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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Messsonde in einer Metallschmelze in einem metallurgischen Gefäß zur Erfassung von chemischen oder physikalischen Messdaten. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die entsprechende Messsonde.
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Derartige Messsonden und Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 1 648 293 . Diese Offenlegungsschrift offenbart eine Messsonde in Form eines Wurfkörpers mit mindestens einem Sensor, beispielsweise in Form eines Thermoelementes zum Erfassen der Temperatur, insbesondere in einer Metallschmelze. Die Messsonde weist neben dem Sensor eine Sendeeinrichtung auf, welche beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur ein elektromagnetisches Signal generiert und drahtlos an einen Empfänger aussendet. Der Wurfkörper ist vorgesehen, in die Metallschmelze hineingeworfen zu werden und so lange ein Sendesignal auszusenden, solange er innerhalb der Metallschmelze funktionstüchtig bleibt.
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Die britische Patentschrift
GB 1,096,499 offenbart ebenfalls eine Metallsonde und ein Verfahren zum Messen der Temperatur in einer Metallschmelze in einem metallurgischen Gefäß, ohne dass dafür ein Behandlungsprozess der metallurgischen Schmelze unterbrochen werden müsste. Die Messsonde weist einen Ballastkörper auf, welcher gewährleistet, dass sich die Messsonde innerhalb der Schmelze in der Vertikalen ausrichtet. Außerdem ist die Länge der Messsonde, d. h. insbesondere der Abstand zwischen dem Ballastkörper und dem Messkopf des Sensors so bemessen, dass der Sensor der Messsonde die Temperatur der Metallschmelze auf einen vorbestimmten Höhenlevel innerhalb der Schmelze misst. Außerdem ist offenbart, dass die Messsonde eine Antriebseinrichtung aufweisen kann zum Verändern der Lage bzw. der räumlichen Ausrichtung der Messsonde der Schmelze. Bei dem Sensor der Messsonde kann es sich beispielsweise um ein Thermoelement handeln zum Erfassen der Temperatur der Schmelze.
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Bei den bekannten Messsonden 100 besteht das Problem, die Vielzahl der erfassten Messdaten vorzugsweise in Echtzeit an einen Empfänger E1 außerhalb des metallurgischen Gefäßes zu übertragen; siehe 5, linkes Bild. Datenübertragungen aus metallurgischen Gefäßen heraus gestalten sich in der Regel deshalb schwierig, insbesondere, wenn sie in Betrieb sind. Dies gilt, weil die metallurgischen Gefäße oftmals dicke Stahlwände aufweisen, wassergekühlt werden oder weil in der Umgebung dieser metallurgischen Gefäße Störungen durch elektrische Felder auftreten. Die elektrischen Felder können beispielsweise durch einen Elektrolichtbogenofen, Antriebe oder bewegte Ladungsträger entstehen. All die genannten Probleme führen dazu, dass oftmals Datenpakete mit Messdaten bei der Übertragung verloren gehen; siehe 5 mittleres Bild. Dies wiederum hat zur Folge, dass die durch die Messdaten oder deren Verlauf repräsentierte Information von dem Empfänger E1 nicht richtig ermittelt bzw. rekonstruiert werden kann. Anstelle des ursprünglichen Verlaufs in Form eines Polynoms höherer Ordnung missinterpretiert der Empfänger den Verlauf tatsächlich beispielhaft lediglich als Polynom 1. Ordnung, also als Gerade; siehe 5, rechtes Bild.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren zum Betreiben einer Messsonde sowie eine bekannte Messsonde selber dahingehend weiterzubilden, dass die Sicherheit bei der Übertragung von Daten von einer Messsonde innerhalb einer Schmelze an einen externen Empfänger erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch Patentanspruch 1 gelöst. Demnach ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Messsonde mit Hilfe der Software eine Kenngröße berechnet wird, welche die Vielzahl der Messdaten repräsentiert und/oder aus diesen abgeleitet wird, wobei die Kenngröße durch ein kleineres Datenvolumen beschrieben wird als die Vielzahl der Messdaten; und dass das Generieren des Sendesignals derart erfolgt, dass das Sendesignal die Kenngröße anstelle der Vielzahl der Messdaten repräsentiert und an den Empfänger überträgt.
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In den Ansprüchen wird begrifflich nicht zwischen Metallschmelze und Metallschlacke, die auf der Schmelze aufschwimmt, unterschieden. Selbstverständlich gilt das beanspruchte Verfahren zum Betreiben der Messsonde auch, wenn sich die Sonde innerhalb der Schlacke oder zwischen der Schmelze und der Schlacke bewegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Messsonde setzt einen sehr leistungsfähigen Mikrorechner sowie eine entsprechend gut und schnell programmierte Software voraus, die es ermöglichen, eine Vielzahl von erfassten Messdaten bezüglich ihres Datenvolumens auf eine aussagekräftige Kenngröße mit deutlich geringerem Datenvolumen zu reduzieren. Die große Rechnerleistung ist insbesondere deswegen erforderlich, weil die Lebensdauer der Messsonde in der Metallschmelze, die typischerweise eine Temperatur zwischen 1.200°C und 1.600°C aufweist, naturgemäß nur sehr begrenzt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Auswertung der von der Messsonde erfassten Messdaten auf der Messsonde selber erfolgt, was im Ergebnis zu der besagten Kenngröße führt. Dies hat den Vorteil, dass anstelle der Vielzahl der einzelnen Messwerte bzw. einer entsprechenden Vielzahl von einzelnen Datenpaketen, die traditionell an einen Empfänger außerhalb des metallurgischen Gefäßes übertragen werden mussten, erfindungsgemäße nur noch die Kenngröße an den externen Empfänger übermittelt werden muss. Dies hat den Vorteil, dass die zu übertragende Datenmenge deutlich geringer ist und die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität pro Zeiteinheit kann deshalb vorteilhafterweise genutzt werden, um die Kenngröße gleichzeitig und/oder zeitlich nacheinander, vorzugsweise mehrfach zu übertragen, was die Übertragungssicherheit deutlich erhöht.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Berechnung der Kenngröße aus der Vielzahl der Messdaten durch Modellbildung, Filterung und/oder Glättung der Messdaten erfolgen.
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In der vorliegenden Beschreibung wird die Berechnung der Kenngröße dahingehend unterschieden, ob die Kenngröße die Vielzahl der Messdaten repräsentiert oder ob die Kenngröße aus diesen abgeleitet wird. In dem ersten Fall wird die Kenngröße als eine mathematische, physikalische oder chemische Funktion oder als ein Parameterfeld berechnet, welches die Verteilung der Messdaten in einem Koordinatensystem repräsentiert. Bei der Berechnung bzw. Modellbildung der Funktion oder des Parameterfeldes wird in diesem besagten ersten Fall auf in der Software hinterlegte physikalische oder chemische Grundfunktionen zurückgegriffen, welche durch Auswerten der Messdaten mit Hilfe der Software auf der Messsonde parametriert werden. Die Kenngröße ist dann ein Datum, welches die besagte Grundfunktion repräsentiert, wobei die Kenngröße zusätzlich noch die bei der Parametrierung ermittelten notwendigen Parameterwerte mit umfasst. Das besagte Datum sowie die Parameterwerte sind jedoch mit wesentlich weniger Datenvolumen beschreibbar, als die ursprünglich erfasste Vielzahl der Messdaten. Die so ermittelte Kenngröße mit relativ kleinem Datenvolumen wird dann erfindungsgemäß an einen Empfänger, typischerweise einen Leitrechner, außerhalb des metallurgischen Gefäßes übertragen. Die so ermittelte Kenngröße in Form der besagten Funktion oder des Parameterfeldes repräsentieren so gesehen möglichst genau die Vielzahl der Messdaten bzw. deren Verteilung.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Kenngröße auch aus den Messdaten abgeleitet werden, wobei die Kenngröße in diesem Fall die Vielzahl der Messdaten oder deren Verteilung nicht mehr genau repräsentiert. Zum Ermitteln werden die Messdaten in der Software auf der Messsonde hinterlegten physikalischen oder chemischen funktionalen Zusammenhang eingesetzt und es wird sodann ein Funktionswert oder eine Ergebnisfunktion berechnet. Bei so abgeleiteten Kenngrößen kann es sich beispielsweise um eine Mengenangabe für einen Stoff handeln, der nach Möglichkeit dem aktuellen Behandlungsprozess der Metallschmelze noch zugeführt werden soll. Zu diesem Zweck wird die Kenngröße erfindungsgemäß an einen anderen Empfänger außerhalb des metallurgischen Gefäßes übermittelt, z. B. an ein Aggregat, welches ausgebildet ist, den gewünschten Stoff in einer ebenfalls durch die Kenngröße repräsentierten Menge dem aktuellen Schmelzbehandlungsprozess zuzuführen.
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Zur Erhöhung der Übertragungssicherheit ist es sinnvoll, die Kenngröße als Datenpaket zeitlich nacheinander und wiederholt an die Empfänger außerhalb des metallurgischen Gefäßes zu senden.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Messsonde zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Messsonde entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen von sowohl dem beanspruchten Verfahren wie auch von der beanspruchten Messsonde sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Beschreibung sind fünf Figuren beigefügt, wobei
- 1 ein metallurgisches Gefäß mit der Messsonde und außerhalb angeordnetem Empfänger;
- 2 die erfindungsgemäße Messsonde im Detail;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren;
- 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren; und
- 5 ein Verfahren zum Betreiben einer Messsonde gemäß dem Stand der Technik
zeigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben.
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1 zeigt ein metallurgisches Gefäß 200, beispielsweise einen Blasstahlkonverter. In dem Gefäß befindet sich eine Metallschmelze 220, auf welcher typischerweise Schlacke 210 aufschwimmt. Hier lediglich beispielhaft an der Phasengrenze befindet sich eine Messsonde 100. Die Messsonde 100 steht in drahtlosem oder in kabelgebundenem Kontakt mit Empfängern E1, E2 außerhalb des metallurgischen Gefäßes 200 zum Übertragen von Sendesignalen. Bei dem Empfänger kann es sich beispielsweise um einen Leitrechner E1 oder um ein Aggregat E2 handeln, welches auf Anforderung einen gewünschten Stoff in einer gewünschten Menge einem aktuellen Behandlungsprozess der Schmelze zuführen kann.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Messsonde 100 im Detail. Die Messsonde ist ausgebildet zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu diesem Zwecke weist sie mindestens einen, vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren 110 auf zum Erfassen einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße betreffend die Metallschmelze oder die Messsonde selber. Bei den die Messsonde selber betreffenden Messdaten kann es sich beispielsweise um deren räumliche Position und/oder deren Lage im Raum, deren Geschwindigkeit, deren axiale Beschleunigung, deren Rotationsgeschwindigkeit oder deren Rotationsbeschleunigung in dem metallurgischen Gefäß, insbesondere in der Schmelze handeln. Bei den die Schmelze betreffenden Messdaten kann es sich beispielsweise um deren Temperatur oder deren chemisches Zusammensetzung oder deren chemischen Zustand handeln, beispielsweise den aktiven Sauerstoffgehalt der Schmelze. Sämtliche Messdaten beziehen sich selbstverständlich jeweils auf den lokalen Aufenthaltsort der Messsonde innerhalb der Schmelze, der z. B. mit Hilfe von Global Positioning System GPS nachverfolgt bzw. getrackt werden kann.
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In Anbetracht der nur kurzen Lebensdauer der Messsonde in der Schmelze ist es vorteilhaft, wenn eine möglichst große Vielzahl von Messdaten gleichzeitig erfasst werden. Zu diesem Zweck weist die Messsonde 100 vorzugsweise eine Vielzahl der o. g. Sensoren 110 auf. Die Sensoren sind ausgebildet zum Erzeugen eines Messsignals, welches die Messgröße repräsentiert.
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Neben den Sensoren weist die Messsonde eine Umwandlungseinrichtung 120 auf in Form eines Mikrorechners, auf welchem eine Software bzw. ein Computerprogramm abläuft. Die Software ist erfindungsgemäß ausgebildet, aus der Vielzahl der erfassten Messdaten eine Kenngröße zu berechnen, welche die Vielzahl der erfassten Messdaten repräsentiert und/oder aus den Messdaten abgeleitet wird. In jedem Fall ist die erfindungsgemäße berechnete Kennzahl durch ein wesentlich kleineres Datenvolumen beschrieben, als die Vielzahl der erfassten Messdaten. Weiterhin ist die Software erfindungsgemäß ausgebildet, ein Sendesignal zu generieren, welches die Kenngröße - anstelle wie im Stand der Technik üblich, die Messdaten - repräsentiert. Schließlich umfasst die Messsonde eine Übertragungseinrichtung 130 mit mindestens einer Antenne 132 zum drahtlosen Übertragen des Sendesignals, d. h. erfindungsgemäß der Kennzahl, an die besagten Empfänger E1, E2. Wiederum in Anbetracht der nur sehr begrenzten Lebensdauer der Messsonde ist es vorteilhaft, wenn diese mehrere Antennen 132 aufweist zum gleichzeitigen Übertragen des Messsignals an die Empfänger. Vorzugsweise wird ein redundantes Funkprotokoll verwendet, d. h. vorzugsweise werden die Messdaten bzw. die entsprechenden Datenpakete redundant, d. h. mehrfach zeitlich hintereinander an die Empfänger E1, E2 übertragen, so dass ausgefallene Datenpakete rekonstruiert werden können bzw. deren Inhalt reproduziert werden kann. Die Mehrzahl der Sensoren 110 kann sinnvoll sein zum gleichzeitigen Erfassen unterschiedlicher Messgrößen oder zum redundanten Erfassen gleicher Messgrößen.
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Wie in 2 zu erkennen ist, sind die Umwandlungseinrichtung bzw. der Mikrorechner 120 und die Übertragungseinrichtung 130 typischerweise in einem Kern 140 der Messsonde angeordnet. Der Kern 140 ist typischerweise umgeben von einem isolierenden Material 150, welches die Wärme der Schmelze möglichst lange von dem Kern 140 abhält, um die datenverarbeitenden Komponenten möglichst lange in funktionsfähigem Zustand zu halten. Wenn das isolierende Material 150 nicht mehr in der Lage ist, die hohen Temperaturen der Schmelze, bei Stahl ca. 1.600°C, von dem Kern abzuhalten, wird der Kern 140 und damit der Mikrorechner zerstört und dann endet die Lebensdauer der Messsonde.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Messsonde unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beispielhaft beschrieben:
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3, linkes Bild, zeigt die beispielhaft den Verlauf von einer Vielzahl von Messdaten, wie sie von den Sensoren
110 der erfindungsgemäßen Messsonde
100 erfasst werden können. Die erfassten Messwerte werden unmittelbar auf der Messsonde mit Hilfe des dort befindlichen Mikrorechners ausgewertet. Bei der Auswertung erkennt eine auf dem Mikrorechner ablaufende Software bzw. ein auf dem Mikrocomputer ablaufendes Computerprogramm, dass die Messwerte zumindest näherungsweise einen polynominalen Verlauf dritter Ordnung repräsentieren. Ein solcher Kurvenverlauf kann auf den Mikrorechner in Form einer mathematischen oder physikalischen Grundfunktion hinterlegt sein. Wenn die Software einen solchen Verlauf erkennt, kann sie auf die entsprechend hinterlegte Grundfunktion zurückgreifen und diese den Messdaten zuordnen. Das erfolgt, wie beispielhaft dargestellt, in
3, Mitte. Der dort beispielhaft abgebildete Verlauf der Messdaten dritter Ordnung lässt sich beispielsweise durch folgende Funktion beschreiben:
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Neben dieser Grundfunktion ermittelt die Software darüber hinaus die notwendigen Parameter a, b und c. Mit dieser vollständigen Funktionsangabe, d. h. mit der Grundfunktion und den Parameterwerten sind die erfassten Messdaten nicht nur einzeln repräsentiert, sondern gleichzeitig auch bereits interpoliert. Vorteilhafterweise lässt sich die so ermittelte Funktion durch ein wesentlich geringeres Datenvolumen beschreiben, als die Vielzahl von einzelnen Messwerten, typischerweise einige Hundert oder gar Tausend. Anstelle der Vielzahl der einzelnen Messwerte wird erfindungsgemäß die besagte Kenngröße, hier beispielsweise in Form der genannten Polynomfunktion dritter Ordnung an den Empfänger E1 übertragen. Weil auf diese Weise erfindungsgemäß nur ein wesentlich geringeres Datenvolumen übertragen werden muss als im Stand der Technik, kann die eventuell vorhandene weitere Übertragungskapazität genutzt werden, um die ermittelte Funktion redundant zu übertragen, was die Sicherheit des Empfangs beim Empfänger deutlich erhöht. 3 zeigt ein Beispiel für eine die erfassten Messdaten bzw. deren Verlauf repräsentierende Kenngröße.
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Im Unterschied zu 3 zeigt 4 ein Beispiel, bei welchem die Kenngröße nicht die individuellen Messdaten bzw. deren Verlauf repräsentiert, sondern eine aus diesen Messwerten abgeleitete Größe. 4, linkes Bild, zeigt die Messdaten, wie sie von den Sensoren 110 der Messsonde 100 erfasst werden. Mit Hilfe der auf dem Mikrorechner 120 ablaufenden Software werden diese erfassten Messwerte funktional ausgewertet, d. h. in eine vorgegebene mathematische, physikalische oder chemische Funktion eingegeben und sodann das Ergebnis dieser Funktion ermittelt. Das Ergebnis dieser Berechnung ist dann die erfindungsgemäße Kenngröße Z. In 4 kann es sich bei dieser Messgröße beispielsweise um eine Mengenangabe handeln. Konkret kann diese Mengenangabe Z beispielsweise den Bedarf an zusätzlichem Sauerstoff repräsentieren, welcher dem aktuellen Behandlungsprozess der Metallschmelze zugeführt werden sollte, um ein optimales Behandlungsergebnis zu erzielen. Zu diesem Zweck werden dann nicht die einzelnen Messdaten, sondern die bereits auf der Messsonde 100 vorberechnete Kenngröße Z an den Empfänger E2 übertragen, vorzugsweise redundant. Bei dem Empfänger E2 handelt es sich vorzugsweise um ein Aggregat, welches in der Lage ist, die angeforderte Menge Z an Sauerstoff in das metallurgische Gefäß 200 einzuleiten. Auch hier ist erfindungsgemäß die auf der Messsonde 100 ermittelte Kenngröße Z mit einer wesentlich geringeren Datenmenge beschreibbar, als die Vielzahl der ermittelten einzelnen Messwerte.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Messsonde
- 110
- Sensor
- 115
- Messleitung
- 120
- Mikrorechner
- 130
- Übertragungseinrichtung
- 140
- Kern der Messsonde
- 150
- Gehäuse der Messsonde
- 200
- metallurgisches Gefäß
- 210
- Schlacke
- 220
- Schmelze
- E1
- Empfänger
- E2
- Empfänger
- f
- Funktion
- Z
- Mengenangabe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1648293 [0002]
- GB 1096499 [0003]
