CN102859336B - 在冶金容器中的测量 - Google Patents

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Abstract

一种由软件控制的计算机装置和/或由专用硬件所实施的方法被设计为探测冶金容器（1）中的导电目标材料（M），例如熔化金属或半导体材料。在该方法中，在该导电目标材料（M）和一个传感器（4）之间的相对位移期间从插入到该目标材料（M）的该传感器（4）获取一个测量信号，该测量信号表明在该传感器（4）附近的电导率。生成该测量信号以便表示在该传感器（4）周围一个电磁场中的瞬间变化，该电磁场通过操作该传感器（4）中的至少一个线圈（82；92）被创造。基于该测量信号，生成一个信号特征曲线以便表明该电导率作为该相对移动的函数。该方法使得能够在任何详细程度上在该容器（1）中探测该目标材料（M）的内部分布。可以分析该信号特征曲线以便提供关于通过例如物质成分、熔化程度、混合程度来区分的区域/层（S，M1，M2）的信息。

Description

在冶金容器中的测量
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年4月30日提交的瑞典专利申请No.1000437-2以及于2010年5月3日提交的美国专利申请No.61/282,975的权益，这两个申请都通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及用于加工导电材料例如金属和半导体的冶金容器，例如窑炉、熔炉和其他精炼或储存容器中的过程。
背景技术
多年来，如果冶金容器是稳定的，则已经能够通过使用微波、激光、涡电流、放射线、摄影机或浮法技术在冶金容器中定位渣面。还能够通过采用一种简单浸渍销/发声棒技术粗略测量容器中不同区域的范围，在该技术中附装到链条或其他传递系统的金属杆首先沉浸在熔化材料中，并然后撤回以便进行视觉检查。有经验的操作员可以因此及时视觉估计在那时容器中特定区域的位置。
还具有为测量渣层的厚度或其他性质设计的电子测量装置。US5781008披露了一种使用附装到活动长矛的传感器的组合的测量装置。一个传感器安排在长矛的尖端以便感测与渣层的接触，并且另一传感器被配置为远程地(经涡电流)感测到渣层和熔化金属之间的分界面的距离。当尖端接触渣层时，操作涡电流传感器以便确定到炉渣/熔化分界面的距离。由于已知传感器之间的距离，因此可以确定渣层厚度。
US4647854和JP06-258129提出一种用于在容器中检测熔化金属的液位的悬挂在冶金容器中渣层上方的涡电流类型距离测量传感器的用途。该传感器包括用于生成振荡电磁场的一个励磁线圈以及一个或多个涡电流检测线圈。
US4841770、US2007176334A1、JP2003049215和US4880212都披露了带有被配置为浸入渣层以便生成表明炉渣厚度的信号的测量装置(探针)的不同活动长矛。这些传感器和传感器电子器件被设计成感测渣层和熔化金属之间的分界面，例如使用电极对或连接到振荡器的电感线圈来感测。因此，这些传感器和传感器电子器件被设计成在渣层和熔化金属之间的分界面提供良好定义的开关点。
DE3201799披露了用于测量渣层电导率的电极的用途。
JP1094201描述了一种用于通过在熔化炉渣上方安排一个磁场生成线圈和一对检测线圈并通过驱动这些线圈从而使得表明厚度的电阻部件可以由阻抗测量装置隔离来测量熔渣的技术。
US2007/173117披露了一种用于附装到长矛的测量头的设计，该测量头包括用于测量渣层或渣层下面熔化金属的相对应参数的温度传感器和氧传感器。
US5198749披露了一种可操作以便通过孔口吸取熔化金属的用于测量非导电杂质颗粒的数目和大小的试样探针。
US5827474披露了一种用于在冶金容器中测量熔化钢和炉渣的深度的技术。导电材料的探针具有电气连接到电压计的近端，以及在容器中的容器底部和空气-炉渣分界面或炉渣-钢分界面之间活动的远端。该远端因此充当电极，并且通过比较在注意到探针远端的垂直位置时由电压计检测的电位差来确定熔化钢的深度或炉渣的深度。
JP11104797披露了一种用于在熔化金属出渣进入漏斗期间避免熔渣流出铸勺的技术。该技术包括比较由铸勺的底部中的一对电极和漏斗中的一对电极测量的电导率。在铸勺和漏斗之间所测量的电导率的偏差被视为表明熔渣已到达铸勺中的电极。
US4150974披露了一种用于在铸勺中熔化金属和炉渣的分界面下面安置真空除气设备的通气管的技术。通过将与铸勺中的材料电气接触的电极垂直移位来确定该分界面的位置。通过注意到由电极产生的电压的变化来确定金属-炉渣分界面的位置。
WO2009/109931披露了一种用于控制溶剂交换过程的探针。沿其范围，该探针携带用于测量电阻的一连串感测针对。通过将该探针浸入经历交换过程的材料中，可以确定沿该探针长度的电阻率特征曲线。
在一些熔化/精炼过程中，容器含有数个材料层，以及渐变或材料混合的区域。例如，在用于熔化铜或铂的过程中，已知在渣层和锍之间具有一个巨大的混合区。目前，没有用于在冶金容器中探测目标材料的任何部分，例如用于分析不同区域/层的存在和/或位置，例如在容器中位于渣层下面的材料层和混合区的通用技术。例如这样的技术对于做决策和过程最优化而言具有重大价值。
就可以应用于这样用途的在前述US5827474、JP11104797、US4150974和WO2009/109931中提出的技术来说，这些技术都依靠带有必须在冶金容器中与目标材料直接电流接触的电极/感测针的探针。由于这些电极/感测针在容器中直接暴露于苛刻环境，因此这样的探针将具有对沉淀物和污染物的更高的灵敏性以及潜在更短的寿命。
发明内容
本发明的一个目的是至少部分地克服现有技术的上述限制中的一个或多个。
根据本发明所定义的实施方案，依靠一种用于使得能够进行区域识别的方法、一种计算机程序产品、一种计算机可读媒质、用于使得能够进行区域识别的装置、以及一种加工厂，至少部分地实现这些目标和可以从以下描述出现的其他目标。
本发明的第一方面是一种在冶金容器中探测导电目标材料的方法。该方法包括以下步骤：在一种导电目标材料和一个传感器之间的相对位移期间从插入到该目标材料的该传感器获取一个测量信号，该测量信号表明在该传感器附近的电导率；以及基于该测量信号生成表明该电导率作为该相对移动的函数的一个信号特征曲线。该方法进一步包括操作该传感器中的至少一个线圈以便在该传感器周围生成一个电磁场，并生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化的步骤。
该方法就其经信号特征曲线使得能够在任何详细程度上在容器中探测目标材料的内部分布来说是通用的，该信号特征曲线含有在目标材料和传感器之间不同相对位置的一个数字测量值，其中可以通过调整测量值的数目来调整该详细程度。该方法因此具有提供关于通过例如物质成分、熔化程度、混合程度或其任何组合来区分的区域/层的信息的能力。例如，可以生成信号特征曲线以便表明在可以是渣层的顶部材料层下面的目标材料中的电导率。例如，所生成的信号特征曲线可以使得能够在渣层下面进行探测，例如以便检测一个或多个区域的存在和/或确定这样的区域的位置/范围。
通过生成测量信号以便表示通过操作传感器中的至少一个线圈创造的传感器周围电磁场中的瞬间变化，不需要在传感器和目标材料之间存在直接电流接触。这个或这些线圈可以因此密封在保护这个或这些线圈以及任何相关联的电子部件不受容器内苛刻环境影响的壳体中。在壳体表面上的任何沉淀物和污染物将对产生的信号特征曲线的准确性具有极少或至少受限制的影响。为避免熔化材料或炉渣粘附到壳体表面，还有可能的是在壳体周围安排一个或多个保护套，这些保护套被设计成在测量期间耗尽。保护套可以例如由将在测量期间逐渐烧尽的纸板制作，因此从壳体表面自动移除沉淀物。
在某些实施方案中，信号特征曲线表明在顶部金属层下面目标材料中的电导率，借此该信号特征曲线使得能够识别顶部金属层下面目标材料中的一个或多个区域。
在某些实施方案中，生成信号特征曲线以便表明电导率的相对变化作为相对移动的函数。
在某些实施方案中，目标材料是在600-2000℃的范围内的温度的熔化金属。
在某些实施方案中，目标材料包括通过以下各项中的至少一项区分的至少两个区域：物质成分、熔化程度、以及混合程度。
本发明的第二方面是一种计算机可读媒质，其包括在由处理器执行时执行第一方面的方法的程序指令。
本发明的第三方面是一种可加载进入计算机装置的存储器的用于执行第一方面的方法的计算机程序产品。
本发明的第四方面是一种用于在冶金容器中探测导电目标材料的装置。该装置包括用于在该导电目标材料和一个传感器之间的相对位移期间从插入到该目标材料的该传感器获取一个测量信号的装置，该测量信号表明在该传感器附近的电导率；用于基于该测量信号生成一个信号特征曲线的装置，该信号特征曲线表明该电导率作为该相对移动的函数。该装置进一步包括用于操作该传感器中的至少一个线圈以便在该传感器周围生成一个电磁场的装置，以及生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化的装置。
本发明的第五方面是一种用于在冶金容器中探测导电目标材料的装置。该装置包括：一个控制器，其被配置为在该导电目标材料和一个传感器之间的相对位移期间从插入到该目标材料的该传感器获取一个测量信号，该测量信号表明在该传感器附近的电导率；以及一个信号处理器，该信号处理器被配置为基于该测量信号生成表明该电导率作为该相对移动的函数的一个信号特征曲线。该控制器进一步被配置为操作该传感器中的至少一个线圈以便在该传感器周围生成一个电磁场，并生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化。
本发明的第六方面是一种用于加工导电目标材料的工厂，包括：一个冶金容器，该冶金容器被配置为含有该目标材料；一个长矛；一个传感器，该传感器附装到该长矛并被配置为感测电导率；一个驱动机构，该驱动机构机械连接到该长矛并被配置为将该长矛关于该目标材料移动；以及根据第四或第五方面的该装置。
第一方面的实施方案中的任何一个可以与第二到第六方面组合。
本发明的更其他的目标、特征、方面和优点将从以下详细描述、从附加权利要求并从附图变得明显。
附图说明
现在将参考示意附图仅作为实例在下文中描述本发明的实施方案。
图1A-1C是冶金容器和不同测量场景的剖面图。
图2是与长矛驱动机构相关联的测量系统的框图。
图3是长矛驱动机构的侧面图。
图4是由测量系统获取的电导率信号和位置信号的图表。
图5是冶金容器的侧面图和与容器的范围匹配的电导率特征曲线。
图6是根据本发明的实施方案的方法的流程图。
图7是在加工厂中的测量装置的侧视图。
图8是收发器配置的测量系统的电气图。
图9是发射器-接收器配置的测量系统的电气图。
图10是收发器-接收器配置的测量系统的电气图。
图11是在图10的测量系统中获得的测量信号的图表。
图12是在一个实施方案中用于信号检测的RLC电路的电气图。
图13A-13C表明在图9和10的测量系统中的不同线圈安排。
具体实施方式
图1A描绘了用于加工导电材料例如金属或半导体材料的冶金容器1。冶金容器1可以因此是窑炉、熔炉或任何其他精炼或储存容器，其为从金属的矿石或从一些其他原料例如废料提炼金属、为生产不同金属的合金、为提纯金属或合金、为从金属或合金创造任何有用物体而设计和使用，或为半导体材料的相对应加工而设计和使用。典型地，冶金容器1的内部区域在这样的加工期间加热到约600-2000℃以至更高的温度。
在下文中，关于在铜的提炼中使用的熔炉描述实例实施方案。然而，应当理解的是本发明不以任何方式限于本申请。贯穿本说明书，相同的参考标号用来识别相对应的元素。
铜可以典型地在浮选工艺中的富集之后从含铜矿石例如CuFeS2生产。在铜提炼的许多可用工艺中的一个之后，在空气、石灰石和沙存在的情况下在熔炉中加工富集矿石。这里，空气中的氧气与铁选择性反应以便形成铁氧化物FeO，并以硫化物CuS的形式留下铜。沙中的二氧化硅与石灰石和铁氧化物反应以便形成炉渣、FeSiO3和CaSiO3。同时在矿石中的过多硫将铜(II)硫CuS还原成熔化并在熔炉底部出渣的铜(I)硫Cu2S。炉渣较不稠密并在顶部上漂浮。
称为铜锍的熔化铜(I)硫流入其中含氧空气吹过锍以便将二价硫离子氧化成二氧化硫的转炉。同时，二价硫离子中的一些将铜(I)离子还原成不纯的粗铜金属。在阳极炉中的最终加热用来从粗铜金属烧尽剩余的氧气。
可见在图1A中的容器描绘了用于加工富集矿石，并具有用于将铜锍从容器1出渣的出渣口2的熔炉。在加工期间，渣层S在熔化材料的顶部上形成。已知铜锍在容器1底部的锍层(区)M1中形成，而且在锍层M1和渣层S之间具有混合或过渡区M2。混合区M2具有改变的并低于锍层M1的铜含量。为了使得能够改善过程控制，例如控制出渣，或以其他方式控制或最优化铜提炼工艺，令人希望的是识别混合区M2的范围、混合区M2和锍层M1之间边界BL的位置，或识别容器中铜锍的量。
在图1B中，传感器单元4安装在至少垂直方向(z)上位移受控制的支撑杆或长矛5上。如所表明，长矛5还可以在水平方向(xy平面)上是可移位的。传感器单元4被配置为感测局部周围材料的电导率。尽管没有在图1B中示出，但传感器单元4包括在生成信号特征曲线的测量系统中，该信号特征曲线表示正在容器1中加工的材料M(在此还指示为“目标材料”)内电导率的分布。该信号特征曲线在下文中还指示为“电导率特征曲线”。
如由图1B中的场力线F所表明，传感器单元4可以通过生成延伸进入周围材料的振荡或时变电磁场来操作。将在下面进一步详细描述包括这样的传感器的测量系统的结构和操作。
电导率特征曲线可以用于识别在渣层S下面熔化金属内的区域M1、M2。记住熔化金属的升高温度，传感器4可以正常地仅在典型地约30-90秒的短时间浸没在熔化金属中。为保护传感器单元4，可以通过例如由纸板和/或陶瓷材料制作的一个或多个保护套(未示出)围绕长矛5的前端部分。
电导率特征曲线的生成由正在从悬挂位置下降以便穿过渣层S并进入熔化材料的传感器单元4开始。长矛5然后在熔化材料内移动，同时通过传感器4来获得多个测量值。长矛和传感器单元组合4、5然后从熔化材料撤回。处理测量值以便形成因此表明容器中电导率分布的电导率特征曲线(“空间电导率特征曲线”)。这样的分布可以进而用于分别识别混合区M2和锍区M1的位置。
注意可以生成电导率特征曲线以便仅表明熔化材料内电导率的变化。还应当理解的是电导率特征曲线可以含有或多或少的定性数据，即受误差来源例如未知温度改变、测量误差等影响的数据。然而，数据的质量足以识别熔化材料内的不同区域M1、M2和边界BL。如果测量系统被配置为获得电导率的参考值(见于以下)，则可以生成电导率特征曲线以便表示熔化材料中的绝对电导率。
图2是用于获得图1B的实施方案中电导率特征曲线的测量系统10的框图。位移单元11机械连接到并被配置为控制长矛/传感器单元5、4的位移。测量单元10包括一个位置感测单元12，该位置感测单元被安排为生成表明长矛5(或传感器单元4)的瞬时(绝对或相对)位置的位置信号。测量控制器13连接以便处理由传感器单元4生成的电信号，并输出直接或间接表示电导率的测量信号。处理单元14连接以便为电导率特征曲线的生成接收并处理位置信号和测量信号。
图1C展示了用于生成冶金容器1中的电导率特征曲线的另一场景。与图1B中类似，传感器单元4移位以便穿过渣层S。然而，传感器单元4直接移动到其然后保持固定的容器1内的位置。多个测量值由传感器单元4在该位置中获得，同时熔化材料在传感器单元4下面的位置从容器1在此情况下从在容器1底部的出渣口2出渣。熔化材料的出渣在传感器单元4和熔化材料之间生成相对移动。因此，可以为电导率特征曲线的生成处理在出渣程序期间获得的测量值，该电导率特征曲线可以用来识别在熔化材料内区域M1、M2的位置。这里，由于时间代表传感器单元4相对于熔化材料的移动，因此电导率特征曲线典型地被给出为时间的函数(“时间电导率特征曲线”)。应认识到在图2中的测量系统10可以用来在图1C的测量场景中获得电导率特征曲线。
图1B和1C中情况的组合也是可能的。例如，可以生成空间电导率特征曲线以便识别容器1中的一个或多个区域M1、M2，并然后传感器单元4可以相对于这些区域M1、M2定位，以便在出渣进程期间生成时间电导率特征曲线。
同样，任何类型的位移单元11可以用来施加所希望的移动到长矛/传感器单元5、4。图3展示了被配置为在垂直方向(z方向)上移动长矛5的位移单元11的实例。位移单元11包括附装到固定梁21并可操作以便将连接到长矛的钢缆(或链条)22缠绕或释放的电机驱动绞盘20。钢缆22由在水平方向(xy平面)上固定长矛的位置的滑轮23支撑。尽管所展示的位移单元11被配置为将长矛的移动限制于垂直方向，但应当认识到通过控制滑轮23或横梁21的位置可以使得能够在水平方向上移动。在所展示的实例中，拉丝传感器形式的位置感测单元12附装到长矛上以便输出表明长矛的垂直位置的位置信号。当长矛在垂直方向上下降时，拉丝传感器12使用附装到长矛上并从弹簧承载的线轴(未示出)退绕的软线缆24检测并测量(准)线性位置。长矛的位置可以在任何坐标系中给出。将位置感测单元12预校准以便表明传感器单元在容器的坐标系中的位置例如以从容器底部测量的位置单位(比较在图1中的xyz)表明是可能的。然而，一般地，位置信号表明长矛在位置感测单元12的局部坐标系中的位置，并且信号处理器14(图2)需要访问校准数据以便将位置数据转换成容器坐标系。
应理解可以使用任何合适类型的位置感测单元12，例如连接到绞盘20或其驱动电机或任何形式的远程位置感测单元例如激光测距仪的编码器。替代地，可以由用于驱动电机的控制信号给出位置信号。
信号处理器14在不访问外部位置信号的情况下生成空间电导率特征曲线是可能的。例如，如果长矛5以恒定且已知(预设)的速度在垂直方向上移位，则测量值可以基于单个参考位置与容器1中的垂直位置相关联。例如，如果可以在测量值的序列中检测长矛移动的开始或停止，则可以基于长矛的已知位移速度和已知开始/停止位置将每个测量值的时间点转换成容器1中的位置。替代参考位置在以下关于图4和5讨论。
图4是展示在图1B的实施方案中获得的电导率信号(测量信号)40和位置信号42的图表。电导率信号40表示电导率的相对变化作为时间的函数，并且位置信号表示由位置感测单元12测量的长矛/传感器单元5、4的瞬时位置。在该实例中，当在图1B中的长矛5下降进入容器1时获得电导率40，直到长矛5与容器1的底面接触。然后，将位移单元11反向，并且在垂直方向上撤回长矛5通过熔化材料并离开容器1。若传感器单元4是完好的，则有可能的是在长矛5的撤回期间获得相对应的电导率信号(未示出)。在一个实现方式中，在下降/浸没和提升/撤回期间分别获得的电导率信号40匹配并组合，以便减小测量噪声和其他测量误差的影响(例如，通过求和、求平均等)和/或提高电导率特征曲线的空间分辨率(例如，通过将在沿传感器路径的不同位置获取的电导率值组合)。还有可能的是长矛5沿相同路径移动更多次，以便产生一组电导率信号40，每次经过产生一个电导率信号40，该组电导率信号40可以组合以便提供进一步改善的电导率特征曲线。
箭头A-D表明可以基于电导率信号识别的不同边界/分界面。箭头A表明与传感器单元4通过渣层S的顶部相对应的电导率的微小变化。关于进入渣层S的位置信号42中似乎奇怪的断裂由必须人工刺击长矛5以便穿透固化渣层S的事实所导致。
箭头B表明传感器单元4正在进入由增加的电导率证明的混合区M2。由于电导率的增加基本停止，因此箭头C表明传感器单元4正在进入锍层M1。尽管传感器单元4穿越锍层M1，但电导率保持基本恒定，直到传感器单元4到达容器1的底面(箭头D)。可以看到电导率信号确实对识别熔化材料中的不同区域M1、M2和边界BL有用。
理解可以通过将电导率特征曲线40中的时间点与位置信号42中的时间点匹配来获得空间电导率特征曲线。
由于渣层S顶部的位置在电导率信号40中可检测(箭头A)，因此，该位置可以用来在不需要位置信号42的情况下将电导率信号40校准到容器坐标系。这假定渣层S顶面的位置已知，例如由补充测量系统所确定，而且长矛5以已知且固定的速度移位。
图5展示了其中传感器单元4在测量时段期间经过已知电导率的区域1'的实施方案。这允许电导率信号/特征曲线校准到绝对电导率。若控制测量系统在传感器单元4经过已知电导率时获取测量值，则有可能的是将全部测量值转换成绝对电导率。
可以由在冶金容器1的顶部中定义现有开孔边界的材料给出已知电导率的区域1'。替代地，已知电导率的专用元素可以沿传感器单元4的路径安排，以便使得能够校准到绝对电导率。
还应了解如果已知电导率的材料的位置是已知的，若长矛5以已知且可能固定的速度移位，则该位置可以用来在不需要位置信号42的情况下将电导率信号40校准到容器坐标系。
图5还含有展示了映射到容器坐标系的空间电导率特征曲线的图表。在电导率特征曲线中，暗点表明通过在熔化材料中仅采样三个电导率值(以及用于校准目的的在已知电导率的测量值)获得的替代电导率特征曲线。应了解即使这样的低密度特征曲线仍可以对表明锍层M1的近似位置和范围有用，尤其是如果电导率特征曲线以绝对电导率给出。通常，理解“信号特征曲线”或“电导率特征曲线”如在此所使用的包括在传感器单元4和目标材料M之间的不同相对位置获取的至少两个测量值，并且正常地包括至少5个测量值。在大多数实际状况中，测量值在1-100Hz的速率采样，这为带有30秒持续时间的测量时段产生30-3000个测量值。
已知电导率取决于温度。在金属中，电导率随着提高温度而降低，而在半导体中，电导率随着提高温度而提高。在有限的温度范围内，电导率可以近似为与温度成正比。为比较在不同温度的电导率测量值，必须将其标准化到常温。该依赖性经常在电导率-温度图表中表达为斜率，该图表可以写为：
σ T ′ = σ T 1 + α ( T - T ′ )
其中T是所测量的绝对温度，T′是常温，σT′是在常温T′的电导率，σT是在所测量温度T的电导率，以及α是材料的温度补偿斜率。
因此，如果预期熔化材料的温度补偿斜率α在容器1中所观察的温度范围内，确切地说沿测量时段期间传感器单元4的移动路径是显著的，则可能令人希望的是在长矛5上例如在传感器单元4附近安装一个或多个温度传感器，例如热电偶。测量系统10可以然后在电导率测量期间从温度传感器获得温度数据，并因此校正测量值。这样的校正可以应用到相对电导率值，或是绝对电导率值的计算的部分。
图6示出了用于在容器中探测或调查目标材料M的在测量时段期间执行的方法的实例。在步骤60中，激活位移单元11以便驱动长矛5和传感器单元4通过渣层S并进入熔化材料，并然后通过将传感器单元4和/或目标材料M移位(经出渣)来创造相对移动。在步骤62中，操作测量控制器13以便在相对移动期间从传感器单元4获取测量信号。在步骤64中，信号处理器14生成电导率特征曲线。在步骤66中，信号处理器14输出电导率特征曲线，或处理和/或显示电导率特征曲线，例如以便在目标材料M中不同区域/层S、M1、M2的存在和/或位置的识别。
在步骤60中传感器单元4和/或熔化材料的移动可以但不需要直接地或间接地由信号处理器14控制。然而，通过获取上述位置信号，或通过经一个或多个参考位置的上述位置校准，信号处理器14和测量控制器13的操作可以独立于传感器单元4或熔化材料的移位来执行。因此，测量系统10可以在不需要对任何现有长矛驱动机构或出渣机构的任何变化的情况下适于加工厂。
理解在图6中的方法可以用来无关于层/区域的类型调查目标材料M。因此，探测方法可以给出关于渣层S和/或在渣层S下面任何数目的区域M1、M2的信息。在某些实施方案中，例如在前述中所描述，探测方法主要为在目标材料M中的渣层S下面获得电导率特征曲线设计。然而，渣层S不需要位于目标材料M的顶部。例如，在硅石的制造中，渣层在还原过程中使用的窑炉/熔炉的底部形成。在这样的应用中，探测方法可以因此用来在目标材料M中的渣层S上面获得电导率特征曲线。探测方法还可以用于在没有渣层的情况下在目标材料中获得电导率特征曲线。
应当理解的是控制器13和信号处理器14的功能性可以由单个装置实施。在全部配置中，全部或部分功能性可以由专用硬件和/或由在一个或多个通用或专用计算装置上运行的专用软件(或固件)提供。在这点上，应当理解的是这样的计算装置的每个“元件”或“装置”指代方法步骤的概念等效；不总是具有元件/装置和硬件或软件程序的特别部分之间的一一对应。一个硬件有时包括不同的装置/元件。例如，处理单元在执行一个指令时用作一个元件/装置，但在执行另一指令时用作另一元件/装置。另外，一个元件/装置可以在一些情况下由一个指令实施，但在一些其他情况下由多个指令实施。这样的软件控制计算装置可以包括一个或多个处理单元，例如CPU(“中央处理单元”)、DSP(“数字信号处理器”)、ASIC(“专用集成电路”)、分立的模拟和/或数字部件、或一些其他可编程逻辑器件，例如FPGA(“现场可编程门阵列”)。计算装置可以进一步包括系统存储器和系统总线，该系统总线将包括系统存储器的各种系统部件连接到处理单元。系统总线可以是若干类型的总线结构中的任何一种，包括存储器总线或存储器控制器、外围总线、以及使用各种总线架构中的任何的局部总线。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储媒质，例如只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)和闪存存储器。专用软件可以存储在系统存储器中或其他可移除/非可移除的易失性/非易失性计算机存储媒质上，该计算机存储媒质包括在计算装置中或计算装置可访问，例如磁媒质、光媒质、闪存卡、数字磁带、固态RAM、固态ROM等。计算机装置可以包括一个或多个通信接口，例如串行接口、并行接口、USB接口、无线接口、网络适配器等，以及一个或多个数据采集装置例如A/D转换器。可以在包括记录媒质、只读存储器或电气载波信号的任何合适计算机可读媒质上向计算装置提供专用软件。
电导率特征曲线可以用许多不同方式使用。在一个实施方案中，输出电导率特征曲线以便在屏幕上显示，例如以图表形式显示，可能在容器的图形展示上重叠。这将允许操作员使用所显示的电导率特征曲线作为冶金加工和或将材料从容器出渣的人工控制和/或最优化的基础。还有可能的是允许操作员基于所显示的电导率特征曲线检验/输入一个或多个区域的位置，借此信号处理器基于一个或多个所识别的区域计算容器中材料的量。返回铜加工的实例，可以基于由电导率特征曲线给出的锍层的范围计算容器中铜锍的量。这样的计算还可以考虑在容器的底部上的任何材料累积(如在图5中所示)。可以基于位置信号，例如通过将长矛击中容器的外观底部时的位置与在没有任何累积的情况下获得的参考位置比较，来估计累积的范围。
在另一实施方案中，为了识别阶跃变化、平稳段等，由自动信号特征提取技术分析电导率特征曲线，该阶跃变化、平稳段等表明目标材料的特征，如区域/层的存在、位置或范围，如在目标材料内的不同材料区、混合区和层。可以显示这样自动分析的输出以便在冶金加工/出渣的人工控制中使用，或其可以输入到用于自动加工/出渣控制或自动量估计的系统。
图7是在用于生产硅石的工厂中，并尤其在用于清洁从炉渣熔化炉中获得的炉渣的炉渣保温炉1中用于电导率特征曲线生成的设施的侧视图。电子设备10'(例如，控制器13和信号处理器14)安排在窑炉1上面平台70上。同样，绞盘20安排在紧固到平台70的框架71上。滑轮23在直接高于窑炉顶上凸缘73的位置固定到框架71的水平臂形件72。因此，长矛5可操作以便在垂直方向上移动进入熔炉1并在熔炉1内移动。应理解电导率特征曲线的检测在极端且困难的条件下执行，例如高温、沉重设备并在显著高度。例如，在滑轮23和熔炉1的顶部之间的距离在所展示的设施中几乎是7米。
如以上所表明，传感器单元4通过生成延伸进入传感器单元4周围的电磁场来操作。通常，传感器单元4包括用于生成电磁场的一个或多个线圈。图8-10展示了测量系统10的三个不同实施方案。应当理解的是物理地安装在长矛5上的传感器单元4仅需要含有这个或这些线圈，而用于生成电磁场和测量信号的全部其他部件可以包括在置于容器1外面的控制器13(图2)中。例如，这个或这些线圈可以包装在陶瓷或其他非磁性壳体中，并然后在长矛的前端或接近该前端安装，其中到这个或这些线圈的布线后退地经过长矛(见于图2中的虚线)，因此可以建立到控制器13的连接。然而，还有可能的是控制器13的某些或全部部件包括在传感器单元4中。
图8展示了测量系统10，其中单个线圈82被配置为充当收发器，即其用于生成电磁场并用于测量因此生成的电磁场的变化。
在图8的实例中，测量系统10包括带有用于在给定频率生成固定AC电压的电压源81，以及与精密电阻器83串联连接的线圈82的闭合电路(“收发器线圈电路”)80。差分放大器84的输入端在电阻器83的任一侧上连接到端子。差分放大器84的输出端连接到模数转换器(ADC)85的输入端。ADC85的输出端连接到数字滤波器86的输入端，该数字滤波器被配置为将在电压源81的给定频率的测量信号隔离。数字滤波器86的输出端连接到信号处理器14，该信号处理器采样并处理测量信号以便生成电导率特征曲线。信号处理器14还连接到位置感测单元12，以便采样并处理位置信号。如以下所描述，测量信号基本上被生成为收发器线圈电路80中阻抗的测量值。在下文中，在收发器线圈电路中获得的测量信号被标记为“T-信号”。
在测量系统10的操作期间，设定电压源81生成固定AC电压，这因此迫使电流通过线圈82和精密电阻器83。流过线圈82的电流在线圈82周围生成电磁场。周围材料的电导率影响电磁场，并因此影响线圈82的电感。当线圈82的阻抗(电感)变化时，流过线圈82的电流的量值也变化。应当认识到精密电阻器83上的电位差表示电流的量值，并因此表示周围材料的电导率。该电位差由差分放大器84放大、由ADC85数字化、由数字滤波器86滤波、并作为测量信号(T-信号)向信号处理器14提供。T-信号的量值(峰值电压、峰间电压、RMS电压等)因此表示周围材料的电导率。T-信号的实例在图4中示作电导率信号40。
应当认识到线圈82充当发射器和接收器二者。线圈82因此称为“收发器线圈”，尽管其还可以指示发射器线圈。
图9展示了测量系统10，其包括可操作以便生成电磁场的发射器线圈92，以及可操作以便感测电磁场和电磁场的任何变化的分离接收器线圈93。与图8中的线圈82类似，发射器线圈92包括在闭合电路(“发射器线圈电路”)90中，并连接到在给定频率生成固定AC电压的电压源91，因此导致线圈92生成电磁场。接收器线圈93位于电磁场的范围内，其因此在接收器线圈电路90'中感应电流。该电流在接收器线圈93的端子之间导致电位差。该电位差表示发射器和接收器线圈92、93周围介质的电导率。该电位差由差分放大器94放大、由ADC95数字化、由数字滤波器96滤波、并作为测量信号向信号处理器14提供。与图8中类似，测量信号的量值因此表示周围材料的电导率。然而，在图9的实施方案中，测量信号基本上作为发射器线圈92和接收器线圈93之间互感的测量生成。在下文中，在接收器线圈电路中获得的测量信号被标记为“R-信号”。
已发现R-信号与T-信号相比对周围电导率的变化更灵敏。当前据信T-信号更能表示所生成的电磁场的强度或量值的变化，而R-信号还表示所生成的电磁场的范围或形状的变化。在传感器单元4相对于目标材料移，并经过不同电导率的区域时，所生成的电磁场的形状可能变化，从而导致R-信号发生相对应的变化。
图10展示了在图8和9中的系统的组合的测量系统10。因此，信号处理器14接收表明电流流过收发器线圈电路80的第一测量信号(T-信号)和表明电流流过接收器线圈电路90'的第二测量信号(R-信号)。如关于图8所解释，流过收发器线圈电路80的电流受收发器线圈82的周围物影响。该变化将由接收器线圈电路90'检测到。然而，接收器线圈电路90'还将检测在收发器线圈82和接收器线圈93之间的互感。通过向信号处理器14提供第一和第二测量信号，信号处理器14能够在这些效应之间辨别，以便更精确和/或更鲁棒地表示提供周围材料的电导率。
图11是在长矛5(和传感器单元4)下降进入冶金容器时作为时间的函数获得的T-信号110、R-信号112和位置信号114的图表。位置信号114表示距容器上面的起始位置的距离。应注意已相对于R-信号112自动缩放的T-信号110比该R-信号弱至少一个量级。如由在R-信号112减小时T-信号110增大的事实所见，信号110、112是未处理以便表示电导率的原始信号。然而，每个信号110、112的时间行为反映了周围电导率的变化。箭头A表明当传感器单元4经过容器顶部时的时间，可以在信号110、112二者中检测到该时间。箭头B表明当传感器单元到达渣层(在图1中的S)时的时间，可以由R-信号112中逐渐减小的开始检测到该时间。其还可以检测为T-信号110的微小变化。在所展示的实例中，箭头B设定在R-信号达到基线的99％时的时间，该基线通过将传感器单元在容器中目标材料上面时的时期ΔT的R-信号求平均来获得。在一种变体中，箭头B可以设定在T-信号达到通过将在时期ΔT的T-信号求平均获得的相对应基线的100.05％时的时间。箭头C表明当传感器单元第一次到达锍层(在图1中的M1)时的时间，该时间由信号110、112的陡峭变化来表示。在所展示的实例中，箭头C设定在R-信号达到上述基线的50％时的时间。在一种变体中，箭头C可以设定在T-信号110达到相关基线的102％的时间。箭头D表明当传感器单元的线圈完全浸没在锍层中的时候，这可以检测为信号110、112的水准测量，并特别地由R-信号112的下冲结束检测到。尽管未在图11中表明，但可以在箭头B和C之间的R-信号和/或T-信号中检测到混合区(在图1中的M2)。
应了解T-信号110和R-信号112的可用性可以例如基于自动信号特征提取使得信号处理器14，或通过信号的视觉检查使得操作员可能将在信号110、112中发生的信号特征相关，以便改善目标信号的分析，例如以便识别分界面的位置，或推导绝对或相对电导率特征曲线。还有可能的是可以从曲线110、112提取补充信息，例如涉及容器和/或目标材料的不同特征的信息。
此外，取决于收发器和接收器线圈82、93的相对布置，信号处理器14或操作员能够确定电导率的局部变化的合适位置，这可以例如用来在测量时段期间检测和/或提供上述保护套的烧尽的测量，和/或在电导率特征曲线的生成中使用。
因此已发现如在图9和10中所示例的接收器线圈电路90'的使用可以用来改善电导率测量。另一方面，已发现仅带有收发器线圈电路的图8中的实施方案可以展现与图9和10中的实施方案比较对电气/电磁干扰的改善的不灵敏性。这样的干扰可能例如由电熔炉/窑炉中的电加热元件生成。
本领域技术人员了解图8-10的测量系统10中的固定电压源81、91可以由固定电流源代替，而且数字滤波器86、96可以由模拟滤波器代替。
在一种变体(未示出)中，信号处理器14接收测量信号，这些测量信号表明在收发器/发射器线圈电路80、90中的电流和在收发器/发射器线圈82、92两端的电压。基于这些测量信号，信号处理器14可以计算在收发器/发射器线圈电路80、90中的电压和电流之间的相位差。该相位差将在线圈82、92的周围中电导率变化时变化，并且信号处理器14可以使用该相位差确定周围材料中的电导率。还有可能的是将这样的相位差测量与发射器/收发器线圈电路80、90(图8和10)中的阻抗测量和/或互感测量(图9和10)组合，以便进一步改善电导率测量。
在另一变体(未示出)中，发射器/收发器线圈82、92和/或接收器线圈93在谐振电路例如RLC电路中连接，如在图12中所示。RLC电路包括串联(如所示)或并联连接的电源97、电阻器R(由电阻器98表示)、电容器C(由电容器98表示)、以及电感L(包括线圈82、92、93)。RLC电路的谐振频率f0由以下公式给出
f 0 = 1 2 π L C
线圈82、92、93的电感L将随着周围材料的电导率改变，并因此可以通过测量谐振频率f0确定该电导率。用于测量RLC电路中谐振频率的电路是可商购的。
在以上所有实施方案、变体和替代方案中，可以通过调整发射器/收发器线圈82、92的频率(即，驱动生成电磁场的AC电压/电流的频率)将所测量电导率的分辨率最优化。本发明的实施方案可以在约1-1000kHz范围内，并典型地在约1-100kHz范围内的频率操作。还有可能的是设计测量系统10在多于一个频率下操作，例如通过在长矛5上安装复数个发射器/收发器线圈电路80、90以便在相对应频率操作，借此信号处理器14被连接以便接收在不同频率获得的测量信号。这可以用来改善电导率特征曲线的质量。
此外，即使以上描述涉及单个线圈，但理解发射器/收发器/接收器线圈82、92、93可以形成为单独子线圈的组合。
更进一步地，所生成的磁场的强度可能需要适应测量状况。这可以通过修改线圈82、92、93中导线的匝数、在线圈82、92、93中流动的电流的量、线圈长度对线圈宽度的比、以及线圈82、92、93中磁芯的材料类型中的一个或多个来实现。这仅是本领域技术人员的例行实验的问题。
同样，发射器/收发器线圈82、92和接收器线圈93的配置和相互布置可以为所给出测量状况而最优化。图13A-13C展示了在传感器单元4中发射器/收发器线圈82、92和接收器线圈93的三个替代安排。其他安排是可能的，例如交换线圈82、92和线圈93的位置，或将一个线圈垂直安排并将其他线圈水平安排。更进一步地，线圈82、92和线圈93的间距可以被适配为实现R-信号的所希望的灵敏度或其他性质。
以上已参考少数实施方案主要描述了本发明。然而，本领域技术人员容易认识到除以上披露的实施方案之外的其他实施方案在仅由所附专利权利要求书定义并限制的本发明的范畴和精神内同样是可能的。
例如，测量信号或信号特征曲线可以表示对电导率的任何其他本质等效，例如电阻率。
进一步地，有可能的是使用可以安排在一个或复数个长矛上或同一长矛上的子长矛上的多于一个传感器单元。参考图9和10中的实施方案，同样可能在与收发器/发射器线圈82、93不同的长矛/子长矛上安排接收器线圈93。
还应当认识到空间电导率特征曲线不必须映射到多个位置，但可以作为时间的函数给出(比较电导率信号40)。可以为通过其自身或参考分离位置信号识别区域来检查/处理这样的电导率特征曲线(比较图4中的位置信号42)。
更进一步地，测量信号不需要在离散时间点采样，但可以代替地作为模拟信号即连续地获得。
代替炉渣(或除炉渣之外)，顶层S可以含有原料或预精炼材料的一些形式。还应当认识到在顶部材料层S下面的熔化材料可以含有非熔化部分和气态物质。事实上，有可能的是为使得能够在非熔化目标材料例如粉末或颗粒中识别区域而应用本发明的解决方案。无关于目标材料，该区域可以由以下各项中的至少一项定义：独特的物质成分、独特的熔化程度、以及独特的混合程度。还有可能的是某些区域具有基本相同的电导率(或沿测量路径的电导率的变化)。可以基于这样的区域相对于带有不同电导率(或电导率的变化)的其他区域/层的位置，例如基于目标材料中的预期区域排序来识别/辨别该区域。

Claims (21)

1.在冶金容器(1)中探测导电目标材料(M)的方法，所述方法包括以下步骤：
将传感器(4)插入到该导电目标材料(M)中；
在该导电目标材料(M)和该传感器(4)之间的相对移动期间从该传感器(4)获取一个测量信号，该测量信号表明在该传感器(4)附近的电导率；以及
基于该测量信号生成表明该电导率作为该相对移动的函数的一个信号特征曲线，
其中该方法进一步包括以下步骤：操作该传感器(4)中的至少一个线圈(82；92)以便在该传感器(4)周围生成一个电磁场，并生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中生成该电磁场的步骤包括操作一个驱动电路(80；90)，该驱动电路包括一个发射器线圈(82；92)和用于该发射器线圈(82；92)的交流源信号的一个电源(81；91)。
3.如权利要求2所述的方法，其中生成该测量信号的步骤包括感测该驱动电路(80；90)中的阻抗。
4.如权利要求3所述的方法，其中感测该驱动电路(80；90)中的阻抗的步骤包括感测与该发射器线圈(82；92)串联连接的一个电阻装置(83)上的电位差。
5.如权利要求3所述的方法，其中感测该驱动电路(80；90)中的阻抗的步骤包括感测包括该发射器线圈(82；92)的一个谐振电路的谐振频率。
6.如权利要求2所述的方法，其中生成该测量信号的步骤包括感测该发射器线圈(82；92)和从该发射器线圈(82；92)隔开的一个接收器线圈(93)之间的互感。
7.如权利要求6所述的方法，其中感测该互感的步骤包括感测该接收器线圈(93)上的电位差。
8.如权利要求6所述的方法，其中感测该互感的步骤包括感测包括该接收器线圈(93)的一个谐振电路的谐振频率。
9.如权利要求3所述的方法，其中生成该测量信号的步骤进一步包括感测该发射器线圈(82；92)和从该发射器线圈(82；92)隔开的一个接收器线圈(93)之间的互感，以及其中生成该信号特征曲线的步骤包括基于表示该驱动电路(80；90)中的阻抗的一个第一测量信号生成一个第一信号特征曲线；并基于表示该互感的一个第二测量信号生成一个第二信号特征曲线。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括基于该第一和第二信号特征曲线的组合识别该导电目标材料(M)的一个或多个特征。
11.如权利要求2至10中任意一项所述的方法，其中生成该测量信号的步骤包括感测在该发射器线圈(82；92)上的电压和通过该发射器线圈(82；92)的感应电流之间的相位差。
12.如权利要求1至10中任意一项所述的方法，其中通过在该导电目标材料(M)中至少一个方向上在一个移动路径上移动该传感器(4)给予该相对移动。
13.如权利要求12所述的方法，其中该传感器(4)在至少两次通过中沿该移动路径移动，并且其中通过将在该移动路径的不同通过期间获得的测量值组合来获取该测量信号。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括当该传感器(4)在该移动路径上转移时获取表明该传感器(4)的位置的一个位置信号的步骤，其中该信号特征曲线基于该测量信号和该位置信号生成，以便表明该电导率作为该传感器(4)的位置的函数。
15.如权利要求14所述的方法，其中生成该信号特征曲线的步骤包括将该测量信号中的时间点与该位置信号中的时间点匹配。
16.如权利要求1至10中任意一项所述的方法，其中通过当该传感器(4)保持在该冶金容器(1)内的一个固定位置时将该导电目标材料(M)从该冶金容器(1)出渣来给予该相对移动。
17.如权利要求1至10中任意一项所述的方法，进一步包括在该信号特征曲线上执行自动特征提取以便识别该导电目标材料(M)的一个或多个特征的步骤。
18.一种用于探测冶金容器(1)中的导电目标材料(M)的设备，所述设备包括：
用于在该导电目标材料(M)和一个传感器(4)之间的相对移动期间从插入到该导电目标材料(M)中的该传感器(4)获取一个测量信号的装置，该测量信号表明在该传感器(4)附近的电导率；以及
用于基于该测量信号生成一个信号特征曲线的装置，该信号特征曲线表明该电导率作为该相对移动的函数；
其中所述用于探测冶金容器(1)中的导电目标材料(M)的设备进一步包括用于操作该传感器(4)中的至少一个线圈(82；92)以便在该传感器(4)周围生成一个电磁场的装置，以及用于生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化的装置。
19.一种用于探测冶金容器(1)中的导电目标材料(M)的设备，所述设备包括：
一个控制器，该控制器被配置为在该导电目标材料(M)和一个传感器(4)之间的相对移动期间从插入到该导电目标材料的该传感器(4)获取一个测量信号，该测量信号表明在该传感器(4)附近的电导率；以及
一个信号处理器，该信号处理器被配置为基于该测量信号生成表明该电导率作为该相对移动的函数的一个信号特征曲线；
其中该控制器进一步被配置为操作该传感器(4)中的至少一个线圈(82；92)以便在该传感器(4)周围生成一个电磁场，并生成该测量信号以便表示该电磁场中的瞬间变化。
20.如权利要求19所述的设备，进一步包括一个位置传感器(12)，该位置传感器被配置为当该传感器(4)在该导电目标材料(M)中的一个移动路径上转移时生成表明该传感器(4)的位置的一个位置信号，其中信号处理器被配置为基于该测量信号和该位置信号生成该信号特征曲线，以便表明该电导率作为该传感器(4)的位置的函数。
21.一种用于加工导电目标材料(M)的工厂，包括：
一个冶金容器(1)，该冶金容器被配置为含有该导电目标材料(M)；
一根长矛(5)；
一个传感器(4)，该传感器附装到该长矛(5)上并被配置为感测电导率；
一个驱动机构(11；20，22，23)，该驱动机构机械连接到该长矛(5)并被配置为将该长矛(5)相对于该导电目标材料(M)移动；以及
根据权利要求18至20中任意一项所述的设备。
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