Устройство для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов Российский патент 2023 года по МПК G01N33/205 G01N13/02 

Изобретение относится к технической физике, преимущественно к анализу материалов, в частности, к определению физических параметров преимущественно высокотемпературных металлических расплавов, посредством измерительной фотометрической электронно-оптической системы методом геометрии «большой капли». Это осуществляют путем дистанционного измерения геометрических характеристик силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли расплавленного образца, зафиксированной внутри нагревателя горизонтальной электропечи, посредством фотообъемометрии. Изобретение может быть использована в исследованиях, на предприятиях промышленности, при выполнении лабораторных работ в вузах.

Известно устройство для определения плотности и поверхностного натяжения образца в виде капли металлического расплава с известной массой, равной 10 - 20 граммов («большой капли»), лежащей на подложке, размещенной на конце штока в высокотемпературной зоне горизонтальной электропечи, с использованием электронно-оптической системы измерительной фотометрической установки для объемометрии. Его используют для измерения параметров эллипсоида капли, его контура (силуэта) и подложки, по горизонтальным и вертикальным координатам которых проводят масштабирование, обмер силуэта капли расплава на фотоизображении и дальнейшего вычисления объема капли - см. Филиппов С.И. и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов». Металлургия, М. 1968 г., стр. 266 - 271 - аналог. Горизонтальная установка на штоке подложки, на которой помещают каплю в зоне нагрева электропечи, чистая поверхность образца расплавленной капли, эллиптическая форма ее силуэта, его симметрия, строгая окружность в основании капли являются необходимыми условиями применения метода «большой капли».

Известно устройство определения плотности металлических расплавов с использованием капельного образца расплава известной массы, лежащего на подложке, закрепленной на одном из концов регулируемого штока в электропечи горизонтального типа, узел изменения положения подложки, расположенный вне электропечи соосный ей фотоприемник с объективом, компьютер и дисплей с изображением эллипсовидного силуэта капли образца расплава, по которому определяют объем, плотность и поверхностное натяжение капли - см. пат. РФ №2459194 - аналог.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов, содержащее основание, установленную на основании цилиндрическую электропечь горизонтального типа с вакуумной камерой и с торцевым смотровым окном, подложку для размещения изучаемого образца расплава, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого по положению штока, расположенного в вакуумной камере, и фотоприемник с первым объективом, установленный на основании вне электропечи соосно ей и соединенный с компьютером с дисплеем - прототип, пат. РФ на ПМ № 167476.

Недостатком аналогов и прототипа является то, что не обеспечивается возможность достаточного для получения качественного изображения уровня текущей регулировки фокусировки и цветопередачи, а также уменьшение помех в виде засветок фотоизображения во время эксперимента. Это происходит из-за фотометрической погрешности определения ортогональных координат x_i и y_i изображения контура силуэта капли расплава и подложки. Они возникают вследствие отклонений от ряда необходимых и достаточных условий, в частности, из-за тепловых, оптических и/или оптоэлектронных искажений фотометрической электронно-оптической системы, в том числе пары «фотоприемная матрица - объектив», а также расфокусированности, размытости контура капли. При этом существует как методическое, так и аппаратурное противоречие в требовании, с одной стороны, большого размера контролируемого изображения контура силуэта капли расплава и подложки. Но, с другой стороны, при этом увеличиваются искажения этого изображения, с увеличением расстояния от его центра до краев. Кроме того, неизбежно возрастают искажения вышеуказанного изображения с уменьшением расстояния между объективом и каплей на подложке, при этом его яркость может увеличиться. С другой стороны, увеличение этого расстояния уменьшает искажения, но и неизбежно уменьшает энергетику, прежде всего яркость изображения. Поэтому такие исследования предполагают наличие определенной квалификации и навыков у экспериментатора. Это уменьшает возможность применения данной методики в вузах, в том числе для проведения студенческих лабораторных работ. Учитывая вышеизложенное, может быть не обеспечена точность результатов по определению параметров силуэта, объема и, в итоге, плотности и поверхностного натяжения исследуемого образца металлического расплава.

Заявляемое устройство направлено на решение технической проблемы, а именно, обеспечение уменьшения фотометрических помех и искажений изображения контура капельного образца металлического расплава, в том числе фокусировки, цветопередачи, и засветок фотоизображения, обеспечение уменьшения фотометрических искажений ортогональных координат x_i и y_i, уменьшение влияния вышеуказанных искажений на результаты экспериментов, возможность текущей регулировки фокусировки и цветопередачи, а также уменьшение влияния засветок фотоизображения. Кроме того, обеспечивается уменьшение субъективности оценки хода и результатов эксперимента, это обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности определения параметров силуэта капельного образца металлического расплава, вычисления его объема, а в конечном итоге, плотности и поверхностного натяжения исследуемого расплава.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение фотометрических помех и искажений значений ортогональных координат x_i и y_i контура капельного образца металлического расплава. Таким образом, обеспечивается уменьшение влияния на результаты измерений аппаратурных параметров фото-и/или видеосъёмки, а также всего фотометрического комплекса в целом.

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

Указанная проблема решается с помощью предлагаемого устройства, а именно, устройства для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов.

Заявляется устройство для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов, содержащее основание, установленную на основании цилиндрическую электропечь горизонтального типа с вакуумной камерой и с торцевым смотровым окном, подложку для размещения изучаемого образца расплава, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого по положению штока, расположенного в вакуумной камере, и фотоприемник с первым объективом, установленный на основании вне электропечи соосно ей и соединенный с компьютером с дисплеем.

От прототипа устройство отличается тем, что оно снабжено корпусом с установленными в нем вторым объективом и сменным светофильтром, при этом корпус размещен соосно с оптической осью фотоприемника с первым объективом между этим объективом и торцевым смотровым окном электропечи, второй объектив установлен в торцевой части корпуса со стороны торцевого смотрового окна и направлен на это окно, а светофильтр расположен между вторым объективом и торцевым смотровым окном, причем на основании дополнительно установлены два регулировочных элемента с винтами, расположенными ортогонально относительно друг друга с упором в корпус и с возможностью регулировки положения корпуса со вторым объективом относительно упомянутого фотоприемника в плоскости, перпендикулярной оптической оси фотоприемника.

Кроме того, упомянутые регулировочные элементы выполнены в виде электромеханических узлов.

Кроме того, корпус выполнен в виде трубы;

Кроме того, второй объектив установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси упомянутого фотоприемника с фокусировкой изображения изучаемого образца расплава.

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 уровень изобретения.

Технические решения, обеспечивают достижение технического результата, а именно, уменьшение внешних засветок, искажений, как цветопередачи фотоизображения, так и его расфокусировки, в том числе от центра изображения к его краям. При этом возрастает яркость изображения силуэта на матрице фотоприемника. Эти решения уменьшают влияние субъективности в проведении и получении результатов эксперимента. Кроме того, они обеспечивают возможность работы менее квалифицированного персонала, например, студентов. Увеличивается возможность не прерывать эксперимент, а также получения параметров фотоизображения, необходимых и достаточных для последующего определения плотности и поверхностного натяжения исследуемого металлического расплава. Кроме того, обеспечивается возможность текущей фотометрической регулировки в ходе эксперимента, что расширяет функциональные возможности устройства.

В конечном итоге, возрастает достоверность и точность определения плотности и поверхностного натяжения изучаемого образца металлического расплава.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - блок - схема измерительного комплекса;

фиг. 2 - фотоизображение корпуса;

фиг. 3 - фото настройки изображения фокусировкой;

фиг. 4 - фото настройки изображения светофильтром.

Устройство для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов содержит измерительный комплекс - см. фиг. 1, 2, в котором размещен изучаемый капельный образец расплава фиксированной массы 1, расположенный на цилиндрической подложке 2, фотоприемник с первым объективом 3, соосный с электропечью 4, в которой размещен коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5, корпус 6 со вторым объективом 7 и светофильтром 8 в его торце, два винта 9, регулируемый шток 10 с закрепленной на одном из его концов подложкой 2, компьютер 11 с дисплеем 12, основание 13 в виде станины.

Подложка 2 выполнена в виде усеченного конуса с симметричным углублением диаметром 13 мм, из высокотемпературной керамики, например, бериллиевой ВеО. Фотоприемник с первым объективом 3 - телекамера 3372Р Sanyo, соосный с электропечью 4 коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5 выполнен из листового молибдена. Подложку 2 с изучаемым образцом фиксированной массы 1 располагают на конце регулируемого штока 10 в фокальной плоскости фотоизображения. Корпус 6 выполнен из отрезка стальной трубы, преимущественно цилиндрической, с толщиной стенки 2 - 5 мм и внутренним диаметром 50 - 80 мм. Второй объектив 7 установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси упомянутого фотоприемника с фокусировкой изображения изучаемого образца расплава и с размещением, по меньшей мере, одного сменного светофильтра 8 в торце корпуса 6, расстояние от торца корпуса 6 до кварцевого смотрового окна электропечи 4 преимущественно 200 - 400 мм, что практически устраняет тепловое влияние электропечи 4 на второй объектив 7 и/или светофильтр 8. Элементы 9 выполнены предпочтительно идентичными, например, в виде регулировочного микрометрического стального винта каждый. Винты 9 двигаются по резьбе, выполненной в основании 13 измерительного комплекса, зафиксированном на фундаменте, и расположены преимущественно под корпусом 6 ортогонально друг относительно друга, а на концы винтов опирается корпус 6 со вторым объективом 7 и светофильтром 8. Кроме того, элементы 9 могут быть выполнены в виде электромеханических блоков следящей системы, управляемых компьютером 11, например, с использованием шаговых двигателей или сельсинов. В таком случае критерием качества работы подобной следящей системы, автоматической или управляемой экспериментатором вручную, является максимально сфокусированное изображение оптимальной яркости силуэта капельного образца расплава фиксированной массы 1 и цилиндрической подложки 2, в том числе отображенное на дисплее 12. Регулируемый по положению шток 8 с внешним диаметром 20 мм выполнен из молибденовой трубы и содержит на одном из концов срез, на котором размещена подложка 2.

Определение плотности и поверхностного натяжения изучаемого капельного образца расплава фиксированной массы 1 посредством предлагаемой полезной модели осуществляют следующим образом. Подготавливают изучаемый образец фиксированной массы 1, равной 10÷20 граммов, который размещают в углублении диаметром 13 мм наверху подложки 2. Подложку 2 с изучаемым образцом фиксированной массы 1 помещают на срез конца горизонтального регулируемого по положению штока 8, который вводят в коаксиальный цилиндрический электронагреватель 5 с торца, противоположного смотровому окну электропечи 4. Регулируют положение штока 8 и таким образом - горизонтальность подложки 2, при этом наблюдают фотоизображение изучаемого образца 1 и подложки 2 на дисплее 12, полученном с помощью фотоприемника с объективом 3, соосного с высокотемпературной зоной электропечи 4. После окончания регулировки электропечь 4 закрывают, из нее откачивают воздух и закачивают гелий. Включают электропечь 4 и начинают эксперимент, при этом наблюдают на дисплее 12 все его стадии и продолжают дальнейшие операции изучения расплава посредством предлагаемой полезной модели.

Каждый эксперимент проходит в режиме нагрева металлического образца, его плавлении и дальнейшим нагревом до требуемой температуры в пошаговом режиме с шагом 30-50 градусов с фото - видео фиксацией изображения. При этом освещение образца происходит за счет свечения нагревателя и внутренних элементов электропечи 4. Это температуры от 1000°С до 1900°С. Так, подсветка образца меняется при каждой температуре сьемки. Поэтому необходимо регулировать меняющееся изображение фокусировкой - см. фиг.3 - снимок образца сплава Co - 1 %, B при температуре 1680°С, а - до фокусировки, б - после фокусировки светофильтрами, см. фиг.4 - снимок образца сплава ГМ-414 при температуре 1460°С, а - без светофильтра, б - со светофильтром, для получения наиболее четкого контура «капли» расплава.

Таким образом, использование заявляемого устройства обеспечивает уменьшение влияния фотометрических помех и искажений изображения, а также обеспечивает улучшение определения величин ортогональных координат xi и yi контура изучаемого капельного образца металлического расплава, что увеличивает точность вычисление его физических параметров, а именно, плотности и поверхностного натяжения изучаемого образца металлического расплава. Кроме того, обеспечивается возможность работы менее квалифицированного персонала, например, студентов и возрастает возможность не прерывать эксперимент.

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для определения таких физических параметров металлических расплавов, как плотность и поверхностное натяжение. Устройство содержит основание, установленную на нем цилиндрическую электропечь горизонтального типа с вакуумной камерой и с торцевым смотровым окном, подложку для размещения изучаемого образца расплава, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого по положению штока, расположенного в вакуумной камере, и фотоприемник с первым объективом, установленный на основании вне электропечи соосно ей и соединенный с компьютером с дисплеем. При этом устройство снабжено корпусом с установленными в нем вторым объективом и сменным светофильтром, который расположен между вторым объективом и торцевым смотровым окном, а на основании дополнительно установлены два регулировочных элемента для регулировки положения корпуса со вторым объективом относительно фотоприемника. Использование изобретения повышает качество и точность определения параметров исследуемых расплавов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов, содержащее основание, установленную на основании цилиндрическую электропечь горизонтального типа с вакуумной камерой и с торцевым смотровым окном, подложку для размещения изучаемого образца расплава, закрепленную на одном из концов горизонтального регулируемого по положению штока, расположенного в вакуумной камере, и фотоприемник с первым объективом, установленный на основании вне электропечи соосно ей и соединенный с компьютером с дисплеем, отличающееся тем, что оно снабжено корпусом с установленными в нем вторым объективом и сменным светофильтром, при этом корпус размещен соосно с оптической осью фотоприемника с первым объективом между этим объективом и торцевым смотровым окном электропечи, второй объектив установлен в торцевой части корпуса со стороны торцевого смотрового окна и направлен на это окно, а светофильтр расположен между вторым объективом и торцевым смотровым окном, причем на основании дополнительно установлены два регулировочных элемента с винтами, расположенными ортогонально относительно друг друга с упором в корпус и с возможностью регулировки положения корпуса со вторым объективом относительно упомянутого фотоприемника в плоскости, перпендикулярной оптической оси фотоприемника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые регулировочные элементы выполнены в виде электромеханических узлов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде трубы.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй объектив установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси упомянутого фотоприемника с фокусировкой изображения изучаемого образца расплава.