Способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава и устройство для его реализации Российский патент 2021 года по МПК G01N9/04 

Изобретение относится к технической физике, а именно к анализу материалов, в частности, к определению физических параметров металлических расплавов методом геометрии так называемой «большой капли» образца расплава с известной массой. В конечном итоге, определяют температурную зависимость плотности и/или поверхностного натяжения эллипсовидной капли образца расплава, лежащей на керамической горизонтальной подложке, размещенной внутри цилиндрического нагревателя горизонтальной электропечи. Осуществляют это посредством фотоэлектронной объемометрии путем геометрических измерений изображения контура капли во время ее нагрева. Изобретение может быть использовано в лабораторных исследованиях, в металлургии, при выполнении лабораторных работ в вузах.

Известен способ определения плотности и/или поверхностного натяжения нагреваемого капельного образца расплава с известной массой, равной 10…40 граммов («большой капли») на основе фотоэлектронной объемометрии путем геометрических измерений эллиптического изображения контура капли во время ее нагрева. Для этого каплю размещают на горизонтальной керамической подложке и фиксируют на штоке в камере горизонтального типа в высокотемпературной зоне электропечи. Фотометрическую объемометрию осуществляют посредством фото-и/или видеосьемки путем измерения термозависимых геометрических характеристик эллиптического изображения контура x_i(T_i) и y_i(T_i) капли. Измеряют экваториальные и полярные ортогональные координаты x_i^m и y_i^m этого изображения, определяют на их основе по известным формулам и таблицам объем капли и затем физические параметры в виде плотности и/или поверхностного натяжения образца расплава - см. Филиппов С. И. и др. «Физико - химические методы исследования металлургических процессов», Металлургия, М.1968 г., стр. 266…271, рис. 114, 116 - аналог. Погрешность данного способа составляет 3…5 %. При этом необходимыми и достаточными являются следующие условия. Во первых, объемная симметрия эллиптической капли, горизонтальность установки подложки, на которой помещают эту каплю в зоне нагрева электропечи, строгая окружность в основании капли. Во вторых, минимизация размытости контура, оптических и/или фотометрических оптоэлектронных искажений изображения, в том числе из-за объектива, фотоприемной матрицы и их совместных характеристик. В третьих, отсутствие влияния параметров дисплейных форматов отображения, например 4/3, 16/9, 16/10.

Прототипом предлагаемого технического является способ, в котором используют электронно-оптическую систему измерительной фотометрической установки и осуществляют фотометрию контура изображения капельного образца известной массы, размещаемого на керамической подложке, которую фиксируют горизонтально внутри нагревателя горизонтальной электропечи, включают измерительную установку, осуществляют вакуумирование, включают нагрев электропечи, проводят эксперимент, в ходе которого наблюдают на дисплее контур изображения расплавляемого образца, при этом определяют ортогональные координаты этого изображения x_i(T_i) и y_i(T_i) для каждой заданной температуры T_i, величины x_i(T_i) и y_i(T_i) вводят в формулы расчета физических параметров капельного образца, после чего рассчитывают эти параметры - см. пат. РФ № 2459194.

Способ реализуют посредством устройства, содержащего горизонтальную электропечь, фотометрическую измерительную установку, керамическую подложку, горизонтально зафиксированную внутри нагревателя вышеуказанной электропечи параметры – см. вышеуказанный пат. РФ № 2459194.

Недостатком аналога и прототипа является то, что они не обеспечивают точность измерения ортогональных координат x_i^m и y_i^m изображения контура капельного образца металлического расплава из-за фотометрической погрешности определения этих координат вследствие отклонений от вышеуказанных необходимых и достаточных условий, в частности, вследствие оптических и/или оптоэлектронных искажений фотометрической электронно-оптической системы. В конечном итоге, погрешность измерения ортогональных координат x_i^m и y_i^m изображения контура уменьшает точность вычисления физических параметров, а именно, плотности и/или поверхностного натяжения образца металлического расплава.

Заявляемое изобретение направлено на решение технической проблемы, а именно, обеспечение учета фотометрических искажений ортогональных координат x_i и y_i контура капельного образца металлического расплава, уменьшение влияния этих искажений на результаты экспериментов, а в конечном итоге, обеспечение более высокой точности определения физических параметров капельного образца металлического расплава.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение фотометрических искажений ортогональных координат x_i и y_i контура капельного образца металлического расплава. Таким образом, уменьшено влияние на результаты измерений параметров фото-и/или видеосьемки и фотометрического комплекса, а также разных форматов изображения на дисплее.

В конечном итоге, обеспечивается точность определения физических параметров капельного образца металлического расплава.

При осуществлении заявляемого способа и устройства для его реализации решается проблема отсутствия способа и устройства данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации способа и устройства.

Указанная проблема решается с помощью предлагаемого изобретения, а именно, способа определения физических параметров капельного образца металлического расплава и устройства для его реализации.

Заявляется способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава, в котором используют электронно-оптическую систему измерительной фотометрической установки и осуществляют фотометрию контура изображения капельного образца известной массы, размещаемого на керамической подложке, которую фиксируют горизонтально внутри нагревателя горизонтальной электропечи, включают измерительную установку, осуществляют вакуумирование, включают нагрев электропечи, проводят эксперимент, в ходе которого наблюдают на дисплее контур изображения расплавляемого образца, по которому определяют объем и плотность капли.

От прототипа способ отличается тем, что перед загрузкой этого образца, до вакуумирования и включения нагрева электропечи, на указанную керамическую подложку временно помещают симметричный элемент, которому заранее придают свойство равенства по величине ортогональных координат x_i и y_i, осуществляют фотометрию контура изображения данного элемента, измеряют его ортогональные координаты x_i^m и y_i^m и вычисляют их отношение в виде поправочного коэффициента

K_i^m = x_i^m / y_i^m, величина которого преимущественно отличается от единицы, затем этот коэффициент K_i^m используют в качестве мультипликатора в формулах для определения физических параметров, после чего вышеуказанный симметричный элемент убирают с керамической подложки, размещают на ней изучаемый образец и продолжают последующие операции способа.

Заявляется устройство для определения физических параметров капельного образца металлического расплава, содержащее горизонтальную электропечь, фотометрическую измерительную установку, керамическую подложку, горизонтально зафиксированную внутри нагревателя вышеуказанной электропечи.

От прототипа устройство отличается тем, что в него введен симметричный элемент, обладающий свойством равенства величин его ортогональных координат x_i и y_i, и возможностью его временного размещения на керамической подложке.

Кроме того, симметричный элемент выполнен объемным, например, в виде шара.

Технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности отличительных признаков, а также совокупности ограничительных и отличительных признаков, не выявлены в известном уровне техники, что при достижении вышеописанного технического результата позволяет считать предложенные технические решения имеющими изобретательский уровень.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - блок - схема устройства для реализации способа;

Фиг. 2 - схема определения ортогональных координат x_i и y_i, симметричного элемента;

Фиг. 3 – схема определения ортогональных координат x_i^m и y_i^m экспериментального образца расплава меди на подложке.

Способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава осуществляют посредством устройства для реализации этого способа, выполненного в виде горизонтальной электропечи с фотометрической измерительной установкой. Устройство содержит: симметричный элемент 1, компьютер 2, с одним из портов которого соединен фотоприемник 3 с объективом, соосный с размещенной в высокотемпературной зоне электропечи нагревательной камерой горизонтального типа 4, коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5, капельный образец расплава фиксированной массы 6, расположенный на срезе цилиндрической подложки 7, закрепленной на одном из концов регулируемого штока 8, на дисплей 9 компьютера 2 выводят изображение капельного образца расплава 6 и подложки 7. При осуществлении способа, перед проведением экспериментов на подложку 7 вместо образца расплава 6 помещают симметричный элемент 1.

Симметричный элемент 1 выполнен преимущественно в виде шара из стали, например, из подшипника, диаметром 15 мм. Компьютер 2 с дисплеем 9 – типовой ноутбук. Фотоприемник 3 с объективом выполнен в виде телекамеры, например, 3372P Sanyo, или цифрового фотоаппарата с разрешением более 1 Мп и соединен с компьютером 2 посредством стандартного USB – кабеля. Коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5 выполнен из тугоплавкого немагнитного металла, например, молибдена, и обеспечивает изотермическую зону. Подложка 7 выполнена из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой. Регулируемый шток 8 выполнен из молибдена.

Способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава осуществляют посредством вышеописанного измерительного комплекса следующим образом. Подготавливается изучаемый образец 6 известной массы. Перед началом эксперимента на подложку 7, закрепленную на конце регулируемого штока 8, помещают симметричный элемент 1 с равными по величине ортогональными координатами x_i и y_i. Включают фотометрическую измерительную установку и посредством регулировки объектива фотоприемника 3 получают на дисплее 9 компьютера 2 изображение симметричного элемента 1 с ортогональными координатами x_i(T_i) 10 и y_i(T_i) 11. Регулировкой данного объектива, например вручную, добиваются оптимальных оптических параметров изображения на дисплее 9, фиксируют положение объектива фотоприемника 3, симметричный элемент 1 убирают с подложки 7. Значение K_i^m = x_i^m / y_i^m в большинстве случаев отличается от единицы, что свидетельствует о наличии искажений измеренных величин ортогональных координат. Данное значение K_i^m принимают в качестве постоянного множителя K_i^m = const, по меньшей мере для данного эксперимента. Затем величину K_i^m вводят в качестве мультипликатора в формулы определения физических параметров, в которых используют измеренные ортогональные координаты x_i^m 12 и y_i^m 13 образца. Затем продолжают дальнейшие операции способа. Эксплуатация заявляемого способа и устройства для его осуществления в одной из университетских лабораторий УрФУ г. Екатеринбурга при исследованиях термозависимостей физических параметров капельных образцов металлических расплавов, а именно, плотности и поверхностного натяжения этих расплавов, подтвердила его заявляемые преимущества перед прототипом.

На фиг. 2 приведено изображение симметричного элемента 1, полученное перед одним из экспериментов. Симметричный элемент 1 выполнен в виде стального шара, имеющего равные координаты x_i(T_i) 10 и y_i(T_i) 11. Однако, измеренная посредством фотометрии контура этого элемента 1 их величина составляет по горизонтали x_i = 491 пиксель, по вертикали y_i = 518 пикселей.

Таким образом, различие между ними составляет 5,2 %, а значение постоянного множителя K_i^m = x_i^m / y_i^m = const = 0,948. Именно эта величина используется, по меньшей мере в данном эксперименте, в качестве мультипликатора в формулах последующего определения физических параметров изучаемого образца.

В последующих расчетах физических параметров обычно используют измеренные и наблюдаемые на дисплее ортогональные координаты x_i^m 12 и y_i^m 13, полученные в ходе эксперимента, например, с образцом медного сплава – см. фиг. 3. В таком случае, как выше указано, финальная погрешность определения физических параметров капельного образца металлического расплава равна (3…5) %. Например, плотность данного образца меди при одной из температур T_i = 1240 ^оС без учета множителя K_i^m дает величину 7,96 г/см³, а с его учетом дает величину 7,73 г/см3. В этом случае различие составляет 7,96/7,73 = 2,98%. Такая величина погрешности сопоставима с вышеуказанной финальной погрешностью и должна учитываться.

Для определения физических параметров капельного образца металлического расплава, сначала используют значения измеренных при эксперименте величин ортогональных координат x_i^m 12 и y_i^m 13 этого образца. Затем в одну из этих величин, например, y_i^m 13, вносят поправку в виде константы, а именно величины вышеуказанного коэффициента K_i^m = x_i^m / y_i^m, равного, например, 0,948. Таким образом, величину каждого значения координаты y_i^m 13 умножают или делят, в зависимости от заданных начальных условий вычислений, на величину этой константы, она становится равной y_i^{m корр.}13 = K_i^m × y_i^m 13. После этого величину координаты y_i^{m корр.}13 задают в качестве истинной в каждом из последующих этапов расчетов, где такая координата используется, и продолжают дальнейшие операции способа.

Таким образом, использование заявляемого изобретения обеспечивает уменьшение влияния фотометрических искажений величин ортогональных координат x_i и y_i контура капельного образца металлического расплава на вычисление физических параметров этого образца.

Изобретение относится к устройству и способу определения физических параметров металлических расплавов и может быть использовано в металлургии. Способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава включает использование электронно-оптической системы измерительной фотометрической установки и фотометрию контура изображения капельного образца известной массы, размещаемого на керамической подложке, которую фиксируют горизонтально внутри нагревателя горизонтальной электропечи, включают измерительную установку, осуществляют вакуумирование, включают нагрев электропечи, проводят эксперимент, в ходе которого наблюдают на дисплее контур изображения расплавляемого образца, по которому определяют объем и плотность капли, при этом перед загрузкой этого образца, до вакуумирования и включения нагрева электропечи, на указанную керамическую подложку временно помещают симметричный элемент, которому заранее придают свойство равенства по величине ортогональных координат x_i и y_i, осуществляют фотометрию контура изображения данного элемента, измеряют его ортогональные координаты x_i^m и y_i^m и вычисляют их отношение в виде поправочного коэффициента K_i^m = x_i^m / y_i^m, величина которого преимущественно отличается от единицы, затем этот коэффициент K_i^m используют в качестве мультипликатора в формулах для определения физических параметров, после чего вышеуказанный элемент убирают с керамической подложки, размещают на ней изучаемый образец и продолжают последующие операции способа. Техническим результатом является уменьшение влияния фотометрических искажений величин ортогональных координат x_i и y_i контура капельного образца металлического расплава при вычислении его физических параметров. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения физических параметров капельного образца металлического расплава, в котором используют электронно-оптическую систему измерительной фотометрической установки и осуществляют фотометрию контура изображения капельного образца известной массы, размещаемого на керамической подложке, которую фиксируют горизонтально внутри нагревателя горизонтальной электропечи, включают измерительную установку, осуществляют вакуумирование, включают нагрев электропечи, проводят эксперимент, в ходе которого наблюдают на дисплее контур изображения расплавляемого образца, по которому определяют объем и плотность капли, отличающийся тем, что перед загрузкой этого образца, до вакуумирования и включения нагрева электропечи, на указанную керамическую подложку временно помещают симметричный элемент, которому заранее придают свойство равенства по величине ортогональных координат x_i и y_i, осуществляют фотометрию контура изображения данного элемента, измеряют его ортогональные координаты x_i^m и y_i^m и вычисляют их отношение в виде поправочного коэффициента K_i^m = x_i^m / y_i^m, величина которого преимущественно отличается от единицы, затем этот коэффициент K_i^m используют в качестве мультипликатора в формулах для определения физических параметров, после чего вышеуказанный элемент убирают с керамической подложки, размещают на ней изучаемый образец и продолжают последующие операции способа.

2. Устройство для определения физических параметров капельного образца металлического расплава, содержащее горизонтальную электропечь, фотометрическую измерительную установку, керамическую подложку, горизонтально зафиксированную внутри нагревателя вышеуказанной электропечи, отличающееся тем, что в него введен симметричный элемент, обладающий свойством равенства величин его ортогональных координат x_i и y_i и возможностью его временного размещения на керамической подложке.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что симметричный элемент выполнен объемным, например, в виде шара.