水泥生料品質在線激光檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業自動化測量技術領域，具體為一種水泥生料品質在線激光檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前工業上對水泥生料元素的定量分析主要采用化學分析法即國標法，但工序復雜、條件要求苛刻且分析時間長，無法及時指導原料配比調整；X射線熒光光譜法雖然耗時短(~5分鐘)，但要對生料樣品進行人工取樣、磨細、壓樣等預處理，且測量室需要抽真空，測量環境要求溫濕度恒定；γ射線分析法能夠對皮帶上的混合原料進行在線檢測，但其檢測結果受高原子序數元素含量的影響較大，樣品的形態及不均勻性也都大大降低了檢測精度，并且存在放射性污染，放射源的保養及日常護理難度也較高。由此可見，當前各種檢測方法都難以快速準確的反饋水泥生料的品質信息，急需發展基于新技術的在線檢測方法及
目.ο
[0003]激光誘導擊穿光譜(LIBS)是一種全新的物質元素分析技術，其原理是將一束高能脈沖激光聚焦到樣品上，使樣品表面燒蝕成等離子體，通過測量該等離子體熒光光譜來精確獲得樣品元素含量。LIBS不需對樣品進行預處理，具有檢測精度高、測量速度快、多元素同時檢測、安全無輻射、成本低等優勢，適合于實時在線檢測水泥生料品質，以及時指導調整原料配比，提高入窯合格率，節約成本，提高效益，實現節能減排。
[0004]國際上目前在LIBS混凝土檢測方面，沙特阿拉伯法赫德國王石油礦產大學的Μ.A.Gondal等人采用雙脈沖LIBS系統對混凝土中的硫元素進行了檢測，所采用譜線為S (I)545.38 nm，最小可探測限(LOD)為38.5 ppm ;俄羅斯莫斯科國立大學的T.A.Labutin等人采用雙脈沖LIBS系統和譜線歸一化處理方法對混凝土中的氯、硫和碳等元素含量進行了檢測，LOD值滿足行業標準要求。在LIBS水泥檢測方面，德國亞森工業大學的C.D.Gehlen等人使用LIBS技術對水泥中氯元素進行了定量分析，所采用的氯元素譜線為Cl (I)134.72 nm,所獲氯元素檢測的LOD值為0.1% ;伊朗沙希德貝赫什提A.Mansoori等人利用LIBS技術對水泥料中的Ca、S1、Mg、Al、Na、Ti元素含量進行了檢測，所獲定標曲線的線性擬合度大于0.96，LOD值小于40 ppmo然而，以上報道均為LIBS實驗室檢測結果，未能將LIBS技術應用于工業現場實現對水泥生料品質的實時在線檢測。

【發明內容】

[0005]本發明為解決目前工業上對水泥生料元素的定量分析存在分析結果不準確且不能有效應用于工業現場的技術問題，提供一種水泥生料品質在線激光檢測裝置及方法。
[0006]本發明提供了一種可實時、快速、準確地對工業現場輸送管中水泥生料化合物成分及率值進行在線檢測的全自動水泥生料品質在線激光檢測方法，相應裝置如圖1所示。
[0007]本發明所述的水泥生料品質在線激光檢測裝置是采用以下技術方案實現的:一種水泥生料品質在線激光檢測裝置，包括脈沖激光器、順次設在脈沖激光器出射光路上的匯聚透鏡組以及帶中孔凹面鏡；帶中孔凹面鏡的凹面一側設有石英鏡片、高壓氣罐和射流裝置；射流裝置的進料口與水泥生料輸送管相連通，高壓氣罐與射流裝置的進氣口相連通；帶中孔凹面鏡旁還設有連續激光器；帶中孔凹面鏡的反射光路上設有光纖聚焦頭，光纖聚焦頭通過光纖連接有光譜儀，光譜儀連接有工控機，工控機的信號輸出端與脈沖激光器的電壓控制端相連接；脈沖激光器出射的脈沖激光穿過匯聚透鏡組、帶中孔凹面鏡的中孔后穿過石英鏡片并入射至由射流裝置的氣料出口噴射出的待測氣粉柱上，待測氣粉柱在脈沖激光激發下發射的等離子體熒光被帶中孔凹面鏡反射至光纖聚焦頭中；所述連續激光器出射的連續激光透過石英鏡片并經待測氣粉柱散射后由帶中孔凹面鏡反射至光纖聚焦頭中；連續激光入射至待測氣粉柱上的位置與脈沖激光入至待測氣粉柱上的位置相同；連續激光的波長與等離子體熒光的譜線不重合。
[0008]所述全自動水泥生料品質在線激光檢測裝置工作時，脈沖激光器發射的脈沖激光經過匯聚透鏡組以及石英鏡片之后入射至待測氣粉柱17上，待測氣粉柱17內的水泥粉末在脈沖激光的作用下發射出的等離子體熒光(也即元素特征發射光譜)在帶中孔凹面鏡反射下經光纖聚焦頭7采集后輸入至光譜儀10 ;連續激光器8和光譜儀10配合完成對待測氣粉柱17中料粉濃度的實時檢測:連續激光照射到待測氣粉柱上發生散射，散射光經帶中孔凹面鏡6匯聚后，由光纖聚焦頭7收集進入光譜儀10中進行光電轉換，所轉換的反映散射光強度的數字信號傳送至工控機12中。由于水泥生料輸送管16中的生料流量不斷發生變化，造成待測氣粉柱17的濃度不穩定，將會影響定量分析結果，而所測散射光光強與待測氣粉柱17的氣粉混合濃度呈正相關。因此，在光譜數據處理時，應利用該散射光光強對生料等離子體光譜進行歸一化處理，即采集多組元素特征譜線強度Yi (i=l，2，3，…)與散射光光強Xi(i=l，2，3，…)后得到線性擬合公式y=ax+b，則元素特征譜線歸一化強度=元素特征譜線強度/ (a*散射光強度+b);再將多次測量歸一化值數組中偏離較大的數據剔除，篩選后的剩余數值的均值作為定量分析的有效數據。這種數據處理方法有效避免了待測氣粉柱的流量變化對其成分分析所造成的影響，使得成分分析結果更加準確可靠。這里，要求連續激光不僅要線寬窄，并且其輸出波長要與生料等離子體光譜中的譜線不重合，從而避免相互干擾。
[0009]進一步的，脈沖激光器與匯聚透鏡組之間設有分束鏡；匯聚透鏡組位于分束鏡的透射光路上，分束鏡的反射光路上設有功率計，功率計的信號輸出端與工控機的信號輸入端相連接；所述匯聚透鏡組包括順次位于分束鏡透射光路上的凹透鏡、凸透鏡以及聚焦鏡。
[0010]所述全自動水泥生料品質在線激光檢測裝置中，為了使脈沖激光器I的輸出功率能夠長期穩定地工作在預設值的允許區間內，本發明設計了脈沖激光功率反饋穩定裝置，該裝置由脈沖激光器1、功率計11和工控機12組成。由于脈沖激光器I在短時間自由運行時相對比較穩定，并且功率計存在一個短暫的響應時間，所以脈沖激光器工作后，工控機12每隔數秒采集一次功率值并與預設值比較，如果功率值與預設值的差值在允許區間內則不動作，如果差值大于允許區間，則將脈沖激光器的氙燈電壓相應調節一個小量，如此循環，從而實現脈沖激光功率的穩定輸出，獲得穩定的等離子體光譜。
[0011]進一步的，工控機的信號輸出端連接有光端機。
[0012]光端機能夠實現檢測信息的遠距離快速傳輸。
[0013]進一步的，石英鏡片的入射面與從帶中孔凹面鏡的中孔出射的激光不垂直；石英鏡片旁配設有吹掃頭。
[0014]所述全自動水泥生料品質在線激光檢測裝置為了實現高效激發和光譜收集，發明了防塵式高效光學激發收集裝置，由凹透鏡3、凸透鏡4、聚焦鏡5、帶中孔凹面鏡6、石英鏡片9以及吹掃頭18組成。其中，脈沖激光經凹透鏡3后變為發散光，再經凸透鏡4后變為平行光，實現了對脈沖激光的擴束，激光先擴束后再聚焦，不僅可獲得直徑更小的焦點，而且光束質量也會得到改善，從而獲得更高信噪比的光譜；裝置中包含一個帶中孔凹面鏡6，其作用是一方面可以使脈沖激光通過，另一方面又可以匯聚等離子體熒光，從而進一步提高等離子體光譜的信噪比；裝置中的石英鏡片9不與輸出激光垂直放置，其目的是防止被鏡片反射的脈沖激光沿原路返回而損壞激光器；裝置中的石英鏡片9的一側配備了定期吹掃式高壓吹掃頭18，防止鏡片表面被粉塵污染而降低透光率和由高能脈沖激光引起的鏡面損傷。
[0015]本發明所述水泥生料品質在線激光檢測方法是采用如下技術方案實現的:一種水泥生料品質在線激光檢測方法，包括如下步驟:水泥生料品質在線激光檢測裝置工作時，高壓氣罐內的潔凈壓縮空氣驅動射流裝置將水泥生料粉末從水泥生料輸送管處吸出，與壓縮空氣混合后，再以氣粉混合物的形式噴出，形成連續的待測氣粉柱；工控機啟動脈沖激光器，出射的脈沖激光經過分束鏡后被分為兩束，反射光由功率計探測后，工控機每隔數秒采集一次功率值，通過計算分析反饋穩定脈沖激光器的輸出功率；透射光經凹透鏡和凸透鏡擴束后，再經過聚焦鏡進行匯聚，匯聚光經過帶中孔凹面鏡和石英鏡片后，到達待測氣粉柱表面，在其表面燒蝕形成等離子體；等離子體發出的熒光經石英鏡片后被帶中孔凹面鏡反射匯聚至光纖聚焦頭，再由光纖傳入光譜儀中，光譜儀將光強信號轉換成數字信號傳入工控機中；同時，連續激光器發出的激光照射到待測氣粉柱表面上的同一位置，其散射光經帶中孔凹面鏡匯聚由光纖聚焦頭收集后進入光譜儀；工控機對接收到的光譜信號進行歸一化和數據篩選處理:所述散射光光強能夠用來對生料等離子體熒光光譜進行歸一化，即用生料等離子體熒光光譜強度除以散射光光強，再將多次測量歸一化值數組中偏離較大的數據剔除，篩選后的剩余數值的均值作為定量分析的有效數據；利用支持向量機模型對有效數據進行計算得到水泥中元素含量及三率值，同時光端機將檢測結果傳送至中控室以指導調整水泥原料配比。
[0016]本發明可實時、快速、準確地對工業現場輸送管中水泥生料化合物成分及率值進行在線檢測，連續激光器與脈沖激光器的配合使用避免了待測水泥氣粉柱由于流量變化造成的影響，極大的提高了檢測結果的精準度；激光功率反饋穩定裝置則有效保證了脈沖激光器出射激光的功率穩定。整個裝置設計精妙，檢測結果準確可靠，能夠有效保證水泥產品的生產質量。
【附圖說明】
[0017]圖1本發明所述裝置的結構示意圖。
[0018]圖2散射光強度和Ca 318.1 nm譜線強度間的關系圖。
[0019]圖3散射光強度和Ca 318.1 nm歸一化譜線強度間的關系圖。
[0020]圖4脈沖激光功率反饋穩定前后激光器800小時的輸出功率對比圖。
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