WO2013113507A2 - Vorrichtung zur bestimmung der temperatur einer schmelze - Google Patents

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WO2013113507A2
WO2013113507A2 PCT/EP2013/000310 EP2013000310W WO2013113507A2 WO 2013113507 A2 WO2013113507 A2 WO 2013113507A2 EP 2013000310 W EP2013000310 W EP 2013000310W WO 2013113507 A2 WO2013113507 A2 WO 2013113507A2
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conductor element
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conductor
optical signals
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Ignatios GIANNELIS
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Giannelis Ignatios
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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    • G01J5/0821—Optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a device for the discontinuous determination of at least one substance parameter of a melt, comprising a probe comprising at least one conductor element for conducting optical signals, a measuring device comprising a detector element and an evaluation element, and a holding device, wherein by means of
  • the optical signals can be detected and signals to the evaluation element can be conducted, wherein the probe is arranged on a melt-facing end portion of the holding device and in a measuring position completely above in
  • the optical signals from the melt in the direction of the detector element are conductive, wherein the conductor element is formed by an elongate body.
  • the invention discloses a method for the discontinuous determination of at least one substance parameter of a melt by means of a probe, which comprises at least one conductor element for conducting optical signals, a measuring device which comprises
  • Detector element and an evaluation element comprises, and a holding device, wherein the detector element and the probe are arranged on the holding device, comprising the following method steps: a) The probe is either completely above in the immediate vicinity of a
  • forwarded signals evaluated and determines a temperature of the melt.
  • the invention relates to a conductor element for conducting optical signals from a melt in the direction of a measuring device, with which at least one material parameter of the melt can be determined, wherein the conductor element is formed by a rod-shaped, elongate body.
  • a "substance parameter" of a melt is understood to mean its temperature in particular.Furthermore, the chemical structure of the melt forms a substance parameter in the sense of the present application .This means that the device described above can be suitable, for example, for the chemical structure to determine a melt and in this respect to act as a spectroscope.
  • Light particles understood, the optical signal in its capacity as
  • Electromagnetic wave is not restricted to a certain frequency range, in particular not on the visible to the human eye frequency range. Rather, in view of the desired application of the conductor element in the context of a determination of a temperature in particular light in the frequency range of 0, 1 ⁇ to 10 ⁇ by means of the conductor element can be conducted.
  • the temperature is one of the decisive parameters in terms of the properties of the metal and the
  • thermoelectricity describes the interaction between the physical quantities temperature and voltage. So arises in one
  • thermocouple made of a so-called "thermocouple”, ie a combination of two different electrical conductors made of different materials, which are - immersed in a thermowell - immersed in a melt.
  • thermocouple Typical for the thermocouple is the combination of platinum and platinum rhodium Basic explanation of the method is also apparent from DE 1 200 905 A.
  • an optical measuring method of the type described in the introduction is increasingly being used, wherein a conductor element and a device of the type described above are used.
  • DE 103 31 124 B3 shows a device comprising an optical fiber, by means of which optical Signals can be tapped from a melt, detected by a detector element and can be passed to an evaluation element.
  • the apparatus shown can also be used as a sampler for taking a sample of the melt, wherein an enveloping body encloses the optical fiber, but without touching the fiber, that is, an inner
  • the optical fiber should be exposed in an immersion section and introduced into the melt.
  • a remaining part of the fiber ie in particular the part which is not immersed in the melt, may have a coating, for example plastic.
  • the device shown has the disadvantage that immersion of the optical fiber in a dense or "viscous" melt or else a melt which is covered on an upper side with a (tough) slag layer is not possible due to a lack of inherent stability Device should not be used for melting at high temperatures, since the optical fiber is completely unprotected and high
  • a further device for the optical temperature determination of a melt is shown in DE 10 2005 061 675 B3, wherein the device for determining the temperature of the melt is fixedly arranged on a container for the melt.
  • the apparatus shown in this document is particularly suitable for the continuous measurement of the temperature in the container, wherein an optical fiber is continuously "blown" through an opening at a bottom of the container into the melt therein
  • the low resistance of the optical fiber to the high temperature of the melt necessitates continuous fiber tracking, the design of the apparatus being very expensive and prone to error in view of the gas-driven tracking of the fiber
  • Another disadvantage is the necessity that constantly gas must be blown into the melt.This is on the one hand consuming and on the other hand this results in interactions that can damage the container.
  • a further device for determining the temperature of a melt by means of an optical fiber can be taken from DE 10 2010 020 715 A1. This shows an enclosed by a protective body optical fiber, wherein the protective body of a
  • the body surrounding the optical fiber is closed at a lower end, so that the optical fiber is spatially completely separated from an environment, wherein the optical fiber for carrying out a measurement with a lower end to is guided to a bottom element of the protective body.
  • the protective body is finally immersed in the course of a temperature measurement in the respective melt or the melt is arranged by means of a removal container around an end portion of the protective body. Due to the light transmission of the protective body, the optical signals can be picked up and removed from the optical fiber.
  • the latter device has the disadvantage that not only the optical fiber but also the protective body and an associated carrier tube have to be exchanged for each measurement, with the result that the operating costs using this device are high.
  • the carrier tube which is also protected from the high temperatures of the melt, also causes a falsifying
  • a disadvantage of the device shown is analogous to the above description of the complicated approach of the lateral engagement by a side wall of a converter.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device and an associated method, which is characterized by particularly easy handling and low operating costs. Furthermore, the device should also be used in areas of greatly elevated temperature, for example in a blast furnace.
  • the conductor element is rod-shaped, wherein it at least in one of the melt end portion, preferably completely, such a bending stiffness that alone by means of the conductor element on the Melt slag located pierceable and / or at least the melt facing end portion of the conductor element alone in the melt is immersed.
  • stiffness is understood to mean the property of a body which describes a relationship between a force acting on the body or a torque acting on the body and the resulting deformation of the body.
  • the so-called tensile stiffness describes the relationship between force and deformation and bending stiffness the relationship between torque and deformation, under the action of a force of the body is stretched or compressed and under Bend stiffness (El) is the product of the modulus of elasticity (E) of the material of which the body is made and the moment of area (I) of the body, which depends on the geometry of the body.
  • the flexural rigidity of a body can be decisively influenced by the choice of material, and the choice of a suitable cross-sectional geometry of the body is a particularly simple way of influencing the flexural rigidity of the body is, the lower is its deformation ("curvature") under the action of a bending moment.
  • the flexural rigidity of a body is the higher the critical load and the lower is the tendency of the body to bend. From this context, it becomes clear that a certain flexural rigidity is necessary so that a body does not fail to buckle under a certain normal force. In the present case, this means that the conductor element, which is insertable alone and in particular without stiffening elements in a melt, must have a certain minimum bending stiffness, so that a typically located on a melt slag can be pierced and / or the conductor element independently in the (possibly tough) melt can dive or this is able to do at least with one of the melt-facing end portion.
  • the conductor element is not reinforced by means of stiffening elements, such as a sheathing or stiffening struts, but the entire body, which is suitable for conducting the optical signals, independently and without additional measures, the necessary bending stiffness should have to pierce the slag and / or immerse in the melt, this property of the required flexural rigidity facing at least in one of the melt
  • End portion of the conductor element is to be realized.
  • a sufficiently thick fiber bundle could well have sufficient flexural rigidity to pierce a slag and be immersed in a melt.
  • a bundle is to be understood as a collection of a plurality of individual conductor elements for conducting optical signals.
  • Each of the glass fibers taken on its own, because of its typically very small cross section, would not have sufficient flexural rigidity to pierce a slag alone and / or be immersed in a melt.
  • a device with a single glass fiber or single "optical fiber” is therefore not to fall under the wording of claim 1, since such a device would have a conductor element which - regardless of a particular melt or slag - in any Case has the described sufficient bending stiffness. This is expressed in particular by the description of the conductor element as "rod-shaped", because a glass fiber is not rod-like but "thread-like".
  • fused rod is understood as a single conductor element in the context of this application from the time of the connection.
  • direct proximity of the conductor element to the liquid level of the melt means that the conductor element must be brought at least so close to the melt that radiation emitted by the melt can enter the conductor element in order to move therefrom
  • melts covered by a slag it is at least necessary for melts covered by a slag to introduce the conductor element into the slag, for which purpose it is necessary
  • the detector element has the function of processing the optical signals which it detects from the conductor element, this processing, for example, in the pure bundling of the optical signals and their transmission to the evaluation element or in the detection of the optical signals and their conversion into electrical Signals can exist.
  • the detector element only has the task of the conductor element detect signals tapped from the melt and transmit signals - regardless of whether optical, electrical or other nature - to the evaluation element.
  • the advantage of forming a conductor element of a device according to the invention in the manner described above is that the probe of the device next to the conductor element must have no other parts and / or elements in order to determine a substance parameter (for example, the temperature) of a melt to be used.
  • a substance parameter for example, the temperature
  • Such a probe with such a conductor element thus combines the possibility of transmitting optical signals and the mechanical
  • buckling length is defined as the distance between two inflection points of the crease line, and it is immediately apparent that the tendency to kink a body is greater The body is longer
  • Flexural rigidity of a body to be able to choose as small as possible and yet provide sufficient flexural rigidity according to claim 1, may therefore consist in reducing the buckling length of the conductor element.
  • slenderness which sets the length of a body in relation to its cross section.
  • a slender body that is, a body in which the ratio of its length to its cross section is particularly large, typically already bends at a lower critical load than a squat body.
  • the conductor element of the device according to the invention should therefore be designed so that a quotient of a in the axial direction of Conductor element measured (free) length of the conductor element and a minimum, measured perpendicular to the axial direction width of the conductor element is a maximum of 250, preferably a maximum of 100, more preferably a maximum of 50.
  • the maximum slenderness of the conductor element should be limited to the specified extent to limit a bending tendency of the conductor element.
  • maximum slenderness is meant the largest slenderness that can be calculated from the cross-section.
  • a rectangular cross-section has two different slenderness, depending on whether the length of the ladder element is long or short
  • Cross-section is set in proportion.
  • the length of the conductor element is understood as a “cantilevered length", which typically starting from a storage of the
  • Conductor element on the holding device extends from up to its melt-facing end of the conductor element, wherein the conductor element with one end to a
  • Device according to the invention is typically secured by means of a clamping and is stored statically determined in this way by fixing all six degrees of freedom in space. In this way, acting on the conductor element forces and moments can be removed to the storage. By limiting the slenderness - as already explained above - the inclination of the conductor element is limited to buckling.
  • the device advantageously has a conductor element whose
  • Cross-sectional area at least in the melt-facing end portion of at least 10 mm 2 is.
  • the cross-sectional area is understood to be the area of the cross-section which is formed by the material of the conductor element.
  • a minimum cross-sectional area of the conductor element is useful in order to provide the conductor element with a thermal capacity. Specifically, this means that a "thicker"
  • Cross-section relatively long a high temperature, as expected for example in a molten metal, non-destructive withstands, while a rather filigree cross-section, for example, such a single glass fiber, is heated rapidly over its entire cross-sectional area over a critical level and finally destroyed.
  • a cross-sectional area with said minimum dimension can ensure a certain "survival time" of the conductor element under the high temperatures of a melt.Also, it is clear that the criterion of sufficient bending stiffness according to claim 1 can be kept particularly simple if the minimum cross section is observed.
  • An important criterion for the choice of the cross-sectional area of the conductor element of the device according to the invention is also a suitability of the material of the conductor element for the transmission of the optical signals.
  • the line through the conductor element is always subject to a certain attenuation of the optical signal. If this is too high, it will
  • Measurement result may be falsified and thus unusable.
  • the cross-sectional area thereof is to be adapted. The more permeable the optical signal conductor element, the lower its
  • Cross-sectional area of the conductor element can be selected.
  • a conductor element of the device according to the invention any shapes of rods, rods, tubes and the like are conceivable in geometric terms, this list is merely exemplary.
  • the conductor element must be suitable in particular for conducting optical signals, that is, a suitable material must be used. In particular, the use of quartz glass is recommended here, but other materials which fulfill the criterion of light conduction are also conceivable.
  • Such a device is particularly advantageous, whose conductor element is a hollow body, preferably a quartz glass tube, at least in the end section facing the melt.
  • the choice of the geometry of the conductor element to a hollow body means that as much material of the conductor element is arranged at a certain distance to the central axis. In this way, already using small amounts of material and
  • a tube forms a hollow body, in which the material is arranged as far as possible at a distance around the central axis of the hollow body,
  • Quartz glass is particularly easy available and inexpensive to produce.
  • a quartz glass tube is very suitable for the conduction of light. Photons striking the pipe enter the wall of the pipe and are held in the wall according to the principle of total reflection and are thus conducted starting from the melt in the quartz glass pipe.
  • the performance with respect to optical signal characteristics is similar to the characteristics of a fiber.
  • a solid cross-section of quartz glass could be used for this purpose, but this is less economical than a hollow body or a pipe cross-section, since a greater use of material is required.
  • common production methods for glass body are optimized especially for hollow bodies, so that their production is comparatively easy.
  • a detection of the optical signals, which are forwarded by the conductor element, can be carried out particularly easily by means of the detector element if the quartz glass tube is cut flat at an end facing away from the melt, so that an end cross-section of the quartz glass tube forms a circular ring.
  • the hollow body preferably has an inner diameter between 1 mm and 50 mm, preferably between 2 mm and 20 mm, more preferably between 3 mm and 10 mm. In these limits, depending on the application, a sufficient bending stiffness of the conductor element or the hollow body can be achieved, wherein a wall of the Hollow body should have a thickness of at least 0.5 mm, preferably at least 0.75 mm, more preferably at least 1, 0 mm. A thickness of the wall in this area makes sense, so that the hollow body can withstand mechanical influences, such as impacts, and thus has a certain practically relevant robustness.
  • the hollow body is closed at an end facing the melt, preferably by means of a hemispherical bottom part.
  • the closure of the end facing the melt can also be pointed or in the form of a cone.
  • Such a geometry is particularly easy to produce and allows a particularly easy insertion of the hollow body in the melt or a particularly simple penetration of the optionally located thereon slag. If the hollow body exerts only the function of conducting the optical signals, the closing of the same can be advantageous, so that no melt penetrates into the interior of the hollow body. This would be disadvantageous in that the wall of the hollow body is heated much faster on exposure to hot melt both from the inside and from the outside and a survival time of the hollow body - especially in high temperature melting - shorter than when the melt would only be pending from the outside of the wall at selbiger.
  • Temperature measurement melt enter the hollow body. Once the hollow body is removed from the melt, since, for example, the temperature measurement is completed, directly located in the cavity of the hollow body part of the melt can be removed together with the hollow body.
  • the conductor element in the form of the hollow body has two functions. Due to the particularly simple production of an open hollow body, it may also be useful to use such, although a use as a sampler is not desired.
  • a hollow body which is open at the bottom it may be necessary to provide it with a destructible protective cover at the open lower end. This is intended in particular to protect against the fact that in the course of the penetration of a slag located on the melt, the same enters the hollow body.
  • the protective cover could for example be designed so that they are at a certain
  • Ambient temperature is maintained only for a short period of time and is soon destroyed or melts in the vicinity of the melt. In this way it can be ensured that only melt enters the hollow body.
  • This entry is typically already due to capillary action, can
  • the conductor element is used directly in its function as a sampler, it is useful to arrange a stopper element in the hollow body, which has a peripheral outer edge which is connected to an inner circumferential surface of the hollow body.
  • This stopper element serves to limit a "rise” of the melt in the hollow body
  • the stopper element may for example be formed of a ceramic plate, wherein the stopper element should be designed such that an exchange of air from a bottom to a top of the stopper element and vice versa is possible.
  • the conductor element may be constructed in several parts, in which case at least one end portion of the conductor element facing the melt has the required bending stiffness.
  • a part of the conductor element facing away from the melt can thus be designed, for example, as glass fiber, which merely "takes over" the optical signals which are conducted out of the melt by the bending-resistant part and forwards them in the direction of the detector element.
  • the end of the conductor element facing away from the melt is detachably connected to the end region facing the melt the holding device fastened or secured, wherein the conductor element is preferably fastened or fastened by means of a quick release on the holding device.
  • the conductor element according to the invention is able to withstand the thermal load of a melt significantly better than the conventional conductor elements due to its typically increased cross-sectional area compared to conventional conductor elements, it may nevertheless be necessary to change the conductor element regularly. This is particularly the case when using the device in the field of blast furnaces for determining the temperature of a molten metal, wherein such melts can have temperatures up to 1800 ° C.
  • the probe is advantageously by means of a quick release without tools on the holding device mountable or tool-free disassembled from the holding device. In this way, the probe can be replaced after a measurement particularly quickly against a new probe.
  • the quick release can hold the probe both by means of a frictional connection and by means of a positive connection. It is conceivable, inter alia, the arrangement of a click closure or a plug adapter.
  • the tool-free mountability also ensures a particularly simple handling.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the detector element is arranged in an end region of the holding device facing the melt.
  • the detector element is particularly easy to receive the optical signals which are emitted or emitted by the conductor element likewise arranged on the end region of the holding device facing the melt, and in the following relay signals to the evaluation element.
  • Detector surface of the detector element to a radiation region of the conductor element, from which emanate the optical signals detectable by the detector element less than 60 cm, preferably less than 40 cm, more preferably less than 20 cm.
  • Quartz glass tube this is done by means of the line of optical signals in the wall, the optical signals due to the total reflection at the transition of the media glass and air in the wall "trapped." At an upper end surface, the optical signals finally emerge from the conductor element End face forms the aforementioned radiation area.
  • the detector element serves to detect the signals emanating from the emission area.
  • detector elements are with an optic
  • Detector surface equipped, which concentrates incoming optical signals by means of a (collection) lens on another optical fiber and these subsequently to the
  • the distance from the detector surface to the emission region of the conductor element should not be too small in order to keep the detector element as far as possible from the high temperatures of the melt.
  • Detector element of a temperature of at most 300 ° C, preferably at most 200 ° C, more preferably at most 100 ° C, are exposed.
  • a distance of the detector element from the melt of a device in the measuring position should generally be at least 10 cm, preferably at least 30 cm, more preferably at least 50 cm.
  • a deflection device which has at least one reflecting surface.
  • Such a deflection device can be designed, for example, in the manner of a periscope.
  • the conductor element alone or taken alone is suitable for piercing the slag of a melt and / or immerse it in a melt, it may still be useful to surround the conductor element with a protective body. This can be useful, in particular, for the use of the conductor element in melts of particularly high temperature, so that sufficient time is available for measuring the temperature of the melt.
  • a longer residence time of the conductor element may also be of particular interest for another application.
  • an emitter element for emitting radiation in particular a laser for emitting light, by means of which the radiation is emitted in the direction of the melt, wherein emerging from the melt optical signals that occur as a result of the emitted radiation by means of a Detector element can be detected.
  • a device provided in this way in addition to the determination of the temperature of the melt, it is also possible to determine a chemical composition thereof. For this purpose, the method of so-called laser emission spectroscopy is used.
  • radiation is emitted by means of a laser, which in the following to the
  • Analyzing material in this case the melt - hits the sample due to natural absorption is heated and partially evaporated and equally chemical compounds are dissolved and atoms "excited", that is, an electron of a respective atom according to the Bohr Starting from a ground state, the atom model can not be stabilized, so that the electron soon falls back from the increased energy level to the original level, the so-called ground state Finally, by detecting the energy of this photon, a conclusion can be drawn as to which element the described process took place in, with which Proof has been furnished that the appropriate element nt is present.
  • the detector element by means of which these photons are detected, can optimally be the same detector element which is already used for the detection of the photons in the course of the temperature measurement.
  • the radiation emitted by the emitter element should be conducted through the conductor element in the direction of the melt and likewise the radiation emitted by the melt due to the excitation by the emitter element should again be conducted through the conductor element in the direction of the detector element.
  • the conductor element generally serves to conduct optical signals, both in the direction of the melt and "out of the melt.”
  • the holding device has a carrying handle, which is preferably arranged at one end remote from the melt of the holding device.
  • a carrying handle By means of such a carrying handle, it is particularly easy for a user of the device to use the device.
  • the evaluation element should be arranged on an end of the holding device facing away from the melt and in this way protected from high temperatures in the vicinity of the melt.
  • a position of the evaluation element relative to the melt is not important, since the line of signals to be evaluated by the evaluation element over a greater distance - for example by means of a glass fiber - is particularly simple.
  • an automatic movement machine which automatically carries out the determination of the temperature by means of the device.
  • an automatic movement machine can even provide for a replacement of the conductor element even without great mechanical effort, if the latter is no longer suitable for further measurements.
  • an outer jacket surface of the rod-shaped conductor element is coated with a coating at least in one of the melt facing away from the guide, by means of which
  • Electromagnetic radiation is absorbable, wherein the coating is preferably formed of ceramic.
  • External radiation is radiation which does not enter the conductor element from the melt but from the environment and is detected by the detector element at the end face of the conductor element.
  • the risk of the occurrence of extraneous radiation in the conductor element is mainly in a guide portion.
  • "Leading portion” is that portion of the conductor element which is arranged outside the melt, So not immersed in the melt. In this section, the radiation absorbed by the melt is to be conducted only in the direction of the detector element.
  • the immersion portion of the conductor member which is immersed in the melt does not necessarily have to be provided with the coating.
  • the underlying object is further achieved, starting from a method of the type described above according to the invention, that by means of the conductor element, a slag on the melt and / or a surface of the melt is pierced.
  • this method is particularly easy to carry out, since the conductor element of the device has such a flexural rigidity, this allows the passage of the slag and / or the surface of the melt.
  • the advantages of this method according to the invention have already been set out in detail above.
  • the method is particularly advantageous if optical signals emitting at several points of the emission area of the conductor element are detected successively or simultaneously.
  • such a method is particularly advantageous, in which both a temperature of the melt is determined and a chemical analysis of the melt is carried out, wherein a) by means of an emitter element, in particular a laser, radiation, in particular light, is emitted in the direction of the melt, b ) are detected by means of a detector element emanating from the melt, occurring as a result of the radiation optical signals, c) are passed from the detector element signals to an evaluation element and d) the chemical composition of the melt is determined by the evaluation element.
  • an emitter element in particular a laser
  • radiation in particular light
  • the device can be used simultaneously to determine the temperature of the melt and to determine the chemical composition thereof.
  • the underlying principle has already been explained above.
  • the chemical analysis carried out typically involves a so-called "complete analysis" of the melt, that is, the determination of all fractions of individual chemical elements.Over the high temperature of a melt, at least some of the elements are already removable from the emitted radiation of the melt, which is not separate In that regard, at least for a partial chemical analysis of the melt, the emitter element is not absolutely necessary.
  • the method is particularly advantageous if the radiation emitted by the emitter element is conducted by means of the conductor element in the direction of the melt, and likewise the radiation emitted by the melt is conducted back into the direction of the detector element by means of the conductor element. Furthermore, such a method is particularly advantageous in which by means of the conductor element, a sample is removed from the melt, wherein the conductor element is a hollow body, preferably a cylindrical hollow body, more preferably a quartz glass tube, which is open at an end facing the melt, wherein a) immersion portion of the hollow body facing the melt is immersed in the melt, b) a portion of the melt is passed into the hollow body and c) the immersion portion of the hollow body is removed together with the portion of the melt from the melt.
  • This method is particularly simple to carry out in particular by means of a hollow body-shaped conductor element. An entry of the sample into the hollow body takes place
  • the device according to the invention can thus have up to three functions simultaneously using the method according to the invention. These are as follows:
  • the conductor element according to the invention is particularly advantageous and cheaper compared to the prior art both in the application and in the production.
  • the underlying object is achieved by a coating, at least on an outer one Jacket surface and is arranged at least in the distal end portion of the conductor element, wherein by means of the coating, an electromagnetic radiation is absorbable.
  • the electromagnetic radiation is typically formed by light in the present application.
  • Particularly advantageous is a coating formed by ceramic, since this is able to withstand the high temperatures of a melt particularly well.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of a closed conductor element according to the invention
  • Fig. 3 A detail of an open conductor element according to the invention.
  • FIG. 4 shows a detail of a radiation area of a conductor element.
  • a first exemplary embodiment of a device 1 according to the invention which is shown in FIG. 1, comprises a conductor element 2 according to the invention, a detector element 3, a holding device 4 and an evaluation element 5.
  • the device 1 is intended to be used to determine the temperature of a melt 6 which a container 7 is located. Above a liquid level 8 of the melt 6 there is a slag 9.
  • the conductor element 2 is arranged on one of the melt 6 facing the end of the holding device 4.
  • the conductor element 2 is a quartz glass tube which is closed at an end facing the melt by means of a hemispherical bottom part 10.
  • the conductor element 2 is by means of a quick release 1 1 at the melt attached facing the end of the holding device 4.
  • the quick release 1 1 is carried out here in the form of a snap closure, which makes it possible to mount the conductor element 2 without tools on the holding device 4 or fastened.
  • the attachment of the conductor element 2 to the holding device 4 consists of a "plugging" of the conductor element 2 to the holding device 4.
  • a free length 12 of the conductor element 2, extending from a support formed by means of the quick release 1 1 up to the bottom part 10 of The conductor element 2 is hollow, the wall 13 of which has a shape of a circular ring viewed in cross-section, an internal diameter 14 of the conductor element is 10 mm, while a thickness 15 of the wall 13 of the conductor element 2 is approx. 1, 0 mm, resulting in a
  • the conductor element 2 is arranged outside the melt 6. A determination of the temperature of the melt 6 accordingly does not take place in the moment shown in FIG. However, as soon as the conductor element 2 is immersed in the melt 6, optical signals emitted by the melt 6 in the form of light ("thermal radiation") will enter the wall 13 of the conductor element 2. This is especially true shown in Figure 2, wherein in Figure 2 an example of a beam path 16 of a light beam is shown. At one end of the conductor element 2 facing away from the melt 6, the same is cut off flat and opened (compare FIG. 4). At this end, the conductor element 2 has a radiation region 17, which is formed by an end-side end face of the conductor element 2. The guided in the wall 13 of the conductor element 2 optical signals occur at this end face of the conductor element 2.
  • the detector element 3 is suitable for that of the radiation region 17 of the conductor element
  • the detector element 3 shown here has a detector surface 18 in the form of a converging lens, which bundles optical signals emanating from the emission area 17 of the conductor element 2 and transfers them to an optical fiber 19, typically a glass fiber.
  • the illustration according to FIG. 4 is opposite to an optic of a commercially available detector element
  • the detector element 3 greatly simplified. Typically, such an optic has a lens system rather than a single lens.
  • the detector element 3 thus serves as it were a
  • a distance 20 between the emission area 17 of the conductor element 2 and the detector surface 18 of the detector element 3 is selected to be 25 cm (see FIGS. 1 and 4). The detector element 3 is accordingly facing in one of the melt 6
  • End region of the holding device 4 is arranged.
  • Evaluation element 5 passed. In the example shown, this is done by means of the optical fiber 19.
  • the evaluation element 5 is arranged at one end of the holding device 4 facing away from the melt 6. It serves to evaluate the signals transmitted by the detector element 3 and to determine a temperature of the melt.
  • the holding device 4 is portable. It has a length of 2 m and is formed from a metal tube which has a diameter of 3 ⁇ . At an end of the holding device 4 facing away from the melt 6, a carrying handle 21 is arranged, with which the holding device 4 can be carried it is by means of the handle 21 for a user particularly easy to guide the holding device 4 precise and perform a temperature measurement safely.
  • the conductor element 2 shown in FIG. 2 is closed by means of the bottom part 10 at an end facing the melt.
  • the conductor element 2 can be particularly easily pushed through the slag 9 and immersed in the melt 6, without both melt 6 and slag 9 can enter into an interior 22 of the conductor element 2.
  • This is in particular to the advantage that the conductor element 2 is acted upon in this way only from an outside area with a hot medium and thus able to withstand a high thermal load of the melt 6 for a relatively long time. Even such measurements, the one
  • Time span of about 10 seconds can be carried out particularly easily by means of such a conductor element 2.
  • FIG. 3 shows an alternative conductor element 2 'according to the invention, which is open at the end facing the melt 6.
  • Such conductor elements 2 ' are typically temporarily sealed in the region of a lower-side inlet opening 23 with a protective element, not shown.
  • a protective element may for example be formed of a thin sheet metal. It only fulfills the function that in the course of the passage through the slag 9 by means of the conductor element 2 'same can not enter the interior 22 of the conductor element 2'.
  • the conductor element 2 ' can be used in addition to the already described function of the line of optical signals for removing a sample of the melt. This can be achieved, for example, by constructing a negative pressure in the interior space 22 of the conductor element 2 ', which leads to a portion of the melt 6 being sucked into the conductor element 2'.
  • a stopper element 25 is arranged at a distance 24 from the inlet opening 23. This serves to prevent the melt 6 in the conductor element 2 'from rising above a desired level.
  • the stopper member 25 is typically configured to allow passage of air from an upper surface 26 of the stopper member 25 to the underside 27 and vice versa, but a passage of melt 6 in the same way is not possible.
  • an outer edge of the stopper element 25 connects to an inner circumferential surface of the wall 13.
  • a connection between the outer edge of the stopper element 25 and the lateral surface of the conductor element 2 does not necessarily have to be completely circumferential.
  • the conductor element 2 ' According to the invention can be used as a sampler.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung ( 1) zur diskontinuierlichen Bestimmung mindestens eines Stoffparameters einer Schmelze (6), aufweisend eine Sonde, die mindestens ein Leiterelement (2) zur Leitung optischer Signale umfasst, eine Messeinrichtung, die ein Detektorelement (3) und ein Auswertungselement (5) umfasst, sowie eine Halteeinrichtung (4), wobei mittels des Detektorelements (3) die optischen Signale erfassbar und Signale an das Auswertungselement (5) leitbar sind, wobei die Sonde an einem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt der Halteeinrichtung (4) angeordnet ist und in einer Messposition vollständig oberhalb in unmittelbarer Nähe eines Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) oder teilweise mit einem der Schmelze (6) zugewandten Eintauchabschnitt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) positioniert ist und mittels des Leiterelements (2) die optischen Signale ausgehend von der Schmelze (6) in Richtung des Detektorelements (3) leitbar sind, wobei das Leiterelement (2) von einem lang gestreckten Körper gebildet ist Um eine Vorrichtung ( 1 ) bereitzustellen, die sich durch besonders einfache Handhabbarkeit und geringe Betriebskosten auszeichnet sowie ferner auch in Bereichen stark erhöhter Temperatur, beispielsweise in einem Hochofen, einsetzbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Leiterelement (2) zumindest in einem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt, vorzugsweise vollständig, mit einer solchen Biegesteifigkeit auszustatten, dass allein mittels des Leiterelements (2) eine auf der Schmelze (6) befindliche Schlacke (9) durchstoßbar und/oder zumindest der der Schmelze (6) zugewandte Endabschnitt des Leiterelements (2) allein in die Schmelze (6) eintauchbar ist.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Schmelze
Beschreibung
Einleitung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur diskontinuierlichen Bestimmung mindestens eines Stoffparameters einer Schmelze, aufweisend eine Sonde, die mindestens ein Leiterelement zur Leitung optischer Signale umfasst, eine Messeinrichtung, die ein Detektorelement und ein Auswertungselement umfasst, sowie eine Halteeinrichtung, wobei mittels des
Detektorelements die optischen Signale erfassbar und Signale an das Auswertungselement leitbar sind, wobei die Sonde an einem der Schmelze zugewandten Endabschnitt der Halteeinrichtung angeordnet ist und in einer Messposition vollständig oberhalb in
unmittelbarer Nähe eines Flüssigkeitsspiegels der Schmelze oder teilweise mit einem der Schmelze zugewandten Eintauchabschnitt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze positioniert ist und mittels des Leiterelements die optischen Signale ausgehend von der Schmelze in Richtung des Detektorelements leitbar sind, wobei das Leiterelement von einem lang gestreckten Körper gebildet ist.
Des Weiteren offenbart die Erfindung ein Verfahren zur diskontinuierlichen Bestimmung mindestens eines Stoffparameters einer Schmelze mittels einer Sonde, die mindestens ein Leiterelement zur Leitung optischer Signale umfasst, einer Messeinrichtung, die ein
Detektorelement und ein Auswertungselement umfasst, sowie einer Halteeinrichtung, wobei das Detektorelement und die Sonde an der Halteeinrichtung angeordnet sind, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: a) Die Sonde wird entweder vollständig oberhalb in unmittelbarer Nähe eines
Flüssigkeitsspiegels der Schmelze oder teilweise mit einem der Schmelze zugewandten Eintauchabschnitt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze positioniert. b) Von der Schmelze ausgehende optische Signale werden mittels des Leiterelements in Richtung des Detektorelements geleitet. c) Mittels des Detektorelements werden die von dem Leiterelement geleiteten optischen Signale, die von einem Abstrahlbereich des Leiterelements abstrahlen, erfasst und es werden Signale an das Auswertungselement weitergeleitet. d) Mittels des Auswertungselements werden die von dem Detektorelement
weitergeleiteten Signale ausgewertet und eine Temperatur der Schmelze bestimmt.
Abschließend behandelt die Erfindung ein Leiterelement zur Leitung optischer Signale von einer Schmelze in Richtung einer Messeinrichtung, mit der mindestens ein Stoffparameter der Schmelze bestimmbar ist, wobei das Leiterelement von einem stabförmigen, lang gestreckten Körper gebildet ist. Unter einen„Stoffparameter" einer Schmelze wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere deren Temperatur verstanden. Ferner bildet die chemische Struktur der Schmelze einen Stoffparameter im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Das heißt, dass die vorstehend beschriebene Vorrichtung beispielsweise dazu geeignet sein kann, die chemische Struktur einer Schmelze zu bestimmen und insoweit als Spektroskop zu wirken.
Unter optischen Signalen im Sinne dieser Anmeldung werden allgemein Photonen
(„Lichtteilchen") verstanden, wobei das optische Signal in seiner Eigenschaft als
elektromagnetische Welle nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich, insbesondere nicht auf den für das menschliche Auge sichtbaren Frequenzbereich, eingeschränkt ist. Vielmehr ist im Hinblick auf die gewünschte Anwendung des Leiterelements im Rahmen einer Bestimmung einer Temperatur insbesondere Licht im Frequenzbereich von 0, 1 μιη bis 10 μηη mittels des Leiterelements leitbar.
Stand der Technik
Die Bestimmung der Stoffparameter einer Schmelze ist in der Praxis von besonderer
Bedeutung. Beispielsweise im Bereich des Stranggießens ist die Temperatur einer der entscheidenden Parameter hinsichtlich der Eigenschaften des Metalls und der
Funktionstüchtigkeit der eingebundenen Walzen. Während eine zu hohe Temperatur der Schmelze dazu führen kann, dass die Erstarrung nicht ausreichend voran schreitet und eine Durchbruchgefahr des geformten Metallteils besteht, birgt eine zu niedrige Temperatur das Risiko der Beschädigung der Walzen, da das Material zu schnell erstarrt und die Walzen entsprechend hohe Druckkräfte aufbringen müssen.
Eine besonders gängige Vorrichtung, die für derartige Temperaturmessungen eingesetzt wird, basiert auf der so genannten Thermoelektrizität, die die Wechselwirkung zwischen den physikalischen Größen Temperatur und Spannung beschreibt. So entsteht in einem
Stromkreis aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern, die an zwei Kontaktstellen miteinander verbunden sind, bei einer Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen eine elektrische Spannung. Durch Messung dieser Spannung kann schließlich auf die anliegende Temperaturdifferenz geschlossen werden. Dieses Prinzip der Temperaturmessung macht sich beispielsweise die DE 35 28 161 C 1 zunutze. Diese beschreibt ein Thermoelement aus einem so genannte„Thermopaar", also einer Kombination aus zwei verschiedenen elektrischen Leitern aus unterschiedlichen Materialien, die - umhüllt von einem Schutzrohr - in eine Schmelze eingetaucht werden. Typisch für das Thermopaar ist die Kombination von Platin und Platinrhodium. Eine grundlegende Erläuterung des Verfahrens geht außerdem aus der DE 1 200 905 A hervor.
Die Verwendung von Platin als Material für einen Messdraht geht ferner aus der GB 2 223 100 A hervor, wobei hier der Draht aus lediglich einem Material besteht, an den eine externe Spannung angelegt wird. In Abhängigkeit des elektrischen Widerstands, den der elektrische Leiter (Draht) aufweist, kann auf die Temperatur des Drahtes geschlossen werden, da die elektrische Leitfähigkeit eines Materials von dessen Temperatur abhängig ist. Der Draht wird hierfür in ein Glasrohr eingesetzt und zusammen mit dem Glasrohr in die Schmelze eingetaucht. Eine ähnliche Vorrichtung ist der DE 100 15 481 C 1 entnehmbar.
Beide vorgenannten Verfahren haben den Nachteil, dass die Kosten für die jeweiligen Vorrichtungen besonders hoch sind. Dies liegt insbesondere an der Verwendung des Platins, welches besonders hohe Materialkosten verursacht.
Alternativ zu den vorgenannten elektrischen Messverfahren wird zunehmend ein optisches Messverfahren der eingangs beschriebenen Art genutzt, wobei ein Leiterelement sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zum Einsatz kommen. Beispielsweise die DE 103 31 124 B3 zeigt eine Vorrichtung, die eine optische Faser aufweist, mittels derer optische Signale aus einer Schmelze abgreifbar, mittels eines Detektorelements erfassbar und an ein Auswertungselement leitbar sind. Die gezeigte Vorrichtung ist gleichzeitig als Probennehmer zum Entnehmen einer Probe der Schmelze verwendbar, wobei ein Hüllkörper die optische Faser umschließt, ohne jedoch die Faser zu berühren, das heißt, dass eine innere
Mantelfläche des Hüllkörpers nicht in direktem Kontakt mit der Faser steht. Gemäß der vorgenannten Schrift soll die optische Faser in einem Eintauchabschnitt frei liegen und in die Schmelze eingeführt werden. Ein übriger Teil der Faser, also insbesondere der Teil, der nicht in die Schmelze eingetaucht wird, kann eine Beschichtung aufweisen, beispielsweise Kunststoff. Die gezeigte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass das Eintauchen der optischen Faser in eine dichte beziehungsweise„zähflüssige" Schmelze oder aber eine Schmelze, die auf einer Oberseite mit einer (zähen) Schlackeschicht bedeckt ist, aufgrund fehlender Eigenstabilität nicht möglich ist. Ferner kann die Vorrichtung nicht für Schmelzen mit hohen Temperaturen verwendet werden, da die optische Faser vollständig ungeschützt ist und hohen
Temperaturen nicht standzuhalten vermag. Somit würde die Faser im Zuge der Durchstoßung einer Schlacke - sofern dies überhaupt gelingen würde - bereits stark beschädigt und kann nicht in zuverlässiger Weise lange genug in der Schmelze verweilen, als dass eine akkurate Messung durchgeführt werden könnte.
Eine weitere Vorrichtung zur optischen Temperaturbestimmung einer Schmelze zeigt die DE 10 2005 061 675 B3, wobei die Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur der Schmelze fest an einem Behälter für die Schmelze angeordnet ist. Die in dieser Schrift gezeigte Vorrichtung ist insbesondere zur kontinuierlichen Messung der Temperatur in dem Behälter geeignet, wobei eine optische Faser fortwährend durch eine Öffnung an einer Unterseite des Behälters in die darin befindliche Schmelze„geblasen" wird. Das von der Schmelze abstrahlende Licht wird von der optischen Faser aufgenommen und in Richtung eines Detektorelements geleitet. Der geringe Widerstand der optischen Faser gegen die hohe Temperatur der Schmelze macht ein fortwährendes Nachführen der Faser erforderlich, wobei der Aufbau der Vorrichtung im Hinblick auf die gasbetriebene Nachführung der Faser sehr aufwendig und fehleranfällig ist. Ein weiterer Nachteil ist die Notwendigkeit, dass ständig Gas in die Schmelze eingeblasen werden muss. Dies ist zum einen aufwendig und zum anderen ergeben sich hierdurch Wechselwirkungen, die den Behälter beschädigen können. Eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Schmelze mittels einer optischen Faser ist der DE 10 2010 020 715 A 1 entnehmbar. Diese zeigt eine von einem Schutzkörper eingefasste optische Faser, wobei der Schutzkörper aus einem
lichtdurchlässigen Material, typischerweise Glas, besteht. Im Unterschied zur oben erwähnten DE 103 31 124 B3 ist der die optische Faser umgebende Körper an einem unteren Ende geschlossen, so dass die optische Faser räumlich vollständig von einer Umgebung getrennt ist, wobei die optische Faser für die Durchführung einer Messung mit einem unteren Ende bis an ein Bodenelement des Schutzkörpers geführt wird. Der Schutzkörper wird schließlich im Zuge einer Temperaturmessung in die jeweilige Schmelze eingetaucht beziehungsweise die Schmelze wird mittels eines Entnahmebehälters um einen Endabschnitt des Schutzkörpers angeordnet. Aufgrund der Lichtdurchlässigkeit des Schutzkörpers können die optischen Signale von der optischen Faser aufgenommen und abgeleitet werden.
Letztgenannte Vorrichtung weist insbesondere den Nachteil auf, dass bei jeder Messung nicht nur die optische Faser, sondern darüber hinaus auch der Schutzkörper und ein zugehöriges Trägerrohr ausgewechselt werden müssen, was dazu führt, dass die Betriebskosten unter Verwendung dieser Vorrichtung hoch sind. Das Trägerrohr, das ebenfalls vor den hohen Temperaturen der Schmelze geschützt ist, verursacht zudem einen verfälschenden
Schmutzeintrag in die Schmelze, da die zu dessen Schutz vorgesehene Schicht aus Pappe in der Schmelze verbrennt und Rückstände zurücklässt. Eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Metallschmelze ist der DE 2 204 043 A 1 entnehmbar. Diese zeigt strahlungsdurchlässige Stangen, die in einen feuerfesten Schutzkörper eingebettet sind, der die Stangen vor hohen Temperaturen schützt. Die Stangen und der Schutzkörper bilden gemeinsam eine Messsonde. Diese Messsonde wird durch eine Wandung des jeweiligen Stahlherstellungskonverters seitlich an die Schmelze herangeführt, um dort die Strahlung der Schmelze optisch zu erfassen und anschließend auswerten zu können. Nachteilig bei der gezeigten Vorrichtung ist zum einen die aufwendige Einfassung der strahlungsdurchlässigen Stangen in den Schutzkörper sowie die Einführung der gesamten Messsonde durch eine Seitenwand des Konverters.
Den Ansatz der seitlichen Beobachtung einer Schmelze durch die Wandung eines Konverters ist außerdem in der Patentschrift AT 10 031 B beschrieben. Diese zeigt eine optische Messvorrichtung, die in eine Bohrung in einer Wandung eines Konverters eingesetzt ist und auf die Schmelze ausgerichtet ist. Die Vorrichtung kommt im Zuge der Messung nicht in Kontakt mit der Schmelze sondern ist in einem gewissen Abstand zu selbiger positioniert. Mittels der Einblasung eines Schutzgases wird dabei verhindert, dass die Schmelze in die Bohrung fließt und in Kontakt mit der Messvorrichtung gelangt. Die gezeigte Vorrichtung dient der kontinuierlichen Messung der Temperatur der in dem Konverter befindlichen
Metallschmelze und basiert auf dem Prinzip der optischen Messung. Um einen aufwendigen Austausch kritischer Bauteile in direkter Nähe zur Schmelze möglichst vermeiden zu können, ist einem optischen Leiterelement, welches die aufgenommenen optischen Signale an ein Auswertungselement weiterleitet, ein gläsernes, massives Schutzelement vorgeschaltet. Dieses ist im Vergleich zu den übrigen Vorrichtungsbestandteilen vergleichsweise
kostengünstig austauschbar und erfüllt somit den Zweck eines„Opferelements" zum Schutz der übrigen Vorrichtung. Nachteilig bei der gezeigten Vorrichtung ist analog zu vorstehender Beschreibung der aufwendige Ansatz des seitlichen Eingriffs durch eine Seitenwand eines Konverters.
Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, welches sich durch besonders einfache Handhabbarkeit und geringe Betriebskosten auszeichnet. Ferner sollte die Vorrichtung auch in Bereichen stark erhöhter Temperatur einsetzbar sein, beispielsweise in einem Hochofen.
Lösung
Die zugrunde liegende Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Leiterelement stabförmig ausgebildet ist, wobei es zumindest in einem der Schmelze zugewandten Endabschnitt, vorzugsweise vollständig, eine solche Biegesteifigkeit aufweist, dass allein mittels des Leiterelements eine auf der Schmelze befindliche Schlacke durchstoßbar und/oder zumindest der der Schmelze zugewandte Endabschnitt des Leiterelements allein in die Schmelze eintauchbar ist. Unter dem Begriff der Steifigkeit wird die Eigenschaft eines Körpers verstanden, die einen Zusammenhang zwischen einer auf den Körper wirkenden Kraft oder eines auf den Körper wirkenden Drehmoments und der daraus resultierenden Verformung des Körpers beschreibt. Umso steifer ein Körper ist, desto geringer ist dessen Verformung unter„Last". Die so genannte Dehnsteifigkeit beschreibt den Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung und die Biegesteifigkeit den Zusammenhang zwischen Drehmoment und Verformung, wobei unter Wirkung einer Kraft der Körper gedehnt beziehungsweise gestaucht wird und unter Wirkung eines Drehmoments der Körper gekrümmt wird. Die Biegesteifigkeit (El) errechnet sich zum Produkt aus dem Elastizitätsmodul (E) des Materials, aus dem der jeweilige Körper gebildet ist, und dem Flächenträgheitsmoment (I) des Körpers, das von der Geometrie desselben abhängt. Da der Elastizitätsmodul eine Materialkonstante ist, kann die Biegesteifigkeit eines Körpers maßgebend durch die Wahl des Materials beeinflusst werden. Ferner stellt die Wahl einer geeigneten Querschnittsgeometrie des Körpers eine besonders einfache Möglichkeit dar, die Biegesteifigkeit desselben zu beeinflussen. Umso höher die Biegesteifigkeit eines Körpers ist, desto geringer ist dessen Verformung („Krümmung") unter Einwirkung eines Biegemoments.
Ferner wird die Neigung zum so genannten„Knicken" maßgeblich durch die Biegesteifigkeit eines Körpers bestimmt. Somit hängt die so genannte„kritische Last", unter der ein Körper ausknickt, proportional mit der Biegesteifigkeit zusammen, wobei unter der kritischen Last eine Normalkraft in axiale Richtung des Körpers verstanden wird. Umso höher die
Biegesteifigkeit eines Körpers ist, desto höher die die kritische Last und umso geringer ist die Knickneigung des Körpers. Aus diesem Zusammenhang wird deutlich, dass eine gewisse Biegesteifigkeit notwendig ist, damit ein Körper unter einer gewissen Normalkraft nicht durch Knicken versagt. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass das Leiterelement, welches allein und insbesondere ohne aussteifende Elemente in eine Schmelze einführbar ist, eine gewisse Mindest-Biegesteifigkeit aufweisen muss, damit eine typischerweise auf einer Schmelze befindliche Schlacke durchstoßen werden kann und/oder das Leiterelement eigenständig in die (womöglich zähe) Schmelze eintauchen kann beziehungsweise dies zumindest mit einem der Schmelze zugewandten Endabschnitt zu tun vermag. Dies hängt damit zusammen, dass insbesondere eine Schlacke - und gleichermaßen die eigentliche Schmelze - eine gewisse Zähigkeit aufweisen, so dass das Leiterelement gewissermaßen in die Schmelze „eingedrückt" werden muss, also mit einer Normalkraft beaufschlagt werden muss, damit die Schlacke durchstoßen und/oder das Leiterelement allein in die Schmelze eingetaucht werden kann. Die Biegesteifigkeit des Leiterelements muss schließlich so gewählt werden, dass die jeweils auf das Leiterelement wirkende Normalkraft, die benötigt wird, um die Schlacke zu durchstoßen und/oder das Leiterelement allein in die Schmelze einzutauchen, stets unterhalb der kritischen Last liegt und somit ein Knicken des Leiterelements nicht eintritt. Die
Benennung eines numerischen Wertes für die Biegesteifigkeit ist für die Definition des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung insoweit ungeeignet, als unterschiedliche
Schmelzen unterschiedliche Eigenschaften und Schlacken aufweisen, die unterschiedliche Anforderungen an die Biegesteifigkeit eines Leiterelements stellen. Dem Fachmann ist es in einem konkreten Anwendungsfall jedoch ohne Weiteres möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung von einer solchen zu schaffen, die nicht unter den Anspruch 1 fällt. Die Eignung eines Leiterelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Schlacke allein zu durchstoßen, ist im Stand der Technik grundsätzlich unbekannt. Unter„allein" ist hierbei zu verstehen, dass das Leiterelement nicht mittels aussteifender Elemente, wie beispielsweise einer Ummantelung oder aussteifenden Streben, verstärkt ist, sondern der gesamte Körper, der zur Leitung der optischen Signale geeignet ist, eigenständig und ohne zusätzliche Maßnahmen die notwendige Biegesteifigkeit aufweisen soll, um die Schlacke zu durchstoßen und/oder in die Schmelze einzutauchen, wobei diese Eigenschaft der erforderlichen Biegesteifigkeit zumindest in einem der Schmelze zugewandten
Endabschnitt des Leiterelements verwirklicht sein soll.
Somit könnte ein ausreichend dick gefasstes Glasfaserbündel durchaus eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweisen, um eine Schlacke zu durchstoßen und in eine Schmelze eingetaucht zu werden. Ein solches Bündel ist im Sinne dieser Anmeldung jedoch als eine Ansammlung einer Vielzahl einzelner Leiterelemente zur Leitung optischer Signale zu verstehen. Jede der Glasfasern für sich allein genommen würde aufgrund ihres typischerweise sehr kleinen Querschnitts keine ausreichende Biegesteifigkeit aufweisen, um allein eine Schlacke durchstoßen zu können und/oder in eine Schmelze eingetaucht zu werden. Eine Vorrichtung mit einer einzelnen Glasfaser oder einzelnen„optischen Faser" soll folglich nicht unter den Wortlaut des Anspruchs 1 fallen, da eine solche Vorrichtung ein Leiterelement aufweisen würde, das - unabhängig von einer jeweiligen Schmelze oder Schlacke - in keinem Fall die beschriebene ausreichende Biegesteifigkeit aufweist. Dies kommt insbesondere durch die Beschreibung des Leiterelements als„stabförmig" zum Ausdruck; eine Glasfaser ist nämlich nicht stab- sondern„fadenförmig".
Sollte eine Vielzahl von Glasfasern beziehungsweise Leiterelementen beispielsweise durch Verschmelzen oder durch eine sonstige Art einer kraftschlüssigen Verbindung
zusammengefügt werden, so dass die einzelnen Glasfasern mechanisch als eine Einheit wirken, wird diese Einheit („verschmolzener Stab") ab dem Zeitpunkt der Verbindung als einzelnes Leiterelement im Sinne dieser Anmeldung verstanden. Sollte eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein auf eine solche Weise erzeugtes Leiterelement aufweisen, dass eine ausreichende Biegesteifigkeit zum Durchstoßen einer Schlacke und/oder Eintauchen in eine Schmelze aufweist, soll dies mit von der Erfindung umfasst sein.
Gleichermaßen fällt eine Vorrichtung mit einem Leiterelement in Form einer Glas„faser", die derart ausgebildet ist, dass sie für sich allein genommen die notwendige Biegesteifigkeit aufweist, ebenfalls unter den Wortlaut des Anspruchs 1, wobei die notwendige
Biegesteifigkeit allein durch das Leiterelement und beispielsweise nicht durch ein so genanntes„Coating", das heißt eine Beschichtung, erreicht werden soll.
Unter einer„unmittelbaren Nähe" des Leiterelements zum Flüssigkeitsspiegel der Schmelze wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung verstanden, dass das Leiterelement zumindest so nah an die Schmelze herangeführt werden muss, dass von der Schmelze emittierte Strahlung in das Leiterelement eintreten kann, um von diesem in Richtung des Detektorelements geleitet werden zu können. Hierzu ist es bei Schmelzen, die von einer Schlacke bedeckt sind, zumindest notwendig, das Leiterelement in die Schlacke einzuführen, wozu es
erfindungsgemäß aufgrund seiner Biegesteifigkeit geeignet ist.
Das Detektorelement hat die Funktion, die optischen Signale, die es von dem Leiterelement erfasst, zu bearbeiten, wobei diese Bearbeitung beispielsweise in der reinen Bündelung der optischen Signale und deren Weiterleitung an das Auswertungselement oder aber in der Erfassung der optischen Signale und deren Umwandlung in elektrische Signale bestehen kann. Letztendlich hat das Detektorelement lediglich die Aufgabe, die von dem Leiterelement aus der Schmelze abgegriffenen Signale zu erfassen und Signale - unabhängig ob optischer, elektrischer oder sonstiger Natur - an das Auswertungselement weiterzuleiten.
Der Vorteil der Ausbildung eines Leiterelements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf die vorstehend beschriebene Art und Weise besteht darin, dass die Sonde der Vorrichtung neben dem Leiterelement keine weiteren Teile und/oder Elemente aufweisen muss, um für die Bestimmung eines Stoffparameters (beispielsweise der Temperatur) einer Schmelze verwendet werden zu können. Eine derartige Sonde mit einem solchen Leiterelement vereint somit die Möglichkeit der Übertragung optischer Signale sowie die mechanische
Voraussetzung für dessen Verwendung insbesondere im Bereich der Temperaturmessung einer Schmelze. Nach dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es hingegen stets notwendig, die jeweiligen Leiterelemente der dort beschriebenen Vorrichtungen zu ummanteln, mittels weiterer Körper zu umschließen oder auf sonstige Art und Weise zu schützen und/oder zu verstärken. Die Verwendung einer Sonde zur Leitung von einer Schmelze emittierter optischer Signale kann mittels des erfindungsgemäßen Leiterelements besonders vereinfacht werden. Insbesondere ist zusätzlicher Aufwand zur Aussteifung des Leiterelements nicht notwendig.
Zusätzlich zur Biegesteifigkeit ist ein weiterer wichtiger Parameter für die die Bestimmung der kritischen Last die so genannte„Knicklänge", die als Abstand zwischen zwei Wendepunkten der Knickbiegelinie definiert ist. Es leuchtet sofort ein, dass eine Neigung zum Knicken eines Körpers umso größer ist, desto länger der jeweilige Körper ist. Eine Möglichkeit, die
Biegesteifigkeit eines Körpers möglichst klein wählen zu können und dennoch ausreichend Biegesteifigkeit gemäß Anspruch 1 vorzusehen, kann folglich darin bestehen, die Knicklänge des Leiterelements zu reduzieren.
Eine Eigenschaft, die Rückschlüsse sowohl auf die Biegesteifigkeit als auch auf die Länge des Körpers mit Einschränkungen zulässt, ist die so genannte Schlankheit, die die Länge eines Körpers ins Verhältnis zu dessen Querschnitt setzt. Somit knickt ein schlanker Körper, das heißt ein Körper, bei dem das Verhältnis von dessen Länge zu dessen Querschnitt besonders groß ist, typischerweise bereits bei einer geringeren kritischen Last als ein gedrungener Körper. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sollte das Leiterelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung daher so ausgestaltet sein, dass ein Quotient aus einer in axiale Richtung des Leiterelements gemessenen (freien) Länge des Leiterelements und einer minimalen, senkrecht zu der axialen Richtung gemessenen Breite des Leiterelements maximal 250, vorzugsweise maximal 100, weiter vorzugsweise maximal 50, beträgt. Das heißt, dass die maximale Schlankheit des Leiterelements auf das angegebene Maß beschränkt werden sollte, um eine Knickneigung des Leiterelements zu beschränken. Unter„maximaler Schlankheit" wird die größte am Querschnitt errechenbare Schlankheit verstanden. Somit weist beispielsweise ein rechteckiger Querschnitt zwei unterschiedliche Schlankheiten auf, je nachdem ob die Länge des Leiterelements mit der langen oder der kurzen Seite des
Querschnitts ins Verhältnis gesetzt wird. Die Länge des Leiterelements wird dabei als „freitragende Länge" aufgefasst, die typischerweise ausgehend von einer Lagerung des
Leiterelements an der Halteeinrichtung aus bis zu dessen der Schmelze zugewandtem Ende des Leiterelements reicht, wobei das Leiterelement mit einem Ende an einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung typischerweise mittels einer Einspannung befestigt ist und auf diese Weise durch Festlegung aller sechs Freiheitsgrade statisch bestimmt im Raum gelagert ist. Auf diese Weise können auf das Leiterelement wirkende Kräfte und Momente an die Lagerung abgetragen werden. Durch die Beschränkung der Schlankheit wird - wie vorstehend bereits erläutert - die Neigung des Leiterelements zum Knicken beschränkt.
Ferner weist die Vorrichtung vorteilhafterweise ein Leiterelement auf, dessen
Querschnittsfläche zumindest in dem der Schmelze zugewandten Endabschnitt mindestens 10 mm2, vorzugsweise mindestens 50 mm2, weiter vorzugsweise mindestes 100 mm2, beträgt. Als Querschnittsfläche wird hier die Fläche des Querschnitts verstanden, die durch das Material des Leiterelements gebildet ist. Am Beispiel eines Rechteckquerschnitts entspräche die Querschnittsfläche also dem Produkt der Kantenlängen a x b und am Beispiel eines Rohrquerschnitts der Fläche des Kreisrings, der aus dem Material gebildet ist, also π x (ra 2- n2) mit ra = Außenradius und r, = Innenradius des Kreisrings.
Eine Mindest-Querschnittsfläche des Leiterelements ist sinnvoll, um das Leiterelement mit einer thermischen Kapazität auszustatten. Konkret bedeutet dies, dass ein„dicker"
Querschnitt verhältnismäßig lang einer hohen Temperatur, wie sie beispielsweise in einer Metallschmelze zu erwarten ist, zerstörungsfrei standhält, während ein eher filigraner Querschnitt, beispielsweise ein solcher einer einzelnen Glasfaser, zügig über seine gesamte Querschnittsfläche über ein kritisches Maß aufgeheizt und schließlich zerstört wird. Mittels einer Querschnittsfläche mit genanntem Mindestmaß kann eine gewisse„Überlebensdauer" des Leiterelements unter den hohen Temperaturen einer Schmelze sichergestellt werden. Ferner leuchtet ein, dass bei Einhaltung des genannten Mindestquerschnitts das Kriterium der ausreichenden Biegesteifigkeit gemäß Anspruch 1 besonders einfach eingehalten werden kann.
Ein wichtiges Kriterium für die Wahl der Querschnittsfläche des Leiterelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner eine Eignung des Materials des Leiterelements zur Weiterleitung der optischen Signale. Die Leitung durch das Leiterelement unterliegt stets einer gewissen Dämpfung des optischen Signals. Fällt diese zu hoch aus, wird das
Messergebnis möglicherweise verfälscht und somit unbrauchbar. Je nach Dämpfungswirkung des Materials des Leiterelements ist die Querschnittsfläche desselben anzupassen. Umso durchlässiger das Leiterelement für optische Signale ist, desto geringer ist dessen
Dämpfungsfaktor und desto geringer kann - zumindest unter diesem Aspekt - die
Querschnittsfläche des Leiterelements gewählt werden. Als Leiterelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in geometrischer Hinsicht jegliche Formen von Stäben, Stangen, Rohren und dergleichen denkbar, wobei diese Aufzählung lediglich beispielhaft ist. Das Leiterelement muss insbesondere zur Leitung optischer Signale geeignet sein, das heißt, dass ein geeignetes Material verwendet werden muss. Hier ist insbesondere die Nutzung von Quarzglas empfehlenswert, andere Materialien, die das Kriterium der Lichtleitung erfüllen, sind jedoch ebenso denkbar.
Besonders vorteilhaft ist eine solche Vorrichtung, deren Leiterelement zumindest in dem der Schmelze zugewandten Endabschnitt ein Hohlkörper, vorzugsweise ein Quarzglasrohr, ist. Die Wahl der Geometrie des Leiterelements zu einem Hohlkörper bedeutet, dass möglichst viel Material des Leiterelements in einem gewissen Abstand zu dessen Mittelachse angeordnet ist. Auf diese Weise kann bereits unter Verwendung geringer Materialmengen und
Querschnitte eine hohe Biegesteifigkeit erzielt werden, da der Abstand des vorhandenen Materials von den Hauptachsen des Systems quadratisch in das Flächenträgheitsmoment des Querschnitts einfließt. Eine Ausbildung in Form eines Quarzglasrohres wird hier als optimal angesehen, da das Quarzglasrohr · zur Leitung optischer Signale geeignet ist (Glas), • als Rohr einen symmetrischen Querschnitt aufweist,
• als Rohr einen Hohlkörper bildet, bei dem das Material möglichst in einem Abstand um die Mittelachse des Hohlkörpers angeordnet ist,
• das Quarzglas hohen Temperaturen standzuhalten vermag und
· Quarzglas besonders einfach verfügbar und günstig herstellbar ist.
Ein Quarzglasrohr eignet sich sehr gut für die Leitung von Licht. Auf das Rohr treffende Photonen treten dabei in die Wandung des Rohres ein und werden nach dem Prinzip der Totalreflektion in der Wandung gehalten und somit ausgehend von der Schmelze in dem Quarzglasrohr geleitet. Die Funktionsweise hinsichtlich der Leiteigenschaften für optische Signale ist insofern den Eigenschaften einer Glasfaser ähnlich. Gleichermaßen könnte für diesen Zweck auch ein Vollquerschnitt aus Quarzglas genutzt werden, jedoch ist dieser weniger wirtschaftlich als ein Hohlkörper beziehungsweise ein Rohrquerschnitt, da ein größerer Materialeinsatz erforderlich ist. Ferner sind gängige Produktionsverfahren für Körper aus Glas besonders für Hohlkörper optimiert, so dass deren Herstellung vergleichsweise leicht fällt. Auf einen weiteren besonderen Vorteil der Ausbildung des Leiterelements in Form eines Hohlkörpers wird später im Hinblick auf eine Nutzung eines hohlkörperförmigen Leiterelements als Probennehmer gesondert eingegangen.
Eine Erfassung der optischen Signale, die von dem Leiterelement weitergeleitet werden, kann mittels des Detektorelements dann besonders einfach erfolgen, wenn das Quarzglasrohr an einem der Schmelze abgewandten Ende flach abgeschnitten ist, so dass ein Endquerschnitt des Quarzglasrohres einen Kreisring ausbildet. Die optischen Signale, die in der Wand mittels der Totalreflektion transportiert werden, treten dann an diesem Endquerschnitt
beziehungsweise der Stirnfläche des Quarzglasrohres aus, so dass die Stirnfläche gewissermaßen als Abstrahlfläche für die aus der Schmelze abgegriffenen optischen Signale wirkt. Diese können schließlich - ausgehend von der Abstrahlfläche - besonders einfach mittels des Detektorelements erfasst werden.
Der Hohlkörper weist vorzugsweise einen Innendurchmesser zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, weiter vorzugsweise zwischen 3 mm und 10 mm, auf. In diesen Grenzen ist je nach Anwendungsfall eine ausreichende Biegesteifigkeit des Leiterelements beziehungsweise des Hohlkörpers erreichbar, wobei eine Wandung des Hohlkörpers eine Dicke von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 0,75 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1 ,0 mm, aufweisen sollte. Eine Dicke der Wandung in diesem Bereich ist sinnvoll, so dass der Hohlkörper mechanischen Einflüssen, wie beispielsweise Stößen, widerstehen kann und so eine gewisse praxisrelevante Robustheit aufweist. In einer möglichen Ausführungsvariante der Vorrichtung ist der Hohlkörper an einem der Schmelze zugewandten Ende verschlossen, vorzugsweise mittels eines halbsphärischen Bodenteils. Alternativ kann der Verschluss des der Schmelze zugewandten Endes auch spitz beziehungsweise in Form eines Kegels ausgeführt sein. Eine solche Geometrie ist besonders einfach herstellbar und ermöglicht ein besonders leichtes Einführen des Hohlkörpers in die Schmelze beziehungsweise eine besonders einfache Durchstoßung der gegebenenfalls darauf befindlichen Schlacke. Sofern der Hohlkörper ausschließlich die Funktion der Leitung der optischen Signale ausübt, kann das Verschließen desselben vorteilhaft sein, damit keine Schmelze in den Innenraum des Hohlkörpers eindringt. Dies wäre insofern von Nachteil, als die Wandung des Hohlkörpers bei Beaufschlagung mit heißer Schmelze sowohl von der Innen- als auch von der Außenseite her deutlich schneller aufgeheizt wird und eine Überlebensdauer des Hohlkörpers - gerade in Schmelzen hoher Temperatur - kürzer ausfällt, als wenn die Schmelze lediglich von der Außenseite der Wandung an selbiger anstehen würde.
Alternativ kann es jedoch gerade sinnvoll sein, einen an einem der Schmelze zugewandten Ende geöffneten Hohlkörper zu verwenden, damit Schmelze in den„Hohlraum"
beziehungsweise den Innenraum des Hohlkörpers eindringen kann. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Sonde mit dem Leiterelement in Form des Hohlkörpers neben der Funktion der Leitung der optischen Signale ferner als Probennehmer fungieren soll. Durch das Öffnen des Hohlkörpers an dessen unterem Ende wird im Zuge einer
Temperaturmessung Schmelze in den Hohlkörper eintreten. Sobald der Hohlkörper aus der Schmelze entnommen wird, da beispielsweise die Temperaturmessung abgeschlossen ist, kann direkt der in dem Hohlraum des Hohlkörpers befindliche Teil der Schmelze mit dem Hohlkörper zusammen entnommen werden. Somit weist das Leiterelement in Form des Hohlkörpers zwei Funktionen auf. Aufgrund der besonders einfachen Herstellung eines geöffneten Hohlkörpers kann es jedoch ebenso sinnvoll sein, einen solchen zu verwenden, obwohl eine Nutzung als Probennehmer nicht gewünscht ist. Bei der Verwendung eines an der Unterseite geöffneten Hohlkörpers kann es notwendig sein, diesen an dem geöffneten unteren Ende mit einer zerstörbaren Schutzabdeckung zu versehen. Diese soll insbesondere davor schützen, dass im Zuge der Durchstoßung einer auf der Schmelze befindlichen Schlacke selbige in den Hohlkörper eintritt. Die Schutzabdeckung könnte beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie bei einer bestimmten
Umgebungstemperatur nur für eine kurze Zeitspanne erhalten bleibt und in der Umgebung der Schmelze alsbald zerstört wird beziehungsweise schmilzt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ausschließlich Schmelze in den Hohlkörper eintritt.
Dieser Eintritt erfolgt typischerweise bereits aufgrund der Kapillarwirkung, kann
erforderlichenfalls jedoch überdies dadurch erzwungen werden, dass in dem Hohlkörper ein Unterdruck aufgebracht wird, so dass die Schmelze in den Hohlkörper gesogen wird.
Sollte das Leiterelement direkt in seiner Funktion als Probennehmer verwendet werden, ist es sinnvoll, ein Stopperelement in dem Hohlkörper anzuordnen, das einen umlaufenden äußeren Rand aufweist, der an eine innere Mantelfläche des Hohlkörpers angeschlossen ist. Dieses Stopperelement dient dazu, einen„Aufstieg" der Schmelze in dem Hohlkörper zu begrenzen. Das Stopperelement kann beispielsweise aus einem Keramikplättchen gebildet sein, wobei das Stopperelement so ausgebildet sein sollte, dass ein Austausch von Luft von einer Unterseite zu einer Oberseite des Stopperelements und umgekehrt möglich ist.
Das Leiterelement kann mehrteilig aufgebaut sein, wobei in einem solchen Fall zumindest ein der Schmelze zugewandter Endabschnitt des Leiterelements die geforderte Biegesteifigkeit aufweist. Ein Abschnitt des Leiterelements beispielsweise, der nicht in die Schmelze eingetaucht wird, kann demnach durchaus eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen, da dieser für das Durchstoßen der Schlacke und/oder das Eintauchen in die Schmelze nicht verwendet wird. Ein der Schmelze abgewandter Teil des Leiterelements kann somit beispielsweise als Glasfaser ausgebildet sein, die lediglich die optischen Signale, die von dem biegefesten Teil aus der Schmelze heraus geleitet werden,„übernimmt" und in Richtung des Detektorelements weiterleitet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist das der Schmelze abgewandte Ende des Leiterelements lösbar an dem der Schmelze zugewandten Endbereich der Halteeinrichtung befestigbar oder befestigt, wobei das Leiterelement vorzugsweise mittels eines Schnellverschlusses an der Halteeinrichtung befestigbar oder befestigt ist. Wenngleich das erfindungsgemäße Leiterelement aufgrund seiner typischerweise gegenüber herkömmlichen Leiterelementen vergrößerten Querschnittsfläche der thermischen Belastung einer Schmelze deutlich besser standzuhalten vermag als die herkömmlichen Leiterelemente, kann es doch notwendig werden, das Leiterelement regelmäßig zu wechseln. Dies ist insbesondere beim Einsatz der Vorrichtung im Bereich von Hochöfen zur Bestimmung der Temperatur einer Metallschmelze der Fall, wobei derartige Schmelzen Temperaturen bis 1800 °C aufweisen können. Trotz einer erhöhten thermischen Trägheit nimmt gerade in solchen Einsatzbereichen das Leiterelement bei jeder Verwendung Schaden, so dass ein regelmäßiger Wechsel desselben notwendig sein kann. Daher ist die Sonde vorteilhafterweise mittels eines Schnellverschlusses werkzeuglos an der Halteeinrichtung montierbar beziehungsweise werkzeuglos von der Halteeinrichtung demontierbar. Auf diese Weise kann die Sonde nach einer Messung besonders zügig gegen eine neue Sonde ausgetauscht werden. Der Schnellverschluss kann dabei sowohl mittels eines Kraftschlusses als auch mittels eines Formschlusses die Sonde halten. Denkbar ist unter anderem die Anordnung eines Click-Verschlusses oder eines Steckadapters. Die werkzeuglose Montierbarkeit stellt zudem eine besonders einfache Handhabung sicher.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Detektorelement in einem der Schmelze zugewandten Endbereich der Halteeinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Detektorelement die optischen Signale, die von dem gleichfalls an dem der Schmelze zugewandten Endbereich der Halteeinrichtung angeordneten Leiterelement emittiert beziehungsweise abgestrahlt werden, besonders einfach aufnehmen und im Folgenden Signale an das Auswertungselement weiterleiten. In diesem Zusammenhang ist es besonders von Vorteil, wenn ein Abstand von einer
Detektoroberfläche des Detektorelements bis zu einem Abstrahlbereich des Leiterelements, von dem die optischen Signale ausgehen, die von dem Detektorelement erfassbar sind, kleiner als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 40 cm, weiter vorzugsweise kleiner als 20 cm, ist. Nachdem das Leiterelement die optischen Signale von der Schmelze aufgenommen hat, wobei es typischerweise zumindest mit einem Eintauchabschnitt in die Schmelze eingetaucht wird oder in unmittelbarer Nähe des Flüssigkeitsspiegels der Schmelze angeordnet ist, werden diese optischen Signale in dem Leiterelement in Richtung des Detektorelements„aus der Schmelze heraus" transportiert. Am Beispiel des Leiterelements in Form eines
Quarzglasrohres geschieht dies mittels der Leitung der optischen Signale in dessen Wandung, wobei die optischen Signale aufgrund der Totalreflektion am Übergang der Medien Glas und Luft in der Wandung„gefangen" bleiben. An einer oberen Stirnfläche treten die optischen Signale schließlich aus dem Leiterelement aus. Diese Stirnfläche bildet den genannten Abstrahlbereich.
Das Detektorelement dient dazu, die von dem Abstrahlbereich ausgehenden Signale zu erfassen. Typischerweise sind derartige Detektorelemente mit einer Optik
(„Detektoroberfläche") ausgestattet, die eingehende optische Signale mittels einer (Sammel- )Linse auf einen weiteren Lichtleiter konzentriert und diese anschließend an das
Auswertungselement weiterleitet. Der Vorgang des Erfassens der vom Abstrahlbereich emittierten Strahlung wird dabei umso schwieriger, desto weiter die Detektoroberfläche von dem Abstrahlbereich entfernt ist, da die optischen Signale mit zunehmender Entfernung von dem Abstrahlbereich in ihrer Intensität abnehmen. Die Positionierung der Detektoroberfläche in der genannten Entfernung zum Abstrahlbereich des Leiterelements ist daher zu
bevorzugen. Gleichzeitig sollte der Abstand von der Detektoroberfläche zum Abstrahlbereich des Leiterelements nicht zu klein gewählt werden, um das Detektorelement möglichst von den hohen Temperaturen der Schmelze fernzuhalten. Insbesondere sollte das
Detektorelement einer Temperatur von maximal 300 °C, vorzugsweise maximal 200 °C, weiter vorzugsweise maximal 100 °C, ausgesetzt werden. Ein Abstand des Detektorelements von der Schmelze einer in der Messposition befindlichen Vorrichtung sollte generell mindestens 10 cm, vorzugsweise mindestens 30 cm, weiter vorzugsweise mindestens 50 cm, betragen. Zur Erhöhung der Distanz zwischen der Schmelze und dem Detektorelement ist es gleichermaßen möglich, die von dem Leiterelement an dessen der Schmelze abgewandten Stirnfläche abgestrahlten optischen Signale mittels einer Umlenkeinrichtung, die mindestens eine spiegelnde Fläche aufweist, umzulenken. Eine solche Umlenkeinrichtung kann beispielsweise in der Art eines Periskops ausgeführt werden. Wenngleich das Leiterelement allein beziehungsweise für sich allein genommen dazu geeignet ist, die Schlacke einer Schmelze zu durchstoßen und/oder in eine Schmelze einzutauchen, so kann es dennoch sinnvoll sein, das Leiterelement mit einem Schutzkörper einzufassen. Dies kann insbesondere für die Verwendung des Leiterelements in Schmelzen besonders hoher Temperatur sinnvoll sein, damit zur Messung der Temperatur der Schmelze ausreichend Zeit zur Verfügung steht.
Neben der Messung der Temperatur kann eine längere Verweilzeit des Leiterelements auch für einen weiteren Anwendungsfall von besonderem Interesse sein. Somit weist die
Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Emitterelement zur Emission einer Strahlung auf, insbesondere ein Laser zur Emission von Licht, mittels dessen die Strahlung in Richtung der Schmelze emittierbar ist, wobei von der Schmelze ausgehende optische Signale, die als Folge der emittierten Strahlung auftreten, mittels eines Detektorelements erfassbar sind. Mittels einer auf diese Weise ausgestatteten Vorrichtung kann neben der Bestimmung der Temperatur der Schmelze ferner eine chemische Zusammensetzung derselben bestimmt werden. Hierfür kommt das Verfahren der so genannten Laser-Emissionspektroskopie zum Einsatz.
Dabei wird mittels eines Lasers Strahlung emittiert, die im Folgenden auf das zu
analysierende Material („Probe") - hier also die Schmelze - trifft. Dabei wird die Probe aufgrund natürlicher Absorption erhitzt und teilweise verdampft und gleichermaßen werden chemische Verbindungen aufgelöst und Atome„angeregt", das heißt, dass ein Elektron eines jeweiligen Atoms gemäß dem Bohrschen Atommodell ausgehend von einem Grundzustand auf eine„höheren Schale", also ein erhöhtes Energieniveau, gehoben werden. Da dieser Zustand nicht stabil ist, fällt das Elektron alsbald von dem erhöhten Energieniveau auf das ursprüngliche Niveau, den so genannten Grundzustand, zurück. Dabei wird eine diskrete Energie in der gleichen Menge, die vorher für die Anhebung des Energieniveaus des Elektrons erforderlich war, in Form eines Photons freigesetzt. Durch Erfassung der Energie dieses Photons kann schließlich ein Rückschluss darauf gezogen werden, in welchem Element der beschriebene Prozess stattgefunden hat, womit der Nachweis erbracht ist, dass das entsprechende Element anwesend ist. Das Detektorelement, mittels dessen diese Photonen erfasst werden, kann optimalerweise dasselbe Detektorelement sein, welches bereits zur Erfassung der Photonen im Zuge der Temperaturmessung genutzt wird. Vorzugsweise sollte die von dem Emitterelement emittierte Strahlung durch das Leiterelement in Richtung der Schmelze und gleichermaßen die von der Schmelze aufgrund der Anregung durch das Emitterelement emittierte Strahlung wiederum durch das Leiterelement in Richtung des Detektorelements geleitet werden. Das
Leiterelement dient also ganz generell zur Leitung optischer Signale, sowohl in Richtung der Schmelze als auch„aus der Schmelze heraus". Mittels der Leitung der Laserstrahlung durch das Leiterelement in Richtung der Schmelze kann insbesondere eine Störung in der
Übertragung - beispielsweise durch in der Luft vorhandene Partikel (Qualm, Dampf) vermieden werden.
In einer möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist selbige tragbar ausgeführt. Insbesondere weist die Halteeinrichtung einen Tragegriff auf, der vorzugsweise an einem der Schmelze abgewandten Ende der Halteeinrichtung angeordnet ist. Mittels eines solchen Tragegriffs ist es für einen Anwender der Vorrichtung besonders einfach, die Vorrichtung zu verwenden. Insbesondere fällt es dem Anwender mittels der Halteeinrichtung leicht, das an dem der Schmelze zugewandten Ende der Halteeinrichtung angeordnete Leiterelement ruhig und ohne große körperliche Anstrengung aus einer für den Anwender sicheren Entfernung in die Schmelze einzutauchen und so die optischen Signale aus der Schmelze abzugreifen. Vorteilhafterweise sollte das Auswertungselement an einem der Schmelze abgewandten Ende der Halteeinrichtung angeordnet sein und auf diese Weise vor hohen Temperaturen in der Nähe der Schmelze geschützt sein. Generell ist eine Position des Auswertungselements relativ zu der Schmelze nicht von Bedeutung, da die Leitung der vom Auswertungselement auszuwertenden Signale über eine größere Distanz - beispielsweise mittels einer Glasfaser - besonders einfach ist.
Alternativ zu einer handgeführten Vorrichtung kann insbesondere die Verwendung eines Bewegungsautomaten von Interesse sein, der die Bestimmung der Temperatur mittels der Vorrichtung automatisiert durchführt. Unter Verwendung eines Schnellverschlusses zum Anschluss des Leiterelements an die Halteeinrichtung kann ein solcher Bewegungsautomat sogar ohne großen maschinellen Aufwand selbst einen Austausch des Leiterelements vorsehen, sofern letzteres für weitere Messungen nicht länger geeignet ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine äußere Mantelfläche des stabförmigen Leiterelements zumindest in einem der Schmelze abgewandten Leitabschnitt mit einer Beschichtung beschichtet, mittels derer
elektromagnetische Strahlung absorbierbar ist, wobei die Beschichtung vorzugsweise von Keramik gebildet ist. Die Beschichtung dient dazu, das Leiterelement gegen„Fremdstrahlung" abzuschirmen. Fremdstrahlung ist solche Strahlung, die nicht aus der Schmelze, sondern aus der Umgebung in das Leiterelement eintritt und an der Stirnfläche des Leiterelements von dem Detektorelement erfasst wird. Das Detektorelement erfasst mithin Strahlung, die nicht allein durch die Schmelze bedingt ist. Das Messergebnis kann dadurch gestört werden. Die Gefahr des Eintritts von Fremdstrahlung in das Leiterelement besteht vor allem in einem Leitabschnitt. Als„Leitabschnitt" wir jener Abschnitt des Leiterelements bezeichnet, der außerhalb der Schmelze angeordnet ist, also nicht in die Schmelze eingetaucht ist. In diesem Abschnitt soll die von der Schmelze aufgenommene Strahlung lediglich in Richtung des Detektorelements geleitet werden. Der Eintauchabschnitt des Leiterelements, der in die Schmelze eingetaucht wird, braucht nicht notwendigerweise mit der Beschichtung versehen zu werden.
Die zugrunde liegende Aufgabe wird ferner ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels des Leiterelements eine auf der Schmelze befindliche Schlacke und/oder eine Oberfläche der Schmelze durchstoßen wird. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieses Verfahren besonders einfach durchführbar, da das Leiterelement der Vorrichtung eine solche Biegesteifigkeit aufweist, die diesem die Durchstoßung der Schlacke und/oder der Oberfläche der Schmelze ermöglicht. Die Vorzüge dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstehend bereits ausführlich dargelegt worden. Das Verfahren ist dann besonders vorteilhaft, wenn an mehreren Stellen des Abstrahlbereichs des Leiterelements abstrahlende optische Signale nacheinander oder gleichzeitig erfasst werden. Auf diese Weise können im Zuge einer Messung, das heißt im Zuge einer einmaligen Verwendung des Leiterelements, mehrere Messwerte ermittelt werden und auf diese Art und Weise ein statistisches Mittel über die einzelnen Messewerte gebildet werden. Dies führt zu einer zunehmenden Verlässlichkeit der Aussage über die aktuell vorherrschende Temperatur der Schmelze. Die Verwendung eines zylindrischen Hohlkörpers als Leiterelement ist in diesem Zusammenhang besonders sinnvoll, da die kreisringförmige Abstrahlfläche typischerweise eine ausreichende Querschnittsfläche aufweist, so dass an mehreren Stellen die optischen Signale erfasst werden können. Besonders vorteilhaft ist ferner ein solches Verfahren, bei dem sowohl eine Temperatur der Schmelze bestimmt als auch eine chemische Analyse der Schmelze durchgeführt wird, wobei a) mittels eines Emitterelements, insbesondere eines Lasers, Strahlung, insbesondere Licht, in Richtung der Schmelze emittiert wird, b) mittels eines Detektorelements von der Schmelze ausgehende, als Folge der Strahlung auftretende optische Signale erfasst werden, c) von dem Detektorelement Signale an ein Auswertungselement geleitet werden und d) mittels des Auswertungselements die chemische Zusammensetzung der Schmelze bestimmt wird.
Auf diese Weise kann die Vorrichtung gleichzeitig zur Bestimmung der Temperatur der Schmelze und zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung derselben genutzt werden. Das zugrunde liegende Prinzip wurde vorstehend bereits erläutert. Die durchgeführte chemische Analyse umfasst typischerweise eine so genannte„vollständige Analyse" der Schmelze, das heißt die Bestimmung sämtlicher Anteile einzelner chemischer Elemente. Aufgrund der hohen Temperatur einer Schmelze ist zumindest ein Teil der Elemente bereits aus der emittierten Strahlung der Schmelze entnehmbar, die nicht gesondert mittels des Emitterelements angeregt wurde. Insoweit ist das Emitterelement zumindest für eine teilweise chemische Analyse der Schmelze nicht zwingend notwendig.
Das Verfahren ist dann besonders vorteilhaft, wenn die von dem Emitterelement emittierte Strahlung mittels des Leiterelements in Richtung der Schmelze geleitet wird und ebenso die von der Schmelze emittierte Strahlung mittels des Leiterelements wieder zurück in Richtung des Detektorelements geleitet wird. Ferner ist ein solches Verfahren besonders von Vorteil, bei dem mittels des Leiterelements eine Probe aus der Schmelze entnommen wird, wobei das Leiterelement ein Hohlkörper, vorzugsweise ein zylindrischer Hohlkörper, weiter vorzugsweise ein Quarzglasrohr ist, das an einem der Schmelze zugewandten Ende geöffnet ist, wobei a) ein der Schmelze zugewandter Eintauchabschnitt des Hohlkörpers in die Schmelze eingetaucht wird, b) ein Teil der Schmelze in den Hohlkörper geleitet wird und c) der Eintauchabschnitt des Hohlkörpers zusammen mit dem Teil der Schmelze aus der Schmelze entnommen wird. Dieses Verfahren ist insbesondere mittels eines hohlkörperförmigen Leiterelements besonders einfach durchführbar. Ein Eintritt der Probe in den Hohlkörper erfolgt
typischerweise„von allein" aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte. Dennoch ist es ohne Weiteres denkbar, überdies einen Unterdruck in dem Hohlkörper zu erzeugen und die Schmelze auf diese Weise in den Hohlkörper zu„saugen". Dies mag je nach Durchmesser des Hohlkörpers erforderlich sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu drei Funktionen gleichzeitig aufweisen. Diese lauten wie folgt:
• Bestimmung der Temperatur der Schmelze
• Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Schmelze
· Entnahme einer Probe aus der Schmelze
Für sämtliche drei Funktionen der Vorrichtung ist das erfindungsgemäße Leiterelement besonders vorteilhaft und gegenüber dem Stand der Technik sowohl in der Anwendung einfacher als auch in der Herstellung günstiger.
Ausgehend von einem Leiterelement der eingangs beschriebenen Art, welches ferner eine Biegesteifigkeit aufweist, so dass es für sich allein genommen dazu geeignet ist, die Schmelze einer Schlacke und/oder eine Oberfläche der Schmelze zu durchstoßen, wird die zugrunde liegende Aufgabe durch eine Beschichtung gelöst, die zumindest auf einer äußeren Mantelfläche und zumindest in dem distalen Endabschnitt des Leiterelements angeordnet ist, wobei mittels der Beschichtung eine elektromagnetische Strahlung absorbierbar ist. Die elektromagnetische Strahlung wird im vorliegenden Anwendungsfall typischerweise von Licht gebildet. Ein derartiges Leiterelement ist für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders gut geeignet. Die Vorteile einer Beschichtung sind vorstehend bereits erläutert.
Besonders vorteilhaft ist eine von Keramik gebildete Beschichtung, da diese den hohen Temperaturen einer Schmelze besonders gut standzuhalten vermag.
Ausführungsbeispiele Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das
erfindungsgemäße Leiterelement sind nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargstellt sind, näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2: Ein Detail eines erfindungsgemäßen geschlossenen Leiterelements,
Fig. 3: Ein Detail eines erfindungsgemäßen geöffneten Leiterelements und
Fig. 4: Ein Detail eines Abstrahlbereichs eines Leiterelements.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , die in Figur 1 dargestellt ist, umfasst ein erfindungsgemäßes Leiterelement 2, ein Detektorelement 3, eine Halteeinrichtung 4 und ein Auswertungselement 5. Die Vorrichtung 1 soll dazu genutzt werden, die Temperatur einer Schmelze 6 zu bestimmen, die sich einem Behälter 7 befindet. Oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels 8 der Schmelze 6 befindet sich eine Schlacke 9.
Das Leiterelement 2 ist an einem der Schmelze 6 zugewandten Ende der Halteeinrichtung 4 angeordnet. Bei dem Leiterelement 2 handelt es sich hier um ein Quarzglasrohr, das an einem der Schmelze zugewandten Ende mittels eines halbsphärischen Bodenteils 10 verschlossen ist. Das Leiterelement 2 ist mittels eines Schnellverschlusses 1 1 an dem der Schmelze zugewandten Ende der Halteeinrichtung 4 befestigt. Der Schnellverschluss 1 1 ist hier in Form eines Rastverschlusses ausgeführt, der es ermöglicht, das Leiterelement 2 werkzeuglos an der Halteeinrichtung 4 zu montieren beziehungsweise zu befestigen. Im Wesentlichen besteht die Befestigung des Leiterelements 2 an der Halteeinrichtung 4 aus einem„Anstecken" des Leiterelements 2 an die Halteeinrichtung 4. Eine freie Länge 12 des Leiterelements 2, die sich von einem mittels des Schnellverschlusses 1 1 gebildeten Auflager bis zu dem Bodenteil 10 des Leiterelements 2 erstreckt, beträgt hier 50 cm. Das Leiterelement 2 ist hohl, wobei dessen Wandung 13 im Querschnitt betrachtet eine Form eines Kreisrings aufweist. Ein Innendurchmesser 14 des Leiterelements beträgt hier 10 mm, während eine Dicke 15 der Wandung 13 des Leiterelements 2 ca. 1 ,0 mm beträgt. Somit ergibt sich eine
Querschnittsfläche des Leiterelements 2 von ca. π x ( 122 - 102) « 138 mm2 und eine
Schlankheit von 500/( 1 + 10+ 1 ) ~ 42. Alternativ ist es selbstverständlich ebenso möglich, das Leiterelement 2 mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auszubilden. Auch eine Ausbildung als Vollquerschnitt ist ohne Weiteres denkbar. Ein Flächenträgheitsmoment des kreisringförmigen Querschnitts berechnet sich hier zu lyy = A/4 x (ra 2 + n2) =
138/4 x (122 + 102) ~ 8430 mm4. Mit einem angenommenen Elastizitätsmodul von Glas von ca. E = 70.000 N/mm2 ergibt sich somit eine Biegesteifigkeit von El = 70.000 x 8430 = 590.100.000 Nmm2 ~ 59 x 107 Nmm2. Eine kritische Last, unter der das Leiterelement ausknicken würde, ergibt sich entsprechend zu Fk = (ττ2 x El) / ls 2, wobei eine so genannte Knicklänge ls aufgrund des statischen Systems des Leiterelements 2 (Kragträger) hier zu dem doppelten der freien Länge 12 angesetzt werden muss, also zu 2 x 50 cm = 100 cm = 1000 mm. Damit ergibt sich die kritische Last zu Fk = (π2 x 59 x 107) / 10002 ~ 5.820 N = 5,8 kN. Ein Durchstoßen der Schlacke 9, die sich auf der Schmelze 6 befindet, bedarf einer erheblich geringeren Kraft, so dass das Leiterelement 2 ohne Weiteres dazu geeignet ist, die Schlacke 9 allein, also ohne weitere aussteifende und/oder verstärkende Bauteile, zu durchstoßen und in die Schmelze 6 einzutauchen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Leiterelement 2 außerhalb der Schmelze 6 angeordnet. Eine Bestimmung der Temperatur der Schmelze 6 findet entsprechend in dem in Figur 1 gezeigten Moment nicht statt. Sobald allerdings das Leiterelement 2 in die Schmelze 6 eingetaucht wird, werden von der Schmelze 6 emittierte optische Signale in Form von Licht („Wärmestrahlung") in die Wandung 13 des Leiterelements 2 eintreten. Dies ist insbesondere in Figur 2 dargestellt, wobei in Figur 2 exemplarisch ein Strahlengang 16 eines Lichtstrahls gezeigt ist. An einem der Schmelze 6 abgewandten Ende des Leiterelements 2 ist selbiges flach abgeschnitten und geöffnet (vgl. Figur 4). An diesem Ende weist das Leiterelement 2 einen Abstrahlbereich 17 auf, der durch eine endseitige Stirnfläche des Leiterelements 2 gebildet ist. Die in der Wandung 13 des Leiterelements 2 geleiteten optischen Signale treten an dieser Stirnfläche des Leiterelements 2 aus.
Das Detektorelement 3 ist dazu geeignet, die von der Abstrahlbereich 17 des Leiterelements
2 ausgehenden optischen Signale zu erfassen. Dies ist insbesondere in Figur 4 dargestellt. Das hier gezeigte Detektorelement 3 weist eine Detektoroberfläche 18 in Form einer Sammellinse auf, die von dem Abstrahlbereich 17 des Leiterelements 2 ausgehende optische Signale bündelt und an eine optische Faser 19, typischerweise eine Glasfaser, übergibt. Die Darstellung gemäß Figur 4 ist gegenüber einer Optik eines handelsüblichen Detektorelements
3 stark vereinfacht. Typischerweise weist eine solche Optik vielmehr ein Linsensystem als eine einzelne Linse auf. Das Detektorelement 3 dient also gewissermaßen einer
Signalbearbeitung, indem es die von dem Leiterelement 2 ausgehenden optischen Signale erfasst und in Form von optischen Signalen weiterleitet. Eine Umwandlung - beispielsweise in elektrische Signale - ist ebenfalls denkbar, wird im gezeigten Beispiel allerdings nicht durchgeführt. Ein Abstand 20 zwischen dem Abstrahlbereich 17 des Leiterelements 2 und der Detektoroberfläche 18 des Detektorelements 3 ist hier zu 25 cm gewählt (vgl. Figuren 1 und 4). Das Detektorelement 3 ist entsprechend in einem der Schmelze 6 zugewandten
Endbereich der Halteeinrichtung 4 angeordnet.
Ausgehend von dem Detektorelement 3 werden Signale in Richtung des
Auswertungselements 5 geleitet. Im gezeigten Beispiel erfolgt dies mittels der optischen Faser 19. Das Auswertungselement 5 ist an einem der Schmelze 6 abgewandten Ende der Halteeinrichtung 4 angeordnet. Es dient dazu, die von dem Detektorelement 3 übermittelten Signale auszuwerten und eine Temperatur der Schmelze zu bestimmen.
Die Halteeinrichtung 4 ist tragbar. Sie weist eine Länge von 2 m auf und ist aus einem Metallrohr gebildet, welches einen Durchmesser von 3A" aufweist. An einem der Schmelze 6 abgewandten Ende der Halteeinrichtung 4 ist ein Tragegriff 21 angeordnet, mit dem die Halteeinrichtung 4 getragen werden kann. Insbesondere ist es mittels des Tragegriffs 21 für einen Anwender besonders einfach, die Halteeinrichtung 4 präzise zu führen und eine Temperaturmessung sicher durchzuführen.
Wie bereits erwähnt wurde, ist das in Figur 2 dargestellte Leiterelement 2 mittels des Bodenteils 10 an einem der Schmelze zugewandten Ende verschlossen. Auf diese Weise kann das Leiterelement 2 besonders einfach durch die Schlacke 9 gestoßen und in die Schmelze 6 eingetaucht werden, ohne dass sowohl Schmelze 6 als auch Schlacke 9 in einen Innenraum 22 des Leiterelements 2 eintreten können. Dies ist insbesondere dahingehend von Vorteil, als das Leiterelement 2 auf diese Weise lediglich von einem Außenbereich her mit einem heißen Medium beaufschlagt wird und es somit vermag, einer hohen thermischen Belastung der Schmelze 6 verhältnismäßig lange standzuhalten. Selbst solche Messungen, die eine
Zeitspanne von ca. 10 Sekunden benötigen, können mittels eines solchen Leiterelements 2 besonders einfach durchgeführt werden.
In Figur 3 ist ein alternatives erfindungsgemäßes Leiterelement 2' dargestellt, welches an dem der Schmelze 6 zugewandten Ende geöffnet ist. Derartige Leiterelemente 2' sind typischerweise im Bereich einer unterseitigen Eintrittsöffnung 23 mit einem nicht dargestellten Schutzelement temporär abgedichtet. Ein derartiges Schutzelement kann beispielsweise aus einem dünnen Metallblech gebildet sein. Es erfüllt lediglich die Funktion, dass im Zuge der Durchstoßung der Schlacke 9 mittels des Leiterelements 2' selbige nicht in den Innenraum 22 des Leiterelements 2' eintreten kann. Innerhalb einer kurzen
Aufenthaltsdauer des Schutzelements in der Schmelze 6 löst sich selbiges auf und gibt die Eintrittsöffnung 23 frei, so dass Schmelze in den Innenraum 22 des Leiterelements 2' eintreten kann.
Das Leiterelement 2' kann neben der bereits erläuterten Funktion der Leitung optischer Signale ferner zur Entnahme einer Probe der Schmelze genutzt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in dem Innenraum 22 des Leiterelements 2' ein Unterdruck aufgebaut wird, der dazu führt, dass ein Teil der Schmelze 6 in das Leiterelement 2' gesogen wird. In einem Abstand 24 von der Eintrittsöffnung 23 ist ein Stopperelement 25 angeordnet. Dies dient dazu, ein Aufsteigen der Schmelze 6 in dem Leiterelement 2' über ein gewünschtes Maß hinaus zu verhindern. Das Stopperelement 25 ist typischerweise so ausgebildet, dass es einen Durchtritt von Luft von einer Oberseite 26 des Stopperelements 25 zu dessen Unterseite 27 und umgekehrt zulässt, jedoch ein Durchtritt von Schmelze 6 in derselben Art nicht möglich ist. Es ist in dem Leiterelement 2 gehalten, indem ein äußerer Rand des Stopperelements 25 an eine innere Mantelfläche der Wandung 13 anschließt. Eine Verbindung zwischen dem äußeren Rand des Stopperelements 25 und der Mantelfläche des Leiterelements 2 muss dabei nicht zwingend vollständig umlaufend sein.
Im Zuge eines Herausziehens des Leiterelements 2' aus der Schmelze 6 wird folglich der in dem Leiterelement 2' befindliche Teil der Schmelze 6 mit aus der Schmelze 6 entnommen. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Leiterelement 2' als Probennehmer genutzt werden.
Bezugszeichenliste
I Vorrichtung
2, 2' Leiterelement
3 Detektorelement
4 Halteeinrichtung
5 Auswertungselement
6 Schmelze
7 Behälter
8 Flüssigkeitsspiegel
9 Schlacke
10 Bodenteil
I I Schnellverschluss
12 Länge
13 Wandung
14 Innendurchmesser
15 Dicke
16 Strahlengang
17 Abstrahlbereich
18 Detektoroberfläche
19 Faser
20 Abstand
21 Tragegriff Innenraum Eintrittsöffnung Abstand Stopperelement Oberseite Unterseite

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung ( 1 ) zur diskontinuierlichen Bestimmung mindestens eines Stoffparameters einer Schmelze (6), aufweisend eine Sonde, die mindestens ein Leiterelement (2) zur Leitung optischer Signale umfasst, eine Messeinrichtung, die ein Detektorelement (3) und ein Auswertungselement (5) umfasst, sowie eine Halteeinrichtung (4), wobei mittels des Detektorelements (3) die optischen Signale erfassbar und Signale an das Auswertungselement (5) leitbar sind, wobei die Sonde an einem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt der Halteeinrichtung (4) angeordnet ist und in einer Messposition vollständig oberhalb in unmittelbarer Nähe eines Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) oder teilweise mit einem der Schmelze (6) zugewandten
Eintauchabschnitt unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) positioniert ist und mittels des Leiterelements (2) die optischen Signale ausgehend von der Schmelze (6) in Richtung des Detektorelements (3) leitbar sind, wobei das
Leiterelement (2) von einem lang gestreckten Körper gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (2) stabförmig ausgebildet ist, wobei es zumindest in einem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt, vorzugsweise vollständig, eine solche Biegesteifigkeit aufweist, dass allein mittels des
Leiterelements (2) eine auf der Schmelze (6) befindliche Schlacke (9) durchstoßbar und/oder zumindest der der Schmelze (6) zugewandte Endabschnitt des
Leiterelements (2) allein in die Schmelze (6) eintauchbar ist.
2. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde mittels eines Schnellverschlusses werkzeuglos an der Halteeinrichtung (4) montierbar beziehungsweise werkzeuglos von der Halteeinrichtung (4) demontierbar ist.
3. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Querschnittsfläche des Leiterelements (2) zumindest in dem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt mindestens 10 mm2, vorzugsweise mindestens 50 mm2, weiter vorzugsweise mindestes 100 mm2, beträgt.
4. Vorrichtung ( 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (2) zumindest in einem der Schmelze (6) zugewandten Endabschnitt ein Hohlkörper, vorzugsweise ein zylindrischer Hohlkörper, weiter vorzugsweise ein Quarzglasrohr, ist, wobei vorzugsweise ein Innendurchmesser ( 14) des Hohlkörpers zwischen 1 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, weiter vorzugsweise zwischen 3 mm und 10 mm, beträgt und weiter vorzugsweise eine Wandung ( 13) des Hohlkörpers eine Dicke ( 15) von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 0,75 mm, weiter vorzugsweise mindestens 1 ,0 mm, aufweist.
5. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper entweder an einem der Schmelze (6) zugewandten Ende, vorzugsweise mittels eines halbsphärischen oder kegelförmigen Bodenteils ( 10), verschlossen oder an einem der Schmelze (6) zugewandten Ende geöffnet ist.
6. Vorrichtung ( 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde neben dem mindestens einen Leiterelement (2) ferner mindestens einen Schutzkörper umfasst, mittels dessen das Leiterelement (2) zumindest teilweise eingefasst ist. 7. Vorrichtung ( 1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) tragbar ausgeführt ist, insbesondere die Halteeinrichtung (4) einen Tragegriff (21 ) aufweist, der vorzugsweise an einem der Schmelze (6) abgewandten Ende der Halteeinrichtung (4) angeordnet ist.
Vorrichtung ( 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein
Emitterelement zur Emission einer Strahlung, insbesondere ein Laser zur Emission von Licht, in Richtung der Schmelze (6), wobei von der Schmelze ausgehende optische Signale, die als Folge einer Anregung der Schmelze (6) mittels der emittierten Strahlung auftreten, mittels eines Detektorelements erfassbar sind, wobei die von der Schmelze (6) ausgehenden optischen Signale vorzugsweise mittels des Leiterelements (2) in Richtung des Detektorelements leitbar sind und vorzugsweise die von dem Emitterelement ausgehende Strahlung mittels des Leiterelements (2) in Richtung der Schmelze (6) leitbar ist.
9. Vorrichtung ( 1) nach einem er Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Mantelfläche des stabförmigen Leiterelements (2) zumindest in einem der Schmelze abgewandten Leitabschnitt mit einer Beschichtung beschichtet ist, mittels derer elektromagnetische Strahlung absorbierbar ist, wobei die Beschichtung vorzugsweise von Keramik gebildet ist.
0. Verfahren zur diskontinuierlichen Bestimmung mindestens eines Stoffparameters einer Schmelze (6) mittels einer Sonde, die mindestens ein Leiterelement (2) zur Leitung optischer Signale umfasst, einer Messeinrichtung, die ein Detektorelement (3) und ein Auswertungselement (5) umfasst, sowie einer Halteeinrichtung (4), wobei das
Detektorelement (3) und die Sonde an der Halteeinrichtung (4) angeordnet sind, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: a) Die Sonde wird entweder vollständig oberhalb in unmittelbarer Nähe eines Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) oder teilweise mit einem der
Schmelze (6) zugewandten Eintauchabschnitt unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels (8) der Schmelze (6) positioniert. b) Von der Schmelze (6) ausgehende optische Signale werden mittels des
Leiterelements (2) in Richtung des Detektorelements (3) geleitet. c) Mittels des Detektorelements (3) werden die von dem Leiterelement (2)
geleiteten optischen Signale, die von einem Abstrahlbereich ( 17) des Leiterelements (2) abstrahlen, erfasst und es werden Signale an das Auswertungselement (5) weitergeleitet. d) Mittels des Auswertungselements (5) werden die von dem Detektorelement (3) weitergeleiteten Signale ausgewertet und eine Temperatur der Schmelze (6) bestimmt. gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt: e) Mittels des Leiterelements (2) wird eine auf der Schmelze (6) befindliche
Schlacke (9) und/oder eine Oberfläche der Schmelze (6) durchstoßen.
1. Verfahren nach Anspruch 10, wobei bei der Bestimmung einer chemischen
Zusammensetzung der Schmelze (6) a) mittels eines Emitterelements, insbesondere eines Lasers, Strahlung in
Richtung der Schmelze (6) emittiert wird, b) mittels eines Detektorelements von der Schmelze (6) ausgehende, als Folge der Anregung der Schmelze (6) mittels der emittierten Strahlung auftretende optische Signale erfasst werden, c) von dem Detektorelement Signale an ein Auswertungselement geleitet werden und d) mittels des Auswertungselements die chemische Zusammensetzung der
Schmelze (6) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass e) die als Folge der Strahlung auftretenden, von der Schmelze (6) ausgehenden optischen Signale mittels des Leiterelements (2) in Richtung des Detektorelements geleitet werden und vorzugsweise von dem Emitterelement ausgehende Strahlung mittels des Leiterelements (2) in Richtung der Schmelze geleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Leiterelements (2) eine Probe aus der Schmelze (6) entnommen wird, wobei das Leiterelement (2) ein Hohlkörper, vorzugsweise ein zylindrischer Hohlkörper, weiter vorzugsweise ein Quarzglasrohr ist, das an einem der Schmelze (6) zugewandten Ende geöffnet ist, wobei a) ein der Schmelze (6) zugewandter Eintauchabschnitt des Hohlkörpers in die Schmelze (6) eingetaucht wird, b) ein Teil der Schmelze (6) in den Hohlkörper geleitet wird und c) der Eintauchabschnitt des Hohlkörpers zusammen mit dem Teil der Schmelze (6) aus der Schmelze (6) entnommen wird.
13. Leiterelement (2) zur Leitung optischer Signale von einer Schmelze (6) in Richtung einer Messeinrichtung, mit der mindestens ein Stoffparameter der Schmelze (6) bestimmbar ist, wobei das Leiterelement (2) von einem stabförmigen, lang gestreckten Körper gebildet ist und zumindest in einem distalen Endabschnitt, vorzugsweise vollständig, eine solche Biegesteifigkeit aufweist, dass allein mittels des
Leiterelements (2) eine auf der Schmelze (6) befindliche Schlacke (9) durchstoßbar und/oder zumindest der der Schmelze (6) zugewandte Endabschnitt des
Leiterelements (2) allein in die Schmelze (6) eintauchbar ist, gekennzeichnet durch eine Beschichtung, die zumindest auf einer äußeren Mantelfläche und zumindest in dem distalen Endabschnitt des Leiterelements (2) angeordnet ist, wobei mittels der Beschichtung eine elektromagnetische Strahlung absorbierbar ist.
14. Leiterelement (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung von Keramik gebildet ist.
15. Leiterelement (2) nach Anspruch 13 oder 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Leiterelement (2) zumindest in dem distalen Endabschnitt ein Hohlkörper,
vorzugsweise ein Quarzglasrohr, ist, wobei vorzugsweise ferner eine innere
Mantelfläche des Leiterelements (2) die Beschichtung aufweist.
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