给煤机式煤质成分在线分析装置及分析方法技术领域
本发明是给煤机式煤质成分在线分析装置，特别针对给煤机设计的一种新型煤质
在线检测装置，可以在线检测给煤机上煤炭主要元素含量及工业分析指标。
背景技术
现有的煤质在线检测设备都安装在输煤栈桥的皮带机上，D-T中子发生器和伽码
探测器都位于皮带机下方，可以实时检测入厂或入炉煤质的成分，但是检测出的煤质数据
在进入原煤仓后都混在一起，另外，进入原煤仓的煤炭一般要存储一段时间后再燃烧，这样
根据原煤仓煤层分布模型和给煤机流量数据预测锅炉燃烧器出口的煤质数据就必然存在
较大误差，无法用于指导锅炉燃烧参数的调整。
现有的煤质在线检测装置在解谱方面一般采用峰面积法、回归分析法、最小二乘
法等算法，这几种算法存在的普遍问题是解谱精度低，直接导致煤炭工业成分的分析误差
大，无法满足工业现场的实际需求。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，特别针对给煤机而设计的一种新型煤质在线检
测装置及分析方法，可以在线检测给煤机上煤炭主要元素含量及工业分析指标。
本发明的主要技术方案：给煤机式煤质成分在线分析装置，其特征在于它包括给
煤系统、检测系统和控制系统；所述给煤系统依次包括给煤机、落料管、U型小皮带、整形器
和出料管；所述检测系统依次包括微波接收器、微波发射器和防护体；所述防护体内上方设
有D-T中子发生器和BGO探测器，D-T中子发生器和BGO探测器置于铅块中；所述控制系统包
括数字控制中子发生器单元、谱采集及控制单元、微波数据中央处理单元、计算机数据处理
单元和显示单元；所述微波发射器和微波接收器连接微波数据中央处理单元，所述数字控
制中子发生器单元连接D-T中子发生器，所述谱采集及控制单元连接BGO探测器，所述计算
机数据处理单元和显示单元用于谱信号的解谱处理和煤质数据计算和显示。
一般地，所述D-T中子发生器为脉冲D-T中子发生器，控制脉冲的周期为200us，占
空比1:1。
所述BGO探测器的恒温控制，采用I2C总线的高精度数字温度芯片LM92为传感器，
控制BGO温度为40±0.5℃。
所述温控系统的U6部件是LM92总线制温度传感器芯片，把BGO探测器腔体中温度
数据通过U5总线扩展器芯片延长传输距离达到50米，U6的时钟脉冲信号来自U5的时钟脉
冲，U5的时钟信号来自单片机处理器的IO口P1.1，温度信号从U6的SDA输出经过信号进入U5
的SDA口，再通过U5的LDA口进入U4的LDA口，最后由U4的SDA口进入单片机处理器的P1.1口，
R5和R6是U6的SDA和SCL的上拉电阻，增强SDA和SCL的高电平电压；实时检测出的温度与给
定温度的差值通过PID模糊软件算法计算出温度调节量数据，该数据通过单片机处理器
P2.1口输出到U1的DIN数字量输入口，U1是12位高精度数模转换芯片，U1的VoutA经过集成
运放U2放大后输入温控电源的控制端，控制温控电源的输出电压，温控电源的输出电压接
入加热器。
所述防护体为门型移动框架结构，防护材料包括铅、聚乙烯和含硼聚乙烯。
所述的防护体底部安装有滚轮。
本发明的还提供了该分析装置的分析方法，其特征在于煤炭从给煤机的落料管落
到给煤机的U型小皮带，经过整形器处理后进入微波接收器和微波发射器，微波检测信号进
入微波数据中央处理单元，煤炭继续进入防护体，经过位于煤炭上方的D-T中子发生器和
BGO探测器，检测完成后进入出料管，然后经过磨煤机进入锅炉燃烧器；数字控制中子发生
器单元控制D-T中子发生器运行，谱采集及控制单元采集BGO探测器的谱信号和对BGO探测
器进行恒温控制，计算机数据处理单元和显示单元用于谱信号的解谱处理和煤质数据计算
和显示。
本发明给煤机式煤质成分在线分析装置，分析仪的D-T中子发生器和BGO探测器都
位于给煤机的上方，由于给煤机到燃烧器出口的路径短，分析数据基本没有滞后性，因此真
正实现了入炉煤质的实时检测，提高了燃烧器出口煤质数据的准确性，可以更加有效的调
整锅炉运行参数，可以提高锅炉效率，可以提高锅炉运行的安全性，有效避免非计划停机、
炉膛结焦和结渣等事故。开发的基于蒙特卡罗库—最小二乘法的解谱算法经过实践验证，
解谱精度优于现有技术，可以满足工业现场的实际需求。
本发明通过在给煤机上安装脉冲中子法煤质在线分析仪，真正实现了燃烧器出口
煤质的在线检测，数据的准确性远远高于预测煤质数据，为指导锅炉燃烧参数的调整提供
了最准确的直接依据，提高锅炉效率0.1%，同时，提高了锅炉的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例分析装置的结构示意图。
图2 是实施例中的探测器温控系统电路图。
图中，1-给煤机；2-U型小皮带；3-煤炭；4-整形器；5-微波接收器；6-微波发射器；
7-出料管；8-落料管；9-D-T中子发生器；10-BGO探测器；11-铅块；12-防护体；13-显示单元；
14-计算机数据处理单元；15-谱采集及控制单元；16-数字控制中子发生器单元；17-微波数
据中央处理单元（17）。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
实施例
给煤机式煤质成分在线分析装置参见附图1，主要包括给煤系统、检测系统和控制
系统；所述给煤系统依次包括给煤机（1）、落料管（8）、U型小皮带（2）、整形器（4）和出料管
（7）；所述检测系统依次包括微波接收器（5）、微波发射器（6）和防护体（12）；所述防护体
（12）内上方设有D-T中子发生器（9）和BGO探测器（10），D-T中子发生器（9）和BGO探测器（10）
置于铅块（11）中；所述控制系统包括数字控制中子发生器单元（16）、谱采集及控制单元
（15）、微波数据中央处理单元（17）、计算机数据处理单元（14）和显示单元（13）；所述微波发
射器（6）和微波接收器（5）连接微波数据中央处理单元（17），所述数字控制中子发生器单元
（16）连接D-T中子发生器（9），所述谱采集及控制单元（15）连接BGO探测器（10），所述计算机
数据处理单元（14）和显示单元（13）用于谱信号的解谱处理和煤质数据计算和显示。
分析过程：煤炭从给煤机（1）的落料管（8）落到给煤机（1）的U型小皮带（2），经过整
形器（4）处理后进入微波接收器（5）和微波发射器（6），微波检测信号进入微波数据中央处
理单元（17），煤炭（3）继续进入防护体（12），经过位于煤炭（3）上方的D-T中子发生器（9）和
BGO探测器（10），D-T中子发生器（9）和BGO探测器（10）都位于铅块（11）中，煤炭（3）检测完成
后进入出料管（7），然后经过磨煤机进入锅炉燃烧器。数字控制中子发生器单元（16）控制D-
T中子发生器（9）运行方式，谱采集及控制单元（15）采集BGO探测器（10）的谱信号和对BGO探
测器（10）进行恒温控制，计算机数据处理单元（14）和显示单元（13）主要用于谱信号的解谱
处理和煤质数据计算和显示。数字控制中子发生器单元（16）、谱采集及控制单元（15）、微波
数据中央处理单元（17）、计算机数据处理单元（14）和显示单元都位于系统控制柜（18）中。
在图1中，首先需要对给煤机（1）的结构进行改造，具体改造方法是用切割机在给
煤机（1）的顶盖出切出1200*1000mm的长方形缺口。防护体（12）是门型移动框架结构，铅块
（11）固定在门型框架的上部，在铅块（11）预浇出一个圆孔和方孔，圆孔用于放置脉冲D-T中
子发生器（9），方孔放置BGO探测器（10）。防护体（12）由角钢和工字钢焊接形成，防护体（12）
内层放置200mm厚含硼聚乙烯板，防护体（12）外层放置100mm厚普通聚乙烯板，主要用来有
效防护中子和伽码射线。防护体（12）的底面安装滚轮，在给煤机发生故障需要维护时，移动
防护体（12）脱离给煤机（1）。
在图1，当需要启动给煤机（1）为锅炉燃烧器送煤时，在分析仪软件检测到给煤机
的运行状态信号后依次系统自动启动D-T中子发生器（9）和谱采集及控制单元（15）以及计
算机数据处理单元（14），在线分析仪进入测量状态。原煤仓的煤炭通过落料管（8）进入给煤
机（1）的U型小皮带（2），由于U型小皮带（2）上的煤炭形状变化较大，直接影响测量精度，因
此，在煤炭进入测量区域前必须使用整形器（4）对煤炭形状进行整形处理。整形处理后煤炭
首先在防护体外进行水分在线检测，微波发射器（6）安装在U型小皮带（2）的下方，为了提高
测量精度，微波发射器（6）与U型小皮带（2）的下方距离不大于20mm，微波接收器（5）安装在U
型小皮带（2）的上方，二者的距离不大于20mm，微波接收器（6）和微波接收器（5）通过电缆连
接到微波数据中央处理单元（17），微波数据中央处理单元（17）输出瞬时水分的4-20mA信
号，然后通过通讯模块转换为串口信号，并通过串口通讯电缆接入计算机数据处理单元
（14）。煤炭穿过防护体（12）进入全元素检测区域，脉冲D-T中子发生器（9）由脉冲高压电源
提供加速极电压，脉冲周期为200us，占空比为1:1，一部分快中子经过铅块（11）慢化后形成
热中子，这样就形成一定比例的快、热中子，快中子与煤炭的C和O元素发生非弹散射反应生
成其特征伽码射线，热中子与H等元素发生俘获反应产生对应的特征伽码射线，使用高分辨
率的BGO探测器（10）检测这些特征伽码射线，并把这些特征伽码射线转换为电信号，电信号
经过信号前置放大电路后传送到谱采集及控制单元（15），谱采集及控制单元（15）通过串口
通讯把谱数据送入计算机数据处理单元（14），通过蒙特卡罗库—最小二乘法的解谱算法可
以实时解析煤炭中14种主要元素C、H、O、N、S、Si、Al、Fe、Ca、Ti、Na、K、P、Mg，然后根据以上元
素信息可以计算出煤炭的工业分析指标发热量、挥发分、灰分、全硫、内水、固定碳、灰成分
等，本实施例的分析周期为1分钟。
图2 是本实施例的探测器温控系统图。图2中U6部件是LM92总线制温度传感器芯
片，可以把BGO探测器（10）腔体中温度数据通过U5总线扩展器芯片延长传输距离达到50米，
U6的时钟脉冲信号来自U5的时钟脉冲，U5的时钟信号来自单片机处理器的IO口P1.1，温度
信号从U6的SDA输出经过信号进入U5的SDA口，再通过U5的LDA口进入U4的LDA口，最后由U4
的SDA口进入单片机处理器的P1.1口，R5和R6是U6的SDA和SCL的上拉电阻，增强SDA和SCL的
高电平电压。实时检测出的温度与给定温度的差值通过PID模糊软件算法计算出温度调节
量数据，该数据通过单片机处理器P2.1口输出到U1的DIN数字量输入口，U1是12位高精度数
模转换芯片，U1的VoutA经过集成运放U2放大后输入温控电源的控制端，控制温控电源的输
出电压，温控电源的输出电压接入加热器。由于设定探测器的工作温度为40℃，探测器腔体
的内部温度一般不会超过40℃，因此，无需加入制冷环节，大大降低了温度控制系统的故障
率。