BR112018075845B1 - Método e dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio metálico fundido em escoamento, e, uso do dispositivo - Google Patents

Método e dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio metálico fundido em escoamento, e, uso do dispositivo Download PDF

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Abstract

A invenção se refere a um método e um dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio que escoa ao longo de um canal de fluxo, em que ondas ultrassônicas são acopladas ao meio em escoamento, que são refletidas pelo menos parcialmente nos componentes particulados e cujas porções de ondas ultrassônicas refletidas são detectadas na forma de sinais de tempo ultrassônico, nos quais a determinação quantitativa é baseada. A invenção é distinguida pelas seguintes etapas do método: acoplar as ondas ultrassônicas ao meio em escoamento de uma maneira tal que pelo menos uma porção das ondas ultrassônicas acopladas seja refletida em uma região de parede do canal de fluxo que demarca o meio de fluxo ou um refletor introduzido no canal de fluxo, por meio do qual um sinal de tempo eco ultrassônico que pode ser associado à região de parede ou o refletor é gerado; determinar pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude que estabelece um valor de limiar de amplitude para cada sinal de tempo ultrassônico detectado, levando em consideração pelo menos o sinal de tempo eco ultrassônico; detectar valores de amplitude associados aos sinais de tempo ultrassônico (...).

Description

Área técnica
[001] A invenção se refere a um método e um dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio que escoa ao longo de um canal de fluxo, em que ondas ultrassônicas são acopladas ao meio em escoamento, que são refletidas pelo menos parcialmente nos componentes particulados, e cujas porções de ondas ultrassônicas refletidas são detectadas na forma de sinais de tempo ultrassônico, nos quais a determinação quantitativa é baseada.
Técnica relacionada
[002] Especialmente nas indústrias de processamento de metal e química, é frequentemente necessário analisar quantitativamente em particular misturas de materiais heterogêneos, tais como suspensões. Exemplos são metais fundidos, que contêm contaminantes e/ou outros componentes desejáveis ou indesejáveis além de metal ou misturas de metais, por exemplo, partículas em metais fundidos que consistem em óxidos, cloretos, carbonetos, nitreto, boretos e/ou fases intermetálicas. Na indústria química, misturas de materiais heterogêneos são criadas, por exemplo, durante polimerização durante fabricação de polímeros. Em ambos os exemplos, é desejável poder fazer declarações quantitativas precisas a respeito dos componentes de uma mistura de materiais, isto é, determinar o número de partículas, concentração de partícula e/ou tamanhos de partícula, a fim de controlar, ajustar ou monitorar processos de produção.
[003] No campo de detecção de partícula com base em ultrassom, em massa em fusão de alumínio, por exemplo, o método “MetalVision” é conhecido por Kurban M., Sommerville I.D., Mountford N.D.G., Montford P.H., A ultrasonic sensor for the Continuous Online Monitoring of the Cleanliness of Liquid Aluminun, Light Metals 2005, TMS, 945-949, e é usado em lingotamento contínuo de alumínio. Neste método, ultrassom é acoplado à massa em fusão de alumínio por meio de guias de onda de aço paralelas. A falta de reprodutibilidade do resultado de medição é desvantajosa.
[004] Um método e um dispositivo para visualização individual, medição de tamanho e contagem de inclusões suspensas em uma massa em fusão de metal em um recipiente por meio de ultrassom podem ser inferidos pelos documentos EP 1 194 772 B1 e DE 600 01 951 T2. Com pelo menos um transdutor ultrassônico, ondas ultrassônicas são geradas na forma de “pulsos ultrassônicos” individuais e acopladas por meio de uma guia de onda no metal fundido que deve ser investigado, onde elas são parcialmente refletidas pelas inclusões contidas no metal fundido. As ondas ultrassônicas refletidas são detectadas por meio de um detector de onda ultrassônica e avaliadas para efeitos de contagem, bem como de medição e visualização por análise de imagem. A análise de imagem e a medição quantitativa dos sinais de eco obtidos das ondas ultrassônicas detectadas são baseadas em uma curva de calibração que foi obtida como parte de uma etapa de calibração na qual pelo menos um refletor de calibração de tamanho estável conhecido é usado. Para este propósito, o refletor de calibração é posicionado no metal fundido na área do “ponto focal” na qual as ondas ultrassônicas interagem com o metal fundido e da qual porções de ondas ultrassônicas refletidas saem e podem ser capturadas por pelo menos um detector de ultrassom. A curva de calibração cria um relacionamento funcional entre as amplitudes de sinais de eco detectados e os diâmetros das obstruções pelas quais os sinais de eco foram refletidos.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[005] O objetivo fundamental da invenção é prover um método e dispositivo e uso dos mesmos para efeito de determinação do número de partículas, a concentração de partícula e/ou tamanhos de partícula em misturas de materiais, líquidos, suspensões, particularmente massas em fusão, com um alto grau de precisão e reprodutibilidade. Pretende-se adicionalmente reduzir o esforço associado ao método e os recursos técnicos do dispositivo.
[006] O objetivo técnico na forma declarada é solucionado com um método de acordo com a reivindicação 1, um dispositivo de acordo com a reivindicação 10 e o uso do dispositivo de acordo com a reivindicação 15. Modalidades vantajosas adicionais podem ser derivadas dos recursos adicionais das reivindicações dependentes.
[007] O método de acordo com a solução definida pelos recursos do preâmbulo da Reivindicação 1 permite que as ondas ultrassônicas sejam propagadas ou acopladas diretamente no meio em escoamento, de forma que pelo menos parte das ondas ultrassônicas acopladas sejam refletidas por uma região de parede do canal de fluxo que delimita o meio em escoamento ou por um refletor posicionado dentro do canal de fluxo, e pelo qual um sinal de tempo eco ultrassônico é gerado e pode ser designado à região de parede ou ao refletor. As ondas ultrassônicas são preferivelmente acopladas a um metal fundido no qual é importante capturar componentes particulados quantitativamente. É também possível analisar qualquer mistura de materiais líquidos heterogêneos, tais como suspensões, por acoplamento em ondas ultrassônicas para permitir uma determinação quantitativa de componentes particulados.
[008] As ondas ultrassônicas são preferivelmente acopladas ao meio em escoamento com uma direção principal de propagação direcionada a um ângulo com a direção de fluxo do meio em escoamento, em que as ondas ultrassônicas que deslocam ao longo da direção principal de propagação são preferivelmente ortogonais à região de parede que delimita o canal de fluxo quando eles chegam ao mesmo e são, dessa forma, refletidas pelo mesmo apropriadamente. As porções de ondas ultrassônicas refletidas ao longo de todo o trajeto de deslocamento do ultrassom no meio em escoamento, incluindo as ondas ultrassônicas refletidas na região de parede que representa o limite traseiro das mesmas na direção principal de propagação são detectadas preferivelmente na região de ou precisamente na localização onde as ondas ultrassônicas são acopladas. Desta maneira, sinais de tempo ultrassônico são recebidos ao longo de todo o trajeto entre o local de acoplamento e a parede limite traseiro. A reflexão de ondas ultrassônicas causada pela parede limite é distinta como um sinal de tempo eco ultrassônico característico, que é usado para calcular pelo menos uma função de limiar de amplitude, que define um limiar de amplitude para cada sinal de tempo ultrassônico detectado.
[009] Quando, por exemplo, duas ou mais guias de onda são usadas, das quais pelo menos uma segunda guia de onda serve como um receptor, o local de detecção pode diferir do local de acoplamento.
[0010] Um refletor adicional tendo uma superfície de refletor lisa, preferivelmente plana, é inserido no canal de fluxo em casos em que a distância entre o local de acoplamento das ondas ultrassônicas e a região de parede que delimita o canal de fluxo é muito grande e/ou a região de parede não é adequada para refletir ondas ultrassônicas com mínima perda possível, por causa de depósitos, por exemplo.
[0011] Preferivelmente, pelo menos uma das seguintes propriedades físicas é considerada no cálculo de pelo menos uma função de limiar de amplitude: a) a distribuição do campo ultrassônico no meio em escoamento, isto é, a extensão espacial e intensidade das ondas ultrassônicas que propagam no meio em escoamento em função de sua direção, por exemplo, na forma de lóbulos primários e laterais, b) a atenuação acústica das ondas ultrassônicas no meio em escoamento, isto é, a redução específica do meio e relacionada ao meio das amplitudes de onda ultrassônica com propagação progressiva no meio em escoamento, c) as condições de acoplamento das ondas ultrassônicas no meio em escoamento, isto é, o desempenho da transformação da energia da onda ultrassônica inicial, a partir da qual ondas ultrassônicas são geradas, por exemplo, por meio de um transdutor piezoultrassônico nas ondas ultrassônicas que propagam no meio em escoamento. Desta maneira, condições de acoplamento variáveis são expressas diretamente como um sinal de tempo eco ultrassônico variável cuja influência direta na função de limiar de amplitude tem um efeito nos valores de limiar de amplitude de todos os sinais de tempo ultrassônico. Neste caso, as funções de limiar de amplitude são corrigidas para todos os sinais de tempo ultrassônico temporariamente subsequentes. Os valores de limiar de amplitude temporariamente anteriores não têm que ser corrigidos, entretanto.
[0012] Para efeitos de captura e avaliação quantitativa de componentes particulados contidos no meio em escoamento, em uma etapa adicional, todos os valores de amplitude designados a sinais de tempo ultrassônico individuais capturados que são individualmente maiores que um valor de limiar de amplitude definido para os respectivos sinais de tempo ultrassônico são capturados.
[0013] Vantajosamente, nem todos os sinais de tempo ultrassônico que são gerados pelos eventos de reflexão no meio em escoamento entre o local de acoplamento e a região de parede traseira da parede traseira são incluídos para avaliação adicional. Em vez disso, uma faixa de tempo de avaliação é definida, correspondendo a uma região de medição espacial no meio em escoamento ao longo da direção principal de propagação e pode estar localizada em qualquer ponto entre o local de acoplamento e a parede traseira que delimita o canal de fluxo. A faixa de tempo de avaliação e o volume de medição para análise associado à mesma podem ser dimensionados adequadamente dependendo dos parâmetros da investigação.
[0014] Em sua forma mais simples, a função de valor de limiar de amplitude exigida para a avaliação dos sinais de tempo ultrassônico em uma faixa de tempo de avaliação definível é uma linha reta horizontal na qual os sinais de tempo ultrassônico detectados são sobrepostos adequadamente para comparação numérica.
[0015] Os aspectos previamente descritos, tais como a distribuição do campo ultrassônico, atenuação, condições de acoplamento ou similares, podem ser considerados, de modo correspondente, na função de valor de limiar de amplitude dependendo das exigências aplicáveis à avaliação subsequente dos sinais de tempo ultrassônico.
[0016] Similarmente, o gráfico da função de valor de limiar de amplitude pode seguir um curso logarítmico ou exponencial. A atenuação acústica do meio em escoamento segue uma função exponencial com um expoente negativo, por exemplo. Desta maneira, a influência de atenuação pode ser corrigida multiplicando a função de valor de limiar de amplitude com uma função exponencial que tem um expoente positivo.
[0017] Alternativamente, ou em combinação com a correção de atenuação supramencionada, a curva da função de valor de limiar de amplitude pode ser selecionada como linear com uma inclinação positiva ou negativa. Por exemplo, começando de um oscilador circular plano, a pressão sônica diminui em aproximadamente 1/z com o aumento da distância z do local onde as ondas ultrassônicas são acopladas a um meio, isto é, o campo distante. Dessa forma, esta influência pode ser corrigida multiplicando a função de valor de limiar de amplitude com uma função com gradiente positivo.
[0018] É também possível acoplar as ondas ultrassônicas ao meio em escoamento de uma maneira focada, ou seja, as ondas ultrassônicas são focadas em um ponto focal localizado ao longo da direção principal de propagação, que é sempre na frente da região de parede que delimita o canal de fluxo na direção principal de propagação.
[0019] Em princípio, o ponto focal pode ser em qualquer posição em relação à faixa de tempo de avaliação e/ou ao volume de medição definido, isto é, ele pode ser selecionado tanto dentro quanto fora da faixa de tempo de avaliação.
[0020] Por outro lado, se o foco ultrassônico estiver dentro da faixa de tempo de avaliação, é vantajoso definir o limiar de amplitude inferior no ponto focal, que então aumentou em ambos os lados com o aumento da distância do ponto focal. Entretanto, se o foco do ultrassom estiver localizado fora da faixa de tempo de avaliação, é vantajoso que a função de limiar de amplitude tenha um gradiente positivo ou negativo.
[0021] Em geral, o gráfico da função de valor de limiar de amplitude pode assumir um curso extremamente complexo quando múltiplas variáveis influentes são consideradas. É também útil aplicar diversas diferentes funções de valor de limiar de amplitude para poder determinar distribuições de tamanho de partícula apropriadamente, por exemplo. Um número controlável de diferentes funções de valor de limiar de amplitude é tipicamente na faixa de 1 a 10.
[0022] Após capturar todos os valores de amplitude dentro da faixa de tempo de avaliação que ficam acima da função de valor de limiar de amplitude com base em seus respectivos valores, finalmente valores que descrevem o tamanho e/ou número dos componentes particulados capturados no meio em escoamento têm que ser designados a esses valores de amplitude.
[0023] Dessa forma, o número de componentes particulados capturados pode ser determinado com base no número ou frequência estatística com a qual os valores de amplitude capturada por sinal de tempo ultrassônico ficam acima de um valor de limiar de amplitude definido para cada sinal de tempo ultrassônico pela função de valor de limiar de amplitude.
[0024] Por outro lado, a informação a respeito do tamanho dos componentes particulados é baseada na soma numérica do valor de amplitude do sinal de tempo ultrassônico, isto é, a altura de pico ou tamanho da amplitude de um sinal de tempo ultrassônico descreve o respectivo tamanho de partícula. Neste contexto, deve-se notar que as alturas dos picos dos sinais de tempo ultrassônico são também dependentes das condições de acoplamento do ultrassom, e esta consideração tem que ser abordada com uma adaptação dinâmica da função de valor de limiar de amplitude.
[0025] Com base na informação obtida desta maneira, é possível determinar o número de partículas e a distribuição de tamanho de partícula relativa dos componentes particulados capturados no meio em escoamento.
[0026] Se for necessário especificar os tamanhos de partícula exatamente em valores absolutos, tabelas de referência, também denominadas “tabelas de consulta”, podem ser usadas. É também possível determinar valores de calibração ou funções de calibração em séries de teste separadas capturando sinais de tempo ultrassônico, particularmente suas amplitudes e/ou formatos de sinal, que são obtidos pela reflexão das ondas ultrassônicas em um refletor ultrassônico conhecido. Os valores de calibração ou funções de calibração obtidos desta maneira podem subsequentemente ser usados como a base para determinar pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude.
[0027] Além disso, um dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio que escoa ao longo de um canal de fluxo de acordo com os recursos do preâmbulo da Reivindicação 1 é distinguido em que, a fim de acoplar ondas ultrassônicas ao meio em escoamento, pelo menos uma seção de pelo menos uma guia de onda acoplada acusticamente a um transdutor ultrassônico é imersa no meio em escoamento, em que a guia de onda que consiste em um material de guia de onda é circundado por uma camada externa pelo menos na região da mesma que é imersa no meio em escoamento, de forma que a camada externa fique arranjada entre o outro material de guia de onda e o meio em escoamento, e a camada externa tenha uma composição de material que difere daquela do outro material de guia de onda.
[0028] A guia de onda preferivelmente tem uma ponta da guia de onda que é livre, cônica ou deliberadamente geometricamente conformada em um lado para acoplar ondas ultrassônicas focadas ao meio em escoamento. Neste contexto, pelo menos uma porção da ponta da guia de onda é circundada pela camada externa, cuja composição de material é selecionada dependendo do meio em escoamento de uma maneira tal que a composição de material dissolva mediante contato com o meio em escoamento.
[0029] A composição de material da camada externa contém pelo menos uma substância que inicia e/ou suporta a molhagem do meio em escoamento no material de guia de onda, e que não é o mesmo do meio em escoamento. Pelo menos uma substância é preferivelmente um sal de fundição.
[0030] A fim de levar o sal de fundição decisivamente para a região da ponta da guia de onda pelo menos para uso em um metal fundido, ele é circundado por um material que funde e/ou dissolve no meio de medição, tal como uma película de alumínio. O sal de fundição posto em contato com a ponta da guia de onda desloca todos os óxidos na superfície da guia de onda, dessa forma permitindo contato direto entre a guia de onda e o meio em escoamento, preferivelmente na forma de uma massa em fusão de alumínio.
[0031] Detalhes adicionais são dados na descrição seguinte com referência às modalidades seguintes.
Breve descrição da invenção
[0032] Nos desenhos: Fig. 1 mostra um dispositivo para medir componentes particulados em um meio em escoamento por meio de uma guia de onda para acoplar ondas ultrassônicas ao meio, Fig. 2 mostra o dispositivo de acordo com a Figura 1 com duas guias de onda para acoplar ondas ultrassônicas ao meio, Fig. 3 mostra o dispositivo de acordo com a Figura 2 com duas guias de onda para acoplar ondas ultrassônicas focadas ao meio, Fig. 4 é uma representação diagramática de sinais de tempo ultrassônico com função de valor de limiar de amplitude e faixa de tempo de avaliação sobrepostas, e Fig. 5 mostra o dispositivo de acordo com a Figura 1 com uma guia de onda com uma sapata de molhagem na ponta da guia de onda. Maneiras de implementar a invenção, aplicabilidade comercial
[0033] Com referência às figuras, que serão descritas no texto seguinte, é descrito um dispositivo com o qual é possível medir a concentração e/ou número e tamanho de componentes particulados em um meio em escoamento 3, por exemplo, na forma de misturas de materiais, massas em fusão, metais fundidos, tal como massa em fusão de alumínio ou líquidos com um alto grau de precisão.
[0034] Como representado na Fig. 1, ultrassom é gerado por um transdutor ultrassônico 1, que funciona como um emissor e é acoplado ao líquido a ser investigado por meio de uma guia de onda 2, um meio para acoplar o ultrassom. Considera-se que o meio em escoamento 3 escoa através do recipiente 4 ortogonalmente ao plano do desenho. Como representado na Fig. 1, o mesmo transdutor ultrassônico 1 pode também servir como o receptor do campo ultrassônico do meio em escoamento 3.
[0035] Em cada das Fig. 2 e Fig. 3, um transdutor ultrassônico adicional 7 com uma guia de onda acusticamente acoplada adicional 8 é usado, em que a guia de onda 8 acopla o transdutor ultrassônico adicional 7 acusticamente com o meio em escoamento 3. Se mais de um transdutor ultrassônico estiver presente, vários modos operacionais podem ser implementados, por exemplo, o transdutor ultrassônico 1 pode servir como o emissor e o transdutor ultrassônico 7 como o receptor, ou vice- versa, ou ambos os transdutores ultrassônicos 1, 7 podem servir como emissores e, com um deslocamento de tempo, como receptores. Os sinais ultrassônicos recebidos por pelo menos um transdutor ultrassônico 1,7 são registrados e avaliados pelos dispositivos de medição/ tecnologia de avaliação/avaliador 6. O avaliador 6 captura as reflexões ou ecos do campo ultrassônico do meio em escoamento 3 e a reflexão de um refletor ultrassônico 5 opcionalmente introduzido no meio em escoamento 3. Uma região de parede 4a do recipiente 4 que encerra pelo menos parcialmente a mistura de materiais preferivelmente serve como um refletor ultrassônico 5, delimitando as ondas ultrassônicas na direção de propagação das mesmas. O eco do refletor ultrassônico 5, 4a serve para calibrar a avaliação dos ecos do meio em escoamento 3. Pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude que é definida com base no eco do refletor ultrassônico 5, 4a é usada para avaliar os ecos do meio em escoamento 3.
[0036] Um dispositivo preferido consiste entre outros elementos em pelo menos um transdutor ultrassônico 1, a guia de onda 2 acoplada acusticamente ao transdutor ultrassônico 1, um recipiente 4 para conter ou permitir que um meio em escoamento 3, particularmente uma suspensão, passe através do mesmo, um refletor ultrassônico 5 ou 4a arranjado no meio, em que a guia de onda 2 se salienta ao interior do meio 3 e é arranjada de uma maneira tal em relação ao refletor ultrassônico 5, 4a que um campo ultrassônico formado no meio 3 tenha pelo menos um foco 13, que fica espacialmente entre o refletor ultrassônico 5, 4a, e a primeira guia de onda 2 e/ou uma guia de onda adicional 8.
[0037] Um dispositivo preferido adicional consiste entre outros elementos em pelo menos um avaliador 6 acoplado com pelo menos um transdutor ultrassônico 1, a guia de onda 2 acoplada acusticamente ao transdutor ultrassônico 1, um recipiente 4, através do qual passa um meio em escoamento 3 particularmente na forma de uma suspensão, em que a guia de onda 2 se salienta ao interior do meio 3 e é configurada para acoplar um campo ultrassônico gerado pelo transdutor ultrassônico 1 ao meio 3 e acoplar reflexões do campo ultrassônico nas superfícies limites no meio em escoamento 3 particularmente em partículas no meio 3, ao transdutor ultrassônico como sinais de tempo ultrassônico, em que o avaliador é configurado para capturar e contar energia máxima e/ou potência máxima no sinal de tempo de recepção usando um função de limite.
[0038] Um dispositivo preferido adicional consiste pelo menos em pelo menos uma guia de onda 2 acoplada acusticamente ao transdutor ultrassônico 1, que se salienta ao interior de um meio em escoamento que deve ser analisado, particularmente uma suspensão, em que pelo menos parte da guia de onda 2 tem uma camada externa 10 com uma composição de material que difere do resto do material de guia de onda, e a camada externa 10 é arranjada entre o resto do material de guia de onda e o meio em escoamento 3, vide Figura 5.
[0039] O espaço que é definido pela extremidade de pelo menos uma guia de onda 2 e o refletor ultrassônico 5, 4a serve como o volume de medição.
[0040] Um foco 13 do campo ultrassônico está preferivelmente localizado no volume de medição.
[0041] O eco criado pelo refletor ultrassônico 5, 4a é também referido como o eco da parede traseira, os dois termos são intercambiáveis.
[0042] O refletor ultrassônico 5 integrado na construção gera um eco da parede traseira no sinal ultrassônico como mostrado na Fig. 4. Isto serve como uma calibração do sinal ultrassônico, uma vez que a energia ultrassônica acoplada é representada no mesmo. A calibração se refere a uma conclusão relativa ao tamanho de partícula absoluto no qual é incluído na definição da função de valor de limiar de amplitude. O eco da parede traseira pode também ser usado para testar a função do sistema de medição, uma vez que flutuações de acoplamento no ultrassom podem ser detectadas por guias de onda no líquido e também corrigidas por meio disto.
[0043] O posicionamento do refletor ultrassônico no meio de medição é determinado pelas guias de onda usadas. Neste contexto, os arranjos seguintes são preferivelmente possíveis: a) se as guias de onda forem arranjadas em um ângulo uma em relação à outra (Fig. 3), a máxima amplitude de ultrassom é realizada pelo foco 9, que resulta do ponto de interseção entre a extensão nocional das duas guias de onda. O refletor ultrassônico é arranjado a uma distância tal da guia de onda que o foco 9 está localizada entre a guia de onda em um lado e o refletor de ultrassom no outro lado. A distância entre o foco 9 e o refletor ultrassônico é preferivelmente na faixa de 5 mm a 80 mm.
[0044] No caso em que o recipiente 4 é apenas muito raso, pode ser que o foco 9 fique mais distante do que o refletor 5, isto é, a parede do recipiente. Embora este caso não seja ideal, é ainda possível realizar uma medição.
[0045] b) Se as guias de onda 2, 8 forem arranjadas paralelas entre si (Fig. 2) ou se uma única guia de onda 2 estiver sendo usada (Fig. 1), a posição do refletor ultrassônico 5, 4a é definida pelo foco 13 do campo ultrassônico. Este foco 13 é dependente da geometria das pontas das guias de onda 2, 8, que estão localizadas no meio em escoamento 3. O refletor ultrassônico 5, isto é, a parede limite 4a do recipiente é preferivelmente arranjada a uma distância maior ou igual (13). Mesmo quando a construção é como representada na Fig. 1 e/ou Fig. 2, o foco 13 do campo ultrassônico está localizado em um espaço que é delimitado por um lado pelas pontas das guias de onda e por outro lado pelo refletor ultrassônico 5, isto é, a parede limite 4a do recipiente.
[0046] No caso em que o recipiente 4 é apenas muito raso, pode ser que o foco 9 fique mais distante do que o refletor 5, isto é, a parede do recipiente. Embora este caso não seja ideal, é ainda possível realizar uma medição.
[0047] c) dependendo do tamanho ou profundidade do recipiente 4, o foco 13 pode também ficar atrás do refletor 5 ou atrás da parede limite 4a na direção de propagação ultrassônica, mesmo fora do recipiente 4, por exemplo.
[0048] A fim de medir uma massa em fusão de alumínio como um meio em escoamento 3, uma estrutura de acordo com a Fig. 3, por exemplo, pode ser selecionada. O foco 9 corresponde aproximadamente a uma distância de 50 mm das pontas das guias de onda 2, 8. O ângulo entre as guias de onda 2,8 neste caso é igual a 8° a 30°. O refletor ultrassônico 5 ou a parede limite 4a do recipiente consiste em um aço de trabalho a quente. Neste contexto, particularmente materiais cerâmicos e/ou todos os materiais de alto ponto de fusão que dificilmente são molhados no meio em escoamento são também altamente adequados para uso, incluindo, por exemplo, SiAlON, nitreto de silício, óxido de alumínio.
[0049] As guias de onda 2,8 são preferivelmente selecionadas de maneira tal que molhagem suficiente do meio em escoamento seja produzida. As configurações de guia de onda correspondem, por exemplo, às mostradas nas Figs 1, 2, 3, 5.
[0050] Para a massa em fusão de alumínio como meio, guias de onda de titânio (grau 2) podem ser usadas. Materiais de guia de onda adequados adicionais são nitreto de silício, SiAlON, aço (aço de trabalho a quente 1018 H13 (USA) ou X40 CrMoV 5-1 e aço recozido (1.4436)). As guias de onda têm, por exemplo, 600 mm, 500 mm, 400 mm ou 300 mm de comprimento e têm diâmetros de 8 mm, 9 mm. 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm ou 14 mm.
[0051] A frequência do campo ultrassônico é preferivelmente na faixa de frequência de 2 MHz a 12 MHz. Por exemplo, para uma massa em fusão de alumínio como meio de medição, uma frequência de ultrassom de 6 MHz ou 10 MHz tem se mostrado adequada, em que uma frequência de ultrassom de cerca de 10 MHz é particularmente preferida.
[0052] A fim de avaliar o número de partículas no meio em escoamento, uma faixa de tempo de avaliação de acordo com a Fig. 4 antes do eco da parede traseira ou eco do refletor ultrassônico é selecionada. A seleção da faixa de tempo de avaliação permite que o volume de medição seja ajustado individualmente. Uma menor faixa de tempo de avaliação corresponde a um menor volume de medição.
[0053] Neste caso, a faixa de tempo de avaliação é acoplada aos campos ultrassônicos no meio muito poderosamente, em virtude de energia ultrassônica suficiente ser necessária.
[0054] Para as massas em fusão de alumínio, uma faixa de tempo de avaliação é selecionada que corresponde aproximadamente a 4 cm no meio. A extremidade da faixa de tempo de avaliação está localizada logo na frente do eco da parede traseira (Fig. 4). Uma vez que o volume de medição pode ser ajustado com esta faixa de tempo, em princípio, uma faixa de tempo consideravelmente menor e, dada energia ultrassônica suficiente, uma faixa de tempo consideravelmente maior são também possíveis.
[0055] É preferivelmente realizada a contagem do número de valores de amplitude que excedem uma dada função de valor de limiar de amplitude dentro da faixa de tempo selecionada (vide Fig. 4). O valor da contagem é proporcional à concentração de partícula, de forma que uma concentração específica de partícula pode ser calculada a partir do valor da contagem com a ajuda de uma função de calibração.
[0056] Para uma massa em fusão de alumínio, as faixas de concentração relevantes que podem também ser capturadas pelo sistema de medição são detectáveis na faixa de 100 partículas a 100.000 partículas por kg de massa em fusão de alumínio.
[0057] A função de valor de limiar de amplitude ou a seleção de múltiplas funções de valor de limiar de amplitude permitem que uma conclusão seja obtida em relação ao tamanho de partícula e/ou distribuição de tamanho de partícula, em que a altura e formato do eco da parede traseira podem ser usados para efeitos de calibração. Com este último, é também possível tirar uma conclusão a respeito do tamanho de partícula absoluto e/ou distribuição de tamanho de partícula. Caso contrário, uma conclusão qualitativa é obtida. A função de valor de limiar de amplitude pode também ser acoplada matematicamente ao eco da parede traseira para corrigir flutuações de acoplamento provenientes do meio de acoplamento e/ou de recepção ao meio em escoamento.
[0058] A função de valor de limiar de amplitude preferivelmente tem uma curva temporal constante ou, a fim de corrigir a atenuação acústica no meio de medição, por exemplo, uma curva logarítmica ou exponencial. A atenuação acústica segue, por exemplo, uma função exponencial com expoente negativo. O efeito da atenuação pode ser corrigido pela multiplicação com uma função exponencial tendo um expoente positivo.
[0059] A introdução de uma sapata de molhagem (12), vide Figura 5, permite molhagem localmente controlável da guia de onda com o meio. Em um caso desses, uma cobertura (11) que dissolve no meio em escoamento e que contém uma substância (10) que promove molhagem é colocada na ponta da guia de onda 2. Após imersão no meio 3, a sapata de molhagem (12) dissolve e a substância (10) que promove molhagem é liberada localmente. Uma opção adicional consiste em fundir a substância que promove a molhagem e mergulhar uma extremidade da guia de onda (2) (8) em uma substância líquida (10) que promove molhagem.
[0060] As substâncias que são usadas preferivelmente como a substância (10) que promove a molhagem para um metal fundido e particularmente massa em fusão de alumínio são sais de fundição convencionais (sal 1: composição aproximada: KCl (47,6 %), NaCl (45,7 %), SO4 (2,14 %), CaF2 (0,14 %); sal 2: composição aproximada: KCl (50 %), NaCl (50 %)).
[0061] Os sais podem ser colocados em uma cobertura de película de alumínio, por exemplo, que serve como a camada externa (11). A cobertura é então colocada sobre as pontas das guias de onda (vide Fig. 5) e dissolvida no líquido/metal fundido.
[0062] A cobertura pode também ser feita de um material que funde ou dissolve no líquido. Lista de sinais de referência 1 Transdutor ultrassônico 2 Guia de onda 3 Líquido, particularmente suspensão 4 Recipiente 4a Parede limite 5 Refletor ultrassônico 6 Avaliador 7 Transdutor ultrassônico adicional 8 Guia de onda 9 Foco do campo ultrassônico 10 Camada externa 11 Cobertura 12 Sapata de molhagem 13 Foco do campo ultrassônico

Claims (13)

1. Método para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio metálico fundido em escoamento (3) em um recipiente (4) incluindo uma parede, em que ondas ultrassônicas são acopladas ao meio metálico fundido em escoamento (3), que são refletidas pelo menos parcialmente nos componentes particulados e ondas ultrassônicas refletidas são detectadas na forma de sinais de tempo ultrassónico, que são usados para a determinação quantitativa, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - acoplar acusticamente as ondas ultrassônicas ao meio metálico fundido em escoamento (3) com um transdutor ultrassônico (1) incluindo uma guia de onda (2) tendo pelo menos uma parte da guia de onda imersa no meio metálico fundido em escoamento (3) com pelo menos uma porção das ondas ultrassônicas acopladas acusticamente sendo refletidas pela parede do recipiente (4) contendo o meio metálico fundido em escoamento (3) ou um refletor (5) dentro do recipiente (4) para fornecer sinais de tempo eco ultrassônicos que são atribuíveis a uma região de parede (4a) ou ao refletor (5) e são usados para fornecer uma referência de calibração, as ondas ultrassônicas sendo acopladas ao meio metálico fundido em escoamento (3) através do recipiente (4) em uma direção principal de propagação em um ângulo em relação a uma direção de fluxo do meio metálico fundido em escoamento (3), as ondas ultrassônicas fluindo no meio metálico fundido em escoamento (3) sendo focadas em um ponto focal localizado ao longo da direção principal de propagação do meio metálico fundido em escoamento (3) que está localizado antes ou depois do refletor ou a parede do recipiente (4) com as ondas ultrassônicas se propagando ao longo da direção principal de propagação colidindo ortogonalmente ou em um ângulo no recipiente (4) e são refletidas; - detectar as ondas ultrassônicas refletidas em um local de acoplamento das ondas ultrassônicas no meio metálico fundido em escoamento (3); - determinar pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude para estabelecer um valor de limiar de amplitude para os sinais de tempo ultrassônicos refletidos detectados com pelo menos um limiar de amplitude sendo baseado em pelo menos a referência de calibração; - detectar valores de amplitude associados a sinais de tempo ultrassônicos individuais que são maiores do que pelo menos um valor de limiar de amplitude para os sinais de tempo ultrassônicos refletidos; e - processar os valores de amplitude detectados para fornecer um número e tamanho dos componentes particulados.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que determinar pelo menos um valor de limiar de amplitude se relaciona a uma das seguintes propriedades físicas: - uma distribuição de campo ultrassônico no meio metálico fundido em escoamento (3); - atenuação acústica das ondas ultrassônicas no meio metálico fundido em escoamento (3); e - condições de acoplamento das ondas ultrassônicas no meio metálico fundido em escoamento (3).
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os valores de amplitude de sinais de tempo ultrassônicos refletidos individuais que são maiores que o valor de limiar de amplitude determinado são capturados dentro de uma faixa de tempo de avaliação definida, que corresponde a uma faixa de medição espacial no meio metálico fundido em escoamento (3) ao longo da direção principal de propagação e a faixa de medição espacial fica entre o local do acoplamento das ondas ultrassônicas no meio metálico fundido em escoamento (3) e a parede (4a) do recipiente (4) ou o refletor (5).
4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os valores de amplitude de sinais de tempo ultrassônicos individuais refletidos que são maiores que o valor limiar de amplitude determinado são capturados dentro de uma faixa de tempo de avaliação definida, correspondendo a uma faixa de medição espacial dentro do meio metálico fundido em escoamento (3) ao longo da direção principal de propagação e a faixa de medição espacial está localizada entre o local de acoplamento das ondas ultrassônicas no meio metálico fundido em escoamento (3) e a parede (4a) do recipiente (4) ou o refletor (5).
5. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a designação dos valores de amplitude detectados para a região de parede (4a) ou o refletor (5) com os valores sendo usados para prover uma referência de calibração para identificar componentes particulados no meio metálico fundido em escoamento (3) é com base em um número ou frequência estatística dos valores de amplitude detectados por sinal de tempo ultrassônico que estão acima de pelo menos um valor de limiar de amplitude definido para cada sinal de tempo ultrassônico pela pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude.
6. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a designação dos valores de amplitude detectados aos valores sendo usados para identificar um número de componentes particulados no meio metálico fundido em escoamento (3) é com base em um número ou uma frequência estatística dos valores de amplitude detectados por sinal de tempo ultrassônico que estão acima de pelo menos um valor de limiar de amplitude definido para cada sinal de tempo ultrassônico pela pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude.
7. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a designação dos valores de amplitude detectados à região da parede (4a) ou ao refletor (5) com os valores sendo usados para prover uma referência de calibração para identificar componentes particulados dentro do meio metálico fundido em escoamento (3) é com base em um número ou uma frequência estatística dos valores de amplitude detectados por sinal de tempo ultrassônico que estão acima de pelo menos um valor de limiar de amplitude definido para cada sinal de tempo ultrassônico pela pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a designação dos valores de amplitude detectados ao tamanho dos componentes particulados é com base em um valor numérico de amplitude dos sinais de tempo ultrassônicos.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende obter valores de tamanho absolutos com base em um valor de calibração ou uma função de calibração com o valor de calibração ou a função de calibração sendo obtidos pela reflexão das ondas ultrassônicas a partir do refletor ultrassônico (5).
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a determinação da pelo menos uma função de amplitude compreende calcular a pelo menos uma função de valor de limiar de amplitude usando o valor de calibração ou a função de calibração.
11. Dispositivo para determinar quantitativamente o número e tamanho de componentes particulados contidos em um meio metálico fundido em escoamento (3), em que ondas ultrassônicas são acopladas ao meio metálico fundido em escoamento (3) e são refletidas pelos componentes particulados e as ondas ultrassônicas refletidas são detectadas na forma de sinais de tempo ultrassônico, nos quais a determinação quantitativa é baseada, caracterizado pelo fato de que compreende: um acoplamento acústico para acoplar ondas ultrassônicas ao meio metálico fundido em escoamento (3) ao usar pelo menos uma guia de onda (2) acústica que é acoplada a um transdutor ultrassônico (1) que é imerso no meio metálico fundido em escoamento (3); a guia de onda (2) inclui a camada externa que é pelo menos na região imersa no meio metálico fundido em escoamento (3); a camada externa é posicionada entre uma camada de pelo menos uma guia de onda (2) e o meio metálico fundido em escoamento (3); e em que um material da camada externa contém pelo menos uma substância que é um sal de fundição que funciona para pelo menos iniciar e suportar a molhagem da guia de onda (2) com o meio metálico fundido em escoamento (3), e em que a guia de onda (2) é circundada por uma cobertura ou matriz de material que derrete no meio metálico fundido em escoamento (3).
12. Dispositivo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a guia de onda (2) inclui uma extremidade tendo pelo menos uma de uma forma livre, cônica ou geométrica que de um lado focaliza as ondas ultrassônicas no meio em escoamento.
13. Uso do dispositivo como definido na reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende determinar uma concentração de corpos estranhos no meio metálico fundido em escoamento (3).
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