CN1469116A - 评估粒状物局部紧密度的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种评估方法，其中电容传感器(5)置于容器(3)的区域；填充粒状物(2)以便接触传感器(5)；可以测量填充粒状物(2)引起的传感器(5)的阻抗变化；此方法对于评估制造金属铸件的模壳中的沙子的紧密度特别有用。评估系统包括对电介质变化敏感的金属板(9、10)定义的传感器(5)；当粒状物(2)填充进容器(3)时，显示金属板(9、10)电容变化，或更广泛地、系统(1)的全阻抗变化的调节和控制电路(6)。在一个实施方式中，传感器(5)的金属板(9、10)定义为2个由导电材料制成的梳齿，它有2个交替节段(12、13)并位于硬或柔韧支撑(16)上。
Description
技术领域
本发明涉及评估粒状物局部紧密度的方法及系统。
背景技术：
沙铸是铸造工作中最常用的方法之一，随着多年的发展，现在已有许多广泛不同的获得浇铸高立体精度的非常复杂部件铸模的方法。这方面最先进的方法之一是已知的“去泡浇铸”。
所有沙铸方法的共同特性都是用沙子作为成型材料托衬金属以形成所需浇铸物的凹性铸模。然而，尤其是复杂的铸模中，很难保证沙子能以足够的紧凑度填满模型的所有缝隙(最终在成品中形成了不期望的凹槽或空穴)。并且，由于去泡浇铸法没有掺入沙子中的聚合体粘合剂，因此使得铸模主要是依赖沙子本身的紧密度。
为了确保所有的孔洞都被沙子填满，模型及含沙的模壳要采用机械振动以使沙子能流进所有的空穴及缝隙中；并且，必须通过适当的紧密度沙子在完成模壳的完全填满。二者条件缺一都可能损害质量和导致成品铸件不合格。
目前，评估模壳内沙子紧密度的唯一方法是特化和控制模壳的振动。然而，这种间接的方法还不能确保每个单独的铸件没有由不合适的局部紧密度或填充引起的缺陷；该不可靠性尤其是在较复杂的铸模中可能导致产生大量的不合格品。
US-5,996,681描述了铸模质量控制系统，在该系统中采用接近传感器来检测铸模以防铸造缺陷。但它没有提供沙子紧密度评估。
发明内容：
本发明的目的是提供紧密度评估的方法和系统以排除已知工艺的缺点，该方法和系统提供了局部和直接评估铸模沙子紧密度，或更概括地，评估容器内粒状物的紧密度，该方法和系统非常可靠、经济。评估本发明提供了评估容器内粒状物局部紧密度的方法，其特征在于其包括下面步骤：
-建立包括电容传感器的紧密度评估系统和一个用以调节和控制该传感器以及能够评估该传感器阻抗变化的调节控制电路；
-将所述传感器放置在所述容器区域内，其中将要评估其中所述粒状物紧密度；
-将所述粒状物填进所述容器并让其与所述传感器接触；
-用所述电路、根据所述传感器电阻，尤其是所述电阻的电容成分的改变来直接评估接触或非常靠近所述传感器的粒状物的局部紧密度；
更特别地说，此电阻的改变主要是与该传感器的电容成分改变有关，该电容成分的改变直接与粒状物的特性成比例。
所述调节和控制电路可以是与传感器分离的，也可以是与传感器连为一体的。
相对紧密度评估系统包括电容器限定的电容传感器，该电容器又是进一步由2至3块金属板限定的)；和用以调节和控制所述传感器的调节控制电路；带有已知无负载电容阻抗成分的传感器；具有如下特征的系统，即所述传感器包括外表面，该外表面被加工成定位以用于接触到或非常接近所述粒状物的形状；当所述表面接触或紧密靠近所述粒状物时，从所述传感器接收表明传感器电容性阻抗成分变化的电路。
所述电路也可评估所述传感器的电阻和感应阻抗成分，并通过鉴别各种现象的任何假效果或不想要的协同作用以获得更可靠的粒状物紧密度的评估。例如，粒状物的湿度变化可以引起其介电常数的变化，而可以通过检测电阻系数排除此变化。粒状物的污染(碳渣，金属颗粒)也可以产生假信号，但可通过检测及合适的相关电阻和感应阻抗参数抵消此假信号。
在铸造工作中，本发明的传感器提供了局部沙子紧密度的评估，并提供了成比例的模拟信号；该评估基于的物理学原理使得可生产成各种形状，大小和质地(硬的或柔韧的)传感器柔韧以极佳地适合最重要的控制区域。
因此，本发明传感器的应用通过沙子紧密度的评估来改善处理(过程)控制以减少不合格品的数量。因为该评估使得能够在下一步生产阶段之前从生产线上除去任何劣质制备的模壳、粗加工成品、型芯或类似物。
附图说明：
通过实施例和参考附图，将描述本发明的许多优选的、非限制性的实施方式其中：
图1表示本发明的用电容传感器评估粒状物紧密度的系统；
图2表示构成图1系统传感器敏感部分的2或3块金属板的第一几何外观设计；
图3表示图2中放大的部分截面细节；
图4和图5表示敏感金属板的更进一步的2个几何外观设计；
图6表示敏感金属板的更进一步的几何外观设计；
图7表示了图6中传感器金属板的主视图。
发明的详细描述：
参考图1中，1表示评估容器3中粒状物局部紧密度的整个系统。评估系统1包括电容传感器5；调节和控制传感器5的电路6，如后面要详细解释的，该电路6也表明了与从传感器5接收的信号相应的紧密度。
通过实施例方式，容器3可被包含模型7的模壳限定，而且，其中用已知方法从沙子形成浇铸熔铸金属成为与模型7对应部件的铸模。传感器5位于要测量沙子的紧密度的区域-正常地，是重要的沙子填充的地方；并且，沙子必须紧密地靠近或接触传感器5。
采用电容传感器5的评估系统1的操作是基于电磁场通过的材料体积电磁特性(电介质常数、电阻系数、磁阻或磁导率)的改变。。因此，如后面要解释的，所述电磁特性直接与材料的紧密度有关。在与传感器5的2或多个金属板邻接的区域产生电磁场。并且由于传感器5对于尽可能大和可能达到空间范围内电磁特性的变化敏感，如金属板间空间的相对的空间，如后面要解释的，该金属板的结构和形状注重边缘效应。
由金属板产生的电磁场覆盖对应于模壳或铸模内部的将要测量沙子紧密度的已知。检测，尤其是传感器的电容阻抗成分的检测显示它直接与电场通过的介质的介电常数成比例，根据金属板的几何形状，用不同的公式计算出所述电容阻抗成分
沙子紧密度的差异可以描述成与周围空气相对的沙子所占据的空间体积百分率的变化。因此，空气/沙子混合物的介电常数可以用如下公式表示：
ε＝ε0·{S·εrs+(1-S)·εrA}
其中，S是沙子所占体积的部分；εrs是沙子的介电常数；εrA是空气(或其它气态过程的物质)的介电常数；ε0是真空的介电常数。
由于沙子的介电常数εrs显著不同于空气的介电常数(带有0.1g/cm3水分含量时，沙子的介电常数为大约6F/m；而空气的则只有大约1F/m)。随着沙子的体积百分率相对于空气的体积百分率的增加，传感器的电容阻抗成分的值(直接与ε成比例)表现如下列模式：
急剧的初始变化，它是由首次填充引起的；
进一步的变化，由压紧沙子引起，其体积变化的百分率实际上是从0％到超过70％；
因此可以标准化电容值的测量标准为沙子紧凑度的函数以获得范围从0％(传感器在空气中时)到100％(传感器5在完全压紧的沙子中时)的参数，并且，它还可被校准以适合粒状物(正常来说是沙子)特性的变化，该变化是缘由沙子的不同来源或环境条件的变化。在这方面，通过鉴定任何假效果(例如，粒状物湿度的变化，碳残渣或金属颗粒的污染)或上述现象及粒状物紧密度间的非期望的协同，测量传感器的电阻和/或感应阻抗成分确保了更可靠的粒状物的紧密度评估。
参考图2和图3，传感器5包括金属板9和10限定的的电容器8，每块金属板有外表面15并安装固定于支撑16。金属板9和10由绝缘体11(通常是空气)隔开，并由2个相对的梳齿限定，其中，每个梳子分别有许多交错直的节段12和13。当供给交流电压的时候，金属板9和10产生包含外部电磁场14的电磁场(图3)，该电磁场靠近并位于金属板9和10的表面15周围。
利用金属板9和10的边缘效应，将电容器8设计成主要是产生电磁场14。因为电磁场14影响的绝缘体介电常数的变化，靠近金属板9和10的粒状物2引起传感器5的电容阻抗成分的变化；设计金属板的几何形状以最大化表面导体部分的长度，而保持尽可能小的总面积以最大化电容电感成分。
系统1评估传感器5的阻抗变化。电路6提供了与传感器5的瞬间阻抗成比例的模拟电信号，并且，由于电容阻抗成分直接与紧密度有关，该模拟信号可显示粒状物2的局部紧密度。也可设计电路6以提供实际时间内紧密度比例信号。
电路6也可测量传感器5的电阻和感应成分，并可修正粒状物紧密度的值。
图4中的变化，金属板9和10是圆形片段17限定的两个共面的、同中心的螺旋。
图5中的变化，金属板9和10是直片段18限定的两个共面的、同中心的螺旋。
图2至图5中电容器8的金属板9和10可被定义为薄的、硬或柔韧的安装于支撑板16的金属板，它可以安装到或并进容器3的选定的区域。金属板9和10也可以是应用在支撑板上的厚或薄的传导性薄膜，它可以被设计为薄粘性薄膜以粘接容器3中选定的区域。最后，可通过直接沉放薄膜至容器3或模型7上形成金属板9和10。
粒状物2可能被定义为沙子，或沙子与添加剂和/或结合剂的混合物。容器3可被定义为包含模型7的模壳，而且用沙子填充容器3形成用于金属浇铸的铸模；或者容器3可被定义为铸造型芯铸模。
容器3也可是包含去泡铸造中一丛多聚体泡沫或多聚体小球、或粉状或粒状陶瓷的铸模。容器3也可是运送装置或负载线的部分。最后，粒状物2可被定义为建筑沙子或砂砾，在这种情况下，容器3可以是店铺，车辆或水泥搅拌机。
图6和图7的实施方式中，电容器8的金属板可以定义为2个由电导体制成的同轴的圆柱体19和20，它被绝缘材料制成的圆圈21隔开，分别有限定外电磁场14区域的环行边缘22和23。
无论何种情况下，任何形式的传感器5，和金属板9、10或19、20的都置于容器3内部将要测量粒状物2的紧密度的区域；传感器5的金属板9、10或19、20制成最大化产生电磁场时边缘效应的形状；并且，当粒状物2填充进容器3并与传感器5接触时，传感器5的电容阻抗成分的变化能与粒状物的紧密度相关。
由于传感器5的电容阻抗成分的变化，粒状物紧密度可由调节和控制电路6测量，该电路将阻抗变化转换成可以被计算机获取并处理的电信号。本发明的一个实施方式采用了一个谐振电路，在此情况下，阻抗的变化与电路的频率相关。
因此根据每一特殊情况的需要，允许广泛应用上述传感器5的物理原理和结构(或其它可比较的操作结构)。虽然完全是非限制性的，以下是传感器5优选的实施方式的目录。
a)单独直立传感器5，例如，如图2、4、5、6所示，有独立的结构，可以有不同的大小；能安装于要测量沙子的紧密度的容器3或铸模或模型的区域。并且，假如需要，容易除去以便进一步使用。
b)在薄而且硬或柔韧的支撑上的传感器5，例如，如图2-5所示。其中金属板9和10可被定义为硬或柔韧金属板，它们可能以薄、柔韧的粘薄膜的形式加在支撑16上柔韧或加入模型或容器中。
c)传感器5在原位，尤其是安装于去泡铸造的多聚体泡沫丛。采用筛子印迹或其它薄膜沉淀法可以在多聚体泡丛的表面直接形成交错节段结构或同心的螺旋；在这种情况下，传感器5可以是“可任意安置的”。假如有沙子磨损问题，传感器5可以有沉淀在金属板9、10的表面15的保护膜。
在主要的沙子压紧区域装置合适的传感器可以更快和更有利地生产复杂的浇铸模型，这样可以降低错误的风险，否则的话，只有在浇铸或检查成品时才会检测到这样的错误。通过很快测定最佳处理参数，也较快销售新生产的部分。
如所述，可以用本发明电容传感器5装备铸造线模壳，沙型芯铸模等。并且，可将电路6设计成连续性的沙子填充和压紧阶段的原位控制，从来没有直接控制，以防止利用不太理想的模壳，从而减少不合格品的数量。
因此评估容器3内粒状物的局部紧密度的方法包含如下步骤：
-建立包括电容传感器5的紧密度评估系统1，和调节和控制所述传感器5并能评估传感器5的阻抗变化的电路6；
-将所述传感器5置于所述容器3中要测量粒状物2的紧密度的区域内；
-将所述粒状物2填充进所述容器3并使之与所述传感器5接触；并且，
-通过所述调节和控制电路6、在所述传感器5的阻抗变化，尤其是所述电容成分的改变的基础上，直接测量接触或紧密靠近所述传感器5的粒状物2的局部紧密度。
假如紧密度的值太低，可通过振动容器3来取得理想的紧密度，可以通过评估系统1监控。本发明的紧密度的评估方法和系统能用在任何需要控制粒状物紧密度的实践中，即：运送和装载粒状聚合物或陶瓷材料、店铺中或车上或水泥混合物中的建筑沙子和砂砾的流水线上。
很清楚，在不背离所附权利要求的范围内，可以改动本发明所述的评估方法和系统。
Claims (21)
1.一种评估容器内粒状物局部紧密度的方法，其特征在于包括以下步骤：
-建立紧密度评估系统(1)，它包括电容传感器(5)和调节和控制所述传感器(5)和能评估传感器(5)阻抗变化的电路(6)；
-将所述传感器(5)置于所述容器(3)中要评估粒状物(2)的紧密度的区域内；
-将粒状物(2)填充进所述容器(3)并接触或紧密靠近所述传感器(5)；
-通过所述调节和控制电路(6)、在所述传感器的阻抗，尤其是所述阻抗电容成分改变的基础上，直接评估接触或紧密靠近传感器(5)的粒状物(2)的局部紧密度。
2.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述条件和控制电路(6)也能测量传感器(5)的电阻和感应阻抗成分以鉴别任何假效果这种假效果与粒状物紧密度之间的不期望的协同作用。
3.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述传感器(5)包括电容(8)，所述电容有2块或更多用以在所述金属板(9、10；19、20)附近产生电磁场(14)的金属板(9、10；19、20)。
4.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述条件和控制电路(6)连续指示所述紧密度。
5.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述粒状物(2)定义为沙子或沙子与添加剂和/或粘合剂混合物；所述容器(3)定义为模壳或金属浇铸模型。
6.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述粒状物(2)定义为沙子或沙子与添加剂和/或粘合剂混合物；所述容器(3)定义为铸造型芯铸模。
7.如权利要求1所述的一种方法，其特征是：所述粒状物(2)定义为沙子；所述容器(3)定义为包含去泡铸造用的多聚体泡丛的模壳。
8.如权利要求1所述的一种方法，其特征是所述粒状物(2)定义为小球状或粉状聚合体或粒状陶瓷；所述容器(3)构成传送和/或装载线的部分。
9.如权利要求1所述的一种方法，其特征是所述粒状物(2)定义为建筑沙子和/或砂砾；所述容器(3)定义为店铺，或工业车辆或它们的混合体。
10.一个评估容器(3)内粒状物(2)的局部紧密度的系统，包括定义为由2块或更多金属板(9、10；19、20)组成的电容器(8)的电容传感器(5)、调节和控制所述电容器(5)的调节控制电路(6)；所述电容器(8)带有已知的无负载电容；该系统特征是：所述传感器(5)包括一个外表面(15)，其有定位以在应用中接触或紧密靠近所述粒状物(2)的形状；当所述表面(15)接触或紧密靠近该粒状物(2)时，所述电路(6)从传感器(5)接受显示所述阻抗变化的信号，相应地显示所述粒状物(2)的局部紧密度。
11.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：所述电路(6)也能测量传感器(5)的电阻和感应阻抗成分以鉴别任何假效果或所述假效果与粒状物紧密度之间的不期望的协同作用。
12.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：所述电容器(8)的金属板(9、10；19、20)是位于一个支撑(16)之上，该支撑(16)是安装于或加入所述容器(3)。
13.如权利要求12所述的一个系统，其特征是：所述金属板(9、10)定义为薄、硬或柔韧的金属板。
14.如权利要求13所述的一个系统，其特征是：所述金属板(9、10)定义为厚或薄的导电性薄膜。
15.如权利要求14所述的一个系统，其特征是：所述支撑(16)定义为加在所述容器(3)上的薄粘性膜。
16.如权利要求14所述的一个系统，其特征是：所述容器(3)定义为包含去泡铸造用的多聚体泡从的膜壳；所述薄膜直接沉在该多聚体丛的表面。
17.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：所述金属板(9、10)包含2或多个直交错节段。
18.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：所述金属板(9、10)包含2或多个定义为圆形(17)或直形(18)部分的共面同中心的螺旋。
19.如权利要求12所述的一个系统，其特征是：所述金属板是已知长度的2或多个同心圆柱体(19、20)形式。
20.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：所述金属板(9、10；19、20)有保护膜。
21.如权利要求10所述的一个系统，其特征是：利用边缘效应，构造所述金属板(9、10；19、20)以在所述传感器(5)的表面(15)附近产生电磁场(14)。
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