DE102020131685A1

DE102020131685A1 - Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung

Info

Publication number: DE102020131685A1
Application number: DE102020131685.2A
Authority: DE
Inventors: Henry Roger Frick
Original assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02
Also published as: EP4251346A1; WO2022112223A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung mit einer Gussform und mit mindestens einer Messsektion, wobei die Gussform einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum mit einem elektrisch leitfähigen Gießgut befüllt wird, wobei die mindestens eine Messsektion zumindest eine Sendespule (3) und zumindest eine Empfangsspule (4, 5) aufweist, wobei die Sendespule (3) und die Empfangsspule (4, 5) in einem Hohlleiter (2) angeordnet sind, wobei die Messsektion innerhalb der Gussform angeordnet ist und einen Gießkanal (1) umgreift, wobei ein elektrisches Signal mit zeitlich veränderlichem Verlauf an der Sendespule (3) angelegt wird, wobei durch die Sendespule (3) ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wobei das von der Sendespule (3) erzeugte und von dem Gießgut beeinflusste, elektromagnetische Feld von der Empfangsspule (4, 5) empfangen wird, wobei ein Maß für eine Geschwindigkeit (17) bei einer laminaren Strömung des Gießgutes am Rand des Gießkanals (1) aus zumindest einen Empfangssignal (8, 9) der zumindest einen Empfangsspule (4, 5) bestimmt wird.In einer numerischen Simulation des heißen, flüssigen Gießgutes sind genauere Ergebnisse erzielbar, indem an der Empfangsspule (4, 5) zusätzlich eine Gleichspannung angelegt wird, wobei die Empfangsspule (4, 5) einen temperaturabhängigen Empfangsspulen-Widerstand aufweist, wobei der Gleichstrom durch die Empfangsspule (4, 5) gemessen wird, und wobei aus dem gemessenen Gleichstrom ein Maß für eine Oberflächentemperatur des Gießgutes bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung ist z.B. aus der DE 10 2019 107 033 A1 bekannt. Hierbei werden zwei Gussformanordnungen und zugehörige Verfahren beschrieben. Die erste Gussformanordnung weist eine Gussform und mindestens eine Messsektion auf. Die Gussform weist einen mit einem elektrisch leitfähigen Gießgut befüllbaren Hohlraum auf. Das Gießgut liegt zur Befüllung der Gussform in schmelzflüssiger Form vor und wird deswegen auch als Schmelze bezeichnet. Die mindestens eine Messsektion weist eine Sendespule und zwei Empfangsspulen auf, wobei die Sendespule und die zwei Empfangsspulen in einem Hohlleiter angeordnet sind. Die beiden Empfangsspulen sind symmetrisch zur Sendespule angeordnet. Die Messsektion ist innerhalb der Gussform angeordnet und umgreift einen Gießkanal, der von dem Gießgut durchflossen wird. Es wird ein elektrisches Signal an der Sendespule angelegt, wobei eine Trägerfrequenz des elektrischen Signals unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz des Hohlleiters liegt. Durch die Sendespule wird ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld erzeugt, wobei das von der Sendespule erzeugte, und von dem Gießgut beeinflusste, elektromagnetische Feld von den beiden Empfangsspulen empfangen wird. Hierdurch ist ein Maß für die Geschwindigkeit bei einer laminaren Strömung des Gießgutes am Rand des Gießkanals bestimmbar. Das Maß wird durch Differenzbildung der Empfangssignale der Empfangsspulen gebildet. Die DE 10 2019 107 033 A1 zeigt ferner eine zweite Gussformanordnung mit einer Gussform und mit mindestens einer Messsektion. Die Gussform weist ebenfalls einen mit einem elektrisch leitfähigen Gießgut befüllbaren Hohlraum auf. Die mindestens eine Messsektion weist nun zwei Sendespulen und eine Empfangsspule auf, wobei die Sendespulen und die Empfangsspule in einem Hohlleiter angeordnet sind. Die beiden Sendespulen sind symmetrisch zur Empfangsspule angeordnet. Die Messsektion ist wiederum innerhalb der Gussform angeordnet und umgreift einen Gießkanal. Ein elektrisches Signal mit dem Strom + I_Φ liegt an der einen Sendespule und ein elektrisches Signal mit dem Strom - I_Φ liegt an der anderen Sendespule an. Eine gemeinsame Trägerfrequenz der elektrischen Signale liegt unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz des Hohlleiters, wobei durch die Sendespulen ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wobei das von den Sendespulen erzeugte, und von dem Gießgut beeinflusste, elektromagnetische Feld von der Empfangsspule empfangen wird, wobei ein Maß für die Geschwindigkeit bei einer laminaren Strömung der Schmelze am Rand des Gießkanals aus dem Empfangssignal der Empfangsspule bestimmt wird.
Ein Problem beim Gießen besteht darin, dass das Fließverhalten der Schmelze nicht gut kontrolliert werden kann. In der heutigen Produktion von Gussteilen aus Metallen wird beim Gießen auf einen zeitlich effizienten Gießprozess geachtet, wobei die Gießqualität gewährleistet werden muss. Es stehen zwar moderne Simulationswerkzeuge für die numerische Simulation der Fließeigenschaften des heißen, flüssigen Gießgutes zur Verfügung, aber eine Verifikation der Simulationsergebnisse mit dem realen Verhalten bereitet aufgrund der veränderlichen, nicht genau bestimmbaren Viskosität der Schmelze Probleme.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kontrollmöglichkeiten des Fließverhaltens des Gießgutes weiter zu verbessern.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird nun zunächst durch ein Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das Grundprinzip der Erfindung liegt zunächst im Wesentlichen darin, dass an der Empfangsspule zusätzlich eine Gleichspannung angelegt wird, wobei die Empfangsspule einen temperaturabhängigen Empfangsspulen-Widerstand aufweist, wobei der Gleichstrom durch die Empfangsspule gemessen wird, und wobei aus dem gemessenen Gleichstrom ein Maß für eine Oberflächentemperatur des Gießgutes bestimmt wird.
Die Viskosität der Schmelze hängt neben dem Material insbesondere von der Temperatur der Schmelze ab. Für die Temperatur des Gießgutes sind nun Messwerte generierbar, so dass mittels der numerischen Simulationen des heißen, flüssigen Gießgutes genauere Ergebnisse erzielbar sind, bzw. dass die Ergebnisse der numerischen Simulationen eine höhere Übereinstimmung mit der Realität aufweisen. Weiterhin ist eine Leitfähigkeit des Gießgutes auch temperaturabhängig. Durch das Wissen um die Temperatur des Gießgutes ist somit auch eine genauere Bestimmung der Geschwindigkeit des Gießgutes möglich, da diese Geschwindigkeitsmessung von der Leitfähigkeit des Gießgutes abhängt.
Aufgrund dieser Messdaten können Simulationsergebnisse verifiziert und die Simulation gegebenenfalls angepasst werden. Somit ist im Testaufbau das optimale Auslegen der Gussform auf effizientes Gießen mit Vermeidung von Lunkern möglich. Schlussendlich werden mit optimierten Gussformen kostengünstige Gussteile produziert und die Ausschussrate minimiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein von der Empfangsspule gemessenes Signal im Frequenzbereich gefiltert, so dass der Spannungsanteil des Signals zur Geschwindigkeitsbestimmung und der Stromanteil des Signals zur Temperaturbestimmung getrennt ausgewertet werden.
Mittels ein und desselben Sensors, nämlich der Empfangsspule können auf diese Weise zwei physikalische Größen, nämlich eben die Geschwindigkeit und die Temperatur des Gießgutes bestimmt werden. Der apparative Aufwand zur Bereitstellung der Messsektion ist somit verringert.
Vorteilhafterweise wird das elektrische Signal mit zeitlich veränderlichem Verlauf mittels einer außerhalb des Hohlleiters angeordneten Stromquelle an der Sendespule angelegt.
Durch die Anordnung der Stromquelle außerhalb des Hohlleiters ist die Stromquelle gegenüber der Schmelze gut isoliert. Die Stromquelle ist somit vor den hohen Temperaturen der Schmelze ausreichend gut geschützt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die eine, erste Sendespule und eine zweite Sendespule in dem Hohlleiter angeordnet, wobei das eine, erstes elektrische Signal mittels der einen, ersten Stromquelle an der ersten Sendespule angelegt wird, wobei ein zweites elektrisches Signal mittels einer zweiten Stromquelle an der zweiten Sendespule angelegt wird.
Mittels zweier Sendespulen ist das erzeugte elektrische Feld besonders gut derart beeinflussbar, dass eine besonders genaue Messung der Geschwindigkeit mittels der Empfangsspule ermöglicht ist. Die genaue Kenntnis der Geschwindigkeit ist in der Simulation auch wichtig zur Bestimmung der Viskosität. Dazu wird aus der Geschwindigkeit zunächst eine Schergeschwindigkeit berechnet, da die Viskosität von der Schergeschwindigkeit anhängt. Die Schergeschwindigkeit ist als Differenz der Fließgeschwindigkeit zwischen zwei benachbarten Fluidschichten definiert.
Bevorzugterweise ist ein Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Sendespule angeordnet.
Durch die erste Sendespule fließt bevorzugt ein vom Betrag her gleicher Strom wie durch die zweite Sendespule hindurch.
Insbesondere mittels des Widerstandes es möglich, einen vom Betrag her gleichen Strom durch die erste Sendespule wie durch die zweite Sendespule hindurchzuleiten.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die erste und die zweite Stromquelle mittels einer, zwischen dem Hohlleiter und einem gemeinsamen Potential angeordneten Erdverbindung auf ein definiertes Bezugspotential gebracht.
So wird eine noch höhere betragsmäßige Übereinstimmung der beiden durch die erste Sendespule und durch die zweite Sendespule fließenden Ströme erreicht. Weiterhin werden mittels der Erdverbindung Störströme abgeleitet, so dass eine störungsfreie Durchführung des Verfahrens sichergestellt ist.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Es darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 in einer stark vereinfachten Darstellung eine Gussformanordnung mit einer Sendespule, einem Gießkanal und einem Hohlleiter,
2a in einer längsgeschnittenen Darstellung eine Messsektionen mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, die einen Gießkanal umgreifen,
2b in einer Seitenansicht die Messsektion aus 2a,
3 in einem Diagramm ein Signalanteil aufgetragen über einer Gießkanalachse,
4 in einer längsgeschnittenen Darstellung eine weitere Messsektionen mit zwei Sendespulen und einer Empfangsspule,
5 in einer längsgeschnittenen Darstellung eine weitere Messsektionen mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, wobei ein Hohlleiter eine optimierte Form aufweist,
6 in einer perspektivischen Detaildarstellung eine Ausgestaltung eines Komparators mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, und
7 in einer perspektivischen Detaildarstellung eine weitere Ausgestaltung einer Messsektion mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen sowie mit zugehörigen Elektronikbauteilen und einer Erdverbindung.

Im Folgenden werden die Funktionsweise und die Merkmale anhand eines einfachen, in 1 dargestellten Aufbaus näher erläutert. Es wird nun angenommen, dass ein Gießkanal 1 einen kreisrunden Querschnitt aufweist und dieser mit einem Gießgut gefüllt ist. Somit eignet sich für die mathematische Beschreibung die Einführung von Zylinder-koordinaten r, Φ, z gemäss 1. Zum Vergleich ist in 1 auch das kartesische Koordinatensystem mit den Koordinaten x, y, z eingezeichnet.
Weiter wird die z-Achse auch Gießkanal-Achse 24 genannt. Der Gießkanal 1 sei ein gerader, kreisrunder Zylinder mit der Gießkanal-Achse 24. Der Gießkanal 1 befindet sich in einem Hohlleiter 2, welcher auch ein gerader, kreisrunder Zylinder ist und aus einem gut elektrisch leitenden Material z.B. Stahl besteht. Der Raum zwischen dem Gießkanal 1 und dem Hohlleiter 2 ist mit einem Isolator 6 gefüllt.
Nun wird angenommen, dass eine kreisrunde Sendespule 3 im Isolator 6 so platziert wird, dass diese Sendespule 3 den Gießkanal 1 vollständig umschliesst. Zudem wird ein elektrischer Strom in diese Sendespule 3 eingeprägt. Dieser elektrische Strom erzeugt eine charakteristische elektromagnetische Feldverteilung im Isolator 6 und im leeren Gießkanal 1. Die Sendespule 3 weist z.B. Stahl oder Kupfer auf.
Durch die elektrische Stromführung in der Sendespule 3 auf einem Kreis mit Mittelpunkt auf der Gießkanal-Achse 24 und in einer Ebene parallel zur x, y-Ebene ist mit einer rotationssymmetrischen Feldverteilung zu rechnen. Weiter soll der eingeprägte elektrische Strom eine zeitliche Veränderung in seiner Stärke und Richtung erfahren. Bevorzugt soll ein zeitlicher harmonischer Verlauf vorausgesetzt werden.
Der elektrische Strom zur Felderzeugung in der Sendspule 3 hat einen zeitlich veränderlichen Verlauf. Dadurch erfolgt aus der magnetischen Feldverteilung eine elektrische Feldverteilung, welche zu detektieren ist.
Durch die kreisförmige elektrische Stromführung und durch die Induktion existiert im Hohlleiter 2 nur die Φ -Komponente einer primären elektrischen Feldstärke E_Φ,0 (r, Φ, z, t) , welche idealerweise rotationssymmetrisch ist, wobei mit t die Zeit bezeichnet wird. Als primäre Feldanteile werden jene bezeichnet, welche als Quelle den Strom in der Sendespule 3 haben und welche ohne Anwesenheit des Gießgutes entstehen. Primäre Feldanteile werden mit dem Index 0 gekennzeichnet. Ein vorhandenes elektrisches Skalarpotential trägt keinen Beitrag zur Φ-Komponente der elektrischen Feldstärke bei.
Für die mathematische Betrachtung werden die elektromagnetischen Größen als komplexe Größen mit Real- und Imaginärteil eingeführt. Dazu sind die Bezeichnungen unterstrichen. Weiter soll der eingeprägte elektrische Strom eine Kreisfrequenz ω erfahren. Somit wird die Φ - Komponente der elektrischen Feldstärke E_Φ,0(r, Φ, z) gemäss (1.1) ausgedrückt. ${\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z, t) = {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) \cdot e^{j \cdot ω \cdot t}$
Weiter ist eine primäre magnetische Induktion ${\vec{\underline{B}}}_{0} (r, Φ, z, t)$
mit (1.2) genannt, wobei hier die magnetische Induktion als Vektor angegeben wird: ${\vec{\underline{B}}}_{0} (r, Φ, z, t) = {\vec{\underline{B}}}_{0} (r, Φ, z) \cdot e^{j \cdot ω \cdot t} = [\begin{matrix} {\underline{B}}_{r,0} (r, Φ, z) \\ 0 \\ {\underline{B}}_{z,0} (r, Φ, z) \end{matrix}] \cdot e^{j \cdot ω \cdot t}$
Wird nun der Gießkanal 1 von einem gut elektrisch leitenden, flüssigen Material, wie Aluminium, Kupfer, Gold, Stahl oder Gusseisen durchflossen, verändert sich die elektrische Feldstärkeverteilung im Isolator 6. Massgebend für die Messung ist eine Fließgeschwindigkeit $\vec{v}$
17 des Gießgutes am Rand des Gießkanals 1. Mit der Bezeichnung elektrisch leitend soll eine endliche Leitfähigkeit gemeint sein.
Ausgeschlossen ist ein idealer elektrischer Leiter mit unendlicher Leitfähigkeit. Aufgrund der Kenntnis der Fließgeschwindigkeit $\vec{v}$
17 des Gießgutes am Rand des Gießkanals 1 kann auf die Geschwindigkeitsverteilung im Innern des Gießgutes bei laminarer Strömung geschlossen werden.
Es wird die Fließgeschwindigkeit $\vec{v}$
17 des Gießgutes am Rand des Gießkanals 1 bei laminarer Strömung gemessen. Aufgrund der Kenntnis von der Fließgeschwindigkeit 17 am Rand kann auf die Geschwindigkeitsverteilung im Innern des Gießgutes geschlossen werden.
Das Gießgut erfährt beim Durchfließen der elektrischen Feldverteilung der Φ-Komponente E_Φ (r, Φ, z) folgende elektrische Feldstärke (1.3) in Vektorschreibweise. $\begin{array}{l} \vec{\underline{E}}'_{0} (r', Φ', z', t') = {\vec{\underline{E}}}_{0} (r, Φ, z, t) + \vec{v} \times {\vec{\underline{B}}}_{0} (r, Φ, z, t) \\ r = r', Φ = Φ', z \overset{L}{\overset{︷}{\to}} z', t \overset{L}{\overset{︷}{\to}} t'; L : T r a n s f o r m a t i o n \end{array}$
Wobei der ' jene Größen bezeichnet, welche in einem ruhenden Inertialsystem relativ zum Gießgut gemessen werden. Der zweite Term, der sogenannte Lorenz-Term beinhaltet somit die Geschwindigkeit und wird für die Fließgeschwindigkeitsmessung genutzt. Da $| \vec{v} |$
« VakuumLichtgeschwindigkeit c ist, können alle relativistische Effekte vernachlässigt werden.
Die Frequenz f der Kreisfrequenz ω = 2 · π · ƒ soll so gewählt werden, dass diese kleiner als die kleinste Grenzfrequenz des niedrigsten Hohlleitermodes ist.
Damit wird eine charakteristische, gewünschte elektromagnetische Feldverteilung im Hohleiter 2 erzeugt und es kann keine Wellenausbreitung stattfinden. Dies trägt zudem zur Unempfindlichkeit gegenüber äusseren Störsignalen und zur Reduzierung des Störpotentials bei.
Da ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom in die Sendespule 3 eingeprägt wird, kann die primäre magnetische Induktion gemäß dem Induktions-Gesetz (1.4) der Maxwell-Gleichungen ausgedrückt werden: $\nabla \times {\vec{\underline{E}}}_{0} (r, Φ, z, t) = - \frac{\partial}{\partial t} {\vec{\underline{B}}}_{0} (r, Φ, z, t)$
In Zylinderkoordinaten ausgedrückt (1.5): $[\begin{matrix} - \frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) \\ 0 \\ \frac{1}{r} \cdot {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) + \frac{\partial}{\partial r} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) \end{matrix}] \cdot e^{j \cdot ω \cdot t} = - j \cdot ω \cdot [\begin{matrix} {\underline{B}}_{r,0} (r, Φ, z) \\ 0 \\ {\underline{B}}_{z,0} (r, Φ, z) \end{matrix}] \cdot e^{j \cdot ω \cdot t}$
Und somit (1.6): $[\begin{matrix} {\underline{B}}_{r,0} (r, Φ, z) \\ 0 \\ {\underline{B}}_{z,0} (r, Φ, z) \end{matrix}] = \frac{1}{- j \cdot ω} \cdot [\begin{matrix} - \frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) \\ 0 \\ \frac{1}{r} \cdot {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) + \frac{\partial}{\partial r} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) \end{matrix}]$
Und in Komponenten-Schreibweise geschrieben (1.7) und (1.8) ${\underline{B}}_{r,0} (r, Φ, z) = - j \cdot \frac{1}{ω} \cdot [\frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z)]$
${\underline{B}}_{z,0} (r, Φ, z) = j \cdot \frac{1}{ω} \cdot [\frac{1}{r} \cdot {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z) + \frac{\partial}{\partial r} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z)]$
Wird nun weiter eine laminare Strömung vorausgesetzt, kann die Fließgeschwindigkeit $\vec{v}$
17 mit (1.9) angegeben werden, wobei die r-Komponente auf 0 gesetzt wird. $\vec{v} = [\begin{matrix} v_{r} = 0 \\ 0 \\ v_{z} \end{matrix}]$
Ist nun das Gießgut im Gießkanal 1 vorhanden und fließt mit der Fließgeschwindigkeit $\vec{\underline{J}'}$
17 relativ zur ruhenden Sendespule 3, so kann für die elektrische Feldstärke des Primärfeldes folgende Beziehung nach Gleichung (1.10) gefunden werden. Diese elektrische Feldstärke erzeugt im Gießgut eine elektrische Stromdichte $\vec{\underline{J}'}$
relativ zum Gießgut.
Diese elektrische Stromdichte $\vec{\underline{J}'}$
erzeugt allgemein wiederum ein magnetisches Vektorpotential ausserhalb des Gießgutes. Nun ist das Gießgut ein guter elektrischer Leiter, so dass die elektrische Stromdichte $\vec{\underline{J}'}$
vor allem auf der Oberfläche des Gießgutes zu finden ist.
Bezüglich der Sendespule 3 und dem Hohlleiter 2 wird im Allgemeinen ein Sekundärfeld mit einer elektrischen Feldstärke, welche durch die elektrische Stromdichte $\vec{\underline{J}'}$
erzeugt wird, beobachtet. Nicht-relativistisch kann der Sachverhalt mit (1.10) und (1.11) beschrieben werden. $\underset{I n R u h e z u m G i e s s g u t}{\underset{︸}{[\begin{matrix} {\underline{E}}_{r}^{'} \vec{\underline{J}'} \\ {\underline{E}}_{Φ}^{'} \vec{\underline{J}'} \\ {\underline{E}}_{z}^{'} \vec{\underline{J}'} \end{matrix}]}} = \underset{S e k u n d \ddot{a} r f e l d i n R u h e z u m G i e s s g u t}{\underset{︸}{[\begin{matrix} \underline{E}'_{r S} \vec{\underline{J}'} \\ \underline{E}'_{Φ S} \vec{\underline{J}'} \\ \underline{E}'_{z S} \vec{\underline{J}'} \end{matrix}]}} + \underset{P r i m \ddot{a} r}{\underset{︸}{[\begin{matrix} 0 \\ {\underline{E}}_{Φ 0} \\ 0 \end{matrix}]}} + {\underset{\vec{v}}{\underset{︸}{[\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ v_{z} \end{matrix}]}} \times \underset{P r i m \ddot{a} r}{\underset{︸}{[\begin{matrix} {\underline{B}}_{r 0} \\ 0 \\ {\underline{B}}_{z 0} \end{matrix}]}}}$
Wobei mit‘ die Feldgrößen im Inertialsystem, welches in Ruhe zum Gießgut steht, bezeichnet werden. Im Inertialsystem, welches sich in Ruhe relativ zur Sendespule 3, zum Hohlleiter 2 und zum Isolator 6 befindet, sind bei der Rücktransformation (1.11) zwei Feldanteile vorhanden. ${\underline{E}}_{Φ}^{'} \to {\underline{E}}_{Φ} = {\underline{E}}_{Φ 0} + {\underline{E}}_{Φ S}$
Das Primärfeld E _ϕ0 (Index 0) wird durch den eingeprägten Kreisstrom in der Sendespule 3 erzeugt, wobei das Gießgut nicht vorhanden ist, d.h. die Feldverteilung ist ungestört. Das Sekundärfeld E _ϕS ${\underline{E}}_{Φ S} (\vec{\underline{J}'})$
(Index S) wird durch die Anwesenheit des Gießgutes erzeugt und ist notwendig, damit die Randbedingungen im Hohlleiter 2 erfüllt werden können.
Wie zu sehen ist, wird im Inertialsystem in Ruhe zur Sendespule 3 die Summe der beiden Feldanteile primär und sekundär (1.12) gemessen. ${\underline{E}}_{Φ} = {\underline{E}}_{Φ, M e s s} = {\underline{E}}_{Φ 0} + {\underline{E}}_{Φ S}$
In 3 ist ein Signalanteil über der Gießkanalachse 24 in einem Diagramm aufgetragen. Aus Gleichung (1.10) zusammen mit 3 ist ersichtlich, dass die ϕ-Komponente der gesamten elektrischen Feldstärke E' _φ ${\underline{E}}_{Φ}^{'} (\vec{\underline{J}'})$
gemessen in Ruhe zum Gießgut einen, zum Ort der Sendespule 3 symmetrischen und einen unsymmetrischen Anteil 23 besitzt. Dies ist damit zu begründen, dass die Φ-Komponente der primären elektrischen Feldstärke E _Φ0 symmetrisch zum zum Ort der Sendespule 3 ist, hingegen die r- Komponente der primären Induktion ${\underline{B}}_{r,0} = - j \cdot \frac{1}{ω} \cdot [\frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ,0}],$
wie 3 zeigt, unsymmetrisch verläuft. In 3 ist der Verlauf der Größe $(\frac{1}{ω} \cdot [\frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ,0} (r, Φ, z)])$
auf der Oberfläche des Gießgutes zu sehen. Die Gießkanal-Achse, z-Achse ist mit 24 bezeichnet. Weiter ist eine Nulllinie 25 eingezeichnet. Der Verlauf der Größe 23 ist unsymmetrisch mit einem Nulldurchgang 22. Die Information über die Geschwindigkeit v_z ist nur im unsymmetrischen Anteil 23 zu finden.
Da die Stärke des unsymmetrischen Anteils 23 gegenüber dem symmetrischen Anteil eher klein ist, muss eine Methode gefunden werden, den symmetrischen Anteil aus der Messung zu entfernen. Dies wird mit zwei verschiedenen Messaufbau-Typen erreicht, wobei ein kreisrunder Querschnitt des Gießkanals 1 vorausgesetzt wird.
Der optimale Messort für maximale geschwindigkeitsabhängige Messgrößen ist direkt auf der Oberfläche des Gießgutes und beim Maximum von 20 und beim Minimum von 21 in 3. Für die praktische Umsetzung bedeutet dies, die Messung so nahe wie möglich an der Oberfläche des Gießgutes durchzuführen.
In 2a und 2b ist nun eine Messsektion mit einem zylindrischen Gießkanal 1, einem Hohlleiter 2 in Form eines Messgehäuses, einer Sendespule 3 und zwei Empfangsspulen 4, 5 dargestellt. Das Messgehäuse kann aus Stahl gefertigt sein und ist mit einem Isolator 6 bis zum Gießkanal 1 gefüllt. Als Isolator 6 kann eine Keramik oder Guss-Sand dienen. Die Empfangsspulen 4, 5 sind parallel und symmetrisch zur Sendespule 3 angeordnet.
Der Gießkanal 1 wird von einem flüssigen, heissen und elektrisch leitendem Medium, durchflossen. Als Medien sind primär Aluminium, Gusseisen und Stahl zu nennen. Der Gießkanal 1 ist in einen Isolator 6 eingearbeitet und wird von dem Isolator 6 begrenzt. Der Isolator 6 besteht aus einem hitzeresistenten Material, wie Keramik oder Guss-Sand.
Auch der Hohlleiter 2 ist aus hitzeresistentem Material gefertigt. Zum Beispiel besteht beim Aluminium-Kokillenguss die Kokille aus Stahl. Somit kann der Hohlleiter 2 auch aus Stahl gefertigt werden. Neben der hitzebeständigen Eigenschaft des Hohlleiters 2, muss dieser Hohlleiter 2 auch aus gut elektrisch leitendem Material gefertigt sein. Hingegen darf der Isolator 6 keine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Im Isolator 6 sind drei Spulen 3, 4 und 5, nämlich eine Sendespule 3 und zwei Empfangsspulen 4 und 5 nahe dem Gießkanal 1 positioniert und umschliessen diesen als Schleife vorzugsweise mit einer Windung. Die Sendespule 3 wird links und rechts von je einer Empfangsspule 4, 5 eingeschlossen. In die Sendespule 3 wird ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom mit einer speziell gewählten Frequenz eingeprägt. Die Frequenz wird so gewählt, dass diese kleiner als die kleinste Grenzfrequenz des niedrigsten Hohlleitermodes ist. Mit dieser Massnahme kann sich das elektromagnetische Feld nicht als Welle im Hohlleiter 2 ausbreiten und somit verlässt je nach Hohlleiterlänge praktisch keine elektromagnetische Energie die Messsektion. Somit ist gewährleistet, dass keine Störung an benachbarten elektrischen Anlagen auftreten kann. Weiter ist die Resistenz gegenüber externen Störungen unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz gewährleistet. Oberhalb der kleinsten Grenzfrequenz blockieren Bandpassfilter 10 das Störsignal.
Weiter wird durch die Wahl der Frequenz und der Form der Spulen eine charakteristische elektromagnetische Feldverteilung im Hohlleiter 2 erzeugt.
Da sich der eingeprägte Strom zeitlich (z.B. harmonisch) verändert, ist nicht nur ein magnetisches Feld im Hohlleiter 2 vorhanden, sondern es kann auch ein elektrisches Feld beobachtet werden. Durch die Anwesenheit des flüssigen, heissen und elektrisch leitenden Mediums wird die elektrische Feldverteilung verändert. Die Sendespule 3 ist mit einer Signalerzeugung 12 durch eine Signalleitung 13 verbunden. Eine Signalerzeugung wird in dieser Schrift auch als Stromquelle bezeichnet.
Die beiden Empfangsspulen 4 und 5 sind baugleich und haben denselben Abstand 7 zur Sendespule 3. Jede Empfangsspule 4 und 5 empfängt durch die Anwesenheit des heissen, flüssigen und elektrisch leitenden Gießgutes eine Veränderung der elektrischen Feldstärke im Hohlleiter 2.
Ein Empfangssignal 8, 9 besteht aus einem symmetrischen und einem geschwindigkeitsabhängigen unsymmetrischen Anteil 23. Der symmetrische Anteil ist symmetrisch (gerade) gegenüber der Position der Sendespule 3 auf der Gießkanal-Achse 24. Hingegen ist der unsymmetrische Anteil 23 ungerade, wie 3 zeigt. Der Empfangspfad der Empfangsspule 5 ist mit einem Anpasselement 11 ausgestattet, damit bei der Kalibrierung das Differenzsignal aus einem Komperator 14 oder Differenznetzwerk 14 Null wird.
Die Kalibrierung erfolgt ohne die Anwesenheit des Gießgutes. Das Anpasselement 11 verstärkt oder dämpft ein Empfangssignal 9 der Empfangsspule 5 bei der Kalibrierung derart, dass das Differenzsignal am Differenznetzwerk 14 null wird.
Um die Geschwindigkeit des Gießgutes zu messen, wird aus den beiden Empfangssignalen 8, 9 der Empfangsspulen 4 und 5 mit Hilfe des Komperators bzw. Differenznetzwerkes 14 die Differenz gebildet. Das Differenzsignal enthält somit nur den unsymmetrischen Anteil 23 und die Geschwindigkeit 17 wird mit einem Messgerät zur Geschwindigkeitsbestimmung 16 gemessen.
Weiter werden die beiden Empfangssignale 8, 9 mit einem Korrelator 15 zur Detektion von turbulenter Strömung genutzt. Bei turbulenter Strömung ist mit einem zusätzlichen Rauschsignal zu rechnen. Dieses Rauschen wird durch mitgeführte Luftblasen und durch eine schnelle zeitliche Veränderung der Fließgeschwindigkeit 17 verursacht. Der Korrelator 15 vergleicht mittels Kreuzkorrelation die beiden Empfangssignale 8, 9 und misst damit das Rauschverhalten und eine eventuelle Bewegungsgeschwindigkeit der Luftblasen.
Folgende Merkmale sind besonders vorteilhaft:
Es sind zwei Empfangsspulen 4 und 5 symmetrisch zur Sendespule 3 zu platzieren, damit jede der Empfangsspulen 4 und 5 denselben Wert für den symmetrischen Anteil erfasst. Der unsymmetrische geschwindigkeitsabhängige Anteil wird durch Differenzbildung der beiden Empfangssignale 8, 9 gemessen (vgl. 2 und 3).
Die Radien der Empfangsspulen 4 und 5 sind idealerweise gleich gross, und genauso groß wie der Radius des Gießkanals 1. In der Praxis sind die Radien der Empfangsspulen 4 und 5 ein wenig größer, damit eine Isolation zwischen dem Gießgut und den Empfangsspulen 4 und 5 erzielt werden kann, d.h. die Radien der Empfangsspulen 4 und 5 werden so gewählt, dass die Empfangsspulen 4 und 5 so nahe wie möglich zum Gießkanal 1 zu liegen kommen, ohne das Gießgut zu berühren.
Die Empfangsspulen 4, 5 und die Sendespule 3 sind Spulen mit je einer Windung. Dies vereinfacht den Aufbau.
Die Kompensation des symmetrischen Anteils erfolgt über das Differenznetzwert 14, wobei vor dem Eingießen des Gießgutes, also bei leerem Gießkanal 1 eine Kalibration mit Hilfe des Anpasselementes 11 erfolgt, wobei das Differenzsignal, welches das Messgerät 16 misst, zu Null wird.
Mit dem Korrelator 15 kann eine turbulente Strömung detektiert werden. Dabei wird mittels Kreuzkorrelation der beiden Empfangssignale 8, 9 eine schnell zeitlich veränderliche Fließgeschwindigkeit, das Auftreten von Luftblasen, sowie die Geschwindigkeit der Luftblasen erfasst.
Der Abstand 7 wird so gewählt, dass die Empfangsspule 4 am Ort des Maximums des Signalverlaufs 20 und die Empfangsspule 5 am Ort des Minimums des Signalverlaufs 21 zu liegen kommen. Der Ort der Sendespule 3 befindet sich beim Nulldurchgang 22.
Nun können weitere Varianten (vgl. 4 und 5) zur Optimierung des unsymmetrischen geschwindigkeitsabhängigen Anteils 23 im Sinne, dass dieser maximal wird, gefunden werden.
Die 4 zeigt eine Variante mit zwei Sendespulen 26, 27 und mit einer Empfangsspule 28 mit je einem Abstand 30 zueinander, wobei die Empfangsspule 28 ein Empfangssignal 31 empfängt. Die Empfangsspule 28 ist genau in der Mitte des Abstandes zwischen den beiden Sendespulen 26, 27 angeordnet. Weiter werden die beiden Sendespulen 26, 27 mit entgegengesetzten Stromstärken + I_Φ und - I_Φ beaufschlagt, wobei die Beträge exakt gleich gross sind: | + I_Φ| = |- I_Φ |. Dies führt dazu, dass am Ort der Empfangsspule 28 nur die r-Komponente der magnetischen Induktion B_r,0 29 auftritt. Weiter wird idealerweise der symmetrische Anteil aufgehoben oder zumindest so weit abgeschwächt, dass eine Messung des unsymmetrischen geschwindigkeitsabhängigen Anteils ohne Differenzbildung möglich ist. Dies ist aus den Gleichungen (1.13) und (1.14) ersichtlich.
Es gilt auf der Oberfläche des Gießgutes im ruhenden Inertialsystem zur Empfangsspule 28 mit ungestörten, primären Feldgrößen am Ort der Empfangsspule 28: ${\underline{E}}_{Φ 0} = {\underline{E}}_{Φ 0} (+ I_{Φ}) + {\underline{E}}_{Φ 0} (- I_{Φ}) = 0$
${\underline{B}}_{r 0} = - j \cdot \frac{1}{ω} \cdot [\frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ} (+ I_{Φ}) + \frac{\partial}{\partial z} {\underline{E}}_{Φ} (- I_{Φ})] \neq 0$
In 4 sind die Stromquellen der Sendespulen 26, 27 nicht dargestellt.
Der Hohlleiter 2 in Form des Messgehäuses ist in 2 und 4 rotationssymmterisch zur Gießkanalachse 24 ausgestaltet und die Ebene der jeweils mittleren Spule, nämlich der Sendespule 3 bzw. der Empfangsspule 28, dient ebenfalls als Symmetrieebene. Hierbei weist der Hohlleiter 2 einen Bereich mit einem konstanten Außendurchmesser auf und ist somit zumindest teilweise zylindrisch ausgebildet.
Es ist auch möglich, die Form des Hohlleiters 32 (vgl. 5) so zu wählen, dass die r-Komponente der magnetischen Induktion B_r,0, 29 im Sinne des Ansatzes der 4, sich optimal am Ort der Empfangsspulen 4, 5 einstellt.
In Ergänzung zu 1 bis 5 sollen die Ausführungen aus 6 und 7 als mögliche Realisationen vom Komperator 14 vorgeschlagen werden.
Die 6 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Komparators 14 und weist eine Sendespule 3 als eine Spule mit einer Windung auf. Die beiden Empfangsspulen 4 und 5 werden nun zu einer Empfangsspulenanordnung 34 zusammengefügt, so dass sich zum Beispiel die Empfangsspule 4 im Uhrzeigersinn und die Empfangsspule 5 im Gegenuhrzeigersinn um den Gießkanal 1 winden. Verbunden werden die Empfangsspulen 4 und 5 mit einem Umkehrbogen 33. Dabei soll auf einen symmetrischen Aufbau mit der Sendespule 3 zwischen den beiden Empfangsspulen 4 und 5 geachtet werden. Auch die Zuführdrahte der Empfangsspulenanordnung 34 sind symmetrisch bezüglich der Durchführung durch den Umkehrbogen 33 auszuführen. Weiter soll der Abstand 7 eingehalten werden.
Der Vorteil der Anordnung in 6 liegt darin, dass es bedeutend einfacher ist, ein möglichst kleines Differenzsignal zur Unterdrückung des Gleichanteils zu erreichten, da der Aufbau mechanisch leicht zu realisieren ist und die Konstruktion robuster gegenüber Unterschieden in den zwei Empfangskanälen ist.
Eine weitere Ausführung zeigt 7, wobei der Gießkanal 1 nicht gezeigt ist. Diese Ausführung ist zu bevorzugen, wenn das elektrische Skalarpotential nicht vernachlässigt werden kann. Durch eine Erdverbindung 35 zwischen dem Hohlleiter 2 und einem gemeinsamen Potential 39 werden zwei Stromquellen 37 auf ein definiertes Bezugspotential gebracht. Mit zwei Innenwiderständen R_i 38 werden die Stromquellen 37 als reale Stromquellen abgebildet. Zwei Sendespulen 40 und 41 sind über einen Widerstand R₀ 36 miteinander verbunden, so dass ein vom Betrag her gleicher Strom 43 durch die beiden Sendespulen 40 und 41 fließt. Somit ist am Ort einer Empfangsspule 42, welche je einen Abstand 7 zu den jeweiligen Sendespulen 40 und 41 hat, der symmetrische Anteil Null. Weiter ist unter der Bedingung eines symmetrischen Aufbaus auch das elektrische Skalarpotential gleich gross wie jenes des Hohlleiters 2.
Alle Stromquellen 37, Innenwiderstände 38 und der Widerstand 36 sind ausserhalb des Hohlleiters 2 angeordnet.
Da die Empfangsspule 4, 5, 28 bzw. 42 nahe am Gießgut zu liegen kommt, heizt sich die Empfangsspule 4, 5, 28 bzw. 42 durch Wärmetransport auf. Wird eine Gleichspannung an den Klemmen der Empfangsspule 4, 5, 28 bzw. 42 angelegt und der Gleichstrom (Direct Current Strom bzw. DC-Strom) gemessen, kann durch den temperaturabhängigen Empfangsspulen-Widerstand die Temperatur der Empfangsspule 4, 5, 28 bzw. 42, nämlich die Empfangsspulen-Temperatur gemessen werden. Aufgrund der Empfangsspulen-Temperatur kann auf die Oberflächentemperatur des Gießgutes geschlossen werden. Dies ist mithilfe gängiger Formeln für den Wärmetransport mit zugehörigen Materialkonstanten möglich. Da die Frequenz f ≠ 0 [Hz] ist, können durch eine Filterung im Frequenzbereich die beiden Signale, nämlich die Spannung für die Geschwindigkeitsmessung und der Gleichstrom für die Temperaturmessung gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden.
Durch einen Wärmetransport heizt sich die Empfangsspule 4, 5, 28 bzw. 42 auf. Durch die Messung des temperaturabhängigen Empfangsspulen-Widerstandes mittels eines Gleichstromes und einer Gleichspannung kann die Empfangsspulen-Temperatur und weiter die Temperatur des Gießgutes an der Oberfläche des Gießgutes bestimmt werden.
Es ist zu beachten, dass die Leitfähigkeit des Gießgutes auch temperaturabhängig ist. Darum ist eine kombinierte Messung von Geschwindigkeit und Temperatur des Gießgutes von Vorteil.
Durch die Kenntnis der Temperatur des Gießgutes ist eine genauere Bestimmung der Geschwindigkeit des Gießgutes möglich, da die Leitfähigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung eine wichtige Rolle spielt.
Bezugszeichenliste

1: Giesskanal, gefüllt mit elektrisch leitendem Giessgut
2: Hohlleiter
3: Sendespule, mit eingeprägter Stromdichte
4: Empfangsspule A (aus Stahl, Kupfer, ...)
5: Empfangsspule B (aus Stahl, Kupfer, ...)
6: Isolator
7: Abstand Empfangsspule zu Sendespule
8: Empfangssignal der Empfangsspule 4
9: Empfangssignal der Empfangsspule 5
10: Bandpassfilter
11: Anpasselement
12: Signalerzeugung
13: Signalleitung zur Sendespule
14: Komperator
15: Korrelator zur turbulenten Strömungsdetektion
16: Messgerät zur Geschwindigkeitsbestimmung mit Hilfe des Differenzsignals
17: Fließgeschwindigkeit des Giessgutes am Rand des Giesskanals
20: Positiver Anteil des unsymmetrischen Anteils
21: Negativer Anteil des unsymmetrischen Anteils
22: Nullstelle bei der Position der Sendespule 3 auf der Giesskanal-Achse
23: Unsymmetrischer Anteil
24: Giesskanal-Achse, z-Achse
25: Nulllinie
26: Sendespule A mit eingeprägtem Strom in Φ-Richtung + I_Φ
27: Sendespule B mit eingeprägtem Strom in Φ-Richtung - I_Φ
28: Eine Empfangsspule
29: r-Komponente der magnetischen Induktion B_r,0
30: Abstand Empfangsspule zu Sendespule
31: Empfangssignal der Empfangsspule
32: Andere Hohlleiterform
33: Umkehrbogen
34: Empfangsspulenanordnung aus einem Draht gefertigt
35: Erdungsverbindung Hohlleiter - Speisenetzwerk
36: Widerstand R₀ ausserhalb des Hohlleiters
37: Stromquelle ausserhalb des Hohlleiters
38: Innenwiderstand der Stromquelle R_i ausserhalb des Hohlleiters
39: Erdung: Gemeinsames elektrisches Potential
40: Sendespule A
41: Sendespule B
42: Empfangsspule
43: Stromrichtung I_Φ

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019107033 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Befüllen einer Gussformanordnung mit einer Gussform und mit mindestens einer Messsektion, wobei die Gussform einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum mit einem elektrisch leitfähigen Gießgut befüllt wird, wobei die mindestens eine Messsektion zumindest eine Sendespule (3) und zumindest eine Empfangsspule (4, 5) aufweist, wobei die Sendespule (3) und die Empfangsspule (4, 5) in einem Hohlleiter (2) angeordnet sind, wobei die Messsektion innerhalb der Gussform angeordnet ist und einen Gießkanal (1) umgreift, wobei ein elektrisches Signal mit zeitlich veränderlichem Verlauf an der Sendespule (3) angelegt wird, wobei durch die Sendespule (3) ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wobei das von der Sendespule (3) erzeugte und von dem Gießgut beeinflusste, elektromagnetische Feld von der Empfangsspule (4, 5) empfangen wird, wobei ein Maß für eine Geschwindigkeit (17) bei einer laminaren Strömung des Gießgutes am Rand des Gießkanals (1) aus zumindest einem Empfangssignal (8, 9) der zumindest einen Empfangsspule (4, 5) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Empfangsspule (4, 5) zusätzlich eine Gleichspannung angelegt wird, wobei die Empfangsspule (4, 5) einen temperaturabhängigen Empfangsspulen-Widerstand aufweist, wobei der Gleichstrom durch die Empfangsspule (4, 5) gemessen wird, und wobei aus dem gemessenen Gleichstrom ein Maß für eine Oberflächentemperatur des Gießgutes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Empfangsspule (4, 5) gemessenes Empfangssignal (8, 9) im Frequenzbereich gefiltert wird, so dass der Spannungsanteil des Empfangssignals (8, 9) zur Geschwindigkeitsbestimmung und der Stromanteil des Empfangssignals (8, 9) zur Temperaturbestimmung getrennt ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal mit zeitlich veränderlichem Verlauf mittels einer außerhalb des Hohlleiters (2) angeordneten Stromquelle (12) an der Sendespule (3) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine, erste Sendespule (40) und eine zweite Sendespule (41) in dem Hohlleiter (2) angeordnet sind, wobei das eine, erstes elektrische Signal mittels der einen, ersten Stromquelle (37) an der ersten Sendespule (40) angelegt wird, wobei ein zweites elektrisches Signal mittels einer zweiten Stromquelle (37) an der zweiten Sendespule (41) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (36) zwischen der ersten und der zweiten Sendespule (40, 41) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste Sendespule (40) ein vom Betrag her gleicher Strom wie durch die zweite Sendespule (41) hindurchfließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Stromquelle (40, 41) mittels einer zwischen dem Hohlleiter (2) und einem gemeinsamen Potential (39) angeordneten Erdverbindung (35) auf ein definiertes Bezugspotential gebracht werden.