DE69936215T2

DE69936215T2 - Laserinduzierte ionisationsspektroskopie, insbesondere für kohle

Info

Publication number: DE69936215T2
Application number: DE69936215T
Authority: DE
Inventors: Bruce Leonard Glen Iris CHADWICK
Original assignee: XRF Scientific Ltd
Current assignee: XRF Scientific Ltd
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: AUPP573098A0; EP1110076A1; ATE363654T1; DE69936215D1; ZA200102682B; CA2344882A1; WO2000014516A1; JP2002524732A; EP1110076A4; ES2286897T3; EP1110076B1; US6771368B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Werkstoffanalyse. Die vorliegende Erfindung ist besonders dazu geeignet, um Kohle zu analysieren und der Einfachheit halber wird die Erfindung im Folgenden mit Bezug auf ihre Anwendung zur Analyse von Kohle beschrieben. Es leuchtet jedoch ein, dass die Erfindung nicht so angesehen werden soll, als wenn sie auf die Analyse von Kohle beschränkt ist.
Kohle ist ein fossiler Brennstoff, der Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffe als Hauptbestandteile aufweist. Weiterhin enthält Kohle auch geringere, obgleich immer noch erhebliche Mengen von Silikon, Aluminium, Eisen, Kalzium, Natrium, Kalium, und andere Elemente. Diese Elemente finden sich üblicherweise in der Asche wieder, wenn die Kohle verbrannt wurde. Einige Kohlearten, wie z.B. viktorianische Braunkohlen, enthalten auch erhebliche Mengen Wasser.
Es wäre wünschenswert Kohle in zwei Situationen analysieren zu können. Die erste betrifft die Analyse vor Ort in einem Kohlenflöz, um die kurzfristige Bergbauplanung zu unterstützen, und auch um dazu in der Lage zu sein, eine genauere Abschätzung des Werts der Kohle in dem Flöz durchzuführen. Die zweite Anwendung betrifft eine Analyse der Kohle kurz vor oder während der Verbrennung. Dies kann dabei helfen, die Wahrscheinlichkeit von Verschmutzung und Schlackebildung in einem mit Kohle beheizten Boiler oder Verbrennungsofen vorherzusagen, und damit Vorbeugemassnahmen ermöglichen. Verschmutzung- und Schlackeablagerungen sind erhebliche Probleme in der Stromerzeugungsindustrie, und der Grad dieser Ablagerungen hängt von den anorganischen Bestandteilen in der Kohle ab.
Eine Anzahl von Verfahren wurde beschrieben, die Kohleanalyse ermöglichen. Bekannte Analyseverfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung von Kohle in einem Kohlenflöz erfordern üblicherweise die Extraktion einer Probe oder einer Anzahl von Proben aus dem Flöz, und das Versenden der Proben in ein Labor zur konventionellen Kohleanalyse von Kohle, wie auf Seite 9.4 von Perry et. al., „Chemical Engi neer's Handbook", 5th Edition, McGraw Hill International Book Company, 1974, beschrieben.
Das US Patent Nr. 4,562,044 von Bohl (übertragen auf The Babcock and Wilcox Company) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Online Analyse einer Kohleprobe. Die Vorrichtung weist vier radiale Arme auf, wovon jeder ein Probengefäss enthält. Ein Schrittmotor positioniert jedes Probengefäss entlang eines runden Weges, entlang einer Füllstation, wo das Gefäss mit Kohlepulver gefüllt wird. Das Gefäss bewegt sich dann zu einer Analysestation fort, wo verschiedene chemische Analysen ausgeführt werden. Das Gefäss bewegt sich dann zu einer Abkippstation und zu einer Reinigungsstation, nach der das Gefäss wieder zur Füllung mit pulverisierter Kohle bereit ist.
Das US Patent Nr. 4,841,153 von Wormaid (übertragen auf Cogent Limited) bezieht sich auf ein Analysesystem und ein Verfahren zur Kohleanalyse, bei dem die Kohle mit Neutronen beschossen wird, um Gammastrahlen zu erzeugen. Die Gammastrahlen werden detektiert, und die Zusammensetzung der Kohle wird daraus abgeleitet.
Andere Detektoren beschiessen die Kohle mit Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen. Solche Systeme erfordern strenge Sicherheitsvorkehrungen, um zu verhindern dass das Betriebspersonal Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen ausgesetzt wird.
Eine andere Technik, die angeblich in Labors zur Kohlenanalyse verwendet wird, ist Laser gestützte Verfallsspektroskopie (LIBS) oder Laserfunkenemissionsspektroskopie. Bei dieser Technik wird ein Hochenergielaser (normalerweise gepulst) verwendet, um eine geringe Materialmenge zur Analyse zu verdampfen und zu ionisieren. Das verdampfte Material, oder vom Laser erzeugtes Verfallsplasma erzeugt starke optische Emissionen. Eine spektrographische Analyse der optischen Emission liefert Informationen über die Eigenschaften des analysierten Materials. Eine Erörterung einer Technik, die LIBS verwendet ist in dem Bericht von Ottesen et. al. mit dem Titel „Laser Spark Emission Spectroscopy for In-Situ, Real Time Monitoring of Pulverised Coal Particle Composition", veröffentlicht bei Sandia National Laborstories (Nr. SAND 90-8586) erstellt für das Department of Energy, gedruckt im August 1990, wiedergegeben.
WO-A-9530140 , angemeldet von Nis Ingenieurgesellschaft mbH, bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Elementarenzusammensetzung einer Materialprobe unter Verwendung Laser gestützter Plasmaemissionsspektroskopie. Die Vorrichtung wandelt die Probe in den Plasmazustand um, wobei aufeinander folgende Laserpulse Teile des gesamten Emissionsspektrums erzeugen.
EP-A-0401470 , angemeldet auf Shimadzu Corporation bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spektrochemischen Analyse. Die Vorrichtung löst das Problem der verringerten Empfindlichkeit der Analyse durch zyklische Anregung der Analyseprobe mit aufeinanderfolgenden hoch- und niederenergetischen Pulsen, um die Probe zu verdampfen, und dann die verdampfte Probe dazu zu veranlassen, Licht zu emittieren. Eine vereinfachte Schaltungsanordnung wird dazu verwendet, um die Spektralemissionsdaten einer Reihe von nieder energetischen Pulsen zu speichern, bevor die Daten analysiert werden.
Obwohl sich LIBS Verfahren als mutmasslich geeignet für die Kohleanalyse gezeigt haben, sind sich die Erfinder des vorliegenden Patents bewusst, dass das Verfahren über den Laborbereich hinaus anwendbar ist, aus Gründen von Schwierigkeiten, die die Spektrallinieninterferenz umfassen, langsame Probenentnahme und Ansprechzeiten, und eine Unsicherheit in der Kalibrierung.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Werkstoffanalyse zur Verfügung zu stellen.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Analyse von Werkstoffen gemäss Anspruch 1 zur Verfügung.
Jedes der Spektrometer kann einen CCD Detektor aufweisen, der dem Spektrometer zugeordnet ist. Der CCD Detektor kann Informationen über den Spektralbereich an eine Datenaufnahmekarte, oder ein Datenfile in einem Computer oder einem Speicher übertragen. Diese Daten können dann analysiert werden, um die Anwesenheit von einem oder mehreren Elementen oder Arten in dem Material zu bestim men, und vorzugsweise die Menge oder die Konzentration des Elements oder der Art in dem Werkstoff festzustellen.
Typen von Spektrometern, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, enthalten Gitter- und Prismaspektrographen; Interferometer, wie z.B. Etalon und Abtastinterferometerarten.
Andere Detektoren als CCDs (Ladungsgekoppelte Detektoren) können auch verwendet werden. Andere Detektoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, enthalten Photodiodenanordnungen, Vidicons, Photomultiplikatorröhren, und Photodioden. Fachleute können leicht abschätzen, welche Detektoren zur Verwendung geeignet sind.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise weiterhin Steuerungsmittel zum Steuern der Auslösung des Lasers, und zum Steuern und Synchronisieren der Mehrzahl von Detektionsmitteln. Die Steuerungsmittel können eine Taktschaltung enthalten, um den Laser zu bestimmten Zeiten auszulösen, und um die Detektionsmittel zu anderen spezifizierten Zeiten zu betreiben. Besonders ist es vorzuziehen, dass das Steuerungsmittel auch den Betrieb jeder der Mehrzahl von Detektionsmitteln synchronisiert, so dass die Mehrzahl von Detektionsmittel gleichzeitig Spektralemissionen aus dem Werkstoff detektieren.
An Stelle der Taktschaltung können die Steuerungsmittel Steuerungssoftware umfassen, um den Betrieb des Lasers und der Detektionsmittel zu steuern.
Die Vorrichtung enthält auch ein oder mehrere optische Systeme, um das Laserlicht auf den Werkstoff zu fokussieren, und die Spektralemission auf die Mehrzahl von Detektionsmitteln zu fokussieren. Das eine, oder die mehreren optischen Systeme können eine oder mehrere Linsen, optische Fasern, Prismen, Strahlteiler, oder andere optische Komponenten enthalten. Obwohl geeignete optische Systeme erforderlich sind, ist es verständlich, dass die Konstruktion des optischen Systems keinen Teil des Konzepts der vorliegenden Erfindung bildet, und ein Fachmann in der Lage sein wird, eine grosse Anzahl von geeigneten optischen Systemen zu konstruieren, oder erfinde risch tätig zu werden. Folglich brauchen die optischen Systeme nicht weiter erörtert zu werden.
Der Laser kann ein beliebiger Laser sein, der in der Lage ist, Verdampfung und Ionisation eines Teils des Materials hervorzurufen. Geeignete Laser enthalten Feststofflaser, wie z.B. den 1064 nm Nd:YAG Laser, harmonische Wellenlängen des Nd:YAG Lasers, d.h. 532 nm, 355 nm, und 266 nm; Gaslaser, wie z.B. Excimer Laser, z.B. 308 nm XeCl, oder 248 nm KrF Excimer Laser; Kohlendioxidlaser; Flüssigkeitslaser, wie Farblaser; oder jede beliebige Wellenlängen-/Frequenzverschiebung, harmonische Erzeugung oder Mischung der Obigen. Andere Laser, als die spezifisch erwähnten können auch verwendet werden. Ein Fachmann wird einfach in der Lage sein, einen geeigneten Laser auszuwählen.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung soll dazu geeignet sein um Material in einem Labor, auf einem Förderband, oder im Boden zu analysieren.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine hohe Auflösung von elementarer Fluoreszenz, und verändert oder minimiert spektrale Interferenzen weitgehend, die für bekannten LIBS Analysegeräte typisch sind. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Feststellung eines grossen Spektralbereichs in einem einzelnen Laserpuls, und verringert damit die Analysezeit sehr stark. Diese verringerte Analysezeit erlaubt den Einsatz der Vorrichtung als Echtzeitanalysewerkzeug. Sie minimiert auch Fehler bei der Probenentnahme. In dieser Beziehung kann die Vorrichtung eine Analyse einer Anzahl von Elementen in dem Teil des Materials erhalten, der mit jedem Laserpuls verdampft wird. Im Gegensatz dazu erforderte die bekannte LIBS Vorrichtung eine sequenzielle Analyse des Materials, was bedeutete, dass eine Anzahl von Laserpulsen erforderlich war. Jeder Laserpuls verdampfte einen anderen Teils des Materials, was zu Fehlern führte, insbesondere wenn das analysierte Material eine ausgeprägte Uneinheitlichkeit aufwies.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Analyse von Material gemäss Anspruch 17.
Das Verfahren kann weiterhin das Steuern des Betriebs des Lasers und der Mehrzahl von Detektionsmitteln umfassen.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen gilt:
1 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Analyse von Kohle die unter Verwendung der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung erstellt wurde;
3 zeigt eine Anordnung, welche die vorliegende Erfindung zur Analyse von Kohle vor Ort einsetzt;
4 zeigt eine alternative Anordnung zur Analyse von Kohle in einem Kohleflöz;
5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für eine Analyse auf einem Förderband verwendet wird; und
6 zeigt eine alternative Anordnung der vorliegenden Erfindung für die Analyse von Kohle auf Förderbändern.
In der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung zur Analyse von Kohle eingesetzt. Jedoch ist klar, dass das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Analyse einer breiten Gruppe von Werkstoffen eingesetzt werden kann. Die Werkstoffe, die mit dem Verfahren gemäss der Erfindung analysiert werden können, können fest, flüssig, oder sogar gasförmig sein. In der in 1 gezeigten Vorrichtung strahlt ein Laser 10, der ein 1064 nm Nd:YAG Laser sein kann, Laserlichtpulse ab, die durch ein optisches System 12 auf ein zu analysierendes Material 14 fokussiert werden. In dem kleinen Bereich des Laserpunktes, der auf den Werkstoff 14 fokussiert ist, erzeugt die Laserleistungsdichte eine schnelle Aufheizung und Ionisation einer kleinen Materialprobe. Licht wird von dem verdampften und ionisierten Material abgestrahlt, welches Spektralinformation über die involvierten Werkstoffe enthält. Das von den verdampften und ionisierten Werkstoffen abgestrahlte Licht ist schematisch als 16 dargestellt, und dieses abgestrahlte Licht wird von einer Mehrzahl von Detektionsmitteln 20, 22, 24 festgestellt. Die in 1 gezeigte Vorrichtung hat drei Detektionsmittel. Es leuchtet jedoch ein, dass eine geringere oder grössere Anzahl von Detektionsmitteln verwendet werden kann. Es ist vorgesehen, dass eine grössere Anzahl von Detektionsmitteln verwendet werden kann, insbesondere wenn eine hohe Auflösung erforderlich ist. Das Detektionsmittel 20 umfasst ein Spektrometer 26, das auf einen Teil des Spektrums der Spektralemissionen, die von dem Material 14 ausgehen eingestellt ist. Das Detektionsmittel 20 enthält auch einen CCD Detektor 28, der in geeigneter Weise einen handelsüblichen CCD Detektor enthält. Der CCD Detektor 28 kann einen 12–16 Bit Detektor umfassen.
In gleicher Weise umfasst das Detektionsmittel 22 ein Spektrometer 30, und einen CCD Detektor 32. Das Detektionsmittel 24 umfasst auch ein Spektrometer 34 und einen CCD Detektor 36.
Die CCD Detektoren 28, 32, 36 detektieren Informationen aus dem spezifischen Spektralbereich, der durch ihre zugeordneten Spektrometer zur Verfügung gestellt wird. Die CCD Detektoren geben dann die detektierte Information an betreffende zugeordnete Datenakquisitionskarten 38, 40, 42 weiter, die einem Zentralcomputer 44 zugeordnet sind. Die Datenakquisitionskarten können analog/digital Umwandlungsschaltungen enthalten. Der Computer 44 enthält auch Steuerungsmittel 46, um den Betrieb des Lasers 10, und die Mehrzahl von Detektionsmitteln 20, 22, 24 zu steuern.
Bei der Verwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung sendet das Steuerungsmittel 46 ein Steuerungssignal an den Laser 10, das den Laser 10 dazu veranlasst, einen Laserlichtpuls auszusenden. Der Laserlichtpuls 10 ist auf die Oberfläche des Werkstoffs 14 fokussiert, was eine Verdampfung und Ionisation eines kleinen Teils des Materials 14 hervorruft.
Kurz nachdem das Steuerungssignal 14 die Aussendung eines Laserlichtpulses bei dem Laser auslöst, sendet das Steuerungsmittel 46 Steuerungssignale an die Detektionsmittel 20, 22, 24, was diese Detektionsmittel einschaltet. Vorzugsweise gibt es eine leichte Verzögerung zwischen dem Auslösen des Lasers und dem Begin des Betriebs der Spektrometer, um sicherzustellen, dass die CCD Detektoren den Laserlichtpuls nicht detektieren, und nur die emittierten Spektren detektieren. Dieses Steuerungssignal veranlasst die Spektrometer 26, 30, 34, Licht von dem relevanten Spektralgebiet für einen bestimmten Zeitraum zu sammeln, und es den CCD Detektoren 28, 32, 36 zu ermöglichen, dieses Licht zu detektieren. Jedes der Spektrometer 26, 30, 34 sammelt Licht aus besonderen Bereichen des Emissionsspektrums. Die betreffenden Bereiche können diskrete, getrennte Bereiche des Spektrums sein, oder es kann etwas Überschneidung zwischen dem Spektralbereich, der von einem der Spektrometer erfasst wird, und dem Spektralbereich, der von einem anderen der Spektrometer erfasst wird, geben. Während die Detektionsmittel 20, 22, 24 das Licht aus dem emittierten Spektralbereich von der Probe 14 sammeln und detektieren, geben die CCD Detektoren auch die Information an die betreffenden Datenerfassungskarten 38, 40, 42 weiter. Die CCD Detektoren werden aus einzelnen Gebieten von lichtempfindlichem Material (üblicherweise Silikon) gebildet, die als Pixel bekannt sind. Jeder Pixel wandelt die Lichtintensität in eine elektrische Ladung, oder einen Strom um, der dann von den Datenerfassungskarten digitalisiert wird. Die Verwendung von getrennten Datenakquisitionskarten für jedes Detektionsmittel ermöglicht die schnelle Sammlung von grossen Datenmengen, und dieses wiederum erlaubt die schnelle Analyse des Werkstoffs mit einer hohen Spektralauflösung.
Die von den Datenerfassungskarten 38, 40, 42 gesammelten Daten werden dann von dem Computer analysiert, um die Elemente oder Arten festzustellen, die in dem Material vorhanden sind, und auch um die relativen Mengen jedes dieser Elemente oder Arten festzustellen. Die Menge eines jeden Elements, oder einer jeden Art in dem Material kann durch Integration der Fläche unter der Spektrallinie bei einer Wellenlänge festgestellt werden, die charakteristisch für die Spektralemissionen eines bestimmten Elements, oder einer Art ist, und durch Vergleich dieses Gebiets mit einem Gebiet unter der gleichen Spektrallinie, die von einem Material erhalten wird, das einen bekannten Inhalt dieses bestimmten Elements, oder dieser bestimmten Art aufweist.
Ausdrucke der Spektralemissionsdaten, die von einer Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung gesammelt werden, werden in 2 gezeigt. 2 wurde markiert, um die Spektrallinien für Jod, Kalzium, Natrium, Wasserstoff, Kohlenstoff, Magnesium, Silizium, und Aluminium zu zeigen.
Da die Vorrichtung die Messung von Kohlekomponenten einschliesslich Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), und Sauerstoff (O) ermöglicht, und auch von Asche bildenden Komponenten, erlaubt sie auch die Bestimmung von Brennstoffbestandteilen, die zur Nutzung der Kohle wichtig sind, insbesondere des Heizwerts (kalorischen Werts) der Kohle, und des Wasserinhalts.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung detektiert vorzugsweise Spektralemissionen aus dem Material, das im Bereich des sichtbaren Lichts analysiert wird. Jedoch kann die Vorrichtung auch Infrarotstrahlung mit grosser Wellenlänge und ultraviolette Strahlung mit kurzer Wellenlänge erkennen.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die eine hohe Auflösungsbestimmung einer Gruppe von Werkstoffen ermöglicht. Die Feststellung eines grossen Spektralbereichs in einem einzelnen Laserpuls ist möglich, was die Zeit, die zur Analyse benötigt wird, sehr reduziert. Dieses wiederum führt zu einer Verringerung der Probeentnahmefehler, da alle Elemente, die analysiert werden, in diesem Teil der Probe vorhanden sind, die mit jedem Laserpuls verdampft wird, im Vergleich zu einem Laser, der verschiedene Teile der Probe verdampft, wenn Elemente der Reihe nach analysiert werden. Obwohl ein einzelner Laserlichtpuls ausreichend ist, um die Analyse eines breiten Bereichs von Elementen in dem Werkstoff zu ermöglichen, werden zuverlässige Probenentnahmetechniken Informationen verwenden, die aus einer Mehrzahl von Laserpulsen gesammelt und analysiert werden. Zum Beispiel können 20–100 Laserpulse verwendet werden, um die Menge von Daten zu erhöhen, die von dem Material gesammelt werden, und damit eine genauere Analyse ermöglichen.
Weiterhin ermöglicht die Verwendung einer Mehrzahl von CCD Detektoren die Verwendung von vergleichsweise kurzen CCD Detektoranordnungen, was die Transferzeit von Daten von den CCDs auf den Computer im Vergleich zu Konfigurationen, die sehr lange CCD Anordnungen verwenden, verringert. Weiterhin bietet die Vorrichtung einen guten dynamischen Bereich. Der dynamische Bereich ist ein wichtiges Konzept in jedem Analysegerät. Idealerweise sind Instrumente dazu ausgelegt, um verdünnte Konzentrationen von Elementen oder Verbindungen zu detektieren. Jedoch müssen sie dazu ausgelegt sein, so dass sie auch hohe Konzentrationen feststellen können, und damit ihre möglichen Anwendungen erweitern. In der vorliegenden Vorrichtung wird der dynamische Bereich von zwei Faktoren bestimmt.
Zuerst wird der dynamische Bereich durch die Empfindlichkeit des Spektrometersystems bestimmt. Dies ist eine Funktion der Empfindlichkeit und Auflösung der CCDs, plus der Stärke der Lichtübertragung an den Detektor, die z.B. durch die Verwendung von Filtern angepasst werden kann.
Das zweite Verfahren zur Anpassung des dynamischen Bereichs bezieht sich auf die Leistung des Lasers. Die Empfindlichkeit des Verfahrens (d.h. die Detektionsgrenze) ist kritisch von der Laserleistung abhängig. Die Anpassung der Laserleistung bietet daher einen einfachen Weg zur Erweiterung des dem Benutzer zur Verfügung stehenden dynamischen Bereichs. Die Anpassung der Laserleistung in der vorliegenden Vorrichtung kann durch Variierung des Taktes, oder der Steuerungsschaltung, oder durch eine Anzahl von anderen Verfahren, die dem Instrumentenkonstrukteur zur Verfügung stehen, ausgeführt werden. Dies ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
Es leuchtet ein, dass die hier beschriebene Erfindung einer Reihe von Variationen und Modifikationen unterzogen werden kann, die sich von den im Einzelnen Beschriebenen unterscheiden.
Das optische System, das zum Fokussieren des Laserlichts auf die Probe verwendet wird, und zum Fokussieren des abgestrahlten Laserlichts auf das Detektionsmit tel, kann beliebig ausgeführt sein, und fällt immer noch unter den Umfang der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung kann als Laborinstrument, oder als mobiles Element verwendet werden. Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Anwendung analysieren abgestrahltes Licht, und nicht reflektiertes Licht, und damit ist es nicht nötig, dass die Oberfläche des analysierten Materials genau nach dem Licht sammelnden optischen System ausgerichtet ist. Dies ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung in Situationen, wo eine Probenentnahme nicht kritisch ist. Mit besonderer Betonung auf ihre Anwendung bei der Kohleanalyse kann das mobile Instrument dazu verwendet werden, um Kohle zu analysieren, die sich auf einem Förderband bewegt. Bei diesem System kann der Laser direkt auf Kohle auftreffen, die sich entlang des Förderbands bewegt, wobei die Detektionsmittel dazu angeordnet sind, die Spektralemissionen von dem Material auf dem Förderband zu detektieren. Alternativ kann eine Probenentnahmevorrichtung eine Kohlenprobe von einem Förderband zur Analyse durch die Vorrichtung in der Nähe des Förderbands entnehmen, um damit eine Echtzeitanalyse der Kohle auf dem Förderband zu ermöglichen. Es leuchtet auch ein, dass die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, um andere Werkstoffe als Kohle vor Ort zu analysieren.
Die Vorrichtung kann auch als ein im Boden, oder in einem Bohrloch verwendbares Instrument zur Analyse von Kohle in Kohlenflözen verwendet werden. In dieser Ausführungsform kann ein Prüfkopf in ein in dem Kohleflöz gebohrtes Loch abgesenkt werden. Alternativ, wenn der Kohleflöz vergleichsweise weich ist, dann kann der Prüfkopf als Teil eines Penetrometers, oder eines anderen eindringenden Instruments verwendet werden, das in den Kohleflöz geschoben wird. Der Prüfkopf kann optisch mit dem Detektionsmittel durch ein optisches System verbunden werden, das ein oder mehrere optische Fasern enthält, so dass die Detektionsmittel von dem Prüfkopf entfernt angeordnet werden können. Dies ermöglicht, dass die Grösse des Prüfkopfs minimiert wird.
Mit Bezug auf 3 enthält ein Analysegerät zum Einsatz im Boden ein Laseranalysesystem 50, das einen Laser enthält. Faseroptisches Kabel 51 ist mit einem Lin sensystem 52 verbunden, und ermöglicht, dass Laserlicht von dem Laseranalysesystem 50 an die Materialzone weitergegeben wird, die analysiert werden soll. Ein Bohrloch 54 wird entweder im Boden vorgebohrt, oder durch ein Penetrometer geformt.
Das faseroptische Kabel 51 und das Linsensystem 52 sind innerhalb eines starken Gehäuses 55 untergebracht, das in das Bohrloch 54 eingebracht wird. Das Gehäuse 55 enthält ein durchsichtiges Fenster 53, das gegenüber dem Linsensystem 52 angeordnet ist. Dies wird in dem Einsatz in 3 deutlicher gezeigt. Dies ermöglicht, dass das Laserlicht auf die Kohle auftrifft, die gegenüber dem durchsichtigen Fenster 53 liegt, um ein Plasma zu bilden. Die Emissionsspektren des Plasmas werden über ein faseroptisches Kabel 51 an das Laseranalysesystem 50 zur Analyse zurückgeleitet. Das Laseranalysesystem 50 ist in dieser Beziehung im Grunde identisch mit der in 1 gezeigten Vorrichtung.
Als Alternative zu der in 3 gezeigten Ausführungsform kann der Laser direkt in dem Gehäuse 55 angebracht werden, und in den Boden abgesenkt werden.
4 zeigt eine alternative Vorrichtung zur mobilen Analyse. Die Vorrichtung enthält ein Laseranalysesystem 60, das im Grunde zu dem in 1 gezeigten System identisch ist. Um Material aus dem Boden zu analysieren, graben ein Bohrer 61 und ein Bohrerschaft 62 ein Bohrloch 63. Druckluft wird durch den Bohrerschaft 62 nach unten geleitet, wobei die Richtung des Luftstroms 62 von dem Pfeil 64 angezeigt wird, und bewegt sich danach aufwärts durch den Ringraum, der zwischen der Aussenwand des Bohrerschafts 62 und dem Bohrloch 63 gebildet ist, wie durch die Pfeile 65 gezeigt. Der aufwärts gerichtet Luftstrom 65 erfasst vom Bohrer 61 ausgeschnittenes Material, und dieses Schnittmaterial wird dann dem Laseranalysesystem 60 zur Analyse zugeführt. Die Zulieferung des Schnittmaterials ist schematisch durch die Bezugszahl 66 gezeigt.
Die Analyse von Kohle auf einem Förderband wird schematisch in 5 gezeigt. In dieser Figur wird eine Kohleschicht 70, die sich auf einem Förderband 71 fortbewegt einem Laserstrahl 72 ausgesetzt, der von einem Laseranalysesystem 73 ausgeht. Das Laseranalysesystem 73 ist im Wesentlichen identisch mit der in 1 ge zeigten Vorrichtung. Die Fluoreszenzspektren 74, die von der Kohle abgestrahlt werden, werden dann von dem Laseranalysesystem 73 analysiert.
Eine alternative Vorrichtung zur Analyse von Kohle auf einem Förderband wird in 6 gezeigt. In 6 werden Merkmale, die mit 5 gemeinsam sind, mit den gleichen Bezugszeichen, wie in 5 bezeichnet. Die Vorrichtung in 6 unterscheidet von derjenigen in 5 dadurch, dass die Vorrichtung von 6 ein Probenentnahmesystem 75 enthält, das eine Kohlenprobe von dem Förderband entnimmt, welche danach durch das Laseranalysesystem 73 analysiert wird. Nach der Analyse wird die Probe auf das Förderband zurückgeführt, und eine neue Probe wird zur Analyse entnommen.
Fachleuten leuchtet ein, dass die hier beschriebene Erfindung anderen Variationen und Modifikationen unterzogen werden kann, als den hier beschriebenen. Natürlich umfasst die vorliegende Erfindung alle solchen Variationen und Modifikationen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Vorrichtung zum Analysieren von Material umfassend einen Laser um einen Laserlichtpuls auf Material aufzubringen, um zumindest einen Teil des Materials zu verdampfen und zu ionisieren, und eine Spektralemission daraus hervorzurufen, eine Vielzahl von Spektraldetektionsmitteln um die Spektralemission zu detektieren, die von diesem Laserlichtpuls aus dem Material hervorgerufen wurde, wobei jedes dieser Spektraldetektionsmittel einen Teil des Spektrums der Spektralemission detektiert, eine Vielzahl von Datensammelmitteln, wobei jedes der Datensammelmittel mit einem entsprechenden der Vielzahl von Spektraldetektionsmittel verbunden ist, so dass jedes der Vielzahl von Datensammelmitteln Daten von seinem zugeordneten Spektraldetektionsmittel sammelt; Steuerungsmittel um das Auslösen des Lasers zu steuern und den Betrieb der Vielzahl von spektralen Detektionsmittel zu steuern und zu synchronisieren, um gleichzeitig die spektrale Emission aus dem Material über das Spektrum der Spektralemission festzustellen; und Bestimmungsmittel, welche mit jedem der vielen Datensammelmittel verbunden sind, um damit gesammelte Daten zu empfangen, um die Gegenwart und die Menge von einem oder mehreren Elementen oder Arten in dem Material zu bestimmen, wobei diese Bestimmungsmittel mit jedem dieser vielen Datensammelmittel verbunden sind um gesammelte Daten zu empfangen, und damit die Daten, welche von jedem der Datensammelmittel gesammelt wurden zu analysieren, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Vielzahl von Spektraldetektionsmittel sein eigenes Spektrometer enthält, welches dazu eingerichtet ist, einen bestimmten Spektralbereich der Spektralemission zu detektieren, womit ein einzelner Laserlichtpuls, welcher das Material beaufschlagt, ausreichend ist, um eine Analyse eines breiten Bereichs von Elementen in dem Material zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes der Spektrometer eine ihm zugeordnete ladungsgekoppelte (CCD) Detektorvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl der Datensammelmittel eine Vielzahl von Datenaufnahmekarten umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 in Kombination mit Anspruch 3, wobei jede der Vielzahl von Datenakquisitionskarten Spektralinformation von dem CCD Detektor empfängt, welcher dem entsprechenden Spektrometer zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spektrometer aus Raster- und Prismaspektrographen, Interferometern einschliesslich Etalon und Abtastinterferometern ausgewählt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuermittel eine Taktschaltung enthält, um den Laser zu bestimmten Zeiten auszulösen, und das Detektionsmittel zu anderen bestimmten Zeiten zu betreiben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuermittel Steuersoftware umfasst, um den Betrieb des Lasers und der Vielzahl von Detektionsmittel zu steuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein optisches System zum Fokussieren von Laserlicht auf das Material und zum Fokussieren der Spektralemissionen auf die Vielzahl von Detektionsmittel.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser aus der Gruppe ausgewählt ist, umfassend Feststofflaser, enthaltend 1064 nm Nd:YAG Laser, wobei die harmonischen Wellenlängen des Nd:YAG 532 nm, 355 nm, und 266 nm sind; Gaslaser, enthaltend Excimer-Laser, 308 nm XeCl, oder 248 nm KrF Excimer-Laser; Kohlendioxidlaser, Flüssigkeitslaser, enthaltend Farblaser; oder jegliche Wellenlängen-/Frequenztastung, harmonische Erzeugung oder Überlagerung davon.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Detektionsmittel Photodiodenanordnungen, Vidikons, Photomultiplikator Röhren, und Photodioden umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei dieser Laser Material beaufschlagt, welches sich auf einem Förderband bewegt, um damit das Material auf dem Förderband zu analysieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung ein „im Loch" oder „im Erdboden" Messgerät zur Analyse von im Boden befindlichen Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen Prüfkopf zum Absenken in ein Loch umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung einen Prüfkopf umfasst, der in einem Penetrometer oder in einem anderen in den Boden eindringenden Gerät gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Prüfkopf mit dem Detektionsmittel durch ein optisches System optisch verbunden ist, welches eine oder mehrere optische Fasern enthält, und das Detektionsmittel von dem Prüfkopf entfernt angebracht ist.
Verfahren zur Analyse von Material, welches das Beaufschlagen dieses Materials mit einem Laserlichtpuls umfasst, um dieses Material zumindest teilweise zu verdampfen und zu ionisieren, um damit eine Spektralemission hervorzurufen, das Detektieren dieser Spektralemission durch diesen Laserlichtpuls mit einer Vielzahl von Detektionsmitteln, wobei jedes dieser Vielzahl von Detektionsmitteln gleichzeitig einen Teil des Spektrums der Spektralemission feststellt, Sammeln von Daten von einer Vielzahl von Detektionsmitteln um dadurch gesammelte Daten zu empfangen, und Analysieren dieser Daten, um die Gegenwart und/oder die Menge von einem oder mehreren Elementen oder Arten in dem Material zu bestimmen, wobei der Schritt des Sammelns von Daten von der Vielzahl von Detektionsmitteln das Weitergeben von Spektralinformation von der Vielzahl von Detektionsmitteln an Datenaufnahmekarten umfasst, die jedem der Detektionsmittel zugeordnet sind, und wobei diese Detektion der Spektralemission die Detektion eines spezifischen Spektralgebiets der Spektralemission unter Verwendung der Vielzahl von Spektraldetektionsmittel umfasst, wobei jedes ein eigenes Spektrometer enthält, womit ein einzelner Laserlichtpuls, mit dem das Material beaufschlagt wird, ausreicht um die Analyse eines breiten Bereichs von Elementen in dem Material zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei das analysierte Material Kohle ist.