散裝材料分析器系統的製作方法

2023-05-01 13:56:46 3

專利名稱：：散裝材料分析器系統的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用於分析在傳送帶上被傳送的散裝材料(bulkmaterial)的元素特性的實時散裝材料分析系統。
背景技術：
：傳送帶廣泛地用於傳送散裝材料，比如石灰石，鋁土礦石，銅礦石，鋅礦石，鉛礦石，鐵礦石，珪石，磷酸鹽巖石，鉀鹼，粘土，稀土，廢料材料，白堊，煤以及焦炭，氧化鋁，泥灰巖，黃鐵礦，飛灰等。傳送帶包括兩端滑輪，具有以連續的無終止迴路圍繞它們旋轉的連續帶。給滑輪提供動力，以固定或可變速度正向移動帶和在帶上加載的散裝材料。某些工業應用需要分析從一個處理位置至另一個在傳送帶上被傳送的散裝材料的精確或平均構成。散裝材料通常特徵在於它們的原材料(預先混合)狀態或通過從包含相對均勻的組成特性的料倉或筒倉的配比進料器的系統的隨後的混合(組成原材料的物理混合物)程序。傳統地，通過抽取樣品，並且人工或經由自動化的"後置管"氣動採樣和傳送系統傳送它們至用於分析的中央實驗室，在此它們被分析。已經實現原材料成分或混合材料的分析。這些結果然後被傳送至用於調節比例的多種裝置，以便滿足例如期望的混合配方。在提供了高精確度的同時，該配置不能滿足用於快速和實時控制的實時分析的需要，因為需要用於採樣，分離，傳送，製備和分析的時間可以從最小的幾分鐘至一'J、時或更多地改變。在該延遲過程中，通過被分析的樣品表示的快速移動材料具有控制和調節的長的通過點，響應來自樣品的分析的結果然後進行所述控制和調節，對於實施的校正動作，其可能是不適當的，或簡單地太晚。通過散裝材料處理工業探尋的基本解決辦法是當它們通過時分析材料，或者以一些方式被暴露於分析系統，同時材料保持物理和化學不變，並且在移動傳送帶上被定位的它們的床上沒有幹擾地通過。僅僅為了適應分析不試圖停止或另外降低傳送帶的速度通常期望不被允許作為對允許這種生產環境中的生產和處理的所必需的限制。用以實現各種原始或混合材料的化學組成的元素形式和由此的氧化物形式的幾種方法已被投入當前的實踐。然而它們局限於實際應用方面的數量，並且它們主要利用中子活化系統。這些所謂的快速伽馬(Y)中子活化分析(PromptGammaNeutronActivationAnalysis,PGNAA)系統需要放射性同位素用於中子通量，比如鉲的同位素，Cf252，或者中子發生器(管)。中子活化系統應用對人類潛在危險的技術，其需要經由直接或間接的暴露對人類的保護性的永久的要注意的屏蔽，以及昂貴的同位素或發生器管替換。僅近似兩年和半年的Cf252的短半衰期，以及對於中子管發生器的替換的需要，通常每一對一和半年，表示昂貴的維護成本，以及在這些中子源的傳送和操作中的安全性的使人信服的權威方面的困難。此外，通過輻射材料的原子核的中子活化引起的，來自被分析的散裝材料的合成伽馬輻射表示附加的健康和環境危害。已經嘗試的其它技術，比如高能量X-射線系統，或X-射線衍射系統，也需要對於局部規章的權威的嚴格的依附。在一些地點，這種裝置的存在是被完全禁止的。US2003/0123056公開了一種超光譜(hyperspectral)成像設備陣列，其用於開發詳細的多光譜，超光譜和超高光譜成像和非成像信號信息。這可以實時完成，以便識別目標的獨特光譜特徵。該設備陣列包括安裝在固定或可移動硬體框架上並且與類似裝配的數位照相機、目標上的小點上的被校準的可視光源、被校準的熱源和被校準的螢光源共瞄準的至少一個機械集成的超光譜傳感器。該目標跨越陣列移動，允許陣列以高空間和光譜解析度實施相對於目標的絕對放射度量地(radiometrically)校正的光i普數據的收集。US2004/2323339公開了一種超光譜成像工作站，其包括一起在單獨的外殼中的UV和VNIR傳感器。每一個傳感器捕獲目標或試樣的圖像，導致產生相應的UV和VNIR數據集，該UV和VNIR數據集然後被併入單個的超光譜數據集，該單個的超光譜數據集包括貫穿從200至1000納米的範圍的高度相關的連續光譜帶。WO2006/054154/>開了一種利用對於近紅外(NIR)光譜範圍可見(VIS)的反射光譜學，用於識別和分類目標顆粒的設備和方法。在一個版本中，超光譜成像設備被用於識別和分類成批顆粒中的目標顆粒，該設備包括用於支持成批顆粒的盤，用於基本上均勻化成批顆粒成為單層的水準測量裝置，用於掃描成批顆粒的超光譜掃描系統，以便產生成批顆粒的超光譜圖像，用於確定超光譜圖像中目標顆粒的像素坐標的分類器，用於將像素坐標轉換成陣列上目標顆粒的世界坐標(worldcoordinate)的轉換器裝置，以及用於根據計算的世界坐標拾取目標顆粒和用於轉移拾取的目標顆粒至存儲裝置的目標顆粒抽取裝置。WO2004/106874公開了一種用於光電測量的設備和方法。該設備包括單個或多個光電轉換裝置，優選是陣列傳感器，比如CCD，CMOS，CID等，光學系統，其在一個軸或多個軸中是模可擴展的，以便以任何期望的解析度從目標上的任何期望尺寸的線或區域獲取電磁輻射，其中所述光學系統優選模分離所述電磁輻射成多個較小的分段，並投射對應於所述較小的分段的電磁輻射於所述單個或多個單獨的光電轉換裝置和涉及所述光電轉換裝置的傳感器電子器件上，其允許所述光電轉換裝置的操作模式和功能性被定義和實時改變，從而使比如像素的讀出順序和以兩維的像素裝倉(pixelbinning)的無限柔性的功能是完全可編程的，並且所述光電轉換裝置可以獨立和/或同步地工作和/或,皮控制。因為超光譜成像分光計不能穿透深度，超光語成像已經被認為用於元素的散裝材料分析的實踐裝置。
發明內容因此本發明的目的是提供一種用於分析變化的散裝材料的元素特性的實時散裝材料分析系統，變化的散裝材料在檢測器陣列下面沒有障礙和沒有幹擾地通過，或者變化的散裝材料沒有障礙和沒有幹擾地通過檢測器陣列，所述分析系統包括無危害的激勵源。本發明的實時散裝材料分析系統包括用於激勵散裝材料的一致的白色發光照明源，以及用於捕獲來自暴露於白光的散裝材料的光謙反射(spectralreflectance)的超光鐠(hyperspectral)成像分光計。超光譜技術的使用允許通過使用下述的經由通過白光的各種型式的反射或吸收的特徵化，比如但不局限於變化波長的NIR，雷射技術(LIBS-雷射誘導擊穿光語儀(LaserInducedBreakdownSpectroscopy)):(a)光源(b)射束分裂和利用準直光柵，熱探測器或等離子體發生器收集光譜分量的陣列，以及(c)小的、堅固的分光計中的檢測器陣列，用於提供光譜特徵(spectralsignature)。散裝材料通過被從可被設置成不同頻率的光源導引於散裝材料上的光照射而被激勵，從而通過引起散裝材料在特徵化和可識別的波長處反射或吸收光，進一步增強散裝材料的成像。在貯存建築物中，二次軋碎機的輸出通常近似是均勻的。因此，利用本發明的實時散裝材料分析系統，散裝材料可以如同具有深或完全穿透系統的情況那樣在不暴露材料或環境至危險輻射的情況下被分析。通過下面表示本發明的實時散裝材料分析系統的一些主要優點-低得多的獲取成本(終端用戶價格被預期近似是傳統中子的25%，也就是PGNAA，在線分析器)，-它的相對低的維護以及容易使用和控制，因為沒有技術專家被需要投入操作或基於規則的基礎使用，-其所有權的較低成本，由於它的簡單，堅固和容易使用，-它的多功能性，由於大量不同元素的識別的自然結果可以定性和定量地同步測量，國它的沒有危險的特性，由於沒有X-射線或中子活化系統源被用於激勵被分析的材料，-它的堅固性(適用於粗糙的生產工廠環境)。這是因為高光語成像裝置已經被容納和包裝，以便經得起苛刻的空間環境，溫度的極限值和沒有保護的陸地，空中和涉及空間的地點中的全部種類的氣候，以及-它的輕便性，由於因任何危險激勵源的不存在而不需要廣泛的屏。已經陳述了本發明的一些特徵，優點和益處，當說明書結合附圖得以繼續時，其他特徵，優點和益處將變得明顯，其中圖1示意性示出了本發明的散裝材料分析系統的側面圖2示意性示出了圖1的散裝材料分析系統的頂視圖3示出了圖2的散裝材料分析系統的頂視圖的增強的特寫，示意性示出了超光譜成像分光計的入口狹縫，以及圖4示意性示出了一維球形掃描至兩維球形/光語圖像和至光語特徵的轉換。具體實施例方式現在參照描述了本發明的優選實施例的附圖在下文中更完全地描述本發明。然而可以以多種不同的形式具體化本發明，並且本發明不被配置為局限于于此闡述的那些內容。相反，提供這些實施例來使本發明所公開的內容是徹底和完全的，並對本領域技術人員來說，將完全傳達本發明的範圍。類似的數字指代貫穿全文類似的元件。如圖1中示出的，本發明的散裝材料分析系統包括被安裝在移動傳送帶IO之上的超光譜成像分光計20，該移動傳送帶運載被分析的散裝材料30。在傳感器附近的某處安裝發射白光的照明源，優選瞄準跨越傳送帶的散裝材料上的細但寬的光束。該照明源可以包括配置在傳送帶之上的幾個光發射器。超光謙成像分光計包括幾個光學元件。前透鏡12被安裝在傳送帶上的預定高度處。它在被通過照明源50發射的光照明的傳送帶上集中小的條帶。被配置在前透鏡之後的板上的小的入口狹縫26充當視場光闌，該視場光闌用以確定跨越被超光譜成像分光計掃描的傳送帶的空間方向上的視場。圖3示出了入口狹縫26的特寫，並且示意性示出了散裝材料30的被覆蓋的區域31t。在入口狹縫和準直透鏡22之後，配置用於分離不同波長的輻射的傳播方向的光學元件。在示範性的實施例中，通過稜鏡-光柵-稜鏡元件，這可以做到，在其之後，聚焦透鏡24對準不同波長的光束，從而使它們可以被兩維CCD陣列25捕獲。CCD(電荷耦合裝置)陣列是用於記錄圖像的傳感器，包括集成電路，該集成電路包括被連結或耦合的電容器的陣列。在被連接至超光譜成像分光計20的控制單元60中可以處理CCD-陣列的輸出信號42。控制單元60優選包括具有至少一個處理器和存儲器的計算機。CCD-陣列的輸出信號可以經由光纖或高帶寬電纜或射頻鏈路被傳送。圖2示出了從左至右移動並運載散裝材料30的傳送帶10的頂視圖。用虛線(doted)矩形標記的是傳送帶上被掃描的區域。當散裝材料通過超光譜成像分光計時，以規則周期連續地或一經請求地進行快照掃描。對於每一掃描，例如區域31t的最新近的掃描，通過超光譜成像分光計生成兩維輸出陣列，該兩維輸出陣列被轉送至控制單元以用於進一步的處理。如圖4中示出的，該兩維輸出陣列包括表示從跨越傳送帶的散裝材料反射的特定波長的能量的量的值。該陣列的一維對應於跨越傳送帶(x-軸)的球形分布，並且另一維對應於反射能量(z-軸)的波長範圍。跨越傳送帶的散裝材料的每一個捕獲的點具有它自身的光譜特徵43，該光傳特徵表示通過在依據波長分布的該特定點中的由散裝材料反射的能量。為了把沿著傳送帶(y-軸)的球形分布因子分解(factor)成輸出信號，可以堆疊幾個及時分離的掃描的兩維輸出陣列，限定三維立方體。為了有助於光譜分析，可以跨越x-軸減小兩維輸出陣列的解析度。在本發明的散裝材料分析系統的一個這種特別簡單的實施例中，跨越x-軸的輸出陣列的解析度被減小到一個像素，以使對於傳送帶的整個寬度，僅一個光譜特徵被轉送至控制單元。該單個光譜特徵然後被分析，並與可能的材料成分的一組先前記錄和存儲的光譜特徵進行比較。在大多數傳送帶應用中，跨越傳送帶的不同材料的分布是不重要的，因為僅散裝材料的成分，也就是正確量的具體配料(物質)的存在。具有分光計的減小的解析度的該應用最優選用於僅具有被觀測的少量的可能配料的應用。在本發明的散裝材料分析系統中，僅白光被需要用於恆定的照明，以用於提供用於紅外分裂的照明源，從而引起所包含的散裝材料的反射光譜結構。紅外線，包括NIR(近紅外)，VNIR(可視近紅外)，SWIR(短波長紅外)和TIR(熱紅外)，跨越250至2500納米(nm)的波長範圍，以用於材料的元素特徵化。因為散裝材料常常包括氧化材料，因此本發明的系統的目的是識別氧化物，並將它轉換成元素形式。可以通過從元素至它們的氧化物形式的標準轉換的嵌入計算來報告氧化物。作為例子鋁(Al)可被轉換成氧化鋁A1203，通過1.8895倍的元素Al的報告量的自動轉換因數。容易獲得類似的轉換因數來報告用於感興趣的任何被檢測元素的的已知化j特性報告結果的標準:並且可矛;用;皮嵌入裝i軟體4簡單計算而被提供作為分析的報告結果。幾種這種分光計可以用於對被分析的元素的波長中的幾種光譜範圍有效地提供最強的信噪比。在幾種分光計的配置中，每一個光譜傳感器可以是共瞄準的(co-boresighted),從而4吏虛直線從每一個傳感器的中心至被分析的散裝材料的公共點延伸。可替代地，在幾種分光計的配置中，通過用於提供跨越傳送帶的寬度的被掃描的條帶級(strip-step)的分光計的精確的角度調節(angling)，可以進行重疊光譜報告。步驟在第一步驟中，通過CCD陣列捕獲兩維球形/光譜圖像。通過透鏡22準直來自入口狹縫26的輻射，並且然後通過分散單元23(在示範性實施例中是稜鏡-光柵-稜鏡元件)分散該輻射，從而使該輻射的傳播方向取決於它的波長。其然後在圖像平面上通過聚焦透鏡24被聚焦，在這種情況中，通過兩維探測器，即CCD陣列25捕獲圖像。該CCD陣列產生具體波長42處反射能量的輸出信號。通過在光譜軸的方向上形成連續光謙的一系列單色圖像，在兩維圖像平面上表示沿著球形軸的每一個點(見圖4，跨越傳送帶x-軸上的點O和n),其隨後被轉換成光譜特徵43。從通過CCD陣列捕獲的兩維球形/光鐠圖案生成光譜特徵。跨越傳送帶上的球形x-軸的每一個點具有它自身的一維光譜特徵。在第二步驟中，每一個點處的光譜特徵被與表示先前特徵化標準的預期濃度的一組存儲的校準進行比較。在計算機軟體的幫助下，這可以實時進行。結果，識別跨越傳送帶分布的散裝材料上每一個點的材料特性。在下一步驟中，收集全部單個點的信息來獲得被掃描的散裝材料中材料的總體分布。關於存在可以因此識別具體的元素或它們的氧化物，並且通過被檢測和識別的光譜特徵的強度，關於濃度特徵化所述具體的元素或它們的氧化物。任何數量的化學計量技術可以用於提供擬合如此獲得的光鐠至存儲的光語庫。在該裝置的初始校準中，光譜被存儲預期的散裝材料，以便覆蓋對於恢復和分解光譜的元素貢獻物的濃度和混合物(摻合物)的全部可能範圍。這種採集的光譜被與存儲的光譜進行"比較"，以便限定採集的光譜如何與預測的氧化物陣列相比較。採集的光譜的擬合的精確度和其相對於存儲於裝置中的標準光譜庫的高度差都根據光譜峰值確定元素/氧化物/的含量和量。分光計和它們所包括的光柵，射束分離器，檢測器和光纖連接，以及光源被優選封裝在固定在移動傳送帶之上的預定高度處的掃描外殼中。這樣所述外殼被配置成被垂直於帶的正向運動和它的材料負載來定位。該技術的應用適用於、但不局限於通過工業傳送器傳輸的材料，比如石灰石，頁巖，鋁土礦，鐵礦石，銅礦石，鋅礦石，鉛礦石，含金屬的(含鐵的和不含鐵的)礦石，矽石，磷酸鹽巖，鉀鹼，粘土，膨潤土，藥物(Pharamceuticals),錳，稀土，廢料材料，白堊，煤和焦炭，氧化鋁，泥灰巖，黃鐵礦，飛灰，上述任何一種的泥漿，包含磷酸鹽的肥料，含氨成分，鉀/鉀鹼，工業礦物(陶器，玻璃製造原材料，耐火材料)，鎂化合物，鈷，鎳，鈦，鉻，鴒。在示範性的應用中，本發明的散裝材料分析系統被用於用在水泥的製造中的散裝材料的混合工藝從包含或多或少均勻的碾碎物質的進料器，散裝材料被供給至一系列的傳送帶。這些材料通常被稱作有粘結性和熔化的礦物，在通過加熱而被煅燒(化學術語是還原)之前，其被以具體的比例物理混合(摻合)，並且然後被傳送，依據從所述材料被生成的水泥的類型。通過本發明的散裝材料分析系統監控貢獻材料源(contributingmaterialsource)的每一個的比例，從而校正或多或少較充足或較弱等級的成分(依據所包含的礦物化學性質)，通過如通過控制算法要求的每一個材料的添加，該控制算法包括從通過本發明的散裝材料分析系統報告的結果獨立或共同地獲得散裝材料的實時化學特性。存在四個或更多的關鍵成分，其是(根據氧化物)tableseeoriginaldocumentpage12對於材料遇到的典型範圍是:tableseeoriginaldocumentpage12利用本發明被預期用於動態性能的精確度是tableseeoriginaldocumentpage12從元素分析獲得從氧化物至元素的轉換，用於報告用途:乾燥質氧化物轉換因數(元素的)Si022.1393A12031.8895Fe2031.4297CaO2.4973MgO1.6581K2。1.2046Na201.3480因此，校準範圍需要被拓寬，以便覆蓋低以及高等級的石灰石，因為不純的石灰石中MgC03的存在是重要的，當與更高等級混合時，因為太高的MgO(例如超過2.5。/。)是真正的質量問題。通常5個校準標準是充足的。可替代地，稀釋可以用於準備校準。這可以通過利用中性稀釋的基質而實現，比如CaO的已知濃度的純石灰石，例如用於使因子分解(factoring)簡單。在實踐中，在傳送帶上被預期的溼度可以超過5-8%(升重量％)。通過利用與監控分析器相聯繫的溼度計(通常是相移微波裝置)，在實踐中這被規格化。在環境潮溼的情況中，包括沉澱，被考慮到大氣暴露的帶負載中，這是要求的。如果溼度可被確保不超過4-5%，然後溼度計不是必要的，並且可以對LOI進行數學計算。由於材料要在密度方面改變，可以利用體積或重量測量。如果被因此製備的樣品與退化或惡化隔離(被封裝在密封塑料中，或以類似的方式)，它們將保持或多或少的不可改變。校準樣品的範圍將包括典型範圍，該典型範圍示出以避免折衷用以擬合變量於合成校準曲線的分析器的能力，當可替代的和(通常)寬闊變化的材料被結合到混合物中時，正如人們在典型的工廠環境中預期的。隨著增加可替代原材料的使用，分析的需要增加。如果人們期望這些關鍵氧化物的濃度的狹窄帶寬，監控的需要將是輕微的，而被校準來捕獲寬範圍(當然在合理的限度中)中的變化的分析器變得更有吸引力。本發明的實時散裝材料分析系統被最佳應用於固態顆粒，粉末和泥漿狀態的散裝材料。在附圖和說明書中，已經公開了本發明的典型的優選實施例，並且儘管採用具體術語，但這些術語用於描述性意義，並且不用於限制。已經具體參照這些所述的實施例以相當多的細節描述了本發明。然而明顯地，在如在前面的說明書中描述和在附加權利要求限定的本發明的精神和範圍中可以進行多種修改和改變。使用的縮寫和參考標記的列表10傳送帶11傳送帶滑輪20超光語成像分光計21前透鏡22準直透鏡23分散元件，稜鏡-光柵-稜鏡24聚焦透鏡25CCD陣列26入口狹縫30散裝材料31t在時間t散裝材料的掃描區域41反射的能量42特定波長處反射的能量的輸出信號43光語特徵50照明源60控制單元權利要求1、用於分析在移動傳送帶上經過的散裝材料(30)的元素特性的實時散裝材料分析系統，所述系統包括-用於激勵被分析的散裝材料(30)的照明源(50)，-用於捕獲來自通過照明源激勵的散裝材料(30)的光譜反射的光譜傳感器(20)，以及-用於比較捕獲的光譜反射與存儲的校準的控制單元(60)，其中，-所述照明源(50)發射白光，以及-所述傳感器包括超光譜成像分光計(20)，該超光譜成像分光計生成兩維圖像，一維是傳送帶的球形寬度，並且另一維是反射的波長，圖像的每一點因此表示從跨越傳送帶的特定點反射的特定波長處的能量的量，所述圖像數據被轉送至控制單元(60)，以及-所述控制單元(60)包括用於比較對於已經被分光計(20)捕獲的跨越傳送帶的每一個特定點的光譜特徵(43)與存儲的校準的裝置，所述光譜特徵(43)包括在波長範圍內從所述特定點反射的能量的量的連續光譜。2、如權利要求1中的分析系統，其中超光譜成像分光計包括具有入口狹縫(26)的前透鏡(21),所述入口狹縫被配置成垂直於經過分光計的散裝材料(30)的移動方向，以便允許僅跨越散裝材料的細條紋跨度的反射能量進入超光譜成像分光計。3、如權利要求1中的分析系統，其中超光譜成像分光計包括稜鏡-光柵-稜鏡光學系統。4、如權利要求1-3中任何一項的分析系統，其中超光譜成像分光計生成一維圖像，傳送帶的球形寬度被減小至單個值，一維圖像的點因此表示跨越整個傳送帶反射的特定波長處的能量的量。5、如權利要求1-3中任何一項的分析系統，其中超光譜成像分光計包括幾個光譜傳感器，所述光譜傳感器的每一個在不同於另一個傳感器的頻率區域的頻率區域中工作，所述光譜傳感器被配置成共瞄準的。6、如權利要求1-4中任何一項的分析系統，其中該系統進一步包括傳送帶(10)，該傳送帶用於傳送在其上被定位的散裝材料(30)通過照明源(50)和傳感器(20)。7、用於在傳送帶上被傳送的散裝材料的實時元素分析的方法，所述方法包括下面的步驟-利用白光照射散裝材料，-利用超光語成像分光計捕獲來自被白光激勵的散裝材料的光譜反射，生成超光譜圖像，-比較所述超光譜圖像與表示先前特徵化的標準的預期濃度的存儲的校準，從而-關於存在進行識別並且關於特定元素或它們的氧化物的濃度進行特徵化。全文摘要實時散裝材料分析系統，用於分析在移動傳送帶上經過該系統的散裝材料的元素特性，該實時散裝材料分析系統包括用於激勵被分析的散裝材料(30)的發射白光的照明源(50)，以及用於捕獲來自通過照明源激勵的散裝材料的光譜反射的超光譜成像分光計(20)。文檔編號G01N21/85GK101443648SQ200780016797公開日2009年5月27日申請日期2007年5月9日優先權日2006年5月10日發明者M·芒德申請人:Abb瑞士有限公司