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Dokumentenidentifikation DE10200237A1 24.07.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Röntgenfloureszenzanalyse von mineralischen Schüttgütern
Anmelder APC Analytische Produktions-Steuerungs- und Controllgeräte GmbH, 63225 Langen, DE
Erfinder Brauer, Stefan, Dipl.-Ing., 65779 Kelkheim, DE;
Pflug, Gerhard, Dipl.-Ing., 65428 Rüsselsheim, DE;
Polski, Ronald, Dipl.-Ing., 63263 Neu-Isenburg, DE
Vertreter Sperber, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52072 Aachen
DE-Anmeldedatum 05.01.2002
DE-Aktenzeichen 10200237
Offenlegungstag 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse G01N 23/223
IPC-Nebenklasse G01N 33/22   
Zusammenfassung Die Vorrichtung zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der mineralischen Bestandteile einer staubförmigen bis feinkörnigen Probe eines Schüttguts, die sich in einer senkrecht angeordneten Messzelle (2) befindet, die ein Messfenster hat, mit Hilfe eines Messkopfes (1) eines Röntgenfluoreszenzanalysators, der vor der Messzelle (2) angeordnet ist und eine Strahlenquelle (3, 4) zum Anregen der Probe sowie einen Detektor (11) für die von den angeregten Mineralien der Probe ausgehende Röntgenfluoreszenzstrahlung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (11) mit Hilfe eines Antriebs an Führungen in einem vorgegebenen Abstand (9) vor dem Messfenster der Messzelle (2) entlang bewegt werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum qualitativen und quantitativen Bestimmen der mineralischen Bestandteile einer staubförmigen bis feinkörnigen Probe eines Schüttguts, die sich in einer senkrecht angeordneten Messzelle befindet, die ein Messfenster hat, mit Hilfe des Messkopfes eines Röntgenfloureszenzanalysators, der vor der Messzelle angeordnet ist und eine Strahlenquelle zum Anregen der Probe sowie einen Detektor für die von den angeregten Mineralien der Probe ausgehende Röntgenfloureszenzstrahlung aufweist.

Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung von staubförmigen bis feinkörnigen Proben von mineralische Bestandteile aufweisenden Schüttgütern und deren qualitativen und quantitativen Bestimmung mit Hilfe der Röntgenfloureszenzanalyse sind beispielsweise bekannt geworden aus der EP 0 331 903 A2, DE 195 23 075 C1 der Anmelderin, dem Aufsatz "Automatische Qualitätskontrolle von Braunkohle" (vgl. Wolfrum et al., Braunkohle 41 (1989), Heft 3, März, Seiten 55-60) und einem Firmenprospekt der Anmelderin mit dem Titel: "SOLAS On-Line Analysator für Schüttgüter.

Bei Wolfrum et al. wird ausgeführt: "Die Bestimmung des Mineralstoffgehaltes erfolgt mit der Röntgenfloureszenzmethode. Dabei werden mit Hilfe der Gammastrahlung einer Eisen-55-Isotopenquelle die Elemente der Mineralstoffe anregt, Floureszenzstrahlung, also Röntgenstrahlen auszusenden. Die ausgesandte Wellenlänge ist charakteristisch für jedes Element. Die Intensität des Signals ist proportional zur Menge des vorhandenen Elements. Sie kann durch geeignete Detektoren gemessen werden.

Zur Bestimmung des Mineralstoffgehaltes steht zur Verfügung beispielsweise das Rückstreusignal. Zur Bestimmung des Mineralstoffgehaltes wurde die Rückstreuung der Eisen-55-Quelle herangezogen. Dieses Rückstreusignal ist abhängig von der mittleren Ordnungszahl der Elemente einer Probe. Ein gewisses Problem liegt allerdings darin, dass schwere Elemente einen überproportional hohen Anteil zur Rückstreuung, also zur Schwächung, liefern als leichte Elemente."

Der aus dem Firmenprospekt der Anmelderin bekannt gewordene SOLAS On-Line Analysator ist ein vollautomatisch arbeitendes Probenahme- und Analysegerät für die schnelle Bestimmung von Inhaltsstoffen von Schüttgütern. Typische Einsatzorte für das Gerät sind Verlade-, Förder- und Aufbereitungsanlagen. Das Gerät kann sowohl als eigenständiges Probenahmesystem als auch als Schnellanalysegerät in Verbindung mit konventionellen Probenehmern eingesetzt werden. Das SOLAS Gerät wird zur On-Line Analyse wichtiger Kohlekenngrößen, wie z. B. Schwefel- und Aschegehalt, aber auch deren Komponenten wie Kalium-, Calcium- und Eisengehalt eingesetzt.

Mit SOLAS wird eine Probe durch einen Sammelschlauch aus einer Zone großer Partikeldichte, wie z. B. einer Bandübergabe oder unterhalb einer Kohleaufbereitungsanlage, angesaugt. Im Gerät selbst werden die im Luftstrom befindlichen Partikel zunächst durch einen Filter geleitet, um einen definierten Kornschnitt zu erhalten. Anschließend werden die Partikel im Sammelkopf vom Luftstrom getrennt und in einer Probenvorkammer gesammelt. Ein Füllstandssensor überwacht die Sammlung der Probe und beendet die Probenahme, sobald sich genügend Probematerial für eine Analyse gesammelt hat. Diese Probe wird dann automatisch in eine senkrecht angeordnete Messzelle, vor der der Messkopf eines Röntgenfloureszenzanalysators (XRF-Analysator) angebracht ist, eingeschleust.

SOLAS analysiert die gewonnene Probe mit Hilfe eines Röntgenfloureszenzanalysators. Dabei wird durch die Röntgenstrahlung einer Isotopenquelle (z. B. FE 55) oder einer Röntgenröhre die zu analysierende Probe angeregt und deren Spektrum mit einem energiedispersiven Detektor aufgenommen.

Aus diesem Spektrum können bis zu 8 Elementgehalte (Elemente von Aluminium bis Uran) simultan bestimmt werden. Nach Beendigung der Messung, die je nach Anwendungsfall zwischen 30 und 90 Sekunden dauert, wird die gemessene Probe aus der Messzelle ausgeschleust, die Messzelle mit Luft gereinigt und die inzwischen gesammelte nächste Probe in die Messzelle eingefüllt. Pausen in der Förderung, in denen eine Beprobung nicht notwendig ist, nutzt das Analysegerät zur Selbstkalibrierung mit einem eingebauten Standartmaterial.

Das Sammeln einer Probe in einer aus dem Firmenprospekt bekannten senkrechten Messzelle hat den Vorteil, dass unter der Wirkung der Schwerkraft innerhalb der Probe eine Dichte mit guter Homogenität erreichbar ist. Nicht in dem Firmenprospekt beschrieben, aber gleichwohl vorhanden, ist ein Messfenster, mit dem die Messzelle ausgestattet ist. Das Messfenster hat eine Größe von ungefähr 1 × 5 cm und ist dem Röntgenfloureszenzanalysator zugewandt. Das Messfenster selbst ist mit einer auswechselbaren dünnen Mylar-Folie abgedeckt, welche die Strahlung nicht merklich schwächt.

Mit dem bekannten SOLAS-Gerät wird die Probe durch das Messfenster hindurch an einer Stelle angeregt. Die aus dieser angeregten Stelle austretende Röntgenfloureszenzstrahlung wird von dem Detektor erfasst und analysiert. Dabei wird stillschweigend vorausgesetzt, dass die angeregte Fläche der Probe sämtliche zu analysierenden Mineralien in der durchschnittlich vorliegenden Konzentration aufweist. Die Erfahrung hat allerdings gezeigt, dass die auf diese Weise erzielbare Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit nicht immer ausreichen.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, die Genauigkeit der bekannten Röntgenfloureszenzanalyse zu erhöhen und die Messzeiten zu verringern. Insbesondere sollen alle Bereiche einer in einer Messzelle eingeschlossenen Probe, soweit sie vor dem Messfenster liegen, lückenlos erfasst werden.

Schließlich sollen auch in der Probe befindliche leichte Elemente mit größerer Genauigkeit erfasst werden als das bisher möglich ist. Die Einrichtung zur Durchführung der Röntgenanalyse soll ebenso einfach sein wie die bekannte Vorrichtung, eine hohe Betriebssicherheit und hohe Messgenauigkeit haben und schließlich auch preiswert sein.

Im Hinblick auf eine Erhöhung der Messgenauigkeit wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass man den Messkopf während der Messung in einem vorgegebenen Abstand vor dem Messfenster der Messzelle entlang bewegt. Es ist wesentlich, dass der Abstand mit welchem der Messkopf vor dem Messfenster entlang bewegt wird, über der Länge des Messweges konstant bleibt. Dadurch wird gewährleistet, dass die entlang des Messweges ggf. unterschiedlich starke Röntgenfloureszenzstrahlung infolge von Inhomogenitäten innerhalb der Probe über eine konstante Entfernung zwischen Probe und Detektor aufgefangen werden kann.

Auf besonders einfache Weise wird der Messkopf an der Messzelle in horizontaler Richtung entlang bewegt, was allerdings voraussetzt, dass der Querschnitt des Messfensters eine überwiegend horizontale Lage hat. Daneben sind aber auch andere Bewegungsrichtungen möglich, beispielsweise eine senkrechte oder unter einem Winkel geneigte Richtung der Bewegung des Messkopfes. Auch dabei wird jedes Mal vorausgesetzt, dass die Öffnung des Messfensters eine entsprechende Anordnung in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Messkopfes aufweist.

Damit auch die Röntgenfloureszenzstrahlung von leichten Elementen mit großer Genauigkeit erfasst werden kann, ist vorgesehen, in ein und demselben Messkopf zwei Strahlenquellen anzuordnen. Dabei kann es sich im einfachsten Fall um zwei Röntgenröhren handeln, welche Strahlungen unterschiedlicher Energie aussenden. Es kann aber auch eine Kombination von Röntgen- und Isotopenstrahlung vorgesehen werden; darüber entscheidet letztlich der jeweilige Einsatzfall.

Nach einer möglichen Umkehrung der gesamten Anordnung kann der Messkopf stationär in der Vorrichtung angeordnet sein und die Messzelle mit der Probe vor dem Messkopf entlang bewegt werden. Schließlich steuert man mit dem Messkopf, wie an sich bekannt, zwischen den Messungen eine Kalibrierstation an, und gleicht mit Hilfe der von einer angeregten Referenzprobe ausgesandten Röntgenfloureszenzstrahlung den Detektor bzw. die dem Detektor nachgeschalteten Messgeräte und Messeinrichtungen, überwiegend elektronischer Art, ab.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich durch einen Messkopf aus, der mit Hilfe eines Antriebs an Führungen in einem vorgegeben Abstand vor dem Messfenster der Messzelle entlang bewegbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens der Strahlungseingang des Detektors, der ansonsten eine überwiegend längliche Bauform aufweist, in einem Abstand vor dem Messfenster entlang bewegt werden kann, welcher zwischen 2 und 10 mm, vorzugsweise 4 mm beträgt. Die Führungen für den Messkopf verlaufen horizontal; sie können aber auch senkrecht oder in jeder anderen Winkellage angeordnet sein.

In der Bewegungsrichtung des Messkopfes und in einem seitlichen Abstand zur Messzelle ist ein Behälter für eine Referenzprobe angeordnet, dessen Messoberfläche zumindest annähernd den gleichen Abstand vom Strahlungseingang des Detektors hat, wie das Messfenster der Messzelle. Beim Arbeiten mit mehreren Strahlungsquellen, wie das die Erfindung vorsieht, ist es vorteilhaft, mehrere Behälter für unterschiedliche Referenzproben bereit zu hatten. Vorzugsweise sind die Behälter für die Referenzproben in einem flachen Drehteller angeordnet, der um eine horizontale Achse drehbar ist, welche zwischen den Führungen für den Messkopf verläuft und zur Bewegungsrichtung des Messkopfes senkrecht ist. Durch Drehung des flachen Drehtellers wird gewährleistet, dass jeder Behälter für eine Referenzprobe in einen vorgegebenen Abstand vor den Messkopf bewegt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es zeigen jeweils in verkleinertem Maßstab und in vereinfachter Darstellung die

Fig. 1 ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens in Vorderansicht und

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Teil der Vorrichtung nach der Fig. 1.

Die Messvorrichtung zum qualitativen und quantitativen Bestimmen der mineralischen Bestandteile einer staubförmigen bis feinkörnigen Probe eines Schüttguts, hat einen Messkopf 1 für die Röntgenfloureszenzanalyse. Das zu beprobende Schüttgut befindet sich in einer Messzelle 2, wie sie in der Fig. 2 angedeutet ist. Der Messkopf 1 weist zwei Röntgenröhren 3 und 4 auf, deren Strahlungen 5 und 6 unter Winkeln 7 bzw. 8 auf die in der Messzelle 2 eingeschlossene Probe gerichtet sind. Üblicherweise sind die beiden Strahlungswinkel 7 und 8 gleich groß, sie können aber auch unterschiedlich sein. Wie in der Fig. 2 erkennbar, werden die Strahlungen 5 und 6 von den Röntgenröhren 3 und 4 jeweils mit einer gewissen Streuung emittiert.

Die Strahlungen 5 und 6 treffen ungefähr in der Mitte der Messzelle 2 auf die darin eingeschlossene Probe auf. Dem Eintritt der Strahlungen 5 und 6 zugewandt ist ein Messfenster (nicht gezeigt) von etwa rechteckigem Querschnitt mit den Abmessungen Länge = 5 cm und Breite = 1 cm. Dieses Messfenster wird von einer dünnen Mylar-Folie verschlossen, damit die in der Messzelle 2 eingeschlossene Probe nicht herausrieselt. Die Folie kann nach Bedarf erneuert werden; sie ist so dünn und hat eine derartige Zusammensetzung, dass sie die Strahlungen 5 und 6 nicht merklich schwächt.

Vor dem Messfenster und in einem vorgegebenen Abstand 9 davon, befindet sich der Strahlungseingang 10 eines Detektors 11. In den Strahlungseingang 10 des Detektors 11 tritt die Röntgenfloureszenzstrahlung der Probe ein, nachdem sie von einer der beiden Strahlungsquellen 5 oder 6 angeregt wurde.

Es wird jeweils nur jene Röntgenfloureszenzstrahlung von dem Detektor 11 aufgefangen, welche nach Anregung mit einer der beiden Strahlungen 5 oder 6 aus der Probe austritt; d. h. während die eine Röntgenstrahlung 5 anregt, ist die andere Röntgenstrahlung 6 abgeschattet und umgekehrt.

Damit die Röntgenstrahlungen 5 und 6 wechselweise anregen können, ist der Detektor 11 um einen Drehpunkt 12 über einen Schwenkwinkel 13 schwenkbar. Zum Abschatten der Strahlungen 5 und 6 sind zu beiden Seiten des Strahlungseingangs 10 prismatische Körper 14 bzw. 15 vorgesehen. Beispielsweise beim Schwenken des Detektors 11 in der Fig. 2 nach rechts, tritt der prismatische Körper 14 in den Strahlengang der Strahlung 5 ein und schattet die Strahlung 5 ab. In dieser Stellung wird die Probe allein von der Strahlung 6 der Röntgenröhre 4 angeregt. Umgekehrt, beim Schwenken des Detektors 11 in die linke Richtung der Fig. 2 wird die Strahlung 6 vom prismatischen Körper 15 abgeschattet, und allein die Strahlung 5 der Röntgenröhre 3 regt die Probe an.

Der Messkopf 1 ist zwischen zwei horizontalen Führungen 16 und 17 längsbeweglich gelagert. Zur Bewegung des Messkopfes 1 dient ein Antriebsmotor 18. Über geeignete Verbindungselemente 19 sind die Führungen 16 und 17 sowie der Antriebsmotor 18 mit dem Gehäuse 20 des Gerätes verbunden. Der Doppelpfeil 26 zeigt zugleich die Bewegungsrichtung wie auch die Länge des Weges der möglichen Bewegung des Messkopfes 1 an.

In der Fig. 1 wird die Messzelle 2 vom Messkopf 1 überdeckt. Die Beprobung des in der Messzelle 2 eingeschlossenen Minerals erfolgt abwechselnd durch Anregung mit der Röntgenstrahlung 5 oder 6. In den Messpausen kann der Messkopf 1 in derselben Bewegungsrichtung 26 wie beim Beproben über einen Drehteller 21 gefahren werden. Der Drehteller 21 ist um eine horizontale Achse 22 drehbar, die etwa im halben Abstand zwischen den beiden Führungen 16 und 17 vorgesehen ist und dazu senkrecht verläuft. Auf dem Drehteller 21 sind mehrere Referenzproben 23 konzentrisch um die Drehachse 22 angeordnet. Durch Schwenken des Drehtellers 21 in der Pfeilrichtung 24 können nacheinander unterschiedliche Referenzproben 23 vor den Messkopf 1 gebracht werden.

Zum Einfüllen einer Probe in die Messzelle 2 ist ein Schlauchanschluss 25 vorgesehen. Ziffernverzeichnis 1 Messkopf

2 Messzelle

3 Röntgenröhre

4 Röntgenröhre

5 Strahlung

6 Strahlung

7 Strahlungswinkel

8 Strahlungswinkel

9 Abstand

10 Strahlungseingang

11 Detektor

12 Drehpunkt

13 Schwenkwinkel

14 prismatischer Körper

15 prismatischer Körper

16 Führung

17 Führung

18 Antriebsmotor

19 Verbindung

20 Gehäuse

21 Drehteller

22 horizontale Achse

23 Referenzprobe

24 Schwenkrichtung

25 Schlauchanschluss

26 Abstand/Bewegungsrichtung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum qualitativen und quantitativen Bestimmen der mineralischen Bestandteile einer staubförmigen bis feinkörnigen Probe eines Schüttguts, die sich in einer senkrecht angeordneten Messzelle befindet, die ein Messfenster hat, mit Hilfe des Messkopfes eines Röntgenfloureszenzanalysators, der vor der Messzelle angeordnet ist und eine Strahlenquelle zum Anregen der Probe sowie einen Detektor für die von den angeregten Mineralien der Probe ausgehende Röntgenfloureszenzstrahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man den Messkopf während der Messung in einem vorgegebenen Abstand vor dem Messfenster der Messzelle entlang bewegt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Messkopf in horizontaler Richtung bewegt.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Probe nacheinander mit mehreren Strahlenquellen anregt, die jeweils eine unterschiedliche Strahlungsenergie haben.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als Strahlenquelle die Gammastrahlung einer Eisen-55- Isotopenquelle, wenigstens einer Röntgenröhre oder einer Kombination von Isotopenquelle und Röntgenröhre verwendet.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man mit dem Messkopf zwischen den Messungen eine Kalibrierstation ansteuert und mit Hilfe der von einer angeregten Referenzprobe ausgesandten Röntgenfloureszenzstrahlung den Detektor bzw. die dem Detektor nachgeschalteten Messgeräte und Messeinrichtungen abgleicht.
  6. 6. Vorrichtung zum qualitativen und quantitativen Bestimmen der mineralischen Bestandteile einer staubförmigen bis feinkörnigen Probe eines Schüttguts, die sich in einer senkrecht angeordneten Messzelle befindet, die ein Messfenster hat, mit Hilfe des Messkopfes eines Röntgenfloureszenzanalysators, der vor der Messzelle angeordnet ist und eine Strahlenquelle zum Anregen der Probe sowie einen Detektor für die von den angeregten Mineralien der Probe ausgehende Röntgenfloureszenzstrahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (1) mit Hilfe eines Antriebs (18) an Führungen (16, 17) in einem vorgegebenen Abstand (9) vor dem Messfenster der Messzelle (2) entlang bewegbar ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Strahlungseingang (10) des Detektors (11) des Messkopfes (1) in einem Abstand (9) zwischen 2 mm und 10 mm, vorzugsweise 4 mm, vor dem Messfenster entlang bewegbar ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (16, 17) für den Messkopf (1) horizontal verlaufen.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bewegungsrichtung (26) des Messkopfes (1) und in einem Abstand (26) zur Messzelle (2) ein Behälter (23) für eine Referenzprobe angeordnet ist, dessen Messoberfläche annähernd den gleichen Abstand (9) vom Strahlungseingang (10) des Detektors (11) hat wie das Messfenster der Messzelle (2).
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Behältern (23) für unterschiedliche Referenzproben vorgesehen ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Behältern (23) für Referenzproben auf einem flachen Drehteller (21) angeordnet ist, der um eine horizontale Achse (22) drehbar ist, die zwischen den Führungen (16, 17) für den Messkopf (1) verläuft und zur Bewegungsrichtung (26) des Messkopfes (1) senkrecht ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drehung (24) des Drehtellers (21) jeder Behälter (23) für eine Referenzprobe in einen vorgegebenen Abstand (26) zum Messkopf (1) bewegbar ist.






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