AT503539A1 - Tauchsonde für lips-vorrichtungen - Google Patents

Description

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Tauchsonde für LIPS-Vorrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Tauchsonde für eine Vorrichtung zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie in einem flüssigen oder festen rieselfähigen Material 5 wie einer metallischen Schmelze, welche Tauchsonde einen sich von einem fußseitigen Ende der Tauchsonde um eine Längsachse derselben erstreckenden rohrförmigen Abschnitt mit einer Öffnung zum Einströmen von Material aufweist.

Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen 10 und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials wie einer metallischen Schmelze, insbesondere zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie, umfassend eine Tauchsonde, welche einen sich von einem fußseitigen Ende der Tauchsonde um eine Längsachse derselben erstreckenden rohrförmigen Abschnitt mit einer Öffnung zum Einströmen von Material aufweist, sowie 15 eine mit der Tauchsonde in Verbindung stehende Analyseneinrichtung, mit welcher eine Eigenschaft des in die Tauchsonde einströmenden Materials analysierbar ist.

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials wie 20 einer metallischen Schmelze, insbesondere zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie, wobei eine einen rohrförmigen Abschnitt mit einer Öffnung aufweisende Tauchsonde in das Material eingebracht und in diese Material einströmen gelassen wird, wobei Eigenschaften des einströmenden Materials analysiert werden. 25 Eine Bestimmung beziehungsweise Kontrolle von chemischen Zusammensetzungen von flüssigen oder festen rieselfähigen Materialen ist heute bei vielen chemischen Prozessen unerlässlich und zählt zu den wohl wichtigsten Maßnahmen einer Qualitätskontrolle. Während in der Vergangenheit zu diesem Zweck überwiegend händisch Proben gezogen und diese in einem externen Labor analysiert wurden, geht man heute dazu über, 30 chemische Zusammensetzungen direkt vor Ort bzw. in-situ im Material zu bestimmen, um schneller zu Messergebnissen zu kommen und damit gegebenenfalls rascher in einen Prozess regulativ eingreifen zu können.

Eine besonders leistungsfähige und daher attraktive Methode zur Bestimmung einer 35 chemischen Zusammensetzung von festen oder flüssigen Materialien stellt Laser- induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) dar. Bei dieser Methode wird an einer Oberfläche 1 • · ·· • · ·· • · · • ···· ·

• · 5 eines zu untersuchenden Materials z.B. durch Beaufschlagung mit einem hochenergetischen Laserstrahl ein Plasma gezündet. Die von diesem Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung ist charakteristisch für eine Zusammensetzung des Materials an seiner Oberfläche. Anhand einer spektralen Analyse der emittierten elektromagnetischen Strahlung lässt sich eine chemische Zusammensetzung des Materials grundsätzlich sehr genau und mit geringem Zeitaufwand ermitteln.

Auf Grund der Leistungsfähigkeit von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie und der Möglichkeiten kurzer Zeit eine chemische Zusammensetzung bestimmen zu können, ist 10 man auch interessiert, diese Art der Spektroskopie bei schmelzmetallurgischen Verfahren einzusetzen. Da eine Schmelze in der Regel an ihrer Oberfläche mit schmelzefremden Material bedeckt ist, z.B. Schlacke bei Stahlschmelzen oder Krätze bei Aluminiumschmelzen, werden hierfür LIPS-Vorrichtungen mit stabförmigen Tauchsonden eingesetzt, welche in eine Schmelze eingeführt werden können. 15

Diese Tauchsonden bestehen im Wesentlichen aus einem fußseitig offenen Rohr in welchem ein Überdruck erzeugt werden kann. Zum Zweck der Überdruckerzeugung ist das Rohr an seinem kopfseitigen Ende abgeschlossen und mit einer Gaszuführung ausgestattet. Das kopfseitige Ende weist ein Fenster auf, durch welches Laseriicht zum 20 Zünden und Aufrechterhalten eines Plasmas eingeführt werden kann. Durch das Fenster kann auch vom Plasma emittierte Strahlung austreten und einer lichtleitenden Einrichtung, z.B. einem Lichtwellenleiter und in der Folge einem Spektrometer oder Detektor zugeführt werden. In der Tauchsonde bzw. im Rohr ist üblicherweise zusätzlich eine Fokussiereinrichtung vorgesehen, um sowohl einen plasmaerzeugenden Laserstrahl auf 25 eine Materialoberfläche zu fokussieren und als auch vom Plasma emittierte Strahlung zu sammeln.

Gemäß dem Stand der Technik bestehen zwei Varianten, um unter Einsatz einer Tauchsonde innerhalb einer Schmelze ein Plasma zu zünden und dessen emittierte 30 Strahlung zu analysieren. In einer ersten Variante wird durch den rohrförmigen Abschnitt der Tauchsonde ein Inertgas mit einem derart hohen Druck eingeblasen, dass im Bereich der eingebrachten Tauchsonde ein Schmelzenspiegel entgegen einem hydrostatischen Druck ungefähr in den Bereich einer endseitigen Öffnung der Tauchsonde gedrückt wird. Auf der lokal so eingestellten Schmelzenoberfläche wird ein Plasma gezündet und von 35 diesem emittierte Strahlung analysiert, indem die emittierte Strahlung nach Passieren des rohrförmigen Abschnittes der Tauchsonde und deren Fenster mittels Lichtleiters einer 2 ·♦ · ·♦·· ·· + ···

Analysevorrichtung, insbesondere einem Spektrometer, zugeführt wird. In einer zweiten Variante gemäß dem Stand der Technik wird der rohrförmige Abschnitt einer Tauchsonde ebenfalls mit Druck beaufschlagt, wobei ein Druck allerdings niedriger und so gewählt wird, dass ein Schmelzenspiegel innerhalb der Tauchsonde beziehungsweise eines 5 rohrförmigen Abschnittes derselben liegt. Nach Einstellung eines Schmelzenspiegels innerhalb der Tauchsonde wird auf der in der Tauchsonde befindlichen Schmelze ein Plasma gezündet und wiederum von diesem emittierte Strahlung analysiert.

Tauchsonden gemäß dem Stand der Technik weisen eine Reihe von Nachteilen auf. So 10 lässt sich selbst bei Verwendung eines Inertgases auf Grund der vor einer Messung erforderlichen langen Zeitdauer für eine Einstellung eines höhenmäßig stabilen Schmelzenspiegels nicht immer gewährleisten, dass eine Schmelzenoberfläche oxidfrei ist, was zu falschen Messergebnissen führen kann. 15 Ein anderer gravierender Nachteil bekannter Tauchsonden liegt darin, dass es äußerst schwierig ist, während einer Messdauer eine konstante Höhe des Schmelzenspiegels beziehungsweise einer Schmelzenoberfläche, auf der ein Plasma gezündet wird, zu gewährleisten. Ändert sich allerdings eine Höhe des Schmelzenspiegels, so liegt das Plasma nicht mehr im Fokus einer Linse, über welche die vom Plasma emittierte 20 Strahlung gesammelt und letztlich einer Analyseeinrichtung zugeführt wird. Dies stellt eine mögliche Fehlerquelle bei einer Bestimmung einer chemischen Zusammensetzung dar.

Da in der Regel auch Laseriicht über dieselbe Linse auf die Schmelzenoberfläche fokussiert wird, kann bei genügend großen Höhenänderungen des Schmelzenspiegels überdies das Plasma nicht mehr aufrechterhalten werden. 25

Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass bei Analyse an einer Oberfläche einer Schmelze, welche mit dem übrigen Schmelzebad flächig in Verbindung steht, Oszillationen der Schmelzenoberfläche nicht ausgeschlossen werden können, was ebenfalls zu verfälschten Messergebnissen führen kann. 30

Ein anderer Nachteil bekannter Tauchsonden ergibt sich daraus, dass bei deren Einsatz ein Überdruck in der Tauchsonde erzeugt werden muss, um einen Schmelzenspiegel für eine Messung einzustellen. Messen unter Überdruck kann jedoch, wie wissenschaftlich belegt ist (Tjong Jie Lie et al., Spectrochimica Acta B 61 (2006), Seiten 104 bis 112; Tariq 35 Mahmood Naeem et al., Spectrochimica Acta B 58 (2003), Seiten 891 bis 899), zu geringen Signalausbeuten führen. 3 ·* ·· · ··· ·· ···· • · · · · · « · · ······ · ·· · « · · · ···· · m · · ··«· t · ?·«· ·· ·· · · ·· «·

Ein weiterer erheblicher Nachteil bekannter Tauchsonden liegt darin, insbesondere wenn Schmelze innerhalb einer Tauchsonde analysiert wird, dass die Tauchsonde exakt senkrecht in das zu untersuchende Material einzubringen ist. Wird nämlich die Tauchsonde geneigt in eine Schmelze eingebracht, so ist die Oberfläche der Schmelze 5 relativ zu einem entlang der Längsachse der Tauchsonde geführten Laserstrahl, mit welchem das Plasma gezündet wird, geneigt, was zu anderen Messergebnissen als bei senkrechter Stellung der Schmelzenoberfläche relativ zum Laserstrahl führt. In diesem Fall sind also Messergebnisse stark vom Neigungswinkel der Tauchsonde gegenüber einer Schmelzenoberfläche abhängig, welche Abhängigkeit kaum kalibrierbar 10 beziehungsweise korrigierbar ist.

Die vorstehend dargelegten Nachteile können auch allgemein bei Vorrichtungen zur Bestimmung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials gegeben sein, wenn diese mit Tauchsonden gemäß dem 15 Stand der Technik ausgerüstet sind. Analog sind Analysemöglichkeiten und Aussagekraft bzw. Zuverlässigkeit entsprechender Verfahren limitiert.

Von diesem Stand der Technik ausgehend setzt sich die Erfindung das Ziel, eine Tauchsonde der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher Nachteile des Standes 20 der Technik beseitigt sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile von Tauchsonden zumindest teilweise beseitigt sind. 25

Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, dass es erlaubt, bei gleich bleibendemProbenabstand an einer beliebigen Stelle des Materials und unabhängig von einem Neigungswinkel einer Tauchsonde gegenüber einer Oberfläche des zu untersuchenden Materials zuverlässig eine 30 physikalische und/oder chemische Eigenschaft desselben zu bestimmen.

Das erste Ziel, eine Tauchsonde der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind, wird durch eine Tauchsonde nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen einer erfindungsgemäßen Tauchsonde 35 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 20. 4 • » ♦ · · ♦ ·· ·· ♦·»· * · ♦ · ·♦·♦ ♦ f · · • · ♦ · « · 4 Φ Φ φ Φ· ·Φ % · ·· ·ι

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei deren Einsatz beziehungsweise Einbringung in ein flüssiges oder festes rieselfähiges Material das Material in einem konstanten Winkel zur Längsachse der Tauchsonde einströmt. Da eine Einströmrichtung relativ zur Längsachse ausschließlich durch die vorgesehene 5 seitliche Öffnung festgelegt wird und aufgrund einer hohen Einströmgeschwindigkeit des freien Strahls von mehreren Metern pro Sekunde im Wesentlichen unabhängig von der Schwerkraft ist, ist es unerheblich, ob die Tauchsonde senkrecht oder geneigt zu einer Badoberfläche beziehungsweise einer Oberfläche eines festen rieselfähigen Materials eingebracht wird. Die Tauchsonde braucht daher entgegen den bekannten Lösungen 10 gemäß dem Stand der Technik nicht starr positioniert werden, sondern kann beliebig und insbesondere auch von Hand geführt in eine Schmelze eingetaucht und geneigt werden.

Ein anderer Vorteil einer erfindungsgemäßen Tauchsonde liegt darin, dass bei einer Messung ein gleich bleibender Materialfluss durch die vorgesehene seitliche Öffnung 15 gegeben ist. Dadurch wird insbesondere bei metallischen Schmelzen stets reine, oxidbeziehungsweise schlackenfreie Schmelze aus einem Schmelzebad zur Messung nachgeführt. Entsprechende Probleme, welche mit einer Schlacke oder Krätze in Verbindung stehen, sind daher vermieden. 20 Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Tauchsonde liegt darin, dass die Öffnung in einer fixierten Höhe der Tauchsonde positioniert ist, weswegen bei einer Messung ein strahlförmiges Einbringen von Material in konstanter Höhe gewährleistet ist. Somit ist eine Höhe der zu analysierenden Materialoberfläche konstant und Probleme, welche sich auf Grund eines höhenmäßig variierenden Schmelzespiegels ergeben, z.B. variierender 25 Abstand eines Plasmas zur Fokussiereinrichtung, ausgeschlossen.

Ein noch weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Tauchsonde ist darin zu sehen, dass diese eine Messung bei Unterdrück ermöglicht. Eine Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie bei Unterdrück bringt den Vorteil, dass höhere Signalausbeuten 30 erzielt werden, was sich wiederum günstig auf ein Signal-Rausch-Verhältnis und somit eine Qualität der Messung beziehungsweise Analyse auswirkt.

Des Weiteren eignet sich eine erfindungsgemäße Tauchsonde vorzüglich zur Durchführung von pyrometrischen Messungen bzw. zur Bestimmung einer Temperatur 35 der Schmelze, da der eintretende Strahl frei von einer auch diesbezüglich störenden Oxidschicht ist. 5

Ein Winkel, mit welchem Material als freiströmender Strahl zur Längsachse gerichtet in den rohrförmigen Abschnitt einbringbar ist, kann in einem weiten Bereich gewählt werden und beispielsweise 45° bis 135° betragen. Um besonders einfache geometrische Verhältnisse bei einer Messung zu haben, ist es von Vorteil, wenn die Öffnung so 5 gestaltet ist, dass der Winkel etwa ein rechter Winkel ist.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Öffnung einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen kürzere Seiten parallel zur Längsachse verlaufen. Dadurch kann im Einsatz ein flächiges Einströmen von Material erreicht werden, was eine potenzielle Messfläche 10 vergrößert und ein Zünden eines Plasmas erleichtert.

Bei einer erfindungsgemäßen Tauchsonde kann der rohrförmige Abschnitt grundsätzlich mit einem beliebigen Querschnitt ausgebildet sein. Aus Gründen einer einfachen Herstellbarkeit der Tauchsonde ist es jedoch bevorzugt, wenn der rohrförmige Abschnitt 15 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist. Ist dies der Fall, dann ist es weiter zweckmäßig, wenn der rohrförmige Abschnitt im Bereich der seitlichen Öffnung innenseitig eben ausgebildet ist. Durch diese konstruktive Maßnahme wird ein paralleles Einströmen des Materials erreicht und eine zur Tauchsondenmitte konisch zulaufende Ausbildung eines Strahls verhindert. Anders ausgedrückt ist in allen Bereichen der zu 20 analysierenden Oberfläche ein konstanter Materialfluss gegeben und sind

Inhomogenitäten vermieden, was zu besonders exakten Analysenergebnissen führt.

Aus mehreren Gründen ist es weiter besonders günstig, wenn Mittel zum Erzeugen von Unterdrück oder Vakuum im rohrförmigen Abschnitt vorgesehen sind. Zum einen ist eine 25 Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie bei Unterdrück in Bezug auf hohe Signalausbeuten bevorzugt. Zum anderen kann es notwendig sein, insbesondere wenn ein hydrostatischer Druck einer Schmelze unzureichend ist, um Material durch die Öffnung zu pressen oder wenn eine Oberflächenspannung des zu untersuchenden Materials zu groß ist, um ein automatisches Einströmen des Materials zu bewirken, ein 30 Einströmen von Material in die Tauchsonde durch Anlegen eines Unterdrucks zu erzwingen. Dies kann insbesondere auch dann erforderlich sein, wenn knapp unterhalb einer Oberfläche eines Schmelzebades gemessen wird und ein durch die Schmelze ausgeübter hydrostatischer Druck nicht ausreichend ist, um Schmelze durch die seitliche Öffnung beziehungsweise den seitlichen Spalt zu drücken. Daneben tritt bei Unterdrück 35 vor allem bei Aluminiumschmelzen Wasserstoff aus, der sich dann in der Tauchsonde 6 * * · · · f*f* * · « • · · · ♦ « · # · ·♦ *· · Λ ·· «· befindet, so dass durch Analyse der Gaszusammensetzung in der Tauchsonde auf einen Wasserstoffgehalt in der Aluminiumschmelze geschlossen werden kann.

In einer besonders bevorzugten Variante einer erfindungsgemäßen Tauchsonde ist im 5 Bereich des fußseitigen Endes zumindest eine weitere zweite Öffnung vorgesehen und liegt die seitliche Öffnung zwischen der zweiten Öffnung und einem kopfseitigen Ende der Tauchsonde. Dadurch tritt zwar bei einer Messung Material auch im Bereich des fußseitigen Endes in die Tauchsonde ein, allerdings ist dies ohne Auswirkungen, da ohnedies am kopfseitig näher liegenden freien Strahl gemessen wird. Nach Durchführung 10 einer Messung ergibt sich allerdings ein wesentlicher Vorteil dadurch, dass das gesamte in der Tauchsonde befindliche Material durch die im Bereich des fußseitigen Endes vorgesehene zweite Öffnung ausgelassen werden kann.

Um durch ein fußseitiges Einströmen von Material während einer Messung bedingte 15 Störungen möglichst zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine weitere zweite Öffnung seitlich angebracht ist.

Um nach einer Messung ein möglichst schnelles Entleeren der Tauchsonde zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass ein freier Querschnitt der zweiten Öffnung 20 größer als ein freier Querschnitt der seitlichen Öffnung ist.

Da, wenn am fußseitigen Ende eine zweite Öffnung vorgesehen ist, die Tauchsonde während einer Messung vom fußseitigen Ende her kontinuierlich mit Schmelze gefüllt wird, ist es von Vorteil, wenn sich die seitliche Öffnung auf halber Höhe des rohrförmigen 25 Abschnittes oder höher befindet. So kann erreicht werden, dass eine Messung am freien strahlförmigen Material ungehindert durchgeführt und abgeschlossen werden kann, ehe ein Schmelzespiegel in der Tauchsonde die seitliche Öffnung erreicht hat.

In Bezug auf eine möglichst rasche Entleerung der Tauchsonde nach einem Messvorgang 30 erweist es sich weiter als zweckmäßig, wenn Mittel zur Druckbeaufschlagung des rohrförmigen Abschnittes vorgesehen sind. Dies erlaubt es, das in der Tauchsonde befindliche Material rasch über eine vorgesehene zweite Öffnung am fußseitigen Ende auszupressen und die Tauchsonde vor einer weiteren Messung zu entleeren. 35 Um eine Zeitdauer für eine Entleerung der Tauchsonde nach einem Messvorgang noch weiter zu verkürzen, kann eine Komponente zum Schließen der seitlichen Öffnung 7 5 5 H fl.:. ·♦ · ι *»«| ·« ·«»« 1 · · « • ·· · • · 4 ·· ·· ; ι vorgesehen sein. Diesbezüglich ist es auch von Vorteil, wenn eine Komponente zum Schließen der zumindest einen weiteren zweiten Öffnung vorgesehen ist, da in diesem Fall ein fußseitiges Einströmen von Material während einer Messung unterbunden werden kann, so dass in der Folge in der Tauchsonde lediglich Material, welches durch die seitliche Öffnung als Strahl eintritt, angesammelt wird. Dementsprechend liegt nach einem Messvorgang in der Tauchsonde weniger Material vor und muss folglich auch weniger Material entleert werden.

Eine besonders vorteilhafte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass im rohrförmigen 10 Abschnitt eine Komponente vorgesehen ist, durch welche alternativ eine der Öffnungen schließbar ist. So kann beispielsweise während einer Messung durch die seitliche Öffnung Material einströmen, wohingegen ein Einströmen von Material am fußseitigen Ende verhindert ist. Umgekehrt kann nach einer Messung in der Tauchsonde angesammeltes Material durch eine fußseitige Öffnung ausgeblasen werden und ist gleichzeitig ein 15 weiteres Einfließen von Material durch die seitliche Öffnung unterbunden. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Komponente durch Erzeugung eines Unterdruckes oder Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt aktivierbar ist, wobei durch Erzeugung eines Unterdruckes die zweite Öffnung verschließbar ist. Bei dieser Variante sind die vorstehend erläuterten Vorteile einer Messung bei Unterdrück sowie 20 eines Ausblasens bei Überdruck mit den Vorteilen eines Schließens einzelner Öffnungen während beziehungsweise nach einer Messung kombiniert.

Insbesondere in Bezug auf metallische Schmelzen, welche durchaus aggressiv wirken können, erweist es sich zur Sicherstellung stabiler beziehungsweise gleichmäßiger 25 Messbedingungen als zweckmäßig, wenn der rohrförmige Abschnitt der Tauchsonde aus einer Keramik, insbesondere aus Siliciumnitrid, besteht.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der rohrförmige Abschnitt aus einem Stahl besteht, welcher vorzugsweise beschichtet oder mit einer Schlichte versehen ist, um 30 dessen Haltbarkeit unter Einsatzbedingungen zu erhöhen. Günstig kann es auch sein, dass der rohrförmige Abschnitt aus einem Stahl besteht und im rohrförmigen Abschnitt ein die seitliche Öffnung definierender keramischer Einsatz lösbar befestigt ist. Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl 35 kostengünstig als auch für eine lange Einsatzdauer ausgelegt ist. Dazu ist der rohrförmige Abschnitt in weniger kritischen Teilen aus einem Stahl gefertigt, wohingegen im 8

kritischeren Bereich der seitlichen Öffnung ein keramischer Einsatz mit größerer Haltbarkeit vorgesehen ist. Eine lösbare Befestigung des Einsatzes bringt zudem den Vorteil, dass dieser bei Verschleiß problemlos ausgetauscht werden kann, ohne dass die gesamte Tauchsonde zu ersetzen wäre. 5

Um eine Verstopfung einzelner Öffnungen möglichst zu vermeiden, kann bei einer erfindungsgemäßen Tauchsonde weiter vorgesehen sein, dass der Öffnung beziehungsweise den Öffnungen außenseitig jeweils ein Filter vorgeordnet ist. 10 Weiter kann es empfehlenswert sein, dass der rohrförmige Abschnitt abnehmbar ist, insbesondere wenn der rohrförmige Abschnitt als Einwegelement eingesetzt werden soll und bei jeder Messung ein neuer Abschnitt einzusetzen ist.

Die mit einer erfindungsgemäßen Tauchsonde erzielten Vorteile kommen insbesondere 15 zum Tragen, wenn diese in einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials wie eine metallische Schmelze, insbesondere zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie^eingesetzt wird. Dementsprechend wird das weitere Ziel durch eine gattungsgemäße Vorrichtung erreicht, welche eine 20 erfindungsgemäße T auchsonde umfasst.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es günstig, wenn die Tauchsonde lösbar befestigt ist. Dies erlaubt es beispielsweise, mehrere erfindungsgemäße Tauchsonden wahlweise mit einer einzigen UPS-Vorrichtung zu koppeln, z.B. zur Untersuchung an 25 verschieden Stellen einer Prozesskette, was insgesamt hochpraktikabel ist und zu einer Kostenreduktion führt.

Das verfahrensmäßige Ziel der Erfindung schließlich wird dadurch erreicht, dass bei einem gattungsgemäßen Verfahren das Material als Strahl und mit einem Winkel zur 30 Längsachse des rohrförmigen Abschnittes gerichtet eingebracht wird und eine Analyse des so eingebrachten Materials erfolgt.

Die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erzielten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, dass das Material unabhängig von einem Neigungswinkel der Tauchsonde 35 gegenüber einer Oberfläche einer Schmelze oder eines rieselfähigen Materials mit konstantem Winkel zur Längsachse des rohrförmigen Abschnittes einströmt, weshalb 9 • · ·· · ·♦·? ·· ···· j *: t:. .--.2- .· • · * I M·· · · · · ♦ · · · ·· ♦ · auch bei variablem Neigungswinkel stets eine gleich bleibende Messgeometrie gewährleistet werden kann. Neben einer Oxidfreiheit der eintretenden Schmelze ist in Bezug auf Laser-induzierte-Plasma-Spektroskopie ein weiterer Vorteil darin zu sehen, dass ein Abstand zwischen Fokussiereinrichtung und erzeugtem Plasma ebenfalls 5 konstant ist, weshalb besonders exakte Mess- beziehungsweise Analysenergebnisse erhalten werden können. Dies kann in besonders einfacher weise erfolgen, indem innerhalb der Tauchsonde an einer Oberfläche des Strahls ein Plasma gezündet und vom Plasma emittierte Strahlung analysiert werden. 10 Wiewohl ein Winkel in einem breiten Bereich, z.B. von 45° bis 135° gewählt werden kann, empfiehlt es sich, den Winkel mit etwa 90° zu wählen. In diesem Fall ist eine besonders einfache Messgeometrie gegeben, da der Strahl stets senkrecht zu einer Längsachse der Tauchsonde in diese einströmt. 15 20 25

Um ein Einströmen des Materials zu erleichtern, insbesondere bei einer hohen Oberflächenspannung einer Schmelze, kann es günstig sein, dass im rohrförmigen Abschnitt während des Einströmens des Materials ein Unterdrück angelegt wird. Dabei kann gleichzeitig eine gewünschte Atmosphäre, insbesondere eine Inertgas-Atmosphäre, eingestellt werden, welche für LI PS von Vorteil ist.

Von Vorteil ist es auch, wenn der rohrförmige Abschnitt nach Einströmen von Material und Analyse der vom Plasma emittierten Strahlung durch Anlegen eines Unterdruckes entleert wird, damit bei einer weiteren Messung das gesamte Volumen des rohrförmigen Abschnittes zum Sammeln von eingetretenem Material dienen kann.

Um ein besonders rasches Entleeren der Tauchsonde sowie insbesondere ein Entleeren im eingetauchten Zustand zu erreichen, kann weiter vorgesehen sein, dass das Entleeren durch Anlegen eines Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt erfolgt. 30 Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem Zusammenhang der Beschreibung sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Im Folgenden sind einige lediglich als Beispiele zu verstehende Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Tauchsonde noch weitergehend dargestellt.

Es zeigen 10 35 ** ·· * ♦··· ·· ···· • · · · · · · · · ···«·· · ·« · • · * » ···· · · · « • · * · · · *··· ·« ·· · · «· «·

Figur 1: Eine erfindungsgemäße Tauchsonde;

Figur 1a: Einen seitlichen Schlitz einer Tauchsonde nach Figur 1;

Figur 1b: Ein fußseitiges Ende einer Tauchsonde nach Figur 1;

Figur 2: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Tauchsonde gemäß Figur 1 5 entlang der Schnittlinie ll-ll in Figur 1;

Figur 3: Einen rohrförmigen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Tauchsonde mit zwei seitlichen Öffnungen;

Figur 4: Einen Querschnitt durch eine Tauchsonde gemäß Figur 3 entlang der Schnittlinie IV-IV in Figur 3; 10 Figur 5: Einen rohrförmigen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Tauchsonde mit zwei seitlichen Öffnungen;

Figur 6: Einen Querschnitt eines rohrförmigen Abschnittes entsprechend Figur 5 entlang der Schnittlinie Vl-Vl in Figur 5;

Figur 7: Eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Tauchsonde; 15 Figur 8: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Tauchsonde nach Figur 7 entlang der Schnittlinie Vlll-Vlll in Figur 7;

Figur 9: Eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Tauchsonde;

Figur 10: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Tauchsonde gemäß Figur 9 entlang der Schnittlinie IX-IX in Figur 9. 20

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Tauchsonde 1 in näherer Darstellung. Die Tauchsonde 1 weist ein konisch zulaufendes Ende 2 auf, welches gleichzeitig das Ende eines rohrförmigen Abschnittes 4 bildet. Der rohrförmige Abschnitt 4, welcher beispielsweise aus einer Keramik oder einem Stahl bestehen kann, ist im Inneren hohl 25 und weist eine seitliche Öffnung 5 beziehungsweise einen Schlitz auf, durch welchen Material wie eine Schmelze strahlförmig eintreten kann. An den rohrförmigen Abschnitt 4 schließt ein weiterer rohrförmiger Abschnitt 9 an, wobei die beiden rohrförmigen Abschnitte 4, 9 mittels eines Spannsatzes 10 miteinander gasdicht verbunden sind. Beide rohrförmigen Abschnitte verlaufen konzentrisch zu einer Längsachse X der stabförmig 30 ausgebildeten Tauchsonde 1. An einem kopfseitigen Ende 3 ist die Tauchsonde 1 durch ein für elektromagnetische Strahlung durchlässiges Fenster 8 abgeschlossen und weist im Anschluss daran einen freien Querschnitt 7 auf, an welchem beispielsweise ein Lichtleiter einer LIPS-Vorrichtung anschließen kann. Um in der Tauchsonde einen Überdruck beziehungsweise Unterdrück erzeugen zu können, weist die Tauchsonde 35 zusätzlich Gasein- bzw. Gasauslässe 11 auf. 11 ······ 9 99 · • · · · *·»· 9*9 * • 99 9 9 9 9 9 9 9 99 99 9 9 99 99

In Figur 1a ist eine Öffnung 5 einer Tauchsonde 1 gemäß Figur 1 näher dargestellt. Die Öffnung 5 beziehungsweise der Schlitz ist mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Dies ist insofern von Vorteil, als dass ein solcher Querschnitt ein flächiges Einströmen von Material im Wesentlichen normal zur Längsachse X bewirkt. 5

Weiter ist in Figur 1b ein endseitiges Ende 2 einer Tauchsonde gemäß Figur 1 vergrößert dargestellt. Das konisch zulaufende Ende 2 ist im Wesentlichen geschlossen und weist lediglich an seinem tiefsten Punkt eine klein dimensionierte Öffnung 6 auf, durch welche während einer Messung eintretendes Material nach einer Messung ausgeblasen 10 beziehungsweise entleert werden kann. Der Querschnitt der Öffnung 6 ist so bemessen, dass während einer üblichen Messzeit bei Schmelzen von z.B. einer Minute nur geringe Schmelzenmengen eintreten können bzw. auf Grund eines hydrostatischen Druckes eingepresst werden und die Öffnung 5 während der Messung frei bleibt. 15 Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie ll-ll der Figur 1 sowie zusätzlich teilweise ein Schmelzenbad 13, in welches eine Tauchsonde 1 eintaucht. Wie aus Figur 2 ersichtlich, tritt bei Einbringung einer Tauchsonde 1 in eine Schmelze 13 auf Grund eines gegebenen hydrostatischen Druckes Material beziehungsweise Schmelze als frei strömender Strahl 12 in die Tauchsonde 1 ein, wenn eine seitliche Öffnung derselben 20 unter einer Schmelzenoberfläche 14 liegt. Gleichzeitig tritt durch die in Figur 1 b dargestellte weitere zweite Öffnung 6 an einem fußseitigen Ende 2 der Tauchsonde 1 Schmelze ein, was jedoch für eine Messung unerheblich ist, da diese am freien Materialstrahl 12 erfolgt. Wie aus Figur 2 nämlich weiter ersichtlich, wird ein Plasma mittels eines Laserstrahls 15, welcher mittels einer optischen Fokussiereinrichtung 16 25 fokussiert wird, auf dem freien Materialstrahl 12 gezündet (alternativ kann ein Plasma auch durch Funkenentladung gezündet werden). Da Schmelze konstant nachströmt, ist der Materialstrahl 12 im Wesentlichen frei von oxidischen Verunreinigungen und ist eine am Materialstrahl 12 ermittelte chemische Zusammensetzung charakteristisch für eine chemische Zusammensetzung des Schmelzebades in der Höhe H1. Ferner ist aus Figu^V^ 30 ersichtlich, dass eine seitliche Öffnung 5 in der oberen Hälfte des rohrförmigen Abschnittes 4 befindlich ist. Dadurch steht für eine von unten durch die Öffnung 6 eintretende Schmelze während einer Messung ein genügend großes Innenvolumen zur Ansammlung von Schmelze zur Verfügung, ohne dass die eintretende Schmelze den Bereich einer seitlichen Öffnung 5 erreichen würde und den Materialstrahl 12 in seiner 35 freien Ausbreitung behindern würde. 12 ·* ·· · ·»·« ·« ···· • · · · · ·«· ft ··#··« · ·· ft • Φ · · ftftftft ft · « · • · · · · · ft « I · ·· ftft ft · ftft ft«

Figur 3 zeigt im Detail einen rohrförmigen Abschnitt 4 einer erfindungsgemäßen Tauchsonde. Der rohrförmige Abschnitt 4 weist dabei zwei seitliche Öffnungen 5,17 auf, wobei die in einer größeren Höhe befindliche Öffnung 5 spaltförmig ausgebildet ist und für ein flächiges Einströmen eines Materials sorgt. 5

Im Inneren des gemäß Figur 3 dargestellten rohrförmigen Abschnittes ist eine Komponente 18 angebracht, welche bei Anlegen eines Unterdruckes, somit unter Messbedingungen, die seitliche Öffnung 5 freigibt, wohingegen die seitliche Öffnung 17 verschlossen wird. Bei dieser Variante einer erfindungsgemäßen Tauchsonde 1 ist ein 10 Eindringen von Schmelze im Bereich eines fußseitigen Endes 2 während einer Messung limitiert, so dass ein frei strömender Materialstrahl 12 über eine lange Zeitdauer gewährleistet werden kann. Dies erlaubt e&im Vergleich mit einer Tauchsonde gemäß Figur ^Messungen über einen längeren Zeitraum durchzuführen und somit noch höhere Zuverlässigkeit beziehungsweise Genauigkeit hinsichtlich der Analysenergebnisse zu 15 erreichen.

In den Figuren 5 beziehungsweise 6 ist die gleiche Situation wie in den Figuren 3 und 4 mit der Ausnahme dargestellt, dass im rohrförmigen Abschnitt anstelle eines Unterdruckes ein Überdruck anliegt. In diesem Fall ist durch die Komponente 18 eine 20 seitliche Öffnung 5 verschlossen, eine seitliche Öffnung 17 hingegen freigegeben beziehungsweise offen. Dies resultiert darin, dass jegliche Schmelze, die sich oberhalb der Öffnung 17 befindet, aus dem rohrförmigen Abschnitt 4 ausgepresst beziehungsweise durch die Öffnung 17 entfernt wird. 25 Eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Tauchsonde 1 mit einer Ventilfunktion zum Schließen einer seitlichen Öffnung sowie einer weiteren zweiten seitlichen beziehungsweise fußseitigen Öffnung ist anhand der Figuren 7 bis 10 demonstriert. Eine nach Figur 7 in Stimansicht dargestellte Tauchsonde 1 weist, wie aus Figur 8 ersichtlich, neben im Hohlraum 19 der Tauchsonde 1 angebrachten optischen Komponenten, 30 insbesondere einer Fokussiereinrichtung 20, einen Mantel 21 mit einer Bohrung 22 auf. Diese Bohrung 22 ist mit einer seitlichen Öffnung 5 verbunden. Wenn, wie in Figur 8 dargestellt, im Hohlraum 19 der Tauchsonde 1 ein Unterdrück anliegt, ist durch eine Platte 23 eine fußseitige Öffnung des rohrförmigen Abschnittes 4 verschlossen. Somit kann lediglich durch die seitliche Öffnung 5 Schmelze in die Tauchsonde 1 eintreten und 35 analysiert werden. 13 ·· ·· ♦ ···· ·· ···· • · * f · · · · # ······ · ·· · • · · · ···♦ · · · « • · · · · t · · · · ·· ·· · · #· ·#

Wird hingegen bei dergleichen in Figur 9 dargestellten Tauchsonde 1 ein Überdruck angelegt, so wird die Platte 23 nach unten gedrückt und es kann jegliches Material in der Tauchsonde, welches auf Grund einer Messung sich in dieser angesammelt hat, durch die seitlichen Öffnungen 17 aus dieser gepresst werden. Gleichzeitig ist, da an der 5 Öffnung 5 ebenfalls ein Überdruck anliegt, sichergestellt, dass keine weitere Schmelze die Bohrung 22 entlang steigt und in die Tauchsonde über die Öffnung 5 eintritt.

Es versteht sich für den Fachmann, dass die anhand der Figuren 1 bis 10 sowie deren Beschreibung dargelegten Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Tauchsonde 10 1 lediglich beispielhaft zu verstehen sind und den Schutzbereich der Patentansprüche in keiner Weise einschränken. 14

Claims (29)

1. -/ ·· ·· · ···· ·· ···· ····· »·· · ······ · «· · • · · · ···· · · · · • ·· · · · ···· ·· ·· · · ·· ·· Patentansprüche 1. Tauchsonde (1) für eine Vorrichtung zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie in einem flüssigen oder festen rieselfähigen Material wie einer metallischen 5 Schmelze, welche Tauchsonde (1) einen sich von einem fußseitigen Ende (2) der Tauchsonde (1) um eine Längsachse (X) derselben erstreckenden rohrförmigen Abschnitt (4) mit einer Öffnung zum Einströmen von Material aufweist, dadurch gekennzeichnet dass der rohrförmige Abschnitt (4) am fußseitigen Ende (2) im Wesentlichen geschlossen ausgebildet oder verschließbar ist und eine seitliche Öffnung (5) aufweist, durch welche 10 das Material als frei strömender Strahl (12) mit einem Winkel (a) zur Längsachse (X) gerichtet in den rohrförmigen Abschnitt einbringbar ist.
2. 2. Tauchsonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Winkel (a)ein Winkel von 45° bis 135°, insbesondere etwa ein rechter Winkel, ist. 15
3. 3. Tauchsonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Öffnung (5) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, dessen kürzere Seiten parallel zur Längsachse (X) verlaufen.
4. 4. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass der rohrförmige Abschnitt (4) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
5. 5. Tauchsonde (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der rohrförmige Abschnitt (4) im Bereich der seitlichen Öffnung (5) innenseitig eben ausgebildet ist. 25
6. 6. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass Mittel zum Erzeugen von Unterdrück oder Vakuum im rohrförmigen Abschnitt (4) vorgesehen sind.
7. 7. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des fußseitigen Endes (2) zumindest eine weitere zweite Öffnung (6) vorgesehen ist, und dass die seitliche Öffnung (5) zwischen der zweiten Öffnung (6) und einem kopfseitigen Ende (3) der Tauchsonde (1) liegt.
8. 8. Tauchsonde (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die zumindest eine weitere zweite Öffnung (6) seitlich angebracht ist. 15 ·· ·· · ···· ·· ···· *···· ··· t ······ · ·· · • · · · ···· · · · · ···· · · ···· ·· ·· · · ·· ··
9. 9. Tauchsonde (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein freier Querschnitt der zweiten Öffnung (6) größer als ein freier Querschnitt der seitlichen Öffnung (5) ist.
10. 10. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die seitliche Öffnung (5) auf halber Höhe (H) des rohrförmigen Abschnittes (4) oder höher befindet.
11. 11. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass 10 Mittel zur Druckbeaufschlagung des rohrförmigen Abschnittes (4) vorgesehen sind.
12. 12. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente zum Schließen der seitlichen Öffnung (5) vorgesehen ist.
13. 13. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass eine Komponente zum Schließen der zumindest einen weiteren zweiten Öffnung (6) vorgesehen ist.
14. 14. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass 20 im rohrförmigen Abschnitt (4) eine Komponente vorgesehen ist, durch welche alternativ eine der Öffnungen (5, 6) schließbar ist.
15. 15. Tauchsonde (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass die Komponente durch Erzeugung eines Unterdruckes oder Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt (4) 25 aktivierbar ist, wobei durch Erzeugung eines Unterdruckes die zweite Öffnung (6) verschließbar ist.
16. 16. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) der Tauchsonde (1) aus einer Keramik, insbesondere aus 30 Siliciumnitrid, besteht.
17. 17. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet dass der rohrförmige Abschnitt (4) aus einem Stahl besteht, welcher vorzugsweise beschichtet oder mit einer Schlichte versehen ist. 16 10 15 20 25 30 ·· ·· · *·· • I · · · • · · · · · · • · · · ·*·« · • · · · · · ·· ·· · ·
18. 18. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) aus einem Stahl besteht und im rohrförmigen Abschnitt (4) ein die seitliche Öffnung (5) definierender keramischer Einsatz lösbar befestigt ist.
19. 19. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnung (5) bzw. den Öffnungen (5, 6) außenseitig jeweils ein Filter vorgeordnet ist.
20. 20. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) abnehmbar ist.
21. 21. Vorrichtung zur Bestimmung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials wie einer metallischen Schmelze, insbesondere zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie, umfassend eine Tauchsonde (1), welche einen sich von einem fußseitigen Ende (2) der Tauchsonde (1) um eine Längsachse (X) derselben erstreckenden rohrförmigen Abschnitt (4) mit einer Öffnung zum Einströmen von Material aufweist, sowie eine mit der Tauchsonde (1) in Verbindung stehenden Analyseneinrichtung, mit welcher eine Eigenschaft des in die Tauchsonde (1) einströmenden Materials analysierbar ist, dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung eine Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 umfasst.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchsonde (1) lösbar befestigt ist.
23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass an einem fußseitigen Ende (3) der Tauchsonde (1) ein Fenster (7) angebracht ist, durch welches elektromagnetische Strahlung durchtreten kann.
24. 24. Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft eines flüssigen oder festen rieselfähigen Materials wie einer metallischen Schmelze, insbesondere zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie, wobei eine einen rohrförmigen Abschnitt (4) mit einer Öffnung aufweisende Tauchsonde (1) in das Material eingebracht und in diese Material einströmen gelassen wird, wobei Eigenschaften des einströmenden Materials analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Material als Strahl und mit einem Winkel (a) zur Längsachse (X) des rohrförmigen Abschnittes (4) gerichtet eingebracht wird und eine Analyse des so eingebrachten Materials erfolgt. 17 ···· ·· ·· · 9 ♦ · · · • · · · « · • ♦ · ♦ ·«·· · • I · · · · ·· ·· * ·
25. 25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Tauchsonde (1) an einer Oberfläche des Strahls ein Plasma gezündet und vom Plasma emittierte Strahlung analysiert wird.
26. 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) 45° bis 135°, insbesondere etwa 90°, beträgt.
27. 27. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im rohrförmigen Abschnitt (4) während des Einströmens des Materials ein Unterdrück angelegt wird. 10
28. 28. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) nach Einströmen von Material und Analyse der vom Plasma emittierten Strahlung entleert wird. 15
29. 29. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entleeren durch Anlegen eines Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt (4) erfolgt. INNSITEC Laser Technologies GmbH vertr«

    Leoben, am 8. Mai 2006 18