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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Messung der Schichtdicke von teilerstarrten Schmelzen, insbesondere
auf einem Transportband, im Rahmen eines Bandgießverfahrens.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die in der Lage sind
die Schichtdicke vollständig erstarrter Schmelzen auf einem
Transportband mit Hilfe von Ultraschall, Röntgenstrahlen
oder Lasern zu bestimmen. Diese Verfahren eignen sich jedoch nicht
dazu, die Schichtdicke von teilerstarrten Schmelzen zu bestimmen,
deren Oberflächentemperaturen zum Beispiel bis zu 1500°C
betragen können.
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Weiterhin
ist aus
DE 34 23 977 ein
Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke einer erstarrten Randschicht
einer Schmelze bekannt, das durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes
Wirbelströme in der Schmelze erzeugt, die über
elektromagnetische Induktion detektiert werden, wodurch auf die Dicke
der Randschicht geschlossen wird. Die Dicke einer Randschicht wird
aus der Stärke der Wirbelströme gemäß dem
Unterschied des spezifischen elektrischen Widerstands zwischen einem
nichterstarrten und einem erstarrten Teil bestimmt. Die Wirbelströme werden
daher an derselben Oberfläche der Schmelze gemessen, an
der das magnetische Feld angelegt wird. Hierzu sind allerdings zusätzliche
geeignete Spulensysteme nötig.
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EP 1 900 454 beschreibt
ein Verfahren für das kontinuierliche Stranggießen
von Stahl, wobei gepulste elektromagnetische Ultraschallwellen erzeugt
werden, welche zum Teil moduliert und durch den Strang geleitet
werden. Die magnetische Permeabilität im Strang wird durch
diese Ultraschallwellen aufgrund der auftretenden Magnetostriktion
verändert. Die transmittierten magnetischen Ultraschallwellen
werden durch elektromagnetische Induktion gemessen und dazu verwendet,
den Erstarrungsfortschritt der Schmelze durch Korrelation zu bestimmen.
Dieses Verfahren erfordert eine aufwendige und komplizierte Messeinrichtung,
die in der Lage ist, gepulste modulierte Felder zu erzeugen, diese
zu detektieren und zu korrelieren.
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DE 3110900 beschreibt ein
Verfahren zur Messung der Schalendicke von erstarrenden Metallen,
wobei eine Sende- und eine Empfangsspule verwendet werden. Je nach
Leitfähigkeitsverteilung dringen die elektromagnetischen
Felder mehr oder weniger in den Probenkörper ein. Das resultierende
Gesamtfeld induziert in der Empfangsspule einen Strom, der in der
Phase und der Amplitude gegenüber dem ursprünglichen
Feld verschoben ist.
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Diese
Verfahren oder Vorrichtungen zur Charakterisierung von Schalen-
bzw. von Schichtdicken sind relativ kompliziert und aufwendig.
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Es
stellt sich somit die technische Aufgabe, ein einfacheres und preiswerteres
System bereitzustellen, dass die Schichtdickenbestimmung einer teilerstarrten
Schmelze ermöglicht. Weiterhin soll dieses System weniger
Platz einnehmen, als es in den zitierten Dokumenten der Fall ist.
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Die
beschriebene technische Aufgabe oder wahlweise Teile davon, werden
von der vorliegenden Erfindung vor allem durch die folgenden Merkmale gelöst.
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Die
Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Messung der
Schichtdicke von teilerstarrten Schmelzen auf einem Transportband
mittels magnetischer Felder im Rahmen eines Bandgießverfahrens,
wobei ein magnetisches Feld auf einer Seite der teilerstarrten Schmelze
erzeugt wird und das magnetische Feld die teilerstarrte Schmelze
durchdringt und auf der anderen Seite der teilerstarrten Schmelze
gemessen wird und wobei der Abfall des magnetischen Feldes auf der
anderen Seite der teilerstarrten Schmelze zur Berechnung der Schichtdicke
der teilerstarrten Schmelze verwendet wird und zur Erzeugung des
magnetischen Feldes elektromagnetische Rührspulen verwendet
werden.
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Solche
Rührspulen sind in der Regel in einem System zum Bandgießen
bereits vorhanden. Daher müssen keine zusätzlichen
Spulen, die weiteren Platz beanspruchen oder Kosten verursachen, installiert
werden, um die geeigneten magnetischen Felder zu erzeugen.
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Der
Begriff „Abfall des elektronischen Feldes” meint
die verbleibende Restfeldstärke oder die Differenz zwischen
der Sende- und der Empfangsleistung des elektrischen Feldes.
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In
einer weiteren bevorzugten Form werden die elektromagnetischen Rührspulen
mit Frequenzen von weniger als 20 Hz betrieben, wobei bei dem Betrieb
der Rührspulen Oberwellen entstehen, die Frequenzen zwischen
500 Hz und 10000 Hz aufweisen.
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Solche
Frequenzen können dann direkt zur Schichtdickenbestimmung
verwendet werden, so dass keine zusätzlichen Einrichtungen
mehr zur Erzeugung der Frequenzen benötigt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren
das Merkmal auf, dass Frequenzen zwischen 500 Hz und 10000 Hz direkt
in die Spulen der Rührer eingespeist werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren
das Merkmal auf, dass zur Messung der Schichtdicke mehrere Frequenzen
zwischen 500 Hz und 10000 Hz verwendet werden.
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Durch
die Verwendung mehrerer Frequenzen kann so die Schichtdicke noch
genauer charakterisiert werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren
das Merkmal auf, dass mehrere Sensoren über die Breite
des Transportbandes angeordnet werden, um mehrere Messpunkte zu erhalten.
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Durch
dieses Merkmal kann eine genauere Auflösung der Schichtdicke
der Schmelze mit Bezug auf die Breite des Transportbands erhalten
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt das Verfahren
ein Dünnbandgießverfahren dar, wobei die Schichtdicke
der teilerstarrten Schmelze zwischen 10 mm und 30 mm liegt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren
das Merkmal auf, dass die Felder oberhalb oder wahlweise unterhalb
der teilerstarrten Schmelze erzeugt werden und unterhalb oder wahlweise
oberhalb der teilerstarrten Schmelze gemessen werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren
das Merkmal auf, dass das magnetische Feld über die Breite
des Transportbandes homogen erzeugt wird.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung auch eine dem erfindungsgemäßen
Verfahren entsprechende Vorrichtung. Diese Vorrichtung bietet im
Wesentlichen die gleichen Vorteile wie das beschriebene Verfahren.
Die Erfindung umfasst folglich eine Vorrichtung zur Messung der
Schichtdicke von teilerstarrten Schmelzen auf einem Transportband,
welche folgendes umfasst: Eine Einheit zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes auf einer Seite der teilerstarrten Schmelze; mindestens einen
Sensor zur Messung des die teilerstarrte Schmelze durchdringenden
magnetischen Feldes auf der anderen Seite der teilerstarrten Schmelze;
wobei die Einheit zur Erzeugung des magnetischen Feldes durch elektromagnetische Rührspulen
gebildet ist und dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass
zur Berechnung der Schichtdicke der teilerstarrten Schmelze der
Abfall des durch die Sensoren gemessenen magnetischen Feldes auf der
anderen Seite der teilerstarrten Schmelze verwendet wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung erzeugen
die Rührspulen magnetische Felder mit Frequenzen zwischen
500 Hz und 10000 Hz.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
werden die elektromagnetischen Rührspulen mit Frequenzen
von weniger als 20 Hz betrieben, wobei bei dem Betrieb der Rührspulen
Oberwellen entstehen, die Frequenzen zwischen 500 Hz und 10000 Hz
aufweisen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
werden Frequenzen zwischen 500 Hz und 10000 Hz direkt in die Spulen
der Rührer eingespeist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
erzeugen die Rührspulen mehrere Frequenzen zwischen 500
Hz und 10000 Hz.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung
liegt der Abstand zwischen den elektromagnetischen Rührspulen
und den Sensoren zwischen 50 mm und 150 mm.
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Schließlich
umfasst die Erfindung auch eine Anlage, welche ein Transportband
einer Bandgießanlage zum Transport einer teilerstarrten
Schmelze umfasst, wobei die Anlage weiterhin eine Vorrichtung zur
Bestimmung der Schichtdicke der teilerstarrten Schmelze gemäß einer
der Ausführungsformen der oben genannten Vorrichtung umfasst.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Anlage umfasst die
Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke der teilerstarrten Schmelze
mehrere Sensoren, die über die Breite des Transportbandes angeordnet
sind, so dass in Breitenrichtung mehrere Messpunkte vorliegen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anlage sind
die elektromagnetischen Rührspulen in einem Abstand von
weniger als 150 mm über und/oder unter der teilerstarrten
Schmelze angeordnet.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im
Folgenden werden kurz die Figuren einiger Ausführungsbeispiele
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt.
Weitere Details und mögliche Ausführungsformen
finden sich in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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1 zeigt
eine vereinfachte und beispielhafte perspektivische Ansicht einer
Rührspulenanordnung oberhalb der Schmelze.
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2 zeigt
eine vereinfachte und beispielhafte perspektivische Ansicht der
Rührspulenanordnung oberhalb der Schmelze aus 1,
jedoch mit Blick auf die Unterseite der Schmelze.
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3 ist
ein Diagramm, das beispielhaft die Abhängigkeit des detektierten
magnetischen Feldes von verschiedenen erzeugten Magnetfeldfrequenzen und
Schichtdicken illustriert.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Es sind
magnetische Rührspulen 1 zu sehen, die ein magnetisches
Feld oberhalb der Schmelze 2 erzeugen. Das erzeugte magnetische Feld
durchdringt zur Messung die Schmelze 2 und wird durch Sensoren 3 detektiert,
die sich auf der Unterseite der Schmelze 2 befinden (in 1 nicht sichtbar).
Insbesondere werden nach dem Ausführungsbeispiel von 1 Eisenkerne 4 sowie
ein entsprechendes Joch 5 verwendet, um die Effizienz der Rührspulen
zu erhöhen. Unterhalb der Rührspulen 1 sind
die Eisenkerne 4 durch Bereiche getrennt, die als isolierend
gegenüber dem magnetischen Fluss gelten. Diese sind aus
einem dafür geeigneten Material ausgebildet, wie z. B.
aus Kupfer. Das Joch 5 verbindet auf der Oberseite der
Spulen alle Eisenkerne 4. Die Verwendung der Eisenkerne 4 und
des Jochs 5 ist nicht notwendig, sondern zeigt nur eine
Ausführungsform von Rührspulen zur Erzeugung magnetischer
Felder.
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Weiterhin
befindet sich die teilerstarrte Schmelze 2 während
der Messung bevorzugt auf einem Transportband (nicht in 1 gezeigt)
im Bereich der Rührspulen 1, wobei sich das Transportband
vorzugsweise während der Messung bewegt, aber auch stillstehen
kann. Die Messung kann außerdem im Bereich der bewegten
Kokillen erfolgen.
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Teilerstarrt
bedeutet, dass die Schmelze 2 zum Teil flüssig
und zum Teil fest ist. Die Schmelze 2 kann zur Messung
aber auch in einer gänzlich flüssigen Form vorliegen
oder auch vollkommen erstarrt sein. So kann die Schichtdicke der
flüssigen, teilerstarrten oder erstarrten Schmelze 2 quantitativ
bestimmt werden. Falls erforderlich ist es auch möglich, lediglich
die Schichtdicke einer erstarrten Randschicht der Schmelze zu bestimmen.
Die Oberfläche der Schmelze 2 kann während
der Messung bis zu 1500°C betragen, wobei diese Temperaturen
für bestimmte Materialien auch höher sein können,
was die Messung nach der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
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In 1 wird
das magnetische Feld auf der Oberseite der Schmelze 2 mit
einer Rührspule 1 erzeugt. Die Rührspulen
können jedoch auch unterhalb der Schmelze 2 angeordnet
sein. Auf der jeweils anderen Seite der Schicht kann ein geeigneter
Sensor 3 den Abfall des Magnetfeldes messen (siehe 3). Dabei
liegt der Abstand der Rührspulen und des Sensors 3 bevorzugt
bei 50 mm bis 150 mm. Die Dicke der gemessenen Schmelze 2 liegt
zwischen diesen Werten und kann vorzugsweise zwischen 10 mm und 30
mm betragen, wobei man in diesem speziellen Fall von einem Dünnbandgießverfahren
spricht. Es sind allerdings auch andere Anordnungen denkbar, bei
denen der Abstand zwischen Rührspule 1 und Sensor 3 größer
ist und z. B. bis zu 400 mm beträgt und die Dicke der Schmelze
bis zu 350 mm beträgt.
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Die
verwendeten Rührspulen 1 werden vorzugsweise mit
Frequenzen von weniger als 20 Hz betrieben. Es sind aber auch, je
nach spezieller Anwendung, Frequenzen von bis zu 100 Hz möglich.
Durch die Umwandlung des Netzstromes in den Betriebsstrom der Rührspulen 1 entstehenden
Oberwellen in dem für die Messung der Schichtdicke vorgesehenen Bereich
von 500 Hz bis 10000 Hz. Diese bereits vorhandenen Schwingungen
bzw. Frequenzen können für die Messung der Schichtdicke
verwendet werden. Es ist aber je nach Anwendung auch möglich,
die erforderlichen Frequenzen bzw. Ströme mit diesen Frequenzen,
auch in die Rührspulen 1 einzuspeisen, um höhere
Feldintensitäten zu erreichen.
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Weiterhin
kann vor Beginn der Messung ein Nullpunkt der Messung bestimmt werden.
Das heißt, dass die Messung ohne eine zu messende Schmelze 2 durchgeführt
wird, um zum Beispiel den Einfluss eines Transportbandes oder anderer
Faktoren, nicht in der Messung zu berücksichtigen.
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Die
Messung kann noch weiter verbessert werden, wenn das Magnetfeld
auf beiden Seiten der Schmelze 2 gemessen wird. Dazu können
Sensoren 3 auf beiden Seiten der Schmelze 2 angeordnet
sein. Zudem ist es möglich mehrere Messfrequenzen zu verwenden,
um die Messgenauigkeit zu verbessern und etwaige Störungen
auszugleichen.
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Durch
die vorhandenen Rührspulen 1 kann insbesondere über
die Breite der Anlage ein homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt
werden. Die Breite ist hierbei als senkrecht zur Gießrichtung
zu verstehen.
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2 zeigt
dieselbe Anordnung wie 1, jedoch mit Blick auf die
untere Seite der Schmelze 2. Sichtbar sind die Sensoren 3,
die unterhalb der Schmelze 2 angebracht sind. In diesem
Fall sind die Sensoren 3 senkrecht zum Transportband, das
heißt in Breitenrichtung, angeordnet. Es kann aber auch
alternativ nur ein Sensor 3 vorgesehen sein. Die Anzahl
der Sensoren 3 ist zudem nur durch die baulichen Gegebenheiten
der Gießanlage beschränkt, so dass auch mehr Sensoren,
als in 2 gezeigt, vorgesehen sein können. Mit
Hilfe von mehreren Sensoren 3 kann man mehrere Messpunkte
erhalten. So können entlang der Breite der Schmelze 2 mehrere Sensoren 3,
zum Beispiel zwischen 2 und 20 Sensoren, angeordnet werden, um Informationen über
den Verlauf der Schichtdicke der Schmelze 2 in Breitenrichtung
zu erhalten.
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3 zeigt
beispielhaft die Abhängigkeit des auf Eins normierten detektierten
magnetischen Feldes von der Schichtdicke der Schmelze. In diesem Beispiel
ist der Effekt eines vorhandenen Transportbandes auf das detektierte
Signal bereits im Zuge der Eichung heraus gerechnet. Im Beispiel
von 3 sind Schichtdicken der Schmelze zwischen 0 mm, dass
heißt keiner eingebrachten Schmelze, und 25 mm angegeben.
Es ist klar erkennbar, dass das normierte detektierte Feld mit steigender
Schichtdicke kleiner wird. Außerdem ist erkennbar, dass
Frequenzen von 10000 Hz zu einem schnelleren Abfall des detektierten
Feldes mit steigender Dicke der Schmelze führen als niedrigere
Frequenzen. So fällt das detektierte magnetische Feld für
Felder mit einer Frequenz von 2000 Hz weniger stark mit steigender
Dicke der Schmelze ab und das detektierte magnetische Feld für
Felder mit einer Frequenz von 1000 Hz noch weniger stark ab. Im
Allgemeinen gilt, dass magnetische Wechselfelder in elektrisch leitenden
Materialien Wirbelströme hervorrufen, die wiederum ein magnetisches
Feld erzeugen, das dem ursprünglichen Feld entgegen gerichtet
ist, so dass das resultierende detektierte Feld schwächer
als das erzeugte Feld ist. Inwieweit sich Wirbelströme
in der Schmelze ausbilden können, hängt unter
anderem von der elektrischen Leitfähigkeit und der Permeabilität
der speziellen Schmelze und von der Frequenz der erzeugten, ange legten
magnetischen Felder ab. Handelt es sich um ein ferromagnetisches
Material, wird zusätzlich durch Ummagnetisierungen der
magnetischen Momente innerhalb der Schmelze magnetische Feldenergie
in Wärme umgewandelt, wodurch das erzeugte Feld ebenso
abgeschwächt wird. Zudem kann der Effekt der Magnetostriktion
auftreten, durch den ebenso magnetische Feldenergie verloren geht.
Oberhalb der Curie-Temperatur, über der ein solches Material paramagnetisch
ist, treten diese letztgenannten Effekte nicht auf, sodass in diesem
Fall magnetische Feldenergie lediglich hauptsächlich aufgrund
der Ausbildung von Wirbelströmen dissipiert wird. Die Eindringtiefe
von Wirbelströmen und damit die Eindringtiefe des magnetischen
Feldes, verhält sich näherungsweise umgekehrt
proportional zur Wurzel der Frequenz der angelegten Felder, der
Leitfähigkeit des Materials sowie seiner relativen Permeabilität. Das
bedeutet, dass sich, im Falle einer sehr hohen Leitfähigkeit
oder einer sehr großen relativen Permeabilität,
Wirbelströme nur in Bereichen nahe der Oberfläche
der Schmelze ausbilden und nicht weiter im Inneren der Schmelze,
da die magnetische Feldenergie an der Oberfläche schon
nahezu vollständig durch die Entstehung von Wirbelströmen
verlorengeht. Generell ist klar, dass das normierte detektierte Magnetfeld
bei einer festen Magnetfeldfrequenz mit wachsender Dicke der Schmelze
kleiner wird, da sich mehr Material, in dem zum Beispiel Wirbelströme entstehen,
im Weg des Feldes befindet. Dadurch wird mit zunehmender Dicke der
Schmelze mehr Energie dissipiert. So ist bei einer Frequenz von
10000 Hz und einer Schichtdicke von 25 mm die Schmelze so dick,
dass nahezu die gesamte Feldenergie von der Schmelze absorbiert
wird. Bei gleicher Frequenz und noch größerer
Schichtdicke ist die Eindringtiefe des magnetischen Feldes dann
sogar kleiner als die Schichtdicke der Schmelze. Wie in 3 zu
sehen ist, können aber die Felder mit Frequenzen von 1000 Hz
und 2000 Hz die Schmelze auch bei einer Dicke von 25 mm noch durchdringen.
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- 1
- Rührspulen
- 2
- Schmelze
- 3
- Sensoren
- 4
- Eisenkerne
- 5
- Joch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3423977 [0003]
- - EP 1900454 [0004]
- - DE 3110900 [0005]