WO2007128014A1 - Tauchsonde für lips-vorrichtungen - Google Patents

Tauchsonde für lips-vorrichtungen Download PDF

Info

Publication number
WO2007128014A1
WO2007128014A1 PCT/AT2007/000204 AT2007000204W WO2007128014A1 WO 2007128014 A1 WO2007128014 A1 WO 2007128014A1 AT 2007000204 W AT2007000204 W AT 2007000204W WO 2007128014 A1 WO2007128014 A1 WO 2007128014A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
immersion probe
tubular portion
opening
probe
immersion
Prior art date
Application number
PCT/AT2007/000204
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Gruber
Max Dallinger
Original Assignee
Innsitec Laser Technologies Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innsitec Laser Technologies Gmbh filed Critical Innsitec Laser Technologies Gmbh
Priority to EP07718418A priority Critical patent/EP2018540A1/de
Priority to US12/300,089 priority patent/US20090262345A1/en
Publication of WO2007128014A1 publication Critical patent/WO2007128014A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample

Definitions

  • the invention relates to a submersible probe for a device for performing laser-induced plasma spectroscopy in a liquid or solid free-flowing material such as a metallic melt, which submerged probe extending from a foot-side end of the submersible probe about a longitudinal axis thereof with a tubular opening for flowing in material.
  • the invention relates to a device for determining a physical and / or chemical property of a liquid or solid free-flowing material such as a metallic melt, in particular for performing laser-induced plasma spectroscopy, comprising a submersible, which from a foot end of the Immersion probe has a longitudinal axis of the same extending tubular portion having an opening for the flow of material, as well as an associated with the immersion probe analysis means with which a property of the material flowing into the immersion probe material can be analyzed.
  • the invention relates to a method for determining a physical and / or chemical property of a liquid or solid free-flowing material such as a metallic melt, in particular for performing laser-induced plasma spectroscopy, wherein a tubular portion having an opening immersion probe in the Material is introduced and allowed to flow into this material, wherein properties of the inflowing material are analyzed.
  • a determination or control of chemical compositions of liquid or solid free-flowing materials is essential today in many chemical processes and is one of the most important measures of quality control. While in the past samples were taken mainly by hand for this purpose and these were analyzed in an external laboratory, it is nowadays common practice to determine chemical compositions directly on site or in-situ in the material in order to obtain measurement results faster and thus, if necessary be able to intervene regulatively in a process.
  • a particularly powerful and therefore attractive method for the determination of a chemical composition of solid or liquid materials is laser-induced plasma spectroscopy (LIPS).
  • LIPS laser-induced plasma spectroscopy
  • a surface is used of a material to be examined, for example by exposure to a high-energy laser beam ignited a plasma.
  • the electromagnetic radiation emitted by this plasma is characteristic of a composition of the material on its surface.
  • a chemical composition of the material can in principle be determined very accurately and with little expenditure of time.
  • These immersion probes essentially consist of a foot-side open tube in which an overpressure can be generated.
  • the tube is closed at its head end and equipped with a gas supply.
  • the head-side end has a window through which laser light for igniting and maintaining a plasma can be introduced.
  • the window can also emit radiation emitted by the plasma and transmit it to a light-conducting device, e.g. an optical waveguide and subsequently a spectrometer or detector are supplied.
  • a focusing device is usually additionally provided in order to focus both a plasma-generating laser beam on a material surface and to collect radiation emitted by the plasma.
  • a plasma using a submersible probe within a melt there are two variants to ignite a plasma using a submersible probe within a melt and to analyze its emitted radiation.
  • an inert gas is blown through the tubular portion of the immersion probe with such a high pressure that in the region of the introduced immersion probe, a melt level is pressed against a hydrostatic pressure approximately in the region of an end opening of the submersible probe.
  • a plasma is ignited and analyzed by this radiation emitted by the emitted radiation after passing through the tubular portion of the submersible probe and its window by means of a light guide Analytical device, in particular a spectrometer, is supplied.
  • the tubular portion of a submersible probe is also pressurized, but a pressure is chosen lower and so that a melt level is within the submersible probe or a tubular portion thereof.
  • a plasma is ignited on the melt located in the immersion probe and in turn analyzed by this emitted radiation.
  • Immersion probes according to the prior art have a number of disadvantages.
  • an inert gas due to the long time period required before a measurement for setting a height-stable melt level, it is not always possible to ensure that a melt surface is free of oxide, which can lead to incorrect measurement results.
  • a further disadvantage is that, when analyzed on a surface of a melt, which is in surface contact with the remainder of the melt bath, oscillations of the melt surface can not be ruled out, which likewise can lead to falsified measurement results.
  • the immersion probe when the immersion probe is inclinedly introduced into a melt, the surface of the melt is inclined relative to a guided along the longitudinal axis of the immersion laser laser beam with which the plasma is ignited, resulting in different measurement results than in a vertical position of the melt surface relative to the laser beam , In this case, therefore, measurement results are highly dependent on the inclination angle of the immersion probe relative to a melt surface, which dependency is scarcely calibratable or correctable.
  • the invention has the object to provide a submersible probe of the type mentioned, in which disadvantages of the prior art are eliminated.
  • Another object of the invention is to provide a device of the type mentioned, in which the disadvantages of immersion probes inherent in the prior art are at least partially eliminated.
  • the first object to provide a submersible probe of the type mentioned, in which disadvantages of the prior art are eliminated, is achieved by a submersible probe according to claim 1.
  • Advantageous developments of a submersible probe according to the invention are the subject matter of claims 2 to 20.
  • the advantages achieved by the invention are to be seen in particular in that, when used or introduced into a liquid or solid free-flowing material, the material flows in at a constant angle to the longitudinal axis of the immersion probe.
  • an inflow direction is fixed relative to the longitudinal axis exclusively by the provided lateral opening and due to a high inflow velocity of the free jet of several meters per second is substantially independent of gravity, it is irrelevant whether the submersible probe perpendicular or inclined to a bath surface or a Surface of a solid free-flowing material is introduced.
  • the immersion probe therefore does not need to be rigidly positioned contrary to the known solutions according to the prior art, but can be arbitrarily and in particular also manually immersed in a melt and tilted.
  • Another advantage of a submersible probe according to the invention is that during a measurement, a constant material flow through the provided lateral opening is given.
  • pure, oxide-free or slag-free melt from a melt bath is always tracked for measurement. Corresponding problems associated with slag or dross are therefore avoided.
  • a submersible probe according to the invention lies in the fact that the opening is positioned at a fixed height of the submersible probe, which is why a jet-like introduction of material at a constant height is ensured during a measurement.
  • a height of the material surface to be analyzed is constant and problems arising due to a height-varying melt level, e.g. varying distance of a plasma to the focusing device, excluded.
  • Yet another advantage of a submersible probe according to the invention is the fact that it allows a measurement under negative pressure.
  • Performing laser-induced plasma spectroscopy under reduced pressure has the advantage that higher signal yields are achieved, which in turn has a favorable effect on a signal-to-noise ratio and thus a quality of the measurement or analysis.
  • a submersible probe according to the invention is particularly suitable for carrying out pyrometric measurements or for determining a temperature of the melt, since the incoming beam is free of an oxide layer which also disturbs this.
  • An angle at which material can be introduced into the tubular section as a free-flowing jet directed to the longitudinal axis can be selected within a wide range and, for example, be 45 ° to 135 °. In order to have particularly simple geometric conditions in a measurement, it is advantageous if the opening is designed so that the angle is approximately a right angle.
  • the opening has a rectangular cross section whose shorter sides are parallel to the longitudinal axis.
  • the tubular section can basically be designed with an arbitrary cross-section.
  • the tubular portion is formed with a circular cross-section. If this is the case, then it is further expedient if the tubular portion is flat on the inside in the region of the lateral opening.
  • means for generating negative pressure or vacuum are provided in the tubular portion.
  • This may also be necessary in particular when measuring just below a surface of a melt bath and a hydrostatic pressure exerted by the melt is not sufficient to press melt through the lateral opening or the lateral gap.
  • At least one further second opening is provided in the region of the foot-side end and the lateral opening lies between the second opening and a head-side end of the immersion probe.
  • the at least one further second opening is attached laterally.
  • a free cross section of the second opening is greater than a free cross section of the lateral opening.
  • the lateral opening is at half height of the tubular portion or higher.
  • a component for closing the lateral opening may be used be provided.
  • a component for closing the at least one further second opening is provided, since in this case a foot-side inflow of material during a measurement can be prevented, so that subsequently in the immersion probe only material, which by the lateral opening enters as a jet, is accumulated. Accordingly, less material is present after a measurement process in the immersion probe and therefore less material must be emptied.
  • a particularly advantageous variant is characterized in that a component is provided in the tubular portion through which alternatively one of the openings can be closed. For example, during a measurement through the lateral opening material flow, whereas an influx of material at the foot end is prevented. Conversely, after a measurement in the immersion probe accumulated material can be blown through a foot-side opening and at the same time further inflow of material is prevented by the lateral opening. It is particularly advantageous in this context if the component can be activated by generating a negative pressure or overpressure in the tubular section, wherein the second opening can be closed by generating a negative pressure. In this variant, the advantages of a measurement under negative pressure as well as a blowout at overpressure explained above are combined with the advantages of closing individual openings during or after a measurement.
  • the tubular portion of the submersible probe consists of a ceramic, in particular of silicon nitride.
  • the tubular portion consists of a steel, which is preferably coated or provided with a size to increase its durability under conditions of use.
  • the tubular section consists of a steel and in the tubular section, a ceramic insert defining the lateral opening is releasably secured.
  • This variant is characterized by the fact that it is both cost-effective and designed for a long service life.
  • the tubular portion is made in less critical parts of a steel, whereas in the more critical region of the lateral opening is provided a ceramic insert with greater durability.
  • a detachable attachment of the insert also has the advantage that it can be easily replaced when worn without the entire immersion probe would need to be replaced.
  • a respective filter is arranged upstream of the opening or the openings on the outside.
  • tubular portion is removable, especially if the tubular portion is to be used as a disposable element and a new section is to be used for each measurement.
  • a submersible probe according to the invention is particularly useful when used in a generic device for determining a physical and / or chemical property of a liquid or solid free-flowing material such as a metallic melt, in particular for performing laser-induced plasma spectroscopy becomes. Accordingly, the further object is achieved by a generic device comprising a submersible probe according to the invention.
  • the immersion probe is releasably secured. This allows, for example, to selectively couple several immersion probes according to the invention with a single LI PS device, e.g. For investigation at different points of a process chain, which is highly practical and leads to a cost reduction.
  • the procedural aim of the invention finally is achieved in that in a generic method, the material is introduced as a beam and directed at an angle to the longitudinal axis of the tubular portion and carried out an analysis of the material thus introduced.
  • a method according to the invention is to be seen in the fact that the material flows independently of an angle of inclination of the immersion probe against a surface of a melt or a flowable material with a constant angle to the longitudinal axis of the tubular portion, which is why Even with variable tilt angle always a constant measurement geometry can be guaranteed.
  • a further advantage with respect to laser-induced plasma spectroscopy is that a distance between the focusing device and the generated plasma is also constant, which is why particularly accurate measurement or analysis results can be obtained. This can be done in a particularly simple manner by a plasma ignited within the immersion probe on a surface of the beam and radiation emitted by the plasma are analyzed.
  • a negative pressure is applied in the tubular portion during the inflow of the material.
  • a desired atmosphere in particular an inert gas atmosphere, can be set, which is advantageous for LIPS.
  • tubular section is emptied after flowing in of material and analyzing the radiation emitted by the plasma by applying a negative pressure, so that in a further measurement, the entire volume of the tubular portion can serve to collect material entered.
  • the emptying takes place by applying an overpressure in the tubular section.
  • FIG. 1 a submersible probe according to the invention
  • FIG. 1a a lateral slot of a submersible probe according to FIG. 1;
  • FIG. 1b A foot-side end of a submersible probe according to FIG. 1;
  • FIG. 2 shows a cross section through a submersible probe according to the invention according to FIG. 1 along the section line H-II in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a tubular section of a submersible probe according to the invention with two lateral openings
  • Figure 4 A cross section through a submersible probe according to Figure 3 along the section line
  • FIG. 5 shows a tubular section of a submersible probe according to the invention with two lateral openings
  • FIG. 6 shows a cross section of a tubular section according to FIG. 5 along the section line VI-VI in FIG. 5;
  • FIG. 7 a side view of a submersible probe according to the invention
  • FIG. 8 shows a cross section through an immersion probe according to the invention according to FIG. 7 along the section line VIII-VIII in FIG. 7;
  • FIG. 9 a side view of a submersible probe according to the invention.
  • FIG. 10 shows a cross section through a submersible probe according to the invention according to FIG. 9 along the section line IX - IX in FIG. 9.
  • FIG. 1 shows a submersible probe 1 according to the invention in a closer view.
  • the immersion probe 1 has a tapered end 2, which simultaneously forms the end of a tubular portion 4.
  • the tubular portion 4 which may for example consist of a ceramic or a steel, is hollow in the interior and has a lateral opening 5 or a slot through which material such as a melt can enter jet-shaped.
  • the tubular section 4 is adjoined by a further tubular section 9, wherein the two tubular sections 4, 9 are connected to one another in a gastight manner by means of a clamping set 10. Both tubular portions extend concentrically to a longitudinal axis X of the rod-shaped submersible probe 1.
  • the submersible probe 1 is closed by a permeable window for electromagnetic radiation 8 and subsequently has a free cross-section 7, on which, for example, a light guide LI PS device can connect.
  • the immersion probe additionally has gas inlets or gas outlets 11.
  • an opening 5 of a submersible probe 1 according to Figure 1 is shown in more detail.
  • the opening 5 or the slot is formed with a rectangular cross-section. This is advantageous in that such a cross section causes a surface inflow of material substantially normal to the longitudinal axis X.
  • FIG. 1 b an end-side end 2 of a submersible probe according to FIG. 1 is shown enlarged in FIG. 1 b.
  • the conically tapered end 2 is substantially closed and has only at its lowest point a small-sized opening 6, through which material entering during a measurement can be blown out or emptied after a measurement.
  • the cross-section of the opening 6 is dimensioned such that, during a usual measuring time, melting of e.g. One minute only small amounts of melt can occur or be pressed in due to a hydrostatic pressure and the opening 5 remains free during the measurement.
  • FIG. 2 shows a cross section along the section line INI of FIG. 1 and, in addition, partially a melt bath 13, into which a submersible probe 1 dips.
  • material or melt enters the immersion probe 1 as a freely flowing jet 12 if a lateral opening thereof lies below a melt surface 14.
  • FIG. 1b shows a further second opening 6 at a foot-side end 2 of the immersion probe 1 melt, which is irrelevant for a measurement, however, as this is done on the free material beam 12. Namely, as shown in FIG.
  • a plasma is ignited on the free material jet 12 by means of a laser beam 15 which is focused by means of an optical focusing device 16 (alternatively, a plasma can also be ignited by spark discharge). Since the melt flows continuously, the material jet 12 is essentially free of oxidic impurities and a chemical composition determined on the material jet 12 is characteristic for a chemical composition of the melt bath at the height H1. Furthermore, it can be seen from FIG. 2 that a lateral opening 5 is located in the upper half of the tubular section 4. As a result, a sufficiently large internal volume for accumulation of melt is available for a melt entering from below through the opening 6 during a measurement, without the incoming melt reaching the area of a lateral opening 5 and hindering the material jet 12 in its free propagation.
  • FIG. 2 shows that a sufficiently large internal volume for accumulation of melt is available for a melt entering from below through the opening 6 during a measurement, without the incoming melt reaching the area of a lateral opening 5 and hindering the material jet 12 in its free propagation.
  • FIG. 3 shows in detail a tubular section 4 of a submersible probe according to the invention.
  • the tubular portion 4 in this case has two lateral openings 5, 17, wherein the opening located at a greater height 5 is formed in a slot shape and provides for a two-dimensional inflow of a material.
  • a component 18 is mounted, which releases the lateral opening 5 upon application of a negative pressure, thus under measuring conditions, whereas the lateral opening 17 is closed.
  • penetration of melt in the region of a foot-side end 2 during a measurement is limited, so that a free-flowing material jet 12 can be ensured over a long period of time. This makes it possible to carry out measurements over a longer period of time in comparison with a submersible probe according to FIG. 1 and thus to achieve even greater reliability or accuracy with regard to the analysis results.
  • FIGS. 5 and 6 show the same situation as in FIGS. 3 and 4, with the exception that an overpressure is present in the tubular section instead of a negative pressure.
  • a lateral opening 5 is closed by the component 18, a side opening 17, however, released or open. This results in any melt that is above the opening 17 being squeezed out of the tubular section 4 or being removed through the opening 17.
  • FIGS. 7 to 10 A further variant of a submersible probe 1 according to the invention with a valve function for closing a lateral opening and a further second lateral or foot-side opening is demonstrated with reference to FIGS. 7 to 10.
  • a submersible probe 1 shown in end view in FIG. 7 has, in addition to optical components mounted in the cavity 19 of the submersible probe 1, in particular a focusing device 20, a jacket 21 with a bore 22. This bore 22 is connected to a lateral opening 5.
  • a foot-side opening of the tubular portion 4 is closed by a plate 23.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Tauchsonde (1) für eine Vorrichtung zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie in einem flüssigen oder festen rieselfähigen Material wie einer metallischen Schmelze, welche Tauchsonde (1) eine 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. Um insbesondere eine chemische Zusammensetzung einer Schmelze unabhängig von einem Neigungswinkel der Tauchsonde gegenüber einer Oberfläche der Schmelze zuverlässig bestimmen zu können, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der rohrförmige Abschnitt (4) am fußseitigen Ende (2) im Wesentlichen geschlossen ausgebildet oder verschließbar ist und eine seitliche Öffnung (5) aufweist, durch welche das Material als frei strömender Strahl (12) mit einem Winkel (α) zur Längsachse (X) gerichtet in den rohrförmigen Abschnitt (4) einbringbar ist.

Description

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 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 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 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 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.
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, 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 chemischen Zusammensetzung von festen oder flüssigen Materialien stellt Laser- induzierte-Plasma-Spektroskopie (LIPS) dar. Bei dieser Methode wird an einer Oberfläche 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 Möglichkeit in kurzer Zeit eine chemische Zusammensetzung bestimmen zu können, ist 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 LI PS-Vorrichtungen mit stabförmigen Tauchsonden eingesetzt, welche in eine Schmelze eingeführt werden können.
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 Laserlicht zum 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 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 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 diesem emittierte Strahlung analysiert, indem die emittierte Strahlung nach Passieren des rohrförmigen Abschnittes der Tauchsonde und deren Fenster mittels Lichtleiters einer 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 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 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.
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 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 Laserlicht über dieselbe Linse auf die Schmelzenoberfläche fokussiert wird, kann bei genügend großen Höhenänderungen des Schmelzenspiegels überdies das Plasma nicht mehr aufrechterhalten werden.
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.
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 Mahmood Naeem et al., Spectrochimica Acta B 58 (2003), Seiten 891 bis 899), zu geringen Signalausbeuten führen. 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 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 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 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 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.
Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, dass es erlaubt, bei gleich bleibenden Probenabstand an einer beliebigen Stelle des Materials und unabhängig von einem Neigungswinkel einer Tauchsonde gegenüber einer Oberfläche des zu untersuchenden Materials zuverlässig eine 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 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 20. 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 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 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 gegeben ist. Dadurch wird insbesondere bei metallischen Schmelzen stets reine, oxid- beziehungsweise schlackenfreie Schmelze aus einem Schmelzebad zur Messung nachgeführt. Entsprechende Probleme, welche mit einer Schlacke oder Krätze in Verbindung stehen, sind daher vermieden.
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 Abstand eines Plasmas zur Fokussiereinrichtung, ausgeschlossen.
Ein noch weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Tauchsonde ist darin zu sehen, dass diese eine Messung bei Unterdruck ermöglicht. Eine Durchführung von Laser-induzierter- Plasma-Spektroskopie bei Unterdruck bringt den Vorteil, dass höhere Signalausbeuten 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 der Schmelze, da der eintretende Strahl frei von einer auch diesbezüglich störenden Oxidschicht ist. 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 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 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 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 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 Unterdruck oder Vakuum im rohrförmigen Abschnitt vorgesehen sind. Zum einen ist eine Durchführung von Laser-induzierter-Plasma-Spektroskopie bei Unterdruck 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 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 Unterdruck vor allem bei Aluminiumschmelzen Wasserstoff aus, der sich dann in der Tauchsonde 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 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 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 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 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 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 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.
Um eine Zeitdauer für eine Entleerung der Tauchsonde nach einem Messvorgang noch weiter zu verkürzen, kann eine Komponente zum Schließen der seitlichen Öffnung 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 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 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 Unterdruck sowie 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 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 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 kostengünstig als auch für eine lange Einsatzdauer ausgelegt ist. Dazu ist der rohrförmige Abschnitt in weniger kritischen Teilen aus einem Stahl gefertigt, wohingegen im 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.
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.
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 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 erfindungsgemäße Tauchsonde 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 LI PS-Vorrichtung zu koppeln, z.B. zur Untersuchung an 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 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 gegenüber einer Oberfläche einer Schmelze oder eines rieselfähigen Materials mit konstantem Winkel zur Längsachse des rohrförmigen Abschnittes einströmt, weshalb 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 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.
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.
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 Unterdruck angelegt wird. Dabei kann gleichzeitig eine gewünschte Atmosphäre, insbesondere eine Inertgas-Atmosphäre, eingestellt werden, welche für LIPS 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.
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 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 entlang der Schnittlinie H-Il 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; 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; Figur 8: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Tauchsonde nach Figur 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII 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.
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 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 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 LI PS-Vorrichtung anschließen kann. Um in der Tauchsonde einen Überdruck beziehungsweise Unterdruck erzeugen zu können, weist die Tauchsonde zusätzlich Gasein- bzw. Gasauslässe 11 auf. 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.
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 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.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie INI 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 unter einer Schmelzenoberfläche 14 liegt. Gleichzeitig tritt durch die in Figur 1b 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 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 Figur 2 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 freien Ausbreitung behindern würde. 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.
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 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 es im Vergleich mit einer Tauchsonde gemäß Figur 1 , Messungen über einen längeren Zeitraum durchzuführen und somit noch höhere Zuverlässigkeit beziehungsweise Genauigkeit hinsichtlich der Analysenergebnisse zu 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 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.
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 Stirnansicht dargestellte Tauchsonde 1 weist, wie aus Figur 8 ersichtlich, neben im Hohlraum 19 der Tauchsonde 1 angebrachten optischen Komponenten, 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 Unterdruck 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 analysiert werden. Wird hingegen bei der gleichen 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 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 1 lediglich beispielhaft zu verstehen sind und den Schutzbereich der Patentansprüche in keiner Weise einschränken.

Claims

Patentansprüche
1. Tauchsonde (1) für eine Vorrichtung zur Durchführung von Laser-induzierter-Plasma- Spektroskopie in einem flüssigen oder festen rieselfähigen Material wie einer metallischen 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 das Material als frei strömender Strahl (12) mit einem Winkel (α) zur Längsachse (X) gerichtet in den rohrförmigen Abschnitt einbringbar ist.
2. Tauchsonde (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) ein Winkel von 45° bis 135°, insbesondere etwa ein rechter Winkel, ist.
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. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
5. Tauchsonde (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) im Bereich der seitlichen Öffnung (5) innenseitig eben ausgebildet ist.
6. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Erzeugen von Unterdruck oder Vakuum im rohrförmigen Abschnitt (4) vorgesehen sind.
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. Tauchsonde (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere zweite Öffnung (6) seitlich angebracht ist.
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. 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. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Druckbeaufschlagung des rohrförmigen Abschnittes (4) vorgesehen sind.
12. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Komponente zum Schließen der seitlichen Öffnung (5) vorgesehen ist.
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. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im rohrförmigen Abschnitt (4) eine Komponente vorgesehen ist, durch welche alternativ eine der Öffnungen (5, 6) schließbar ist.
15. Tauchsonde (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente durch Erzeugung eines Unterdruckes oder Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt (4) aktivierbar ist, wobei durch Erzeugung eines Unterdruckes die zweite Öffnung (6) verschließbar ist.
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 Siliciumnitrid, besteht.
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.
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. 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. Tauchsonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) abnehmbar ist.
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 20 umfasst.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchsonde (1) lösbar befestigt ist.
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. 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 (α) zur Längsachse (X) des rohrförmigen Abschnittes (4) gerichtet eingebracht wird und eine Analyse des so eingebrachten Materials erfolgt.
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. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) 45° bis 135°, insbesondere etwa 90°, beträgt.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass im rohrförmigen Abschnitt (4) während des Einströmens des Materials ein Unterdruck angelegt wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt (4) nach Einströmen von Material und Analyse der vom Plasma emittierten Strahlung entleert wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Entleeren durch Anlegen eines Überdruckes im rohrförmigen Abschnitt (4) erfolgt.
PCT/AT2007/000204 2006-05-09 2007-04-30 Tauchsonde für lips-vorrichtungen WO2007128014A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07718418A EP2018540A1 (de) 2006-05-09 2007-04-30 Tauchsonde für lips-vorrichtungen
US12/300,089 US20090262345A1 (en) 2006-05-09 2007-04-30 Immersion probe for lips apparatuses

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0079406A AT503539B1 (de) 2006-05-09 2006-05-09 Tauchsonde für lips-vorrichtungen
ATA794/2006 2006-05-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007128014A1 true WO2007128014A1 (de) 2007-11-15

Family

ID=38283700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/AT2007/000204 WO2007128014A1 (de) 2006-05-09 2007-04-30 Tauchsonde für lips-vorrichtungen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20090262345A1 (de)
EP (1) EP2018540A1 (de)
KR (1) KR20090013819A (de)
AT (1) AT503539B1 (de)
RU (1) RU2008148343A (de)
WO (1) WO2007128014A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013009962B3 (de) 2013-06-14 2014-11-06 K+S Aktiengesellschaft LIBS-Messtubus
FR3021407B1 (fr) * 2014-05-23 2016-07-01 Commissariat Energie Atomique Dispositif d'analyse d'un metal en fusion oxydable par technique libs
KR102191518B1 (ko) 2018-11-06 2020-12-16 한국원자력연구원 액체시료용 레이저 유도 플라즈마 분광장치
FR3095861B1 (fr) * 2019-05-09 2021-06-04 Commissariat Energie Atomique Dispositif d’analyse d’un matériau liquide par technique de spectroscopie libs avec atomisation

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2154315A (en) * 1984-02-15 1985-09-04 British Steel Corp Improvements in or relating to the analysis of materials
DE4135021A1 (de) * 1990-10-25 1992-04-30 Perkin Elmer Corp Optische messsonde zur messung der lichttransmission von fluessigkeiten

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6909505B2 (en) * 2002-06-24 2005-06-21 National Research Council Of Canada Method and apparatus for molten material analysis by laser induced breakdown spectroscopy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2154315A (en) * 1984-02-15 1985-09-04 British Steel Corp Improvements in or relating to the analysis of materials
DE4135021A1 (de) * 1990-10-25 1992-04-30 Perkin Elmer Corp Optische messsonde zur messung der lichttransmission von fluessigkeiten

Also Published As

Publication number Publication date
EP2018540A1 (de) 2009-01-28
US20090262345A1 (en) 2009-10-22
RU2008148343A (ru) 2010-06-20
AT503539B1 (de) 2008-03-15
KR20090013819A (ko) 2009-02-05
AT503539A1 (de) 2007-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0012396B1 (de) Vorrichtung zur spektroskopischen Bestimmung der Geschwindigkeit von in einer Flüssigkeit bewegten Teilchen
DE102006047765B3 (de) Eintauchlanze für die Analyse von Schmelzen und Flüssigkeiten
DE4004627A1 (de) Verfahren zur bestimmung von materialeigenschaften polymerer werkstoffe und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
DE19948195A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung sehr kleiner flüssiger Proben
DE102005027260B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsbestimmung einer Schweißnaht oder einer thermischen Spritzschicht und Verwendung
AT503539B1 (de) Tauchsonde für lips-vorrichtungen
DE2627255C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen und Überführen einer gasförmigen Meßprobe
DE19845867C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Polymerschmelzen
DE4211041C2 (de) Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einer Metallschmelze
EP1584893A1 (de) Verfahren zur Ermittlung und Korrektur bzw. Regelung des Verlaufs eines laserlichtstrahls in einem Hohlkörper
EP0250765B1 (de) Spektralanalysenvorrichtung an einem Konverter
DE19957808C2 (de) Verfahren zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwindigkeit in einem Gas, Aerosol oder Staub und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
EP0997726A2 (de) Nephelometrische Detektionseinheit mit optischer In-Prozess-Kontrolle
DE102018128754B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Elementanalyse von Materialien
DE102005000840B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Elementanalyse mittels Laser-Emissionsspektrometrie
DE102012216159B4 (de) Messkopfspitze für ein Spektrometer
WO2018064695A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur analyse eines feststoff-probenmaterials
DE3325475A1 (de) Selbsttaetig arbeitendes polarographisches analysengeraet
EP3650839A1 (de) Labor-gasmessgerät
DE19808275C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Porosität erzeugenden Gasen in Schweißverbindungen
AT390841B (de) Fluorimetrischer laserdetektor
DE2428608C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Gasen bzw. von zu Gasen reagierenden Stoffen in Substanzen, insbesondere in metallischen Proben
EP4336173A1 (de) Verfahren zur regelung oder steuerung eines schmelzofens (1) und schmelzofen (1), nämlich schachtofen, zum schmelzen von metall
WO2024016027A1 (de) Verfahren zur bestimmung einer verschmutzung
DE2857486A1 (de) Messzellenanordnung fuer eine vorrichtung zur spektroskopischen untersuchung von fluessigen messproben

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07718418

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020087029708

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008148343

Country of ref document: RU

Ref document number: 2007718418

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12300089

Country of ref document: US