CN110007110A - 基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法及装置。所述方法包括：测量待测液态金属的表面温度；根据测量装置中磁场发生装置的特征参数、待测液态金属的表面温度和待测液态金属的表面覆盖层材料确定磁场发生装置与待测液态金属间的垂直距离，并根据垂直距离设定测量装置的设置位置；基于磁场发生装置与流动的待测液态金属间的电磁感应，磁场发生装置受到与待测液态金属的流向相同方向的第一作用力，并传输到测量装置的传感器，将第一作用力转换为第一电信号；测量装置中的数据处理模块对采样得到的第一电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到待测液态金属的实时流速。

Description

基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法及装置
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法及装置。
背景技术
工业冶金是我国国民经济的重要支柱产业，在工业现代化进程中发挥着不可替代的作用。如钢铁冶金，我国钢铁工业在产量上一直在全世界范围内占有重要地位，据统计我国粗钢年产量约803.8百万吨，占全世界产量的49.6％。
然而，近年来随着能源、环境问题的凸现，钢铁行业正在面临着供给侧结构性改革、扩大优质供给，实现供需动态平衡的现实需求。这意味着，冶金行业需要不断的改进冶金工艺、提高检测手段以不断提高冶炼产品质量，而冶炼工艺中金属液体流动行为和速度分布与产品质量密切相关，但是由于工业现场环境恶劣、液态金属温度高等因素，如何测量、反馈和控制金属液体流动及其速度分布，是冶金工艺中十分重要的问题。
目前进行高温液态金属流速测量的方法，主要是通过数值计算、水模型等模拟手段和钉板法等瞬时粗略测量方式获取金属液流动信息。一方面因无法实测这些计算方法本身与实际情况存在一定的差异，其数据往往只能作为后续工艺的参考和依据，更无法实现自动化检测和即时反馈；另一方面，这些计算和测量方法本身也需要更为准确的测量技术进行校准和参照。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法及装置。采用非接触式测量方法，可实现实时在线测量，满足工业实践中对高温液态金属流速测量即时反馈的需求。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种，包括：基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法，包括：
测量待测液态金属的表面温度；
根据测量装置中磁场发生装置的特征参数、所述待测液态金属的表面温度和待测液态金属的表面覆盖层材料确定所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离，并根据所述垂直距离设定所述测量装置的设置位置；
基于所述磁场发生装置与流动的所述待测液态金属间的电磁感应，所述磁场发生装置受到与所述待测液态金属的流向相同方向的第一作用力，并通过所述测量装置的微小力传输组件传输到所述测量装置的传感器，将所述第一作用力转换为第一电信号；
测量装置中的数据处理模块对采样得到的第一电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到所述待测液态金属的实时流速；
其中所述逻辑计算具体为：Fm＝KσνB0 2；其中，Fm为第一作用力，K为测量装置校准系数，σ为待测液态金属的电导率，B0为磁场相对于金属液的渗透深度。
优选的，所述B0根据磁场发生装置的特征参数和所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离来确定。
优选的，所述方法还包括：
对所述测量装置，或者，对所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护，以使所述测量装置，或者，使所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件处于工作温度范围内。
优选的，所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离，满足所述磁场发生装置在所述待测液态金属的局部区域的磁感应强度不小于磁体表面剩磁的10％。
第二方面，本发明实施例提供了一种用以实现上述第一方面所述的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法的测量装置，包括：磁场发生装置、传感器、微小力传输组件、数据处理模块和支撑定位模块；
所述磁场发生装置设置在所述微小力传输组件的底端；
所述传感器设置在所述支撑定位模块上，并与所述微小力传输组件的微小力输出端相接设，将来自所述微小力输出端信号通过所述传感器转换为电信号；
所述数据处理模块与所述传感器相连接，对所述电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到待测液态金属的实时流速；
所述微小力传输组件架设在所述支撑定位模块中，通过所述支撑定位模块调整所述微小力传输组件相对于待测液态金属间的位置。
优选的，所述支撑定位模块具体包括：装置外壳、支撑组件、横梁和吊耳；
所述支撑组件设置在所述装置外壳内；
所述横梁架设在所述支撑组件中，所述横梁用于架设所述微小力传输组件；
所述吊耳设置在所述装置外壳上，用于连接外部的三维移动机构，使所述测量装置的位置随所述三维移动机构的调整而移动。
优选的，所述微小力传输组件，具体包括：摆杆轴、摆杆和链接杆；
所述摆杆的底端固定有所述磁场发生装置；
所述的摆杆的顶端与所述横梁通过所述摆杆轴相连接，使得所述磁场发生装置在受到电磁感应产生的作用力时，所述摆杆因所述作用力产生环绕所述摆杆轴的轴向方向的运动；
所述链接杆与所述摆杆固定连接，所述链接杆的顶端为所述微小力输出端。
优选的，所述传感器具体为测量精度在μN～mN量级的力传感器。
优选的，所述装置还包括隔热模块，用于对所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护。
进一步优选的，所述隔热模块具体由：导热系数为0.04～0.2W/m·K的材料填充构成或者，由水冷或气冷的导热系统构成。
本发明实施例提供的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法，采用非接触式测量方法，具有实时、在线、连续、定量、原位的特点，测量方法简单、便捷，易实现、易操作，测量方法及装置对测量现场要求低，测量过程不影响生产和工艺现场，满足工业实践中对400℃-1700℃高温液态金属流速测量即时反馈的需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的测量装置的俯视示意图。
图3为本发明实施例提供的测量装置的侧视示意图。
图4为本发明实施例提供的冶金生产现场的应用实例侧视示意图。
图5为本发明实施例提供的冶金生产现场的应用实例俯视示意图。
图6为本发明实施例提供的冶金生产现场链接方案的示意图。
图7为本发明实施例提供的冶金生产现场隔热方案的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提出了一种通过利用磁场发生装置与运动导电金属液体之间产生洛伦兹力信号特征，以进行高温金属液流速测量的非接触式电磁感应的测量方法。
通过将磁场发生装置(图1中以永磁体为例)置于金属液流附近，利用磁场覆盖金属液局部区域，该区域的导电金属液流切割磁感线产生涡电流，涡电流与磁场相互作用产生洛伦兹力(见附图1，图中1、2、3、4为过程顺序的指示)，通过洛伦兹力信号大小和方向，可以分析出金属液流速大小和方向。该物理过程可用下式表达:
Fm～σvB0 2 (5)
其中:j为液态金属中产生的感应电流；σ为液态金属的电导率；E为电场强度；ν为液态金属流速；B为综合磁感应强度；fl为洛伦兹力密度；Fl为洛伦兹力；V为洛伦兹力积分区域液态金属体积；Fm为磁场发生装置所受的反作用力；B0为磁场发生装置产生的磁感应强度。
式(1)为移动导体的欧姆定律，即感应电流密度j正比于金属液电导率σ、流速ν和此处的磁感应强度B，在金属液流体不带电情况下，式中E为0；式(2)、(3)表示金属液流体所受到的洛伦兹力Fl与j、B0满足右手定则，另外由于实际工业应用中金属液流体的磁雷诺数Rm＜＜1，故B0≈B；式(4)、(5)表示，根据牛顿第三定律，磁体(永磁体或线圈)将受到一个与洛伦兹力Fl大小相等、方向相反的作用力Fm，即Fm正比于金属液电导率σ、流速ν和磁场发生装置在此处的磁感应强度B0的平方。
本发明根据电磁感应原理由测得的力信号变化可获得液态金属流速大小和方向信息。
本发明实施例提供的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法具体可以按照如下步骤执行：
步骤110，测量待测液态金属的表面温度；
步骤120，根据测量装置中磁场发生装置的特征参数、待测液态金属的表面温度和待测液态金属的表面覆盖层材料确定磁场发生装置与待测液态金属间的垂直距离，并根据垂直距离设定测量装置的设置位置；
具体的，磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离，满足所述磁场发生装置在所述待测液态金属的局部区域的磁感应强度不小于磁体表面剩磁的10％(即不小于0.1T)，以便产生的洛伦兹力能够被检测到。
磁场发生装置的特征参数具体包括磁体参数和几何参数，磁体参数是磁场发生装置的磁学性能参数，几何参数是磁场发生装置的磁体或等效磁体的几何尺寸。
步骤130，基于磁场发生装置与流动的待测液态金属间的电磁感应，磁场发生装置受到与待测液态金属的流向相同方向的第一作用力，并通过测量装置的微小力传输组件传输到测量装置的传感器，将第一作用力转换为第一电信号；
具体的，由于测试装置中的磁场发生装置，可以具体为磁体或通电线圈，产生的静磁场与流动的待测高温金属液之间的电磁感应现象，待测金属液将受到一个阻碍其流动的洛伦兹力，根据牛顿第三定律，磁场发生装置将受到一个与之等值方向相反的作用力。
通过测量装置的微小力传输组件传输到测量装置的传感器，将这一作用力转化为电信号输出。例如可以转换为电压信号输出。
步骤140，测量装置中的数据处理模块对采样得到的第一电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到待测液态金属的实时流速；
其中，逻辑计算具体为：Fm＝KσνB0 2；其中，Fm为第一作用力，K为测量装置校准系数，σ为待测液态金属的电导率，B0为磁场相对于金属液的渗透深度。B0具体可以根据磁场发生装置的特征参数和所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离来确定。
进一步的，因为在测量过程中，待测高温金属液自身的热量，将以辐射、对流和传导形式逐步传递给测试装置，会导致测试装置及其内部构件的温度将因此而随时间逐步升高，因此本发明的方法还包括对测量装置，或者，对磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护，以使测量装置，或者，使磁场发生装置、传感器、微小力传输组件处于工作温度范围内。在一个具体的例子中，优选的，在测试装置距离700℃高温金属液50mm处，隔热保护满足测试装置内部在60min内不超过80℃。
为实现上述方法，本发明提供了一种基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的测量装置，其示意图如图2和3所示，主要包括：磁场发生装置7、传感器9、微小力传输组件、数据处理模块(图中未示出)和支撑定位模块；
磁场发生装置7设置在微小力传输组件的底端；传感器9设置在支撑定位模块上，并与微小力传输组件的微小力输出端相接设，将来自所述微小力输出端信号通过对所述传感器转换为电信号；数据处理模块与传感器9相连接，对电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到待测液态金属的实时流速；微小力传输组件架设在支撑定位模块中，通过支撑定位模块调整微小力传输组件相对于待测液态金属间的位置。
在具体的实施例中，支撑定位模块可以具体如图2、3所示，包括：装置外壳1、支撑组件2、横梁3和吊耳4；
支撑组件2设置在装置外壳1内；横梁3架设在支撑组件2中，横梁3用于架设微小力传输组件；吊耳4设置在装置外壳1上，用于连接外部的三维移动机构，使测量装置的位置随三维移动机构的调整而移动。
微小力传输组件，可以具体如图2、3所示，包括：摆杆轴6、摆杆5和链接杆8；
摆杆5的底端固定有磁场发生装置7；摆杆5的顶端与横梁3通过摆杆轴6相连接，使得磁场发生装置7在受到电磁感应产生的作用力时，摆杆5因该作用力产生环绕摆杆轴6的轴向方向的运动；链接杆8与摆杆5固定连接，链接杆8的在摆杆轴6与底端之间位置具有微小力输出端，并与传感器9固定连接，优选为与传感器9的受力面相粘接。这样无论传感器9收到拉力或压力，都能被测定出来。按照图3所示，通过微小力传输组件，使得磁场发生装置7产生与液态金属受力大小相等方向相反的作用力，通过微小力传输组件使得传感器受到与液态金属流动方向相同的作用力。
微小力传输组件利用杠杆原理，在保护传感器9情况下，尽可能的放大待测信号，将待测力信号放大2-10倍，实现上述电磁感应现象产生的洛伦兹力反作用力的测量。
上述各部件的功能具体如下：
装置外壳1，测量装置的外形结构件；
支撑组件2，测量装置的内部结构件，应为耐温非金属材料，横梁3的支撑件，同时作为测量装置隔热功能的组成部分；
横梁3，测量装置的内部结构件，为磁场发生装置7的定位和支撑结构；
吊耳4，测量装置的外部结构件，作为测量装置移动、定位功能的组成部分；
摆杆5，磁场发生装置7与横梁3之间的链接部件，为测量装置的关键部件，应能精确的实现磁场发生装置7在测量过程中的微小移动和传动；
摆杆轴6，摆杆5与横梁3之间的支撑部件，为测量装置的关键部件，具有低的摩擦系数和一定的自润滑功能；
磁场发生装置7，测量装置的核心部件，根据测量装置的配置，可以具体采用钕铁硼类永磁体或钐钴类永磁体，磁体尺寸可根据待测对象测量要求进行设计和调整；
链接杆8，摆杆5与传感器9之间的力传输部件，应为非磁性材料，易拆卸易安装，此部件为辅助部件，不限于刚性连接杆，根据不同应用场合特点，可用其他机械接连方式实现；
传感器9，测量磁场发生装置7所受作用力的部件，该部件可以是测量精度在μN～mN量级的直接测量力信号的传感器。
进一步的，测量装置还包括隔热模块，用于对磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护。隔热模块可以具体由导热系数为0.04～0.2W/m·K的材料(如石棉、陶瓷纤维)填充构成或者，由水冷或气冷的导热系统构成。
其中，由材料填充构成的隔热结构可以如图7a所示，材料填充形成的隔热模块14包裹在测试装置12周围。
由导热系统构成的隔热结构可以如图7b所示，导热系统形成的隔热模块15设置在测试装置12的四周。图中箭头方向是水冷或气冷的流体流动方向的示意。
此外，本发明的结构还可以包括其他辅助的支撑、定位结构和温度传感器、供电部件，以及维持测试装置功能完整性所需的其他结构。
以本方法及其装置在连铸工艺中结晶器内钢液流速的测量为例，结合图4、5、6，对本发明所在测量过程中的实际应用进行说明。
如图4、图5所示，测试装置12通过三维移动机构13定位至高温金属液的液面正上方，三维移动机构可以是通用机构也可以是针对特定应用专门设计的机械装置，对于连铸工艺中的应用，该装置可以固定在结晶器平台上(如图6a和图6b)也可以固定在上方的中间包底部(如图6c)，其应实现三个方向(尤其是与液面垂直的方向)上的准确定位和固定。其中，与液面垂直的方向上的距离，可以根据磁场发生装置的特征参数、待测液态金属的表面温度和待测液态金属的表面覆盖层材料确定。在一个具体实例中，ε优选为20mm～80mm。
测试装置12对高温金属液10流速的测量，通过三维移动机构13的安装位置及其三维移动范围确定，即图5中的d1、d2、d3。测试装置与水口11之间的距离即图5中的d1，应与测试装置起隔热功能的部件配置相适应。
在一个具体的例子中，100mm≤d1≤2000mm、0mm≤d2≤1900mm、0mm≤d3≤300mm。
测量过程中必须保证测试装置12与液态金属10以及其上层的覆盖物不接触，且须使磁体在其附近的液态金属局部区域有一定的磁感应强度(不小于磁体表面剩磁的10％，即不小于0.1T)。
本发明提出的方法基于电磁感应原理，主要利用液态金属流经磁场发生装置的磁场区域时在液态金属中产生洛伦兹力的同时，磁场发生装置也受到液态金属大小相等方向相反的作用力。磁场发生装置的几何特征、磁场强度以及与金属液表面之间的距离，决定了其磁场发生装置相对于金属液的渗透深度，即式(2)、(3)中B0值；由于金属液为测量对象，其电导率σ和流速ν需要根据实际应用场合确定，但由式(5)可以看出，液态金属的电导率σ越高和流速ν越大，对应洛伦兹力FL越大，测量准确性和精度也越高；结合当前力传感器特点和测量精度(0.1mN)，本发明能够实现电导率在103～105S/m的高温液体流速的在线测量。
本发明实施例提供的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法，采用非接触式测量方法，具有实时、在线、连续、定量、原位的特点，测量方法简单、便捷，易实现、易操作，测量方法及装置对测量现场要求低，测量过程不影响生产和工艺现场，满足工业实践中对400℃-1700℃高温液态金属流速测量即时反馈的需求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法，其特征在于，所述方法包括：
测量待测液态金属的表面温度；
根据测量装置中磁场发生装置的特征参数、所述待测液态金属的表面温度和待测液态金属的表面覆盖层材料确定所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离，并根据所述垂直距离设定所述测量装置的设置位置；
基于所述磁场发生装置与流动的所述待测液态金属间的电磁感应，所述磁场发生装置受到与所述待测液态金属的流向相同方向的第一作用力，并通过所述测量装置的微小力传输组件传输到所述测量装置的传感器，将所述第一作用力转换为第一电信号；
测量装置中的数据处理模块对采样得到的第一电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到所述待测液态金属的实时流速；
其中所述逻辑计算具体为：Fm＝KσνB0 2；其中，Fm为第一作用力，K为测量装置校准系数，σ为待测液态金属的电导率，B0为磁场相对于金属液的渗透深度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述B0根据磁场发生装置的特征参数和所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述测量装置，或者，对所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护，以使所述测量装置，或者，使所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件处于工作温度范围内。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述磁场发生装置与所述待测液态金属间的垂直距离，满足所述磁场发生装置在所述待测液态金属的局部区域的磁感应强度不小于磁体表面剩磁的10％。
5.一种用以实现上述权利要求1-4任一所述的基于电磁感应原理测量高温液态金属流速的方法的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：磁场发生装置、传感器、微小力传输组件、数据处理模块和支撑定位模块；
所述磁场发生装置设置在所述微小力传输组件的底端；
所述传感器设置在所述支撑定位模块上，并与所述微小力传输组件的微小力输出端相接设，将来自所述微小力输出端信号通过所述传感器转换为电信号；
所述数据处理模块与所述传感器相连接，对所述电信号进行实时的信号滤波和放大处理，通过逻辑计算得到待测液态金属的实时流速；
所述微小力传输组件架设在所述支撑定位模块中，通过所述支撑定位模块调整所述微小力传输组件相对于待测液态金属间的位置。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述支撑定位模块具体包括：装置外壳、支撑组件、横梁和吊耳；
所述支撑组件设置在所述装置外壳内；
所述横梁架设在所述支撑组件中，所述横梁用于架设所述微小力传输组件；
所述吊耳设置在所述装置外壳上，用于连接外部的三维移动机构，使所述测量装置的位置随所述三维移动机构的调整而移动。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述微小力传输组件具体包括：摆杆轴、摆杆和链接杆；
所述摆杆的底端固定有所述磁场发生装置；
所述摆杆的顶端与所述横梁通过所述摆杆轴相连接，使得所述磁场发生装置在受到电磁感应产生的作用力时，所述摆杆因所述作用力产生环绕所述摆杆轴的轴向方向的运动；
所述链接杆与所述摆杆设置固定链接，所述链接杆的顶端为所述微小力输出端。
8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述传感器具体为测量精度在μN～mN量级的力传感器。
9.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括隔热模块，用于对所述磁场发生装置、传感器、微小力传输组件进行热屏蔽或热保护。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述隔热模块具体由：导热系数为0.04～0.2W/m·K的材料填充构成或者，由水冷或气冷的导热系统构成。
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