同。实践证明，入炉燃料的颗粒度对循环流化床锅炉的点火启动、运行控制、燃烧效率、风帽及水冷壁等部件的运行均有一定程度的影响。例如当颗粒偏大时可能会引发床压降低、床面温度不均匀等问题。CFB锅炉通常使用输送带将燃料运至锅炉，因此，对输送带上的入炉燃料颗粒粒度进行准确快速测量对锅炉安全经济运行具有重要意义。
目前相对流行和先进的方法主要有激光粒度法及机器视觉法，激光粒度法通过发射一束激光，接收并分析激光被颗粒阻挡后产生的衍射或散射光信号得到颗粒尺寸，该方法测量速度快、结果准确、操作简便。机器视觉法通过颗粒流上某一区域颗粒图像，将目标转换成图像信号，再利用相关处理算法识别并计算图像中的目标参数，对颗粒进行识别与分析。该方法成本低、对样品无损，检测的颗粒尺寸范围较广，可同时分析微米级至毫米级颗粒。然而，现有的成熟的颗粒粒度测量方法主要将颗粒分散在溶液中，或者对气流中颗粒的直接测量，在许多工业过程中，如CFB锅炉，燃料主要通过破煤机进行破碎后利用输送皮带和给料机运送到炉膛，现有的方法难以对堆积在输送皮带上的致密颗粒流进行测量。
如公开号为CN107255608A的中国发明专利公开了一种基于单光电探测器的颗粒粒度测量仪，该装置包括数字微透镜阵列、透镜组、单光电探测器。该发明优化衍射光强的获取方式，对基于前向光散射法的激光粒度仪进行改进。但该装置需要通过气力运输待测颗粒，且测量粒度上限为微米级，无法适应宽筛分颗粒测量。如公开号为CN105699357A的中国发明专利公开了一种基于二维拉曼光谱的颗粒粒度测量方法，该方法采集已知颗粒的特征拉曼谱峰，利用二维数据拟合方式获取拉曼谱峰的半峰宽，拟合颗粒粒度与半峰宽之间的关联式。针对待测颗粒，采集特征拉曼谱峰获得半峰宽后，依据关联式实现粒度的测量。但是该方法采用的拉曼光谱针对简单物质具有较好的谱峰辨识度，针对循环流化床燃料等复杂物质的辨识效果还有待改进。如公开号为CN109598715A的中国发明专利公开了一种基于机器视觉的物料粒度在线检测方法，该方法拍摄运动时传输带上的煤粉颗粒，通过计算机图像分割算法，对传送带上物料颗粒粒度进行实时在线检测，同时加入测距模块对物料厚度变化引起的粒度计算误差进行修正。
发明内容
本发明提供了一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置及方法，基于光散射原理，可以实现工业现场下循环流化床床料中宽筛分布的颗粒粒度数据的在线原位测量，测量过程无需人工操作，测量结果准确及时，经济效益突出。
一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，所述测量装置包括：
单光源多光束激光发射系统，包括激光器、光纤分束器和准直扩束器；激光器发射的激光束由光纤耦合进入光纤分束器分成三束相干光，分别经过三个准直扩束器限制成直径不同的准直平行光束，照射输送带待测平面形成直径不同的多光斑，多光斑沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离，输送带上颗粒随输送带转动陆续经过各光斑产生散射光信号；
散射光信号采集系统，包括三条采集通道，每条采集通道均依次包括透镜、分束器和光电探测器；用于将输送带待测平面内不同位置光斑产生的散射光信号经过散射光信号采集系统分开记录在不同光电探测器上，得到散射光强度-时间图像；
散射光信号处理系统，通过对散射光强度-时间图像进行模式识别和反演，获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径。
所述激光器为连续激光器。具体地，连续激光器用于产生强度可调且光束特性好的相干光束。
优选的，所述的连续激光器为0mW至4000mW光强可调的固体或半导体连续激光器，波长为400nm至760nm可见光波段，光束束腰半径为0.05mm至1mm之间。
优选的，所述的透镜直径为10mm至100mm，焦距为20mm至200mm。
优选的，所述的采集通道中的透镜与准直扩束器射出的激光同轴布置，目标光斑与光电探测器各自位于透镜的两侧焦点处。
优选的，所述的输送带上激光光斑直径分别为0.1mm至0.5mm、0.5mm至2mm和1mm至5mm，相互间隔50mm至500mm。
优选的，所述的准直扩束器为准直器与扩束器的组合，光束直径调节范围0.1mm至5mm。
优选的，所述的光电探测器响应波长范围400到1100nm，带宽2GHz。
优选的，所述的散射光信号处理系统包括采集卡和计算机；采集卡通过计算机控制并连接各光电探测器，计算机控制采集卡的开关、采集频率和采集时间。
本发明还提供了一种上述装置测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
(1)打开载有颗粒的输送带，调整输送带至宽筛分颗粒至稳定运动状态；
(2)开启激光器，激光器发射的激光束经光纤分束器分束后，经过准直扩束器调整光束直径，产生沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离的多相干光束垂直照射到输送带待测平面上的宽筛分颗粒，颗粒经过不同位置处光斑产生的散射光信号经过信号采集系统采集；
(3)调整采集通道中透镜以及光电探测器，收集目标光斑处颗粒产生的散射光信号进入各光电探测器，直至各采集通道上获得清晰的散射光强度-时间图像；
(4)打开各光电探测器及采集卡，同时记录不同光斑位置处的散射光强度-时间曲线；
(5)计算机对光电探测器记录的三个散射光强度-时间图像同时进行模式识别和反演，获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径。
优选的，步骤(5)中获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径的方法为：对采集的多通道散射光信号整体进行傅里叶变换得到和/>对其进行信号拟合与分解，匹配不同粒度颗粒在频谱中的组成成分；；通过时间连续性地测量，获得输送带上宽筛分颗粒粒度分布；具体为：
(5-1)根据已知颗粒移动速度与光斑间距，确定待测颗粒在各散射光强度-时间图像中信号出现时刻，由于不同位置光斑直径不同，其响应信号持续时间不同，分别确定信号持续时间为△t1、△t2和△t3；
(5-2)根据已知输送带速度、光斑间距与信号持续时间，初步计算待测颗粒粒度并分类待测颗粒的粒度范围；
(5-3)提取待测颗粒在△t1、△t2和△t3时间内的散射光强度和/>并进行傅里叶变换得到待测颗粒在频谱中的组成频率F1(△ω1)、F2(△ω2)和F3(△ω3)；
(5-4)结合预先标定的不同粒度颗粒在各直径光束照射下的响应曲线，对待测颗粒作模式匹配，进一步确定待测颗粒粒度。
其中，在步骤(5-2)中，分类待测颗粒的粒度范围为：0.1mm、0.1mm-0.5mm、0.5mm-2.5mm、＞2.5mm)。
本发明提供的输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，设置在燃料传送带旁，所述的燃料为等粒径在微米级以上的工业动力用煤。
本发明公开的输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置及方法，基于光散射原理，工业现场循环流化床床料输送过程中，可以实现宽筛分布颗粒粒度的在线原位测量，测量过程无需人工操作，测量结果准确及时，经济效益突出。
附图说明
图1为本发明提供的一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，有必要指出的是，本实施例只用于对本发明进行进一步的说明，并不能理解为对本发明保护范围的界定。
如图1所示，本发明提供的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，包括：
a.单光源多光束激光发射系统，由激光器1发射的激光束经光纤耦合进入光纤分束器2分成三束相干光，分别经过第一准直扩束器3、第二准直扩束器7和第三准直扩束器11限制成直径不同的光束，照射输送带待测平面17形成直径不同的多光斑，多光斑沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离，输送带上颗粒随输送带转动陆续经过各光斑产生散射光信号。
激光器1，用于产生强度可调且光束特性好的相干光束；本实施例的固体激光器1为0mW至3000mW光强可调激光器，波长为532nm，光束束腰半径为0.1mm；第一准直扩束器3、第二准直扩束器7和第三准直扩束器11调节准直光束范围0.1mm至5mm；输送带上激光光斑分别为0.1mm、0.5mm和2.5mm，相互间隔400mm。
b.散射光信号采集系统，用于将输送带待测平面17内不同位置光斑产生的散射光信号经过信号采集系统分开记录在不同光电探测器上，得到散射光强度-时间图像。信号采集系统包括三条采集通道，第一采集通道包括第一分束器4、第一透镜5和第一光电探测器6，第二采集通道包括第二分束器8、第二透镜9和第二光电探测器10，第三采集通道包括第三分束器12、第三透镜13和第三光电探测器14。输送带待测平面17内不同位置处三个光斑的散射信号分别被第一透镜5、第二透镜9和第三透镜13对应收集后进入光电探测器，第一光电探测器6、第二光电探测器10和第三光电探测器14将光信号转化为电信号，电信号经放大后汇聚至采集卡15。第一透镜5、第二透镜9和第三透镜13的直径为30mm，焦距为50mm。为确保各采集通道只记录对应光斑产生的散射光信号，避免杂光信号干扰，以采集通道一为例，第一透镜5与第一准直扩束器3射出的激光同轴布置，调整第一透镜5使其一侧焦点与目标光斑处重合，目标光斑处产生的散射光信号由第一透镜5收集，经过第一分束器4偏转90度进入第一光电探测器6，第一光电探测器6处于第一透镜5另一侧焦点处；第一光电探测器6、第二光电探测器10和第三光电探测器14响应波长范围400到1100nm，带宽2GHz。
散射光信号处理系统，通过对散射光强度-时间图像进行模式识别和反演，获得输送带待测平面17内多光斑排列方向上颗粒的粒径。散射光信号处理系统包含采集卡15和计算机16。采集卡15通过计算机16控制并连接光电探测器6、光电探测器10和光电探测器14，包括控制采集卡15的开关、采集频率和采集时间。
使用上述装置测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量方法，包括以下步骤：
(1)打开载有颗粒的输送带17，调整输送带至宽筛分颗粒至某一速度稳定运动状态；
(2)开启激光器1，激光器1发射的激光束经光纤分束器2分束后，经过准直扩束器调整光束直径，产生沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离的多相干光束垂直照射到输送带待测平面17上的宽筛分颗粒，颗粒经过不同位置处光斑产生的散射光信号经过信号采集系统采集；
(3)调整第一透镜5、第二透镜9和第三透镜13的位置以及第一光电探测器6、第二光电探测器10和第三光电探测器14的角度，收集目标光斑处颗粒产生的散射光信号进入各光电探测器，直至各采集通道上获得清晰的散射光强度-时间图像；
(4)打开第一光电探测器6、第二光电探测器10和第三光电探测器14及采集卡15，同时记录不同光斑位置处的散射光强度-时间曲线；
(5)计算机16对光电探测器记录的三个散射光强度-时间图像同时进行模式识别和反演，获得输送带待测平面17内多光斑排列方向上颗粒的粒径；
根据已知颗粒移动速度与光斑间距，确定待测颗粒在各散射光强度-时间图像中信号出现时刻，由于不同位置光斑直径不同，其响应信号持续时间不同，分别确定信号持续时间为△t1、△t2和△t3；
根据已知输送带速度、光斑间距与信号持续时间，初步计算待测颗粒粒度并分类待测颗粒的粒度范围(如＜0.1mm、0.1mm-0.5mm、0.5mm-2.5mm、＞2.5mm)；
提取待测颗粒在△t1、△t2和△t3时间内的散射光强度 和并进行傅里叶变换得到待测颗粒在频谱中的组成频率F1(△ω1)、F2(△ω2)和F3(△ω3)；
结合预先标定的不同粒度颗粒在各直径光束照射下的响应曲线，对待测颗粒作模式匹配，进一步确定待测颗粒粒度。
上述方法通过对采集的多通道散射光信号整体进行傅里叶变换得到和/>对其进行信号拟合与分解，匹配不同粒度颗粒在频谱中的组成成分。
在计算机16上同时计算各颗粒经过不同光斑产生的散射光强度-时间图像，反演获得测量区域上经过各光斑的颗粒的粒径；通过时间连续性地测量，可以获得输送带上宽筛分颗粒粒度分布。
上述是结合实施例对本发明作详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：
单光源多光束激光发射系统，包括激光器、光纤分束器和准直扩束器；激光器发射的激光束由光纤耦合进入光纤分束器分成三束相干光，分别经过三个准直扩束器限制成直径不同的准直平行光束，照射输送带待测平面形成直径不同的多光斑，多光斑沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离，输送带上颗粒随输送带转动陆续经过各光斑产生散射光信号；
散射光信号采集系统，包括三条采集通道，每条采集通道均依次包括透镜、分束器和光电探测器；用于将输送带待测平面内不同位置光斑产生的散射光信号经过散射光信号采集系统分开记录在不同光电探测器上，得到散射光强度-时间图像；
散射光信号处理系统，通过对散射光强度-时间图像进行模式识别和反演，获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径；
所述的采集通道中的透镜与准直扩束器射出的激光同轴布置，目标光斑与光电探测器各自位于透镜的两侧焦点处；
所述的散射光信号处理系统包括采集卡和计算机；采集卡通过计算机控制并连接各光电探测器，计算机控制采集卡的开关、采集频率和采集时间。
2.根据权利要求1所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述的激光器为0mW至4000mW光强可调的固体或半导体连续激光器，波长为400nm至760nm可见光波段，光束束腰半径为0.05mm至1mm之间。
3.根据权利要求1所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述的透镜直径为10mm至100mm，焦距为20mm至200mm。
4.根据权利要求1所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述的输送带上激光光斑直径分别为0.1mm至0.5mm、0.5mm至2mm和1mm至5mm，相互间隔50mm至500mm。
5.根据权利要求1所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述的准直扩束器为准直器与扩束器的组合，光束直径调节范围0.1mm至5mm。
6.根据权利要求1所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量装置，其特征在于，所述的光电探测器响应波长范围400到1100nm，带宽2GHz。
7.一种使用权利要求1-6任一所述的测量装置的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
(1)打开载有颗粒的输送带，调整输送带至宽筛分颗粒至稳定运动状态；
(2)开启激光器，激光器发射的激光束经光纤分束器分束后，经过准直扩束器调整光束直径，产生沿输送带运动方向直线排列且相互间隔一定距离的多相干光束垂直照射到输送带待测平面上的宽筛分颗粒，颗粒经过不同位置处光斑产生的散射光信号经过信号采集系统采集；
(3)调整采集通道中透镜以及光电探测器，收集目标光斑处颗粒产生的散射光信号进入各光电探测器，直至各采集通道上获得清晰的散射光强度-时间图像；
(4)打开各光电探测器及采集卡，同时记录不同光斑位置处的散射光强度-时间曲线；
(5)计算机对光电探测器记录的三个散射光强度-时间图像同时进行模式识别和反演，获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径。
8.如权利要求7所述的测量输送带上宽筛分颗粒粒度的测量方法，其特征在于，步骤(5)中获得输送带待测平面内多光斑排列方向上颗粒的粒径的方法为：对采集的多通道散射光信号整体进行傅里叶变换得到和/>对其进行信号拟合与分解，匹配不同粒度颗粒在频谱中的组成成分；通过时间连续性地测量，获得输送带上宽筛分颗粒粒度分布；具体为：
(5-1)根据已知颗粒移动速度与光斑间距，确定待测颗粒在各散射光强度-时间图像中信号出现时刻，由于不同位置光斑直径不同，其响应信号持续时间不同，分别确定信号持续时间为△t1、△t2和△t3；
(5-2)根据已知输送带速度、光斑间距与信号持续时间，初步计算待测颗粒粒度并分类待测颗粒的粒度范围；
(5-3)提取待测颗粒在△t1、△t2和△t3时间内的散射光强度和并进行傅里叶变换得到待测颗粒在频谱中的组成频率F1(△ω1)、F2(△ω2)和F3(△ω3)；
(5-4)结合预先标定的不同粒度颗粒在各直径光束照射下的响应曲线，对待测颗粒作模式匹配，进一步确定待测颗粒粒度。
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