Устройство для бесконтактного измерения уровня расплава в кристаллизаторе Советский патент 1992 года по МПК B22D11/16 

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 с неинвертирующим входом второго компаратора 13 и с неинвертирующим входом третьего компаратора 14. Другие входы компараторов 13 и 14 соединены, соответственно с источниками напряжения 15 Ui и Ua. Выход компаратора 13 соединен с входом S триггера 11, а выход компаратора 14 - со 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 О. Этот триггер имеет счетный вход Т и два установочных входа R и 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 варикагга, включенного в колебательный контур генератора 4, под воздействием приложенного к нему напряжения Ui2. 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 элемента до поверхности расплава без солевой корки мм) до 54 МГц ( 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 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 1Н2 на выходе интегратора 12 продолжает нарастать (и соответственно частота f) пока не станет приблизительно равным напряжению U2, которое подается на неинвертирующий вход компаратора 13.

При Ui2 U2 компаратор переключается и напряжение на его выходе принимает значение, соответствующее логическому О (фиг. 2, график з). Этот О 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). В момент, когда наступает приблизительное равенство Ui2 -б Ui срабатывает компаратор 14, напряжение на его выходе становится равным О и триггер 11 переключается в состояние 1 и вышеописанный процесс повторяется снова.

Установки компараторов 13, 14 Ui и U2 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 агрессивных сред чувствительные элементы через несколько циклов плавки выходят из строя и требуется их замена. Указанное требование выполняется при соблюдении

следующих условий:

Ui (l-df- Jfp); U2 sJfe2SL(1 + ),

где S - крутизна модуляционной характеристики генератора 4 перестраиваемой частоты;

fpmax, fpmin максимальная и минималь- ная резонансные частоты чувствительного элемента 1, соответствующие крайним значениям измеряемого уровня;

д f , б fp - относительная нестабильность частоты генератора и резонансной частоты чувствительного элемента.

Рассмотренный режим поиска продолжается до тех пор, пока не произойдет захвата резонансной частоты, после чего устройство переходит в режим слежения.

Работа устройства в режиме слежения.

При наличии импульса на выходе амплитудного детектора 7 возникает режим слежения. В этом случае указанный импульс, усиленный в усилителе 8, поступает на вход пикового детектора 9 и на неинвертирующий вход компаратора 10. Пиковый детектор запоминает неинвертирующий вход компаратора 10. Пиковый детектор запоминает максимальное значение поступившего на его вход импульса и поэтому, когда напряжение на выходе усилителя 8 и соответственно на инвертирующем входе компаратора 10 начинает уменьшаться, то напряжение на инвертирующем входе компаратора 10 остается практически неизменным и равным амплитуде колоколо- образного импульса. Как только разница между напряжениями на обоих входах компаратора 10 достигает порога срабатывания, то на его выходе появляется импульс (фиг. 2, график г), который поступает на счетный вход Т триггера 11 и переключает его в состояние 1. Одновременно этот же импульс стирает значение напряжения, запомненное пиковым детектором 9. Напряжение на выходе интегратора 12 начинает линейно спадать. Аналогично изменяется и частота генератора 4, сигнал которого, воздействуя на чувствительный элемент, вызывает появление на выходе амплитудного детектора 7 колоколообразного импульса. Пиковый детектор снова Запоминает максимальное значение этого импульса (относительно нуля) и при появлении на входах компаратора 10 разности напряжений достаточной величины последний срабатывает и переключает триггер 11 в состояние О. Одновременно сбрасываются показания пикового детектора

10 и, таким образом, вышеописанный процесс повторяется.

В режиме слежения частота генератора 4 колеблется в узком диапазоне около резо5 нансной частоты чувствительного элемента fp. Поскольку эти колебания симметричны относительно fp, то среднее значение частоты генератора .

Усреднение f производится в частото10 мере 16, если выбрать время измерения частоты 1Изм значительно большим,чем период модуляции Z. На практике это условие достаточно легко выполняется поскольку Z-0,1-0,5 мс, а 1Изм 1 с и погрешность

15 усреднения, обусловленная конечным значением гизм. для приведенных данных не хуже 0,01%.

При испытаниях устройства использовался частотомер типа 43-32, градуирован20 ный в единицах уровня металла в кристаллизаторе.

Если при воздействии помехи произойдет срыв слежения, то устройство переходит в режим поиска и работает в этом режиме,

25 пока не произойдет захват резонансной частоты.

Повышение помехоустойчивости устройства в значительной степени способствует также введение в него пикового

30 детектора 9 вместо дифференциатора, обычно используемого в подобных схемах. Благодаря этому все высокочастотные помехи, которые обычно дифференциатором подчеркиваются, в данном случае сглажива35 ются и не нарушают работу предлагаемого устройства.

В качестве чувствительного элемента в предлагаемом устройстве используется разомкнутый отрезяк неоднородной длинной

40 линии (фиг. 3), который состоит из экранированных боковых частей 17 и неэкранированной центральной части 18. Выбор именно такой конструкции чувствительного элемента обусловлен тем, что в этом случае на

45 боковых частях концентрируется электрическое поле, а на центральной магнитное. Поэтому взаимодействие измеряемого вещества (жидкий металл+шлак) происходит только с магнитным полем и в результа50 те такого взаимодействия изменяется резонансная частота отрезка линии.

Под позицией 19 на фиг. 3 представлен кристаллизатор, позиция 20 - солевая корка.

55 Вышесказанное подтверждается известной формулой возмущений, выведенной для случая введения в электромагнитное поле резонатора проводящего тела объемом V.

-Цо / Нв И d v + ЕО / IB 1 d v

уу

W;

(2)

где Afp - изменение собственной частоты резонатора, в результате введения а его поле проводящего тела;

fpo - собственная частота невозмущенного резонатора;

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

We, Ев - значения магнитного и электрического полей для возмущенного состояния резонатора;

fio , ЕО - абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемость среды, окружающей резонатор;

W - энергия, запасенная резонатором.

Непосредственно из этой формулы видно, 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 металла проводящим телом является жидкий металл 21, который при изменении уровня занимает соответствующий объем V.

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

-/ /Си -1) К, v + е0 /(е -1) Б v

,хз)

fo

W

где Ј,ft - диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, из которого состоит корка (в данном случае / 1 , а е 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.

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

На фиг. 4 представлены эксперимен5 тальные выходные характеристики датчика, полученные при имитации солевой корки пресной и соленой водой. Использование воды в этом качестве благодаря большой величине диэлектрической проницаемо0 сти (), а также возможности варьирования в широких пределах ее производимое™ путем изменения солености позволяет перекрыть все возможные значения электрофизических параметров солевой корки, точное

5 определение которых к тому же и весьма затруднительно вследствие высокой температуры и непосредственного химического состава корки при получении различных марок сплавов.

0 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 1,5% совпа5 ли с выходной характеристикой, изображенной на фиг, 4, которая может служить в качестве градуировочной кривой. Формула изобретения Устройство для бесконтактного измере0 ния уровня расплава в кристаллизаторе, содержащее последовательно соединенные триггер, интегратор, генератор перестраиваемой частоты, чувствительный элемент, выполненный в виде отрезка длинной ли5 нии, амплитудный детектор, усилитель и частотомер, подсоединенный к выходу генератора, при этом выход генератора и вход амплитудного детектора подсоединены к чувствительному элементу посредст0 вом кабеля через элементы связи, отличающееся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения, обусловленной наличием шлака на поверхности жидкого металла, и повышения помехоустойчивости,

5 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 дру- гим входом первого компаратора, вход которого присоединен к входу сброса пикового детектора и счетному входу триггера, инвертирующий вход второго компаратора и неинвертирующий вход третьего компаратора подсоединены к выходу интегратора, а выходы 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 П- образного 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.

Фиг. 1

Ц2. f

Пс/Ис

Ц.

ГПУ

лс

Фиг. 2

слежение

I I

гп

f.W

Фиг.З

d 0

.«x - d 2 им (пресная вода.) а а - 1 # МИ (селеная eojtt.)