專利名稱：熔融材料的分析方法與裝置及浸沒式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法分析高溫熔融材料的方法，所述的方法尤其適用于分析熔融金屬，如鐵水或鋼水，也可用于分析爐渣、玻璃、熔巖或其他具有高溫的液態(tài)材料。本發(fā)明還涉及一種采用本發(fā)明的方法，利用光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法進(jìn)行分析的新裝置。另外，本發(fā)明還涉及一種浸沒式傳感器，用于分析熔融材料，特別是金屬、爐渣、熔巖熔化物，或是玻璃，該傳感器包括一個(gè)浸沒式承載器，一個(gè)輻射檢測(cè)器，一個(gè)用于讀出和進(jìn)一步傳送輻射的輻射導(dǎo)向系統(tǒng)，以及一個(gè)位于浸沒式承載器上或其內(nèi)部的信號(hào)接口。
背景技術(shù)：
本發(fā)明優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橐簯B(tài)金屬、熔巖、玻璃液或爐渣液的分析，所列舉的材料部分地或全部地處在熔化狀態(tài)，所說的材料還包括其他難熔的熔融材料。
在對(duì)高溫熔融物質(zhì)的成分進(jìn)行分析時(shí)，也就是具有300℃以上溫度，如鋼水、熔融鋁、玻璃液或者是熔化的熔巖，其應(yīng)用范圍十分廣泛。通常采用的方法需要提取一份樣品，首先冷卻上述樣品，然后待部分地或完全地冷卻后，對(duì)所說的樣品實(shí)施各種分析程序。
可以選擇使用不同的分析方法，這種選擇基于合成物的成分要進(jìn)行定性分析或定量分析。上述選擇受到與工況相關(guān)的實(shí)際形態(tài)控制，比如被分析材料呈現(xiàn)的物理形態(tài)(鋼鐵冶煉爐中的鋼液、熔爐中的難熔材料液體、暖爐中的玻璃液、或者火山中的熔巖)，以及預(yù)定的操作模式(實(shí)際接近材料的方法，分析場(chǎng)地所在的環(huán)境，取得分析程序的結(jié)果前可利用的時(shí)間)。
本說明書是出于說明的目的，其關(guān)注的范圍是熔融態(tài)金屬的分析，同時(shí)保留將所述方法應(yīng)用于其它高溫熔融材料。
在對(duì)熔融金屬進(jìn)行分析的背景技術(shù)中，發(fā)射光譜法是最普遍采用的技術(shù)，這是因?yàn)樯鲜龇椒ú僮魇挚旖?，只需非常少的樣品?zhǔn)備工作，并且能夠?qū)Υ罅康慕M成成分同時(shí)進(jìn)行劑量分析。發(fā)射光譜法基于這樣的事實(shí)，那就是要在某種程度上激發(fā)被分析材料，所說的程度是指材料的組成成分實(shí)現(xiàn)離子化。隨后在一個(gè)分光計(jì)中分析所發(fā)射的輻射，該分光計(jì)根據(jù)所涉及的材料將上述輻射分成不同波長(zhǎng)。不同類型的分光計(jì)之間存在著一些差別，其中，在所述領(lǐng)域內(nèi)正在被討論的最普遍的分光計(jì)要么配備光電倍增檢測(cè)器，要么配備CCD系統(tǒng)(電荷耦合器件)，要么配備CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)。上述使用發(fā)射光譜法進(jìn)行分析的裝置既是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，或是用于分析固體的便攜式設(shè)備。
上述光譜分析法產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是公知的，由于上述方法能夠使金屬加工的整個(gè)生產(chǎn)鏈得到跟蹤、控制以及監(jiān)控，因此在工業(yè)中普遍地使用上述方法。在追求利潤(rùn)率的壓力下，自然有必要研究最簡(jiǎn)單、最快速的方法，所述方法相對(duì)于制造過程所產(chǎn)生的利潤(rùn)率，與之相稱所付出的成本是最少的。
在上述利潤(rùn)率的研究中，針對(duì)液態(tài)金屬的定量分析已研究出多種方法，而且都省略了樣品的采集，此外上述幾種方法目前正在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)展，或者在所述技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，正在試產(chǎn)線上或快或慢地快速發(fā)展的試驗(yàn)過程中。
本方法包括遠(yuǎn)距離激發(fā)所說的物質(zhì)，例如使用一束激光束，通過該方法，所說的物質(zhì)由于激光束的激發(fā)而發(fā)射出感應(yīng)輻射，該感應(yīng)輻射由一個(gè)發(fā)射分光計(jì)進(jìn)行分析，其中后者分光計(jì)或遠(yuǎn)或近地遠(yuǎn)離被分析的熾熱物質(zhì)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的可能性進(jìn)行實(shí)際放置，比如鋼廠的生產(chǎn)環(huán)境。來自于被分析物質(zhì)的輻射可以通過不同的方式導(dǎo)向分光計(jì)，諸如通過一根光纖、一個(gè)望遠(yuǎn)鏡等等。
眾所周知，當(dāng)前發(fā)展所處的階段是，對(duì)上述使用基于CCD技術(shù)的檢測(cè)器的分光計(jì)進(jìn)行小型化和簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，這種分光計(jì)的成本應(yīng)足夠低廉，在某種生產(chǎn)背景下能夠進(jìn)行產(chǎn)生利益的工業(yè)應(yīng)用。前面列舉的不同技術(shù)，既有那些已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)，又有那些目前尚在發(fā)展的技術(shù)，這些技術(shù)都基于一個(gè)被放置在分析目標(biāo)外面的元件，以便產(chǎn)生所說的激發(fā)，這種激發(fā)造成了用于光譜測(cè)定的輻射。目前，所說的激發(fā)經(jīng)常需要使用一臺(tái)激光器，該激光器放置在分析對(duì)象的附近，比如放在轉(zhuǎn)爐的金屬槽上。另外，該激光器同時(shí)需要不同的目標(biāo)瞄準(zhǔn)裝置，以便引導(dǎo)所說的激光束。
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可以確定的是，熔融金屬生產(chǎn)場(chǎng)所周圍的環(huán)境狀況，如鋼鐵廠的周圍環(huán)境，以及與所說的分析火山四周的熔巖所對(duì)應(yīng)的環(huán)境，該環(huán)境相對(duì)于那些監(jiān)控設(shè)備而言是非常具有侵蝕性的，其中，在上述連接裝置中，尤其光學(xué)設(shè)備是敏感的。其結(jié)果是，上述激光設(shè)備的使用出現(xiàn)一系列技術(shù)問題，此外，對(duì)于使用激光器設(shè)備進(jìn)行激發(fā)的光譜測(cè)定分析法，其在廣泛而充分的工業(yè)應(yīng)用中的任何相關(guān)應(yīng)用，常常容易發(fā)生意外事故，因此使得這種應(yīng)用變得十分困難，上述激光器設(shè)備包括能夠發(fā)射所說的輻射。
正如分析熔融材料所用到的浸沒式傳感器的技術(shù)，在WO03/081287A2中是公知的。其中披露了一種承載管，該承載管浸沒在熔融鋁中。在承載管中安置了一個(gè)透鏡系統(tǒng)。一根光纖布置在承載管的上端部，其連接著一套光學(xué)系統(tǒng)，一端是一臺(tái)光譜攝譜儀，另一端是一臺(tái)激光器。從熔化體發(fā)射出的輻射經(jīng)上述光纖導(dǎo)向光譜攝譜儀，在那里對(duì)輻射進(jìn)行分析，以便得出與熔融鋁成分相關(guān)的分析結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種利用光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法對(duì)熔融材料進(jìn)行分析的改良方法，該方法尤其用來分析熔融金屬，比如鑄鐵或鋼，但是該方法也適用于分析爐渣、玻璃、熔巖或其他高溫液態(tài)材料。
根據(jù)本發(fā)明的獨(dú)立權(quán)利要求的特征，提供解決本發(fā)明目的的方法。從從屬權(quán)利要求中得出優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法分析熔融材料的方法，所述方法尤其用來分析熔融金屬，比如鑄鐵或鋼，但該方法也適用于分析爐渣、玻璃、熔巖，或者其他具有300℃以上溫度最好是500℃以上溫度的液態(tài)材料，在分析過程中使用一個(gè)所謂的“傳感元件”，它包括至少一個(gè)發(fā)射分光計(jì)，主要特點(diǎn)有一個(gè)傳感元件配備至少一個(gè)激發(fā)裝置，用于實(shí)現(xiàn)被分析材料的激發(fā)，并且能夠使一輻射束形成部分或全部的輻射，以便通過上述傳感元件中的分光計(jì)進(jìn)行分析；將上述傳感元件放進(jìn)被分析材料中，并與被分析材料接觸；讀出信息，該信息被指定為一個(gè)分析信號(hào)，通過上述傳感元件發(fā)出，所述信號(hào)發(fā)出時(shí)間介于傳感元件接觸被分析熔融材料，和傳感元件在上述材料中熔化銷毀的時(shí)間段內(nèi)，所傳送的信息包含傳感元件中的分光計(jì)所產(chǎn)生的分析要素；以及從上述傳送的分析信號(hào)中，不管直接讀出還是日后再處理，至少可以得出被分析材料成分的部分化學(xué)元素。
由于在實(shí)施上述分析時(shí)，上述方法中用到的上述傳感元件，不僅包括一個(gè)發(fā)射分光計(jì)，而且包括一臺(tái)激發(fā)裝置，用于實(shí)現(xiàn)上述被分析材料的激發(fā)，以及形成一部分或全部的上述輻射，以便由所涉及的分光計(jì)對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)上述傳感元件的使用意味著，對(duì)有關(guān)使用外部激發(fā)裝置如激光器而引起的問題提供一個(gè)解決方案，上述激光器放置在被分析材料的附近。因此，上述方法包括使用一個(gè)讓被分析材料自激發(fā)的裝置，以便被分析材料發(fā)射出一條放射光譜，上述光譜由一個(gè)局部分光計(jì)進(jìn)行分析，也就是說，通過一個(gè)在上述元件中出現(xiàn)的分光計(jì)，上述元件被放進(jìn)被分析熔融材料中，并與熔融材料接觸。這些內(nèi)置的自激發(fā)裝置整體形成一個(gè)傳感元件，該傳感元件是一個(gè)一次性使用或者可反復(fù)使用的傳感器。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使用一種調(diào)制技術(shù)，以便將上述實(shí)際工況考慮在內(nèi)，例如在測(cè)量和控制技術(shù)中所用的所謂基準(zhǔn)輻射的測(cè)量法。在沒有激發(fā)所說的被分析材料的情況下，最好對(duì)上述材料發(fā)出的光譜進(jìn)行至少一次測(cè)量。在對(duì)被分析材料進(jìn)行激發(fā)后，通過上述方法所取得的基準(zhǔn)輻射的光譜，需要減去由上述傳感元件所讀出的光譜。在上述操作結(jié)果的基礎(chǔ)上，由上述傳感元件傳送一個(gè)不受上述基準(zhǔn)輻射約束的分析信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明方法的又一個(gè)實(shí)施例，在上述激發(fā)被分析材料的步驟之前，對(duì)被分析材料的溫度進(jìn)行至少一次測(cè)量，以便校正由上述傳感元件所傳送的信號(hào)。在沒有上述溫度約束的情況下，在激發(fā)被分析材料后，必須考慮到上述材料的放射線上所表現(xiàn)的特征(波長(zhǎng)、振幅、帶寬)的任何偏差。
根據(jù)本發(fā)明方法的再一個(gè)實(shí)施例，還需要對(duì)上述被分析場(chǎng)所的空間位置進(jìn)行至少一次測(cè)量，以便評(píng)價(jià)上述某種測(cè)量法選擇的相關(guān)度。這其中包括確保所說的測(cè)量沒有任何方位要求，例如在槽邊緣或者在氧化表面的附近。對(duì)位于這些位置的材料進(jìn)行分析時(shí)所存在的危險(xiǎn)，并不代表對(duì)位于槽內(nèi)的材料進(jìn)行分析時(shí)也存在危險(xiǎn)。
根據(jù)本發(fā)明方法的另外一個(gè)實(shí)施例，它還提供了至少一個(gè)激發(fā)裝置，用于產(chǎn)生一次電激發(fā)；該激發(fā)裝置最好包括至少一個(gè)電荷電容器，該電容器配備一個(gè)中斷裝置。所述電容器可選擇由一個(gè)電池供電，并能夠產(chǎn)生1到2000次放電，其中每次放電必須持續(xù)至少10毫微秒(十億分之一秒)，強(qiáng)度至少為0.01安培。
根據(jù)本發(fā)明方法的另外一個(gè)實(shí)施例，它還提供了至少一個(gè)激發(fā)裝置，用于產(chǎn)生化學(xué)激發(fā)，優(yōu)選所用的液體量最好不超過1000毫升(ml)，該激發(fā)裝置被放進(jìn)被分析材料中，并與其接觸，通過這樣一種方式，產(chǎn)生高能量的化學(xué)反應(yīng)結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被分析材料的激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生輻射，這種輻射通過所說的傳感元件中的分光計(jì)進(jìn)行分析，其中上述反應(yīng)最好是爆發(fā)性的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明方法的另外一個(gè)實(shí)施例，上述激發(fā)裝置還包括一個(gè)用于盛放上述化學(xué)反應(yīng)激發(fā)所用的液體的容器，其目的是，調(diào)節(jié)被分析材料與所涉及的上述激發(fā)裝置或激發(fā)材料之間的接觸持續(xù)時(shí)間，從而有選擇性地控制上述分光計(jì)的一個(gè)或多個(gè)零件的銷毀，以及隨后的銷毀，上述分光計(jì)是在分析地點(diǎn)所具有的，用來分析所說的輻射束。在上述情況下，它還包括將容器用作激發(fā)裝置，其中后者配備了一個(gè)稱之為防爆閥的裝置，該裝置由某種金屬或某種合金金屬制成，其熔點(diǎn)溫度超出了被分析金屬的熔點(diǎn)溫度至少10℃，例如在使用ULC鋼的情況下，上述閥就可以使用一種含有鎢的鋼。
根據(jù)本發(fā)明方法的另外一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中被分析材料是一種熔融金屬，所說的激發(fā)裝置實(shí)質(zhì)上是化學(xué)制品，其使用某種液體，最好是水，其中液體的最少使用量最好為0.01毫升。
本發(fā)明還涉及一種實(shí)施本發(fā)明方法的裝置。該裝置主要表現(xiàn)的特點(diǎn)是，上述傳感元件被放進(jìn)上述被分析熔融材料中并與其相接觸，該傳感元件包括一個(gè)外套，該外套至少部分地包圍上述傳感元件，其中，上述外套最好用可溶性材料(在工況下)制成，最好是蛭石。根據(jù)上述裝置的一個(gè)實(shí)際實(shí)施例，上述外套呈幾何形狀排列布置，以便延遲熔液對(duì)上述傳感元件的銷毀，其中，這種幾何排列最好是改善上述分光計(jì)傳感部分的接觸區(qū)域，其被放進(jìn)上述被分析材料中，最好是熔融金屬，與其相接觸。根據(jù)上述裝置的另外一個(gè)實(shí)施例，上述被放進(jìn)被分析熔融金屬中并與其接觸的元件，包含在一個(gè)內(nèi)部環(huán)境可以控制的外殼內(nèi)，其中上述外殼包含一種氣體或一種氣體混合物，最好含有氮和/或氬，或者被抽成真空，在真空狀態(tài)下最好具有至少為10-1mm Hg+/-10％的氣壓。
本發(fā)明不需要現(xiàn)有的外部設(shè)備(激光器或其他裝置)，以便能夠激發(fā)被分析對(duì)象的材料。采用本發(fā)明的方法，使上述用于光譜測(cè)定分析的設(shè)備可以簡(jiǎn)單化，并降低相關(guān)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。
另外，本發(fā)明目的還提供了一種用于分析的浸沒式傳感器，尤其針對(duì)熔融金屬，所述傳感器包括一個(gè)浸沒式承載器，一個(gè)輻射檢測(cè)器，一個(gè)用于讀出和進(jìn)一步傳送輻射的輻射導(dǎo)向系統(tǒng)，以及一個(gè)位于浸沒式承載器上或其內(nèi)部的信號(hào)接口，因此上述輻射檢測(cè)器和至少一部分輻射導(dǎo)向系統(tǒng)位于浸沒式承載器上或其內(nèi)部，而且上述信號(hào)接口與上述輻射檢測(cè)器連接。值得注意的是，上述結(jié)構(gòu)使后面的信號(hào)傳送變得簡(jiǎn)單，由于從所述熔融金屬發(fā)出的光學(xué)輻射已經(jīng)可以在上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此上述電信號(hào)可以用許多不同的方法再次傳送。上述輻射檢測(cè)器不再需要安排長(zhǎng)期使用，在測(cè)量結(jié)束后，該輻射檢測(cè)器失去了其功能，因而其結(jié)構(gòu)可以十分簡(jiǎn)單，并具有成本效益。由此對(duì)于上述輻射檢測(cè)器的維護(hù)也就不再需要了。
上述輻射檢測(cè)器最好配有一個(gè)讀出上述輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，尤其將該輻射檢測(cè)器設(shè)計(jì)成，用于讀出和將可見光、紫外線、紅外線、X射線和/或微波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這是可行的。上述輻射檢測(cè)器允許讀出所有類型的光輻射或其他輻射，用于分析所說的熔體。這一點(diǎn)特別有利于將浸沒式承載器構(gòu)建成一根管子，在該管子內(nèi)布置不同的部件，這樣就能在運(yùn)輸過程中更好地確保保護(hù)好不同的部件。同時(shí)也有利于利用某種材料，尤其某種生物材料，制作上述浸沒式承載器，這種材料在熔融金屬中會(huì)被銷毀掉。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，將所述信號(hào)接口制作成一個(gè)電子或光學(xué)的耦合器，或者一個(gè)發(fā)射裝置(用于對(duì)信號(hào)的有線或無線傳送)。與之相對(duì)應(yīng)，本發(fā)明使下列內(nèi)容變?yōu)榭赡?，將外部碰撞光信?hào)耦合進(jìn)上述輻射導(dǎo)向系統(tǒng)，對(duì)源自上述輻射檢測(cè)器的信號(hào)(電信號(hào)或光信號(hào))，通過連接線或連接電纜，或者甚至通過發(fā)射裝置的空中傳送進(jìn)行再次傳送。尤其是，本發(fā)明方法使下面內(nèi)容變?yōu)榭赡?，所述浸沒式承載器在使用后很容易與外部系統(tǒng)斷開，并被除去，通過所述耦合器，將一個(gè)新的浸沒式承載器與連接線連接，該連接線連接至外部系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)、輻射調(diào)配激光器、放射分隔器，或其他系統(tǒng))。上述承載器最好連接在一個(gè)機(jī)械耦合器上，最好是作為一種固定式承載器的附件。該固定式承載器常見于冶金工業(yè)中，用于固定測(cè)量裝置。信號(hào)線在該固定式承載器中延伸。在上述信號(hào)接口構(gòu)造為發(fā)射裝置的情況下，從上述輻射檢測(cè)器發(fā)出的信號(hào)可以通過無線電通信傳送到一臺(tái)計(jì)算機(jī)。在這里，本發(fā)明基本上還可以提供對(duì)上述輻射檢測(cè)器作為一個(gè)部分的信號(hào)評(píng)價(jià)，以便只對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行重新傳送。本發(fā)明也可以將到達(dá)上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。在這種情況下，到達(dá)浸沒式承載器上的信號(hào)可以通過無線電通信進(jìn)行無線和非有線傳送，其中，上述無線電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。這使得無接觸式測(cè)量成為可能。上述傳感器與上述評(píng)價(jià)裝置間的固定連接，或信號(hào)調(diào)配裝置將是多余的，因此本發(fā)明方法能夠?yàn)樯鲜瞿康奶峁┮恍┳銐虍a(chǎn)生成本效益的、小型的、功能強(qiáng)大的零件。
在上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部，布置一個(gè)用于信號(hào)評(píng)價(jià)的信號(hào)放大器和/或處理器是有利的，另外，為上述輻射導(dǎo)向系統(tǒng)配備光學(xué)透鏡和/或磁透鏡、光纖、鏡子、一個(gè)火花放電孔、和/或遮光器將更為有利。同時(shí)，在上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部布置用于產(chǎn)生火花放電的裝置，或者一個(gè)不同的輻射發(fā)射系統(tǒng)也是可行的。優(yōu)選地，在上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部可以布置一個(gè)光學(xué)分光計(jì)、一個(gè)X射線分光計(jì)和/或一個(gè)聚焦分光計(jì)。
本發(fā)明可以在上述浸沒式承載器上或其內(nèi)部配置一個(gè)導(dǎo)氣裝置，利用該導(dǎo)氣裝置，被分析的熔融材料的表面可被吹干凈，這樣上述輻射可以聚焦在被分析材料的表面，或者在其表面產(chǎn)生火花。
在上述承載器結(jié)構(gòu)為管子的情況下，在該管子內(nèi)部配置一個(gè)導(dǎo)氣裝置是明智的，這樣就可以防止熔融材料滲透進(jìn)該管子內(nèi)，超過上述浸沒式傳感器的浸沒面。尤其對(duì)于在高溫時(shí)呈熔化狀的材料，比如冰晶石熔化物、鐵水或鋼水，或者甚至是玻璃液、熔巖、熔化銅，都可采用上述所描述的方法進(jìn)行分析。


在下文中，利用附圖通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。在附圖中圖1表示一種基本結(jié)構(gòu)/方法。
圖2表示一種可選的結(jié)構(gòu)/方法。
圖3表示本發(fā)明方法的另外一種實(shí)施例。
圖4是一種浸沒式傳感器浸在熔融金屬液中的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，其示意性地示出了處在發(fā)展階段或工業(yè)試產(chǎn)階段的方法。在此圖中可見，所說的金屬1或任何被分析的固態(tài)或液態(tài)材料，位于一個(gè)容器7中，一個(gè)激光器2，其光束3打在所說的金屬1上，并實(shí)現(xiàn)對(duì)那里的加熱，這樣輻射4就從那里發(fā)射出，其中輻射4至少部分地導(dǎo)向一個(gè)分光計(jì)5，該分光計(jì)5與不同的分析和/或信號(hào)處理系統(tǒng)6連接，分光計(jì)5能夠?qū)崿F(xiàn)輻射4中所包含的信息/分析信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以便從那里得到上述金屬1的分析。
如圖2所示，其示意性地示出了另一種方法，該方法可用于一種熔融金屬液的分析。在此圖中可見，被分析材料是盛放在容器7中的金屬液，隨同一起的還有一個(gè)CCD分光計(jì)，該分光計(jì)被放進(jìn)上述金屬液1中，并與其接觸，其中分光計(jì)8在上述被分析金屬液1中經(jīng)過一段時(shí)間的熔化后被銷毀了。上述分光計(jì)8配備一臺(tái)輻射檢測(cè)器，其中輻射可能首先利用光柵或晶體分成不同的組成部分。上述檢測(cè)器可以是CCD檢測(cè)器或類似的檢測(cè)器，該檢測(cè)器配備一個(gè)發(fā)射裝置，用于將所述檢測(cè)器提供的數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)天線10，用于在匹配的分析和/或信息處理系統(tǒng)6中作進(jìn)一步分析和/或運(yùn)行處理。
對(duì)圖2中所示裝置的使用需要繼續(xù)進(jìn)行說明的是，使用所述的激發(fā)裝置2，對(duì)被分析金屬液1進(jìn)行某種激發(fā)，該激發(fā)裝置通常是一個(gè)激光器，激光器發(fā)出激光束3，激光束3打在位于分光計(jì)8附近的金屬液1的某一局部區(qū)域，這樣，分光計(jì)8便讀出并分析上述輻射，該輻射由上述激發(fā)激光器2發(fā)出激光束3進(jìn)行激發(fā)，并來源于上述金屬液1。上述分光計(jì)8運(yùn)行分析的結(jié)果通過傳送通道9例如通過無線波的形式或通過有線波的形式，傳送到讀出裝置/天線10，該讀出裝置是用來存儲(chǔ)所述的信息/分析信號(hào)，或者用于再次傳送至分析和/或信號(hào)處理系統(tǒng)6，該信號(hào)處理系統(tǒng)6能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)上述激發(fā)的輻射所作分析的轉(zhuǎn)換，以確定上述金屬液的化學(xué)成分。上述整個(gè)分析和傳送過程的執(zhí)行，當(dāng)然是在上述分光計(jì)8被熔化毀壞前完成的。
為了對(duì)圖3中所示的上述金屬1進(jìn)行分析，上述金屬液被盛放在容器7中，該容器7最好是一個(gè)轉(zhuǎn)爐，一個(gè)鋼廠坩堝，或是一個(gè)熔化爐及/或還原爐，一個(gè)傳感元件11被放置在上述爐中。該傳感元件11包括至少一個(gè)分光計(jì)和一個(gè)讓上述金屬自激發(fā)的裝置，該金屬被認(rèn)為是要進(jìn)行分析的熔液1。當(dāng)上述傳感元件11與上述被分析熔液1接觸時(shí)，于是所說的激發(fā)通過手動(dòng)地、自動(dòng)地或其他方式進(jìn)行觸發(fā)。通過所述讀出裝置/天線10，讀出來源于上述傳感元件11的信號(hào)9，該信號(hào)9可以通過一個(gè)分析和/或信號(hào)處理系統(tǒng)6進(jìn)行處理，這種系統(tǒng)6對(duì)傳感元件11上的分光計(jì)所完成的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于省略了上述傳感元件之外的任何激發(fā)裝置，其結(jié)果是使上述裝置簡(jiǎn)化了，上述傳感元件被放進(jìn)所說的液態(tài)金屬中，并與其接觸。只有上述裝置保留了用于將上述傳感元件放進(jìn)金屬液中的裝置，以及通過無線電通信或有形的通信，如電纜連接線，用于恢復(fù)源自上述傳感元件的數(shù)據(jù)的裝置。
如圖4所示，在本發(fā)明所述實(shí)施例中，一個(gè)浸沒式傳感器部分地浸入一個(gè)盛有鐵水1的容器/爐7中。浸沒式承載器12的結(jié)構(gòu)為一根紙板狀管子，在該管子內(nèi)布置了所述的輻射導(dǎo)向系統(tǒng)、一面單通道的鏡子13和一個(gè)透鏡14。另外，在上述管子中還布置了一個(gè)分光計(jì)8，該分光計(jì)8讀出來自鐵水1的輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)通過信號(hào)線15再次傳送到一個(gè)耦合器16。該耦合器16用于連接上述浸沒式傳感器和外部電源系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一個(gè)激光源通過一根光纖17連接到上述連接器/耦合器16上，信號(hào)電纜18將浸沒式傳感器與一臺(tái)電腦連接，一根導(dǎo)氣線19能夠?qū)崿F(xiàn)向上述管子內(nèi)(浸沒式承載器12)輸送氣體。該管子本身是在耦合器16與鐵水1之間的導(dǎo)氣線。上述光纖17連接到一個(gè)光孔徑20。激光穿過光孔徑20，由鏡子13和透鏡14聚焦至鐵水1上。從鐵水1上反射出的光通過鏡子13導(dǎo)向上述分光計(jì)8的信號(hào)進(jìn)口。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，鏡子13結(jié)構(gòu)為單通道鏡子。
除了上述這些具體描述的實(shí)施例以外，上面已描述到的實(shí)施例同樣是可能的。在上述管子遠(yuǎn)離浸入端的一端，插入一個(gè)固定式承載器，在浸入過程中上述管子固定在該固定式承載器上。
利用發(fā)射光譜法的上述分析方法可用于的工業(yè)領(lǐng)域是眾多的，并且不僅僅局限于鋼廠的處理操作，也可用于監(jiān)測(cè)分析其他冶金熔液的組成成分，還可應(yīng)用于電鍍時(shí)金屬分離的熔液。有可能顯著地提高生產(chǎn)率，這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)過程在任何時(shí)間都不能中斷，要求及時(shí)通過光學(xué)發(fā)射光譜法來完成分析，這樣就不會(huì)浪費(fèi)任何時(shí)間。
權(quán)利要求
1.通過光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法，對(duì)熔點(diǎn)溫度300℃以上最好是500℃以上的熔融材料進(jìn)行分析研究的方法，在上述方法中使用一個(gè)所謂的“傳感元件”，所述的傳感元件包括至少一個(gè)發(fā)射分光計(jì)，其特征在于，一個(gè)傳感元件配備至少一個(gè)激發(fā)裝置，用于實(shí)現(xiàn)被分析材料的激發(fā)，并且能夠使一輻射束形成部分或全部的輻射，以便通過上述傳感元件中的分光計(jì)進(jìn)行分析；將上述傳感元件放進(jìn)被分析材料中，并與被分析材料接觸；將一個(gè)分析信號(hào)讀出，所述信號(hào)通過上述傳感元件發(fā)出，所述信號(hào)發(fā)出時(shí)間介于傳感元件接觸被分析熔融材料，和傳感元件在上述材料中熔化銷毀的時(shí)間段內(nèi)，另外所傳送的分析信號(hào)包含傳感元件中的分光計(jì)所產(chǎn)生的分析要素；以及從上述傳送的分析信號(hào)中，不管直接讀出還是日后再處理，至少可以得出被分析材料成分的部分化學(xué)元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，使用了一項(xiàng)調(diào)制技術(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析方法，其特征在于，在不激發(fā)上述材料，對(duì)被分析材料進(jìn)行至少一次發(fā)射光譜測(cè)定，并且在對(duì)被分析材料進(jìn)行激發(fā)后，通過上述方式取得的基準(zhǔn)輻射的光譜，要減去上述傳感元件所采集的光譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，對(duì)被分析材料的溫度進(jìn)行至少一次測(cè)量，以便校正由上述傳感元件所傳送的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，在進(jìn)行激發(fā)步驟前，對(duì)被分析材料的溫度進(jìn)行至少一次測(cè)量，以便校正由上述傳感元件所傳送的信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，對(duì)分析地點(diǎn)的空間位置進(jìn)行至少一次測(cè)量，以便確定其相關(guān)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，至少有一個(gè)激發(fā)裝置產(chǎn)生一次電激發(fā)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的分析方法，其特征在于，用于產(chǎn)生激發(fā)的激發(fā)裝置產(chǎn)生1至2000次數(shù)量的放電，每次放電持續(xù)時(shí)間至少有10毫微秒(十億分之一秒)，每次放電的強(qiáng)度至少為0.01安培。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，至少其中一個(gè)激發(fā)裝置產(chǎn)生化學(xué)激發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分析方法，其特征在于，所述激發(fā)裝置能夠容納的液體量最好不超過1000毫升，所述激發(fā)裝置被放進(jìn)被分析材料中，并與其接觸，通過這種方法，上述接觸發(fā)生時(shí)，發(fā)生高能量的化學(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)被分析材料的激發(fā)，并且通過上述傳感元件中的分光計(jì)對(duì)所產(chǎn)生的輻射進(jìn)行分析。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的分析方法，其特征在于，所述化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上是爆發(fā)性的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，所述激發(fā)裝置包括一個(gè)用于盛放液體的容器，該液體用于化學(xué)反應(yīng)的激發(fā)，允許調(diào)節(jié)被分析材料與所涉及的激發(fā)裝置之間的接觸持續(xù)時(shí)間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分析方法，其特征在于，用于調(diào)節(jié)被分析材料和所涉及的激發(fā)裝置之間的接觸持續(xù)時(shí)間的容器，工作時(shí)會(huì)銷毀掉，所述局部分光計(jì)的一個(gè)或多個(gè)零件會(huì)隨后銷毀。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)所述的分析方法，至少一個(gè)激發(fā)裝置產(chǎn)生化學(xué)激發(fā)，所述激發(fā)裝置包含一種液體，其特征在于，液體容量最少為0.01毫升。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，至少一個(gè)激發(fā)裝置產(chǎn)生化學(xué)激發(fā)，所述激發(fā)裝置使用水。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，被分析材料是熔融金屬，最好是鑄鐵或鋼。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15任一項(xiàng)所述的分析方法，其特征在于，被分析材料是爐渣、玻璃或熔巖。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的利用光學(xué)發(fā)射光譜測(cè)定法進(jìn)行分析的方法的實(shí)施裝置，其特征在于，所述傳感元件被放進(jìn)被分析熔融材料中并與其相接觸，該傳感元件包括一個(gè)外套，該外套至少部分地包圍上述傳感元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述外套成分為一種可溶性材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述可溶性材料的成分是蛭石。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述外套的結(jié)構(gòu)呈幾何形狀排列布置，通過這樣的方式，延遲上述傳感元件由于熔化而被銷毀。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21的任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述外套的幾何排列改善了上述分光計(jì)的傳感部分被放進(jìn)被分析的熔融材料中并與其相接觸的狀況。
23.根據(jù)權(quán)利要求18至22所述的裝置，其特征在于，被放進(jìn)被分析熔融金屬中并與其相接觸的元件被包圍在一個(gè)外殼中，在該外殼中具有可控的內(nèi)部環(huán)境。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述外殼包含一種氣體，其成分至少有一種氣體，所含的氣體最好是氮或氬。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述外殼被設(shè)置成真空。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述外殼被設(shè)置成壓力至少為10-1mmHg+/-10％的真空。
27.根據(jù)權(quán)利要求18至26任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有一個(gè)電結(jié)構(gòu)的激發(fā)裝置，并且產(chǎn)生上述激發(fā)的激發(fā)裝置包括至少一個(gè)電荷電容器，該電容器配備一個(gè)中斷裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求18至27任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于產(chǎn)生激發(fā)的一個(gè)激發(fā)裝置包括至少一個(gè)電池。
29.用于分析熔融材料，特別是金屬、爐渣、或熔巖熔化物、或玻璃的浸沒式傳感器，所述傳感器包括一個(gè)浸沒式承載器，一個(gè)輻射檢測(cè)器，一個(gè)用于讀出和進(jìn)一步傳送輻射的輻射導(dǎo)向系統(tǒng)，以及一個(gè)位于浸沒式承載器上或其內(nèi)部的信號(hào)接口，其特征在于，所述輻射檢測(cè)器和至少一部分輻射導(dǎo)向系統(tǒng)被放置在浸沒式承載器上或其內(nèi)部，并且上述信號(hào)接口與上述輻射檢測(cè)器連接。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述輻射檢測(cè)器具有一個(gè)用于輻射讀出和將輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述輻射檢測(cè)器的安裝，是為了讀出和將可見光、紫外線、紅外線、X射線和/或微波輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
32.根據(jù)權(quán)利要求29至31任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述浸沒式承載器的結(jié)構(gòu)是一根管子。
33.根據(jù)權(quán)利要求29至32任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述浸沒式承載器的制作材料為可在熔融金屬中銷毀的材料，尤其是一種生物材料。
34.根據(jù)權(quán)利要求29至33任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述信號(hào)接口的結(jié)構(gòu)為一個(gè)電子耦合器或一個(gè)光學(xué)耦合器，或者是一個(gè)發(fā)射裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求29至34任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述浸沒式承載器連接到一個(gè)機(jī)械耦合器，最好是連接到一個(gè)固定式承載器。
36.根據(jù)權(quán)利要求29至35任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，在所述浸沒式承載器上或其內(nèi)部布置一個(gè)信號(hào)放大器和/或一個(gè)信號(hào)評(píng)價(jià)處理器。
37.根據(jù)權(quán)利要求29至36任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述輻射導(dǎo)向系統(tǒng)配有光學(xué)透鏡和/或磁透鏡、光纖、鏡子、一個(gè)火花放電孔、一個(gè)化學(xué)激發(fā)的激發(fā)裝置、和/或遮光器。
38.根據(jù)權(quán)利要求29至37任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，在所述浸沒式承載器上或其內(nèi)部布置一個(gè)光學(xué)分光計(jì)、一個(gè)X射線分光計(jì)和/或一個(gè)聚焦分光計(jì)。
39.根據(jù)權(quán)利要求29至38任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，在所述浸沒式承載器上或其內(nèi)部配置一個(gè)輻射發(fā)射系統(tǒng)。
40.根據(jù)權(quán)利要求29至38任一項(xiàng)所述的浸沒式傳感器，其特征在于，在所述浸沒式承載器上或其內(nèi)部配置一個(gè)導(dǎo)氣線裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的浸沒式傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)氣線裝置具有一根導(dǎo)氣線和一個(gè)線耦合。
全文摘要
利用光學(xué)發(fā)射光譜法分析熔融材料的方法和裝置，例如熔融金屬，如鑄鐵或鋼，或爐渣，玻璃，或熔巖。所用的一個(gè)傳感元件包括至少一個(gè)發(fā)射分光計(jì)，至少一個(gè)激發(fā)裝置，以便實(shí)現(xiàn)激發(fā)被分析材料，并且能夠使一輻射束形成部分或全部的輻射，該輻射通過傳感元件中的分光計(jì)進(jìn)行分析。將上述傳感元件放進(jìn)被分析的熔融材料中并與其相接觸，上述傳感元件所傳送的信息包含了由分光計(jì)提供的分析要素。本發(fā)明同時(shí)還涉及一種浸沒式傳感器。
文檔編號(hào)G01N21/85GK1898553SQ200480038122
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者雅克·普勒塞爾, 維托里諾·蒂塞特, 馬爾克·希恩斯 申請(qǐng)人:賀利氏電子耐特國(guó)際股份公司