CN1475799A - 分析测量信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于分析与一种导电液体相互作用的电磁场的测量信号的方法，以检测该液体中那些导电率与液体不同的成分，其中为测出该成分在液体中的不同分布和浓度，将该测量信号至少分送到两个信道中进行分析。

Description

分析测量信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于分析与一种导电液体相互作用的电磁场的测量信号的方法，以检测该液体中那些导电率与液体不同的成分，其中为测出所述成分在液体中的不同分布和浓度，将该测量信号至少分送到两个信道中进行分析。
在此，所述液体是一种通过一个通道从一个冶金浇注容器中流出的导电熔液。所述与液体导电率不同的成分比较典型的是气体或熔渣。把连续的成分理解成特别是所述成分在熔液的流动方向上形成延伸区域，例如成线状或者其在流动方向上的延伸比通道直径大得多。把不连续的成分理解成所述成分或颗粒的不连续区域，它们在流动方向上的延伸典型地要比通道直径小。
本发明同样地涉及一种方法，此方法在一个被该熔液流经的测量位置处对一至少部分穿越该流动熔液的电磁场的干扰进行分析，该电磁场由至少一个被一交变电流流过的发射线圈产生。上述类型的装置除了发射线圈外还具有一个用于在测量位置测量对磁场的干扰的测量元件以及一个根据对磁场的干扰可检测出如气体或熔渣那样的非金属成分的分析装置。
背景技术
在浇注来自一个冶金浇注容器(例如一转炉、一浇包或一分配斗)的金属熔液时力求不将漂浮在金属熔液表面的熔渣—非金属相的成分传送到下一个浇注容器中。上述类型的方法和装置用于监测流出的熔液，于是可以在检测熔渣时采取措施来抑制熔渣的传送。这些措施可以是发出警告信号或者自动结束浇注过程或者影响流动。影响流动的措施例如是减小流出横截面或者将气体(典型的是氩或氮)吹入流出区以阻止生成涡流。测量位置典型地被设置在控制流出的调节机构的上方。
在上述类型的方法和装置中借助于一个由交变电流流过的发射线圈在流出通道中测量位置处建立一个交变磁场。该磁场在流动的熔液中产生一个电压，该电压自身在导电的熔液中产生一个电流(涡电流)。该电流再次产生一个可用测量元件测量的交变磁场。
当流出的熔液含有比金属导电率小的成分时，在熔液中的电流分布就改变了，从而交变磁场的磁场强度也改变了。通过在测量位置测量磁场强度的变化测出夹带的非金属成分。当磁场强度的累加变化达到一个极限幅度时，就发出一个警告信号或/和控制信号。
一种上述类型的方法和一种相应的装置已在德国专利申请公开说明书DE 31 42 681 A1中作了记载。在此，建议借助于在一个接收线圈中感生的电压来测量在测量位置处的磁场变化，该接收线圈与发射线圈一样同轴地环绕一个冶金浇注容器的流出通道放置。
在德国专利申请公开说明书DE 34 39 369 A1和DE 37 22 795 A1中描述了对这种方法的改进。一方面，建议给发射线圈加载不同的、相互叠加的频率。然后，由于接收线圈的作用可以看到流动熔液的一个高分辨率的图象，因此，可以从中检测到一个极小的熔渣份额。另一方面，建议将发射和接收线圈设置在一个非磁性的壳体中，以减小由于一冶金浇注容器的铁磁性底板的温度变化而引起的信号偏差，也就是说减少在测量位置处磁场强度的误测。
此外，通常已知，通过测量线圈温度和校正测量值至少可以部分地补偿信号偏差。但是，如果铁磁性金属件位于线圈附近时，温度与测量信号之间的关系是非线性的，从而不可能完全消除温度对信号的影响。尽管已作出了改进，使用已知的上述类型的方法和装置通常还会在排空过程将近结束时将熔渣的残余部分传送到下一个浇注容器中。因此，使用已知的方法和装置常常不能满足对最终产品纯净度所提出的高要求。
对于产生该少量残留物的原因，一方面要在所使用的上述类型装置从技术角度形成的检测极限内寻找，另一方面要在一个作为“连续混合”的已知过程中寻找：在熔液从一个浇注容器中流出的排空过程将近结束时可能会产生一个所谓的涡汇。漂浮在金属熔液表面的熔渣由于其比重较小而被这样的涡汇以“线”状吸入到流出通道中，在那里，其横截面、从而该熔渣在熔液中的重量比从接近零开始连续增大。只要熔渣在熔液中的重量比低于上述类型装置的极限幅度，它就不会被该装置检测到，熔渣不被察觉地一起流过。但是也不能任意降低上述类型装置的极限幅度，因为在信号技术中被称为“杂音”的干扰信号和特别是温度偏差都叠加在测量信号上。由于这些不可避免的误差原因，对于上述类型的方法和装置规定了一个不可能被降得更低的似乎“固有”的检测极限。
根据已有的观点，公知的在产生一涡汇时的熔渣“连续混合”过程的特点是，熔渣从混合过程开始起就以“熔渣线”的形式被夹带，它的横截面或多或少地连续增大。在对已知的上述类型装置的测量信号进行频谱分析时在测量位置处观测到对磁场的脉冲式干扰。该干扰的脉冲波形相当于熔液中不连续地通过发射线圈电磁场的不导电聚集物。
通过有目的地观察这种按照已有观点被忽略的、称作“杂音”的干扰，已证实在连续吸入一个细的线状熔渣之前常常先吸入少量的、不连续的熔渣，或者该线状熔渣被多次中断。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于分析与一种导电液体相互作用的电磁场的测量信号的方法和装置，以检测该液体中那些导电率与液体不同的成分，特别是检测流动的金属熔液中夹带的熔渣，该方法和装置与现有方法和装置相比明显降低了在浇注将近结束时从一个冶金浇注容器中被夹流出的熔渣的残余量。
特别应当提供一种方法，利用该方法同时既可以检测和分析与流动金属熔液相互作用的一个电磁场产生的极弱测量信号，也可以检测和分析极强的测量信号，在该金属熔液中存在非金属成分，它在熔液中的份额可能是很小的、也可能是很大的，且也可能是不连续地出现在流动方向的延伸区域。
另一方面，也可能几乎没有流出涡流从浇注容器中流出。于是较轻物质的体积份额几乎突然增大。因此要解决的另一个技术问题是提供一种可以以较高的灵敏度检测流出的金属熔液中的非金属杂质、特别是熔渣的方法和装置。其中，不仅要测出较少数量杂质，而且尤其要检测出少量的不连续的杂质以及它们出现的时间。
本发明的上述技术问题是这样解决的，在前面所述类型的方法和装置的基础上，对流动熔液中所述非金属成分的不同的浓度和分布以及叠加的干扰信号根据已测出的干扰的时间曲线分别作进一步处理，其中主要分成两个时间及频率范围。
为了减少由于特别是温度变化对磁场的干扰的影响，所夹带的非金属成分，特别是在流动方向上延伸的线状杂质依据对磁场的干扰在高于一个下高通截止频率fGu范围进行测量。在形成涡流和增长成线状杂质时涉及一个秒到分钟范围内的缓慢过程。由此引起的对磁场的干扰可以通过一个高通滤波器至少部分地与由温度变化引起的对磁场的干扰相分离开。两个时间范围相叠加，以及由此不可能明确地为一个时间范围配置极小的对磁场的干扰。
此外，熔液中所夹带的分散不连续的非金属成分借助于对磁场的干扰在高于一个上高通截止频率fGo范围进行测量。不连续的夹带成分对磁场产生的脉冲式干扰比由温度变化引起的干扰要小几个数量级，并且明显小于在流动方向上延伸的杂质所引起的干扰。由不连续夹带成分对磁场产生的干扰可以通过一个具有截止频率fGo的第二高通滤波器几乎完全与其他干扰分开，且可单独放大。这样一来，它可以测出的夹带非金属成分的浓度与使用已知装置情况相比要小一个数量级。除了可检测出该成分的最小浓度外，夹带的不连续杂质出现的时间点和数量对将要到来的、出现较大数量非金属成分的夹带是一种提示。对夹带成分的数量和出现的时间点的认识可以提早采取影响流动的措施，这样，与迄今的方法相比大大地减小了这些夹带成分的数量。
尤其优选将第二个信道的信号曲线(Signalverlauf)从第一个信道的信号曲线中减去。然后，可以利用该产生的差值信号测出在熔液中流动方向上延伸的成分。
通过对金属熔液从一个冶金浇注容器中流出过程的监测，已证明下述措施是有利的：对下高通截止频率而言，截止频率与测量位置处的流动速度的乘积介于0.001m/s2至0.01m/s2之间；而对于上高通截止频率而言，该乘积介于0.1m/s2至10m/s2之间。
此外，本发明装置的分析装置在第一信道中安装有一个相应具有截止频率fGu的高通滤波器元件。通过该信道可以在同时减小由温度变化引起的干扰的情况下测出非金属的、特别是在流动方向上成线状延伸的杂质。该分析装置在第二信道中安装有一个具有截止频率fGo的高通滤波器元件。这样，就可以单独测出不连续的夹带成分，并对其作进一步处理。因此，该装置也允许例如同时检测在流动方向延伸的熔渣成分和不连续夹带的熔渣组分和/或吹入的气体。利用该发明尤其可分别检测和分析熔液中所述大量连续分布的成分和少量不连续出现的成分。
在本发明的方法和装置中优选接收线圈作为测量元件，在该接收线圈中由一个发射线圈产生的交变磁场再次感生出一个交变电压。这样，对磁场的干扰也可以作为对在接收线圈中感生出的电压的干扰来检测。原则上可以将发射线圈同样当作接收线圈使用，因为也可以在该线圈中检测对电磁场的感应作用。这样一来，本发明装置再次以特别节省空间的优选方式构成。
在接收线圈中感生的电压由两部分组成。发射线圈的电磁场在接收线圈中感生出一个电压U0。这是一个发射电流、频率以及发射和接收线圈之间的互感系数的函数。通过发射线圈的电磁场在该流动熔液中感生出一个与发射电流、频率以及发射线圈和熔液之间的互感系数成比例的电压。该电压自身在熔液中形成一个再次产生一个电磁场的涡流，这一电磁场在接收线圈中感生出一个与涡流的大小、频率以及熔液和发射线圈之间的互感系数成比例的电压dU。该装置的测量灵敏度在电压U0中的电压变化dU仍被明确地识别的地方有它的极限。dU/U的比值越大，该装置的测量灵敏度越高。
在检测熔渣时，有意义的是在出现极少量的夹带熔渣前已结束排空冶金浇注容器的过程。对这一点来说，在分析单元仅有一个用于确定不连续夹带成分的滤波器元件就已足够。
根据用户对该装置的质量要求，允许或多或少的非金属成分与熔液一起流出。因此，优选该装置具有一个用于累加已测出的测量值的单元，该单元在进行累加时生成一个与夹带成分量成比例的参数、且在该参数超出一个规定的极限值时该单元产生一个用于控制一个影响流动的装置(例如一个闭塞装置)的信号。
在本发明的装置中，该发射线圈和/或接收线圈优选可由该熔液流经，所涉及到的发射线圈的绕组至少部分地环绕着该流动熔液设置。
在一个优选的实施方式中发射线圈和/或接收线圈被设置在一个至少部分是非铁磁性的金属壳体中。该壳体被用于支承以及保护线圈免受机械的和热的负荷。为使电磁场可以穿越该壳体的一部分，这一部分必须由非铁磁性材料构成。
尤其优选将各相互对应的发射和接收线圈被设置在一个共同的金属壳体中。由发射线圈和接收线圈这样构成的结构单元尤其减轻了更换和添装工作。为此，将专门为各自应用适配的线圈安装在该专门设计的、对初次操作的用户就能方便地进行更换的金属壳体中。此外，还保护这些线圈免受机械的和热的负荷。
如果将发射线圈和接收线圈在轴向相隔一定间距、且由一个金属壁相互隔开，并且将两个线圈设置在一个共同的壳体中或每个线圈都被设置在一个各自的壳体中，其中，所述壳体由金属材料制成、且该金属材料至少部分地是非铁磁性的，就可以对该装置的测量灵敏度实现另一种改进。如果发射线圈和接收线圈相互紧挨着，则它们之间的互感系数就大，因而电压U0也大。如果发射线圈和接收线圈之间的互感系数可以被减小而发射线圈与熔液之间以及熔液与接收线圈之间的互感系数并不是等量地减小，就可以提高测量灵敏度。这可以用上述装置来达到。通过发射线圈和接收线圈之间的间距，两个线圈之间的互感系数与线圈和熔液之间的互感系数相比明显地减小，因此，比值dU/U0增大。这种作用还通过发射线圈和接收线圈之间的一个金属间隔壁增强了。其中，间距d应该比线圈壳体的内部的半径与熔液流过的通道的内半径之差小。
本发明装置的发射线圈和接收线圈可以优选被集成在冶金浇注容器的通常由陶瓷制成的流出通道的一段中。此外，测量位置(即所选位置的状态将决定浇注过程是否继续)被设置在非常靠近冶金浇注容器的流出口处。
本发明方法和装置特别适合用于进一步分析在测量位置测出的信号，特别是用于在模型中分类或者用于与其他对夹带的杂质有影响的信息的统计关联。这类信息例如可以是冶金浇注容器中的当前残留物含量、流出通道的磨损情况或陶瓷内衬的使用年限，因此，可以例如从先前发生的浇注过程推导出比较参数和对随后的排空过程的推测或用于在识别夹带杂质典型图形时给出释放警告信号或控制信号的指示。
附图说明
下面通过对附图中实施方式的描述对本发明作进一步说明。其中，不同的实施方式中的同类部件以相同的数字和不同的字母来表示。
图1示出一个带有本发明装置的浇注容器沿其流出通道的纵剖图。
图2示出本发明装置的第一种线圈装置。
图3为图1中流出通道的放大纵剖图。
图4为本发明装置的线路图。
图5为本发明装置的滤波器特性曲线。
图6示出本发明装置的第二种线圈装置。
具体实施方式
图1示出在一个未详细表示的浇注容器的底部区域3中陶瓷流出通道2旁的本发明装置的线圈装置1，金属熔液4流经该线圈装置1。在测量位置处的流动速度为2m/s。浇注容器在底部区域中具有一个钢的支承结构5和一个保护钢的支承结构5免受金属熔液4损害的一个陶瓷内衬6。陶瓷流出通道2贯穿陶瓷内衬6和支承结构5，并且在支承结构5的下方可被平板阀7以未进一步说明的方法封闭。线圈装置1环绕着流出通道2安装到支承结构5中及内衬6和平板阀7之间。
在图2中单独示出的线圈装置设计成环状，带有一个截面为矩形、沿该环的轴线延伸的壳体9。根据特定用途，该环形壳体9与限定冶金浇注容器流出区域的构件如支承结构的厚度和/或陶瓷流出通道的直径相适配。壳体9的内直径例如为300mm，奥氏体壳体的壁厚为1mm。在壳体9内其内侧面13整个高度11上设置了一个发射线圈12和一个接收线圈14。线圈的匝数为25。发射线圈与一个在此未示出的交流发电机相连，该发电机供给发射线圈例如电流强度为100mA和频率为100Hz的交变电流，接收线圈与解调器(Demodulator)25的输入端相连。
在图3中示意地表示出本发明的工作原理：金属熔液4通过陶瓷流出通道2从冶金浇注容器中流出。在流出过程将近结束时逐渐增多的熔渣19被带入到流出通道中。在此时，熔渣19可能如已表述的那样首先以不连续量20的形式被吸入，后来才以连续成线21的方式被吸入，它们占熔液的质量份额不断增大。
发射线圈12在流出的金属熔液中相应于所施加的、未详细示出的交变电压产生一个同样未详细示出的交变磁场，该磁场的磁力线在熔液4中在发射线圈高度范围沿流动方向延伸。交变磁场在金属熔液中产生所谓的涡流，该涡流自身在接收线圈14中产生一个未详细示出的、用于检测熔渣的电压。
图4用图来说明对信号的处理。来自接收线圈14的电压被传送到输入端25上，在一个测量转换器26中被解调，且被导送通过一个放大器27。被放大的信号在第一信号电路32a中导送通过第一滤波器33a，并在一个放大器34a中放大，再在一个加法元件35a中被总计，并在一个幅度选择器36a中与一个在此未示出的极限幅度进行比较。不仅该信号而且第二信号在超出该极限幅度时都被传送到分析元件30。上述被放大的信号在第二信号电路32b中导送通过第二滤波器33b，并且同样地在一个放大器34b中放大，再在一个加法元件35b中被总计，并在一个幅度选择器36b中与一个在此未示出的极限幅度进行比较。不仅该信号而且第一信号在超出该极限幅度时都被传送到分析元件30，该分析元件再次在输出端31产生警告和控制信号。
滤波器33a和33b的传输特性在图5中以一个共同的简图作为频率38的函数被表示出来。第一滤波器33a具有一个0.001Hz的截止频率39。第二滤波器33b具有一个5Hz的截止频率40。截止频率39和40表示这样一个频率值，在低于此频率值时各输入信号被衰减至少3dB。在第一滤波器33a输出端上的信号基本上由较多的连续的(线形的)熔渣成分产生，在第二滤波器33b的输出端上的信号由不连续的被夹带的熔渣成分产生。
图6示出了图2所示线圈装置的一种可替换的布置方式。在壳体9中，发射线圈12和接收线圈14被安置得相隔一个间距16，并被一个金属壁15隔开。由于线圈之间有间距，接收线圈处的发射线圈电磁场比线圈直接相互贴靠时弱，并且通过金属壁的衰减作用进一步减弱。发射线圈与一个在此未示出的交流发电机相连，接收线圈与解调器25的输入端相连。

Claims (18)

1.一种用于分析与一种导电液体相互作用的电磁场的测量信号的方法，以检测该液体中那些导电率与液体不同的成分，其特征在于：为测出所述成分在液体中的不同分布和浓度，将该测量信号至少分送到两个信道中进行分析。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电磁场由至少一个被一交变电流流过的发射线圈产生，所述液体是流动的金属熔液、且在一个被该液体流过的测量位置至少部分地被该电磁场穿越，夹带的非金属成分在该测量位置依据对磁场的干扰来检测，其中所述熔液中连续夹带的、在流动方向上延伸的非金属成分依据对电磁场的干扰在一个第一信道中在高于下截止频率fGu的范围进行检测，同时在熔液中分布不连续的成分在一个第二信道中在高于上截止频率fGo的范围进行检测。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述流动的金属熔液是一种从一个冶金转炉中流出的钢熔液，所述非金属成分是熔渣和/或气体。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述截止频率fGo与测量位置处的流动速度v的乘积介于0.1m/s2至10m/s2之间。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于：所述截止频率fGu与测量位置处的流动速度v的乘积介于0.001m/s2至0.01m/s2之间。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：一个对由一发射线圈产生的电磁场的干扰借助于一个对在一接收线圈中感生的电压的干扰进行检测。
7.一种用于检测流动金属熔液中非金属成分的装置，它具有至少一个被一交变电流流过以用于产生一个至少部分穿越该流动熔液的电磁场的发射线圈、一个用于在该熔液流经的测量位置测量对该电磁场的干扰的测量元件以及一个分析装置，其特征在于：一个第一滤波器元件和一个第二滤波器元件，该第一滤波器元件将那些对电磁场的干扰中高于一个下截止频率fGu的部分导送到一个第一信道中，利用该第一信道可以测出在该熔液中夹带的、特别是在流动方向上延伸的非金属成分，该第二滤波器元件将那些对电磁场的干扰中高于一个上截止频率fGo的部分导送到一个第二信道中，利用该第二信道可以测出在该熔液中分布不连续的夹带成分。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于：一个位于至少一个信道中的累加元件和一个幅度选择器，在该累加元件中将在该信道中检测出的测量值累加成一个合计值，该幅度选择器在合计值超出一个极限幅度时释放出一个信号。
9.按照权利要求7或8所述的装置，其特征在于：所述上截止频率fGo与测量位置处的流动速度v的乘积介于0.1m/s2至10m/s2之间。
10.按照权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于：所述下截止频率fGu与测量位置处的流动速度v的乘积介于0.001m/s2至0.01m/s2之间。
11.按照权利要求7至10中任一项所述的装置，其特征在于：所述测量元件是一接收线圈，且在测量位置处对所述电磁场的干扰可依据对该接收线圈中感生的电压的干扰测出。
12.按照权利要求7至11中任一项所述的装置，其特征在于：所述熔液也可以流过所述发射线圈。
13.按照权利要求7至12中任一项所述的装置，其特征在于：所述发射线圈同时是所述测量元件。
14.按照权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于：发射线圈和/或接收线圈各单独地被安置在一个金属的、至少部分是非铁磁性的壳体中。
15.按照权利要求7至13中任一项所述的装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈被设置在一个共用的金属、至少部分是非铁磁性的壳体中。
16.按照权利要求7至15中任一项所述的装置，其特征在于：所述发射线圈和所述接收线圈轴向相隔一定间距且被一金属壁相互隔开，并且或者两个线圈被设置在一个共用的壳体中或者每个线圈被设置在一个各自的壳体中，其中所述壳体由金属材料制成，且该金属材料至少部分是非铁磁性的。
17.按照权利要求7至16中任一项所述的装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈被集成在一个冶金浇注容器的流出通道的至少一段中。
18.一种如权利要求7至17中任一项所述装置的应用，在检测出不连续的和/或连续的杂质时释放一警告信号和/或一用于控制一个流动调节装置和/或一个限制金属熔液流动的装置的控制信号。
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