DE102019109054A1 - Devices and methods for determining an elemental composition of a material - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials (2), umfassend:- einen Sammelbehälter (3) für das Material (2),- eine in oder an dem Sammelbehälter (3) angeordnete Neutronenquelle (4), die dazu eingerichtet ist, Neutronen in den Sammelbehälter (3) einzuleiten,- einen in oder an dem Sammelbehälter (3) angeordneten Strahlungsdetektor (5) zum Detektieren von Strahlung, die im Sammelbehälter (3) durch in das Material (2) eingeleitete Neutronen erzeugt wird, und- eine Auswerteeinheit (6), die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor (5) detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, die Elementzusammensetzung des Materials (2) zu ermitteln.Mit den beschriebenen Vorrichtungen (1, 15) und Verfahren kann die Elementzusammensetzung in einem Material (2) mit einer besonders hohen Messgenauigkeit ermittelt werden, in dem PGNAA, PFTNA und/oder LIBS auf ein Material (2) in einem Sammelbehälter (3) angewendet wird.Device (1) for determining an elemental composition of a material (2), comprising: - a collecting container (3) for the material (2), - a neutron source (4) arranged in or on the collecting container (3), which is set up to Introducing neutrons into the collecting container (3), a radiation detector (5) arranged in or on the collecting container (3) for detecting radiation generated in the collecting container (3) by neutrons introduced into the material (2), and one Evaluation unit (6) which is set up to use the radiation detected by the radiation detector (5) according to the type of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA, the elemental composition of the material (2) With the devices (1, 15) and method described, the elemental composition in a material (2) can be determined with a particularly high measurement accuracy, in which PGNAA, PFTNA and / or LIBS on a Material (2) is applied in a collecting container (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials.The present invention relates to devices and methods for determining an elemental composition of a material.
Bei der industriellen Verarbeitung von Materialien wie fossilen Brennstoffen, Biomasse oder Rohstoffen ist es regelmäßig erforderlich, die genaue Zusammensetzung der Materialien zu kennen, insbesondere aufgrund von einzuhaltenden gesetzlichen Auflagen.In the industrial processing of materials such as fossil fuels, biomass or raw materials, it is regularly necessary to know the exact composition of the materials, in particular due to legal requirements that must be complied with.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Materialien zu verschiedensten Zwecken zu analysieren. Bei bekannten Verfahren besteht regelmäßig das Problem einer eingeschränkten Repräsentativität. Das kann insbesondere dadurch der Fall sein, dass nicht-repräsentative Proben analysiert werden. Insbesondere bei inhomogenen Förderströmen kann es insoweit zu Messungenauigkeiten kommen.It is known from the prior art to analyze materials for a wide variety of purposes. In known methods, there is regularly the problem of limited representativeness. This can be the case in particular because non-representative samples are analyzed. Measurement inaccuracies can occur, particularly with inhomogeneous flow rates.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials bereitzustellen, mit denen unter besonders geringem Aufwand eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann.Proceeding from this, the present invention is based on the object of at least partially overcoming the problems known from the prior art and, in particular, of providing devices and methods for determining an elemental composition of a material with which a particularly high measurement accuracy can be achieved with particularly little effort.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.This object is achieved with the features of the independent claims. Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependent claims. The features listed individually in the dependently formulated claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further embodiments of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred embodiments of the invention being presented.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
- - einen Sammelbehälter für das Material,
- - eine in oder an dem Sammelbehälter angeordnete Neutronenquelle, die dazu eingerichtet ist, Neutronen in den Sammelbehälter einzuleiten,
- - einen in oder an dem Sammelbehälter angeordneten Strahlungsdetektor zum Detektieren von Strahlung, die im Sammelbehälter durch in das Material eingeleitete Neutronen erzeugt wird, und
- - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, aus der vom Strahlungsdetektor detektierten Strahlung nach Art der Prompten-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder der Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, die Elementzusammensetzung des Materials zu ermitteln.
- - a collecting container for the material,
- - a neutron source arranged in or on the collecting container, which is set up to introduce neutrons into the collecting container,
- a radiation detector arranged in or on the collecting container for detecting radiation that is generated in the collecting container by neutrons introduced into the material, and
- - An evaluation unit which is set up to determine the elemental composition of the material from the radiation detected by the radiation detector in the manner of prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA, and / or pulsed fast neutron activation analysis, PFTNA.
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann die Gewinnung von Rohstoffen optimiert werden, indem die für die jeweiligen Rohstoffe erforderlichen Qualitätsmerkmale systematisch online erfasst werden, beispielsweise bei Erzen, Kohlen und Sedimenten. Weiterhin kann mit der beschriebenen Vorrichtung die Steuerung von mit Biomassen und Ersatzbrennstoffen gefeuerten Kraftwerken und Kesseln verbessert werden. Auch können beispielsweise Materialhalden, Bergbaubetriebe, Industriebetriebe, Umschlagplätze, Logistikbetriebe, Entsorgungsbetriebe, Baubetriebe insbesondere zum Rückbau, der Straßenbau insbesondere unter Verwendung von Fräsen und Verwertungsbetriebe mit der beschriebenen Vorrichtung systematisch bewirtschaftet werden. Die beschriebene Vorrichtung kann weiterhin in der Zementindustrie zur bedarfsgerechten Dosierung von Einsatzkomponenten eingesetzt werden. Auch kann mittels der beschriebenen Vorrichtung eine Online-Charakterisierung und/oder Qualitätssicherung verschiedenster Materialien erfolgen.With the described device, the extraction of raw materials can be optimized in that the quality characteristics required for the respective raw materials are systematically recorded online, for example in the case of ores, coals and sediments. Furthermore, with the device described, the control of power plants and boilers fired with biomass and substitute fuels can be improved. Material heaps, mining operations, industrial operations, transshipment points, logistics operations, disposal operations, construction operations in particular for dismantling, road construction in particular using milling machines and recycling operations can also be systematically managed with the described device. The device described can also be used in the cement industry for the dosage of components used as required. Online characterization and / or quality assurance of the most varied of materials can also be carried out using the device described.
Die beschriebene Vorrichtung wird vorzugsweise bei der industriellen Verarbeitung von Materialien eingesetzt. Beispiele solcher Materialien sind feste fossile Brennstoffe wie Braunkohle oder Steinkohle, Biomassen, Ersatzbrennstoffe wie Bagasse, Altholz oder Kunststoff, Rohstoffe wie Erze, Gesteine, Sedimente, Böden oder Pigmente, Reststoffe und Recyclingprodukte wie Aschen, Schlacken, Müll, Klärschlamm, Elektroschrott oder Bauschutt, Asphaltschutt, Wertstoffe wie Metalle oder Werkstoffe.The device described is preferably used in the industrial processing of materials. Examples of such materials are solid fossil fuels such as lignite or hard coal, biomass, substitute fuels such as bagasse, waste wood or plastic, raw materials such as ores, rocks, sediments, soils or pigments, residues and recycling products such as ash, slag, garbage, sewage sludge, electronic scrap or rubble, Asphalt rubble, recyclable materials such as metals or materials.
Die Vorrichtung umfasst den Sammelbehälter für das Material. Unter einem Sammelbehälter ist in diesem Zusammenhang ein Behälter zu verstehen, in den, durch den und/oder aus dem Material gefördert werden kann. Das Material ist vorzugsweise ein Feststoff. Beispielsweise kann das Material im Laufe eines industriellen Prozesses in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter gefördert werden. Auch kann das Material beispielsweise Bauschutt oder Biomasse sein. Der Sammelbehälter kann dazu dienen, das Material aufzunehmen und/oder bereitzustellen. Es ist auch möglich, dass das Material in dem Sammelbehälter behandelt oder bearbeitet wird. Der Sammelbehälter kann abgeschlossen oder offen ausgebildet sein. Ein offen ausgestalteter Sammelbehälter kann insbesondere dazu eingerichtet sein, von dem Material durchströmt zu werden. Beispiele für einen Sammelbehälter sind ein Silo, Trichter, ein Brecher, eine Dosiereinrichtung, eine Siebanlage oder Kombinationen aus den genannten Elementen.The device comprises the collecting container for the material. In this context, a collecting container is understood to be a container into which, through which and / or out of the material can be conveyed. The material is preferably a solid. For example, the material can be conveyed into, through and / or out of the collecting container in the course of an industrial process. The material can also be construction waste or biomass, for example. The collecting container can serve to receive and / or provide the material. It is also possible that the material is treated or processed in the collecting container. The collecting container can be closed or open. A collecting container of open design can in particular be set up so that the material can flow through it. Examples of a collecting container are a silo, funnel, a crusher, a metering device, a Screening system or combinations of the elements mentioned.
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann die Elementzusammensetzung des Materials ermittelt werden. Damit ist die Verteilung der chemischen Elemente in dem Material gemeint. Auf den chemischen Bindungszustand der Elemente kommt es dabei nicht an. Die Elementzusammensetzung ist bei vielen Anwendungen ein wichtiger Qualitätsparameter. Die Ermittlung der Elementzusammensetzung kann auch als Multielement-Analyse bezeichnet werden.With the device described, the elemental composition of the material can be determined. This means the distribution of the chemical elements in the material. The chemical bond state of the elements is not important. The element composition is an important quality parameter in many applications. The determination of the element composition can also be referred to as a multi-element analysis.
Die Elementzusammensetzung kann mit der beschriebenen Vorrichtung mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt werden. Bevorzugt ist die PGNAA. Bei beiden genannten Verfahren handelt es sich um Methoden zur Analyse unter Verwendung von Neutronen. Die Neutronen können ausgehend von der Neutronenquelle, beispielsweise einem geeigneten radioaktiven Material, in das Material ausgesendet werden. Entsprechend ist bevorzugt, dass die Neutronenquelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Neutronen von der Neutronenquelle in das Material eingeleitet werden, wenn sich das Material in dem Sammelbehälter befindet.The element composition can be determined with the device described using PGNAA and / or PFTNA. PGNAA is preferred. Both of these methods are methods of analysis using neutrons. The neutrons can be emitted into the material from the neutron source, for example a suitable radioactive material. Accordingly, it is preferred that the neutron source is arranged and designed in such a way that the neutrons from the neutron source are introduced into the material when the material is in the collecting container.
Innerhalb des Materials kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den von der Neutronenquelle ausgesendeten Neutronen und den Kernen der das Material bildenden Atome. Bei dieser Kernwechselwirkung wird Gammastrahlung erzeugt, die von dem Strahlungsdetektor detektiert werden kann. Der Strahlungsdetektor ist entsprechend vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet, dass mit dem Strahlungsdetektor die Strahlung erfasst werden kann, die von dem Material ausgesendet wird, wenn sich das Material in dem Sammelbehälter befindet und dort mit Neutronen aus der Neutronenquelle beaufschlagt wird.Within the material there is an interaction between the neutrons emitted by the neutron source and the nuclei of the atoms that make up the material. During this core interaction, gamma radiation is generated which can be detected by the radiation detector. The radiation detector is accordingly preferably arranged and designed in such a way that the radiation that is emitted by the material can be detected with the radiation detector when the material is in the collecting container and there is exposed to neutrons from the neutron source.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren und/oder eine Mehrzahl von Neutronenquellen. Insbesondere können eine Neutronenquelle und eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren verwendet werden. Insbesondere bei großen Materialdicken ist die Verwendung mehrerer Neutronenquellen bevorzugt, um einen Anregungsbereich im Material zu vergrößern. The device preferably comprises a plurality of radiation detectors and / or a plurality of neutron sources. In particular, a neutron source and a plurality of radiation detectors can be used. The use of several neutron sources is preferred in particular with great material thicknesses in order to enlarge an excitation area in the material.
Anhand der detektieren Strahlung kann auf die im Material befindlichen Atome geschlossen werden. Insoweit kann die Elementzusammensetzung des Materials ermittelt werden. Dazu dient die Auswerteeinheit.Based on the detected radiation, conclusions can be drawn about the atoms in the material. In this respect, the elemental composition of the material can be determined. The evaluation unit is used for this.
Mittels PGNAA und/oder PFTNA kann insbesondere ein Kohlenstoffgehalt des Materials ermittelt werden. Aus diesem kann eine bei einer Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 bestimmt werden. Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CO2-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Der maximal mögliche CO2-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbrennung eines Materials nicht mehr CO2-Moleküle gebildet werden können als C-Atome in dem Material vorhanden sind. Daher kann der Kohlenstoffanteil in dem Material mittels PGNAA und/oder PFTNA ermittelt und daraus der zu erwartende CO2-Ausstoß durch Berechnung bestimmt werden.In particular, a carbon content of the material can be determined by means of PGNAA and / or PFTNA. From this, an amount of CO 2 released when the material is burned can be determined. In a wide variety of applications in which a material is incinerated, a prediction of the CO 2 emissions due to the combustion is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory provisions. The maximum possible CO 2 emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material is burned, no more CO 2 molecules can be formed than there are carbon atoms in the material. Therefore, the carbon content in the material can be determined using PGNAA and / or PFTNA and the expected CO 2 emissions can be determined from this by calculation.
Mit der PGNAA und/oder der PFTNA integriert in oder an dem Sammelbehälter können unterschiedliche Materialien größeren Volumens hinsichtlich ihrer Elementzusammensetzung insbesondere während des Durchsatzes in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter analysiert werden. Es ist auch möglich, die Analyse in einem statischen Zustand durchzuführen, in dem sich das Material nicht bewegt. Die bevorzugte Anordnung der Neutronenquelle und des Strahlungsdetektors in oder an dem Sammelbehälter variieren mit der Größe und der Geometrie des Sammelbehälters sowie mit dem Volumen und den Eigenschaften des zu analysierenden Materials.With the PGNAA and / or the PFTNA integrated in or on the collecting container, different materials of larger volume can be analyzed with regard to their elemental composition, in particular during the throughput into, through and / or out of the collecting container. It is also possible to perform the analysis in a static state in which the material does not move. The preferred arrangement of the neutron source and the radiation detector in or on the collecting container vary with the size and the geometry of the collecting container as well as with the volume and the properties of the material to be analyzed.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Förderband, mit dem das Material aus dem Sammelbehälter abtransportiert werden kann. In dem Fall ist es bevorzugt, dass an dem Förderband mindestens eine zusätzliche LIBS-Einrichtung und/oder mindestens eine zusätzliche Neutronenquelle und mindestens ein zusätzlicher Strahlendetektor vorgesehen ist, mit denen das auf dem Förderband geförderte Material mittels LIBS beziehungsweise PGNAA und/oder PFTNA analysiert werden kann. Die so gewonnenen Ergebnisse können mit den wie zuvor beschriebenen Ergebnissen verglichen und zu einem Gesamtergebnis zusammengeführt werden.The device preferably further comprises a conveyor belt with which the material can be transported away from the collecting container. In this case, it is preferred that at least one additional LIBS device and / or at least one additional neutron source and at least one additional radiation detector is provided on the conveyor belt, with which the material conveyed on the conveyor belt can be analyzed using LIBS or PGNAA and / or PFTNA can. The results obtained in this way can be compared with the results described above and combined into an overall result.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet.According to a preferred embodiment of the device, the neutron source and / or the radiation detector are arranged in and / or on a side wall of the collecting container.
Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet. Unter einer Seitenwand des Sammelbehälters ist insbesondere eine Wand zu verstehen, die bei Durchsatz des Materials in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter seitlich des Materialstroms angeordnet ist und diesen insoweit begrenzt.Both the neutron source and the radiation detector are preferably arranged in and / or on a side wall of the collecting container. A side wall of the collecting container is to be understood in particular as a wall which, when the material is throughput into, through and / or out of the collecting container, is arranged to the side of the material flow and to that extent limits it.
Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet. Die Anordnung der Neutronenquelle und/oder des Strahlungsdetektors gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist besonders für asymmetrische Sammelbehälter geeignet. Nichtsdestotrotz kann die vorliegende Ausführungsform aber auch auf anders ausgestaltete Sammelbehälter angewendet werden. Das zu analysierende Material kann beispielsweise mit einem LKW angeliefert und über eine Schurre in einen Trichter als Sammelbehälter geschüttet werden. Die Ermittlung der Elementzusammensetzung erfolgt vorzugsweise während des Schüttens des Materials in den Trichter. Um gleichbleibende Materialdicken bei der Schüttung zu gewährleisten, weist der Trichter vorzugsweise Abstreifer auf.The present embodiment is particularly suitable for PGNAA. The arrangement of the Neutron source and / or the radiation detector according to the present embodiment is particularly suitable for asymmetrical collecting containers. Nevertheless, the present embodiment can also be applied to differently configured collecting containers. The material to be analyzed can, for example, be delivered by truck and poured into a funnel as a collecting container via a chute. The element composition is preferably determined while the material is being poured into the funnel. In order to ensure constant material thicknesses when pouring, the funnel preferably has scrapers.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor innerhalb des Sammelbehälters angeordnet.According to a further preferred embodiment of the device, the neutron source and / or the radiation detector are arranged within the collecting container.
Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor innerhalb des Sammelbehälters angeordnet. Unter einer Anordnung innerhalb des Sammelbehälters ist zu verstehen, dass sich die Neutronenquelle beziehungsweise der Strahlungsdetektor im Innern des Sammelbehälters befinden, sodass das zu analysierenden Material um die Neutronenquelle beziehungsweise den Strahlungsdetektor herum strömen kann. Die Anordnung innerhalb des Sammelbehälters ist also insbesondere in Abgrenzung zu einer Anordnung in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters zu sehen.Both the neutron source and the radiation detector are preferably arranged within the collecting container. An arrangement within the collecting container is understood to mean that the neutron source or the radiation detector is located inside the collecting container, so that the material to be analyzed can flow around the neutron source or the radiation detector. The arrangement within the collecting container is therefore to be seen in particular in contrast to an arrangement in and / or on a side wall of the collecting container.
Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet. Die vorliegende Ausführungsform wird bevorzugt bei symmetrischen Sammelbehältern angewendet, insbesondere bei großen symmetrischen Sammelbehältern. Durch die Anordnung der Neutronenquelle und/oder des Strahlungsdetektors innerhalb des Sammelbehälters kann besonders viel Material analysiert werden. So kann das Material insbesondere in der sogenannten 4π-Geometrie ringförmig von der Mitte des Sammelbehälters aus analysiert werden.The present embodiment is particularly suitable for PGNAA. The present embodiment is preferably used with symmetrical collection containers, in particular with large symmetrical collection containers. The arrangement of the neutron source and / or the radiation detector within the collecting container means that a particularly large amount of material can be analyzed. In particular, the material can be analyzed in the so-called 4π geometry in a ring from the center of the collecting container.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Neutronenquelle innerhalb des Sammelbehälters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet.According to a further preferred embodiment of the device, the neutron source is arranged inside the collecting container and the radiation detector is arranged in and / or on a side wall of the collecting container.
Je nach zu analysierendem Material und je nach Größe des Sammelbehälters kann es vorteilhaft sein, die Neutronenquelle und den Strahlungsdetektor voneinander beabstandet anzuordnen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Neutronenquelle innerhalb des Sammelbehälters angeordnet und der Strahlungsdetektor in der Seitenwand. Das kann die Konstruktion der beschriebenen Vorrichtung erleichtern, insbesondere wenn als Neutronenquelle eine radioaktive Substanz verwendet wird. Eine derartige Neutronenquelle muss nicht über Kabel mit Energie versorgt werden. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Neutronenquelle und nicht etwa der Strahlungsdetektor im Inneren des Sammelbehälters angeordnet ist. Eine Anbindung des Strahlungsdetektors über Kabel ist an der Seitenwand mit geringerem Aufwand zu realisieren als im Innern des Sammelbehälters. Aus Strahlenschutzgründen kann es gleichwohl aber sinnvoll sein, eine Kabelverbindung auch zur Neutronenquelle vorzusehen, durch welche die Neutronenquelle bei Nichtgebrauch in einen inaktiven Zustand gebracht werden kann, beispielsweise indem eine radioaktive Substanz in eine Abschirmung verfahren wird.Depending on the material to be analyzed and depending on the size of the collecting container, it can be advantageous to arrange the neutron source and the radiation detector at a distance from one another. In the present embodiment, the neutron source is arranged inside the collecting container and the radiation detector is arranged in the side wall. This can facilitate the construction of the device described, especially if a radioactive substance is used as the neutron source. Such a neutron source does not have to be supplied with energy via cables. Accordingly, it is preferred that the neutron source and not the radiation detector is arranged in the interior of the collecting container. A connection of the radiation detector via cables can be realized on the side wall with less effort than inside the collecting container. For reasons of radiation protection it can nevertheless be useful to provide a cable connection to the neutron source, through which the neutron source can be brought into an inactive state when not in use, for example by moving a radioactive substance into a shield.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlungsdetektor innerhalb des Sammelbehälters und die Neutronenquelle in und/oder an einer Seitenwand des Sammelbehälters angeordnet.In another preferred embodiment, the radiation detector is arranged inside the collecting container and the neutron source is arranged in and / or on a side wall of the collecting container.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der Sammelbehälter ein Trichter.According to a further preferred embodiment of the device, the collecting container is a funnel.
Der Trichter hat einen Einlass und einen Auslass, wobei ein für das Material verfügbarer Querschnitt des Trichters an dessen Einlass größer als an dessen Auslass ist. Vom Einlass zum Auslass hin nimmt der Querschnitt vorzugsweise kontinuierlich ab. Bei dem Trichter handelt es sich vorzugsweise um einen solchen, der zur Verarbeitung industriellen Materials bestimmt und eingerichtet ist, insbesondere hinsichtlich der Dimension und des Materials des Trichters. Für den Trichter sind alle Materialien geeignet, die für das von dem Trichter aufzunehmende Material resistent sind. So ist es insbesondere bevorzugt, dass der Trichter aus Stahl gefertigt ist.The funnel has an inlet and an outlet, a cross section of the funnel available for the material being larger at its inlet than at its outlet. The cross section preferably decreases continuously from the inlet to the outlet. The funnel is preferably one which is intended and set up for processing industrial material, in particular with regard to the dimensions and the material of the funnel. All materials that are resistant to the material to be picked up by the funnel are suitable for the funnel. It is particularly preferred that the funnel is made of steel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor in einem kegelförmigen Abschnitt des Trichters angeordnet.According to a further preferred embodiment of the device, the neutron source and / or the radiation detector are arranged in a conical section of the funnel.
Der kegelförmige Abschnitt des Trichters schließt vorzugsweise unmittelbar an den Einlass des Trichters an. Durch eine Verjüngung des Durchmessers des Trichters im kegelförmigen Abschnitt wird erreicht, dass der Trichter am Auslass einen geringeren Durchmesser als am Einlass hat. Zwischen dem kegelförmigen Abschnitt und dem Auslass des Trichters weist der Trichter vorzugsweise ein Auslassrohr mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser, vorzugsweise konstantem Durchmesser, auf.The conical section of the funnel preferably adjoins the inlet of the funnel. By tapering the diameter of the funnel in the conical section, it is achieved that the funnel has a smaller diameter at the outlet than at the inlet. Between the conical section and the outlet of the funnel, the funnel preferably has an outlet tube with an essentially constant diameter, preferably constant diameter.
Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor in dem kegelförmigen Abschnitt des Trichters angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet.Both the neutron source and the radiation detector are preferably arranged in the conical section of the funnel. The present embodiment is particularly suitable for PGNAA.
Bevorzugt sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor in dieser Ausführungsform innerhalb des Trichters angeordnet. Das ist bevorzugt bei symmetrischen Sammelbehältern der Fall, insbesondere bei großen symmetrischen Sammelbehältern. Durch die Anordnung der Neutronenquelle und/oder des Strahlungsdetektors innerhalb des Sammelbehälters kann besonders viel Material analysiert werden. So kann das Material insbesondere in der sogenannten 4π-Geometrie ringförmig von der Mitte des Sammelbehälters aus analysiert werden.In this embodiment, the neutron source and the radiation detector are preferably arranged within the funnel. This is preferably the case with symmetrical collection containers, in particular with large symmetrical collection containers. The arrangement of the neutron source and / or the radiation detector within the collecting container means that a particularly large amount of material can be analyzed. In particular, the material can be analyzed in the so-called 4π geometry in a ring from the center of the collecting container.
Alternativ ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Neutronenquelle innerhalb des Trichters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Trichters angeordnet ist. Das kann wie zuvor beschrieben die Konstruktion der beschriebenen Vorrichtung erleichtern, insbesondere wenn als Neutronenquelle eine radioaktive Substanz verwendet wird. Der Grund für unterschiedliche Anordnungen von Strahlungsdetektor und Neutronenquelle liegt insbesondere in dem Funktionsprinzip von PGNAA beziehungsweise PFTNA. Die Neutronen dringen in das Material ein und wechselwirken mit den Kernen der Atome des Materials. Dabei entsteht Gammastrahlung. Die Gammastrahlung muss auf dem Weg zum Strahlungsdetektor das Material passieren und wird dabei teilweise durch das Material absorbiert. Je nach Anordnung des Strahlungsdetektors kann mithin mehr oder weniger der erzeugten Gammastrahlung detektiert werden. Bei einem langen Weg durch das Material und/oder bei einem für Gammastrahlung stark absorbierenden Material kann mit dem Strahlungsdetektor nur ein schwaches Messsignal aufgenommen werden.Alternatively, it is preferred in this embodiment that the neutron source is arranged inside the funnel and the radiation detector is arranged in and / or on a side wall of the funnel. As described above, this can facilitate the construction of the device described, in particular if a radioactive substance is used as the neutron source. The reason for different arrangements of radiation detector and neutron source lies in particular in the functional principle of PGNAA and PFTNA. The neutrons penetrate the material and interact with the nuclei of the atoms in the material. This creates gamma radiation. The gamma radiation has to pass through the material on its way to the radiation detector and is partially absorbed by the material. Depending on the arrangement of the radiation detector, more or less of the gamma radiation generated can be detected. With a long path through the material and / or with a material that is strongly absorbent for gamma radiation, only a weak measurement signal can be recorded with the radiation detector.
Aus Strahlenschutzgründen kann es sinnvoll sein, dass die Neutronenquelle bei Nichtgebrauch in einen inaktiven Zustand gebracht werden kann, beispielsweise indem eine radioaktive Substanz in eine Abschirmung verfahren wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Neutronenquelle und/oder der Strahlungsdetektor an einem Auslassrohr des Trichters angeordnet.For reasons of radiation protection, it can make sense that the neutron source can be brought into an inactive state when not in use, for example by moving a radioactive substance into a shield.
According to a further preferred embodiment of the device, the neutron source and / or the radiation detector are arranged on an outlet pipe of the funnel.
Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor an dem Auslassrohr des Trichters angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform ist besonders für PGNAA geeignet.Both the neutron source and the radiation detector are preferably arranged on the outlet tube of the funnel. The present embodiment is particularly suitable for PGNAA.
Bevorzugt sind die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor in dieser Ausführungsform innerhalb des Trichters angeordnet. Alternativ ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass die Neutronenquelle innerhalb des Trichters und der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Trichters angeordnet ist.In this embodiment, the neutron source and the radiation detector are preferably arranged within the funnel. Alternatively, it is preferred in this embodiment that the neutron source is arranged inside the funnel and the radiation detector is arranged in and / or on a side wall of the funnel.
Alternativ ist es in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor in und/oder an einer Seitenwand des Trichters angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann gewählt werden, wenn der verfügbare Platz für die Neutronenquelle, den Strahlungsdetektor und für gegebenenfalls erforderliche weitere Elektronik ausreicht. Die Multielementanalyse erfolgt in dieser Ausgestaltung bei gleichbleibender Geometrie des Trichters. Das ist hinsichtlich der Messgenauigkeit vorteilhaft. Die Analyse kann während eines Materialdurchsatzes in den, durch den und/oder aus dem Trichter oder statisch in einem gefüllten Zustand des Trichters erfolgen.Alternatively, in this embodiment it is preferred that both the neutron source and the radiation detector are arranged in and / or on a side wall of the funnel. Such an arrangement can be selected if the available space for the neutron source, the radiation detector and any additional electronics that may be required is sufficient. In this embodiment, the multi-element analysis takes place with the same geometry of the funnel. This is advantageous in terms of measurement accuracy. The analysis can take place during a material throughput into, through and / or out of the funnel or statically in a filled state of the funnel.
Vorzugsweise sind sowohl die Neutronenquelle als auch der Strahlungsdetektor unmittelbar am Auslass des Trichters angeordnet. Die Materialien, die üblicherweise in Trichtern gesammelt und optional zusätzlich darin gebrochen und/oder gesiebt werden, werden in der Regel über ein oder mehrere kleine Förderbänder abtransportiert. Mit der Positionierung der Neutronenquelle und des Strahlungsdetektors am Auslass des Trichters kann das Material kontinuierlich während des Durchsatzes durch den und/oder aus dem Trichter analysiert werden.Both the neutron source and the radiation detector are preferably arranged directly at the outlet of the funnel. The materials, which are usually collected in hoppers and optionally also broken and / or sieved in them, are usually transported away via one or more small conveyor belts. With the positioning of the neutron source and the radiation detector at the outlet of the funnel, the material can be analyzed continuously during the throughput through and / or out of the funnel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin ein zentral im Trichter angeordnetes Verteilelement auf, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Material beim Durchsatz in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter durch das Verteilelement um die Neutronenquelle und/oder den Strahlungsdetektor herum verteilt wird.According to a further preferred embodiment, the device furthermore has a distribution element arranged centrally in the funnel, the device being designed in such a way that the material during throughput into, through and / or out of the collecting container through the distribution element around the neutron source and / or the Radiation detector is distributed around.
Das Verteilelement ist vorzugsweise als Kegel ausgebildet. Insbesondere durch das Verteilelement kann in der sogenannten 4π-Geometrie gemessen werden. Dabei ist es bevorzugt, dass die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor innerhalb des Trichters angeordnet sind. Die Neutronenquelle und der Strahlungsdetektor können dabei im kegelförmigen Abschnitt des Trichters oder am Auslassrohr angeordnet sein.The distribution element is preferably designed as a cone. In particular, the distribution element can be used to measure in the so-called 4π geometry. It is preferred that the neutron source and the radiation detector are arranged inside the funnel. The neutron source and the radiation detector can be arranged in the conical section of the funnel or on the outlet pipe.
Vorzugsweise ist die Neutronenquelle in dem, insbesondere als Kegel ausgeführten, Verteilelement angeordnet. In dem Fall ist es besonders bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Strahlungsdetektoren an der Seitenwand des kegelförmigen Abschnitts des Trichters angeordnet ist. Das Material kann dann durch die Neutronenquelle kreisförmig von innen heraus angeregt werden und die Strahlung kann außen radial am Trichter gemessen werden. Damit kann einerseits eine besonders hohe Signalstärke bei der Strahlungsdetektion erhalten werden. Andererseits kann die Elementkonzentration durch die beschriebene Anordnung richtungsabhängig bestimmt werden.The neutron source is preferably arranged in the distribution element, in particular designed as a cone. In that case it is particularly preferred that a plurality of radiation detectors is arranged on the side wall of the conical section of the funnel. The material can then be excited circularly from the inside by the neutron source and the radiation can be measured radially on the outside of the funnel. In this way, on the one hand, a particularly high signal strength can be obtained during radiation detection. On the other hand, the element concentration can be determined depending on the direction by the arrangement described.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine LIBS-Einrichtung auf zur Analyse einer Oberfläche des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, wenn sich das Material im Sammelbehälter befindet.According to a further preferred embodiment, the device has a LIBS device for analyzing a surface of the material by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, when the material is in the collecting container.
Mittels LIBS kann die Elementzusammensetzung des Materials analysiert werden. Dazu wird eine Oberfläche des zu analysierenden Materials mit einem Laser abgetastet. Mit LIBS kann die Elementzusammensetzung nur an der Oberfläche des Materials ermittelt werden. Im Vergleich zu PGNAA und PFTNA ist LIBS aber genauer und sensitiver hinsichtlich der Bestimmung von Elementkonzentrationen. Demgegenüber sind PGNAA und PFTNA insbesondere hinsichtlich der Bestimmung einzelner Elemente und deren Nachweisgrenzen limitiert. Gleichwohl kann mittels PGNAA und/oder PFTNA die Materialzusammensetzung bis zu einer bestimmten Eindringtiefe auch innerhalb des Materials ermittelt werden, was insbesondere bei großen Probenvolumina von Vorteil ist.The elemental composition of the material can be analyzed using LIBS. For this purpose, a surface of the material to be analyzed is scanned with a laser. With LIBS, the elemental composition can only be determined on the surface of the material. In comparison to PGNAA and PFTNA, however, LIBS is more precise and more sensitive with regard to the determination of element concentrations. In contrast, PGNAA and PFTNA are limited in particular with regard to the determination of individual elements and their detection limits. Nevertheless, the material composition can also be determined within the material up to a certain penetration depth by means of PGNAA and / or PFTNA, which is particularly advantageous with large sample volumes.
Die Ergebnisse der PGNAA und/oder der PFTNA werden daher vorzugsweise als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung verwendet und mittels LIBS korrigiert. Alternativ ist es bevorzugt, die Ergebnisse der LIBS als Grundlage für die Ermittlung der Elementzusammensetzung zu verwenden und mittels PGNAA und/oder PFTNA zu korrigieren. Damit kann insbesondere das analysierbare Elementspektrum erweitert werden und eine Messsignalausbeute erhöht werden. In dem Fall, dass die Ergebnisse der LIBS mittels PGNAA und/oder PFTNA korrigiert werden, kann die Repräsentativität der LIBS-Analyse erhöht werden, weil mittels PGNAA und/oder PFTNA ein größeres Probenvolumen analysiert werden kann als mit LIBS.The results of the PGNAA and / or the PFTNA are therefore preferably used as a basis for determining the elemental composition and corrected using LIBS. Alternatively, it is preferred to use the results of the LIBS as a basis for determining the elemental composition and to correct them using PGNAA and / or PFTNA. In particular, the analyzable element spectrum can thus be expanded and a measurement signal yield can be increased. In the event that the results of the LIBS are corrected using PGNAA and / or PFTNA, the representativeness of the LIBS analysis can be increased because a larger sample volume can be analyzed using PGNAA and / or PFTNA than with LIBS.
Mittels LIBS kann die Oberfläche des Materials während einer Schüttung oder am Auslass eines Trichters am Übergang zu einem Austragungs-Förderband analysiert werden. Auch kann die LIBS-Einrichtung an einem Teleskoparm montiert sein, so dass die Oberfläche des Materials je nach Stellung des Teleskoparms wahlweise während der Schüttung in den Trichter, während des Durchsatzes durch den Trichter und/oder am Auslass des Trichters analysiert werden kann.LIBS can be used to analyze the surface of the material during pouring or at the outlet of a funnel at the transition to a discharge conveyor belt. The LIBS device can also be mounted on a telescopic arm so that, depending on the position of the telescopic arm, the surface of the material can be analyzed either while it is being poured into the funnel, during the throughput through the funnel and / or at the outlet of the funnel.
Als ein weiterer Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- a) Fördern des Materials in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbehälter,
- b) Ermitteln der Elementzusammensetzung des gemäß Schritt a) geförderten Materials mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA.
- a) Conveying the material into, through and / or from a collecting container,
- b) Determining the elemental composition of the material conveyed in accordance with step a) by means of Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials sind auf das beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Insbesondere wird das beschriebene Verfahren vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.The described special advantages and design features of the device for determining an elemental composition of a material can be used and transferred to the described method for determining an elemental composition of a material, and vice versa. In particular, the device described is preferably set up to carry out the method described. In particular, the method described is preferably carried out with the device described.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Analyse in Schritt b) berührungslos während des Förderns gemäß Schritt a).According to a preferred embodiment of the method, the analysis in step b) takes place contactlessly during the conveying according to step a).
Durch die berührungslose Analyse mittels PGNAA und/oder PFTNA erfolgt durch das beschriebene Verfahren kein störender Eingriff in den übrigen Betriebsablauf. Insbesondere ist das beschriebene Verfahren zerstörungsfrei. Schritt b) erfolgt vorzugsweise im Vollstrom. Das bedeutet, dass das gesamte geförderte Material analysiert wird. Insbesondere werden nicht bloß ein Teilstrom oder eine entnommene Probe analysiert. Durch die Analyse im Vollstrom können insbesondere alle Probleme umgangen werden, die bei einer Analyse eines Teilstroms oder einer Probe entstehen, insbesondere hinsichtlich mangelnder Repräsentativität.Due to the contactless analysis using PGNAA and / or PFTNA, the method described does not interfere with the rest of the operational sequence. In particular, the method described is non-destructive. Step b) is preferably carried out in full flow. This means that all the material extracted is analyzed. In particular, not just a partial flow or a sample taken are analyzed. The analysis in the full flow makes it possible in particular to avoid all problems that arise when analyzing a partial flow or a sample, in particular with regard to insufficient representativeness.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) weiterhin eine Analyse einer Oberfläche des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, durchgeführt, wobei die dabei gewonnenen Ergebnisse bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials berücksichtigt werden.According to a further preferred embodiment of the method, an analysis of a surface of the material by means of laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS, is carried out in step b), the results obtained thereby being taken into account when determining the elemental composition of the material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt b) weiterhin eine Feuchtigkeit des Materials ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung des Materials berücksichtigt.According to a further preferred embodiment of the method, a moisture content of the material is also determined in step b) and taken into account when determining the elemental composition of the material.
Der Wassergehalt im Material kann einen Einfluss auf den Neutronenfluss durch das Material haben. Durch Kenntnis der Feuchtigkeit des Materials kann daher die Genauigkeit der PGNAA und/oder der PFTNA verbessert werden. Die Feuchtigkeit des Materials kann beispielsweise mittels Mikrowellentechnik, Nah-Infrarot-Technik, Gammarückstreuung, Messung des kapazitiven Widerstands, oder durch Terra-Hz-Messtechnik ermittelt werden.The water content in the material can have an influence on the neutron flux through the material. Therefore, knowing the moisture of the material can improve the accuracy of the PGNAA and / or the PFTNA. The moisture in the material can be measured using microwave technology, near-infrared technology, gamma backscattering, Measurement of the capacitive resistance, or determined by Terra-Hz measurement technology.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Material in Schritt a) in einen, durch einen und/oder aus einem an einem Fahrzeug montierten als Trichter ausgebildeten Sammelbehälter gefördert.According to a further preferred embodiment of the method, the material in step a) is conveyed into a collecting container designed as a funnel, through and / or from a hopper mounted on a vehicle.
Dass der Trichter als „an“ einem Fahrzeug montiert beschrieben ist, schränkt die Art und Position der Anordnung des Trichters an dem Fahrzeug nicht ein. So ist von dem Begriff „an“ insbesondere umfasst, dass der Trichter auf, unter, in, vorne an, hinten an oder seitlich an dem Fahrzeug befestigt ist.The fact that the funnel is described as being “mounted on” a vehicle does not limit the type and position of the arrangement of the funnel on the vehicle. The term “on” includes, in particular, that the funnel is attached to, below, in, in front of, in the back of or on the side of the vehicle.
In der vorliegenden Ausführungsform kann das Material besonders effizient analysiert werden, insbesondere wenn ein autonom fahrendes Fahrzeug verwendet wird. Wird beispielsweise Material durch eine Straßenbaufräse oder mittels eines Surface-Miners aufgenommen, kann es mit einem parallel mitgefahrenen Trichter aufgenommen und optional über ein Austragsband direkt in einen mitfahrenden LKW geladen werden. Das Material kann dabei in Echtzeit hinsichtlich der Elementzusammensetzung charakterisiert werden.In the present embodiment, the material can be analyzed particularly efficiently, in particular when an autonomously driving vehicle is used. If, for example, material is picked up by a road construction cutter or by means of a surface miner, it can be picked up with a funnel that is driven at the same time and, optionally, loaded directly into a truck traveling along via a discharge belt. The material can be characterized in real time with regard to its elemental composition.
Als ein weiterer Aspekt wird ein weiteres Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- A) Fördern des Materials in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbehälter,
- B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A) geförderten Materials,
- C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teils des Materials mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
- A) Conveying the material into, through and / or from a collecting container,
- B) branching off part of the material conveyed according to step A),
- C) Determining the elemental composition of the material by analyzing the part of the material branched off according to step B) by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der Vorrichtung und des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials sind auf das vorliegend beschriebene Verfahren zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt.The described particular advantages and design features of the device and the previously described method for determining an elemental composition of a material can be applied and transferred to the method described herein for determining an elemental composition of a material, and vice versa.
Mittels LIBS kann die Elementzusammensetzung des Materials besonders genau ermittelt werden. LIBS ist für besonders viele verschiedene Elemente sensitiv. Allerdings kann mittels LIBS nur die Oberfläche des zu analysierenden Materials analysiert werden. Dieser Nachteil wird bei dem vorliegenden Verfahren dadurch ausgeglichen, dass nicht der Vollstrom des zu analysierenden Materials analysiert wird, sondern nur ein davon abgezweigter homogenisierter Teil. Dieser Teil wird in Schritt B) abgezweigt. Dazu kann eine Probe aus dem Vollstrom entnommen werden oder es kann ein Teilstrom gebildet werden. Das erfolgt vorzugsweise, ohne das Fördern des Materials gemäß Schritt A) zu unterbrechen. Vorzugsweise wird die gemäß Schritt B) abgezweigte Menge des zu untersuchenden Materials in Schritt B) und vor Schritt C) aufbereitet. Das kann insbesondere ein Homogenisieren des Materials umfassen, insbesondere im Falle einer Probenentnahme. In Schritt C) wird das Material analysiert, wobei durch die vorherige Abzweigung nur eines Teils des Vollstroms der Nachteil zumindest teilweise ausgeglichen werden kann, dass mittels LIBS nur eine Oberflächenanalyse möglich ist. So kann das Material zum Zwecke der Analyse ausgebreitet werden, so dass eine besonders große Oberfläche mittels LIBS zugänglich ist.The element composition of the material can be determined particularly precisely using LIBS. LIBS is sensitive to a particularly large number of different elements. However, only the surface of the material to be analyzed can be analyzed using LIBS. This disadvantage is compensated for in the present method in that not the full flow of the material to be analyzed is analyzed, but only a homogenized part branched off from it. This part is branched off in step B). For this purpose, a sample can be taken from the full flow or a partial flow can be formed. This is preferably done without interrupting the conveying of the material according to step A). The amount of the material to be examined branched off according to step B) is preferably processed in step B) and before step C). This can in particular include homogenizing the material, in particular in the case of taking a sample. In step C) the material is analyzed, whereby the previous branching off of only part of the full flow can at least partially compensate for the disadvantage that only a surface analysis is possible using LIBS. In this way, the material can be spread out for the purpose of analysis, so that a particularly large surface is accessible using LIBS.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) ein Kohlenstoff-Gehalt des Materials bestimmt, wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung des Materials freigesetzte Menge CO2 bestimmt wird.According to a preferred embodiment of the method, a carbon content of the material is determined in step C), an amount of CO 2 released upon combustion of the material being determined from the determined carbon content.
Bei verschiedensten Anwendungen, bei denen ein Material verbrannt wird, ist eine Vorhersage über den CO2-Ausstoß aufgrund der Verbrennung erforderlich. Das gilt insbesondere für Kraftwerke, die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften unterliegen. Der maximal mögliche CO2-Ausstoß kann unmittelbar aus der im Material enthaltenen Menge Kohlenstoff ermittelt werden, weil bei der Verbrennung eines Materials nicht mehr CO2-Moleküle gebildet werden können als C-Atome in dem Material vorhanden sind. Daher kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Kohlenstoffanteil in dem Material ermittelt und daraus der zu erwartende CO2-Ausstoß durch Berechnung bestimmt werden.In a wide variety of applications in which a material is incinerated, a prediction of the CO 2 emissions due to the combustion is required. This applies in particular to power plants that are subject to the relevant statutory provisions. The maximum possible CO 2 emissions can be determined directly from the amount of carbon contained in the material, because when a material is burned, no more CO 2 molecules can be formed than there are carbon atoms in the material. Therefore, according to the present embodiment, the carbon content in the material can be determined and from this the expected CO 2 emissions can be determined by calculation.
Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das Abzweigen gemäß Schritt B) durch eine insbesondere DIN-konforme Probenentnahme erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Schritt C) weiterhin mindestens eine der folgenden Analysen durchgeführt:
- - eine radiometrische Ascheanalyse,
- - eine Infrarot-Spektroskopie, IR, insbesondere eine Nah-Infrarot-Spektroskopie, NIR,
- - eine Radarmessung,
- - eine Volumenstrommessung,
- - eine Ultraschallmessung,
- - eine optische Analyse,
- - eine Analyse mittels Gammastrahlenrückstreuung und -absorption,
- - eine Röntgen-Fluoreszenz-Analyse, RFA,
- - eine Massebestimmung.
According to a further preferred embodiment of the method, at least one of the following analyzes is also carried out in step C):
- - a radiometric ash analysis,
- - an infrared spectroscopy, IR, in particular a near-infrared spectroscopy, NIR,
- - a radar measurement,
- - a volume flow measurement,
- - an ultrasonic measurement,
- - an optical analysis,
- - an analysis using gamma-ray backscattering and absorption,
- - an X-ray fluorescence analysis, XRF,
- - a mass determination.
Diese Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausführungsform für beide beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials. This embodiment is a preferred embodiment for both of the methods described for determining the elemental composition of the material.
Durch die Verknüpfung mit radiometrischen Ascheanalysatoren können ausgewählte Komponenten separat erfasst und zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch die Verknüpfung mit IR, insbesondere NIR, können ausgewählte Komponenten separat erfasst werden und ebenfalls zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch die Verknüpfung mit RFA können Elemente, die mittels RFA präziser erkannt werden können, separat erfasst werden. Insbesondere durch Korrelation mit den übrigen Messergebnissen kann dies ebenfalls zur Erhöhung der Messgenauigkeit beitragen. Durch Verknüpfung mit Radarmessungen kann das Volumen des Materials bestimmt werden. Vorzugsweise wird mittels einer Waage zudem die Masse des Materials gemessen, so dass aus Volumen und Masse des Materials eine Schüttdichte des Materials bestimmt werden kann. Als optische Analyse kommt insbesondere eine Erfassung des Materials mittels einer Kamera in Betracht.Through the connection with radiometric ash analyzers, selected components can be recorded separately and contribute to increasing the measurement accuracy. By linking with IR, in particular NIR, selected components can be recorded separately and also contribute to increasing the measurement accuracy. By linking with RFA, elements that can be recognized more precisely using RFA can be recorded separately. In particular through correlation with the other measurement results, this can also contribute to increasing the measurement accuracy. The volume of the material can be determined by linking it to radar measurements. Preferably, the mass of the material is also measured by means of a balance, so that a bulk density of the material can be determined from the volume and mass of the material. In particular, recording the material by means of a camera is considered as an optical analysis.
Weiterhin kann bei dem Verfahren mittels GPS und/oder über das 5G-Mobilfunknetz eine Position der Messung bestimmt werden. Das 5G-Mobilfunknetz eignet sich insbesondere im Zusammenhang mit einem autonom fahrenden Fahrzeug. Sofern mehrere Analysen an verschiedenen Orten durchgeführt werden, können die einzelnen Messergebnisse ortsabhängig ausgewertet werden.Furthermore, a position of the measurement can be determined in the method by means of GPS and / or via the 5G mobile radio network. The 5G cellular network is particularly suitable in connection with an autonomously driving vehicle. If several analyzes are carried out at different locations, the individual measurement results can be evaluated depending on the location.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
- - einen Sammelbehälter für das Material,
- - eine Abzweigeeinrichtung zum Abzweigen eines Teils von in den, durch den und/oder aus dem Sammelbehälter geförderten Materials,
- - eine LIBS-Einrichtung zur Analyse einer Oberfläche von mit der Abzweigeeinrichtung abgezweigtem Material mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS.
- - a collecting container for the material,
- a branching device for branching off part of the material conveyed into, through and / or out of the collecting container,
- a LIBS device for analyzing a surface of material branched off with the branching device by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS.
Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale der weiter oben beschriebenen Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials und der beiden beschriebenen Verfahren zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials sind auf die vorliegend beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Elementzusammensetzung des Materials anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Insbesondere ist die vorliegend beschriebene Vorrichtung vorzugsweise zur Durchführung des zweiten der zuvor beschriebenen Verfahren eingerichtet. Insbesondere wird das zweite der zuvor beschriebenen Verfahren vorzugsweise mit der vorliegend beschriebenen Vorrichtung ausgeführt.The described special advantages and design features of the device described above for determining the elemental composition of the material and the two described methods for determining the elemental composition of the material can be applied and transferred to the device described herein for determining the elemental composition of the material, and vice versa. In particular, the device described here is preferably set up to carry out the second of the previously described methods. In particular, the second of the methods described above is preferably carried out with the device described here.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen:
-
1 : einen schematischen Ablauf eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials, -
2 : eine schematische Seitenansicht einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäßdem Verfahren aus 1 , -
3 : eine schematische Seitenansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäßdem Verfahren aus 1 , -
4 : eine schematische Seitenansicht einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäßdem Verfahren aus 1 , -
5 : einen schematischen Ablauf eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials, und -
6 : eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln einer Elementzusammensetzung eines Materials gemäßdem Verfahren aus 5 .
-
1 : a schematic sequence of a first method according to the invention for determining an elemental composition of a material, -
2 : a schematic side view of a first device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method of FIG1 , -
3 : a schematic side view of a second device according to the invention for determining an element composition of a material according to the method from FIG1 , -
4th : a schematic side view of a third device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method of FIG1 , -
5 : a schematic sequence of a second method according to the invention for determining an elemental composition of a material, and -
6th : a schematic side view of a device according to the invention for determining an elemental composition of a material according to the method of FIG5 .
- a) Fördern des
Materials 2 in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbehälter3 , der als ein an einem Fahrzeug montierter Trichter8 ausgebildet sein kann, - b) Ermitteln der Elementzusammensetzung des gemäß Schritt a)
geförderten Materials 2 mittels Prompter-Gamma-Neutronen-Aktivierungs-Analyse, PGNAA, und/oder Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, wobei diese vorzugsweise berührungslos während des Förderns gemäß Schritt a) erfolgt. Dabei wird vorzugsweise weiterhin eine Analyse einer Oberfläche desMaterials 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, durchgeführt, wobei die dabei gewonnenen Ergebnisse bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung desMaterials 2 berücksichtigt werden. Auch wird vorzugsweise weiterhin eine Feuchtigkeit desMaterials 2 ermittelt und bei der Ermittlung der Elementzusammensetzung desMaterials 2 berücksichtigt.
- a) Conveying the
material 2 into, through and / or from a collecting container3 used as a funnel mounted on a vehicle8th can be trained - b) Determining the elemental composition of the material conveyed in accordance with step a)
2 by means of Prompter Gamma Neutron Activation Analysis, PGNAA, and / or Pulsed Fast Neutron Activation Analysis, PFTNA, this preferably taking place without contact during conveying according to step a). An analysis of a surface of the material is preferably also carried out2 carried out by means of laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, with the results obtained in the determination of the elemental composition of thematerial 2 be taken into account. Moisture of the material is also preferred2 determined and when determining the elemental composition of thematerial 2 considered.
Der Trichter
Die obere der beiden Neutronenquellen
Weiterhin weist der Trichter
Weiterhin weist die Vorrichtung
- A) Fördern des
Materials 2 in einen, durch einen und/oder aus einem Sammelbehälter3 , - B) Abzweigen eines Teils des gemäß Schritt A)
geförderten Materials 2 , - C) Ermitteln der Elementzusammensetzung des
Materials 2 durch Analyse des gemäß Schritt B) abgezweigten Teil desMaterials 2 mittels Laser induced Breakdown Spectroscopy, LIBS, wobei ein Kohlenstoff-Gehalt desMaterials 2 bestimmt werden kann, und wobei aus dem bestimmten Kohlenstoff-Gehalt eine bei Verbrennung desMaterials 2 freigesetzte Menge CO2 bestimmt werden kann.
- A) Conveying the
material 2 into, through and / or from a collecting container3 , - B) branching off part of the material conveyed according to step A)
2 , - C) Determining the elemental composition of the
material 2 by analyzing the part of the material branched off according to step B)2 using laser induced breakdown spectroscopy, LIBS, with a carbon content of thematerial 2 can be determined, and from the determined carbon content a upon combustion of thematerial 2 The amount of CO 2 released can be determined.
Mit den beschriebenen Vorrichtungen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Materialmaterial
- 33
- SammelbehälterCollection container
- 44th
- NeutronenquelleNeutron source
- 55
- StrahlungsdetektorRadiation detector
- 66th
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 77th
- SeitenwandSide wall
- 88th
- Trichterfunnel
- 99
- kegelförmiger Abschnittconical section
- 1010
- AuslassrohrOutlet pipe
- 1111
- VerteilelementDistribution element
- 1212
- LIBS-EinrichtungLIBS facility
- 1313
- Einlassinlet
- 1414th
- AuslassOutlet
- 1515th
- Vorrichtungcontraption
- 1616
- AbzweigeeinrichtungBranching device
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- TeleskoparmTelescopic arm
- 1818th
- FörderbandConveyor belt
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