CN101443648B - 散装材料分析器系统 - Google Patents
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Abstract
实时散装材料分析系统，用于分析在移动传送带上经过该系统的散装材料的元素特性，该实时散装材料分析系统包括用于激励被分析的散装材料(30)的发射白光的照明源(50)，以及用于捕获来自通过照明源激励的散装材料的光谱反射的超光谱成像分光计(20)。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年5月10日申请的欧洲专利申请No.06405196.4的优先权，其于此被整体并入作为参考。
技术领域
本发明涉及用于分析在传送带上被传送的散装材料(bulkmaterial)的元素特性的实时散装材料分析系统。
背景技术
传送带广泛地用于传送散装材料，比如石灰石，铝土矿石，铜矿石，锌矿石，铅矿石，铁矿石，硅石，磷酸盐岩石，钾碱，粘土，稀土，废料材料，白垩，煤以及焦炭，氧化铝，泥灰岩，黄铁矿，飞灰等。传送带包括两端滑轮，具有以连续的无终止回路围绕它们旋转的连续带。给滑轮提供动力，以固定或可变速度正向移动带和在带上加载的散装材料。某些工业应用需要分析从一个处理位置至另一个在传送带上被传送的散装材料的精确或平均构成。
散装材料通常特征在于它们的原材料(预先混合)状态或通过从包含相对均匀的组成特性的料仓或筒仓的配比进料器的系统的随后的混合(组成原材料的物理混合物)程序。
传统地，通过抽取样品，并且人工或经由自动化的“后置管”气动采样和传送系统传送它们至用于分析的中央实验室，在此它们被分析。已经实现原材料成分或混合材料的分析。这些结果然后被传送至用于调节比例的多种装置，以便满足例如期望的混合配方。
在提供了高精确度的同时，该配置不能满足用于快速和实时控制的实时分析的需要，因为需要用于采样，分离，传送，制备和分析的时间可以从最小的几分钟至一小时或更多地改变。在该延迟过程中，通过被分析的样品表示的快速移动材料具有控制和调节的长的通过点，响应来自样品的分析的结果然后进行所述控制和调节，对于实施的校正动作，其可能是不适当的，或简单地太晚。
通过散装材料处理工业探寻的基本解决办法是当它们通过时分析材料，或者以一些方式被暴露于分析系统，同时材料保持物理和化学不变，并且在移动传送带上被定位的它们的床上没有干扰地通过。仅仅为了适应分析不试图停止或另外降低传送带的速度通常期望不被允许作为对允许这种生产环境中的生产和处理的所必需的限制。
用以实现各种原始或混合材料的化学组成的元素形式和由此的氧化物形式的几种方法已被投入当前的实践。然而它们局限于实际应用方面的数量，并且它们主要利用中子活化系统。这些所谓的快速伽马(γ)中子活化分析(Prompt Gamma Neutron Activation Analysis，PGNAA)系统需要放射性同位素用于中子通量，比如锎的同位素，Cf252，或者中子发生器(管)。中子活化系统应用对人类潜在危险的技术，其需要经由直接或间接的暴露对人类的保护性的永久的要注意的屏蔽，以及昂贵的同位素或发生器管替换。仅近似两年和半年的Cf252的短半衰期，以及对于中子管发生器的替换的需要，通常每一对一和半年，表示昂贵的维护成本，以及在这些中子源的传送和操作中的安全性的使人信服的权威方面的困难。此外，通过辐射材料的原子核的中子活化引起的，来自被分析的散装材料的合成伽马辐射表示附加的健康和环境危害。
已经尝试的其它技术，比如高能量X-射线系统，或X-射线衍射系统，也需要对于局部规章的权威的严格的依附。在一些地点，这种装置的存在是被完全禁止的。
US2003/0123056公开了一种超光谱(hyperspectral)成像设备阵列，其用于开发详细的多光谱，超光谱和超高光谱成像和非成像信号信息。这可以实时完成，以便识别目标的独特光谱特征。该设备阵列包括安装在固定或可移动硬件框架上并且与类似装配的数字照相机、目标上的小点上的被校准的可视光源、被校准的热源和被校准的荧光源共瞄准的至少一个机械集成的超光谱传感器。该目标跨越阵列移动，允许阵列以高空间和光谱分辨率实施相对于目标的绝对放射度量地(radiometrically)校正的光谱数据的收集。
US2004/2323339公开了一种超光谱成像工作站，其包括一起在单独的外壳中的UV和VNIR传感器。每一个传感器捕获目标或试样的图像，导致产生相应的UV和VNIR数据集，该UV和VNIR数据集然后被并入单个的超光谱数据集，该单个的超光谱数据集包括贯穿从200至1000纳米的范围的高度相关的连续光谱带。
WO2006/054154公开了一种利用对于近红外(NIR)光谱范围可见(VIS)的反射光谱学，用于识别和分类目标颗粒的设备和方法。在一个版本中，超光谱成像设备被用于识别和分类成批颗粒中的目标颗粒，该设备包括用于支持成批颗粒的盘，用于基本上均匀化成批颗粒成为单层的水准测量装置，用于扫描成批颗粒的超光谱扫描系统，以便产生成批颗粒的超光谱图像，用于确定超光谱图像中目标颗粒的像素坐标的分类器，用于将像素坐标转换成阵列上目标颗粒的世界坐标(world coordinate)的转换器装置，以及用于根据计算的世界坐标拾取目标颗粒和用于转移拾取的目标颗粒至存储装置的目标颗粒抽取装置。
WO2004/106874公开了一种用于光电测量的设备和方法。该设备包括单个或多个光电转换装置，优选是阵列传感器，比如CCD，CMOS，CID等，光学系统，其在一个轴或多个轴中是模可扩展的，以便以任何期望的分辨率从目标上的任何期望尺寸的线或区域获取电磁辐射，其中所述光学系统优选模分离所述电磁辐射成多个较小的分段，并投射对应于所述较小的分段的电磁辐射于所述单个或多个单独的光电转换装置和涉及所述光电转换装置的传感器电子器件上，其允许所述光电转换装置的操作模式和功能性被定义和实时改变，从而使比如像素的读出顺序和以两维的像素装仓(pixel binning)的无限柔性的功能是完全可编程的，并且所述光电转换装置可以独立和/或同步地工作和/或被控制。
因为超光谱成像分光计不能穿透深度，超光谱成像还未被考虑用于实时元素散装材料分析的实践装置。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于分析变化的散装材料的元素特性的实时散装材料分析系统，变化的散装材料在检测器阵列下面没有障碍和没有干扰地通过，或者变化的散装材料没有障碍和没有干扰地通过检测器阵列，所述分析系统包括无危害的激励源。
本发明的实时散装材料分析系统包括用于激励散装材料的一致的白色发光照明源，以及用于捕获来自暴露于白光的散装材料的光谱反射(spectral reflectance)的超光谱(hyperspectral)成像分光计。
超光谱技术的使用允许通过使用下述的经由通过白光的各种型式的反射或吸收的特征化，比如但不局限于变化波长的NIR，激光技术(LIBS＝激光诱导击穿光谱仪(Laser Induced BreakdownSpectroscopy))：
(a)光源
(b)射束分裂和利用准直光栅，热探测器或等离子体发生器收集光谱分量的阵列，以及
(c)小的、坚固的分光计中的检测器阵列，用于提供光谱特征(spectral signatu re)。
散装材料通过被从可被设置成不同频率的光源导引于散装材料上的光照射而被激励，从而通过引起散装材料在特征化和可识别的波长处反射或吸收光，进一步增强散装材料的成像。
在贮存建筑物中，二次轧碎机的输出通常近似是均匀的。因此，利用本发明的实时散装材料分析系统，散装材料可以如同具有深或完全穿透系统的情况那样在不暴露材料或环境至危险辐射的情况下被分析。
通过下面表示本发明的实时散装材料分析系统的一些主要优点：
-低得多的获取成本(终端用户价格被预期近似是传统中子的25％，也就是PGNAA，在线分析器)，
-它的相对低的维护以及容易使用和控制，因为没有技术专家被需要投入操作或基于规则的基础使用，
-其所有权的较低成本，由于它的简单，坚固和容易使用，
-它的多功能性，由于大量不同元素的识别的自然结果可以定性和定量地同步测量，
-它的没有危险的特性，由于没有X-射线或中子活化系统源被用于激励被分析的材料，
-它的坚固性(适用于粗糙的生产工厂环境)。这是因为高光谱成像装置已经被容纳和包装，以便经得起苛刻的空间环境，温度的极限值和没有保护的陆地，空中和涉及空间的地点中的全部种类的气候，以及
-它的轻便性，由于因任何危险激励源的不存在而不需要广泛的屏蔽。
附图说明
已经陈述了本发明的一些特征，优点和益处，当说明书结合附图得以继续时，其他特征，优点和益处将变得明显，其中：
图1示意性示出了本发明的散装材料分析系统的侧面图；
图2示意性示出了图1的散装材料分析系统的顶视图；
图3示出了图2的散装材料分析系统的顶视图的增强的特写，示意性示出了超光谱成像分光计的入口狭缝，以及
图4示意性示出了一维球形扫描至两维球形/光谱图像和至光谱特征的转换。
具体实施方式
现在参照描述了本发明的优选实施例的附图在下文中更完全地描述本发明。然而可以以多种不同的形式具体化本发明，并且本发明不被配置为局限于于此阐述的那些内容。相反，提供这些实施例来使本发明所公开的内容是彻底和完全的，并对本领域技术人员来说，将完全传达本发明的范围。类似的数字指代贯穿全文类似的元件。
如图1中示出的，本发明的散装材料分析系统包括被安装在移动传送带10之上的超光谱成像分光计20，该移动传送带运载被分析的散装材料30。在传感器附近的某处安装发射白光的照明源，优选瞄准跨越传送带的散装材料上的细但宽的光束。该照明源可以包括配置在传送带之上的几个光发射器。
超光谱成像分光计包括几个光学元件。前透镜12被安装在传送带上的预定高度处。它在被通过照明源50发射的光照明的传送带上集中小的条带。被配置在前透镜之后的板上的小的入口狭缝26充当视场光阑，该视场光阑用以确定跨越被超光谱成像分光计扫描的传送带的空间方向上的视场。图3示出了入口狭缝26的特写，并且示意性示出了散装材料30的被覆盖的区域31t。在入口狭缝和准直透镜22之后，配置用于分离不同波长的辐射的传播方向的光学元件。在示范性的实施例中，通过棱镜-光栅-棱镜元件，这可以做到，在其之后，聚焦透镜 24对准不同波长的光束，从而使它们可以被两维CCD阵列25捕获。CCD(电荷耦合装置)阵列是用于记录图像的传感器，包括集成电路，该集成电路包括被链接或耦合的电容器的阵列。在被连接至超光谱成像分光计20的控制单元60中可以处理CCD-阵列的输出信号42。控制单元60优选包括具有至少一个处理器和存储器的计算机。CCD-阵列的输出信号可以经由光纤或高带宽电缆或射频链路被传送。
图2示出了从左至右移动并运载散装材料30的传送带10的顶视图。用虚线(doted)矩形标记的是传送带上被扫描的区域。当散装材料通过超光谱成像分光计时，以规则周期连续地或一经请求地进行快照扫描。
对于每一扫描，例如区域31t的最新近的扫描，通过超光谱成像分光计生成两维输出阵列，该两维输出阵列被转送至控制单元以用于进一步的处理。
如图4中示出的，该两维输出阵列包括表示从跨越传送带的散装材料反射的特定波长的能量的量的值。该阵列的一维对应于跨越传送带(x-轴)的球形分布，并且另一维对应于反射能量(z-轴)的波长范围。跨越传送带的散装材料的每一个捕获的点具有它自身的光谱特征43，该光谱特征表示通过在依据波长分布的该特定点中的由散装材料反射的能量。
为了把沿着传送带(y-轴)的球形分布因子分解(factor)成输出信号，可以堆叠几个及时分离的扫描的两维输出阵列，限定三维立方体。
为了有助于光谱分析，可以跨越x-轴减小两维输出阵列的分辨率。在本发明的散装材料分析系统的一个这种特别简单的实施例中，跨越x-轴的输出阵列的分辨率被减小到一个像素，以使对于传送带的整个宽度，仅一个光谱特征被转送至控制单元。该单个光谱特征然后被分析，并与可能的材料成分的一组先前记录和存储的光谱特征进行比较。在大多数传送带应用中，跨越传送带的不同材料的分布是不重要的，因为仅散装材料的成分，也就是正确量的具体配料(物质)的存在。具有分光计的减小的分辨率的该应用最优选用于仅具有被观测的少量的可能配料的应用。
在本发明的散装材料分析系统中，仅白光被需要用于恒定的照明， 以用于提供用于红外分裂的照明源，从而引起所包含的散装材料的反射光谱结构。红外线，包括NIR(近红外)，VNIR(可视近红外)，SWIR(短波长红外)和TIR(热红外)，跨越250至2500纳米(nm)的波长范围，以用于材料的元素特征化。
因为散装材料常常包括氧化材料，因此本发明的系统的目的是识别氧化物，并将它转换成元素形式。可以通过从元素至它们的氧化物形式的标准转换的嵌入计算来报告氧化物。作为例子：铝(Al)可被转换成氧化铝Al2O3，通过1.8895倍的元素Al的报告量的自动转换因数。容易获得类似的转换因数来报告用于感兴趣的任何被检测元素的用途。这些转换因数是用于根据以它们的原子或分子形式的全部元素的已知化学特性报告结果的标准，并且可利用被嵌入装置软件的简单计算而被提供作为分析的报告结果。
几种这种分光计可以用于对被分析的元素的波长中的几种光谱范围有效地提供最强的信噪比。在几种分光计的配置中，每一个光谱传感器可以是共瞄准的(co-boresighted)，从而使虚直线从每一个传感器的中心至被分析的散装材料的公共点延伸。可替代地，在几种分光计的配置中，通过用于提供跨越传送带的宽度的被扫描的条带级(strip-step)的分光计的精确的角度调节(angling)，可以进行重叠光谱报告。
利用本发明的散装材料分析系统分析散装材料的过程包括下面的步骤：
在第一步骤中，通过CCD阵列捕获两维球形/光谱图像。通过透镜22准直来自入口狭缝26的辐射，并且然后通过分散单元23(在示范性实施例中是棱镜-光栅-棱镜元件)分散该辐射，从而使该辐射的传播方向取决于它的波长。其然后在图像平面上通过聚焦透镜24被聚焦，在这种情况中，通过两维探测器，即CCD阵列25捕获图像。该CCD阵列产生具体波长42处反射能量的输出信号。通过在光谱轴的方向上形成连续光谱的一系列单色图像，在两维图像平面上表示沿着球形轴的每一个点(见图4，跨越传送带x-轴上的点0和n)，其随后被转换成光谱特征43。
从通过CCD阵列捕获的两维球形/光谱图案生成光谱特征。跨越传送带上的球形x-轴的每一个点具有它自身的一维光谱特征。
在第二步骤中，每一个点处的光谱特征被与表示先前特征化标准的预期浓度的一组存储的校准进行比较。在计算机软件的帮助下，这可以实时进行。结果，识别跨越传送带分布的散装材料上每一个点的材料特性。
在下一步骤中，收集全部单个点的信息来获得被扫描的散装材料中材料的总体分布。关于存在可以因此识别具体的元素或它们的氧化物，并且通过被检测和识别的光谱特征的强度，关于浓度特征化所述具体的元素或它们的氧化物。
任何数量的化学计量技术可以用于提供拟合如此获得的光谱至存储的光谱库。在该装置的初始校准中，光谱被存储预期的散装材料，以便覆盖对于恢复和分解光谱的元素贡献物的浓度和混合物(掺合物)的全部可能范围。这种采集的光谱被与存储的光谱进行“比较”，以便限定采集的光谱如何与预测的氧化物阵列相比较。采集的光谱的拟合的精确度和其相对于存储于装置中的标准光谱库的高度差都根据光谱峰值确定元素/氧化物/的含量和量。
分光计和它们所包括的光栅，射束分离器，检测器和光纤连接，以及光源被优选封装在固定在移动传送带之上的预定高度处的扫描外壳中。这样所述外壳被配置成被垂直于带的正向运动和它的材料负载来定位。
该技术的应用适用于、但不局限于通过工业传送器传输的材料，比如：
石灰石，页岩，铝土矿，铁矿石，铜矿石，锌矿石，铅矿石，含金属的(含铁的和不含铁的)矿石，硅石，磷酸盐岩，钾碱，粘土，膨润土，药物(Pharamceuticals)，锰，稀土，废料材料，白垩，煤和焦炭，氧化铝，泥灰岩，黄铁矿，飞灰，上述任何一种的泥浆，包含磷酸盐的肥料，含氨成分，钾/钾碱，工业矿物(陶器，玻璃制造原材料，耐火材料)，镁化合物，钴，镍，钛，铬，钨。
在示范性的应用中，本发明的散装材料分析系统被用于用在水泥的制造中的散装材料的混合工艺：
从包含或多或少均匀的碾碎物质的进料器，散装材料被供给至一系列的传送带。这些材料通常被称作有粘结性和熔化的矿物，在通过加热而被煅烧(化学术语是还原)之前，其被以具体的比例物理混合 (掺合)，并且然后被传送，依据从所述材料被生成的水泥的类型。
通过本发明的散装材料分析系统监控贡献材料源(contributingmaterial source)的每一个的比例，从而校正或多或少较充足或较弱等级的成分(依据所包含的矿物化学性质)，通过如通过控制算法要求的每一个材料的添加，该控制算法包括从通过本发明的散装材料分析系统报告的结果独立或共同地获得散装材料的实时化学特性。
存在四个或更多的关键成分，其是(根据氧化物)：
| CaO | 通常来自高等级石灰石 |
| SiO2 | 来自以各种硅酸盐形式的沙子，砂石 |
| Al2O3 | 通常来自含铝高的铝土矿或材料 |
| Fe2O3 | 来自轧屑，铁矿石或黄铁矿 |
对于材料遇到的典型范围是：
| 干燥质氧化物 | 组分范围(典型值) |
| CaO | 25...30...55％ |
| SiO2 | 5...20...25％ |
| Al2O3 | 0...8％ |
| Fe2O3 | 0...8％ |
| MgO | 0...6％ |
| K2O | 0...3％ |
| Na2O | 0...3％ |
| SO3 | 0...3％ |
利用本发明被预期用于动态性能的精确度是：
| 干燥质氧化物 | 精确度(RMSD，1小时)(％) |
| SiO2 | 0.33 |
| Al2O3 | 0.30 |
| Fe2O3 | 0.08 |
| CaO | 0.32 |
| MgO | 0.29 |
| K2O | 0.21 |
| Na2O | 0.11 |
| SO3 | 0.20 |
从元素分析获得从氧化物至元素的转换，用于报告用途：
| 干燥质氧化物 | 转换因数(元素的) |
| SiO2 | 2.1393 |
| Al2O3 | 1.8895 |
| Fe2O3 | 1.4297 |
| CaO | 2.4973 |
| MgO | 1.6581 |
| K2O | 1.2046 |
| Na2O | 1.3480 |
因此，校准范围需要被拓宽，以便覆盖低以及高等级的石灰石，因为不纯的石灰石中MgCO3的存在是重要的，当与更高等级混合时，因为太高的MgO(例如超过2.5％)是真正的质量问题。通常5个校准标准是充足的。
可替代地，稀释可以用于准备校准。这可以通过利用中性稀释的基质而实现，比如CaO的已知浓度的纯石灰石，例如用于使因子分解(factoring)简单。
在实践中，在传送带上被预期的湿度可以超过5-8％(升重量％)。通过利用与监控分析器相联系的湿度计(通常是相移微波装置)，在实践中这被规格化。在环境潮湿的情况中，包括沉淀，被考虑到大气暴露的带负载中，这是要求的。如果湿度可被确保不超过4-5％，然后湿度计不是必要的，并且可以对LOI进行数学计算。
由于材料要在密度方面改变，可以利用体积或重量测量。如果被因此制备的样品与退化或恶化隔离(被封装在密封塑料中，或以类似的方式)，它们将保持或多或少的不可改变。
校准样品的范围将包括典型范围，该典型范围示出以避免折衷用以拟合变量于合成校准曲线的分析器的能力，当可替代的和(通常)宽阔变化的材料被结合到混合物中时，正如人们在典型的工厂环境中预期的。随着增加可替代原材料的使用，分析的需要增加。如果人们期望这些关键氧化物的浓度的狭窄带宽，监控的需要将是轻微的，而被校准来捕获宽范围(当然在合理的限度中)中的变化的分析器变得更有吸引力。
本发明的实时散装材料分析系统被最佳应用于固态颗粒，粉末和 泥浆状态的散装材料。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型的优选实施例，并且尽管采用具体术语，但这些术语用于描述性意义，并且不用于限制。已经具体参照这些所述的实施例以相当多的细节描述了本发明。然而明显地，在如在前面的说明书中描述和在附加权利要求限定的本发明的精神和范围中可以进行多种修改和改变。
使用的缩写和参考标记的列表
10 传送带
11 传送带滑轮
20 超光谱成像分光计
21 前透镜
22 准直透镜
23 分散元件，棱镜-光栅-棱镜
24 聚焦透镜
25 CCD阵列
26 入口狭缝
30 散装材料
31t 在时间t散装材料的扫描区域
41 反射的能量
42 特定波长处反射的能量的输出信号
43 光谱特征
50 照明源
60 控制单元
Claims (7)
1.用于分析在移动传送带上经过的散装材料(30)的元素特性的实时散装材料分析系统，所述系统包括：
-用于激励被分析的散装材料(30)的照明源(50)，
-用于捕获来自通过照明源激励的散装材料(30)的光谱反射的光谱传感器(20)，以及
-用于比较捕获的光谱反射与存储的校准的控制单元(60)，
其中，
-所述照明源(50)发射白光，以及
-所述传感器包括超光谱成像分光计(20)，该超光谱成像分光计生成两维图像，一维是传送带的球形宽度，并且另一维是反射的波长，图像的每一点因此表示从跨越传送带的特定点反射的特定波长处的能量的量，所述图像数据被转送至控制单元(60)，以及
-所述控制单元(60)包括用于比较对于已经被分光计(20)捕获的跨越传送带的每一个特定点的光谱特征(43)与存储的校准的装置，所述光谱特征(43)包括在波长范围内从所述特定点反射的能量的量的连续光谱。
2.如权利要求1中的分析系统，其中超光谱成像分光计包括具有入口狭缝(26)的前透镜(21)，所述入口狭缝被配置成垂直于经过分光计的散装材料(30)的移动方向，以便允许仅跨越散装材料的细条纹跨度的反射能量进入超光谱成像分光计。
3.如权利要求1中的分析系统，其中超光谱成像分光计包括棱镜-光栅-棱镜光学系统。
4.如权利要求1-3中任何一项的分析系统，其中超光谱成像分光计生成一维图像，传送带的球形宽度被减小至单个值，一维图像的点因此表示跨越整个传送带反射的特定波长处的能量的量。
5.如权利要求1-3中任何一项的分析系统，其中超光谱成像分光计包括几个光谱传感器，所述光谱传感器的每一个在不同于另一个传感器的频率区域的频率区域中工作，所述光谱传感器被配置成共瞄准的。
6.如权利要求1-4中任何一项的分析系统，其中该系统进一步包括传送带(10)，该传送带用于传送在其上被定位的散装材料(30)通过照明源(50)和传感器(20)。
7.用于在传送带上被传送的散装材料的实时元素分析的方法，所述方法包括下面的步骤：
-利用白光照射散装材料，
-利用超光谱成像分光计捕获来自被白光激励的散装材料的光谱反射，生成超光谱图像，
-比较所述超光谱图像与表示先前特征化的标准的预期浓度的存储的校准，从而
-关于存在进行识别并且关于特定元素或它们的氧化物的浓度进行特征化。
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