CN104769413B - 液体金属清洁度分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备，其中所述悬浮颗粒具有相关联的噪声频率范围，除了具有用于浸入在熔融金属中的不导电的隔板，还具有将熔融金属移动穿过电极和隔板中的孔的装置，产生激励频率的预定范围的AC电流的时变激励源，激励频率的预定范围在主噪声的频率范围之外，以产生代表悬浮颗粒测量结果的AC信号。一种检测器，其从所述测量结果AC信号对所述悬浮颗粒进行检测和量化。该检测器可以是同步检测器。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪，其检测熔融金属中的悬浮微粒，例如铝、镓、铅、锌、钢、铁等。这些颗粒，也称为夹杂物，是具有比熔融金属低的电导率的固体、液体或气体颗粒。
背景技术
熔融金属，特别是熔融的铝和钢，频繁地被污染到一定程度，其夹带夹杂物，可在所得成品中产生各种缺点或缺陷。这种夹杂物可以产生自多个来源，例如，在铝中通过表面氧化膜的夹带，产生自不溶杂质的形式，例如粗糙的或聚集的硼化物颗粒，或精细或粗糙的碳化物和氮化物，产生自合金元素的氧化，例如镁，以及产生自用于容纳或运输液态金属的器皿的耐火衬里的腐蚀。
由于夹杂物的存在引起的问题包括在机械加工操作过程中金属的撕裂，箔中针孔和条纹的存在，片材中的表面缺陷和起泡，以及导线生产过程中断裂率的增加。随着用户要求更薄、更轻的产品以及更好的表面外观，并且随着一些片材金属制品的生产中使用的回收金属的比例升高，伴随重熔过程中夹杂物形成的增多，这些问题变得更加严重。
已有液体金属清洁度分析仪(“LiMCA”)，例如ABB的LiMCA II和LiMCA CM，其提供了相对快速地检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的浓度和尺寸分布。这些分析仪都使用相同的测量原理，然而LiMCA II使用电池来积累能量，以用于测量中所用的直流电流，LiMCACM使用超级电容器来积累能量，以用于该电流。可以在熔融金属的处理操作过程中采用所述分析仪。U.S.专利NO.4,600,880(“’880专利”)描述了LiMCA的一个实施例。
发明内容
一种用于单独检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备，其中所述悬浮颗粒的测量具有相关联的主噪声频率范围，该设备具有：
不导电的隔板，其具有相对的侧面并具有预定流体动力学直径的孔，所述隔板适于浸入在熔融金属中，其中该孔低于金属的表面；
装置，其用于在从隔板的一侧到另一侧的方向上将熔融金属移动穿过该孔；
电极，其适于浸入在熔融金属中，定位在所述隔板的相对侧上，以用于在熔融金属中建立穿过孔的电流路径；以及
时变激励源，其用于产生处于激励频率的预定范围中的AC电流，其在主噪声频率范围之外，当隔板和电极被浸入在熔融金属中时，时变激励源可连接至电极，以使用AC电流来测量悬浮颗粒并且产生代表悬浮颗粒测量结果的AC信号。
一种用于单独检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备，其中所述悬浮颗粒的测量具有主噪声频率范围，该设备具有：
不导电的隔板，其具有相对的侧面并具有预定流体动力学直径的孔，其中所述隔板适于浸入在熔融金属中，其中该孔低于金属的表面；
装置，其用于在从隔板的一侧到另一侧的方向上将熔融金属移动穿过该孔；
电极，其适于浸入在熔融金属中，定位在所述隔板的相对侧上，以用于在熔融金属中建立穿过孔的电流路径；以及
时变激励源，以用于产生处于激励频率的预定范围的AC电流，其高于主噪声频率范围，当隔板和电极被浸入在熔融金属中时，时变激励源可连接至电极，以使用AC电流来测量悬浮颗粒，其中测量结果是具有激励源预定频率范围的AC信号；以及
检测器，其根据测量结果AC信号对熔融金属中的悬浮颗粒进行检测和量化。
一种在用于单独检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备中使用的系统。所述悬浮颗粒的测量具有主噪声频率范围。该设备具有不导电的隔板，其具有孔。所述隔板适于浸入在熔融金属中，其中该孔低于金属的表面。该设备还具有电极，其适于浸入在熔融金属中。电极被定位在所述隔板的两侧上，以用于在熔融金属中建立穿过孔的电流路径。
该系统具有时变激励源，用于产生处于激励频率的预定范围的AC电流，其在主噪声频率范围之外。时变激励源用于连接至电极，从而使得当隔板和电极被浸入在熔融金属中时，可以使用AC电流来测量悬浮颗粒。测量结果是具有激励源预定频率范围的AC信号。该系统具有检测器，其被连接到该源，并用于连接到该设备，以根据测量结果AC信号对熔融金属中的悬浮颗粒进行检测和量化。
附图说明
图1示出了现有技术的液态金属清洁度分析仪的示意图。
图2-4示出了通过图1的分析仪的样品接收器皿的横截面，并示出了流动孔的优选形式。
图5示出了铝包括夹杂物时的电阻率变化。
图6示出了本文描述的LiMCA中使用的激励源的示例。
图7示出了激励频率、夹杂物和噪声谱密度。
图8a示出了本文描述的设备中使用的谐振槽路电路的实施例。
图8b示出了作为激励源中的一个的低通阻抗匹配电路。
图8c示出了作为激励源中的一个的高通阻抗匹配电路。
图9a和9b示出了LiMCA测量中使用的检测器的实施例示例。
图10示出了本文描述的设备的实验装置的框图。
图11示出了本文描述的AC电流源发生器的一个实施例。
图12示出了图10所示的ADC评估板中的附加放大装置的一个实施例。
图13示出了本文描述的用于连接到12V电池的AC电源的设备中的夹杂物测量的结果。
图14示出了本文描述的用于连接到12V电池的AC电源和模数转换器的设备中的夹杂物测量的结果。
图15示出了在振荡电路由120V AC电源馈电时的四个模拟夹杂物测量的结果。
图16示出了本文描述的LiMCA的示意图。
具体实施方式
本文的图1-4与’880专利的图1-4相同。如’880专利中所描述的，样品接收容器或器皿14(见图1)被伸入待分析的熔融金属的流体12中。容器14具有如图1-4所示的300μm等级的孔26，以便在器皿14内产生真空时在器皿14内获取熔融金属的样品。产生真空的技术在’880专利中进行描述。
该器皿14通过任何合适的手段可拆卸地安装在端盖16上。该端盖16通过标准18安装以竖直上下运动，从而可将器皿14按意愿伸入流动流体12并从中收回。端盖16具有从其向下突出的四个电极20、28、50和54。电极20、50和54在容器14的内部，电极28在容器的外部。
LiMCA夹杂物的测量是基于欧姆定律，即通过导体两点之间的电流I与跨两点之间的电位差V成正比，并且与它们之间的电阻R成反比。
容器14内部的三个电极中的第一电极是载流电极20，其由金属杆构成，金属杆的上部被包封在绝缘材料22中，使得只有紧靠容器壁的孔26的暴露的下尖端24与进入容器的熔融金属电接触。类似的载流电极28由端盖安装，以便在容器外部平行于第一电极20延伸，其裸露的下尖端也紧靠孔26。
在图1的LiMCA中，电极20和28之间形成并穿过孔26的电流路径由电池30经由镇流电阻器32被供应以正常情况下约60A的电流，其在需要时由开关33分流，其中路径中的一个分支包括开关31和安培表34。电阻器32的短路允许120-600A范围内的电流在特定的最小时间段上被施加到新形成的孔26，至少为1-5秒，以便预处理该孔。
LiMCA的标称电阻，即没有夹杂物的电阻，大约为2mΩ。图5示出了铝包括夹杂物时的电阻率变化。该变化为～10-4至10-7Ω的等级，对应于夹杂物尺寸从大约20到300μm。将欧姆定律应用于具有约60A标称电流的LiMCA时，测量的电压变化则处于～10-3至10-6V之间。
虽然图1示出了电池30作为非周期或直流电流的电源，如专利’880所述，公知的方法是使用超级电容器为电源。上述电源中的任一种将产生的DC电源信号与厂区环境内产生的噪声隔离开，在该环境中LiMCA被用于夹杂物测量，但它们的重量重达约60kg-100kg，这大大降低了现有技术LiMCA的便携性，并增加了其复杂性和维护要求，因为将不得不替换电池。影响LimCA测量的噪声包括但不局限于：粉红噪声和耦合工业环境噪声。众所周知，粉红噪声或1/f噪声(有时也称为闪烁噪声)是具有频谱的信号或过程，从而功率谱密密度(每Hz的能量或功率)与频率成反比。来自工业环境的噪声可以以多种方式耦合，并且可来自许多来源，例如：电源线、马达、电磁场。图7示出了影响LiMCA测量的典型噪声。
现有技术的LiMCA也使用AC耦合，以读取由于夹杂物引起的相对于标称探测孔电阻率的电阻率变化。
如在下面更加详细描述的，本文描述的设备结合了周期性激励源和检测方法来执行对各种液态金属中夹杂物的量化。周期性激励源和检测方法的这种结合被用于检测熔融金属中携带的夹杂物，诸如铝、镓、锌、铅、钢、铁等。
激励源包括所有基于周期性的发生器，例如：用于直接电感测区驱动的、通过变压器间接驱动的、通过如“L、T、Π、SP”的调谐阻抗变换网络和电路的间接驱动的高电流放大器，槽路电路(LC并联)谐振器。
检测方法包括模拟解调技术，诸如：包络检测器、产品检测器(同步检测、模拟或数字锁定)和数字解调技术，诸如：数字降频转换器。
本文描述的设备中使用的激励源的示例在图6所附的图表中示出。激励源的两个主要类别为：
低功率至中功率(<50W)的AC放大器驱动器：间接激励电感测区；和
高功率(≥50W)的AC放大器驱动器：直接激励电感测区。
如在图6所示，这些类别每一个均具有通过宽带变压器的直接阻抗匹配或者通过阻抗变换网络具有阻抗匹配的调谐电路任一项，阻抗变换网络可以是“L、T、Π、SP”阻抗匹配网络中的任一种或谐振电路。
使用解调技术来测量非常小的电阻率变化有助于设备对那些具有电磁噪音的工业环境免疫，例如，具有电磁铸造的噪声的那些环境。周期性激励与解调技术的结合使用极大地降低了在低于1kHz的频率处的粉红噪声或1/f噪声的影响，因为信号超出主噪声的频谱区域。本文所用的噪声包括粉红噪声、电磁铸造噪声和本文描述的LiMCA被用于检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒所处的环境中其他来源引起的电磁噪声。
去除操作现有技术的LiMCA的DC激励版本所需的电池和电源大幅降低了分析仪的总体尺寸及重量，而且使用下文描述的阻抗适配和调谐谐振电路允许有效地产生60A等级的大电流，同时极大降低了电路消耗的平均功率。
本文描述的设备使用谐振槽路电路，以用于产生频率为大约10kHz到100kHz的60A等级的电流。图8a示出了这种电路的实施例。如图8a所示，该电路具有电容器C和电阻器Ra的串联组合与电感器L和电阻器Rb的串联组合进行并联。
如图6的图表中所示，激励源还可以是低通阻抗匹配电路，其中一个例子示于图8b，或者高通阻抗匹配电路，其中一个例子示于图8c。两个电路均具有提供电压Vi的AC电源。在这两个电路中，电阻器Rs被连接在电源和具有电压Va的第一节点之间。在图8b的低通电路中，电感器L将第一节点连接至电路节点，在该电路节点处呈现输出电压Vo。在图8c的高通电路中，电容器C将第一节点连接至电路节点，在该电路节点处呈现输出电压Vo。在低通电路中，电容器C将第一节点连接至大地，而在高通电路中，电感器L将该节点连接至大地。在这两种电路中，第二节点均通过电阻器R1连接到大地。
图9a和图9b示出了可用于设备的测量的检测器900的实施例。该装置使用时变电流源，例如任意周期性波，如激励源902。当夹杂物904穿过探测孔时，电极之间的测量结果给出电阻率的变化。该电阻率的变化转换成电压906的变化。在图9a中，使用模数转换器(ADC)908将电压数字化。然后，该数字化信号由解调器910进行解调，以取回夹杂物所产生的低频信号。在图9b中，首先由解调器910进行解调，然后，使用模数转换器(ADC)908将电压数字化。在数字化或解调之前和之后进行合适的模拟或数字滤波。
夹杂物数量作为时间的函数继而被计数器912量化，并在柱状图916上示出。在夹杂物的量化中，计数器912使用每个检测到的夹杂物的信号高度和夹杂物尺寸之间的已知非线性关系，夹杂物即悬浮颗粒。具有预定范围内的夹杂物尺寸的颗粒被分组在一起。柱状图914示出了每个组中的颗粒数目。
现在参考图10，所示的用于本文描述的设备的实验装置1000的框图。装置1000具有AC电流源发生器1002，它的一个实施例在图11的框图中示出。
现在参考图11，AC电流源发生器1002具有方波发生器1102，它的输出被连接到光耦合器1104。发生器1002还具有AC激励源1106，其具有来自光耦合器1104的输入和DC-DC转换器1108。一种Micrel MIC4102半桥MOSFET驱动器可被用于实现电源1106。电源1106的输出连接到校准器1110。
图10的实验装置1000具有校准器1004。图11的校准器1110与校准器1004相同，以模拟夹杂物的各种尺寸，从而装置1000不必在现场过程中使用。
实验装置1000还具有ADC评估板1006。图11的校准器1110的输出连接到图9a和9b的ADC 908的输入。因此，校准器代替图9a和9b中的夹杂物流体904和探测孔电压906的功能。
板1006的输入具有附加的超低噪声放大前端。该附加的放大的一个实施例在图12中示出为放大器1200。该放大器是具有来自校准器1004的输入的前置放大器1202和差分放大器1204的组合，该差分放大器1204可使用德州仪器(Texas Instruments)的THS4503宽带低失真全差分放大器实现。该差分放大器1204的输出被输入到模数转换器。该差分放大器1204允许使用ADC的大部分动态范围。
现在参考图13和14，示出了使用装置1000所得到的结果。校准器1004的最小夹杂物为20微米，其能够以高达25：1的信噪比(SNR)进行测量。尺寸更大的校准器1004的其它夹杂物，能够以高于25：1的SNR进行测量。图13示出了连接到12V电池的AC电源的结果，并且图14示出了连接到12V电池的AC电源和ADC的结果。因此，图13和14中的结果显示，与现有技术的LiMCA相比，本文描述的设备将给出良好的结果，甚至当12V电池被用作AC电流发生器的电源时。
现在参考图15，示出了当振荡电路由120V的AC电源供电时，四个模拟夹杂物的测量的结果。如图15所示，相较于图13和14，当振荡电路由120V的AC电源供电时的结果类似于使用连接到12V电池的AC电源或连接到12V电池的AC电源和ADC的结果。
现在参考图16，示出了本文描述的LiMCA被用于测量夹杂物的视图。具有外壁1614a的封闭样品接收容器或器皿1614被伸入熔融金属的流动流体1611。箭头1612示出了流体1611在传送导槽1610中的流动方向。容器1614具有孔1617，该孔具有通道1621，以在器皿1614内部产生真空时获取熔融金属的样品。
器皿1614被适当地安装在保持头1613中。提供器皿1614上下移动的机构在图16中并未示出。该保持头1613具有四个从保持头向下突出的电极1623、1624、1637和1638。电极1623、1637和1638在器皿1614的内部，并且电极1624在器皿的外部。电极1623和1624是载流电极，而且在测量时它们的下尖端与孔1617相邻。
电流由AC电流源1626供应，其可以由本文描述的任何一种激励源实现。两个电极1623和1624被连接到如本文描述所实现的差分放大器1631。该放大器1631的输出连接到如本文描述所实现的峰值检测器1634，然后连接到分析仪/记录器1635，并将金属液位检测器1636连接到保持头1613。
保持头1613还提供了从容器1614的内部到三通阀1616的流体连接，其允许该内部可替换地连接到减压源，或连接到合适的屏蔽性惰性气体的来源，例如氩气，或连接到大气中。该减压源由真空源1615构成，其在测量之间根据需要由泵通过阀排空。泵在进行测量时被关停，从而使得其电动机产生的任何电噪声不会妨碍电信号的处理，并且使得排出气体气流中的任何震动不传送到进入的熔融金属。
在与气体管线1640提供的氩气一同使用之前，容器1614的内部被冲洗，以尽可能避免空气对金属的污染。然后将容器1614降低在所述流体中，而且阀1616被操作为将容器内部连接到减压皿，由此熔融金属通过通道孔1617被平稳地快速吸收。只要足够的金属已经进入容器以接触电极1623的尖端，在两个电极1623和1624之间并通过所述孔建立电流路径。
应当理解，本文描述的时变激励源和检测器可用在具有本文描述的隔板和电极的设备中，以用于检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒，来代替该设备中现在使用的电流源和相关联的检测电路。
应理解的是，对本发明的前述示例性实施例的描述仅是示意性的，而非穷举。本领域的普通技术人员将能够对所公开主题的实施例进行某些增加、删除和/或修改，而不背离本发明的精神或所附权利要求限定的范围。
Claims (15)
1.一种用于检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备，所述悬浮颗粒的所述测量具有相关联的主噪声频率范围，所述设备包括：
不导电的容器，所述不导电的容器具有相对的侧面并具有预定流体动力学直径的孔，所述容器适于浸入在熔融金属中，其中所述孔低于所述金属的表面；
装置，所述装置用于在从所述容器的一侧到另一侧的方向上移动熔融金属穿过所述孔；
电极，所述电极适于浸入所述熔融金属中，被定位在所述容器的相对侧上，以用于在所述熔融金属中建立穿过所述孔的电流路径；以及
时变激励源，所述时变激励源用于产生处于激励频率的预定范围中的AC电流，所述激励频率的预定范围处于所述主噪声的频率范围之外，当所述容器和所述电极被浸入所述熔融金属中时，所述时变激励源可连接至所述电极，以使用所述AC电流来测量所述悬浮颗粒并且产生代表所述悬浮颗粒的所述测量结果的AC信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述AC电流的所述预定激励源的频率范围处于10kHz至100kHz之间。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述时变激励源是谐振槽路。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述时变激励源可以是低通阻抗匹配电路或高通阻抗匹配电路。
5.根据权利要求1所述的设备，其中代表所述悬浮颗粒的所述测量结果的所述AC信号被测量，而且所述设备还包括解调器以恢复所述信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其中代表所述悬浮颗粒的所述测量结果的所述AC信号具有所述预定激励源的频率范围并且被测量，而且所述设备使用欧姆定律来计算来自所述AC信号的电压。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括使所述电压数字化的模数转换器和对经数字化的电压滤波的滤波器，以提供能够用于将所述熔融金属中的所述悬浮颗粒量化为时间的函数的信号。
8.一种用于检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备，所述悬浮颗粒的所述测量具有主噪声频率范围，所述设备包括：
不导电的容器，所述不导电的容器具有相对的侧面并具有预定流体动力学直径的孔，所述容器适于浸入在熔融金属中，其中所述孔低于所述金属的表面；
装置，用于在从所述容器的一侧到另一侧的方向上将所述熔融金属移动穿过所述孔；
电极，所述电极适于浸入在所述熔融金属中，定位在所述容器的相对侧上，以用于在所述熔融金属中建立穿过所述孔的电流路径；
时变激励源，所述时变激励源用于产生处于激励频率的预定范围中的AC电流，所述激励频率的预定范围高于所述主噪声频率范围，当所述容器和所述电极被浸入在所述熔融金属中时，所述时变激励源可连接至所述电极，以使用所述AC电流来测量所述悬浮颗粒，其中所述测量结果是具有所述激励源的预定频率范围的AC信号；以及
检测器，所述检测器从所述测量结果AC信号对所述熔融金属中的所述悬浮颗粒进行检测和量化。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述检测器是产品检测器。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述检测器是包络检测器。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述检测器是数字解调检测器。
12.一种在用于检测和测量熔融金属中的悬浮颗粒的设备中使用的系统，所述悬浮颗粒的所述测量具有主噪声频率范围，所述设备包括：
不导电的容器，所述不导电的容器具有孔，所述容器适于浸入在熔融金属中，其中所述孔低于所述金属的表面；以及
电极，所述电极适于浸入在所述熔融金属中，定位在所述容器上，以用于在所述熔融金属中建立穿过所述孔的电流路径；
所述系统包括：
时变激励源，所述时变激励源用于产生处于激励频率的预定范围中的AC电流，所述激励频率的预定范围在所述主噪声频率范围之外，所述时变激励源用于连接至所述电极，从而当所述容器和所述电极被浸入在所述熔融金属中时，可以使用所述AC电流来测量所述悬浮颗粒，其中所述测量结果是具有所述激励源的预定频率范围的AC信号；以及
检测器，所述检测器被连接到所述激励源，并且用于连接到所述设备，以从所述测量结果AC信号对所述熔融金属中的所述悬浮颗粒进行检测和量化。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述检测器是产品检测器。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述检测器是包络检测器。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述检测器是数字解调检测器。
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