Способ бесконтактного измеренияэлЕКТРОпРОВОдНОСТи РАСплАВА МЕТАллАи уСТРОйСТВО для ЕгО РЕАлизАции Советский патент 1981 года по МПК G01N27/02 

1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения удельной электропроводности расплавов, преимущественно окисных, например окислов иттрия, циркония, магния и др. тугоплавких окислов и их соединений, и может быть использовано -в цветной и черной металлургии, а также в электротехнической промышленности, для проведения научных исследований и при проектировании установок для получения огнеупоров, высокотемпературйых электроизоляторов и монокристаллов.

Известен способ бесконтактного измерения электропроводности расплавов при повьаиенных температурах и устройство для его реализации. В этом способе исследуемлй материал помещают в кварцевую колбу, расплавляют в печи и колбу с расплавом вводят в один из двух согласованных трансформаторов сбалансированного импедансного моста, питаемого переменным током. Баланс моста нарушается. Его заново балансируют и определяют изменение фазового угла ЭДС индукции вторичной (измерительной) обмотки согласованного трансформатора, которое связано

с удельной электропроводностью расплава.

Устройс±во содержит две трубчатые печи, в одну из которых вмонтированы трансформаторы импедансного моста. Вторая печь служит для нагрева расплава и расположена над первой. Согласованные трансформаторы питаются от .звукового генератора. Импедансный мос балансируют резистивно-емкостной цепью, по изменению параметров которой определяют изменение фазового угла ЭДС индукции 13.

Недостатком данного устройства является низкий температурный диапазон измерений, определяемый максимальной рабочей температурой материала обмоток согласованных трансформаторов, вмонтированных в печь. Кроме того, при исследовании требуется кварцевый сосуд, в котором находится расплав, что не позволяет проводить исследование окисных расплавов из-за их взаимодействия с кварцем.

Известен также способ бесконтактного измерения удельной электропроводности материалов при высоких температурах и устройство для его реализации. Способ заключается в нагреве образца в печи, сбрасывании нагретого

образца внутрь измерительной катушки , включенной в колебатепьный контур высокочастотного измерительного генератора, собранного на электронно лампе При падении образца через каxyLJKy изменяется импеданс последней, что приводит к изменению эквивалентного сопротивления колебательного онтура и в сеточной цепи электронно лампы протекает импульс тока, амплитуда которого пропорциональна удельной электропроводности образца 2 «

Недостатком этого способа является неконтролируемое изменение температуры образца во время его падения от печи до измерительной катушки. При исследовании высокотемпературных расплавов это может привести к неконтролируемому переходу расплав твердая фаза, поскольку потери тепла излучением пропорциональны четвертой степени температуры. Это снижает точность измерений при высоких температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ бесконтактного измерения электропроводности расплавов и, устройство для его реализации. способ заключается в нагреве шихты исследуемого материала до получения расплава в печи, которая состоит из тигля и назгревательного элемента, выполненного в виде катушки. После доведения расплава до заданной температуры катушку отключают от источника питания, подают на нее высокочастотное напряжение и выделяют сигнал, пропорциональный параметру катушки, причем в качестве этого параметра выбирают электрические потери. При постоянной частоте высокочастотного напряжения электрические потери в катушке зависят от удельной электропроводности расплава, который индуктивно связан с катушкой. По изменени потерь судят об электропроводности расплава

Устройство для измерения электропроводности расплавов состоит из вакуумной камеры, в которойрасположена печь для получения расплава, сотоящая из тигля и нагревательного элемента, выполненного в виде катушк сопротивления из жаропрочной высокоомной проволоки. Устройство снабжено источником питания упомянутого нагревательного элемента, измерительным высокочастотным генератором с подключенным к нему показывающим прибором и переключателем. С помощью переключателя нагревательный элемент печи, выполненный в виде катушки, можн попеременно подключать либо к источнику питайия, либо к высокочастотнощ; измерительному генератору. Таким образом, катушка в этом устройстве выполняет попеременно функции нагревательной катушки сопротивления и измерительной катушки, индуктивно связанной с расплавом. Величина напряжения на показывающем приборе пропорциональна электрическим потерям в катушке и зависит от удельной электропроводности расплава, находящегося в тигле. Поэтому по величине напряжения судят об электропроводности расплава (з .

Недостатком известного способа является его низкая точность измерений , определяемая использованием в качестве параметра катушки электрических потерь в ней, которые зависят также от изменений собственного сопротивления катушки при изменении температуры, напряжения питания высокочастотного генератора, эмиссионной способности электронных ламп и от изменения характеристик других элементов схемы, необходимостью отключать печь при измерении электропроводности расплава , что приводит к изменению его температуры в процессе измерения.

Кроме того, недостатком способа является низкий температурный диапазон измерений, определяеьий конструкцией тигля, поскольку последний является подогреваемым и при высоких температурах (более 1700°С) разрушается и взаимодействует с расплавом, загрязняя его, а также то, что устройство не позволяет проводить измерения удельной электропроводности в окислительной атьюсфере (что особенно важно при исследовании окисных расплавов) из-за взаимодействия материала тигля с кислородом, загрязнения этими окислами расплава и усиления разрушения ти гля.

Информация об электропроводности окисных расплавов необходима при определении таких характеристик промышленных плавильных устройств, как оптимальный диаметр тигля, электрические параметры плавки и др.

Цель изобретения - увеличение точности измерения удельной электропроводности расплаво,в.

Поставленная цель достигается тем что в способе бесконтактного измерения электропроводности расплавов, при котором расплав помещают в катушку индуктивности и измеряют параметры катушки, измеряют коэффициент мощности катушки.

В качестве параметра катушки используют коэффициент мощности индуктора, а его иэменение определяют как разность между коэффициентом мощности индуктора с расплавом в холодном тигле и коэффициентом мощности индуктора на холостом ходу. Коэффициент мощности индуктора не зависит ни от режима работы высокочастотного генерато а, ни от изменения характеристик элементов генератора, поэтому использование его в качестве параметра катушки позволяет повысить точность из мерений . Кроме того, данный способ позволя значительно расширить в сторону увеличения температурный диапазон измерений, так как тигель печи для получения расплава выполнен холодным, не загрязняет расплав и не разрушается под воздействием высоких температур С помощью нагрева токами высокой час тоты расплав в холодном тигле можно получить как в инертной, так ив окислительной атмосфере, например на Эоздухе, при температурах до Для реализации способа в устройст во, содержащее печь для получения ра плава, состоящую из тигля и нагревательного элемента, выполненного в ви де катушки, источник питания нагрева тельного элемента и измерительный вы сокочастотный генератор с подключенным К- нему показывающим прибором, введены датчики тока и напряжения, соединенные с суммарно-разностным преобразователем, который в свою оче редь через детекторы соединен с пока зывающим прибором, при этом измерительный высокочастотный генератор вы полнен за одно целое с источником пи тания нагревательного элемента Таким образом, в устройстве измерительный высокочастотный генератор выполнен за одно целое с высокочастотным источником питания индукционной печи, что дает возможность одновременно проводить нагрев расплава индуктором и по изменению его параме ра судить об электропроводности расплава. Это повышает точность измерений, что особенно проявляется при температурах выше , когда поте ри тепла от расплава становятся значитальными и отключение нагрева приводит к быстрому снижению температуры расплава. Введение в устройство датчиков то ка и напряжения, выключателей, суммарно-разностного формирователя, детекторов и дополнительного показываю щего прибора позволяет выделить сигнал пропорциональный как электрическим потерям в индукторе (активной МО ности), так и коэффициенту мощности индуктора. Кроме того, использование индукци онной печи с холодным тиглем в качестве печи для получения расплава обеспечивает расширение температурного диапазона измерений до 3000 и позволяет проводить измерения в инертной и в окислительной атмосфере. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 кривая изменения Л cos4 индуктора индукционной печи с холодным тиглем в зависимости от удельной электропроводности расплава, находящегося в холодном тигле, полученная математическим моделированием. Устройство состоит из источника 1 питания, выполненного за одно целое с измерительным высокочастотным генератором, к которому подключен нагревательный элемент (индуктор) 2 индукционной печи 3 с холодным тиглем 4, в котором находится расплав 5. К индуктору 2 подсоединен датчик 6 напряжения, а датчик 7 .тока связан е ним индуктивно. Выходы датчиков напряжения б и тока 7 подключены к входам суммарно-разностного форь/мрователя 8 посредством выключателей 9 и 10 соответственно. Выходы суммарно-разностного формирователя 8 подсоединены к входам амплитудных детекторов 11 и 12, выходы которых подключены к показывающим приборам 13 и 14 соответственно. Устройство работает следующим образом. В тигель 4 индукционной печи 3 вводят шихту исследуемого материала, включают источник питания (высокочастотный генератор) 1 и производят нагрев и расплавление шихты индуктором 2. Доводят температуру полученного расплава 5 до заданного значения и производят измерение коэффициента мощности индуктора 2. При этом с датчика напряжения бис датчика тока 7 сигналы, пропорциональные напряжению индуктора 2U Um sm((jjt-f-P) и его току i Im 5in( через замкнутые выключатели 9 и 10 поступают на входы суммарно-разностного формирователя 8, на выходах которого формируются сумма и разность мгновенных значений то-, ка и напряжения: i + U If + UmCOSP+j и„ 51ПФ i -и Im-UmCOSV-jUrnSin, где i,U - мгновенные значения соответственно тока и напряжения индуктора, 1, Um - амплитуды соответственно тока и напряжения индуктора;W - круговая частота тока источника питанияJ Ч - фазовый угол между током и напряжением индуктора. С выходов суммарно-разностного форирователя 8 сигналы, и разноси поступают на амплитудные детектоы 11 и 12, где преобразуются в игналы постоянного напряжения, велиины которых пропорциональны соответтвенноV ( ),5ЙУ К n -u cofe4 f . Эти сигналы поступают на показыващие приборы 13 и 14. После того, как оказания прибороь- зафиксированы.

выключателем 9 отключают датчик 6 напряжения от входа формирователя 8, на обоих выходах которого формируются сигналы, пропорциональные току индуктора 2slpnSinu t. Эти сигналы поступают на амплитудные детекторы 11 к 12, где преобразуются в сигналы постоянного тока, величины которых пропорциональны амлттитуде тока индук,тора . Эти сигналы поступают на показнвакнцие приборы 13 и 14. После того как показания прибором зафиксированы ,, выключателем 9-подключают датчик б напряжения к входу формирователя 8, а выключателем 10 отключают от его другого входа датчика 7 тока и на показывающих приборах 13 и 14 фиксируют сигнал, пропорциональный ампли,туде напряжения на индукторе 2:0, Арифметические преобразования над зафиксированными показаниями приборов .13 и 14 дают значения коэффициента мощности (co&vp ) индуктора 2 индукционной печи 3. Из полученного значения cosP вычитают значение коэффициента мощности индуктора 2 на холостом ходу ( ) , полученное аналогичного измерения, но при отсутствии в ХОЛОДНОМ тигле 4 расплава 5 Для каждой конструкции печи значение ооьФо является величиной постоянной и определяется один раз.

CosP вычисляется следующим образом.

Величины сигналов суммы и разности (1) и (2),.зафиксированные показывающими приборами 13 и 14, возводят в квадрат, вычитают друг из друга и получают величину, пропорциональную ep

Вычисляют произведение величин сигналов, пропорциональных амплитудам тока и напряжения индуктора 2, которое равно

imUrn 2 l

Здесь р и- Q активная и полная (кажущаяся), мощности, поступающие в индуктор 2 индукционной печи 3, Таким образом

cos-P- - - 4Лп,иттавР

-сэ 4

Аналогично рассчитывается значение cos (, . Вычисление cos индуктора можно также проводить при помощи вычислительной машины или специального вычислительного блока, в котором вместо показывающих приборов 13 и 14 подключают преобразователи сигнал - код (последние не используются, если показывающие приборы цифровые), выходы KOTOi jix через переключатели, работающие синхронно с выключателями 9 и 10 подсоединены к запоминающим устройствам. С эапоминакяцих устройств сигналы суммл и разности поступают на квадраторы и далее не вычитающее устройство, выходы которого соединены со входом делительного устройства. Другой вход делительного устройства соединен с выходом перемножающего устройства, входы которого соединены с запоминающими устройства14и, где хранятся величины сигналов тока и напряжения индуктора. На выходе делительного устройства получают значение которое подают на цифровое табло или на печатающее устройство.

Изменение коэффициента мощности индуктора определяют из формулы

д COS - cos - соф

Оно зависит от удельной электропроводности расплава х и эта зависимость может быть получена путем градуировочных экспериментов на расплавах с звестной электропроводностью или математическим моделированием индукционной печи с расплавом.

Пример, Проводятся измерения удельной электропроводности расплавов технического глинозема ) и окиси иттрия ) на воздухе с использованием предложенного устройства. Индукционная печь имеет холодный тигель диаметром 70 мм и одновитконый индуктор диаметром 120 мм. В холодный тигель вводят шихту исследуемого окисла, расплавляют ее индуктором, доводят температуру расплава до заданной и проводят измерение cos4 индуктора. Повышают температуру расплава и проводят повторные измерения собФ индуктора. Определяют величины индуктора и по кривой ( фиг, 2) определяют удельную электропроводность расплавов при соответствующих температурах. При этом каждому значению ДС05Ф соответствует два значения электропроводности х. Двойственность результата измерения устраняют, например, на основании зависимости электропроводности расплава ,от его температуры. Для этого проводят не менее двух измерений с изменением температуры расплава, в данном случае при ее повыщениИо Как видно из кривой (фиг,2 полученным значениям ftCOS соответствуют два ряда значений х с противоположными температурными коэффициентами-электропроводности. Из этих рядов выбирают тот, который соответствует температурному коэффициенту исследуемого расплава. Расплавы окислов, в частности расплавы и , имеют положительный температурный коэффициент электропроводности, поэтому значения электропроводности для них выбирают на левой ветви кривой. Результаты измерений приведены в таблице. По сравнению с известными данный способ бесконтактного измерения удельной электропроводности расплавов и устройство для его осуществле ния обладают следующими преимуществами:-большей точностью измерения ,у41ельной электропроводности расплавов, преимущественно окисных, при высоких температурах, так как не тр бует перемещения расплава из печи в измерительную катушку или отключени нагрева печи на время измерения; -более широким температурным ди пазоном измерений, поскольку устрой во представляет собой индукционную печь с холодным тиглем, в которой могут быть расплавлены все наиболее тугоплавкие окислы с температурой плавления вьше , такие как Нд ThO-i, ZrO и другие; - возможнос.тью проведения высокотемпературных измерений в окислительной атмосфере (на воздухе). Формула изобретения 1.Способ бесконтактного измерения электропроводности расплава металла, заключающийся в том, что расплав помещают внутрь катушки индуктивности и измеряют параметры катушки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, измеряют коэффициент мсяцкости катушки. 2.Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее тигель с расплавом, который расположен в печи, индуктор в качестве нагревательного элемента, измерительный генератор, в контур которого включена измерительная катушка, отличающееся тем, что, в устройство дополнительно введены датчики тока и напряжения, переключатель, детекторы и суммарноразностный формирователь, причем, датчики через переключатель соединены с формирователем, который в свою очередь соединен через детекторы с показывакадим прибором, а катушка индуктивности выполнена в виде индуктора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Приборы для научных исследований, № 9, 1963, с. 33-36. 2.Патент США 3.586.966, кл. G 01 R 27/02. 3. Приборы и техника эксперимента, 4, 1965, с. 203-205 (прототип).

./

0.000

0.5

S.l

ее

Ю W 0ff cfi