Устройство для бесконтактного измерения уровня расплава в кристаллизаторе

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 В 22 D 11/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4885728/02 (22) 27.11.90 (46) 30.09.92. Бюл. N 36 (71) Всесоюзный институт легких сплавов и

Институт проблем управления (72) Б.В, Лункин, А,И, Канарев, В,Я. Фатеев, В.И. Мишенин и В.И. Стрельцов (56) Викторов В,А, и др. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин, М.: Наука, 1978, с, 93, 94, 244 — 246. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО

ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ РАСПЛАВА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ (57) Изобретение относится к измерению уровня вещества и может быть использовано в системах управления процессом непрерывного литья жидких металлов. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения, обусловленной наличием шлака на поверхности жидкого металла и повышение помехоустойчивости устройства для измерения уровня расплава в кристаллизаторе. Поставленная цель достигается

Изобретение относится к области измерения уровня материала и может быть использовано в системах управления процессом непрерывного литья жидких металлов.

Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения, обусловленной наличием шлака на поверхности жидкого металла и повышение помехоустойчивости.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема усттем, что в устройстве для измерения уровня расплава в кристаллизаторе, содержащем последовательно соединенный триггер, интегратор, генератор йерестраиваемой частоты, чувствительный элемент, амплитудный детектор, усилитель, чувствительный элемент выполнен в виде П-образного стержня, средняя часть которого расположена параллельно поверхйости расплава in ñîñ1àâëÿåò половину от всей длины стержня; концы которого электрически изолированы от кристаллйзатора, а боковые участки помещены в металлический экран. При этом для повышения помехоустойчивости в устройство между усилителем и триггером"включены последовательно соединенные пиковый детектор и первый компаратор, второй вход которого сбединен с вьаоДом"усйлйтеля,-а выход со входом сброса пикового детектора, и в цепь обратной связи с выходом усилителя на установочный вход и на вход сброса триггера включейы, соответственно, второй и третий компаратор. 4 ил, ройства; на фиг. 2 — временные диаграммы его работы; на фиг, 3 — эскиз чувствительного элемента датчйка; на фиг,4- экспериментальные характеристики датчика, полученные при испытаниях датчика.на макете кристаллизатора и штатном крйсталлизаторе.

Устройство содержит чувствительный элемент 1 в виде П-образйого стержня, вход которого через элемент связи 2 и кабель 3 пофйючен" к в@ходу"элекТрйческй перестраиваемого генератора 4 электромагнитных

1764795

55 колебаний, а выход- через элемент связи 5, аналогичный элементу связи 2 и кабель с последовательно соединенными амплитудным детектором 7, усилителем 8, пиковым детектором 9, первым компаратором 10, входом Т RST-триггера 11, интегратором 12, генератором 4. Выход компаратора 10 соединен также со входом сброса пикового детектора 9. Выход интегратора 12 соединен с инвертирующим входом второго компаратора 13 и c неинвертирующим входом второго компаратора 13 и с неинвертирующим входом третьего компаратора 14. Другие входы компараторов 13 и 14 соединены, соответственно с источниками напряжения 15

01 и Uz. Выход компаратора 13 соединен с входом S триггера 11, а выход компаратора

14 — co входом R триггера 11. К выходу генератора 4 подключен частотомер 16.

Устройство может работать в одном из двух режимов — поиска или слежения.

Режим поиска является вспомогательным и осуществляется при подключении устройства к источнику питания, либо в условиях сильных помех, когда происходит срыв режима слежения.

Работа устройства в режиме поиска.

При включении напряжения питания на выходе триггера 11 появляется определенный сигнал, допустим "0". Этот триггер имеет счетный вход Т и два установочных входа

R u S (RST-триггер). Порядок переключения данного триггера определяется следующей таблицей.

Напряжение с выхода триггера 11 поступает на интегратор 12. Если на выходе триггера 11 "нулевой" сигнал, то на входе интегратора 12 напряжение линейно спадает (фиг. 2 графики а, д).

Напряжение с входа интегратора 12 поступает на генератор 4 и перестраивает его .по частоте. В данном случае электрическая перестройка осуществляется за счет изменения емкости варикапа, включенного в колебательный контур генератора 4, под воздействием приложенного к нему напряжения 01г. Диапазон перестройки генератора 4 в соответствии с условием (1) должен перекрывать диапазон изменения резонанСной частоты чувствительного элемента 1, Для экспериментального образца этот диапазон датчика составляет 20 МГц (т.е, частота генератора 4 изменяется от минимальной частоты 40 МГц до максимальной—

60 МГц).

Резонансная частота чувствительного элемента изменяется в зависимости от положения поверхности расплава в интервале значений от 46,5 МГц (расстояние от неэкранированной части чувствительного эле5

35 мента до поверхности расплава без солевой корки X=70 мм) до 54 МГц (X=10 мм). Приведенные данные определяются конструктивными особенностями чувствительного элемента 1 и при дальнейшей модификации последнего могут претерпеть некоторые изменения.

Закон изменения частоты генератора 4 по форме практически совпадает с изменением напряжения на выходе интегратора

12 (фиг. 2, график а). При приближении частоты генератора 4f к резонансной частоте чувствительного элемента fp на выходе амплитудного детектора появляется напряжение, которое при f=fp достигает максимума и при дальнейшем увеличении f начинает спадать. Таким образом, при линейном законе модуляции частоты генератора 4 на выходе амплитудного детектора появляется колокообразный импульс напряжения по форме повторяющий амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) чувствительного элемента, являющегося резонансной системой (фиг. 26).

Напряжение U

12 продолжает нарастать (и соответственно частота f) пока не станет приблизительно равным напряжению Uz, которое подается на неинвертирующий вход компаратора 13, При 012 > Uz компаратор переключается и напряжение на его выходе принимает значение, соответствующее логическому "0" (фиг. 2, график з). Зтот "0" поступает на вход

"S" триггера 11 и переключает его в состояние "1". Напряжение на выходе интегратора

12 начинает линейно уменьшаться, а на выходе амплитудного детектора опять появляется колоколообразный импульс (фиг. 2, график б). B момент, когда наступает приблизительное равенство U>z < 0 срабатывает компаратор 14, напряжение на его выходе становится равным "0" и триггер 11 переключается в состояние "1" и вышеописанный процесс повторяется снова, Установки компараторов 13, 14 U> и Uz должны выбираться такими, чтобы обеспечить нахождение резонансной частоты чувствительного элемента 1 внутри частотного диапазона генератора 4 при всевозможных уходах частоты последнего и разбросах начальных частот чувствительных элементов при замене. В условиях линейного производства последнее особенно актуально, так как вследствие воздействия высокой температуры и arрессивных сред чувствительные элементы через несколько циклов плавки выходят из строя и требуется их замена. Указанное требование выполняется при соблюдении следующих условий:

1764795 и1 (1 — д — д Р) „ Рв! и 10 и, таким образом, вышеописанный процесс повторяется.

2 ) Рвах (1 +ОТ+ОТ ) ()

$

Р

В режиме слежения частота генератора

4 колеблется в узком диапазоне около резоде я — Kp N3HB модуляционнои характери 5 нансной частоты чУвствительного элемента стики генератора 4 перестраиваемой часто- тр ПосколькУ эти колебания симметРичны ты; относительно f>, то среднее значение частоРвах, fpmin — максимальная и минималь- ты генеРатоРа 41сР=1Р ная резонансные частоты чувствительного Усреднение f производится в частотоэлемента 1, соответствующие крайним 10 мере 16, если выбРать вРемя измерения чазначениям измеряемого уровня; стоты t<>M значительно большим чем период

Д f Д р — относительная нестабиль- модулЯции 2. На пРактике это Условие ностьчастоты генератора и резонансной ча- достаточно легко выполняется поскольстоты чувствительного элемента. ку Š— О, 1 -0,5 мс, а виэм 1 с и погрешность

Рассмотренный режим поиска продол- 15 усРеднения, обУсловленная конечным знажается до тех пор, пока не произойдет за- чением тизл длЯ р еде ных данных не хвата резонансной частоты, после чего устройство переходит в режим слежения. При испытаниях устройства использоРабота устройства в режиме слежения. валсЯ частотомеР типа ЧЗ-32 градУированПри наличии импульса на выходе амп- 20 ный в единицах УРовнЯ металла в литудного детектора 7 возникает режим КРисталлизатоРе. слежения. В этом случае указанный им- Если при воздействии помехи произойпульс, усиленный в усилителе 8, поступает дет СРыв СлежениЯ, то Устройство переходит на вход пикового детектора g и на неинвер- в Режим поиска и Работает в этом Режиме, тирующий вход компаратора 10. Пиковый 25 пока не произойДет захват Резонансной детектор запоминает неинвертирующий вход компаратора 10. Пиковый детектор за- Повышение помехоустойчивости устпоминает максимальное значение посту- РОйства в значительной cTefleHM способстпившего на его вход импульса и поэтому, вует также введение в него пикового когда напряжение на выходе усилителя 8 30 детектора 9 вместо дифференциатора, и соответственно на инвертирующем вхо- Обычно использУемого в ПОДобных схемах. де компаратора 10 начинает уменьшаться, БлагодаРЯ этомУ все высокочастотные пото напряжение на инвертирующем входе мехи, которые обычно ДифференЦиатором компаратора 10 остается практически не- подчеркиваютсЯ, в данном случае Сглаживаизменным и равным амплитуде колоколо- 35 ютсЯ H не нарушают Рабо у предлагаемого образного импульса, Как только разница между напряжениями на обоих входах ком- В качестве чувствительного элемента в паратора 10 достигает порога срабатыва- предлагаемом Ус ройстве использУетсЯ Рания, то на его выходе появляется импульс зомкнутый отрезок еод ород ой д и ной (фиг. 2, график r), который поступает на счет- 40 линии (фиг. 3), кОтОрый состоит из экранироный вход T триггера 11 и переключает его в ванных боковых частей 17 и неэкранировансостояние "1". Одновременно этот же им- ной центральной части 18. ВыбоР именно пульс "стирает" значение нап ряжения, такой конструкции чувствительного элемензапомненное пиковым детектором g та обусловлен тем, что в этом случае на

Напряжение на выходе интегратора 12 45 боковыхчастЯхконцентриРУетсЯэлектриченачинает линейно спадать. Аналогично ск08 поле, а на центральной магнитное. Поизменяется и частота генератора 4, сиг- этомУ взаимодействие измеРЯемого нал которого, воздействуя на чувстви- вещества (жидкий металл+шлак) происхотельный элемент, вызывает появление диттолько с магнитным полем и в Результана выходе амплитудного детектора 7 50 те такого взаимодействиЯ изменЯетсЯ колоколообразного импульса, Пиковый РезонанснаЯ частота отРезка линии. детектор снова запоминает максималь- Под позицией 19 на фиг; 3 представлен ное значение этого импульса (относи- кристаллизатор, позици 20 — солевая кортельно нуля) и при появлении на входах компаратора 10 разности напряжений 55 Вышесказанное подтверждается изведостаточной величины последний сра- стной фоРмУлой возмущений, выведенной батывает и переключает триггер 11 в ДлЯ случаЯ ввеДениЯ в электромагнитноесостояние "0". одновременно сбрасы- поле Резонатора пРоводЯщего тела обьеваются показания пикового детектора

1764795 —,ио f Йв Йн d ч + Ep 3 Eв Eí,d v ч v Ро

W (2) где Л fp — изменение собственной частоты резонатора, в результате введения в его поле проводящего тела;

fop — собственная частота невозмущенного резонатора;

Нн, Ен начальные значения магнитного и электрического полей, соответствующие невозмущенному состоянию резонатора;

Нв, Ев — значения магнитного и электрического полей для возмущенного состояния резонатора;

15 ,ио, ео — абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, окружающей резонатор;

W — энергия, запасенная резонатором.

Непосредственно из этой формулы вид- 20 но, что введение проводящего тела в область электрического поля уменьшает резонансную частоту и увеличивает ее, если это тело вводить в область магнитного поля, Для случая измерения уровня жидкого ме- 25 талла проводящим телом является жидкий металл 21, который при изменении уровня занимает соответствующий объем V.

Для получения однозначной зависимости резонансной частоты от уровня и макси- З0 мальной крутизны этой зависимости (т.е. чувствительного датчика) необходимо проводящее тело помещать либо только в область электрического поля, либо магнитного. В первом случае, однако, воз- 85 никает также зависимость резонансной частоты и от наличия на поверхности жидкого металла 21 солевой корки 20, которая является диэлектриком, что приводит к погрешности измене ия уровня. Эту погрешность 40 можно определить из следующей формулы возмущений, полученной для диэлектрических тел:

-Pa б (,и — 1 ) Hs Нн б ч + ео f (в — 1) Eq Ен p v

v

fp W (З1 где е „и — диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, из которого состоит корка (в данном случае 50 ,и — "1,ае> 1).

Из (3) видно, что диэлектрик оказывает наибольшее влияние на резонансную частоту при помещении его в область. максимального электрического поля и не влияет в области магнитного поля.

Следовательно, чтобы исключить погрешность, обусловленную наличием на поверхности жидкого металла 21 солевой корки 20, и увеличить чувствительность датчика необходимо разделить поля и использовать для измерения только магнитное поле, что и достигается путем экранирования боковых участков отрезка линии 17 и максимального приближения неэкранированной части отрезка линии 18 к поверхности жидкого металла 21 благодаря

П-образной конфигурации этого отрезка.

Максимальная чувствительность датчика обеспечивается. когда длина центральной неэкранированной части 18 равна половине всей длины отрезка линии.

На фиг. 4 представлены экспериментальные выходные характеристики датчика, полученные при имитации солевой корки . пресной и соленой водой. Использование воды в этом качестве благодаря большой величине диэлектрической проницаемости (а =8), а также возможности варьирования в широких пределах ее производимости путем изменения солености позволяет перекрыть все возможные значения электрофизических параметров солевой корки, точное определение которых к тому же и весьма затруднительно вследствие высокой температуры и непосредственного химического состава корки при получении различных марок сплавов.

Были проведены также испытания предлагаемого датчика на штатных кристаллизаторах при литье различных спецсплавов как с солевой коркой, так и без нее. Данные испытаний с погрешностью до 1,5ь совпали с выходной характеристикой, изображенной на фиг. 4, которая может служить в качестве градуировочной кривой.

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения уровня расплава в кристаллизаторе, содержащее последовательно соединенные триггер, интегратор, генератор перестраиваемой частоты, чувствительный элемент, выполненный в виде отрезка длинной линии, амплитудный детектор, усилитель и частотомер, подсоединенный к выходу генератора, при этом выход генератора и вход амплитудного детектора подсоединены к чувствительному элементу посредством кабеля через элементы связи, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения, обусловленной наличием шлака на поверхности жидкого металла, и повышения помехоустойчивости, оно снабжено тремя компараторами и пиковым детектором, причем вход пикового детектора подсоединен к выходу усилителя и к одному из входов первого компаратора, а выход пикового детектора соединен с другим входом первого компаратора, вход кото1764795

10 рого присоединен к входу сброса пикового детектора и счетному входу триггера, инвертирующий вход второго компаратора и неинвертирующий вход третьего компаратора подсоединены к выходу интегратора, а вы- 5 ходы второго и третьего компараторов соединены соответственно с установочным входом и входом сброса триггера, при этом другие входы второго и третьего компараторов подсоединены к блоку питания, а чувствительный элемент выполнен в виде Побразного стержня, средняя часть которого расположена параллельно поверхности расплава и составляет половину всей длины стержня, концы которого электрически изолированы от кристаллизатора, а боковые части помещены в металлический экран.

1764795

1764795

Бд Л",им го 40

Фиг.4

Составитель А. Абросимов

Техред М.Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Заказ 3334 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5