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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Kenngröße eines Materials, eine Prozesssteuerung sowie ein Elektroschmelzverfahren, insbesondere für einen Lichtbogenofen, und ein Stranggussverfahren.
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Oft interessierten genaue Informationen über die Vorgänge im Inneren eines Materials, etwa in einem Elektroschmelzverfahren zur Bestimmung der energetischen Effizienz des Schmelzvorgangs oder in einem Stranggussverfahren. Beispielsweise sei eine Stranggussanlage genannt, in der ein Strang metallischen Materials hergestellt wird. Das Material wird aus einem Reservoir flüssigen Metalls abgezapft und in einem kontinuierlichen Prozess gekühlt, bis es sich verfestigt. Naturgemäß setzt die Kühlung von außen nach innen ein. Wenn die Verfestigung außen stattgefunden hat, ist es nicht mehr möglich, mit konventionellen Mitteln Informationen über Vorgänge im Inneren des Strangs, etwa das Ausfestigen des Kerns des Strangs, zu erhalten. Es ist deshalb schwierig, Stranggussanlagen bestmöglich zu steuern. Konventionelle Sensoren können optische Informationen liefern oder auch Temperaturinformationen. Aber diese geben primär Informationen wieder, die an der Oberfläche des vermessenen Materials liegen. Für Vorgänge im Inneren haben sie geringe Aussagekraft.
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Die
DE 4229371 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Lichtbogens, bei dem der Abstand von Elektroden zum Schmelzen von Schmelzgut nach Maßgabe der zeitlichen Differenzierung des Elektrodenstroms eingestellt wird. Insbesondere wird hier die zweite Ableitung verwendet.
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Die
DE 20215977 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Anpassung einer elektrischen Last an eine Stromquelle, bei der die zweite Ableitung eines Ausgangssignals der Stromquelle gebildet und in einen Verstärker eingegeben wird, an dessen Ausgang eine Last liegt.
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Nachteil der bekannten Techniken ist es, dass sie keine Informationen darüber liefern, was sich im Inneren eines sich verändernden Materials abspielt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße eines sich verändernden Materials sowie eine Prozesssteuerung anzugeben, die Informationen über Vorgänge im Materialinneren liefern bzw. verwenden können.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Ein Verfahren zur Ermittlung einer Kenngröße (K) für ein sich in seiner Temperatur oder Konsistenz veränderndes Material hat die Schritte kontinuierliches Erfassen der Intensität einer von dem Material ausgesandten Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, und Ausgeben eines entsprechenden kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Signals (S), Bilden der zweiten Ableitung des erfassten Signals (S) oder eines daraus hergeleiteten (z. B. rauschgefilterten, tiefpassgefilterten) Signals (D), und optional getrenntes Auswerten der positiven Werte und der negativen Werte der gebildeten Ableitung, und Herleiten der Kenngröße (K) aus der zweiten Ableitung oder den Auswertungsergebnissen der positiven Werte und der negativen Werte. Die Kenngröße kann z. B. in Elektroschmelzverfahren oder in Stranggussverfahren zur Verfahrenssteuerung bzw. Regelung verwendet werden.
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Eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße für ein sich veränderndes Material hat einer Strahlungserfassungseinrichtung zum kontinuierlichen Erfassen der Intensität der von dem Material ausgesandten Strahlung, eine Ableitungseinrichtung zum Bilden der zweiten Ableitung des erfassten Signals, eine Auswerteeinrichtung, die zum getrennten Auswerten der positiven Werte und der negativen Werte der gebildeten Ableitung ausgelegt ist, und eine Herleitungseinrichtung zum Herleiten der Kenngröße aus der zweiten Ableitung oder den Auswertungsergebnissen der positiven Werte und der negativen Werte
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Viele Materialveränderungen haben thermische Auswirkungen dahingehend, dass thermische Energie frei wird oder aufgenommen wird. Bei einem Kondensationsvorgang etwa wird die im Material steckende Kondensationsenergie frei. Dies geschieht in kleinsten lokalen Parzellen, die dadurch einerseits in ihrer Temperatur geändert werden. Andererseits wirkt die Umgebung in gewissem Umfang als thermischer Tiefpass und Mittelwertbildner, so dass Effekte verschliffen und thermisch betrachtet niederfrequenter werden. Dies bildet sich in kleinen lokalen Temperaturänderungen ab, die ihrerseits Änderungen der thermischen Strahlungsleitung bewirken, die erfassbar sind und somit ein Signal betreffend die Materialveränderung liefern.
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Wenn in einem derart erfassten Signal die zweite Ableitung gebildet wird, werden störende Gleichanteile aus der Temperatur und aus dem globalen Temperaturgradienten entfernt. Die erste Ableitung entfernt den Temperaturanteil, die zweite den globalen Temperaturgradientenanteil, der in kleinen Zeitfenstern häufig näherungsweise linear ist. Es verbleiben dann die sich aus den obigen Effekten ergebenden Änderungen, die ein markantes Wechselsignal zeigen.
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Das Signal kann ausgewertet werden, etwa in seiner Hüllkurve oder (ggf. in Zeitfenstern gemittelten) Amplituden und mit Schwellenwerten verglichen werden. Es können eine oder mehrere Korrelationen gebildet werden. In dieser Weise kann es in Elektroschmelzanlagen und Stranggussanlagen verwendet werden.
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Die getrennte Auswertung der positiven und negativen Halbwellen dieser zweiten Ableitung führt zu Kennwerten, die Rückschlüsse über Vorgänge im Inneren des Materials zulassen.
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Die Eignung des Signals der zweiten Ableitung wird darauf zurückgeführt, dass es Signale strahlungsrelevanter Mikroereignisse, etwa thermische wie das Schmelzen oder Verfestigen einzelner Kristallite, von maskierenden Makroereignissen (Temperatur, Temperaturgradient über der Zeit) befreit und so freilegt, so dass diese Rückschlüsse auf die sie bewirkenden Mikroereignisse zulassen. Gleiches gilt für biologische oder chemische Prozesse, in denen Materialparzellen strahlungswirksam reagieren oder sich ändern.
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Das getrennte Auswerten der positiven bzw. der negativen Werte kann einen oder mehrere der folgenden Ansätze aufweisen:
- • das Zählen lokaler Maxima der positiven Werte bzw. der lokalen Minima der negativen Werte und ggf. die Differenzbildung und/oder Quotientenbildung der Zählwerte,
- • das Integrieren bzw. das Aufsummieren der positiven bzw. der negativen Werte und/oder ihrer Quadrate und ggf. die Differenzbildung und/oder Quotientenbildung der Integrale bzw. Summen,
- • die Mittelwertbildung für die positiven bzw. die negativen Werte oder ihre Quadrate und ggf. die Differenzbildung und/oder Quotientenbildung der Mittelwerte,
- • das Ermitteln einer Autokorrelation für die positiven bzw. die negativen Werte und ggf. der Vergleich der Autokorrelationen, und/oder
- • das Bilden von Histogrammen der positiven bzw. der negativen Werte und ggf. das Vergleichen der Histogramme.
- • Bilden mittleren Frequenzen und ggf. Phasen von Signalverläufen der positiven bzw. der negativen Werte und Vergleichen der mittleren Frequenzen od. bei ggf. der Phasenkorrelationen
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Der ermittelte Kennwert zur Beeinflussung des Herstellungsprozesses und/oder der Weiterverarbeitung des Materials verwendet wird, indem nach Maßgabe des Kennwerts
- • die Zuführrate von Rohmaterial und/oder
- • die Temperierleistung am bearbeiteten Material stromaufwärts und/oder strromabwärts der Messung und/oder
- • die Reservoirtemperierungsleistung und/oder
- • das Material entsprechend markiert, etikettiert oder verpackt
- • das Fest/Flüssig-Verhältnis eines Stoffs
gesteuert oder geregelt werden.
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Der Kennwert kann auch zur Markierung des vermessenen Materials verwendet wird, indem ggf. aus dem Kennwert ein oder mehrere weitere Kennwerte ermittelt und zuordenbar dokumentiert werden und/oder nach Maßgabe des Kennwerts oder daraus hergeleiteter weiterer Kennwerte eine Klassifizierung vorgenommen und zuordenbar gespeichert oder notiert oder ausgedruckt wird.
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Die Signalauswertung kann offline jenseits des beobachteten Prozesses geschehen oder in Echtzeit und dann zu Echtzeit-Prozesseingriffen führen.
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Die beobachtete Materialveränderung kann ein Verfestigungsvorgang oder ein Schmelz- oder Verdampfungsvorgang oder eine chemische Reaktion oder ein biologischer Prozess oder ein geologischer Vorgang sein.
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Der Kennwert kann vorzugsweise in Echtzeit Bezug nehmend auf mehrere zeitserielle Signalwerte (insbes. deren Ableitung) ermittelt werden, die innerhalb eines oder mehrerer Zeitfenster (z. B. F1, F2, F3, F4 in 2) erfasst werden. Mehrere Zeitfenster können auf der Zeitachse überlappend oder überlappungsfrei gesetzt sein.
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Das Material kann ein einem kontinuierlichen Herstellungsprozess entstammender Strang sich abkühlenden Materials sein, der unter der festliegenden Strahlungserfassungsstelle durchzieht. Das Verfahren ist dann insbesondere ein Stranggussprozess eines vorzugsweise metallischen Materials.
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Das Material kann aber auch ein sich abkühlendes oder verfestigendes oder verflüssigendes oder in seinem Aggregatszustand änderndes Material sein, das sich zumindest zeitweise fest an der Strahlungserfassungsstelle befindet.
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Das Herstellungsverfahren kann ein Stranggussverfahren sein, bei dem geschmolzenes Material bevorratet und einer Stranggussanlage zugeführt wird. Eine Kenngröße eines interessierenden Teils des Materialstrangs wird wie oben beschrieben ermittelt, vorzugsweise an einem und für einen Bereich, in dem der Strang noch nicht durchgehärtet ist, wobei die Infrarotstrahlung erfasst werden kann, die von dem interessierenden Teil ausgesandt wird. Danach können eines oder mehrere von Zufuhrrate des Materials, Transportgeschwindigkeit des Strangs, Kühlleistung am Strang, Temperierleistung des Vorrats gesteuert oder geregelt werden
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Es kann auch ein Elektroschmelzverfahren für Metall, insbesondere Altmetall, sein, bei dem feste Metallteile in einem Schmelzbehälter gefüllt, elektrische Elektroden in die anfänglich aus festen Einzelteilen bestehende Füllung geschoben und elektrische Leistung zugeführt werden. Die Kenngröße wird aus Infrarotstrahlung in unmittelbarer Nähe wenigstens einer der Elektroden wie beschrieben ermittelt und kann zur Steuerung oder Regelung eines oder mehrerer der elektrischen Parameter, insbes. Elektrodenspannung und/oder -strom und/oder Frequenz Steuerung oder Regelung der Elektrodenposition relativ zueinander und/oder Steuerung oder Regelung des Einfahrvorgangs der Elektroden in das zu schmelzende Material verwendet werden.
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Die oben angesprochene Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße kann Teil einer Prozesssteuerung sein, die ggf. mit weiteren Eingangsgrößen aus dem Prozess Ansteuergrößen für Prozesskomponenten erzeugt.
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Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es zeigen
- 1 schematisch eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Kenngröße und den sie optional umgebenden Prozess,
- 2 schematisch Signalfolgen,
- 3 schematisch eine Stranggießanlage,
- 4 Signale zur Erläuterung der Arbeitsweise in 3,
- 5 schematisch einen Elektroschmelzofen, und
- 6 Korrelationen der 2. Ableitungen von Signalen aus der Anlage de 5.
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In der vorliegenden Beschreibung sollen Darstellungen von Verfahrensschritten auch als Darstellung von diese Verfahrensschritte implementierenden Einrichtungen verstanden werden, und umgekehrt. Merkmale sollen auch dann als miteinander kombinierbar angesehen werden, wenn ihre Kombination nicht explizit genannt ist, soweit die Kombination technisch möglich ist.
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In 1 bezeichnet 1 ein Materialstück. Es kann eine Probe sein, die off-line vermessen wird. Oder es kann ein sich im Prozess befindendes Materialstück sein, das „online“ (in Echtzeit) vermessen wird und wo die Ergebnisse dann auch sofort zur Prozessbeeinflussung verwendet werden können. Mit 2 ist schematisch der Prozess symbolisiert, dem das Material 1 entspringt. Mit 3 ist symbolisch der Prozess symbolisiert, in dem das Material weiter bearbeitet werden kann.
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4 symbolisiert einen Sensor für elektromagnetische Strahlung oder ein äquivalentes Signal. Es kann sich insbesondere um einen Infrarot-Sensor handeln. Er kann beispielsweise Strahlung empfangen, die dem Wellenlängenbereich 800 nm bis 50 µm, vorzugsweise 1 µm bis 20 µm entspringt, und in korrespondierende elektrische Signale umwandeln. Das Ausgangssignal S des Sensors 4 ist in der Regel zunächst ein analoges und widerspiegelt die Strahlungsintensität. Es läuft dann in eine Vorrichtung 5, die ganz oder teilweise prozessnah oder prozessfern liegen kann und verschiedene Signalvorverarbeitungen und Signalverarbeitungen aufweist.
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Es kann ein (nicht gezeigter) Tiefpassfilter vorgesehen sein, der hochfrequentes Rauschen herausfiltert und dessen Grenzfrequenz fG (-3dB-Punkt) empirisch so ermittelt wird, dass Nutzsignalanteile weitgehend unverändert passieren können. fG kann über 5 oder 10 oder 20 oder 50 oder 100 oder 200 kHz liegen. fG kann unter 1 Mhz oder 500 oder 200 oder 100 oder 50 oder 20 kHz liegen.
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11 symbolisiert einen Analog/Digital-Wandler, der noch prozessnah liegen kann, beispielsweise als Baueinheit mit dem Sensor 4. Er gibt ein digitales Signal D aus, das im Vergleich zum Signal S quasi kontinuierlich abgetastet ist, wobei die Abtastrate vorgegeben oder einstellbar sein kann. Die digitale Strahlungserfassung kann somit diskret periodisch erfolgen mit Abtastraten fA, die entsprechend dem Abtasttheorem auf die Grenzfrequenz fG des ggf. vorgesehene Tiefpassfilters (fA > 2fG) bzw. die Obergrenze des interessierenden Frequenzbereichs abgestimmt ist und vorzugsweise im Bereich zwischen 500 ns und 100 ms.
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12 symbolisiert eine Einrichtung, mittels derer die zweite Ableitung des einlaufenden Signals gebildet wird. Wenn auf der digitalen Seite gearbeitet wird, kann die zweite Ableitung direkt aus den Werten der Folge D gebildet werden.
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Die Werte der Grundfolge D können einzeln zeitseriell eingelesen werden. Es entsteht auf diese Weise eine Folge D diskret quantisierter Werte a des analog gemessenen Signals S mit D = ... a1, a2, a3, a4, a5 .... Die Verarbeitung kann dann digital quantisiert erfolgen. Aus der Folge D kann
- • die erste Ableitung D' durch Differenzbildung der Signalwerte von D ermittelt werden gemäß D' = ... a2-a1, a3-a2, a4-a3, a5-a4 ... und
- • die zweite Ableitung D'' durch Differenzbildung der Werte der ersten Ableitung D' ermittelt werden oder aus den Werten der Folge D gemäß D'' = ... a3-2a2+a1, a4-2a3+a2, a5-2a4+a3.
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Auf diese Weise entstehen am Ausgang der Vorrichtung 12 Zahlenwerte, die digital oder analog die zweite Ableitung des Signals S repräsentieren. Ein solches Signal wird in den meisten Fällen um Null herum oszillieren, allerdings nicht regelmäßig bzw. periodisch, sondern unregelmäßig. Dieses Signal spiegelt interne Vorgänge in dem Materialstück 1 wider, dessen Strahlung vom Sensor 4 erfasst wurde.
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13a - c und 15 symbolisieren zusammen eine Auswerteeinrichtung. Allgemein ermittelt sie eine Kenngröße aus den Werten der 2. Ableitung.
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Die Auswerteeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine Auswertung oder mehrere unterschiedliche Auswertungen vorzunehmen, was durch Kästchen 13a-c angedeutet ist. Sie kann z. B. dazu ausgelegt sein, separat die positiven Wert und die negativen Werte des Ausgangs der Einrichtung 12 auszuwerten. Dies ist durch separate Kästchen 13a und 13b angedeutet. Es deutet eine Parallelverarbeitung an. Dies kann so sein, muss aber nicht sein. Es kann auch eine kontinuierlich getrennte Verarbeitung erfolgen oder eine zeitserielle Verarbeitung.
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Es entstehen auf diese Weise Zwischenergebnisse für die positiven Werte Zp und Zwischenergebnisse für die negativen Werte Zn. Es kann sich hier um einzelne Werte handeln oder um komplexere Datensammlungen. In der Einrichtung 15 werden die Zwischenergebnisse Zp und Zn für die positiven und negativen Werte weiter ausgewertet und zuletzt ein Kennwert K erzeugt. Dieser Kennwert kann seinerseits ein einzelner Wert sein oder ein mehrwertiger Datentupel.
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13c kann z. B. eine Hüllflächenbetrachtung sein, z. B. der Vergleich ihres momentanen Wertes mit Schwellenwerrten o. ä., oder eine Korrelationsbildung.
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1 zeigt schematisch auch, wie der Kennwert verwendet werden kann. Er kann entweder dokumentierend und gegebenenfalls Materialien zuordenbar gespeichert werden, ggf. auch als Tupel in Verbindung mit weiteren Prozessgrößen. Angedeutet ist hier eine Einrichtung 17, die den Kennwert und ggf. weitere Größen, insbesondere Prozessgrößen, geeignet verknüpft und formatiert, und ein Speicher 18 zum Speichern der Datentupel. Zeitseriell können viele Kennwerte bzw. Datentupel mit dem Kennwert anfallen und gespeichert werden.
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Der Kennwert K kann aber auch zur Prozessbeeinflussung verwendet werden. Er kann in einen Regler oder in ein Steuerungsgerät 16 gegeben werden, das auch andere Größen, insbesondere Prozessgrößen, empfangen kann, und das nach Maßgabe vorgegebener Parameter Ansteuergrößen für die stromaufwärtigen Prozesskomponenten 2 (vor der Herstellung der vermessenen Probe 1) und/oder für die stromabwärtigen Prozesskomponenten (Weiterverarbeitung des Materials 1) erzeugt.
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Ein insoweit vorgesehene Regler kann ein konventioneller Regler sein mit Proportionalanteil P und/oder Integralanteil I und/oder Differentialanteil D, insbesondere P, PI, PD oder PID, in Abhängigkeit von der zu regelnden oder steuernden Größe.
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2 zeigt schematisch die signaltechnische Auswirkung der Erfindung.
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In 2A ist beispielhaft ein ursprüngliche Signal S über der Zeit t aufgetragen. Angenommen ist, dass es sich um ein sich abkühlendes Material handelt. Da über der Zeit die Temperatur sinkt, sinkt dementsprechend auch die Strahlungsleistung und dementsprechend auch das Signal S, das vom Strahlungssensor ausgegeben wird. Das Signal S enthält Schwankungen kleiner Amplitude, die zwar zum Teil systemisch bedingtes Rauschen sind, die zu einem Teil aber auch Nutzsignale enthalten. Allerdings sind sie aus dem Signal S heraus selbst nicht verwertbar.
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Die erste Ableitung ds/dt des Signals S ist schematisch in 2B gezeigt, die im Vergleich zur 2A als zeitlich gespreizt verstanden werden soll. Sie entfernt den Gleichanteil von S über der Zeit. Da insgesamt das Signal S über der Zeit sinkt, liegt das Signal ds/dt mehrheitlich im negativen Bereich und hat damit seinerseits wieder einen Gleichanteil entsprechend dem Gradienten von S.
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Das Signal dS/dt der ersten Ableitung aus 2B wird abermals abgeleitet, so dass die zweite Ableitung d2S/dt2 entsteht. 2C zeigt sie schematisch qualitativ gespreizt und nicht quantitativ im Vergleich zu 2B zu verstehen. Das Signal weist in der Regel keinen Gleichanteil mehr auf, sondern liegt einigermaßen symmetrisch um Null. Es ist aber kein reguläres Signal, sondern ein irreguläres, das prima facie an Rauschen erinnert, allerdings Information trägt, die interne Vorgänge im vermessenen Material 1 widerspiegelt.
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Beispielsweise können beim Erstarren eines Materials relativ größere Wärmemengen lokal frei werden, die sich als lokale Temperaturerhöhung bis an dessen Oberfläche durch lokale Temperaturänderung äußern und auf diese Weise erfasst werden können. Das Signal d2S/dt2 der 2C spiegelt dies wider. Dabei liegt ein wichtiger Teil der Information auch in der unterschiedlichen Art und Weise des Signalaufbaus der positiven Werte und der negativen Werte, was, wie schon ausgeführt, in einer Ausführungsform der Erfindung ausgewertet werden kann. Somit würden die Werte oberhalb der Zeitachse der 2C in 1 der Einrichtung 13a zugeführt, während die Signale unterhalb der Zeitachse in 2C der Einrichtung 13b zugeführt würden.
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Darüber hinaus gibt 2C weitere Hinweise zur Kennwerterzeugung. Schematisch angedeutet sind Zeitfenster F1, F2, F3 und F4. Sie sind in dieser Ausführungsform überlappend gezeichnet, könnten aber auch nicht-überlappend gewählt werden, je nach gewünschter Genauigkeit. Innerhalb eines Zeitfensters können mehrere Werte der Folge der zweiten Ableitung des Signals D bzw. S liegen. Bezug nehmend auf diese mehreren Werte können die Auswertungen der positiven und der negativen Werte jeweils separat voneinander erfolgen. Es kann auf diese Weise wieder eine Folge von Zwischenergebnissen für die positiven Werte Zp entstehen, also eine zeitserielle Folge von Werten für Zp. Das Gleiche gilt für die Zwischenergebnisse Zn der Auswertung der negativen Werte.
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In der Einrichtung 15 werden diese Werte bzw. Wertefolgen für Zp und Zn weiterverarbeitet, um den Kennwert zu ermitteln. Dieser kann seinerseits eine zeitserielle Folge von Werten sein, von denen jeder auch bezugnehmend auf mehrere Werte jeweils von Zp bzw. Zn ermittelt worden sein kann. Auch hier können wieder Zeitfenster gesetzt sein, so wie dies im Verhältnis zwischen der Wertefolge der zweiten Ableitung und der Zwischenwerte erläutert wurde.
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Die Auswertung der positiven Werte kann umfassen:
- - das Zählen lokaler Maxima der positiven Werte, also innerhalb eines gegebenen Zeitfensters das Zählen derjenigen Werte, deren Nachbarn kleiner sind als der Wert selbst. Bei einem regulären Signal wäre der Zählwert für die positiven Werte der gleiche wie für die negativen Werte. Bei einem irregulären Signal ist dies nicht notwendigerweise der Fall.
- - Die positiven Werte und/oder deren Quadrate können aufintegriert werden. Auch dies kann wieder innerhalb eines Zeitfensters geschehen.
- - die Mittelwertbildung über mehreren positiven Werten und/oder deren Quadrate, beispielsweise in einem Zeitfenster, wie angedeutet, oder innerhalb eines vollständigen Bereichs positiver Werte zwischen den Nullstellen;
- - das Ermitteln der Zeitdauern der positiven Signalbereiche zwischen deren Nullstellen und ggf. Mittelwertbildung, Histogrammbildung oder ähnliches.
- - das Ermitteln einer Autokorrelation zwischen zeitlich beabstandeten Werten der Folge;
- - das Bilden von Histogrammen von Signalwerten und das weitere Auswerten der Histogramme.
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Die negativen Werte können genauso ausgewertet werden wie die positiven oder in anderer Weise. Denkbar ist auch, nur die positiven oder nur die negativen Werte auszuwerten.
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1 deutet an, dass die positiven Signalwerte von den negativen Signalwerten separiert und dann ausgewertet werden. Es kann allerdings auch anders vorgegangen werden, beispielsweise eine fortlaufende Histogrammbildung unter Beachtung der Vorzeichen und dann separates Weiterbehandeln der positiven und negativen Ergebnisse. Ähnliches gilt für die Autokorrelationsfunktion.
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Die Zwischenergebnisse Zp und Zn für die positiven Werte und für die negativen Werte können dann weiterverarbeitet werden, etwa indem Differenzbildung vorgenommen wird, wenn es sich um diskrete einzelne Werte handelt, oder durch die Bildung eines Quotienten. Es können sich aber auch komplexere Auswertungen anschließen, etwa beim Vergleich von Histogrammen oder bei der Auswertung einer Autokorrelationsfunktion.
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Es entsteht auf diese Weise ein Kennwert K oder eine zeitserielle Folge davon, die die gewünschte Information trägt.
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3 zeigt schematisch eine Stranggußanlage, 4 mit Kurven 41 und 42 Signale zur Erläuterung der Vorgehensweise, die die zweite Ableitung eines Strahlungssignals oder eines äquivalenten Signals beim Verfestigen einer Warenprobe nützt.
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In 3 ist 31 ein Schmelzgutbehälter, der geschmolzenes Material 32 hält, etwa flüssiges Metall (z. B. Eisen, Stahl o. ä.) Er kann ein Volumen von 1 m^3 oder mehr haben. 33 symbolisiert einen Auslass, der von einer Steuerung 5 her in seiner Auslassrate (m^3/s) steuerbar ist. 34a symbolisiert eine gekühlte und deshalb das geschmolzene Gut kühlende Form, an deren Auslass ein Strang 37 austritt, bei dem das Material äußerlich verfestigt ist, innen aber noch flüssig sein kann. Stromabwärts können weitere Kühlvorrichtungen 34b, 34c vorgesehen sein.
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Es sind gesteuerte Transporteinrichtungen 35 vorhanden, die am teilverfestigten Strang angreifen und diesen mit steuerbarer/regelbarer Geschwindigkeit transportieren. Sie können ein oder mehrere Sätze angetriebener Rollen aufweisen.
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Es können nicht gezeigte Umform- und Biegevorrichtungen vorgesehen sein, die den Querschnitt und/oder die Längsbiegung des Strangs beeinflussen, etwa ihn geraderichten.
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Längs des Strangs können ein, zwei, drei oder mehr Strahlungssensoren 36a-c stationär vorgesehen sein, die die Strahlung des unter ihm/ihnen vorbeiziehenden Strangs erfassen. Sensor 36a kann am Auslass des Strangs aus der Form 34a liegen und sieht so den nur oberflächlich verfestigten Strang. Sensor 36b liegt weiter stromabwärts, wo die Abkühlung weiter fortgeschritten ist. Zwischen den Sensoren 36a und 36b kann eine steuerbare oder regelbare Kühlvorrichtung 34b liegen. Sensor 36c liegt noch weiter stromabwärts, wo die Abkühlung noch weiter fortgeschritten ist. Zwischen den Sensoren 36b und 36c kann eine steuerbare oder regelbare Kühlvorrichtung 34c liegen.
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Die Steuerung 5 empfängt die Signale der Sensoren 36a - c und ggf. weiterer nicht gezeigter Sensoren, wertet sie aus und steuert damit Auslassrate am Behälter und/oder Transportgeschwindigkeit des Strangs und/oder Kühlleistung einer Kühleinrichtung und/oder eine Prägeeinrichtung und ggf. weitere Komponenten. Sie können zu Dokumentationszwecken geeignet formatiert und korreliert wie beschrieben gespeichert werden. Die Auswertungen in der Steuerung 5 können auch wie weiter oben beschrieben sein, indem positive und negative Signalteile separat ausgewertet werden.
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In 4 ist Kurve 41 die 2. Ableitung eines Zeitsignals gezeigt, das anders als in der Situation der 3 angenommen eine stationär unter einem Sensor liegende, heiße und sich abkühlende Metallprobe aussendet. Kurve 42 ist die Hüllkurve dazu. Der Zeitraum 45 großer Amplituden ist derjenige, in dem das Material schon durchgehend verfestigt ist. Im Zeitraum 44 ansteigender Amplituden davor findet der Übergang von flüssig auf fest statt, im Zeitraum 43 kleinerer Amplituden davor ist das Material noch weitgehend flüssig. Dieses Signalverhalten wird auf lokale thermische Mikroereignisse auch im Materialinneren zurückgeführt, die sich nach außen durch elektromagnetische Strahlung mitteilen.
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In der Situation der 3 wird wenigstens ein Sensor 36b so positioniert, dass er an einer Position des Strangs liegt, in der das Material teilgekühlt bzw. teilverfestigt sein soll, also entsprechend Zeitraum 44 der 4. Die gemessene Amplitude (Hüllkurve) des Signals ist dann bspw. der Kennwert, der bei geeigneter Eichung ein Maß dafür ist, wie weit am Ort des Sensors der Verfestigungsvorgang fortgeschritten ist oder nicht. Ausgehend davon können nach Maßgabe des Kennwerts die schon genannten Prozessparameter gesteuert werden, etwa Kühlleistung, Transportgeschwindigkeit, Materialzufuhrrate, im Behälter 31 die Zugabe von Additiven und/oder die Heizleistung und ähnliches. Es können weitere Strahlungssensoren 36a und 36c stromaufwärts und/oder stromabwärts vorgesehen sein, dessen bzw. deren Signale gemeinsam mit denen des Sensors 36b ausgewertet werden können, etwa indem sie als Referenz dienen.
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Der Kennwert K kann zur Beeinflussung einer oder mehrerer der eben genannten Parameter stromaufwärts der Messstelle.
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Ein oder mehrere dieser Parameter, ggf. auch weitere Parameter, können beeinflusst werden. Es können für sie jeweils eigene Kennlinien in eigenen Reglern oder Steuerungsvorrichtungen 16 hinterlegt sein, die nach Maßgabe des Kennwerts und ggf. weiterer Parameter abgefragt werden.
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Stromabwärts der Messtelle am Material 1, also im Anlagenteil 3 der 1, können folgende Eingriffe nach Maßgabe des Kennwerts vorgenommen werden:
- - Steuerung von Prozessweichen, also Zuführen des Materials zu unterschiedlichen Gerätschaften oder Fächern, einschließlich einer mehr oder minder fein gestaffelten Sortierung durch mehrere hintereinanderliegende Prozessweichen oder eine Prozessweiche, die mehrere Stellungen einnehmen kann,
- - Temperierleistung, insbesondere Kühlleistung,
- - Transportgeschwindigkeit,
- - Etikettierung oder Prägung des Materials nach Maßgabe des Kennwerts.
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Die Prozesseingriffe beim Stranggießen können dem Ziel dienen, die Verfestigung des Materials zu vereinheitlichen, sodass dementsprechend einheitlichere Materialeigenschaften entstehen.
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5 zeigt einen Elektroschmelzofen. Der Behälter 31 kann ein Volumen von über 1 oder 2 oder 5 m^3 haben und wird anfänglich mit festem Rohmaterial, etwa Altmetall in gewünschter Qualität und Sortierung, befüllt, das eingeschmolzen werden soll. Er kann oben offen sein. Es werden dann Elektroden 51a-c z. B. von oben in den Behälter eingeschoben, zwischen denen Wechselspannung von einer Quelle 52 her anliegt. Es kann dreiphasige oder mehrphasige Spannung sein oder auch nur die Spannung zwischen zwei Elektroden. Die Elektroden können massive Stäbe aus Graphit sein, die lang genug sind, um den Behälters vollständig zu durchdringen, also z. B. von oben bis zum Boden.
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Ein oder mehrere (nicht gezeigte) Strahlungssensoren können vorgesehen sein. Einer oder mehrere Sensoren können beispielsweise in den Behälter an eine Stelle neben einer oder mehreren der Elektroden gerichtet sein. Zur Überwachung des Schmelzvorgangs kann ein Sensor in den Behälter blicken, insbesondere an eine Stelle in der Nähe einer der Elektroden, beispielsweise weniger als das Fünffache oder weniger als das Dreifache des Elektrodendurchmessers von der Elektrode beabstandet. Auch hier wird der Kennwert wie beschrieben ermittelt.
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Statt eines Strahlungssensors können in Elektroschmelzanlagen auch ein oder mehrere Elektrodenströme als der Strahlung äquivalentes Signal erfasst werden, was in 5 mit Sensoren 54 angedeutet ist.
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Als Stellgröße im Prozess kann ein Steuerungsgerät oder Regler 53 die Eindringtiefe oder Position oder relativen Abstand einer, mehrerer oder aller Elektroden zueinander einstellen, und/oder es werden über die Quelle 52 der Elektrodenstrom bzw. die Spannung eingestellt. Sie können nach Maßgabe erfasster und ggf. angezeigter Werte eingestellt oder automatisch gesteuert oder geregelt werden.
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6 zeigt kombiniert drei Korrelationen U-V 61, V-W 62 und W-U 63 der zweiten Ableitungen von Signalen von drei Elektroden 51a-c bei dreiphasigem (U-V-W) Schmelzwechselstrom, die jeweils für sich alleine oder kombiniert als Kennwert im Sinne der Erfindung verstanden werden können. Die Erfahrung zeigte, dass bei effizienter Prozesseinstellung ein Muster von Ringen qualitativ wie bei Ziffern 61, 62, 63 gezeigt entsteht, wobei je ein Ring einer der genannten Korrelationen entspricht, während bei ineffizienten Einstellungen ungeordnete/amorphe Muster entstehen. Es können also in 5, 13c, 15 z. B. Korrelationen qualitativ wie in 6 als Kennwert K erstellt und zur Anzeige gebracht werden und dazu verwendet werden, Elektrodenstrom und/oder Elektrodeneintauchtiefe wie beschrieben einzustellen, z. B. manuell, bis ein entsprechendes Muster erreicht ist.
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In einem Eletroschmelzprozess können nach Maßgabe des Kennwerts ein oder mehrere der folgenden Parameter gesteuert bzw. geregelt werden:
- - elektrische Leistung durch Steuerung der Spannungsamplitude und/oder Stromamplitude,
- - Frequenz der Wechselspannung,
- - Abstand der Elektroden voneinander oder Geschwindigkeit der Abstandsänderung der Elektroden,
- - Eintauchtiefe der Elektroden oder Eintauchgeschwindigkeit der Elektroden in die Schmelze.
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Mit dem beschriebenen Verfahren kann die Blindleistung verringert werden, sodass die Effizienz eines Elektroschmelzvorgangs verbessert wird. Es kann auf diese Weise auch das Fest/Flüssig-Verhältnis während der Schmelzphase gesteuert werden.
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Nochmals Bezug nehmend auf 1 werden Möglichkeiten der Verwendung des Kennwerts K beschrieben. Er kann zu Dokumentationszwecken (in Einrichtung 17) aufbereitet und (in Einrichtung 18, etwa ein Speicher, eine Datenbank) gespeichert werden. Beispielsweise kann er geeignet skaliert und ggf. weiterverarbeitet oder umgerechnet werden. Er kann mit Zeitdaten und sonstigen Prozessdaten zu Datentupeln zusammengefasst werden. Diese werden dann in einer Datenbank 18 gespeichert. Die Speicherung kann in einem XML-Format erfolgen, sodass die Daten vergleichsweise einfach gelesen werden können.
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Andererseits kann der Kennwert K auch zur Prozessbeeinflussung verwendet werden. Auch hier kann er weiterverarbeitet werden, ggf. auch mit weiteren Eingaben von innerhalb des Prozesses oder von außerhalb. Es können Kennlinien, wie in Kästchen 16 angedeutet, hinterlegt sein, die den Wert K oder einen davon abgeleiteten Wert als Eingangsgröße verwenden und dementsprechend eine Ausgangsgröße liefern. Die Prozessbeeinflussung kann im Prozessfluss vor der Herstellung des Materials 1 („stromaufwärts“ - Komponente 2) erfolgen oder danach („stromabwärts“ - Komponente 3).
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Der Herstellungsprozess kann allgemein ein industrieller Herstellungsprozess sein. Es kann sich beispielsweise um den genannten Stranggussprozess handeln.
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Auch die folgenden weiteren Anwendungsfälle sind für die erfindungsgemäße Kenngrößenbildung geeignet:
- 1. Elektrometallurgie: Erfassung und Regelung der Badtemperatur, des Flüssigphasenanteils und/oder der Zusammensetzung der Schmelze, beispielsweise des Kohlenstoffgehalts; kontinuierliche chemische Analyse während des Schmelzvorgangs aufgrund spektrometrischer Daten, die aus dem Plasma gewonnen werden; Erfassung und Regelung der Zusammensetzung von Flussmitteln.
- 2. Schweißtechnologie: ‚Tomographische‘ Kontrolle und Protokollierung von Schweißnähten während des Schweißprozesses; Erfassung und Regelung der Menge des geschmolzenen Materials in der Schweißnaht; Verfolgung metallurgischer Prozesse in Schweißnähten während der Schweißnahterzeugung; Prozessoptimierung.
- 3. Regelung und Steuerung von Brennkraftmaschinen: Erfassung und Regelung der Kraftstoffeinspritzung und Kraftstoffverbrennung.
- 4. Mineralwolleherstellung: Erfassung des Massenstroms der Schmelze; Erfassung und Regelung der Qualität der erzeugten Mineralfasern.
- 5. Rheologie: Ermittlung und Regelung rheologischer Materialeigenschaften; Ermittlung und Regelung der Viskosität von Flüssigkeiten.
- 6. Chemische Reaktionen, Reaktionskinetik: Erfassung und Regelung des Umsatzes chemischer Reaktionen, insbesondere von Polyreaktionen.
- 7. Bauindustrie: Erfassung und Regelung der Verfestigungsgeschwindigkeit und der Festigkeitsentwicklung von hydraulischen Materialien, wie Gips, Kalk und Zement, sowie von Polymersystemen.
- 8. Elektrolytische Prozesse: Erfassung und Regelung von Elektrolysevorgängen; Erfassung und Regelung von galvanotechnischen und galvanoplastischen Prozessen.
- 9. Elektroosmose: Erfassung und Regelung von Elektroosmoseprozessen, insbesondere in der analytischen und präparativen Biochemie, und besonders in der Proteinchemie.
- 10. Physikalische Untersuchungen an Materialien: Messung der Dichte von Materialien; Messung der Torsion und des Drehmoments an Wellen, beispielsweise von Motoren.
- 11. Biotechnologie: Erfassung und Regelung physikalischchemischer Parameter bei biologischen Flüssigkeiten wie Blut, Serum und dergleichen; Erfassung und Regelung von Masseströmen auf der Basis von Zellsuspensionen oder Gewebesuspensionen, Erfassung chemischer Umsatze in derartigen Systemen.
- 12. Biologische Vorgänge:
- 13. Seismologie: Erfassung von tektonischen Vorgängen, die mit Materialverschiebung verbunden sind, insbesondere zur kurzfristigen Erdbebenvorwarnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4229371 A1 [0003]
- DE 20215977 U1 [0004]
