(57)【要約】遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び検出方法。検出装置は、フロントエンド耐高温プローブ（１８）、ミドルエンド光検知装置（１９）、及びバックエンド制御プラットフォーム（２４）を含み、フロントエンド耐高温プローブ（１８）のヘッドは液体金属（２２）に入れられ、フロントエンド耐高温プローブ（１８）のテイルはミドルエンド光検知装置（１９）に同軸で接続され、光学窓（１５）は接続位置に配置され；かつ、ミドルエンド光検知装置（１９）は、バックエンド制御プラットフォーム（２４）に信号線（２５）によって接続される、検出装置及び検出方法は、品質制御及び溶融終了のために適時かつ有効なメッセージを提供することができ、その結果、検出時間が大幅に短縮され、検出距離が広範囲にわたって調節されることができ、測定結果が正確であり、Ｃ、Ｓ、Ｐなどの測定が困難な成分の測定が達成されることができる。
2016522416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロントエンド耐高温プローブ（１８）のヘッドが、液体金属（２２）に配置され、フロントエンド耐高温プローブ（１８）のテイルが、ミドルエンド光検知装置（１９）に同軸で接続され、光学窓（１５）が、接続位置に配置され；かつ、ミドルエンド光検知装置（１９）が、バックエンド制御プラットフォーム（２４）に信号線（２５）によって接続される、
遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項２】
前記ミドルエンド光検知装置（１９）において、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）が、レーザ生成モジュール（６）がレーザビームを放射する軸方向に同軸で配置され；
第１の反射鏡（９）が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）の出現方向の光学軸上に配置されて、出現方向の光学軸に対して４５°の角度を形成し；第２の反射鏡（１０）が、遠隔信号回収モジュール（１１）の入射方向の光学軸上に配置されて、入射方向の光学軸に対して４５°の角度を形成し；かつ、第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）の中心を結ぶ線が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）並びに遠隔信号回収モジュール（１１）の軸に対して垂直であり；
分光片（２０）及び光ファイバ結合モジュール（１３）が、遠隔信号回収モジュール（１１）の出現方向の光学軸上にそれぞれ配置され；光ファイバ結合モジュール（１３）が、光ファイバ（２１）により光ファイバ分光計（１４）と接続され；かつ、ファイバ分光計（１４）が、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；
リアルタイム撮像モジュール（１２）が、分光片（２０）の反射方向の光学軸上に垂直に配置されて、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続される、
請求項１に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項３】
前記フロントエンド耐高温プローブ（１８）が、励起レーザビーム及び被回収プラズマ信号光の光路が閉鎖不活性ガス環境にあるように、不活性ガスが充填された倒円錐である、請求項１に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項４】
前記バックエンド制御プラットフォーム（２４）が、レーザ電源及び制御ユニット（１）、時間同期制御器（２）、空気流入制御ユニット（３）、並びに変位プラットフォーム制御ユニット（４）を含み、該ユニットが、信号線（２５）によりミドルエンド光検知装置（１９）と接続される、請求項１又は２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項５】
第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）の中心を結ぶ線の方向に配置されたレーザ距離測定モジュール（８）を更に含み、レーザ距離測定モジュール（８）が、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続される、請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項６】
前記ミドルエンド光検知装置（１９）が、温度制御モジュール（５）を更に含み、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；前記温度制御モジュール（５）が、ミドルエンド光検知装置（１９）の内部温度のリアルタイムモニタリング及び調節のための温度センサ及び温度調節装置を含む、請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項７】
前記レーザ生成モジュール（６）が、レーザヘッド、１／２波長板、及び偏光分光片の２つの群を含み；
前記１／２波長板が、レーザヘッドのレーザ出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対して垂直であり；
かつ、前記偏光分光片が、１／２波長板の出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対してブリュースター角を形成し、第２の偏光分光片（３１）が、第１の偏光分光片（３０）によって反射されたレーザビームを受けることができる、
請求項１又は２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項８】
前記遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）が、レーザ生成モジュール（６）の出現方向に同軸で配置された、第１の可動ベース（３２）及び発散レンズ並びに収束レンズを含み；
前記第１の可動ベース（３２）が、レーザ生成モジュール（６）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記発散レンズが、光学軸に対して垂直に第１の可動ベース（３２）に配置され；
前記収束レンズが、光学軸に対して垂直に第１の可動ベース（３２）と第１の反射鏡（９）との間に配置される、
請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項９】
前記遠隔信号回収モジュール（１１）が、第２の可動ベース（３７）、双曲面反射鏡（３８）、及び放物面反射鏡（３９）からなり、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；
前記第２の可動ベース（３２）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記双曲面反射鏡（３８）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向と平行及び同軸であり、第２の可動ベース（３７）に配置され；
かつ、前記放物面反射鏡（３９）が、双曲面反射鏡（３８）と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される、
請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項１０】
前記遠隔信号回収モジュール（１１）が、第２の可動ベース（３７）、球面反射鏡、及び非球面反射鏡からなり、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；
前記第２の可動ベース（３２）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記球面反射鏡が、第２の反射鏡（１０）の出現方向と平行及び同軸であり、第２の可動ベース（３７）に配置され；
かつ、前記非球面反射鏡が、球面反射鏡と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される、
請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項１１】
前記光ファイバ結合モジュール（１３）が、同軸で平行に順々に配置された第３の発散レンズ（４０）、第３の収束レンズ（４１）、及び第４の収束レンズ（４２）を含み、これらの光学軸が、遠隔信号回収モジュールの光学軸と一致する、請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項１２】
前記リアルタイム撮像モジュール（１２）が、色消しレンズ（４３）及びＣＣＤ（４４）を含み；かつ、色消しレンズ（４３）及びＣＣＤ（４４）が、同軸で配置され；これらの軸方向が、遠隔信号回収モジュール（１１）の光学軸の方向に対して垂直であり；かつ、軸が、分光片（２０）の中心を通過する、請求項２に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【請求項１３】
フロントエンド耐高温プローブ（１８）のヘッドを液体金属（２２）内に配置し、閉鎖不活性ガス環境を形成するために耐高温プローブの空気流入管（１６）により不活性ガスを充填する工程と；
レーザ距離測定モジュール（８）によって距離測定レーザを放射し；距離測定レーザが第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）を通過した後に、液体金属表面（２３）上に距離測定レーザを照射し；液体金属表面（２３）の位置情報を測定し；バックエンド制御プラットフォーム（２４）に位置情報をフィードバックする工程と；
プラズマを励起するための、レーザが焦点を合わせる焦点位置、及び遠隔信号の回収位置が、液体金属表面（２３）上で一致するように、レーザ距離測定モジュール（８）によってフィードバックされた液体金属表面（２３）の位置情報により、バックエンド制御プラットフォーム（２４）によって第１の可動ベース（３２）及び第２の可動ベース（３７）の焦点調節を実行する工程と；
レーザ生成モジュール（６）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）のレーザ生成信号を受信し；レーザビームを放射し；レーザビームが遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）を通過した後に、第１の反射鏡（９）上にレーザビームを照射し；反射されたレーザビームが第２の反射鏡（１０）を通過することを可能にし；プラズマ信号光を生成するために、フロントエンド耐高温プローブ（１８）の不活性ガス環境を通過して液体金属表面（２３）にレーザを照射する工程と；
フロントエンド耐高温プローブ（１８）の不活性ガス環境を通過して遠隔信号回収モジュール（１１）に生成されたプラズマ信号光を送信し；遠隔信号回収モジュール（１１）の放物面反射鏡（３９）及び双曲面反射鏡（３８）により平行なプラズマ信号光を形成し；分光片（２０）により光ファイバ結合モジュール（１３）に平行なプラズマ信号光を送信する工程と；
平行なプラズマ信号光が光ファイバ結合モジュール（１３）を通過した後に、光信号回収及び光電変換を実行するために光ファイバ（２１）により光ファイバ分光計（１４）に平行なプラズマ信号光を送信し；かつ、プラズマ信号光の回収を完了するためにバックエンド制御プラットフォーム（２４）にプラズマ信号光をフィードバックする工程と、
を含むことを特徴とする遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。
【請求項１４】
分光片（２０）によって反射された信号光及びシーン背景光の一部を受信して、バックエンド制御プラットフォーム（２４）にその光をフィードバックし、液体金属表面（２３）の外観及びプラズマの形成状態をリアルタイム表示して、合焦位置及び回収位置をリアルタイム調節するリアルタイム撮像モジュール（１２）を更に含む、請求項１３に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分野
本発明は、高温液体成分のための遠距離オンラインモニタリングの技術分野に関し、特に遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法に関する。
【０００２】
背景
金属及び合金の溶融プロセスでは、製品品質を制御し溶融終了を判断するために、化学成分の変化を検出することが必要である。現在、高度で効果的なオンライン測定技術の欠如のため、手動サンプリング及びサンプル作製のオフライン検出手段が、溶融プロセスにおいて一般に採用される。例えば、鋼溶融プロセスの間の、高温溶鋼の検出では、融解鋼を、サンプリング、冷却、研削、研磨などの一連のプロセス後に、測定及び分析のための分析器上へ取り出すことが必要であり、溶融時間の１０分の１以上を占める全プロセスの３〜５分を必要とする。この時間のかかるオフライン検出手段は、後退した品質管理の原因となるばかりでなく、大量の資源及びエネルギ資源の浪費の原因となる。更に、検出設備は、高価かつ巨大であり、現代の所要溶融生産に適合させるのは困難である。
【０００３】
レーザ誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）は、プラズマを励起するためにレーザを使用し、次いで元素検出及び分析を実行するためにプラズマの放射スペクトルを使用する技術である。LIBSは、複雑なサンプル前処理プロセスを必要とせず、サンプルの外観及び大きさの厳しい要件がなく、サンプルの消費量が少なく、同時に固体、液体、及び気体に好適であり、かつ複数の元素の同時判定を実行するために使用することができる。したがって、この技術は、現場の、オンラインの、迅速な、かつ遠隔の分析の態様で、優れた適用価値を提示する。
【０００４】
冶金産業の生産様式の拡大化、高速化、及び連続化と共に、液体金属成分のための現場オンライン検出技術に対する喫緊の要求が増加し、レーザ誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）に基づいたオンライン検出装置が発明され始めている。
【０００５】
文献（Reinhard Noll，Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Fundamentals and Applications，Springer 2012）は、現在の、LIBSの使用による検出設備の研究状況を提示する。金属成分に適用される分析設備は、主に近距離研究室設備を含む。近距離研究室設備は、測定が正確で、必要な時間が短い（数十秒）が、大きな体積、及び環境に対する高い要件を有するため、鋼工場などの、複雑な環境のオンラインモニタリングにうまく適合させることができない。
【０００６】
文献（Lin Xiaomei, Cao Jiqing, Yin Qinghui, and Liu Xiaoqing, Online Analysis of Silicone Content in AOD Furnace Based on LIBS, Magnesium Alloy, 2009 (1): 41-44）は、LIBSの使用によりAOD炉においてＳｉ元素の含量を検出するための装置を提示する。装置は、炉でのサンプリングのために自己設計サンプラを使用する。その後、成分検出が、装置のサンプルプールにおいて実行される。装置は、短い検出距離及び比較的複雑な構造設計を有し、単一の元素を測定することができるだけで、複数の元素を同時に測定することができない。
【０００７】
文献（G. Mathy, B. Monfort, B. Vanderheyden, V. Tusset, Liquid steel process: advanced on line sensors under development at CRM. Metall. Anal. 30 (Suppl.1), 6-14 (2010)）は、ニュートンテレスコープシステムの使用により遠距離LIBS検出を実現するためのTeleLisシステムを提示する。TeleLisシステムは、３〜１２メートルの範囲内で、必要測定サンプルの元素成分の分析を実現することができる。しかしながら、TeleLisシステムの正面光路は開放構造であるので、周囲環境及び空気がスペクトル精度に影響を及ぼす。更に、Ｃ、Ｓ、Ｐなどの元素の特性スペクトル線は、紫外域にある。開放光路の空気成分はこれらの元素を強く吸収するので、これらの特性元素を測定することができない。
【０００８】
文献（Robert De Saro, Arel Weisberg, and Joe Craparo，In Situ, Real Time Measurement of Aluminum, Steel, and Glass Melt Chemistries Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy，2005 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry 2005）は、工業現場におけるアルミニウム合金溶融液中のＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎなどの元素のオンライン測定のための装置を報告する。プローブは、金属溶融液表面を直接測定するために炉体に挿入される。しかしながら、光学構造は、装置のプローブの内側に含まれ、保護されることが必要である。プローブは、複雑な構造を有する。
【０００９】
文献（Mohamed A. Khater，Laser-induced breakdown spectroscopy for light elements detection in steel: State of the art，Spectrochimica Acta Part B 81 (2013) 1-10）は、金属溶解におけるLIBSの使用による軽元素のモニタリング状況を提示する。軽元素の特性スペクトルが主に紫外域及び深紫外域に集中するので、現在の主要な方法は、測定を実行するために不活性ガス環境又は真空環境を生成するが、光路の特別なガス環境が比較的十分ではなく、工場の厳格な環境にうまく適合させることができない。
【００１０】
このように、鋼溶融工場の厳格な環境にうまく適合し、単純な構造、申し分ない適用性を有することができ、かつ製造コスト及び維持コストがかからないLIBSに基づく複数の元素（Ｃ、Ｓ、Ｐなどの非金属元素）の同時測定のためのオンラインモニタリング設備の完全な一式は現在存在しない。既存の設備は、構造の複雑さ、環境ニーズ、測定可能なニーズなどの態様において異なる限界を有し、比較的狭い適用範囲を有する。
【００１１】
概要
従来技術の欠点に応じて、本発明は、品質管理及び溶融終了のための適時かつ有効な情報を提供する冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法を提供し、これにより、検出時間が大幅に短縮され、検出距離が広範囲にわたって調節可能となり、検出装置が柔軟に取り付けかつ使用可能となり、製品品質を大幅に改良することができ、生産コストが減少し、かつエネルギ消費が低減し；更に、二重パルス法が適用されて、これにより、スペクトル品質を効果的に高め、ノイズを抑制し、測定結果の精度及び安定性を強化し；測定が困難であるＣ、Ｓ、Ｐなどの成分の測定を達成することができる。
【００１２】
上述の目的を実現するために、本発明は、技術的解決策を開示する。
【００１３】
本発明は、以下の有益な効果及び利点を有する。
【００１４】
サンプリング及びサンプル作製が必要とされず、かつ高温溶融金属成分が現場オンライン検出しやすく、これにより、検出時間を大幅に短縮し、冶金製造プロセスのためのリアルタイム情報を提供し、製品品質を大幅に改良し、生産コストを減少させ、かつエネルギ消費を低減させる。
【００１５】
プラグイン耐高温プローブが採用され、これにより、測定に対する、溶融物表面上の出滓の不純物などの影響を防止し、測定結果が被測定物質の状況を実際に反映することを可能にし、正確な結果を確保する。
【００１６】
耐高温プローブは、単純な構造を有し、内部に他の光学構造を有せず；設計及び製造コストが比較的低く；かつ、異なる長さの耐高温プローブに、異なるニーズに応じて置き換えることができる。
【００１７】
測定が困難であるＣ、Ｓ、Ｐなどの成分の測定が、不活性ガス環境の光路の伝送により達成され得る。
【００１８】
測定距離を、選択された耐高温プローブの長さに従って変化させることができ；１．５〜１０メートル以上の距離での検出が実現され得；本発明は、異なる環境状態に柔軟に適用され得る。
【００１９】
二重パルスのビーム合成手段により、サンプル上の二重パルスレーザのプラズマ励起が実現され、それにより、プラズマ信号の強さを強化し、ノイズを低減させ；単一パルス励起手段と比較して、検出精度及び安定性を大幅に強化することができる。
【００２０】
本発明は、広い適用範囲を有し、冶金溶融金属の測定に適用されるだけでなく、他の通常の液体の測定並びに気体及び固体物質の測定に好適であり得る。
【００２１】
耐高温プローブが取り外される場合に、本発明は、遠距離元素オンライン分析器として使用することができ、１．５〜１０メートル以上の遠距離検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の全体構造図である。
【図２】本発明のレーザ生成モジュールの構造図である。
【図３】本発明の遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール並びに遠隔信号回収モジュールの構造図である。
【図４】本発明のリアルタイム撮像モジュール及び光ファイバ結合モジュールの構造図である。
【００２３】
図中、１はレーザ電源及び制御ユニットであり；２は時間同期制御器であり；３は空気流入制御ユニットであり；４は変位プラットフォーム制御ユニットであり；５は温度制御ユニットであり；６はレーザ生成モジュールであり；７は遠隔ビーム拡張及び合焦モジュールであり；８はレーザ距離測定モジュールであり；９は第１の反射鏡であり；１０は第２の反射鏡であり；１１は遠隔信号回収モジュールであり；１２はリアルタイム撮像モジュールであり；１３は光ファイバ結合モジュールであり；１４は光ファイバ分光計であり；１５は光学窓であり；１６は耐高温プローブの空気流入管であり；１７は耐高温プローブの空気流出管であり；１８は耐高温プローブであり；１９はミドルエンド光検知装置であり；２０は分光片であり；２１は光ファイバであり；２２は液体金属であり；２３は液体金属表面であり；２４はバックエンド制御プラットフォームであり；２５は信号線であり；２６は第１のレーザヘッドであり；２７は第２のレーザヘッドであり；２８は第１の１／２波長板であり；２９は第２の１／２波長板であり；３０は第１の偏光分光片であり；３１は第２の偏光分光片であり；３２は第１の可動ベースであり；３３は第１の発散レンズであり；３４は第２の発散レンズであり；３５は第１の収束レンズであり；３６は第２の収束レンズであり；３７は第２の可動ベースであり；３８は双曲面反射鏡であり；３９は放物面反射鏡であり；４０は第３の発散レンズであり；４１は第３の収束レンズであり；４２は第４の収束レンズであり；４３は色消しレンズであり；４４はＣＣＤである。
【００２４】
発明の詳細な説明
本特許は、図面及び実施形態を組み合わせて、以下で更に説明される。
【００２５】
図１は、フロントエンド耐高温光プローブ１８、ミドルエンド光検知装置１９、及びバックエンド制御プラットフォーム２４を含む本発明の全体構造図を示す。
【００２６】
フロントエンド耐高温プローブ１８の先端が、冶金液体金属２２に入れられ；密封空洞体が、内部に形成され；不活性ガスが、不活性ガスの光路環境を形成するために、空気管１６を介して充填され；ミドルエンド光検知装置１９が、バックエンド制御プラットフォーム２４の操作信号を受信し；最初に、冶金液体金属表面２３からの距離が、レーザ距離測定部８で測定され；検出レーザが液体金属表面２３上に焦点を合わせるように、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１内の第１の可動ベース３４及び第２の可動ベース３７がフィードバック信号に従って調節され；信号回収点が、同じ位置となり；レーザが、検出レーザを発生させるためのバックエンド制御プラットフォームのトリガ信号を受信し、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに反射鏡を通過し、遠隔信号収回収モジュール１１と同軸度を実現し、液体金属表面２３上に焦点を合わせてプラズマを発生させ；焦点の位置の外観及び生成されたプラズマの状態が、リアルタイム撮像モジュール１２によりリアルタイムで観察され；遠隔信号回収モジュール１１を通過した後に、生成されたプラズマ信号光が、光ファイバ結合モジュール１３及び光ファイバ２１を通過し、光ファイバ分光計１４に入ってプラズマスペクトル信号の回収を完了する。
【００２７】
フロントエンド耐高温プローブ１８の先端は、冶金液体金属２２に入れられ；密封空間が、内部に形成され；不活性ガスが、不活性ガスの光路環境を実現するために充填され；簡単に置き換えられるように、光学素子がフロントエンド耐高温プローブ１８に存在しない。フロントエンド耐高温プローブは、外部の耐火材料部、及び空気充填部を含み；プローブの先端は開放構造を有し、プローブの尾部はミドルエンド光検知装置と接続され；フロントエンド耐高温プローブが冶金液体金属に挿入されるときに、密封空洞体が内部に形成され；励起レーザ及び被回収プラズマ光の光路が不活性ガス環境にあるように、不活性ガスが、空気充填部により内部に充填されて不活性ガス空間を形成する。
【００２８】
ミドルエンド光検知装置１９は、テレスコープ構造による遠距離プラズマ励起及び信号光回収の機能を実現し、かつ励起光路と回収光路の同軸を達成し；検出距離が、必要に応じて調節されることができ；自動合焦が、実行されることができ；被検出物質の表面形状のリアルタイム観察の機能を有する遠隔レーザ誘起ブレイクダウンスペクトル検知装置が、レーザ生成モジュール６、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７、遠隔信号回収モジュール１１、同軸調節部（第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０）、レーザ距離測定モジュール８、リアルタイム撮像モジュール１２、並びにスペクトル回収部を含み；励起及び回収光路の空間が、フロントエンド耐高温プローブによって形成される不活性ガス環境である。
【００２９】
ミドルエンド光検知装置のレーザ生成モジュール６は、バックエンド制御プラットフォームのレーザ生成信号を受信することによって、単一のレーザビーム又は二重同軸レーザビームを生成し；光ビームの出現方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の軸方向であり；遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７を通過した後、レーザが、フロントエンド耐高温プローブ１８の不活性ガスの光路環境を通過して、測定される液体金属表面２３上に焦点を合わせてプラズマを形成するように、レーザは、同軸調節部へ入射し同軸調節部を通過して励起光路の光学軸と遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の同軸を達成する。レーザ距離測定モジュール８によって放射されるレーザ、及び遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７から出現する励起レーザは、９０°の方向で同軸調節部へ入射し、同軸調節部を通過して、励起レーザ及び遠隔信号回収モジュール１１の光路と同軸を達成して、液体金属表面２３へ放射される。生成されたプラズマ信号は、フロントエンド耐高温プローブ１８の不活性ガスの光路環境を通過して遠隔信号回収モジュール１１に入る。遠隔信号回収モジュール１１を通過した後に、プラズマ信号は、分光片２０を通過する。プラズマ信号光の一部はリアルタイム撮像モジュール１２へ入射して検出点の表面外観のリアルタイムモニタリングを実現し、光の残りの一部はスペクトル回収部へ入射してプラズマ信号光の回収を実現する。分光片２０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して４５°の角度を形成する。ミドルエンド光検知装置１９全体は、一定の温度の密封筺体で、同軸光路方向に光学窓１５を有する。
【００３０】
内部温度が必要な温度範囲内に保たれるように、温度制御モジュール５は、信号線２５によりバックエンド制御プラットフォーム２４と接続され、温度センサ、並びにミドルエンド光検知装置１９の内部温度のリアルタイムのモニターリング及び調節のための温度調節装置からなる。
【００３１】
リアルタイム撮像モジュール１２は、分光片２０によって反射された信号光及びシーン背景光の一部を受信して、バックエンド制御プラットフォーム２４にその光をフィードバックし、液体金属表面２３の外観及びプラズマの形成状態をリアルタイム表示して、実際の状況に従って合焦及び回収位置をより詳細にリアルタイム調節する。
【００３２】
スペクトル回収部は、光ファイバ結合モジュール１３、光ファイバ２１、及び分光計１４を含む。光ファイバ結合モジュール１３は、分光片２０を通過したプラズマ信号光の光学軸上に配置され、光ファイバ２１は、光ファイバ結合モジュール１３及び光ファイバ分光計１４と接続される。信号光が、光ファイバ２１に結合され、次いで信号光の回収の実現のために分光計１４に入るように、分光片２０を通過した信号光は、光ファイバ結合モジュール１３の光学軸上に入射し、光ファイバ結合モジュール１３を通過する。
【００３３】
スペクトル回収部はまた、光結合システム及び格子分光計から直接なることができ；光結合システムは、分光片を通過したプラズマ信号光の光学軸上に配置され；光結合システムを通過した後に、信号光は、信号光の回収の実現のために格子分光計に入る。
【００３４】
図２は、本発明のレーザ生成モジュール６の構造図である。レーザ生成モジュール６は、第１のレーザヘッド２６、第２のレーザヘッド２７、第１の１／２波長板２８、第２の１／２波長板２９、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１を含んだレーザ生成及びビーム合成部を含み、第１の１／２波長板２８及び第１の偏光分光片３０は、第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザの入射方向に順々に配置され、レーザの光線の方向と鉛直角及びブリュースター角をそれぞれ形成し；第２の１／２波長板２９及び第２の偏光分光片３１は、第２のレーザヘッド２７によって放射されるレーザの入射方向に配置され、レーザの光線の方向と鉛直角及びブリュースター角をそれぞれ形成し；第１のレーザヘッド２６によって放射されるパルスレーザは、第１の偏光分光片３０によって第２の偏光分光片３１へ反射されて、パルスレーザが第２の偏光分光片３１を通過した後に遠隔合焦部の光学軸の方向へ放射され；第２のレーザヘッド２７によって放射されるパルスレーザは、第２の１／２波長板２９及び第２の偏光分光片３１を通って遠隔合焦部の光学軸の方向へ放射され；ビーム合成機能は、実現される。
【００３５】
二重パルスビーム合成手段により、サンプル上の二重パルスレーザのプラズマ励起が実現され、それにより、プラズマ信号の強さを強化し、ノイズを低減させ；単一パルス励起手段と比較して、検出精度及び安定性を大幅に強化することができる。
【００３６】
単一ビームレーザ生成を実現することが必要とされる場合には、第１のレーザヘッド２６、第１の１／２波長板２８、第２の１／２波長板２９、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１が除去されることができ；第２のレーザヘッド２７だけが残され；レーザの出現方向が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向である。
【００３７】
第１の偏光分光片３０及び第２の偏光分光片３１のビーム合成機能はまた、反射鏡と偏光ビーム分光プリズムとの組み合わせにより実現されることができる。
【００３８】
図３は、本発明の遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の構造図である。遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７は、第１の発散レンズ３３、第２の発散レンズ３４、第１の収束レンズ３５、第２の収束レンズ３６、及び第１の可動ベース３２を含む。第１の発散レンズ、第２の発散レンズ３４、及び第１の収束レンズ３５は、第２の収束レンズ３６と同軸であり、第１の発散レンズ３３及び第２の発散レンズ３４は、第１の可動ベース３２上に配置される。第１の可動ベース３２は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュールの光学軸の方向に移動することができる。同軸調節部は、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を含み、第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸上に配置されて、モジュール７の光学軸の方向に対して４５°を形成し；第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸上に配置されて、モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成し；第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７及び遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直である。第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を通過した後に、励起レーザは、遠隔回収モジュールと同軸を実現する。第１の反射鏡９は、中心に孔を有した反射鏡又はレーザダイクロイックミラーである。レーザ距離測定部８によって放射される距離測定レーザの方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に対して９０°を形成し、距離測定レーザは、同軸調節部の第１の反射鏡９の中心に入射する。遠隔信号回収モジュールは、双曲面反射鏡３８、放物面反射鏡３９、及び第２の可動ベース３７からなる。双曲面反射鏡３８は放物面反射鏡３９と同軸、すなわち反射鏡の軸方向が遠隔信号回収モジュール１１の軸方向であり；双曲面反射鏡３８は、第２の可動ベース３７上に配置される。第２の可動ベース３７は、光学軸の方向に移動することができ、異なる焦点位置における光信号の回収が、光学軸の方向に第２の可動ベース３７の位置を調節することによって実現される。プラズマ信号光は、フロントエンド高温プローブの不活性ガス環境を通過し、放物面反射鏡３９及び双曲面反射鏡３８を通過して平行ビームを形成する。
【００３９】
第１の可動ベース３２は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に移動することができ；１．５メートル以上１０メートルまでの範囲のパルスレーザの焦点位置の連続的な調節が、光学軸の方向に第１の可動ベース３２の位置を調節して焦点調節を実行することによって実現され得る。
【００４０】
レンズの組成に応じて、３〜１０個のレンズが、遠隔ビーム拡張及び合焦機能を実現するために、存在してもよい。
【００４１】
同軸調節部は、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を含み、第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸上に配置されて、モジュール７の光学軸の方向に対して４５°を形成し；第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸上に配置されて、モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成し；第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の軸に対して垂直である。第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を通過した後に、励起レーザは、遠隔回収モジュールと同軸を実現する。
【００４２】
第１の反射鏡９は、レーザダイクロイックミラー又は中心に開口部を有した反射鏡である。レーザ距離測定システム８が存在しない場合には、反射鏡は通常の光学反射鏡であり得る。
【００４３】
レーザ距離測定部８によって放射される距離測定レーザの方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に対して９０°を形成し、距離測定レーザは、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線に沿って、同軸調節部の反射鏡９の中心に入射する。第２の反射鏡１０を通過した後に、距離測定レーザは、プラズマ励起ビームの光路及び遠隔信号回収モジュール１１の光路と同軸を実現して、液体金属表面に放射される。この距離測定信号光は、レーザ距離測定機能を実現するために、最初の光路に従ってレーザ距離測定器へと戻る。
【００４４】
第２の可動ベース３７は、光学軸の方向に移動することができ、異なる焦点位置における光信号の回収が、光学軸の方向に第２の可動ベース３７の位置を調節し焦点調節を実行することによって実現される。
【００４５】
双曲面反射鏡３８及び放物面反射鏡３９はまた、球面反射鏡及び非球面反射鏡の一群からなることができる。
【００４６】
図４は、本発明のリアルタイム撮像部１２及び光ファイバ結合モジュール１３の構造図である。光ファイバ結合モジュール１３は、平行に同軸で配置された第３の発散レンズ４０、第３の収束レンズ４１、及び第４の収束レンズ４２からなり、光ファイバ結合モジュール１３の光学軸は、遠隔信号回収モジュールの光学軸と一致する。
【００４７】
リアルタイム撮像モジュール１２は、色消しレンズ４３及びＣＣＤ４４を含む。色消しレンズ４０及びＣＣＤ４４は、同軸で配置され；これらの軸方向は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直であり；軸は、分光片２０の中心を通過する。
【００４８】
フロントエンド耐高温プローブ１８及びミドルエンド光検知装置は、１つにまとめられて、垂直方向に移動することができる油圧式プラットフォーム上に取り付けられる。
【００４９】
手動制御、操作、及び表示のプラットフォームとしてのバックエンド制御プラットフォームは、制御室に配置され、ミドルエンド光検知装置のレーザ信号を制御するために信号線によってミドルエンド光検知装置と接続され、レーザ距離測定部及びリアルタイム撮像部の情報による遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１における変位プラットフォームなどの移動を制御し、処理のためにミドルエンド光検知装置によって送信された、遠距離送信され得る電気信号を受信し、フロントエンド耐高温プローブ１８のガス流を制御する。
【００５０】
本発明のバックエンド制御プラットフォームは、液体金属表面の距離測定を実行するためにレーザ距離測定部を部分的に制御し、測定された情報に従って検出距離及び回収距離を調節し、焦点調節を実行し、レーザ信号の生成及び検出信号の回収を制御し、空気充填流を制御し、検出点の表面形状情報及びプラズマの生成状態をリアルタイム表示し、検出データを同時に処理及び解析し、手動操作及び表示機能を提供する。時間同期制御器は、２つのレーザパルスビームの放射時間遅延、及び分光計の検出信号の回収時間を制御する。スペクトル信号の信号対雑音比は、２つのレーザビーム間の時間遅延及び分光計の信号回収時間を最適化することで、増加し得る。分光計の検出信号は、コンピュータに送信され；雑音除去、背景除去、ピーク検索などの処理過程が、測定された成分の特性スペクトル線の強さを取得するために、コンピュータのデータに実行される。測定された成分の濃度は、特性スペクトル線の強さ、及び既存の強さ−濃度検量線によって計算され得る。
【００５１】
焦点調節は、以下の工程を有する：
定数ｌとしてレーザ距離測定モジュール８から第２の反射鏡１０の中心までの距離を設定し、ｓとして第２の反射鏡１０から測定される液体金属表面２３までの距離を設定してレーザ距離測定モジュール８の測定値を取得する工程：ａ＝ｌ＋ｓ；
第１の可動ベース３２がその移動範囲内にあることができるようにし；移動位置値ｘ１、及びレーザの焦点を合わせるための位置値ｓ１が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして；その間の対応する関係をｘ１＝ｆ１（ｓ１）と設定する一方で、ｓ及び一定のオフセットｌ１の和の形としてｓ１を表して、すなわちｓ１＝ｓ＋ｌ１として、ｘ１＝ｆ１（ｓ＋ｌ１）を取得する工程；
第２の可動ベース３７がその移動範囲内にあることができるようにし；移動位置値ｘ２、及び信号光の回収位置の位置値ｓ２が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして；その間の対応する関係をｘ２＝ｆ２（ｓ２）と設定する一方で、ｓ及び一定のオフセットｌ２の和の形としてｓ２を表して、すなわちｓ２＝ｓ＋ｌ２として、ｘ２＝ｆ２（ｓ＋ｌ２）を取得する工程；
レーザ距離測定によって取得した値により第１の可動ベース３２及び第２の可動ベース３７の移動のための位置値ｘ１及びｘ２を取得するように、関数ｘ１＝ｆ１（ｓ＋ｌ１）及びｘ２＝ｆ２（ｓ＋ｌ２）を検量して既知のｓによりｘ１及びｘ２の値を取得することで、焦点調節を実現する工程。
【００５２】
上述の方法及び工程により、自動合焦機能は実現され得る、すなわち、レーザ合焦位置及び信号回収位置が測定される液体金属表面２３上で一致するように、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７のレーザ合焦位置並びに遠隔信号回収モジュール１１の信号回収位置が、レーザ距離測定モジュール８の測定フィードバック信号により自動で調節される。
【００５３】
本発明の装置は、現場検出を実現することができるだけでなく、オンライン検出を実現することもできる。現場とオンラインとの間の差は、現場検出が、既存の設備を分解すること及び既存の製造プロセスを妨げることのない検出を意味し、空間性を強調し；オンライン検出が、製造ライン上の検出対象の即時の検出を意味し、適時性を強調する。本発明の装置の採用によって、製造プロセスを妨げることのない即時かつ迅速な検出を実現することができる。
【００５４】
一例として冶金溶鋼の検出を取り上げると、本発明の装置の作業プロセスは、以下の通りである：
【００５５】
最初に、フロントエンド耐高温光プローブ１８が、昇降機構により溶融物（冶金液体金属２２）内にゆっくりと伸ばされ、空気充填管１６及び空気充填管１７が、３０Ｌ／分のガス流を開放して、不活性ガスの光路環境を形成する。フロントエンド耐高温光プローブ１８が２０cm〜３０cm間の深さに挿入されたときに、プローブの位置が固定され；レーザ距離測定部１８が、作業を開始し、距離測定レーザを放射し；耐高温プローブ１８における冶金液体金属表面２３の測定される位置が、測定されて、バックエンド制御プラットフォームにフィードバックされる。
【００５６】
測定レーザの合焦位置及び遠隔信号の回収位置が、同一で、冶金液体金属表面２３上にあるように、バックエンド制御プラットフォームが、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の第１の可動ベース３２及び第２の可動ベース３７の位置調節を、レーザ距離測定部で測定された距離位置により実行する。
【００５７】
位置調節が完了した後、第１のレーザヘッド２６及び第２のレーザヘッド２７が、バックエンド制御プラットフォームの信号を受信して、レーザを放射する。第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザは、第１の１／２波長板２８、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１を通過して、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７内へ入射する。第２のレーザヘッド２７によって放射されるレーザは、第２の１／２波長板２９、及び第２の偏光分光片３１を通過して、第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザとのビーム合成を実現し、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７内へ同様に入射する。
【００５８】
ビーム合成後の２つのレーザビームは、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７を通過して、大きな直径の広い合焦ビームを形成し；広い合焦ビームは、同軸調節部の第１の反射鏡９に入射する。第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に配置されて、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸に対して４５°を形成する。第１の反射鏡９を通過したレーザは、第２の反射鏡１０へ反射される。第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に配置されて、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成する。更に、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直である。第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に、２つの合焦レーザビームを反射して、励起光路と回収光路との間に同軸を実現する。
【００５９】
ビーム合成後の２つのレーザビームは、プラズマを形成するように、第２の反射鏡１０及び光学窓１５を通過して、冶金液体金属表面２３上に焦点を合わせられる。光学窓１５を通過した後に、プラズマによって放射された光線は、遠隔信号回収モジュール１１内へ入射し、遠隔信号回収モジュール１１内で、放物面反射鏡３９及び双曲面反射鏡３８を通過して平行ビームを形成する。
【００６０】
分光片２０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に配置されて、光学軸に対して４５°を形成する。分光片２０を通過した後に、平行な信号光は、リアルタイム表示システム１２へ部分的に反射されて；サンプリング点の表面外観及びプラズマの形成状態が、リアルタイムで観察され、バックエンド制御プラットフォームにフィードバックされることができ；合焦位置が、僅かに調節されることができ；平行な信号光の残りの部分は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に同様に配置された光ファイバ結合モジュール１３内に入射して、光ファイバ２１を通過した後に分光計１４に入り、プラズマ信号光の回収を完了する。
【００６１】
分光計は、回収されたプラズマ放射光線に分光及び光電変換を実行し、変換された電気信号をケーブルによりコンソールへ送信してデータ分析及び処理を実行する。ミドルエンド光検知装置１９は一定の温度の筺体であり、温度は３０度未満に制御される。
【図１】
2016522416.tif 000003
【図２】
2016522416.tif 000004
【図３】
2016522416.tif 000005
【図４】
2016522416.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月22日(2015.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
分野
本発明は、高温液体成分のための遠距離オンラインモニタリングの技術分野に関し、特に遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法に関する。
【０００２】
背景
金属及び合金の溶融プロセスでは、製品品質を制御し溶融終了を判断するために、化学成分の変化を検出することが必要である。現在、高度で効果的なオンライン測定技術の欠如のため、手動サンプリング及びサンプル作製のオフライン検出手段が、溶融プロセスにおいて一般に採用される。例えば、鋼溶融プロセスの間の、高温溶鋼の検出では、融解鋼を、サンプリング、冷却、研削、研磨などの一連のプロセス後に、測定及び分析のための分析器上へ取り出すことが必要であり、溶融時間の１０分の１以上を占める全プロセスの３〜５分を必要とする。この時間のかかるオフライン検出手段は、後退した品質管理の原因となるばかりでなく、大量の資源及びエネルギ資源の浪費の原因となる。更に、検出設備は、高価かつ巨大であり、現代の所要溶融生産に適合させるのは困難である。
【０００３】
レーザ誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）は、プラズマを励起するためにレーザを使用し、次いで元素検出及び分析を実行するためにプラズマの放射スペクトルを使用する技術である。LIBSは、複雑なサンプル前処理プロセスを必要とせず、サンプルの外観及び大きさの厳しい要件がなく、サンプルの消費量が少なく、同時に固体、液体、及び気体に好適であり、かつ複数の元素の同時判定を実行するために使用することができる。したがって、この技術は、現場の、オンラインの、迅速な、かつ遠隔の分析の態様で、優れた適用価値を提示する。
【０００４】
冶金産業の生産様式の拡大化、高速化、及び連続化と共に、液体金属成分のための現場オンライン検出技術に対する喫緊の要求が増加し、レーザ誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）に基づいたオンライン検出装置が発明され始めている。
【０００５】
文献（Reinhard Noll，Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: Fundamentals and Applications，Springer 2012）は、現在の、LIBSの使用による検出設備の研究状況を提示する。金属成分に適用される分析設備は、主に近距離研究室設備を含む。近距離研究室設備は、測定が正確で、必要な時間が短い（数十秒）が、大きな体積、及び環境に対する高い要件を有するため、鋼工場などの、複雑な環境のオンラインモニタリングにうまく適合させることができない。
【０００６】
文献（Lin Xiaomei, Cao Jiqing, Yin Qinghui, and Liu Xiaoqing, Online Analysis of Silicone Content in AOD Furnace Based on LIBS, Magnesium Alloy, 2009 (1): 41-44）は、LIBSの使用によりAOD炉においてＳｉ元素の含量を検出するための装置を提示する。装置は、炉でのサンプリングのために自己設計サンプラを使用する。その後、成分検出が、装置のサンプルプールにおいて実行される。装置は、短い検出距離及び比較的複雑な構造設計を有し、単一の元素を測定することができるだけで、複数の元素を同時に測定することができない。
【０００７】
文献（G. Mathy, B. Monfort, B. Vanderheyden, V. Tusset, Liquid steel process: advanced on line sensors under development at CRM. Metall. Anal. 30 (Suppl.1), 6-14 (2010)）は、ニュートンテレスコープシステムの使用により遠距離LIBS検出を実現するためのTeleLisシステムを提示する。TeleLisシステムは、３〜１２メートルの範囲内で、必要測定サンプルの元素成分の分析を実現することができる。しかしながら、TeleLisシステムの正面光路は開放構造であるので、周囲環境及び空気がスペクトル精度に影響を及ぼす。更に、Ｃ、Ｓ、Ｐなどの元素の特性スペクトル線は、紫外域にある。開放光路の空気成分はこれらの元素を強く吸収するので、これらの特性元素を測定することができない。
【０００８】
文献（Robert De Saro, Arel Weisberg, and Joe Craparo，In Situ, Real Time Measurement of Aluminum, Steel, and Glass Melt Chemistries Using Laser Induced Breakdown Spectroscopy，2005 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry 2005）は、工業現場におけるアルミニウム合金溶融液中のＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎなどの元素のオンライン測定のための装置を報告する。プローブは、金属溶融液表面を直接測定するために炉体に挿入される。しかしながら、光学構造は、装置のプローブの内側に含まれ、保護されることが必要である。プローブは、複雑な構造を有する。
【０００９】
文献（Mohamed A. Khater，Laser-induced breakdown spectroscopy for light elements detection in steel: State of the art，Spectrochimica Acta Part B 81 (2013) 1-10）は、金属溶解におけるLIBSの使用による軽元素のモニタリング状況を提示する。軽元素の特性スペクトルが主に紫外域及び深紫外域に集中するので、現在の主要な方法は、測定を実行するために不活性ガス環境又は真空環境を生成するが、光路の特別なガス環境が比較的十分ではなく、工場の厳格な環境にうまく適合させることができない。
【００１０】
このように、鋼溶融工場の厳格な環境にうまく適合し、単純な構造、申し分ない適用性を有することができ、かつ製造コスト及び維持コストがかからないLIBSに基づく複数の元素（Ｃ、Ｓ、Ｐなどの非金属元素）の同時測定のためのオンラインモニタリング設備の完全な一式は現在存在しない。既存の設備は、構造の複雑さ、環境ニーズ、測定可能なニーズなどの態様において異なる限界を有し、比較的狭い適用範囲を有する。
【００１１】
概要
従来技術の欠点に応じて、本発明は、品質管理及び溶融終了のための適時かつ有効な情報を提供する冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法を提供し、これにより、検出時間が大幅に短縮され、検出距離が広範囲にわたって調節可能となり、検出装置が柔軟に取り付けかつ使用可能となり、製品品質を大幅に改良することができ、生産コストが減少し、かつエネルギ消費が低減し；更に、二重パルス法が適用されて、これにより、スペクトル品質を効果的に高め、ノイズを抑制し、測定結果の精度及び安定性を強化し；測定が困難であるＣ、Ｓ、Ｐなどの成分の測定を達成することができる。
【００１２】
上述の目的を実現するために、本発明は、技術的解決策を開示する。
【００１３】
フロントエンド耐高温プローブ（１８）のヘッドが、液体金属（２２）に配置され、フロントエンド耐高温プローブ（１８）のテイルが、ミドルエンド光検知装置（１９）に同軸で接続され、光学窓（１５）が、接続位置に配置され；かつ、ミドルエンド光検知装置（１９）が、バックエンド制御プラットフォーム（２４）に信号線（２５）によって接続される、
遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
【００１４】
好ましくは、前記ミドルエンド光検知装置（１９）において、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）は、レーザ生成モジュール（６）がレーザビームを放射する軸方向に同軸で配置される。
第１の反射鏡（９）は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）の出現方向の光学軸上に配置されて、出現方向の光学軸に対して４５°の角度を形成し；第２の反射鏡（１０）が、遠隔信号回収モジュール（１１）の入射方向の光学軸上に配置されて、入射方向の光学軸に対して４５°の角度を形成し；かつ、第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）の中心を結ぶ線が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）並びに遠隔信号回収モジュール（１１）の軸に対して垂直である。
分光片（２０）及び光ファイバ結合モジュール（１３）は、遠隔信号回収モジュール（１１）の出現方向の光学軸上にそれぞれ配置され；光ファイバ結合モジュール（１３）が、光ファイバ（２１）により光ファイバ分光計（１４）と接続され；かつ、ファイバ分光計（１４）が、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続される。
リアルタイム撮像モジュール（１２）は、分光片（２０）の反射方向の光学軸上に垂直に配置されて、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続される。
【００１５】
好ましくは、前記フロントエンド耐高温プローブ（１８）は、励起レーザビーム及び被回収プラズマ信号光の光路が閉鎖不活性ガス環境にあるように、不活性ガスが充填された倒円錐である。
【００１６】
好ましくは、前記バックエンド制御プラットフォーム（２４）は、レーザ電源及び制御ユニット（１）、時間同期制御器（２）、空気流入制御ユニット（３）、並びに変位プラットフォーム制御ユニット（４）を含み、該ユニットが、信号線（２５）によりミドルエンド光検知装置（１９）と接続される。
【００１７】
好ましくは、前記遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置が、第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）の中心を結ぶ線の方向に配置されたレーザ距離測定モジュール（８）を更に含み、レーザ距離測定モジュール（８）が、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続される。
【００１８】
好ましくは、前記ミドルエンド光検知装置（１９）は、温度制御モジュール（５）を更に含み、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；前記温度制御モジュール（５）が、ミドルエンド光検知装置（１９）の内部温度のリアルタイムモニタリング及び調節のための温度センサ及び温度調節装置を含む。
【００１９】
好ましくは、前記レーザ生成モジュール（６）は、レーザヘッド、１／２波長板、及び偏光分光片の２つの群を含み；
前記１／２波長板が、レーザヘッドのレーザ出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対して垂直であり；
かつ、前記偏光分光片が、１／２波長板の出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対してブリュースター角を形成し、第２の偏光分光片（３１）が、第１の偏光分光片（３０）によって反射されたレーザビームを受けることができる。
【００２０】
好ましくは、前記遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）は、レーザ生成モジュール（６）の出現方向に同軸で配置された、第１の可動ベース（３２）及び発散レンズ並びに収束レンズを含み；
前記第１の可動ベース（３２）が、レーザ生成モジュール（６）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記発散レンズが、光学軸に対して垂直に第１の可動ベース（３２）に配置され；
前記収束レンズが、光学軸に対して垂直に第１の可動ベース（３２）と第１の反射鏡（９）との間に配置される。
【００２１】
好ましくは、前記遠隔信号回収モジュール（１１）が、第２の可動ベース（３７）、双曲面反射鏡（３８）、及び放物面反射鏡（３９）からなり、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；
前記第２の可動ベース（３２）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記双曲面反射鏡（３８）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向と平行及び同軸であり、第２の可動ベース（３７）に配置され；
かつ、前記放物面反射鏡（３９）が、双曲面反射鏡（３８）と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される。
【００２２】
好ましくは、前記遠隔信号回収モジュール（１１）は、第２の可動ベース（３７）、球面反射鏡、及び非球面反射鏡からなり、信号線（２５）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）と接続され；
前記第２の可動ベース（３２）が、第２の反射鏡（１０）の出現方向の光学軸上を移動することができ；
前記球面反射鏡が、第２の反射鏡（１０）の出現方向と平行及び同軸であり、第２の可動ベース（３７）に配置され；
かつ、前記非球面反射鏡が、球面反射鏡と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される。
【００２３】
好ましくは、前記光ファイバ結合モジュール（１３）は、同軸で平行に順々に配置された第３の発散レンズ（４０）、第３の収束レンズ（４１）、及び第４の収束レンズ（４２）を含み、これらの光学軸が、遠隔信号回収モジュールの光学軸と一致する。
【００２４】
好ましくは、前記リアルタイム撮像モジュール（１２）は、色消しレンズ（４３）及びＣＣＤ（４４）を含み；かつ、色消しレンズ（４３）及びＣＣＤ（４４）が、同軸で配置され；これらの軸方向が、遠隔信号回収モジュール（１１）の光学軸の方向に対して垂直であり；かつ、軸が、分光片（２０）の中心を通過する。
【００２５】
フロントエンド耐高温プローブ（１８）のヘッドを液体金属（２２）内に配置し、閉鎖不活性ガス環境を形成するために耐高温プローブの空気流入管（１６）により不活性ガスを充填する工程と；
レーザ距離測定モジュール（８）によって距離測定レーザを放射し；距離測定レーザが第１の反射鏡（９）及び第２の反射鏡（１０）を通過した後に、液体金属表面（２３）上に距離測定レーザを照射し；液体金属表面（２３）の位置情報を測定し；バックエンド制御プラットフォーム（２４）に位置情報をフィードバックする工程と；
プラズマを励起するための、レーザが焦点を合わせる焦点位置、及び遠隔信号の回収位置が、液体金属表面（２３）上で一致するように、レーザ距離測定モジュール（８）によってフィードバックされた液体金属表面（２３）の位置情報により、バックエンド制御プラットフォーム（２４）によって第１の可動ベース（３２）及び第２の可動ベース（３７）の焦点調節を実行する工程と；
レーザ生成モジュール（６）によりバックエンド制御プラットフォーム（２４）のレーザ生成信号を受信し；レーザビームを放射し；レーザビームが遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール（７）を通過した後に、第１の反射鏡（９）上にレーザビームを照射し；反射されたレーザビームが第２の反射鏡（１０）を通過することを可能にし；プラズマ信号光を生成するために、フロントエンド耐高温プローブ（１８）の不活性ガス環境を通過して液体金属表面（２３）にレーザを照射する工程と；
フロントエンド耐高温プローブ（１８）の不活性ガス環境を通過して遠隔信号回収モジュール（１１）に生成されたプラズマ信号光を送信し；遠隔信号回収モジュール（１１）の放物面反射鏡（３９）及び双曲面反射鏡（３８）により平行なプラズマ信号光を形成し；分光片（２０）により光ファイバ結合モジュール（１３）に平行なプラズマ信号光を送信する工程と；
平行なプラズマ信号光が光ファイバ結合モジュール（１３）を通過した後に、光信号回収及び光電変換を実行するために光ファイバ（２１）により光ファイバ分光計（１４）に平行なプラズマ信号光を送信し；かつ、プラズマ信号光の回収を完了するためにバックエンド制御プラットフォーム（２４）にプラズマ信号光をフィードバックする工程と、
を含むことを特徴とする遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。
【００２６】
好ましくは、前記遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法は、分光片（２０）によって反射された信号光及びシーン背景光の一部を受信して、バックエンド制御プラットフォーム（２４）にその光をフィードバックし、液体金属表面（２３）の外観及びプラズマの形成状態をリアルタイム表示して、合焦位置及び回収位置をリアルタイム調節するリアルタイム撮像モジュール（１２）を更に含む。
【００２７】
本発明は、以下の有益な効果及び利点を有する。
【００２８】
サンプリング及びサンプル作製が必要とされず、かつ高温溶融金属成分が現場オンライン検出しやすく、これにより、検出時間を大幅に短縮し、冶金製造プロセスのためのリアルタイム情報を提供し、製品品質を大幅に改良し、生産コストを減少させ、かつエネルギ消費を低減させる。
【００２９】
プラグイン耐高温プローブが採用され、これにより、測定に対する、溶融物表面上の出滓の不純物などの影響を防止し、測定結果が被測定物質の状況を実際に反映することを可能にし、正確な結果を確保する。
【００３０】
耐高温プローブは、単純な構造を有し、内部に他の光学構造を有せず；設計及び製造コストが比較的低く；かつ、異なる長さの耐高温プローブに、異なるニーズに応じて置き換えることができる。
【００３１】
測定が困難であるＣ、Ｓ、Ｐなどの成分の測定が、不活性ガス環境の光路の伝送により達成され得る。
【００３２】
測定距離を、選択された耐高温プローブの長さに従って変化させることができ；１．５〜１０メートル以上の距離での検出が実現され得；本発明は、異なる環境状態に柔軟に適用され得る。
【００３３】
二重パルスのビーム合成手段により、サンプル上の二重パルスレーザのプラズマ励起が実現され、それにより、プラズマ信号の強さを強化し、ノイズを低減させ；単一パルス励起手段と比較して、検出精度及び安定性を大幅に強化することができる。
【００３４】
本発明は、広い適用範囲を有し、冶金溶融金属の測定に適用されるだけでなく、他の通常の液体の測定並びに気体及び固体物質の測定に好適であり得る。
【００３５】
耐高温プローブが取り外される場合に、本発明は、遠距離元素オンライン分析器として使用することができ、１．５〜１０メートル以上の遠距離検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の全体構造図である。
【図２】本発明のレーザ生成モジュールの構造図である。
【図３】本発明の遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール並びに遠隔信号回収モジュールの構造図である。
【図４】本発明のリアルタイム撮像モジュール及び光ファイバ結合モジュールの構造図である。
【００３７】
図中、１はレーザ電源及び制御ユニットであり；２は時間同期制御器であり；３は空気流入制御ユニットであり；４は変位プラットフォーム制御ユニットであり；５は温度制御ユニットであり；６はレーザ生成モジュールであり；７は遠隔ビーム拡張及び合焦モジュールであり；８はレーザ距離測定モジュールであり；９は第１の反射鏡であり；１０は第２の反射鏡であり；１１は遠隔信号回収モジュールであり；１２はリアルタイム撮像モジュールであり；１３は光ファイバ結合モジュールであり；１４は光ファイバ分光計であり；１５は光学窓であり；１６は耐高温プローブの空気流入管であり；１７は耐高温プローブの空気流出管であり；１８は耐高温プローブであり；１９はミドルエンド光検知装置であり；２０は分光片であり；２１は光ファイバであり；２２は液体金属であり；２３は液体金属表面であり；２４はバックエンド制御プラットフォームであり；２５は信号線であり；２６は第１のレーザヘッドであり；２７は第２のレーザヘッドであり；２８は第１の１／２波長板であり；２９は第２の１／２波長板であり；３０は第１の偏光分光片であり；３１は第２の偏光分光片であり；３２は第１の可動ベースであり；３３は第１の発散レンズであり；３４は第２の発散レンズであり；３５は第１の収束レンズであり；３６は第２の収束レンズであり；３７は第２の可動ベースであり；３８は双曲面反射鏡であり；３９は放物面反射鏡であり；４０は第３の発散レンズであり；４１は第３の収束レンズであり；４２は第４の収束レンズであり；４３は色消しレンズであり；４４はＣＣＤである。
【００３８】
発明の詳細な説明
本特許は、図面及び実施形態を組み合わせて、以下で更に説明される。
【００３９】
図１は、フロントエンド耐高温光プローブ１８、ミドルエンド光検知装置１９、及びバックエンド制御プラットフォーム２４を含む本発明の全体構造図を示す。
【００４０】
フロントエンド耐高温プローブ１８の先端が、冶金液体金属２２に入れられ；密封空洞体が、内部に形成され；不活性ガスが、不活性ガスの光路環境を形成するために、空気管１６を介して充填され；ミドルエンド光検知装置１９が、バックエンド制御プラットフォーム２４の操作信号を受信し；最初に、冶金液体金属表面２３からの距離が、レーザ距離測定部８で測定され；検出レーザが液体金属表面２３上に焦点を合わせるように、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１内の第１の可動ベース３４及び第２の可動ベース３７がフィードバック信号に従って調節され；信号回収点が、同じ位置となり；レーザが、検出レーザを発生させるためのバックエンド制御プラットフォームのトリガ信号を受信し、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに反射鏡を通過し、遠隔信号収回収モジュール１１と同軸度を実現し、液体金属表面２３上に焦点を合わせてプラズマを発生させ；焦点の位置の外観及び生成されたプラズマの状態が、リアルタイム撮像モジュール１２によりリアルタイムで観察され；遠隔信号回収モジュール１１を通過した後に、生成されたプラズマ信号光が、光ファイバ結合モジュール１３及び光ファイバ２１を通過し、光ファイバ分光計１４に入ってプラズマスペクトル信号の回収を完了する。
【００４１】
フロントエンド耐高温プローブ１８の先端は、冶金液体金属２２に入れられ；密封空間が、内部に形成され；不活性ガスが、不活性ガスの光路環境を実現するために充填され；簡単に置き換えられるように、光学素子がフロントエンド耐高温プローブ１８に存在しない。フロントエンド耐高温プローブは、外部の耐火材料部、及び空気充填部を含み；プローブの先端は開放構造を有し、プローブの尾部はミドルエンド光検知装置と接続され；フロントエンド耐高温プローブが冶金液体金属に挿入されるときに、密封空洞体が内部に形成され；励起レーザ及び被回収プラズマ光の光路が不活性ガス環境にあるように、不活性ガスが、空気充填部により内部に充填されて不活性ガス空間を形成する。
【００４２】
ミドルエンド光検知装置１９は、テレスコープ構造による遠距離プラズマ励起及び信号光回収の機能を実現し、かつ励起光路と回収光路の同軸を達成し；検出距離が、必要に応じて調節されることができ；自動合焦が、実行されることができ；被検出物質の表面形状のリアルタイム観察の機能を有する遠隔レーザ誘起ブレイクダウンスペクトル検知装置が、レーザ生成モジュール６、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７、遠隔信号回収モジュール１１、同軸調節部（第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０）、レーザ距離測定モジュール８、リアルタイム撮像モジュール１２、並びにスペクトル回収部を含み；励起及び回収光路の空間が、フロントエンド耐高温プローブによって形成される不活性ガス環境である。
【００４３】
ミドルエンド光検知装置のレーザ生成モジュール６は、バックエンド制御プラットフォームのレーザ生成信号を受信することによって、単一のレーザビーム又は二重同軸レーザビームを生成し；光ビームの出現方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の軸方向であり；遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７を通過した後、レーザが、フロントエンド耐高温プローブ１８の不活性ガスの光路環境を通過して、測定される液体金属表面２３上に焦点を合わせてプラズマを形成するように、レーザは、同軸調節部へ入射し同軸調節部を通過して励起光路の光学軸と遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の同軸を達成する。レーザ距離測定モジュール８によって放射されるレーザ、及び遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７から出現する励起レーザは、９０°の方向で同軸調節部へ入射し、同軸調節部を通過して、励起レーザ及び遠隔信号回収モジュール１１の光路と同軸を達成して、液体金属表面２３へ放射される。生成されたプラズマ信号は、フロントエンド耐高温プローブ１８の不活性ガスの光路環境を通過して遠隔信号回収モジュール１１に入る。遠隔信号回収モジュール１１を通過した後に、プラズマ信号は、分光片２０を通過する。プラズマ信号光の一部はリアルタイム撮像モジュール１２へ入射して検出点の表面外観のリアルタイムモニタリングを実現し、光の残りの一部はスペクトル回収部へ入射してプラズマ信号光の回収を実現する。分光片２０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して４５°の角度を形成する。ミドルエンド光検知装置１９全体は、一定の温度の密封筺体で、同軸光路方向に光学窓１５を有する。
【００４４】
内部温度が必要な温度範囲内に保たれるように、温度制御モジュール５は、信号線２５によりバックエンド制御プラットフォーム２４と接続され、温度センサ、並びにミドルエンド光検知装置１９の内部温度のリアルタイムのモニターリング及び調節のための温度調節装置からなる。
【００４５】
リアルタイム撮像モジュール１２は、分光片２０によって反射された信号光及びシーン背景光の一部を受信して、バックエンド制御プラットフォーム２４にその光をフィードバックし、液体金属表面２３の外観及びプラズマの形成状態をリアルタイム表示して、実際の状況に従って合焦及び回収位置をより詳細にリアルタイム調節する。
【００４６】
スペクトル回収部は、光ファイバ結合モジュール１３、光ファイバ２１、及び分光計１４を含む。光ファイバ結合モジュール１３は、分光片２０を通過したプラズマ信号光の光学軸上に配置され、光ファイバ２１は、光ファイバ結合モジュール１３及び光ファイバ分光計１４と接続される。信号光が、光ファイバ２１に結合され、次いで信号光の回収の実現のために分光計１４に入るように、分光片２０を通過した信号光は、光ファイバ結合モジュール１３の光学軸上に入射し、光ファイバ結合モジュール１３を通過する。
【００４７】
スペクトル回収部はまた、光結合システム及び格子分光計から直接なることができ；光結合システムは、分光片を通過したプラズマ信号光の光学軸上に配置され；光結合システムを通過した後に、信号光は、信号光の回収の実現のために格子分光計に入る。
【００４８】
図２は、本発明のレーザ生成モジュール６の構造図である。レーザ生成モジュール６は、第１のレーザヘッド２６、第２のレーザヘッド２７、第１の１／２波長板２８、第２の１／２波長板２９、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１を含んだレーザ生成及びビーム合成部を含み、第１の１／２波長板２８及び第１の偏光分光片３０は、第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザの入射方向に順々に配置され、レーザの光線の方向と鉛直角及びブリュースター角をそれぞれ形成し；第２の１／２波長板２９及び第２の偏光分光片３１は、第２のレーザヘッド２７によって放射されるレーザの入射方向に配置され、レーザの光線の方向と鉛直角及びブリュースター角をそれぞれ形成し；第１のレーザヘッド２６によって放射されるパルスレーザは、第１の偏光分光片３０によって第２の偏光分光片３１へ反射されて、パルスレーザが第２の偏光分光片３１を通過した後に遠隔合焦部の光学軸の方向へ放射され；第２のレーザヘッド２７によって放射されるパルスレーザは、第２の１／２波長板２９及び第２の偏光分光片３１を通って遠隔合焦部の光学軸の方向へ放射され；ビーム合成機能は、実現される。
【００４９】
二重パルスビーム合成手段により、サンプル上の二重パルスレーザのプラズマ励起が実現され、それにより、プラズマ信号の強さを強化し、ノイズを低減させ；単一パルス励起手段と比較して、検出精度及び安定性を大幅に強化することができる。
【００５０】
単一ビームレーザ生成を実現することが必要とされる場合には、第１のレーザヘッド２６、第１の１／２波長板２８、第２の１／２波長板２９、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１が除去されることができ；第２のレーザヘッド２７だけが残され；レーザの出現方向が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向である。
【００５１】
第１の偏光分光片３０及び第２の偏光分光片３１のビーム合成機能はまた、反射鏡と偏光ビーム分光プリズムとの組み合わせにより実現されることができる。
【００５２】
図３は、本発明の遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の構造図である。遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７は、第１の発散レンズ３３、第２の発散レンズ３４、第１の収束レンズ３５、第２の収束レンズ３６、及び第１の可動ベース３２を含む。第１の発散レンズ、第２の発散レンズ３４、及び第１の収束レンズ３５は、第２の収束レンズ３６と同軸であり、第１の発散レンズ３３及び第２の発散レンズ３４は、第１の可動ベース３２上に配置される。第１の可動ベース３２は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュールの光学軸の方向に移動することができる。同軸調節部は、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を含み、第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸上に配置されて、モジュール７の光学軸の方向に対して４５°を形成し；第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸上に配置されて、モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成し；第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７及び遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直である。第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を通過した後に、励起レーザは、遠隔回収モジュールと同軸を実現する。第１の反射鏡９は、中心に孔を有した反射鏡又はレーザダイクロイックミラーである。レーザ距離測定部８によって放射される距離測定レーザの方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に対して９０°を形成し、距離測定レーザは、同軸調節部の第１の反射鏡９の中心に入射する。遠隔信号回収モジュールは、双曲面反射鏡３８、放物面反射鏡３９、及び第２の可動ベース３７からなる。双曲面反射鏡３８は放物面反射鏡３９と同軸、すなわち反射鏡の軸方向が遠隔信号回収モジュール１１の軸方向であり；双曲面反射鏡３８は、第２の可動ベース３７上に配置される。第２の可動ベース３７は、光学軸の方向に移動することができ、異なる焦点位置における光信号の回収が、光学軸の方向に第２の可動ベース３７の位置を調節することによって実現される。プラズマ信号光は、フロントエンド高温プローブの不活性ガス環境を通過し、放物面反射鏡３９及び双曲面反射鏡３８を通過して平行ビームを形成する。
【００５３】
第１の可動ベース３２は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に移動することができ；１．５メートル以上１０メートルまでの範囲のパルスレーザの焦点位置の連続的な調節が、光学軸の方向に第１の可動ベース３２の位置を調節して焦点調節を実行することによって実現され得る。
【００５４】
レンズの組成に応じて、３〜１０個のレンズが、遠隔ビーム拡張及び合焦機能を実現するために、存在してもよい。
【００５５】
同軸調節部は、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を含み、第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸上に配置されて、モジュール７の光学軸の方向に対して４５°を形成し；第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸上に配置されて、モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成し；第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の軸に対して垂直である。第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０を通過した後に、励起レーザは、遠隔回収モジュールと同軸を実現する。
【００５６】
第１の反射鏡９は、レーザダイクロイックミラー又は中心に開口部を有した反射鏡である。レーザ距離測定システム８が存在しない場合には、反射鏡は通常の光学反射鏡であり得る。
【００５７】
レーザ距離測定部８によって放射される距離測定レーザの方向は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に対して９０°を形成し、距離測定レーザは、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線に沿って、同軸調節部の反射鏡９の中心に入射する。第２の反射鏡１０を通過した後に、距離測定レーザは、プラズマ励起ビームの光路及び遠隔信号回収モジュール１１の光路と同軸を実現して、液体金属表面に放射される。この距離測定信号光は、レーザ距離測定機能を実現するために、最初の光路に従ってレーザ距離測定器へと戻る。
【００５８】
第２の可動ベース３７は、光学軸の方向に移動することができ、異なる焦点位置における光信号の回収が、光学軸の方向に第２の可動ベース３７の位置を調節し焦点調節を実行することによって実現される。
【００５９】
双曲面反射鏡３８及び放物面反射鏡３９はまた、球面反射鏡及び非球面反射鏡の一群からなることができる。
【００６０】
図４は、本発明のリアルタイム撮像部１２及び光ファイバ結合モジュール１３の構造図である。光ファイバ結合モジュール１３は、平行に同軸で配置された第３の発散レンズ４０、第３の収束レンズ４１、及び第４の収束レンズ４２からなり、光ファイバ結合モジュール１３の光学軸は、遠隔信号回収モジュールの光学軸と一致する。
【００６１】
リアルタイム撮像モジュール１２は、色消しレンズ４３及びＣＣＤ４４を含む。色消しレンズ４３及びＣＣＤ４４は、同軸で配置され；これらの軸方向は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直であり；軸は、分光片２０の中心を通過する。
【００６２】
フロントエンド耐高温プローブ１８及びミドルエンド光検知装置は、１つにまとめられて、垂直方向に移動することができる油圧式プラットフォーム上に取り付けられる。
【００６３】
手動制御、操作、及び表示のプラットフォームとしてのバックエンド制御プラットフォームは、制御室に配置され、ミドルエンド光検知装置のレーザ信号を制御するために信号線によってミドルエンド光検知装置と接続され、レーザ距離測定部及びリアルタイム撮像部の情報による遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１における変位プラットフォームなどの移動を制御し、処理のためにミドルエンド光検知装置によって送信された、遠距離送信され得る電気信号を受信し、フロントエンド耐高温プローブ１８のガス流を制御する。
【００６４】
本発明のバックエンド制御プラットフォームは、液体金属表面の距離測定を実行するためにレーザ距離測定部を部分的に制御し、測定された情報に従って検出距離及び回収距離を調節し、焦点調節を実行し、レーザ信号の生成及び検出信号の回収を制御し、空気充填流を制御し、検出点の表面形状情報及びプラズマの生成状態をリアルタイム表示し、検出データを同時に処理及び解析し、手動操作及び表示機能を提供する。時間同期制御器は、２つのレーザパルスビームの放射時間遅延、及び分光計の検出信号の回収時間を制御する。スペクトル信号の信号対雑音比は、２つのレーザビーム間の時間遅延及び分光計の信号回収時間を最適化することで、増加し得る。分光計の検出信号は、コンピュータに送信され；雑音除去、背景除去、ピーク検索などの処理過程が、測定された成分の特性スペクトル線の強さを取得するために、コンピュータのデータに実行される。測定された成分の濃度は、特性スペクトル線の強さ、及び既存の強さ−濃度検量線によって計算され得る。
【００６５】
焦点調節は、以下の工程を有する：
定数ｌとしてレーザ距離測定モジュール８から第２の反射鏡１０の中心までの距離を設定し、ｓとして第２の反射鏡１０から測定される液体金属表面２３までの距離を設定してレーザ距離測定モジュール８の測定値を取得する工程：ａ＝ｌ＋ｓ；
第１の可動ベース３２がその移動範囲内にあることができるようにし；移動位置値ｘ１、及びレーザの焦点を合わせるための位置値ｓ１が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして；その間の対応する関係をｘ１＝ｆ１（ｓ１）と設定する一方で、ｓ及び一定のオフセットｌ１の和の形としてｓ１を表して、すなわちｓ１＝ｓ＋ｌ１として、ｘ１＝ｆ１（ｓ＋ｌ１）を取得する工程；
第２の可動ベース３７がその移動範囲内にあることができるようにし；移動位置値ｘ２、及び信号光の回収位置の位置値ｓ２が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして；その間の対応する関係をｘ２＝ｆ２（ｓ２）と設定する一方で、ｓ及び一定のオフセットｌ２の和の形としてｓ２を表して、すなわちｓ２＝ｓ＋ｌ２として、ｘ２＝ｆ２（ｓ＋ｌ２）を取得する工程；
レーザ距離測定によって取得した値により第１の可動ベース３２及び第２の可動ベース３７の移動のための位置値ｘ１及びｘ２を取得するように、関数ｘ１＝ｆ１（ｓ＋ｌ１）及びｘ２＝ｆ２（ｓ＋ｌ２）を検量して既知のｓによりｘ１及びｘ２の値を取得することで、焦点調節を実現する工程。
【００６６】
上述の方法及び工程により、自動合焦機能は実現され得る、すなわち、レーザ合焦位置及び信号回収位置が測定される液体金属表面２３上で一致するように、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７のレーザ合焦位置並びに遠隔信号回収モジュール１１の信号回収位置が、レーザ距離測定モジュール８の測定フィードバック信号により自動で調節される。
【００６７】
本発明の装置は、現場検出を実現することができるだけでなく、オンライン検出を実現することもできる。現場とオンラインとの間の差は、現場検出が、既存の設備を分解すること及び既存の製造プロセスを妨げることのない検出を意味し、空間性を強調し；オンライン検出が、製造ライン上の検出対象の即時の検出を意味し、適時性を強調する。本発明の装置の採用によって、製造プロセスを妨げることのない即時かつ迅速な検出を実現することができる。
【００６８】
一例として冶金溶鋼の検出を取り上げると、本発明の装置の作業プロセスは、以下の通りである：
【００６９】
最初に、フロントエンド耐高温光プローブ１８が、昇降機構により溶融物（冶金液体金属２２）内にゆっくりと伸ばされ、空気充填管１６及び空気充填管１７が、３０Ｌ／分のガス流を開放して、不活性ガスの光路環境を形成する。フロントエンド耐高温光プローブ１８が２０cm〜３０cm間の深さに挿入されたときに、プローブの位置が固定され；レーザ距離測定部１８が、作業を開始し、距離測定レーザを放射し；耐高温プローブ１８における冶金液体金属表面２３の測定される位置が、測定されて、バックエンド制御プラットフォームにフィードバックされる。
【００７０】
測定レーザの合焦位置及び遠隔信号の回収位置が、同一で、冶金液体金属表面２３上にあるように、バックエンド制御プラットフォームが、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の第１の可動ベース３２及び第２の可動ベース３７の位置調節を、レーザ距離測定部で測定された距離位置により実行する。
【００７１】
位置調節が完了した後、第１のレーザヘッド２６及び第２のレーザヘッド２７が、バックエンド制御プラットフォームの信号を受信して、レーザを放射する。第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザは、第１の１／２波長板２８、第１の偏光分光片３０、及び第２の偏光分光片３１を通過して、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７内へ入射する。第２のレーザヘッド２７によって放射されるレーザは、第２の１／２波長板２９、及び第２の偏光分光片３１を通過して、第１のレーザヘッド２６によって放射されるレーザとのビーム合成を実現し、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７内へ同様に入射する。
【００７２】
ビーム合成後の２つのレーザビームは、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７を通過して、大きな直径の広い合焦ビームを形成し；広い合焦ビームは、同軸調節部の第１の反射鏡９に入射する。第１の反射鏡９は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸の方向に配置されて、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７の光学軸に対して４５°を形成する。第１の反射鏡９を通過したレーザは、第２の反射鏡１０へ反射される。第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に配置されて、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸に対して４５°を形成する。更に、第１の反射鏡９及び第２の反射鏡１０の中心を結ぶ線は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール７並びに遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に対して垂直である。第２の反射鏡１０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に、２つの合焦レーザビームを反射して、励起光路と回収光路との間に同軸を実現する。
【００７３】
ビーム合成後の２つのレーザビームは、プラズマを形成するように、第２の反射鏡１０及び光学窓１５を通過して、冶金液体金属表面２３上に焦点を合わせられる。光学窓１５を通過した後に、プラズマによって放射された光線は、遠隔信号回収モジュール１１内へ入射し、遠隔信号回収モジュール１１内で、放物面反射鏡３９及び双曲面反射鏡３８を通過して平行ビームを形成する。
【００７４】
分光片２０は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に配置されて、光学軸に対して４５°を形成する。分光片２０を通過した後に、平行な信号光は、リアルタイム表示システム１２へ部分的に反射されて；サンプリング点の表面外観及びプラズマの形成状態が、リアルタイムで観察され、バックエンド制御プラットフォームにフィードバックされることができ；合焦位置が、僅かに調節されることができ；平行な信号光の残りの部分は、遠隔信号回収モジュール１１の光学軸の方向に同様に配置された光ファイバ結合モジュール１３内に入射して、光ファイバ２１を通過した後に分光計１４に入り、プラズマ信号光の回収を完了する。
【００７５】
分光計は、回収されたプラズマ放射光線に分光及び光電変換を実行し、変換された電気信号をケーブルによりコンソールへ送信してデータ分析及び処理を実行する。ミドルエンド光検知装置１９は一定の温度の筺体であり、温度は３０度未満に制御される。
【国際調査報告】
2016522416.tif 000007
2016522416.tif 000008
2016522416.tif 000009
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