(57)【要約】【課題】  容器内に収容されている液体の少なくとも１つの特性を原位置で測定するための装置及び方法を提供すること。【解決手段】  ａ）前端を有するハウジングと、ｂ）不活性ガス源からなる不活性ガス発生手段、不活性ガスをハウジングの前端に導くコンジット、及び不活性ガス源からの下側の流れ、不活性ガスの安定した容積をハウジングの前端と液体の境界面及びプローブ・アセンブリを前記液体中任意の深さ又は角度に移動するための手段からなる、ハウジングの前端における少なくとも１つのプローブ・アセンブリと、ｃ）液体の一部分を検出種へ気化するのに十分な放射ビームを生じるための手段と、ハウジングの前端を通して放射ビームを液体と安定した容積の不活性ガスとの間の境界面に送るための手段からなる放射ビーム・アセンブリと、ｄ）検出種を受け取り、該検出種から液体の少なくとも１つの特性を検出するための検出手段とからなる表面下の液体の少なくとも１つの特性を測定するための装置とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）前端を有するハウジングと、
ｂ）不活性ガス源からなる不活性ガス発生手段、不活性ガスをハウジングの前端に導くコンジット、及び不活性ガス源からの下側の流れ、不活性ガスの安定した容積をハウジングの前端と液体の境界面及びプローブ・アセンブリを前記液体中任意の深さ又は角度に移動するための手段からなる、ハウジングの前端における少なくとも１つのプローブ・アセンブリと、
ｃ）液体の一部分を検出種へ気化するのに十分な放射ビームを生じるための手段と、ハウジングの前端を通して放射ビームを液体と安定した容積の不活性ガスとの間の境界面に送るための手段からなる放射ビーム・アセンブリと、
ｄ）検出種を受け取り、該検出種から液体の少なくとも１つの特性を検出するための検出手段と、
からなる表面下の液体の少なくとも１つの特性を測定するための装置。
【請求項２】
不活性ガス発生手段が不活性ガスのハウジングの前端への継続した流れを生じるための手段から更になることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】
放射ビームを生じるための手段がハウジングの外部に配置されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項４】
放射ビームを生じるための手段がハウジングの内部に配置されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項５】
複数のプローブ・アセンブリからなる請求項１の装置。
【請求項６】
少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体内に配置されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項７】
少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体の表面又は表面を越えた位置に配置されることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項８】
液体が溶けた原材料であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項９】
液体が溶けた金属又は溶解ガラスであることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１０】
放射ビーム・アセンブリが、電磁スペクトルからの少なくとも１つの波長からなる放射ビームを形成するための手段からなることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１１】
Ｘ線、紫外線、無線、赤外線及びマイクロ波からなる群から少なくとも１つの波長が選択されることを特徴とする請求項１０の装置。
【請求項１２】
放射ビームがレーザ・ビームであることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１３】
放射ビームが音波ビームであることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１４】
検出手段がスペクトロメータであることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１５】
検出手段がラジオメーターであることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１６】
レーザ誘起ブレークダウン分光システムからなる請求項１２の装置。
【請求項１７】
前記ハウジングの前端部がノズル・アセンブリからなり、該ノズルアセンブリが不活性ガスが液体に接触することを可能にする少なくとも１つの第１開口部と、液体と接触している不活性ガスを安定した容量に維持するための圧力制御手段からなることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項１８】
前記圧力制御手段が、不活性ガスをハウジングと液体の界面から離れるように移動させる少なくとも１つのチャンネルからなることを特徴とする請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記チャンネルが、不活性ガスを受け取るための第１開口部と、前記装置が前記特性を決定するために作動して位置している時、少なくとも１つの第１開口部よりも上に位置する第２開口部からなることを特徴とする請求項１８の装置。
【請求項２０】
前記装置内の温度を制御するための温度制御手段から更になる請求項１７の装置。
【請求項２１】
前記温度制御手段が、不活性ガスの安定な容量に接触はしていないが近接しているガス又は液体の第２の流れから更になることを特徴とする請求項２０の装置。
【請求項２２】
前記第２開口部が、液体の表面よりも下に位置することを特徴とする請求項１９の装置。
【請求項２３】
前記第２開口部が、液体の表面よりも上に位置することを特徴とする請求項１９の装置。
【請求項２４】
不活性ガスの安定した容量を形成するために用いられたガスから、余分なガスを取り除くための余剰ガス排出手段から更になることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項２５】
前記不活性ガスを生み出す手段が、複数の不活性ガスの流れを界面に送るための複数のコンジットから更になることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項２６】
液体が容器に含まれており、該容器が、プローブ・アセンブリが該容器の側壁に挿入されることを可能にするために、該容器の縦軸に対して角度θを形成するように構成されているハウジングの前端部を有していることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項２７】
前記角度θが約４５度であることを特徴とする請求項２６の装置。
【請求項２８】
液体と不活性ガスの安定な容量の界面における液体の表面を検出するための界面検出アセンブリから更になる請求項１の装置。
【請求項２９】
前記界面検出アセンブリがハウジングの前端部に電気回路手段を更に含み、該電気回路手段が液体の表面に接触した時、電気回路を形成することを特徴とする請求項２８載の装置。
【請求項３０】
前記液体が電気伝導性の液体であることを特徴とする請求項２９の装置。
【請求項３１】
前記液体が流れていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３２】
少なくとも１つのプローブ・アセンブリが流動状態の液体の表面よりも上に配置されていることを特徴とする請求項３１の装置。
【請求項３３】
少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体より上に固定され吊るされていることを特徴とする液体の表面において液体の少なくとも１つの特性を測定するための請求項１記載の装置。
【請求項３４】
複数のプローブ・アセンブリからなる請求項１記載の装置。
【請求項３５】
複数のプローブ・アセンブリが液体を含む容器内の異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３３の装置。
【請求項３６】
複数のプローブ・アセンブリが容器内に異なる深度で配置されていることを特徴とする請求項３４記載の装置。
【請求項３７】
複数のプローブ・アセンブリが、僅かな放射ビーム・アセンブリと動作可能に接続されていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３８】
複数のプローブ・アセンブリが単一の放射ビーム・アセンブリと接続されていることを特徴とする請求項３６記載の装置。
【請求項３９】
複数のプローブ・アセンブリがより少数の検知手段と接続されていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項４０】
複数のプローブ・アセンブリが単一の検知手段と接続されていることを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
レーザ・ビームを検知手段のための液体及び液体からの検出種へ伝達するための光空洞からなる請求項１２記載の装置。
【請求項４２】
放射ビーム・アセンブリがアーク放電器としてなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４３】
液体から離れて配置されるとともにアーク放電器へ電気的に接続される電極からなり、前記アーク放電器によって、液体から検出種を発生するために、アークが電極から液体へ移動するための十分な電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項４２記載の装置。
【請求項４４】
放射ビーム・アセンブリが、ノイズ割合へ信号を高めるための方法において、複数の放射パルスを安定した界面へ送るための方法からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４５】
放射ビーム・パルスは共線であることを特徴とする請求項４３記載の装置。
【請求項４６】
レーザ誘導ブレークダウン分光法システムから発生する音波信号を測定するためのセンサーから更になる
請求項１６記載の装置。
【請求項４７】
測定される液体の特性が密度と流量を含むことを特徴とする超音波線アセンブリからなる放射線ビーム・アセンブリを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４８】
ａ．前端を有するハウジングと、
ｂ．少なくとも１つのハウジングの前端に設けられたプローブ・アセンブリであって、前記液体の任意の深度もしくは角度にプローブ・アセンブリを動かすための手段からなる前記プローブ・アセンブリと、
ｃ．液体の一部を検出種に揮発させるのに十分なビーム放射を発生する手段とハウジングの前端を通じて液体と安定した量の不活性ガスの境界面へと放射線ビームを伝達する手段からなる放射線ビーム・アセンブリと、
ｄ．検出種を受け取るとともに前記検出種から少なくとも１つの液体の特性を検知する検知手段と、
からなる液体の表面のもしくはその下の少なくとも１つの特性を測定する装置。
【請求項４９】
放射線ビーム・アセンブリと液体の間の防護壁であり、その前記防護壁は放射線ビームを、検出種を発生させるために通過させることができることから更になる請求項４８記載の装置。
【請求項５０】
少なくとも１つのプローブ・アセンブリが容器の中に含まれる液体の最初の部分に向けられていると共に、少なくとも１つの他のプローブ・アセンブリが流れている液体の次の部分に向けられていることを特徴とする請求項５の装置。
【請求項５１】
１．ａ．前端を有するハウジングと、
ｂ．少なくとも１つのハウジングの前端のプローブ・アセンブリであって、不活性ガス源と不活性ガスをハウジングの前端へと導くコンジットからなり、不活性ガス源からの流れのもとにハウジングの前端と液体の境界面に安定した量の不活性ガスを提供し、プローブ・アセンブリを任意の液体の深度もしくは角度へと動かす不活性ガス手段からなる前記プローブ・アセンブリと、
ｃ．液体の一部を検出種に揮発させるのに十分なビーム放射を発生する手段とハウジングの前端を通じて液体と安定した量の不活性ガスの境界面へと放射線ビームを伝達する手段からなる放射線ビーム・アセンブリと、
ｄ．検出種を受け取るとともに前記検出種から少なくとも１つの液体の特性を検知する検知手段と、
からなる少なくとも１つの装置を設置すること、
２検出種から少なくとも１つの液体の特性を測定すること、  
からなる液体の表面のもしくはその下の少なくとも１つの液体の特性を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、溶けた金属のような液体の特性を原位置で即時に測定するための装置及び方法に一般的に関する。
液体は静止又は流れている状態であることもできる。即時の測定は、液体の内部及び液体の表面を含む任意の位置から行うことができる。
測定が液体の表面下で行われるとき、連続した流れの下での安定した量の不活性ガスが、検出種を発生させるための液体への放射ビームの急速かつ正確な通過を可能とするために液体及び装置の境界面で提供され、望ましい特性を決定するために分析される。
代わりに、液体から生じる種を検出することにより装置を、放射線を全く出さない静止モードで操作することもできる。
【背景技術】
【０００２】
濃度及び配合の定量的測定及び定性的測定を含むがこれに限定はされない、液体の様々な特性の測定は、様々な産業上の利用性において非常に重要である。
液体が容器内に収容されている時、液体のサンプルを得、該サンプルを分析するために研究所のような離れた位置へ運ぶことにより測定を定期的に行うことができる。
定量的測定及び定性的測定は研究所で行われ、その後、液体の配合の調節がなされるべきかどうかを決定するために容器のオペレーターに戻される。
液体の濃度及び配合を測定する計測は既知であるが、このような測定を行い容器のオペレーターに情報を伝える時間は、金属の生産（例えば、鋼鉄或いはアルミニウムの生産）上問題となる。
【０００３】
例として、鋼鉄の製造中に配合をしっかりと制御することは、高品質の製品の生産に重要である。製鉄所のオペレーターは、溶けた金属の配合の微調整を行う義務がある。
現在、溶けた金属のサンプルは炉から取り出され、鋼鉄の成分配合を決定する分光測定が行われる研究所へ送られる。
分析結果は、溶けた金属の実際の配合が望ましいものであるかどうかを決定する炉のオペレーターに戻される。
もし、望ましいものでなければ、関連する、溶けた金属の成分を調節することにより配合の調整がなされる。
【０００４】
溶解状態の製品の組成分析を終えるまでに時間がかかるので、望ましい製品（例えば、鋼鉄）の生産速度上問題となる。
液体の配合の調整が外部の研究所を用いるよりも短時間でなされるように、溶けた金属及び溶融ガラスのような液体の原位置での分析のための装置及び方法を用いることが望ましい。
そのようなアプローチの１つは、本明細書中において参考として参照される、カールホフ等による米国特許第４,９９５,７２３号及び関連する米国特許第４,９９３,８３４号により開示されている。
これら参照は、溶けた金属を収容する容器の側面で静止したコンジットを提供することにより溶けた金属の要素を分析する方法を開示する。
レーザ・ビームは、コンジット内及び溶けた金属の表面へ導かれる。レーザ・ビームの相互作用によって形成されるプラズマによって光は発生し、溶けた金属は、レンズ・システムを介した導光板と結合し、導光板によってスペクトロメータ１５７へ通される。
システムは、表面上だけで溶けた金属の測定を提供し、コンジットが固定された位置にあるために定位置での測定を行う。
【０００５】
他の固定コンジット・システムは、本明細書中において参考として参照される、ケートによる米国特許第５,８３０,４０７号及び第６,０７１,４６６号により開示されている。固定されたコンジットは、溶けた金属を収容する容器の底に挿入される。固定されたコンジットの中央のパイプは、溶けた金属内で開口部を維持する圧力下で透明なガスを運ぶ。
ガスの流れは、溶けた金属をコンジットの侵入から防ぐための十分な静水頭を有する。点検窓アセンブリは、溶けた金属を直接見ることを可能とし、光度計又はスペクトロメータ１５７のような光学感知装置は、溶けた金属の配合を決定するために用いられる。
溶けた金属の測定は溶けた金属内の１ヶ所の固定された位置のみで行われる。
【０００６】
上記参照に記載のシステムには、いくつもの不利な点がある。これら従来技術のシステムは、溶けた金属の表面又は溶けた金属内の１ヶ所のいずれかの固定位置から全ての測定がなされなければならない固定されたコンジットを用いる。
溶けた金属組成は、単一容器内の配合中において変化することもあるので、そのようなシステムは不都合である。
溶けた金属の配合の調整の際に用いられる正確さは、溶液槽全体の配合の部分的な高精度の読み取りに依存する。
上記参照のように、もし分析のために１ヶ所の固定位置のみが提供されるならば、溶けた金属全体の分析の正確さは妥協したものとなる。
【０００７】
更に、上記の従来技術の不都合さは、器具がプローブと相互作用する角度に関係する。溶けた金属はガスよりも高密度なので、カールホフ等によって開示されるデバイスは、測定を行うためのガスの安定した泡を維持することができない。
より重い溶けた原材料は、あらゆるガスと入れ代わって炉の壁の孔の中に流れる。従って、ガスは、機器の外側に溶けた原材料を維持するために継続的に流れる。
この継続的な流れは、ガスと溶けた原材料の間で非静止境界面を生じ、光学的焦点が合うように境界面が静止するとき最も正確な測定過程を非常に複雑にする。
一定の圧力は、デバイスの外側に溶けた原材料を維持するために必要とされるので、例えば、ガス供給ラインの漏れによるガス圧の損失は、望ましい測定への悪影響を与え、機器に損害を与える。
【０００８】
ケートによって開示されるデバイスは、同様の不都合な点を有する。垂直方向は静止表面を維持することができるが、もし圧力が失われれば、カールホフ等の発明のように装置は破壊され、溶けた原材料は失われる。
また、ケートの発明の場合、ガスの垂直のコラムは静止しているが、もしガスが十分な規模の妨害のために槽に放出されたら特に不安定であり、ガスの残りは流れる可能性が高く、溶けた原材料はチューブ中に流れる。
【０００９】
ケートの発明の更に不都合な点は、炉の底から必要とされる接近に関する。市販の炉の底へ接近する事は、炉の重量により典型的には非常に困難である。
炉の底に位置するポートと共に労働者がいる階への溶けた原材料の災害をもたらす漏出の可能性がある。ポートが片側にある場合、容器中の溶けた原材料の高さがポートの高さより下がるまで材料は漏出する。
容器の底に位置するポート及びガスを収容し、炉内へ短距離のみ延長するコラムと共に、炉内に収容される、溶けた金属の略全ての容積は、ガス圧の損失がある場合、漏出することがある。
【００１０】
ケートとカールホフ等のシステムの別の不都合な点は、分析が実施される位置に関する。カールホフ等の発明は、炉の側面の溶けた原材料のサンプルを取り、ケートの発明は、炉の底の近くの溶けた原材料のサンプルを取る。これらの位置は、槽全体を代表しない、溶けた原材料を含むこともある。
炉のオペレーターが合金化元素を槽に導入するとき、オペレーターは合金化元素を槽内に十分に行き渡る様に混合しようと試みる。
しかしながら、機械攪拌を導入することが困難な場合、原材料の混合を通して炉の側面に合金化元素を確実に近づけることは最も困難である。
もし合金化元素が槽の至る所に拡散するならば、側面に合金化元素がたどり着くには最も長い時間がかかる。拡散が完了する前に融解が行われるならば、側面付近でのサンプルの採取は、槽全体を代表するものとはならない。
また、溶解ガラスの場合、熱い材料がポケットのように上昇する流れ及び冷たい材料の下向する流れのような、熱的に生じる大量の流れがある。
これら上昇する及び下向する流れは、均一な融解を防ぐ、或いは均一な融解をより困難にする傾向がある。
【００１１】
金属の定量的測定及び定性的測定を行う他の方法は、レーザ誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）システムを用いる。そのようなシステムは、通常、代表的な量の異質のサンプルにプラズマを形成する強度で照射するために十分な出力のレーザ・パルスを採用する事を通して原材料を原位置で即時に分光分析するための装置を提供する。
プラズマは、レーザ・パルスによって気化され、イオン化された少量の材料から構成される。プラズマ中、材料の分子は分離され、原子は荷電状態へ励起される。プラズマが冷却されるにつれて、荷電した原子（イオン）は、波長において特に特定の元素の原子に対し波長電磁波を発する。
相違する波長を分解する能力があるスペクトロメータ１５７で電磁放射を観察することにより、放射されたサンプル中の元素を識別することができる。
放射の強度を定量化し、参照とするサンプル及び／又は様々な原子定数を用いた計算を通して比較し、材料中の元素原子の濃度を確認することができる。
【００１２】
固体サンプルを分析するために用いられる、そのようなシステムの例は、サブサビ等により米国特許第５,７８１,２８９号及び第６,００８,８９６号で開示されている。
エイビンソンは、米国特許第５,６６４,４０１号で、ＬＩＢＳシステムを溶けた原材料のガスに適用し、ガスの測定された配合から溶解物の配合を推察し、溶けた金属を分析する。
シン等は、米国特許第５,７５１,４１６号で、液体の表面のみにＬＩＢＳシステムを用いて直接液体材料を分析する方法を記載する。上記の各参照は、本明細書中に参考として組み入れられる。
【００１３】
本明細書中に参考として組み入れられるキムの米国特許第４,９８６,６５８号には、ＬＩＢＳシステムを用いた溶解物の表面下で溶けた原材料を分析する方法が記載されている。
参照の発明の設計には、いくつもの欠点がある。まず、デバイスの高価なアセンブリ（すなわち、スペクトロメータ１５７及びレーザ５０）が炉に非常に接近して設けられている点である。これらアセンブリが炉に落ちる又は溶けた金属に接触する、或いはアセンブリが許容限界を超える温度にさらされる（例えば、冷却システムの故障）といういずれかの事故の場合には、機器への投資は損失となる。
この危険性は、参照の発明の設計を複雑にし、熱シールド及び冷却システムの使用を必要とする。この複雑さはシステムのコストを増し、破損する可能性のあるサブシステムの数を増やし、潜在的に装置の損失を導く。
またプローブは、任意の浮遊するスラグを放出するために溶解物の表面の２，３センチ下に限られている。
またシステムは、炉内で任意の感知できる範囲に沈めることができない。
【００１４】
参照の設計の他の重要な点は、溶解物のサンプルを取る位置の数が限定されていることである。スペクトロメータ１５７とレーザ５０の配置は、ちょうど溶けた原材料の上になるので、参照される米国特許第４,９８６,６５８号は、プローブの外側を延長し、光学アセンブリの焦点距離を変更するように、実質的に設計を変えないことには溶解物のより深い場所を厳密に調べることができない。
またプローブは、垂直以外の角度で挿入することができず、炉の上端からのアクセスするように炉の設計の応用性が更に制限される。
上述したように、複数の位置で溶けた原材料のサンプルを取ることは、実質的に溶解物の分析により良い。
【００１５】
米国特許第４,９８６,６５８号の装置の別の欠点は、金属製造設備中に行き渡る複数のプローブの配置を妨げることである。レーザとスペクトロメータ１５７をプローブのハウジングに結合することにより、複数のプローブを配置することはプラント・オペレーターに多くのレーザとスペクトロメータの購入を強いることになり費用が非常に高くなる。
【００１６】
参照の装置は、不活性ガスが溶けた原材料に流れないので更に不都合である。不活性ガスを溶けた原材料に流すことには２つの利点がある。まず、不活性ガスは、レーザ・パルスが同一の原材料の分析を行わないように溶解物を局所的にかき混ぜることができる。次に、不活性ガスの流れは、溶けた原材料の内側から汚染物質を除去することができる。このことは２通りの方法で起こる。溶解物中に溶けた望ましくないガスが上昇するように不活性ガスに混合され、従って溶解物から除去される。
また通常、浮いて来てすくい取られる汚染物質は、泡でかき回され、さもなければより早く上昇する。
汚染物質を除去するための不活性ガスの使用の実行は、当業者には既知である。
【００１７】
従って、もし、装置が液体内或いは表面の複数の位置で迅速にサンプルを取れるように、液体が静止し、流れ、移動するにも関わらず液体の少なくとも１つの特性を測定することができるような装置が提供されたならば、液体の原位置での即時の測定を実行する技術において著しい進歩である。
液体の表面へ違った角度で液体内に挿入することができ、もしシステムが故障しても液体或いは装置のアセンブリのどちらも損失を受けない装置を提供することは、技術において更に著しい進歩である。
【００１８】
比較的高価な構成（例えばレーザ）を使用し、構成の不必要な重複を排除し、より効率の良い測定を行うための装置及び方法を提供することは、技術において更に進歩した点である。
【００１９】
装置が液体の表面下に沈められ、液体への不活性ガスの供給が、ａ）液体を精製する、ｂ）液体のより多くの代表的なサンプルが分析されるように液体をかき混ぜる、ｃ）センサーの操作を妨げる液体内のガスの泡を生じないことにより測定の妨害を防ぐ、ことを補助する測定を行うための装置及び方法を提供することは、技術において更に進歩した点である。
【００２０】
【特許文献１】米国特許第４,９８６,６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
（発明の要約）
本発明は、例えば、溶けた金属のような液体の特性の原位置での即時の測定及び／又は定量的測定及び定性的測定を行うための装置及び方法に一般的に関する。液体は静止或いは流れている状態である。本発明は、液体の表面及び液体の内部の任意の位置からそのような測定を行う能力がある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
請求項１に係る発明は、ａ）前端を有するハウジングと、ｂ）不活性ガス源からなる不活性ガス発生手段、不活性ガスをハウジングの前端に導くコンジット、及び不活性ガス源からの下側の流れ、不活性ガスの安定した容積をハウジングの前端と液体の境界面及びプローブ・アセンブリを前記液体中任意の深さ又は角度に移動するための手段からなる、ハウジングの前端における少なくとも１つのプローブ・アセンブリと、ｃ）液体の一部分を検出種へ気化するのに十分な放射ビームを生じるための手段と、ハウジングの前端を通して放射ビームを液体と安定した容積の不活性ガスとの間の境界面に送るための手段からなる放射ビーム・アセンブリと、ｄ）検出種を受け取り、該検出種から液体の少なくとも１つの特性を検出するための検出手段とからなる表面下の液体の少なくとも１つの特性を測定するための装置に関する。
請求項２に係る発明は、不活性ガス発生手段が不活性ガスのハウジングの前端への継続した流れを生じるための手段から更になることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項３に係る発明は、放射ビームを生じるための手段がハウジングの外部に配置されることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項４に係る発明は、放射ビームを生じるための手段がハウジングの内部に配置されることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項５に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリからなる請求項１の装置に関する。
請求項６に係る発明は、少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体内に配置されることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項７に係る発明は、少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体の表面又は表面を越えた位置に配置されることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項８に係る発明は、液体が溶けた原材料であることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項９に係る発明は、液体が溶けた金属又は溶解ガラスであることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１０に係る発明は、放射ビーム・アセンブリが、電磁スペクトルからの少なくとも１つの波長からなる放射ビームを形成するための手段からなることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１１に係る発明は、Ｘ線、紫外線、無線、赤外線及びマイクロ波からなる群から少なくとも１つの波長が選択されることを特徴とする請求項１０の装置に関する。
請求項１２に係る発明は、放射ビームがレーザ・ビームであることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１３に係る発明は、放射ビームが音波ビームであることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１４に係る発明は、検出手段がスペクトロメータ１５７であることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１５に係る発明は、検出手段がラジオメーターであることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１６に係る発明は、レーザ誘起ブレークダウン分光システムからなる請求項１２の装置に関する。
請求項１７に係る発明は、前記ハウジングの前端部がノズル・アセンブリからなり、該ノズルアセンブリが不活性ガスが液体に接触することを可能にする少なくとも１つの第１開口部と、液体と接触している不活性ガスを安定した容量に維持するための圧力制御手段からなることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項１８に係る発明は、前記圧力制御手段が、不活性ガスをハウジングと液体の界面から離れるように移動させる少なくとも１つのチャンネルからなることを特徴とする請求項１７の装置に関する。
請求項１９に係る発明は、前記チャンネルが、不活性ガスを受け取るための第１開口部と、前記装置が前記特性を決定するために作動して位置している時、少なくとも１つの第１開口部よりも上に位置する第２開口部からなることを特徴とする請求項１８の装置に関する。
請求項２０に係る発明は、前記装置内の温度を制御するための温度制御手段から更になる請求項１７の装置に関する。
請求項２１に係る発明は、前記温度制御手段が、不活性ガスの安定な容量に接触はしていないが近接しているガス又は液体の第２の流れから更になることを特徴とする請求項２０の装置に関する。
請求項２２に係る発明は、前記第２開口部が、液体の表面よりも下に位置することを特徴とする請求項１９の装置に関する。
請求項２３に係る発明は、前記第２開口部が、液体の表面よりも上に位置することを特徴とする請求項１９の装置に関する。
請求項２４に係る発明は、不活性ガスの安定した容量を形成するために用いられたガスから、余分なガスを取り除くための余剰ガス排出手段から更になることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項２５に係る発明は、前記不活性ガスを生み出す手段が、複数の不活性ガスの流れを界面に送るための複数のコンジットから更になることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項２６に係る発明は、液体が容器に含まれており、該容器が、プローブ・アセンブリが該容器の側壁に挿入されることを可能にするために、該容器の縦軸に対して角度θを形成するように構成されているハウジングの前端部を有していることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項２７に係る発明は、前記角度θが約４５度であることを特徴とする請求項２６の装置に関する。
請求項２８に係る発明は、液体と不活性ガスの安定な容量の界面における液体の表面を検出するための界面検出アセンブリから更になる請求項１の装置に関する。
請求項２９に係る発明は、前記界面検出アセンブリがハウジングの前端部に電気回路手段を更に含み、該電気回路手段が液体の表面に接触した時、電気回路を形成することを特徴とする請求項２８載の装置に関する。
請求項３０に係る発明は、前記液体が電気伝導性の液体であることを特徴とする請求項２９の装置に関する。
請求項３１に係る発明は、前記液体が流れていることを特徴とする請求項１の装置に関する。
請求項３２に係る発明は、少なくとも１つのプローブ・アセンブリが流動状態の液体の表面よりも上に配置されていることを特徴とする請求項３１の装置に関する。
請求項３３に係る発明は、少なくとも１つのプローブ・アセンブリが液体より上に固定され吊るされていることを特徴とする液体の表面において液体の少なくとも１つの特性を測定するための請求項１記載の装置に関する。
請求項３４に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリからなる請求項１記載の装置に関する。
請求項３５に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリが液体を含む容器内の異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３３の装置に関する。
請求項３６に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリが容器内に異なる深度で配置されていることを特徴とする請求項３４記載の装置に関する。
請求項３７に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリが、僅かな放射ビーム・アセンブリと動作可能に接続されていることを特徴とする請求項３３記載の装置に関する。
請求項３８に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリが単一の放射ビーム・アセンブリと接続されていることを特徴とする請求項３６記載の装置に関する。
請求項３９に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリがより少数の検知手段と接続されていることを特徴とする請求項３３記載の装置に関する。
請求項４０に係る発明は、複数のプローブ・アセンブリが単一の検知手段と接続されていることを特徴とする請求項３９記載の装置に関する。
請求項４１に係る発明は、レーザ・ビームを検知手段のための液体及び液体からの検出種へ伝達するための光空洞からなる請求項１２記載の装置に関する。
請求項４２に係る発明は、放射ビーム・アセンブリがアーク放電器としてなることを特徴とする請求項１記載の装置に関する。
請求項４３に係る発明は、液体から離れて配置されるとともにアーク放電器へ電気的に接続される電極からなり、前記アーク放電器によって、液体から検出種を発生するために、アークが電極から液体へ移動するための十分な電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項４２記載の装置に関する。
請求項４４に係る発明は、放射ビーム・アセンブリが、ノイズ割合へ信号を高めるための方法において、複数の放射パルスを安定した界面へ送るための方法からなることを特徴とする請求項１記載の装置に関する。
請求項４５に係る発明は、放射ビーム・パルスは共線であることを特徴とする請求項４３記載の装置に関する。
請求項４６に係る発明は、レーザ誘導ブレークダウン分光法システムから発生する音波信号を測定するためのセンサーから更になる
請求項１６記載の装置に関する。
請求項４７に係る発明は、測定される液体の特性が密度と流量を含むことを特徴とする超音波線アセンブリからなる放射線ビーム・アセンブリを特徴とする請求項１記載の装置に関する。
請求項４８に係る発明は、ａ．前端を有するハウジングと、ｂ．少なくとも１つのハウジングの前端に設けられたプローブ・アセンブリであって、前記液体の任意の深度もしくは角度にプローブ・アセンブリを動かすための手段からなる前記プローブ・アセンブリと、ｃ．液体の一部を検出種に揮発させるのに十分なビーム放射を発生する手段とハウジングの前端を通じて液体と安定した量の不活性ガスの境界面へと放射線ビームを伝達する手段からなる放射線ビーム・アセンブリと、ｄ．検出種を受け取るとともに前記検出種から少なくとも１つの液体の特性を検知する検知手段とからなる液体の表面のもしくはその下の少なくとも１つの特性を測定する装置に関する。
請求項４９に係る発明は、放射線ビーム・アセンブリと液体の間の防護壁であり、その前記防護壁は放射線ビームを、検出種を発生させるために通過させることができることから更になる請求項４８記載の装置に関する。
請求項５０に係る発明は、少なくとも１つのプローブ・アセンブリが容器の中に含まれる液体の最初の部分に向けられていると共に、少なくとも１つの他のプローブ・アセンブリが流れている液体の次の部分に向けられていることを特徴とする請求項５の装置に関する。
請求項５１に係る発明は、１．ａ．前端を有するハウジングと、ｂ．少なくとも１つのハウジングの前端のプローブ・アセンブリであって、不活性ガス源と不活性ガスをハウジングの前端へと導くコンジットからなり、不活性ガス源からの流れの下にハウジングの前端と液体の境界面に安定した量の不活性ガスを提供し、プローブ・アセンブリを任意の液体の深度もしくは角度へと動かす不活性ガス手段からなる前記プローブ・アセンブリと、ｃ．液体の一部を検出種に揮発させるのに十分なビーム放射を発生する手段とハウジングの前端を通じて液体と安定した量の不活性ガスの境界面へと放射線ビームを伝達する手段からなる放射線ビーム・アセンブリと、ｄ．検出種を受け取るとともに前記検出種から少なくとも１つの液体の特性を検知する検知手段とからなる少なくとも１つの装置を設置すること、２検出種から少なくとも１つの液体の特性を測定すること、からなる液体の表面のもしくはその下の少なくとも１つの液体の特性を測定する方法に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
表面下の液体が用いられるとき、継続した流れの下での安定した体積の不活性ガスは検出種を生じ、望ましい特性を決定するために分析する液体への放射ビームの迅速かつ正確な通過を可能とするために装置と液体に境界面において提供される。
【００２４】
安定した体積の不活性ガスの代わりに、装置は該装置に入る液体に対するバリヤーとしてウィンドーを用いることができる。代わりに、装置は静止しており、装置によって供給されるいかなる放射を用いずに液体から生じる種を検出することができる。
【００２５】
本発明の１つの側面として、本発明は、
ａ）前端を有するハウジングと、
ｂ）不活性ガス源からなる不活性ガス発生手段、不活性ガスをハウジングの前端に導くコンジット、及び不活性ガス源からの下側の流れ、不活性ガスの安定した容積をハウジングの前端と液体の境界面で提供する手段からなる、ハウジングの前端における少なくとも１つのプローブ・アセンブリと、
ｃ）液体の一部分を検出種へ気化するのに十分な放射ビームを生じるための手段と、ハウジングの前端を通して放射ビームを液体と安定した容積の不活性ガスとの間の境界面に送るための手段からなる放射ビーム・アセンブリと、
ｄ）検出種を受け取り、該検出種から液体の少なくとも１つの特性を検出するための検出手段と、
からなる表面下の液体の少なくとも１つの特性を測定するための装置である。
【００２６】
装置を用いる液体の表面又は表面下での液体の特性の測定方法は、本発明に包含されている。
【００２７】
本発明の他の側面において、ウィンドーは、レーザ・ビームが送られる、プローブ・アセンブリの端に提供され、そのために液体が分析される境界面で安定した容積の不活性ガスを提供する必要性を排除する。
【００２８】
参照番号がアセンブリを示す以下の図面は、本発明の実施形態を示し、出願の一部を形成する請求項に包含される本発明を限定するものではない。
本発明は、容器の中で静止している液体、又は容器から流れ出る、溶けた金属のような液体の少なくとも１つの特性を、原位置で即時に分析し測定するデバイスに関するものである。
本明細書で用いられている「液体」という用語は、あらゆるタイプの液体について言及するものであり、透明な液体でも、不透明な液体でもよく、液体の温度も特に限定されない。そのような液体は、溶液、希釈液、乳液等と同様に、溶けた金属や溶けたガラスなどの溶けた原材料を含むが、これらに限定されない。
本発明は、液体の表面から又は液体内の任意の箇所から、分析や測定を得ることが可能なプローブ・アセンブリを提供するが、これはプローブ・アセンブリを液体中に浸すことができるからである。
【００２９】
本発明の装置は、移動可能な状態で設けることもできるので、ある位置から別の位置に迅速に移動でき、空間的にちらばった測定値を短時間で得ることができ、組成や濃度等のような液体の特性を決定することを可能にするが、これらの特性に限定されない。これらの特性は、移動性を欠いている典型的な従来の装置を用いては、本発明の装置と同様の速さと正確性をもって得ることはできない。
以下に詳述されるような、本発明のある実施形態においては、装置は、１つ又は２つの表面及び／又は補表面の測定値を同時に得ることができるプローブ・アセンブリを有する。
液体に少し浸された場合、本発明の装置は、比較的冷たい不活性ガスの供給を介して、プローブ・アセンブリと液体の間の安定的な界面を用いる。冷たいガスの供給は、装置の温度を制御し、それにより、分析のための液体の検出種の伝達及び／又は発生及び／又は、検出するために用いられる放射ビーム伝達アセンブリへの損傷なしに、原位置での即時の液体の分析を可能にする。
【００３０】
プローブ・アセンブリと液体の間の安定した界面は、不活性ガスの流れ、典型的には、連続的な流れと、界面におけるガスの容積の安定性を保証する圧力制御アセンブリによって生み出される安定した容積の不活性ガスである。本発明のこの実施形態を採用している装置と方法は、液体とそれらの構成物からの検出種を生み出す及び／又は検出する構成の機能が、液体に近接していることにより、有害な影響を受けないことを保証する。液体が溶けた金属である時、これは重要な長所である。
この保護が容易にされるのは、比較的冷たいガスの供給から、好ましくは連続的に供給されるガスの安定した容積が形成されるからである。このようにガスは、溶けた金属に近接していることにより極端な温度になるのを免れる。更に、ガスの温度が上昇すると、システムからガスが取り除かれ、冷たいガスと置き換えられるので、装置の温度に敏感な構成に近接しているガス全体の温度は、損傷限界よりも下である。結果として装置の構成は損傷から守られ、正確な操作を保証する。
【００３１】
上述された不活性ガスを用いることのさらなる長所は、検査する液体を分析するために、装置が液体表面の真下に浸された時に明らかになる。
装置が液体に沈められるに従って、測定が行われる装置の先端における液体の圧力は増加する。もし、ガスの流れが維持されているなら、プローブ・アセンブリ内に溶けた金属が侵入するのを防ぐのに十分な圧力があり、安定な界面の位置は一定の容積で維持される。対照的に、ガスの動かない泡が用いられ、ガスの圧力が適切に増加されなかった場合、溶けた原材料は簡単に装置に侵入することもある。
同様に、プローブ・アセンブリが液体中で上昇し、プローブ・アセンブリの先端における液圧が下がった時、動かない泡の中の高圧ガスは、プローブ・アセンブリから抜け出すこともあり、溶けた原材料が、プローブ・アセンブリに侵入し、損害を与えることもある。本発明に用いられているガスの流れは、圧力の変化を埋め合わせ、装置への損害を防ぐ。
【００３２】
従来技術の短所を克服するために、本発明の実施形態の１つは、溶けた金属や溶けたガラスのような溶けた原材料を含む液体を分析するための装置と、方法に関するものとなっている。プローブ・アセンブリと液体の間の安定な界面は、検出種を生み出すために用いられる放射ビームが焦点を失うことによって歪まないよう提供されており、それによって生み出されるの検出種の迅速で正確な分析が可能である。
本発明は、同時に複数の測定を行うような、複数の箇所における迅速な測定も提供する。本発明の結果として、組成や濃度等のような液体の少なくとも１つの特性の概要は、必然的に液体の全体において生み出されることができ、経時的な変化も連続的にモニターされることができるが、これらの特性に限定されない。
本発明の改良のおかげで、今では容器内の静止した液体だけではなく、流れる液体の測定も可能になっており、本発明は対応する、溶けた原材料から金属やガラスを生産する産業などの様々な産業分野において重要なインパクトを持つ。
【００３３】
図面に関して、まず図２及び図３に言及すると、静止した状態又は流動できる状態で容器に収納されている液体の少なくとも１つの特性を検出するための本発明の実施形態が示されている。特に、図２に示されているように、後端６と前端８を有するハウジング４から構成される本発明のプローブ・アセンブリ２が提供されている。後述されるように、本発明のこの実施形態において、前端８は液体と安定な界面を形成する。
【００３４】
代替的に、本発明は、図１８に特に示されているような安定なガス−液体界面の代わりに、装置の前端部の開口部にウィンドー９を採用することもある。この構成は、後述されるように、図１３、２４、２５及び２７に示されるような実施形態において採用されることもある。
【００３５】
ハウジング４に含まれるものは、放射ビーム・アセンブリ１０である。放射ビーム・アセンブリ１０は、ＬＩＢＳシステムのようなレーザ・ビーム発信器及び／又はフォーカスアセンブリか（従来技術の図１を参照）、音波ビーム発信器及び／又はフォーカス・アセンブリか（超音波ビームを含む、図１３を参照）、スペクトルの様々な部分からの電磁気放射（例えば、Ｘ線、図２４を参照）のような別のタイプの発信及び／又はフォーカスすることのできるアセンブリである。
アセンブリ１０は、ハウジング４の内側又は外側の位置（ハウジングの外側は図２に示されている）からの放射ビームを、適切なケーブル・アセンブリ１１を介して受け取り、もし存在するならば、液体−ガス界面に放射ビームを発信し、必要であるならば、液体の少なくとも１つの特性を測定するための検出種を生み出すために、ビームを照射又は、ビームの焦点を合わせる。
検出種から放射している放射は、放射ビーム・アセンブリ１０によって集められ、プローブ・アセンブリ２から、一般的に符号１３で示される、後に詳述されるような液体の分析を行う装置へ伝達される。
【００３６】
代替的に、本発明は放射を一切伝達しないような方法で作動することもあるが、代わりに、上述し後に図１３と関連しても詳述されるような、データの収集のみを行う。
【００３７】
代替的に、放射を生み出し、発信し、収集する及び／又は焦点をあわせるための放射ビーム・アセンブリ１０は、図３と図２５で開示されているように、ハウジング４の内側から外側に延長されることもできる。
【００３８】
ある状況では、放射ビーム・アセンブリ及び／又は分析アセンブリをプローブの内側に含むことは長所になることもある。本発明のある実施形態においては、放射ビーム・アセンブリ１０は、キム（Kim）の米国特許第４,９８６,６５８号によって開示されているように、当業者に知られているレーザ・ビーム発生アセンブリである。
【００３９】
図３において最もよく示されているように、本発明の実施形態の１つにおいて、レーザ・ビーム発生ビーム・アセンブリ１０は、ＬＩＢＳ測定法（レーザ誘起ブレークダウン分光法）を、前述のＬＩＢＳ誘導プラズマ１７の形成を介して、液体２０（例として、溶解アルミニウムが挙げられる）に対して行うために、光ファイバーケーブル及び／又は別の光ケーブル・アセンブリ１１と共に、十分な出力でパルス・レーザ・ビーム１５を伝達する。
当業者に知られている放射ビーム・アセンブリ１０は、それ自身のハウジング２１に含まれており、パルス・レーザ１５を伝達し、一般的に符号３４で示されるガス−液体界面にレーザを伝達する。レーザ・ビーム１５は、液体の元素組成を代表する要素を有するプラズマ・プルーム１７を生み出すために、界面３４において液体の一部にエネルギーを与え、液体を気化させる。
典型的には、約１０００ナノ秒間続くレーザ・パルスが終了するとすぐ、プラズマ・プルーム１７のスペクトルにおける反転が、プラズマ・プルームの熱い内部から比較的冷たい外部へ放射された放射の吸収によって引き起こされる。外部によって放射される放射は、その後、プローブ・アセンブリの内側又は外側に配置されるスペクトロメータ１５７、ラジオメーター、又は他の放出の種類に適した装置によって短時間の間に測定される。
分析のための検出種を生み出すために、液体に接触する放射ビームを生み出す別の方法は当業者に既知の方法であり、以下詳述される。
【００４０】
本発明のある実施形態に沿って、安定した界面をプローブ・アセンブリ２と温度管理された液体の間に不活性ガスの安定した容積の形で形成することのできるノズル・アセンブリが、ハウジング４の前端部８に提供される。
【００４１】
ノズル・アセンブリは、図４において最もよく示される。ノズル・アセンブリ１２は、少なくとも１つ、好ましくは複数の分離して設置されたチャンネル１６を有する底部１４を含んでいる。図４において最もよく示されるように、チャンネル１６は、第１開口部１７を底部１４に有し、第２の離れた開口部１９を、底部１４の側部に有する。チャンネル１６は、供給源２３からの不活性ガス（図３を参照）が、ハウジング４からコンジット１８を介して開口部２５に出るまで移動し、液体との安定な容量の界面を形成することを可能にする。ガスは、その後、もし開口部１９が液体の表面よりも下側である場合、チャンネル１６から第２開口部１９を介して溶けた液体の中に流れる。不活性ガスは、プローブ・アセンブリ２と液体の間で、不活性ガスの安定な容量を維持するために十分な後ろからの圧力を供給する方法で、チャンネル１６を経由して供給される。
例えば、もし、プローブが、深さ１００ｃｍの溶けたアルミニウムのタンクに浸された場合、タンクの底部における圧力は、海水の圧力のおよそ１．２５倍になる。もし、プローブの前端部がタンクの底部に位置しなけらばならないなら、不活性ガスはより大きな圧力（海水の圧力のおよそ１．２５倍）で供給されなければならない。
チャンネル１６に近接しているノズル・アセンブリ１２が示されている図４に特に示されているように、凹形状を底部１４に提供することにより、望ましい圧力を維持することが容易になる。特に、この実施形態のプローブ・アセンブリ２は、界面において不活性ガスの発達を可能にする液体の下流に面する。
【００４２】
稼働においては、不活性ガスは、圧力を加えられた状態で、ノズル・アセンブリ１２から開口部２５まで、コンジット１８を介して供給される。不活性ガスの圧力は、液体の界面において不活性ガスの安定な容量を形成するのに十分である。一旦、安定な容量が得られた場合、ガスは開口部２５を介して入り続ける。同時に、もし、液体が溶けた原材料である場合、温度が急激に上昇したガスの一部は、第１開口部１７を経由して、チャンネル１６に侵入し、第２開口部１９を経由して外に出る。
側部開口部１９は、プローブ・アセンブリの底部１４に対して、液体の中で比較的やや高い位置にあるので、プローブ・アセンブリの最も前方の表面又は先端に比べると、側部開口部１９における液体の圧力はやや低い。この僅かな圧力の違いは、流れているガスを側部開口部１９から排出させるのに十分である。
従って、プローブの先端のオープン・チャンバーは、先端の液体の圧力のガスで満たされており、液体の測定に対して敏感に反応する安定なガス−液体界面を作っている。プローブ・アセンブリが上げられた時又は下げられた時、ガスの流れる速度は、先端におけるガスの圧力を液体の圧力と等しくするために側部開口部１９を経由して変えられることもあり、それにより、安定な液体−ガス界面を維持する。不活性ガスの流れを維持するための十分な圧力を確保するために、当業者に既知の流れを監視する装置（図示されず）が、不活性ガスの流れが止まらないように、ガス圧力を高めに調整するために必要なこともある。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態に沿って、不活性ガスは開口部２５を介して安定な容量へ連続的に流れ込む状態にあり、チャンネル１６を介して安定な容量から離れた状態にあり、部分的には不活性ガスが劇的な温度変化を経験するのを防ぐ。これは、液体が溶けた金属やガラスのような高温にある時に特に重要である。不活性ガスの連続的な流れを維持することによって、不活性ガスの温度は、放射ビーム・アセンブリが比較的一定の冷たい温度に留まり、放射ビーム・アセンブリが放射ビームの歪み及び／又はアセンブリ自身に対する損害を引きこす過度の熱にさらされるのを防ぐ。
【００４４】
チャンネル１６は、図２２及び２３に示されるように、プローブ・アセンブリの本体を超えて延長されることもある。チャンネル１６に存在するガスの泡１５４は、液体−ガス界面を液体の望ましい測定を邪魔する程度にかき混ぜる。図２２に示されるように、チャンネル１１１は液体−ガス界面における泡１５４の影響を最小限に留めるために、測定地よりも離れて延長することもある。チャンネル１１１は、図示されるように水平になることもあり、又、液体の表面に向かって上向きになることもある。
【００４５】
他の実施形態を図２３において示す。チャンネル１１３が液体表面まで延設している。この実施形態において、全てのガスはバブリング無しに液体を排出する。十分な圧力が、液体が流出することを防止するためのプローブ・アセンブリ８の前端に於ける液体ガスの界面に存在するために、この実施例において、十分な注意が払わなければならない。何故なら、この実施形態は深度変更を補償しないので、チャンネルそれ自体が同一の機能を十分に実行するガスの流量を圧縮する設計でなくとも、チャンネル１１３からの空気の流量を制限するバルブ１１５により、適切な圧力レベルの維持が実施される。このようなチャンネルを設計すること及び／又は圧力を維持するために流量を適当に圧縮するバルブを使用することは従来技術に於ける当業者にとって既知なることである。
【００４６】
少なくとも１つは不活性ガスからなる２つのガス流若しくは、１つの液体流及び１つの不活性ガスは、単一の不活性ガス流に代わって使用される。図１７に示される如く、プローブ・アセンブリ内の配管は、プローブ・アセンブリの温度感性構成要素の周りを流れるとともに、プローブ・アセンブリの内側又は外側の液体１８１を排出する第２ガス流又は、液体流を提供する。又、単一ガス流によって提供される熱損傷に対する防護よりも好ましい防護を提供することができる。仮に、水のような液体がガスの代わりに使用された場合、ガスは安定的な界面を作り出す一方で、水が冷却目的で使用される。
【００４７】
（図３で示される）プローブ・アセンブリ２と流体２０の間の界面３４として目的を果たす不活性ガスの流量の安定性及び同一の低温に於ける親密な維持は、チャンネル１６と離れて配置される出口ポート２５からのガスの連続的な流量を提供する結果である。チャンネル１６からの液体２０へ回避する不活性ガスは、ポート２５からの新しい不活性ガスの供給によって連続的に補充される。本明細書中の用語「安定量」は、例えば、あらゆる測定期間において、界面３４での不活性ガスの固定量が維持された際に於ける、開口２５から入る新しい不活性ガスの流入とチャンネル１６からの不活性ガスの回避の間の調和を意味する。このようにして、ノズル・アセンブリ１２は、コンジット１８からの不活性ガスの流入とチャンネル１６からの不活性ガスの放出の間で確立される調和量によって、不活性ガスの安定量の維持を容易にする。
【００４８】
代替的に、図９で示す如く、コンジット１８を介して入るガスの幾つかは、ハウジング４内のポート２７から出る。特に、余剰の不活性ガスは、ハウジング４からプローブ・アセンブリ２を取り囲む通路２９を介して流れ、コンジット３１から出口３３へ流れる出口ポート２７へ入る。この構成は、プローブ・アセンブリ１０を冷却するために供給されるガスの量が、多量なため、界面の安定性に損害を有する、又は、凝固するために液体を冷却する、又は、前端８で液体を入れた場合に測定に害をなす際において、有用である。ポート２７とコンジット３１から出口３３へ流出するガスの総量を制御するために、バルブ３５又は、他の流量制御装置がコンジット３１に設置される。コンジット３１は、ハウジング４の側部に配置される必要は無いが、この機能を実行する場所から任意の位置において配置することができる。
【００４９】
プローブ・アセンブリは、図３で示す如く、液体へ直角に挿入される必要ない。多くの異なる状況においてプローブ・アセンブリを容易に適応するために、プローブ・アセンブリ１０の前端８は、図１０で示される液体の表面に対する角度により挿入されるように構成されている。例えば、本発明によって、プローブ・アセンブリは容器の側壁に配置されるポートから挿入されることができる。例えば、仮にプローブ・アセンブリが４５度の角度で炉の壁へ挿入される際には、底表面は、水平であり又は、挿入角度θに対応する機械加工がされる底端部を有するリムーバブル・チップ３７を提供するために、プローブ・アセンブリの本体の縦軸に関係のある４５度で機械加工される。プローブの前端８の角度に対する挿入の角度を一致させることによって、液体表面は、前端８の面に平行となる。この実施形態は、プローブ・アセンブリからの液体表面を維持することができる。不活性ガスを前端８の面と平行になる液体へ運搬するためのチャンネル１６を維持することによって、チャンネルは最前端８に関して上昇する。上述した如く、チャンネル１６の上昇する位置によって、前端８において不活性ガスの安定量の創出がなされる。
ある適用において、液体ガス界面の正確な位置を知ることは必要である。この例において、液体の表面を正確に決定する界面検知アセンブリを合体させることは、有利である。もし液体が伝導性であれば、界面検知アセンブリのある実施形態は、プローブ・アセンブリの底端に隣接するように位置するベア・エンドを有する電気的なワイヤーからなる電気的回路を使用する。液体ガス界面がベア・エンドに生じる際には、電気回路は２つのワイヤーの間に組み合わされ、このことによって、後述するような適切な行動を行うオペレーター又はシステムのための信号を発する。図１９は、チップが前端８に到達するまでプローブ・アセンブリ２の後端６からワイヤー４６が低く取り付けられる場合の発明の実施形態の例を示す。ワイヤー４６は、検出装置へ接続される。そして、オペレーターは、最小限必要な圧力が電気回路を維持するように使用されるため、自動制御の使用を介して等によりガス圧力を微調整することができる。このようにして、オペレーターは、ワイヤー４６と伝導性液体からなる電気回路によって生じる液体ガス界面の正確な位置を保証することができる。従来技術の当業者にとって既知である類似する方法は、オペレーターがプローブ・アセンブリのチップからの界面の最小又は最大の距離を要求する場合に使用される。
【００５０】
界面検知アセンブリは、側開口部１９から出るガスの発泡運動が変動の原因となる液体ガス界面を乱す際に有用である。このことが起こるかどうかは、ガス圧力や速度に等の要素、又濃度や粘度等の液体の特性に依存する。この場合、オペレーターは、液体の性質及び／又は測定が行われる環境の依存するデータ収集の方法を多種多様にすることができる。例えば、測定実施期間の実質的な制限などがそれである。例えば、オペレーターが測定イベントを引き起こすための回路の完成を使用することを選択する若しくは、オペレーターが測定の連続的なセットとして行うことを選択する。以後オペレーターは、界面の時間履歴と測定を相関する。上述するメカニズムによって測定されるように、界面が測定のための安定した位置にある時を知ることができる。
【００５１】
幾つかの不活性ガスが液体を入れ、泡として回避する一方で、不活性ガスの安定量は、新しい不活性ガスが側開口部１９を経由してチャンネル１６から回避することを許容することによって、不活性ガスがコンジット１８から入るように維持される。このようにして、コンジット１８からの不活性ガスの圧力を制御することによって、不活性ガスの安定量は、新しい不活性ガスの連続的な流れの基において、界面で維持される。不活性ガスの安定量は、新しいガスの固定の流入により制御させる温度であり、又、それ故、液体が溶けた金属である場合に起こる極度の温度に到達することを防止する。プローブ・アセンブリ内に１又は、それ以上の温度センサー（例えば、熱電対）を配置することによって、ガスの温度が管理される。温度センサー４２がプローブ・アセンブリの後端６を介して下方に設けられることを示す図２で例示され且つ参照される。この実施例では、温度センサーは外側温度測定デバイス４３に接続され、これは伝導ワイヤー４４によることが従来技術として既知である。温度センサーからの出力は、ガス圧力がプローブ内で適切な温度を維持するために増加されることを確認するために不活性ガスの流れを制御する圧力調整器によって使用される。
【００５２】
本明細書中の用語「不活性ガス」は、液体から検出種が生成されるとともに、検出種から得られる液体の少なくとも１つの特性を解析する本発明の装置及び方法に影響を与えなければあらゆるガスが利用可能である。このような不活性ガスの例としては、窒素、アルゴンやヘリウムを典型的に含んでいる。不活性ガスは、一般的に不活性ガスと認められるガスに限定されず、本明細書中に意図された以外の状況で素早く反応するガスを含めることができる。又、ある適応において、反応ガスが使用された。このような適応において、反応ガスが測定過程へ幾つかの有用性を提供し、且つ、プローブのための冷却ガス、空気力学窓又はこの両方を兼任することができる。
【００５３】
図２から図４に関連して示されるとともに述べられる本発明の実施形態の操作は、図３に示される。図３を参照にすると、固定形内にある解析された液体を含むセラミック炉等の容器３０である。不活性ガスの流れのためのコンジット１８を有するプローブ・アセンブリ２は、（図２において）符号１０によって一般的に示されるとともに炭化珪素チューブ等をハウジング４内に包含する放射ビーム・アセンブリを有するハウジング４を含む。この容器は、液体２０（例えば、溶けた金属又はガラス）を含み、プローブ・アセンブリ２はこの表面下に挿入される。流れる不活性ガスにより発生する圧力はプローブ・アセンブリ２と液体２０の界面において不活性ガス３４の安定量を提供する。不活性ガスの安定量の圧力は、余剰不活性ガスがノズル・アセンブリ１２内の各開口部１７及び１９（図４に示される）を介してチャンネル１６から回避することを許容しつつコンジット１８からの連続的に流れる不活性ガスによって維持されることが好ましい。放射ビーム（例えば、レーザ・ビーム）は、既知の方法によって光ファイバー・ケーブル１１を介してプローブ・アセンブリへ伝達され、液体２０の界面において不活性ガス３４の安定量からレンズ・ハウジング２１内に含まれるレンズによって焦点が合せられる。
【００５４】
本発明は、静止状態の液体の特性を検知することが記載される一方で、図５で示す如く本発明は、流動性を有する状況において液体の少なくとも１つの特性を検知することに使用される。図５において図式的に示されるプローブ・アセンブリ２は、静止状態又は流動状態の液体の内部から測定を行うために沈められるとともに、流動状態の液体の表面上にプローブ・アセンブリのチップを配置することによって、静止状態の又は流動状態の液体２０の表面の測定を行うことができる。このことは、炉から異なった形状の鋳型へ流し入れることができる金属製の製造物において際立った優位性を有している。この実施形態において、放射ビームは、液体の内部に対向するように検出種を生じるために液体の上側表面に焦点が合せられている。
【００５５】
本発明に従って解析された液体は、タンク又はコンジットの性能を制限する必要はない。本発明は、海、湖や川等における水が自然にある状態、ダムの湖等、人工的に発生する状態における、静止状態又は流動状態にある液体を使用する。
【００５６】
もしプローブ・アセンブリ２が液体表面の静止状態若しくは流動状態を解析するためのみに用いられるならば、図１１に示す如く放射ビーム・アセンブリを備えるプローブ・アセンブリ２は液体上方で固定して吊るされる。典型的には、数インチから数フィートの高さで吊るされる。図１１に具体的に示すように、この配置は符号８０で表される液体の流動状態の流れを解析するのに特に適している。放射ビーム・アセンブリと液体の間の距離は検出種によって選択されるであろうこと及び当業者によって一定の手順で定められることは理解されるだろう。
【００５７】
本願発明は複数のプローブ・アセンブリを使用し、単数の若しくは複数の容器に入れられた液体中の複数の場所を測定することも包含する。図６に示すように、典型的な例を示す目的で、２つの容器３０ａと３０ｂの中にプローブ・アセンブリ２が示されている。プローブ・アセンブリは異なる位置において同じ深度で水中に配置されている。プローブ・アセンブリが容器中の異なる深度で配置されたり、少なくとも一方のプローブ・アセンブリが液体表面に配置されていてもよい。プローブ・アセンブリ２が共通のコンジット３６によって互いに連結され、検出種に関する情報を交換し、より少ない数の検知デバイスに該情報を戻すものであってもよい。この目的に対しては、共通のスペクトロメータ１５７のような単一の検知デバイスが用いられることが好ましい。
【００５８】
複数の比較的廉価なプローブ・アセンブリが、ここで「多重送信」として説明される検知デバイスと放射ビーム・アセンブリとともに同時に用いられることが出来るように、本願発明の装置は使用されてもよい。各々のプローブ・アセンブリから検出種が収集される間、異なるプローブ・アセンブリに放射ビームを向ける実施形態が図１２に示される。レーザ５０のような放射ビーム・アセンブリは交互に回転式鏡５２を介して各々のプローブ・アセンブリ（図示せず）に照射する。符号５６で示される光ファイバ或いは光管それぞれを介して、プローブ・アセンブリのそれぞれに対応する複数のレンズ５４のうちの１つに、１つのパルスが入るように、鏡５２はレーザと同調する。レーザ・パルスは検知デバイス（例えば、スペクトロメータ１５７）がＬＩＢＳ信号１７１を読み取るのに必要な分以上に時間的間隔が空いているので、鏡が次のパルスに対して正しい位置に回転するのに十分な時間が確保される。検出種に対応して生ずる信号は、スペクトロメータ１５７によって交互に受け取られ、読み取られる。このことは略同時に異なるプローブ・アセンブリから複数の測定がなされることを可能にする。読み取りは１つの炉（液体を含む同様のデバイス）１５６から生じ、プローブ・アセンブリはいくつかの炉に挿入されることができる。
【００５９】
この方法の主な利点は、検出種を検知し解析する測定機器と較べてプローブ・アセンブリが廉価であることである。プローブ・アセンブリを多重送信することによって、いくつかの独立したプローブ・アセンブリと比較して十分な節約を達成することが可能となる。
【００６０】
本願発明の装置は、液体中の元素（例えば、亜鉛、ニッケル、アルミニウムなど）の物質や濃度を検知する能力がある。該装置がレーザ・ビーム発生装置とともに用いられるとき、検出種は再度光学的線放射をする。そして、該光線は光ファイバによって集められ、慣習的な手法でスペクトロメータ１５７のような検知デバイスに伝達される。この特徴的な線放射はスペクトロメータ１５７によってスペクトルごとに分解される。そしてスペクトロメータ１５７は精度よく液体中の元素を見極める。加えて、線放射の信号の大きさは量的に測定され、かくして存在する各元素の濃度が判明する。全ての原子は、それがプラズマ状態に励起しているとき、特徴的な多数のスペクトル線を放出する。
【００６１】
本願発明に係る装置の利点は、即時にかつ場所を変えずに液体の元素組成を測定することにある。このことは任意の点における液体の特性を連続的に読み取ることを可能とする。このことは、上述したシステムのエンドユーザにとって非常に価値のあることである。例えば、金属製造業者が、溶けた金属サンプルを研究室に送ることなしに合金の成分を知ることが出来る。
【００６２】
本願発明の他の有利な特徴は、高価で取り扱いに注意を要する装置の部分（例えばスペクトロメータ１５７やレーザ５０）が、検知点から分離していることである。そして該部分は損傷を受けないように安全な環境の中に置かれることが出来る。このことは、特に溶融材料の特性を測定する際に有利である。
【００６３】
アセンブリに発生するレーザ・ビームが例示されてきたが、光又は結果として生ずる信号（即ち、検出種）を伝達する方法は本願発明に応用できる。１つの例が図７に示されている。図７において、光が通過する空洞若しくは光パイプ６０が用いられ、その中をレーザ・ビームや光（即ち、検出種）６２が符号６４で示される空洞内のプローブ・アセンブリを通過する。必要に応じて、レーザや光６２の方向を変えるために、１つ若しくはそれ以上の鏡６６が空洞６４の中に用いられることも可能である。
【００６４】
この光を伝達する方法は、長い距離を高出力のレーザ・パルスを伝達するときに特に有効である。光ファイバ・ケーブルは、光ファイバ・ケーブルが損傷せずに伝達できる出力に限界を有する。光の通過するトンネル或いはパイプの中において、湾曲した鏡及び／又は鏡とレンズの組み合わせは光が所望の経路から逸脱することを防ぐ。他のもう一つの利点は、光パイプは一般に光ファイバ・ケーブルよりも廉価なことである。光パイプは光ファイバと組み合わせて用いられるものであってもよい。
【００６５】
加えて、上述のレーザ・アセンブリと関連して、本願発明は、高度に集中した高いエネルギー源を創出するデバイスとともに用いられることが出来る。１つの液体の少なくとも１つの特性を測定するための周知の機構の例においては、解析される微小の原材料を沸騰及びイオン化させる自動車に用いられる電極プラグに似た電気アークが利用される。この工程はＬＩＢＳ工程に類似している。しかし液体を励起させるレーザ放射の代わりにアークを用いるものである。この目的のために市販の器具が、例えばフィンランドのメトレックス  インターナショナル（Ｍｅｔｏｒｅｘ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）やドイツのスペクトロ  アナリティカル  インストゥルメント（Ｓｐｅｃｔｒｏ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）によって販売されている。本願発明では、該アーク・スパーク装置が液体の内部付近に配置させることが出来る。また直接的に光が液体の内部に近づくことを可能とする。プローブ・アセンブリ内を通過する冷却ガス若しくは液体は、図２６に示されるように、アークスパーク装置に温度制御された環境をもたらす。本実施形態において、電源は電源１３３からの配線１３１を介して電極１３５に繋がる。電極１３５がハウジング１０内の光線経路に僅かに干渉するために、プローブ・ハウジング８の前端を通って挿入されている。電極と液体の間をスパークが飛び越えるのに十分な大きさの電圧が電極に与えられる。光学アセンブリはスパークによって生じた光及びプラズマによって発光した光を、光ファイバを介して、測定デバイス１３に集める。測定装置１３は検出種から液体の元素組成を決定する。
【００６６】
液体の特性を測定するための解析機器が例示的に示される。ここでは、ＬＬＡ製のアクトン  リサーチ  モデル  ３００（Ａｃｔｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｍｏｄｅｌ  ３００）やエシェル  モデル  ＥＳＡ  ３０００（Ｅｃｈｅｌｌｅ  Ｍｏｄｅｌ  ＥＳＡ  ３０００）のようなスペクトロメータが示されている。しかしながら、プラズマから検出種を測定可能な任意のデバイスが用いられることが出来る。そのような１つの例が、光の波長の範囲内の総放射線量を測定する放射線計（例えば、オプトエレクトロニクス  モデル  ＤＥＴ  ２１０  フォトデテクタ（Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｍｏｄｅｌ  ＤＥＴ  ２１０  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ））である。そのようなデバイスは、少量の元素から濃度測定をする際に、より経済的である。
【００６７】
代わりに、特に長い距離を経由するのであれば、図７に示されるものに似た配置の光ファイバの接続に代えて、角部に適切に配置された鏡とともに閉箱を構成する光トンネルが用いられてもよい。
【００６８】
代わりに、各々のプローブ・アセンブリに対して１つのレーザ・ビーム・アセンブリが使用でき、全ての放射線が１つの検知デバイス（例えばスペクトロメータ）によって集められてもよい。この構成は、レーザが廉価であり、或いは他の廉価な放射線発生源が用いられるとき有効である。同様にして、もし放射線計若しくは他の廉価な放射線解析装置が用いられるならば、単独のレーザ或いは他の放射線源を多重送信し、各々のプローブ・アセンブリに対する１つの放射線解析機器を用いるのに実用的であるかもしれない。
【００６９】
本願発明にしたがって、レーザ或いはプローブ・アセンブリ２に伝達された他の放射線及び図２及び図３に示すような液体から発光され、プローブ・アセンブリ２から伝達される検出種の両方を伝達する１つのファイバ・ケーブルが示されている。伝達された信号の２つ或いはそれ以上の光ファイバ・ケーブル或いは他のコンジットが同時に用いられることが出来るので、このことは本願発明を限定するものではない。特に、プローブ・アセンブリ２に光を伝達するための光ファイバやプローブ・アセンブリ２からの検出種（例えば、光信号）を中継するための第２光ファイバを用いることは有効である。これは、レーザのような高いエネルギー源にファイバを接続するときに光ファイバの損傷を避けることに多大な注意が払われているためである。更に、プローブ・アセンブリから発光された光を分離するために接続を変更することは、コストや信頼性の問題のために実用的でない範囲にある設計を複雑にするためである。
【００７０】
すばやく連続的にパルス化された２又はそれ以上のレーザ又は単一のレーザはノイズ・レイトに対する信号出力を高めるために使用される。図８を参照するとレーザは液体表面上の例えば１ｍｍくらいの一定の距離のところにパルス１６３化され焦点があてられる。液体表面８４上に焦点があてられた第２レーザは大体２ミクロセカンド後にパルス１６４化される。２つのパルスの組み合わせは単一のレーザで得られる以上の信号を大きく増加する。この方法は、ストラティス・ディ・エヌ（Stratis, D. N.）、エランド・ケー・エル（Eland, K. L.）エンジェル・エス・エム（Angel, S. M.）「Dual-Pulse LIBS Using a Pre-ablation Spark for Enhanced Ablation and Emission」（Applied Spectroscopy, 54, No. 9, 2000,pp. 1270-1274）によって明らかにされていることを参考のために示しておく。
【００７１】
レーザ・パルスの進路が、もう一方に対して垂直にするというよりむしろ同一線形順序に（もしくはほぼそのように）並ぶようにするために、本発明での使用において、ストラティス（Stratis）などの装置を変更することができる。この構成の１つの実施形態が図２０に示されている。他の構成も可能であり、この図２０には実施形態を限定する意図はない。ストラティス（Stratis）等によって記載られ、現在使用されている２つのレーザは、多様な波長を有する。光８６の短い方の波長ビーム８６と長い方の光の波長ビーム８８は、レンズ８２によって液体表面８４に焦点を合せている。図３に示されるレンズ・ハウジング２１のように、通常このアセンブリはハウジングの中にある。通常、レンズに使用される材料は、より長い波長と比較すると短距離でより短い波長光に焦点を合せる。この現象はストラティス（Stratis）などによって明らかにされたアセンブリを同一線形順序に変更するために利用されている。測定処理を始めるために、短い方の波長のレーザ光のパルスが、液体表面上ほぼ１ｍｍのところにある点８７にまず伝達され焦点が合せられる。点では、表面上のガスの中でスパークが発生している。長い方の波長の第２レーザ・パルスは数マイクロセカンド後に伝達されるとともに、もし当業者に既知の方法で適切にレンズが選ばれているなら、より長い波長の光は液体８９の表面上に焦点を合せられる。そして表面上でＬＩＢＳスパークを作り出す。
【００７２】
更に、本発明によって、ストラティス（Stratis）等の装置は、その表面のみというよりも液体の分析と液体の内側と表面の両方の測定にまで拡大している。どちらか一方もしくは両方のレーザは例えば前述されたような電気スパーク発生機により交換されることが可能である。
【００７３】
ＬＩＢＳ測定の正確度を高める１つの方法は、ＬＩＢＳスパークから音波信号を測定するためのセンサーを利用することである。図２１を参照すると、音波センサー１００（例えば、マイク）は、ＬＩＢＳスパークから生じる音響放射を集める。この信号はワイヤ１０２によって通常１０４として示される音波測定装置に伝達される。この音響信号の大きさをＬＩＢＳ放射の分析に組み込むことで液体濃度の測定の正確度を高めることが分かっている。
この方法は、シャリード・シー（Chaleard C）、モーチェン・ピー（Mauchen P）、ウェビング・アンドレ・ジェイ（Uebbing Andre J）、ラッカー・エル・エル（Lacour L. L.）、ジーステン・シー（Geesten C）の「Correction of Matrix Effects in Quantitative Elemental Analysis with Laser Ablation Optical Emission Spectrometry」（Journal of Analytical Atomic Spectrometry、１９９７年２月１２日、P.P. 183-188）、に記載されているということを参考のためにここに示しておく。
【００７４】
プラズマに頼ることなくかつ本発明に含まれている液体中の定性的測定と定量的測定を行うための他の方法がある。その一つの例は図２４と２５に示されている蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）として知られている。
この方法では、Ｘ線は適したＸ線ビーム発生アセンブリによって発生し、分析される液体へと方向付けられる。液体はＸ線を吸収し、液体の元素組成の波長特性で放射線を放出する。本発明の実施形態における使用のために、例えばマサチューセッツのNiton Corporation of Billericaやフィンランドの Metorex Internationalの 商用ユニットが利用できる。
既存の提供製品の評価は、ロニー・イー・アヤラ・ジメネス（Rony E. Ayala Jimenez）の「Total Reflection Spectrochmica Acta」（Part B 56 2001 pp.2331-2336）で最近発表されている。現在これらのユニットはＸ線発生と検知ハードウェアを組み合わせて１つの小型ユニットにしている。図２４に示されるように、Ｘ線のアセンブリをプローブ・ハウジングの内部に設置することで、その検知アセンブリはほぼ液体内部にもたらされることが可能である。図２４を参照すると、電気的ワイヤー１２３は電源１２７から蛍光X線のアセンブリ１２５に電力を提供する。
代わりに、電力は、プローブ・アセンブリ８内部に設置されている１つもしくはそれ以上のバッテリーによって提供されることが可能である。蛍光X線アセンブリ１２５は著名なＸ線発生装置を含み、Ｘ線をプローブ・アセンブリ８の前端に方向付けている。液体から放出されたＸ線は、蛍光X線のアセンブリに集められ、その結果の測定は、電気的ワイヤー１２３を通じて測定デバイス１２１へと伝達される。この電気的信号は、その元素組成を含めた液体の特性についての情報も含んでいる。
【００７５】
例えば、スペースの制約のためにプローブ・アセンブリ内部にＸ線アセンブリ装置を設置することが実行不可能な場合、装置は図２５に示されるようなプローブ・ハウジングとハウジングの長さに指示されるＸ線の外部に設置される。蛍光X線のアセンブリ１２５はチューブ１２７の上に設置されることができ、そのチューブを通じてＸ線放射が液体に向けて方向づけられている。Niton Corporationは例えばＸ線を望ましい方向に方向付ける能力を組み合わせる伸縮突出部を持つ蛍光X線ユニットを提供する。
【００７６】
図１３で示されているように、もし液体から得られた検出種が本質的に電磁気を帯びていなければ、例えば音波線のように、その後プローブ・アセンブリ内部、又は隣接するプローブ・アセンブリ外部の変換器７０（例えば超音波変換器）を通して、検出種は電気的信号へと変換されることが可能である。信号は、その後プローブ・アセンブリから分析のために電気的ワイヤー７４を通じて取り除かれる。もし検出種が電磁気を帯びていれば（すなわち光）、この構成はまた実行されることが可能であるとともに変換器７０が電磁気信号を電気的信号に変換する。
随意的にこれらの電磁気信号は無線信号もしくは他の無線通信方法を通じて伝達されることが可能である。プローブ・アセンブリがバッテリーもしくは別の搭載エネルギー源を通じて自己出力能力があるとき、これは有利になる。
【００７７】
超音波プローブ・アセンブリは、例えば液体の密度や流量を測定するために利用されることが可能である。超音波密度測定プローブは例えばテキサス州オースティンのサーモ・メジャー・テック（Thermo Measure Tech）から市販されている。例えば図２７に示されているようなデバイスは距離が離れている２つのプローブ・アセンブリを使用している。１つのプローブ・アセンブリは超音波線を放出し、そしてもう１つのプローブ・アセンブリはその超音波線を受けている。超音波がプローブ・アセンブリ間を行きかう所要時間は液体の密度と相互に関連している。
この方法はプローブ材料と一緒に使用されることを妨げない液体を必要としている。例えば溶けた材料のように、もし液体が非常に高温であるかもしくは一緒に使用することを防げば、その後その機器は使用されることはできない。組み合わせている超音波変換器は、これらのタイプの液体におけるその方法を使用することを可能にしている。
図２７に開示されるように、超音波変換器を含む２つのプローブ・アセンブリが液体に挿入される。一方の変換器１４５は他の変換器１４７に受け取られる超音波パルスを発する。その信号はワイヤ１４３を通じての測定デバイス１４１への往復が伝達される。検知アセンブリと例えば温度や組成のような他の液体の特性の間の距離を知ることで、流体密度は、当業者により計算されることが可能になる。
【００７８】
同様に、液体の流量を決めるために、超音波流量計は、超音波保存が２つのプローブ・アセンブリ間を行きかう所要時間を利用する。この原理に基づいた機器は例えばテキサス州ヒューストンのパナメトリクス（Panametrics Inc.）から市販されている。
密度計の場合について、非常に高温の液体にもしくは同様に一般的な変換器材料といっしょに使用されることを妨げない液体のために、本発明に超音波変換器を組み合わせることは使用される方法を可能にしている。
【００７９】
超音波と蛍光Ｘ線の方法は、プラズマの発生に依存するのではなく、本発明に組み込まれることが可能な液体の特性を測定する方法の例である。これらの方法は液体から放射を開放するとともに検出種をそこから受け取るので、本発明の実勢態様において、それらは代替に使用することができる。防護壁（例えば窓９）は、安定した量のガス、電磁気線もしくは音波線に代わり、図１８に示されるように検出種を発生するために使用されることが可能である。
【００８０】
１つの本発明の適用は溶けた材料を注いでいる間に起きる選択的インラインアロイングである。この適用では、プローブ・アセンブリは、図５と１１に示されているように炉１５６から注がれているときに、容器に入った、溶けた材料の頂部に直接設置される。そのすべての対象元素を測定することとともに原料油を制御するためのフィードバックとしてデータを使用することが可能となる。代わりに、例えばマグネシウムやマンガンのような１つもしくは２つの選択された元素が測定されることが可能である。流動状態の溶けた材料８０が注がれながら、これらの元素は炉で合金化されるとともにセンサー（図示せず）での投入で制御されることが可能である。アロイングのバランスは従来の方式の炉ですでに達成されている。もし１つの元素のみが合金化されるとすると、その後少なくとも１つ、典型的には２つの放射計がスペクトロメータの代わりに使用されることが可能である。
【００８１】
図１４に示されるようなインライン・アロイングを実施するために２つもしくはそれ以上のプローブ・アセンブリを使用することは有利である。２つのプローブ・アセンブリ９０ａと９０ｂは、上述の多重送信技術を使用して、１つのレーザとスペクトロメータ９４を共有することができる。この実施形態において、１つのプローブ・アセンブリ９０ａは注がれる流れを分析し、もう１つのプローブ・アセンブリ９０ｂは静止状態の液体を分析するために炉内に設置される。この実施形態の利点は２段階からなるアロイングが実施されることが可能であることである。第１段階は炉内で実施され、第２段階は注がれる液体の上で実施される。もし１つのアロイング元素が符号９６によって示されるように大量に加えられるとともに符号９８によって示されるような１つのアロイング元素が少量加えられるならば、これは有効である。更に大量に加えられたアロイング元素は金属の中の静止状態の液体の中で混ぜられる。そこでそれは容易に混ぜられる。加えて、炉内のプローブ・アセンブリ９０ｂは不適合に配合された、融解物の出来事の中で警告を引き起こすために使用されることができる。間断ない炉内でバルブ９２又は例えばプラグのような他の材料の流れを止めることができるデバイスの制御１７５のために使用されることが可能である。それらは配合を誤った際に間断ない溶けた金属の流れ１７７を止める。
【００８２】
本発明の他の適用は、図１５に示されるような従来のバッチ炉を連続炉に変換することに関する。この説明は十分であり、アルミニウム産業や他の類似した産業のための新しい作業パラダイムが生じることが可能である。この適用では、プローブ・アセンブリ１００は、溶けた金属が注がれている際に再度炉１０４内の溶けた金属１０２すぐ上に配置される。しかし、全ての対象元素は読み込まれ、制御されている。炉は連続運転し同時に注ぎ金属１０６供給源から充填している。炉内では間断なく合金化される。プローブ・アセンブリ１００は、分析のため検出種を検知デバイス（例えばスペクトロメータ１０８）に送るので、１つもしくはそれ以上の元素の濃度について記録がされる。このようにして、条件内で合金であるためにオペレーターは、手動でもしくは自動的にスクラップ金属供給とアロイング元素供給１０５を調整することが可能である。１つもしくはそれ以上のプローブ・アセンブリはプロセスを促進するために同様に（図１４を見る）炉内に設置される。連続運転する炉の利点は重大であるとともに省エネルギー、増産そして排出量の削減を含む。
【００８３】
本発明の更なる適用は、炉のモデリング（すなわち炉の能力の予測）を改善するために溶けた物の中での熱と物質の移動を測定する診断用ツールとしてのその使用である。スクラップ金属のような原材料又は合金材料は普通に溶けた物の中に加えられる。プローブ・アセンブリは溶けた材料の中の１箇所に浸すことが可能であるとともに新しい材料を加えた結果として生じる、溶けた組成のその変化は時間の関数として測定されることが可能である。新しい材料が加えられた時、そのように溶けた物の組成が変化するかの空間的かつ時間的地図を作り、プローブ・アセンブリ１１０で異なる箇所で図１６に示されるようなこのプロセスは、繰り返されることが可能である。温度測定をプローブ・アセンブリの能力の範囲内に組み合わせることによって、例えば（図２、参照符号４２−４４）炉の装填の結果生ずる温度変動は同様に地図化されることが可能である。
【００８４】
代わりに、溶けた物を長時間安定させる効果を測定されることが可能である。生産において使用される、溶けた金属は典型的に多くの種、いくつかの他より重い種から成り立っているので、もし溶けた物が影響を受けないままであるなら、より思い要素は自然に底部に沈殿し、望ましい均質な要素とは相反して層状になった、融解物を作り出す。今までのところ、停止時間の機能もしくは炉の設置として層化の程度を測定することは不可能である。プローブ・アセンブリを炉の異なる深さの異なる箇所に挿入するとともに停止時間の機能として組成を測定することによって層化のプロセスを学ぶことが可能である。結果として得られる知識を利用してその後層化を避けるために操作手順と炉の設計を変更することができる。
【００８５】
層化はまた熱の流れのために生じうる。液体がゆっくりと熱伝導をするとき、例えば溶けたガラスは加熱され、その熱は不均等に熱の流れによって運ばれる。これらの流れはまた溶けた要素を運ぶことが可能である。要素が集中しもしくは、タンクの特定の場所から激減するという結果となる。
【００８６】
これらの実験から集められた情報は、効率性を高め均質の溶けた物を生産するために、炉と作業手順の再設計に使用されるだろう。終わりに、炉作業や混合タンクを模擬実験するために使用されたコンピュータソフトウェアは正確度を高めるために上述された時間的空間的地図を組み合わせることができる。現在このタイプのソフトウェアは理論計算のみにもしく本発明で集められた物よりもかなり少ない能力データに依存している。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】溶解物質を原位置で分析するための既知の概略図であるレーザ誘起ブレークダウン分光システムである。
【図２】本発明の実施形態に沿ったプローブ・アセンブリの断面図である。
【図３】液体が入った容器に沈められた本発明の実施形態に沿ったプローブ・アセンブリの断面図である。
【図４】図３で示される本発明の実施形態に沿ったプローブ・アセンブリの前端の断面図から得られた底面図である。
【図５】液体の表面からフローイング・サンプルの測定値を取るためにために用いた本発明の装置の実施形態の線図である。
【図６】複数の容器に収納された液体を分析するための複数のプローブ・アセンブリを採用している本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図７】溶けた原材料の組成を決定するために、溶けた原材料から光エネルギー分析のためのデバイスへ、光エネルギーのような検出種を伝達するために用いることのできるパイプの概略図である。
【図８】ＬＩＢＳ法のノイズ比に対して信号を強めるための２つのレーザを有するプローブ・アセンブリを示している概略図である。
【図９】装置の前端部において、ガスの安定的な容量を維持する目的のためのガスが余分に存在する時、加圧ガスを空気中に放出するためのバルブを採用している本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図１０】容器の縦軸に対して、プローブ・アセンブリの挿入を容易にするための角度を付けられた前端部を採用している本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図１１】流れている液体表面の上から、流れている液体を分析するために装置が用いられた時に採用された本発明の装置の別の実施形態の概略図である。
【図１２】複数のプローブ・アセンブリと、単一放射源と、液体から放出している検出種を測定するための単一機器を採用している本発明の装置の別の実施形態の概略図である。
【図１３】液体中において、定性的及び／又は定量的測定を実施するための超音波変換機を採用している本発明の装置の別の実施形態の概略図である。
【図１４】インライン合金製造による金属合金の生産において用いることのできる本発明の実施形態の概略図である。
【図１５】連続出力炉による金属合金の生産において用いることのできる本発明の実施形態の概略図である。
【図１６】容器内の複数の箇所で、液体の特性を同時に測定するために用いることのできる本発明の実施形態の概略図である。
【図１７】装置の前端部において、安定的な容積を維持するために用いられているガスから分離されているガス又は液体の流れが、装置内の温度を稼動可能な温度に維持するために用いられている本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図１８】装置の前端部において、安定的な容積の不活性ガスの代りにウィンドウが採用されている本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図１９】装置の前端部において、液体の水位を検出するためのアセンブリを提供している本発明の装置の別の実施形態の断面図である。
【図２０】液体の特性を測定するための、同一線上にある２つの異なる波長のレーザを用いている本発明の装置のさらなる実施形態の概略図である。
【図２１】液体から放出される音波エネルギー状態の検出種を検出するための音波センサーを採用している本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２２】液体内部に、流れている不活性ガスを送るための延長された通路を採用している本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２３】プローブ・アセンブリの前方の先端部から液体の表面まで、流れている不活性ガスを送るための延長された通路を採用している本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２４】液体の組成を決定するためのＸ線蛍光アセンブリを採用している本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２５】プローブ・アセンブリの外側に位置しているＸ線蛍光アセンブリを有している図２４と同様の本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２６】プローブ・アセンブリの前端部のガス−液体界面において、プラズマを発生させるためのアーク電極を採用している本発明の装置のさらなる実施形態の断面図である。
【図２７】超音波変換機を含んでいる２つのプローブ・アセンブリを採用している本発明の装置のさらなる実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００８８】
２・・・・・・プローブ・アセンブリ
４・・・・・・ハウジング
６・・・・・・後端
８・・・・・・前端
９・・・・・・ウィンドー
１０・・・・・放射ビーム・アセンブリ
１１・・・・・光ファイバ・ケーブル
１２・・・・・ノズル・アセンブリ
１４・・・・・底部
１５・・・・・パルス・レーザ・ビーム
１６・・・・・チャンネル
１７・・・・・第１開口部
１８・・・・・コンジット
１９・・・・・第２の離れた開口部
２０・・・・・液体
２１・・・・・ハウジング
２５・・・・・開口部
１１１・・・・チャンネル
１５６・・・・炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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