Термоэлектрическое устройство для контроля содержания примесей в металлах и сплавах

 

Изобретение предназначено для проведения экспресс-анализа содержания примесей в металлах и сплавов в ходе плавки, например, углерода в стали. Устройство содержит холодный 1 и горячий 2 электроды. Нагревательный элемент 13, установленный на электроде 2, подключен к шине питания через схему управления подачей энергии, которая построена по типу вентильного регулятора уровня передаваемой энергии. Проводники 3.1, 3.2 и 4 соединены между собой в дифференциальную термопару, стан которой установлен на электродах, а свободные выводы соединены через усилитель 5, АЦП7 с входом "Делитель" делительного устройства 10. Входы усилителя 6 соединены с электродом 1 и с выводом термопары, образованным проводником 3.2. Выход усилителя 6 подан через АЦП8 на вход "Делимое" делителя 10. При введении пробы (скрапины 20) в контакт с электродами 1, 2 на соответствующие входы делителя 10 поступают преобразованные в каналах 6 - 8 и 5 - 7 сигналы, несущие информацию о ТЭДС, развиваемой образцом 20 - Е20, и о ТЭДС, формируемой дифференциальной термопарой E^т_Δt. Получаемый на выходе делителя сигнал Е₂₀/ для выражения результата в процентах умножается на коэффициент K₂, в умножителе 10 и после преобразования в нелинейном преобразователе II отражает зависимость [c] = .

Содержание углерода [c] выводится на экран индикатора 12. В промежутках между измерениями на экране индикатора фиксируется контрольное значение ТЭДС, формируемое целью эталонного проводника 18, как сигнал стабильности градуировочной характеристики устройства и температурного режима, который поддерживается регулятором 15 на заданном уровне температурного перепада E³_Δt. 1 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим методам контроля и может быть использовано в металлургической промышленности для проведения экспресс-анализа содержания примесей, например, углерода в стали по ходу плавки.

Известно термоэлектрическое устройство (авт. свид. N 1260801, кл. G01 N 25/32), содержащее холодный электрод, горячий электрод с расположенными на нем измерителем температуры и нагревателем, которые связаны с блоком контроля и поддержания температуры. К электродам подключены схемы определения наличия контакта и измерительный усилитель, коэффициент усиления которого в режиме калибровки корректируют с помощью схемы коррекции для обеспечения постоянного уровня напряжения, соответствующего калибровочному отсчету регистратора устройства. Сигналы на включение нагревателя, разрешения на работу схемы коррекции и стробирующий импульс на выборку текущего значения напряжения усилителя в запоминающее устройство формируются блоком управления по сигналам блоков контроля температуры и наличия контакта.

Такое схемное решение позволяет устранить методическую погрешность, связанную с изменением усилия прижатия электродов к объекту.

Недостаток рассмотренного устройства с позиции использования его для экспресс-контроля проб металла в ходе плавки (по месту работы агрегата) состоит в сложности измерительной части, относящейся к определению калибровочного отсчета, что неоправданно (для указанной сферы применения) усложняет процесс измерения.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому решению является термоэлектрическое устройство для определения содержания примесей в металлах и сплавах по авт. свид. N 549723, кл. G 01 N 25/32. Это устройство содержит холодный и горячий электроды, установленный на последнем нагревательный элемент, подключенный к цепи питания через схему управления подачей энергии, а также усилитель, элементы сравнения, образованные проводниками из двух разнородных металлов, и цепь эталонного проводника, включенная между электродами через резистор.

Элементы сравнения (4,5) в этом устройстве монтируются как на горячем, так и на холодном электродах и подключаются к концам реохорда, определяя диапазон измерений, а цепь эталонного проводника 6 формирует значение термоЭДС (ТЭДС), определяющее рабочую температуру горячего электрода.

Управление нагревом здесь осуществляется механическим разрывом цепи питания нагревательного элемента - при совпадении эталонного значения ТЭДС с потенциалом на реохорде электродвигатель, кинематически связанный с подвижным контактом реохорда 10 и с кулачком 12, воздействует на контактный переключатель 13 в цепи питания, размыкая контакты. А поскольку при измерении цепь эталонного проводника шунтируется образцом, связь элементов, образующих регулирующий тракт, нарушается (электродвигатель задействован в измерительном тракте), и терморегулирование прекращается на весь режим измерения.

При этом температура может изменяться в достаточно широких пределах, что создает реальную (в условиях интенсивной загруженности устройства) возможность получения недостоверной информации.

Другой недостаток известного устройства, также связанный с его конструктивными особенностями, - ограниченный ресурс работы в условиях повышенной загрязненности атмосферы металлургических цехов. Для обеспечения надежной работы требуется 2 - 3 профилактических ремонта в год.

Кроме того, наличие механических связей и элементов снижает быстродействие устройства, что, учитывая требования к состоянию пробы (скрапины) и к количеству проб, необходимых для получения результата при лимитированном (технологическим процессом) времени измерения, является существенным недостатком известного устройства.

Цель данного изобретения - устранение указанных недостатков и повышение надежности, быстродействия и увеличение ресурса работы (межремонтного периода).

Для достижения поставленной цели в известное устройство для контроля содержания примесей в металлах и сплавах, содержащее холодный и горячий электроды, установленный на последнем нагревательный элемент, подключенный к цепи питания через схему управления подачей энергии, а также усилитель, элементы сравнения, образованные проводниками из двух разнородных металлов, цепь эталонного проводника, включенного между электродами через резистор, и усилитель, заявителем внесены следующие изменения.

Введены второй усилитель, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), подключенные к выходам соответствующих усилителей и последовательно соединенные делитель, умножитель, нелинейный преобразователь и цифровой индикатор. При этом элементы сравнения соединены между собой с образованием дифференциальной термопары, спаи которой установлены соответственно на холодном и горячем электродах, первые входы усилителей объединены и соединены со свободным выводом упомянутой термопары со стороны спая, контактирующего с горячим электродом, второй вход первого усилителя соединен с другим свободным выходом термопары, а второй вход второго - с холодным электродом. Причем схема управления подачей энергопитания на нагревательный элемент выполнена по схеме вентильного регулятора уровня передаваемой энергии, вход "Регулируемая величина" которого подключен к выходу первого АЦП совместно с входом "Делитель" делителя, вход "Делимое" которого соединен с выходом второго АЦП.

Комбинация перечисленных признаков, составляющая отличия предлагаемого решения, среди известных в науке и технике, решений (доступных заявителю) не обнаружена.

На чертеже приведена блок-схема устройства для контроля содержания примесей (в конкретном примере - углерода в стали).

Устройство содержит холодный электрод 1, горячий электрод 2, элементы сравнения, образованные проводниками 3.1, 3.2 и 4 (в рассматриваемом примере в качестве элементов 3.1 и 3.2 использована ст 08КП, а проводник 4 выполнен из Pt). Рабочие спаи дифференциальной термопары установлены на электродах 1, 2. Один свободный вывод термопары 3.1-4-3.2 подсоединен к первым входам усилителей 5, 6, а второй - к второму входу усилителя 5. Второй вход усилителя 6 соединен с холодным электродом 1. Выходы усилителей 5, 6 через АЦП 7, 8 соединены с соответствующими входами делителя 9. Выход делителя 9 через умножитель 10 и преобразователь 11 (реализующий, например, функцию кусочно-линейной аппроксимации) подан на цифровой индикатор 12.

В теле горячего электрода 2 установлен нагревательный элемент 13, подключаемый к сети через трансформатор 14 напряжения. Уровень передаваемой на элемент 13 энергии регулируется посредством схемы, выполненной на импульсном ПИ-регуляторе 15, выход которого через коммутирующий элемент 16 включен в цепь управляющего электрода тиристора 17, включенного во вторичную обмотку трансформатора 14 последовательно с нагрузкой 13. Вход "Регулируемый параметр" регулятора 15 подключен к выходу АЦП 7. Между электродами включен эталонный проводник 18 с резистором 19 в разрыве цепи. Образец (скрапина) обозначен позицией 20.

Усилители 5, 6 выполняют функцию умножения входных разностных сигналов на коэффициент K1 и преобразования в токовый сигнал. Умножитель 10 предназначен для осуществления перехода от получаемой безразмерной величины к ее процентному выражению (коэффициент умножения K2 устанавливается экспериментальным путем). Преобразователь 11 выполняет роль градуировочной характеристики устройства.

Все блоки устройства реализуются на серийно выпускаемых отечественной промышленностью средствах. Вычислительные операции могут быть реализованы и на микропроцессорной технике.

Устройство работает следующим образом.

На регуляторе 15 выставлено задание E^з_Δt, определяющее оптимальный температурный режим измерения. При включении устройства в сеть с дифференциальной термопары 3.1-4-3.2 на вход усилителя 5 поступает возрастающий (по мере разогрева электрода 2) сигнал E^т_Δt, который после преобразования в блоке 5, а затем в АЦП 7 поступает на вход регулятора 15 в качестве регулируемой величины, а также на соответствующий вход делителя 9. Регулятор 15, начиная с момента достижения текущим сигналом E^т_Δt величины E^з_Δt, обеспечивает стабилизацию температурного перепада между электродами на заданном уровне, воздействуя через тиристор 16 на уровень передаваемой на элемент 13 энергии.

Одновременно с появлением E^т_Δt по каналу усилитель 6-АЦП 8 на вход "Делимое" делителя 9 поступает сигнал ТЭДС, развиваемый цепью эталонного проводника 18 (в паре с проводником 3.2) Выходной сигнал делителя 9 после масштабирования в умножителе 10 и линеаризации преобразователем 11 поступает на индикатор 12. Появление на экране индикатора цифрового значения [C]18, соответствующего содержанию углерода в выбранном эталонном проводнике 18, - здесь 0,48% C, свидетельствует о готовности устройства (с точки зрения стабильности температурного режима) к работе.

При контроле содержания углерода в пробах стали скрапина 20 вводится в контакт с электродами 1, 2. При этом цепь эталонного проводника 18 шунтируется (ее сопротивление много больше сопротивления скрапины) и в канал преобразования 6 - 8 поступает сигнал ТЭДС, развиваемый образцом 20-E₂₀. Получаемый числовой сигнал E₂₀ после деления на E^т_Δt и умножения на коэффициент пропорциональности K₂ подвергается соответствующему ограничению в нелинейном преобразователе 11 и поступает для индикации на экран прибора 12 в качестве информации о содержании углерода в металле на данный момент плавки.

Таким образом, результаты измерения после выполнения всех операций преобразования в блоках 6(5)-8(7)-9-10-11 выражаются зависимостью Значение [C] 18, фиксируемое в промежутках между измерениями содержания углерода в пробах, служит контрольным показателем стабильности градуировочной характеристики устройства, что при стабилизирующем управлении температурным режимом служит дополнительной по отношению к преимуществам принципа оценки результата как отношения линейно зависящих от температуры величин, гарантией получения достоверной информации.

Схемное решение и конструктивная проработка предлагаемого устройства позволяют более чем вдвое (по отношению к прототипу) увеличить ресурс работы и, по меньшей мере, в три раза его быстродействие.

Формула изобретения

Термоэлектрическое устройство для контроля содержания примесей в материалах и сплавах, содержащее холодный и горячий электроды, установленный на последнем нагревательный элемент, подключенный к цепи питания через схему управления подачей энергии, а также усилитель, элементы сравнения, образованные проводниками из двух разнородных материалов, цепь эталонного проводника, включенную между электродами через резистор и усилитель, отличающееся тем, что в него введены второй усилитель, первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП), подключенные к выходам соответствующих усилителей, и последовательно соединенные делитель, умножитель, нелинейный преобразователь и цифровой индикатор, при этом элементы сравнения соединены между собой с образованием дифференциальной термопары, спаи которой установлены соответственно на холодном и горячем электродах, первые входы усилителей объединены и соединены со свободным выводом упомянутой термопары со стороны спая, контактирующего с горячим электродом, второй вход первого усилителя соединен с другим свободным выводом термопары, а второй вход второго - с холодным электродом, при этом схема управления подачей энергопитания на нагревательный элемент выполнена по схеме вентильного регулятора уровня передаваемой энергии, вход "Регулируемая величина" которого подключен к выходу первого АЦП совместно с входом "Делитель" делителя, вход "Делимое" которого соединен с выходом второго АЦП.

РИСУНКИ

Рисунок 1