Способ бесконтактного измеренияэлектропроводности расплава металлаи устройство для его реализации

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ,К АВТОРСКОМУ С ЕТИИвСТВУ

Союз Советских

Соцналнстнческик

Рвспублнк

<>813231 (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (51)М. Кл.

G 01 H 27/02 (22).Заявлено 180679 (21) 2781003/18-25 с присоедииеиием заявки Йо

Государствеииый комитет

СССР по делам. изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 150381, Бюллетень 89 10

Дата опубликования описания 150381 (53) УДК 543. 257 (088.8) (72) Авторы изобретения

A.Â. Шкульков, Ю.Б. Петров,и Г.Д. Лубяницкий (71) Заявитель (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

РАСПЛАВА МЕТАЛЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

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 проьыш- 1О ленности, для проведения научных исследований и при проектированин установок для получения огнеупоров, высокотемпературных электроизоляторов и монокристаллов.

Известен способ бесконтактного измерения электропроводности расплавов при повышенных температурах и устройство для его реализации. В этом способе исследуемый материал помещают в кварцевую колбу, расплавляют в печи и колбу с расплавом вводят в один иэ 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 i 30 с удельной злектропроводностью расплава.

Устройство 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 мост балансируют резистивно-емкостной цепью, по изменению параметров которой определяют изменение фазового угла

ЭДС индукции )1) .

Недостатком данного устройства является низкий температурный диапазон измерений, определяемый максимальной рабочей т емпер атурой матери ал а 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

813231 образца внутрь измерительной катушки, включенной в колебательный контур высокочастотного измерительного генератора, собранного на электронной лампе. При падении образца через катушку изменяется импеданс последней, что приводит к изменению эквивалентного сопротивления колебательного контура и в сеточн и цепи электронной лампы протекает импульс тока, амплитуда которого пропорциональна удельной электропроводности образца %2j .

Недостатком этого способа является неконтролируемое изменение температуры образца во время его падения от печи до измерительной катушки. 15

При исследовании высокотемпературных расплавов это может привести к неконтролируемому переходу расплав твердая фаза, поскольку потери тепла излучением пропорциональны четвертой 26 степени температуры. Это снижает точность измерений при высоких температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ бесконтактного изме- д5 рения электропроводности расплавов и, устройство для его реализации. Данный способ заключается в нагреве шихты исследуемого материала до получения расплава в печи, которая состоит из тигля и нагревательного 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 ка- 4О тушке зависят от удельной электропроводности расплава, который индуктивно связан с катушкой. По изменению потерь судят об электропроводности расплава. 45

Устройство для измерения электропрсводности расплавов состоит из вакуумной камеры, в которой расположена печь для получения расплава, состоящая из тигля и нагревательного элемента, выполненного в виде катушки сопротивления из жаропрочной высокоомной проволоки. Устройство снабжено источником питания упомянутого нагренательного элемента, измерительным высокочастотным генератором с подключенным к нему показывающим прибором и переключателем. С помощью переключателя нагревательный элемент печи, выполненный в виде катушки, можно попеременно подключать либо к источ- Щ нику питания, либо к высокочастотному измерительному генератору. Таким образом, катушка в этом устройстве выполняет попеременно функции нагревательной катушки сопротивления и из- Я мерительной 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 $3) .

Недостатком известного способа является его низкая точность измере1ний, 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, определяемый конструкцией тигля, поскольку последний является подогреваемым и при высоких температурах (более 1700ОС ) разрушается и взаимодействует с расплавом, загрязняя его, а также то, что устройство не позволяет проводить измерения удельной электропроводности в окислительной атмосфере (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 проьыаленных плавильных устройств, как оптимальный диаметр тигля, электрические параметры плавки и др.

Цель изобретения — увеличение точности измерения удельной электропроводности расплавов.

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.

8 качестве параметра катушки используют коэффициент мощности индуктора, а его изменение 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 генератора, ни от изменения характеристик элементов генератора, поэтому использование его в качестве параметра ка5 813231 6 тушки позволяет повысить точность измерений.

Кроме того, данный способ позволяет 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 частоты расплав в холодном тигле можно получить как в инертной, так и в окислительной атмосфере, например на воздухе, при температурах до 3000оС.

Для реализации способа в устройство, содержащее печь для получения расплава, состоящую из тигля и нагревательного элемента, выполненного в виде катушки, источник питания нагревательного элемента и измерительный высокочастотный генератор с подключенным к. нему показывающим прибором, 20 введены датчики тока и напряжения, соединенные с суммарно-раэностным преобразователем, который в свою очередь через детекторы соединен с показывакщим прибором, при этом измери- тельный высокочастотный генератор выполнен за одно целое с источником питания нагревательного элемента печи.

Таким образом, в устройстве измерительный высокочастотный генератор выполнен эа одно целое с высокочастотным источником питания индукционной печи, что дает возможность одновременно проводить нагрев расплава индуктором и по изменению его параметра судить об электропроводности расплава. Это повышает точность измерений, что особенно проявляется при температурах выше 2000 С, когда потери тепла от расплава становятся зна- 40 чительными и отключение нагрева приводит к быстрому снижению температуры расплава.

Введение в устройство датчиков тока и напряжения, выключателей, сум- 45 марно-разностного формирователя, детекторов и дополнительного показывающего прибора позволяет выделить сигнал пропорциональный как электрическим потерям в индукторе (активной мощ- о ности), так и коэффициенту мощности индуктора.

Кроме того, использование индукционной печи с холодным тиглем в качестве печи для получения расплава обеспечивает расширение температурного диапазона измерений до 3000 С и позволяет проводить измерения в инертной и в окислительной атмосфере.

На фиг. 1 изображена блок-схема 49 предлагаемого устройства, на фиг. 2кривая изменения,h соЬР индуктора индукционной печи с холодным тиглем в зависимости от удельной электропроводности расплава, находящегося в 6Я холодном тигле, полученная математическим моделированием.

Устройство состоит иэ 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 б напряжения, а датчик 7 .тока связан с ним индуктивно. Выходы датчиков напряжения 6 и тока 7 подключены к входам суммарно-раэностного формирователя 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 индукто-. ром 2. Доводят температуру полученного расплава 5 до заданного значения и производят измерение коэффициента мощности индуктора 2. При этом с датчика напряжения б и с датчика тока

7 сигналы, пропорциональные напряжению индуктора 20=0„, si ((dt+9) и его току i = I inut через замкнутые выключатели 9 и 10 поступают на входы суммарно-раз ност ного формирователя 8, на выходах которого формируются сумма и разность мгновенных значений тока и напряжения:

i+0= 1+0.созе+) U aino

i -U= I -0,со5Р- j U эп Р) где i,U - мгновенные значения соответственно тока и напряжения индуктора, 1, U — амплитуды соответственно тока и напряжения индуктора; ь> — круговая частота тока источника питания, Р— фазовый угол между током и напряжением индуктора.

С выходов суммарно-разностного формирователя 8 сигналы, сумки и разности поступают на амплитудные детекторы 11 и 12, где преобразуются в сигналы йостоянного напряжения, величины которых пропорциональны соответственно

Эти сигналы поступают на показывающие приборы 13 и 14. После того, как показания прибором зафиксированы, 81З2З1 выключателем 9 отключают датчик б напряжения от входа формирователя 8, на обоих выходах которого формируются сигналы, пропорциональные току индуктора 2:(„, sivMt. Эти сигналы поступают на амплитудные детекторы 11 и 12, где преобразуются в сигналы постоянного тока, величины которых пропорциональны аъ. †.литуде тока индуктора I Эти сигналы поступ ют на показывающие 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 О мощности (соЬР ) индуктора 2 индукционной печи 3. Из полученного значения сорР вычитают значение коэффициента мощности индуктора 2 на холостом ходу (сов > )„ полученное путем анало- ЯЯ гичного измерения, но при отсутствии в холодном тигле 4 расплава 5. Для каждой конструкции печи значение

case является величиной постоянной и определяется один раз. 30

Gos@ 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

О,„созе = e

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

i U =2ч

Здесь > и Q — активная и полная (кажущаяся), мощности, поступающие в индуктор 2 индукционной печи 3.

Таким образом

1 1 4Лг Ц COS Ð

4 „, "г„

Аналогично рассчитывается значеВНе COS q

Вычисление созФ 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 по- $Q казывающие приборы цифровые), выходы которых через переключатели, работающие синхронно с выключателями 9 и 10, подсоединены к запоминающим устройствам. С запоминающих устройств сигналы суммы и разности поступают на квадраторы и далее не вычитающее устройство, выходы которого соединены со входом делительного устройства. Другой вход делительного устройства соединен с выходом перемнажающего устройства, входы которого соединены с запоминающими устройствами, где хранятся величины сигналов тока и напряжения индуктора. На выходе делительнога устройства получают значение сов, которое подают на цифровое табло или на печатающее устройство.

Изменение коэффициента мощности индуктора определяют. из формулы

Оно зависит от удельной электропроводности расплава х и эта зависимость может быть получена путем градуировочных экспериментов на расплавах с известной электропроводностью или математическим моделиров анием индукционной печи с расплавам.

Пример. Проводятся измерения удельной электрапроводнасти расплавов технического глинозема Аl2,0>) и окиси иттрия (У20Ь) на воздухе с использованием предложенного устройства. Индукционная печь имеет холодный тигель диаметрам 70 мм и одновитковый индуктор диаметром 120 мм. В холодный тигель вводят шихту исследуемого окисла, расплавляют ее индуктором, доводят температуру расплава до заданной и проводят измерение coS+ индуктора. Повышают температуру рас- плава и проводят повторные измерения соЬ Р индуктора. Определяют величины

icos+ индуктора и по кривой (фиг. 2) определяют удельную электропроводность расплавов при соответствующих температурах. При этом каждому значению ЬсоЬ Р 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 повышении. Как видно из кривой (фиг.2), полученным значениям @СОВА 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 А)20Ъ и у20Ъ имют положительный температурный коэффициент электропроводности, поэтому значения удельной электропроводнасти для них выбирают на левой ветви кривой. Результаты измерений приведены в таблице.

813231

Удельная электропроводность расплава, х.

Ом см

Расплав Температура, оС

Кривая изменения <щр

2100

0,0036 0,43

1 11

tO

1,72

Al O

2300

0,0099

0,0144

2380

2650

0,0087 1,0

0,0109 1,4 35

2700

Ч 0

По сравнению с известными данный способ бесконтактного измерения удельной электропроводности расплавов и устройство для его осуществле- ;щ ния обладают следующими преимуществами: большей точностью измерения ,удельной электропроводности расплавов, преимущественно окисных, при высоких температурах, так как не требует перемещения расплава из печи в измерительную катушку или отключения нагрева печи на время измерения;

- более широким температурным диапазоном измерений, поскольку устройст-ЗО во представляет собой индукционную печь с холодным тиглем, в которой могут быть расплавлены все наиболее тугоплавкие окислы с температурой плавления выше 2000вС, такие как HgO Зэ

Th02, ZrOg и другие; — возможностью 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, о т л и » ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, измеряют коэффициент мощности катушки.

2. Устройство для реализации способа по и. 1, содержащее тигель с расплавом, который расположен в печи, индуктор в качестве нагревательного элемента, измерительный генератор, в контур которого включена измерительная катушка, о т л и ч а ю щ е е с я 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 показывающим прибором, а катушка индуктивности выполнена в виде индуктора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Приборы для научных исследований", Р 9, 1963, с. 33-36.

2. Патент США М 3.586.966, кл. G 01 R 27/02.

3. Приборы и техника эксперимента", Р 4, 1965, с. 203-205 (прототип) Редактор И. Петрова

Составитель N. Кривенко

Техред E.Гаврилешко Корректор М. Шаро и

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 758/52 Тираж.907 Подписное

ВНИИПИ Государственного коьятета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскаа наб., д. 4/5