ES2208654T3 - Metodo para medir simultaneamente las posiciones de mas de una superficie en procesos metalurgicos. - Google Patents

Abstract

UNA TECNICA Y METODO DE MEDICION PARA DETERMINAR SIMULTANEAMENTE LAS POSICIONES DE LAS SUPERFICIES DE BAÑOS DE METAL Y ESCORIA EN PROCESOS METALURGICOS. EN LA INDUSTRIA DE PROCESOS METALURGICOS, POR EJEMPLO EN PROCESOS CONVERTORES, ES IMPORTANTE MEDIR EL GROSOR DE LA CAPA DE ESCORIA SOBRE EL BAÑO DE METAL ADEMAS DE DETERMINAR EL VOLUMEN REAL DE METAL PARA DETERMINAR EL PESO DE LA CARGA. UN GRAN NUMERO DE METODOS VARIOS HAN SIDO PROBADOS, PERO NINGUN METODO CONOCIDO RESULTA EN MEDICIONES RAPIDAS Y PRECISAS TANTO DE LAS SUPERFICIES DESDE UNA DISTANCIA Y SIN MECANISMOS MECANICOS. LA INVENCION AQUI PRESENTADO DESCRIBE UN METODO EN EL QUE ONDAS DE RADIO SON TRANSMITIDAS EN UNA BANDA DE FRECUENCIA PERPENDICULAR HACIA LAS SUPERFICIES, Y COMO UN RECEPTOR ES UTILIZADO PARA COMPARAR LA FASE DE LAS ONDAS REFLECTADAS RELATIVAS A LA ONDA TRANSMITIDA. EL CAMBIO DE FASE SE MIDE PARA UN NUMERO DE CANALES DE FRECUENCIA, Y UN TRANSFORMADOR ES ENTONCES UTILIZADO PARA TRANSFORMAR DESDE EL ESPACIO DE FRECUENCIAAL ESPACIO DE RETARDO DE TIEMPO QUE OTORGA LAS POSICIONES. EL METODO ES UTIL PARA MEDIR SUPERFICIES SUPERPUESTAS A LARGAS DISTANCIAS DESDE EL NIVEL DE REFERENCIA Y QUE SE ENCUENTRAN SEPARADAS POR LARGAS DISTANCIAS. LOS ERRORES ESTIMADOS DEL METODO SON TAN BAJOS COMO 2 {MI}M. SI UN INTERFEROMETRO ES UTILIZADO COMO ANTENA, ENTONCES LOS DATOS SERAN MUESTREADOS EN EL PLANO DE APERTURA Y LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL PUEDE SER RECONSTRUIDA.

Description

Método para medir simultáneamente las posiciones de más de una superficie en procesos metalúrgicos.

Esta invención se refiere a un método para medir simultáneamente las posiciones de más de una superficie en procesos metalúrgicos.

En convertidores, cucharones, hornos de arco eléctrico y otros contenedores metalúrgicos, es deseable conocer la posición exacta de la superficie de escoria y la posición de la interfaz entre la escoria y el metal líquido. Aunque se han utilizado muchos métodos en la técnica precedente, ninguno ha resultado al mismo tiempo rápido, fiable y preciso. También puede ser deseable que sea capaz de medir las posiciones de otras superficies, por ejemplo con el objetivo de controlar el espesor del revestimiento de los contenedores.

Los cambios en el modelo de los frentes de la ondas electromagnéticas representan las sondas más sensibles en física. Las ondas electromagnéticas pueden penetrar medios de propiedades físicas variables, cambiando su amplitud y fase de forma específica al contenido de los medios. De esta manera la radiación continua se verá influida al penetrar un medio, en el sentido de que la amplitud será atenuada y la velocidad de propagación cambiará, dando como resultado un cambio repentino de fase en la superficie de la interfaz. La banda de radio es de interés particular por el hecho de que aquí las ondas pueden penetrar más profundamente en áreas polvorientas y penetrar a través de un material cerámico, p. ej. escoria.

Se sabe que la interferencia entre una onda transmitida y una onda reflejada creará un modelo de onda permanente a una frecuencia específica determinada por las posiciones del cero en este modelo de onda permanente, y que la longitud de onda así determinada de la señal determinará la posición de una única superficie, EP-A-60 597. Con esta técnica sólo puede determinarse la posición de una única superficie, lo que limita seriamente la utilidad del método para la industria de los procesos metalúrgicos. Además, se mide la amplitud de la onda permanente más que su fase, lo que limita seriamente la resolución y la testabilidad del método.

También se sabe que se puede medir una distancia si la señal transmitida es barrida en frecuencia y la señal reflejada y la transmitida se mezclan de modo que se crea una señal (IF) de baja frecuencia, DE-2812 871. La frecuencia de esta señal IF depende del retardo de la señal reflejada en comparación con el tiempo de barrido del transmisor. Este método particular puede detectar sólo una única superficie.

También se sabe que el ángulo de polarización de una señal transmitida cambiará al reflejarse en un ángulo grande en dos superficies, WO 91/10899 y US-A-4818 930. Ambos métodos transmiten a una única frecuencia en un ángulo grande (mayor que el ángulo de Brewster) en la superficie y pueden detectar sólo el espesor de la capa entre las dos superficies y el módulo único de la longitud de onda transmitida.

Ninguna de las publicaciones de patentes anteriores ilustra o trata el cambio de fase a través de la banda de paso de frecuencia y ninguno de los métodos anteriores puede por tanto detectar las posiciones de diferentes superficies simultáneamente con un sistema de antena instalado en ángulo recto a las superficies. Ninguna de las patentes anteriores ilustra o trata la extensión para la formación de imágenes tridimensionales de diferentes superficies. En consecuencia, el método presentado aquí es significativamente diferente de la técnica precedente anteriormente mencionada.

El objetivo de la invención es proporcionar un método de este tipo que sea rápido, fiable y preciso.

El retardo de una señal en relación a otra señal es, en el espacio de Fourier o espacio de frecuencia, un cambio lineal de fase con frecuencia. Si la señal objeto es transmitida y reflejada en una superficie, entonces la fase relativa de las señales cambiará por tanto de forma lineal con la frecuencia. Si la señal es medida en etapas sobre una banda de frecuencia, entonces el gráfico de la fase con la frecuencia sería una línea con una inclinación correspondiente al retardo de la señal reflejada en comparación con la señal de referencia. De este modo, la distancia puede medirse por medio de un sistema de frecuencia escalonada. En cambio, si la señal es transmitida hacia un medio semitransparente, entonces parte de la señal será reflejada y parte de la señal se propagará a través del medio y se reflejará en la siguiente superficie donde el índice de refracción cambiará nuevamente. Estas ondas doblemente reflejadas, al multiplicar el complejo con el conjugado de la señal de referencia, mostrarán una curva más complicada de fase en función de la frecuencia. Por lo tanto, si se toman los datos como amplitudes complejas en canales de frecuencia sobre una banda de frecuencia, entonces podrán recuperarse las distancias a ambas superficies. Si la señal es entonces transmitida y recibida por un interferómetro en el plano de apertura, entonces podrá reconstruirse la estructura tridimensional completa de las dos superficies. Esto puede aplicarse también en una mezcla donde hay presentes más de dos superficies.

La invención se describirán con más detalle en referencia a los dibujos.

La Figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema según la invención para medir las posiciones de múltiples superficies.

La Figura 2 muestra esquemáticamente un contenedor metalúrgico en el que puede aplicarse la invención.

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La Figura 3 es un diagrama que muestra una función de dispersión de punto (point-spread-function PSF) de la banda de paso de frecuencia obtenida en un experimento descrito en referencia a las Figura 1 y 2.

La Figura 4 es un diagrama de los reflejos de la superficie de la escoria y la superficie del baño de metal obtenidos en el mismo experimento.

Un ejemplo de la invención se muestra en las Figuras 1 y 2. Se crea una señal a una frecuencia definida con un generador de señales 1. Esta señal es transferida por medio de un cable a un distribuidor de potencia 2 desde donde una trayectoria es guiada por medio de un cable hasta una antena 3. La segunda trayectoria es conducida por medio de un cable a una unidad de comparación de fases 4 donde se usa como señal de referencia. La antena transmite la señal de radio como una polarización circular hacia el contenedor metalúrgico de metal en forma de cucharón 10 mostrado en la Figura 2. La señal es dirigida en ángulo perpendicular a la superficie del baño de metal en el contenedor 10 y se refleja en las superficies de la escoria y el baño de metal, tal y como se muestra en la Figura 2, y es recibida por la misma antena 3 en la polarización circular opuesta debido al número impar de reflejos. La señal recibida es transmitida a través de un cable al comparador de fases 4 donde se multiplica de forma compleja con el conjugado de la señal de referencia. La amplitud y la fase de la multiplicación compleja del conjugado es almacenada en una tabla por un ordenador 5, entonces el generador de señales es cambiado a otro escalón de frecuencia y se toma una nueva medición. Este procedimiento continúa hasta medir separadamente un número determinado de canales de frecuencia a lo largo de una banda de frecuencia. El equipo es controlado por un ordenador que también almacena los datos y realiza el análisis de la señal.

La onda de referencia recibida en un tiempo t_{o} y a una frecuencia w puede escribirse como:

U_{ref} (w) = e^{jwto}

La señal reflejada de la primera superficie y en referencia al mismo tiempo de recepción t_{o} puede escribirse como:

U_{S1} (w) = e^{j(w(to - 2DI_{escoria}/c))}

La señal reflejada de la segunda superficie y en referencia al mismo tiempo de recepción t_{o} puede escribirse como:

U_{S2}(w) = e^{j(w(to – 2DI_{escoria}/-2DI_{bad}\text{*}n_{escoria}/c))}

DI_{escoria} y DI_{bad} están representados en la Fig 2.

DI_{escoria} es la distancia a la primera superficie (escoria), desde una posición de referencia en la antena representada como nivel 11. DI_{bad} es la distancia entre las dos superficies (escoria y baño de metal), c es la velocidad de la luz en el aire, y n_{escoria} es el índice refractivo del medio entre las dos superficies. La multiplicación compleja del conjugado, o la correlación cruzada en el dominio de tiempo de las señales reflejadas y las de referencia es entonces de: (U* es el conjugado de U)

S_{corr} (w) = U\text{*}_{ref} (w) \cdot U_{S1} (w)+U\text{*}_{ref} (w) \cdot U_{S2} (w)

o, si la frecuencia está restringida a una banda de paso Bpaso(w_{l}, w_{h}):

S_{corr}(w) = Bpaso(w_{l},w_{h}) e^{j(-w2DI_{escoria}/c)} + Bpaso(w_{l},w_{h}) e^{j(-w2DI_{escoria}/c+2DI_{bad}\text{*}n_{escoria}/c))}

La transformación inversa de Fourier transformará la frecuencia al plano de tiempo (retardo o plano de distancia). La Bpaso(w_{l},w_{h}) puede aproximarse a Rect(w_{l},w_{h}):

F^{-1}S_{corr} (Dt) = sinc(Dt - 2DI_{escoria}/c) + sinc(Dt - 2DI_{escoria}/c - 2DI_{bad}\text{*}n_{escoria}/c)

La respuesta del retardo del sistema se denomina normalmente función de dispersión de punto (PSF) en óptica y, en este caso, es la transformación de Fourier de la banda de paso de frecuencias. Esta respuesta se mide estudiando la respuesta de un reflector de metal a una distancia conocida. Las distancias a las superficies son entonces reconstruidas desde la señal observada mediante la de circunvolución con la función de dispersión de punto (PSF) determinada. La distancia puede entonces referirse a un nivel de referencia especificado, DI_{ref}, mediante una traducción de la coordenada de tiempo: Dt' = Dt - 2DI_{ref}/c. El nivel de referencia puede ser un reflector de metal previamente determinado en la trayectoria de la señal, o el borde del contenedor de metal. La transformación contiene la estructura en dirección de profundidad. Si los datos se toman también en el plano de apertura usando un interferómetro como antenas transmisora y receptora, entonces otra transformación bidimensional sobre el plano de apertura mostrará la estructura sobre las dos dimensiones restantes. En el caso de usar un interferómetro como antena, la medición tendrá también un término del plano de apertura para cada punto medido (u,v) en este plano:

F^{-1}S_{corr} (Dt) = (sinc(Dt - 2DI_{escoria}/c) + sinc(Dt - 2DI_{escoria}/c -2DI_{bad}\text{*}n_{escoria}/c)) e^{j2P(Q_{x}u+Q_{y}v)}

Aquí Q_{x}, Q_{y} es la posición en el plano de imagen. u,v es la posición en el plano de apertura de Fourier de los elementos del interferómetro, que en este caso consisten en antenas de bocina de radio individuales cuyas señales se encuentran en correlación cruzada una contra la otra, así como multiplicadas complejamente con el conjugado de la señal de referencia. El interferómetro transmisor creará un frente de onda plana paralelo a las superficies. El interferómetro receptor detectará los cambios de fase sobre el frente de onda y, de este modo, medirá las posiciones de las superficies como se ha descrito anteriormente pero en tres dimensiones sobre un área de las superficies.

La técnica y el aparato descritos anteriormente se emplearon en un experimento de prueba donde el baño de metal era hierro. En la parte superior del baño de metal había escoria fundida de composición conocida de una planta metalúrgica. La Figura 4 muestra las detecciones de la superficie de escoria así como de la superficie del baño de metal. Los niveles se refieren a un nivel de referencia seleccionado de forma arbitraria (el suelo). De esta manera, puede hallarse el espesor de la escoria en metalurgia secundaria (metalurgia de cucharón) con una gran exactitud (1-2 mm).

La Figura 3 muestra la función de dispersión de punto (PSF) de la banda de frecuencias para el mejor experimento.

Claims (5)

1. Método para medir simultáneamente las posiciones de más de una superficie en procesos metalúrgicos, caracterizado por el hecho de que comprende: la transmisión de una señal de radio en una pluralidad de frecuencias de una banda de frecuencia; la recepción de dichas señales de radio en dicha pluralidad de frecuencias reflejadas por las superficies; la multiplicación compleja de la señal reflejada expresada en función de la frecuencia con el conjugado complejo de la señal transmitida, dicha multiplicación compleja siendo realizada sobre dicha banda de frecuencias; la realización de una transformación en el dominio de tiempo del producto de la multiplicación compleja; y la recuperación de las posiciones de las superficies de la transformación.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la pluralidad de frecuencias se forma escalonando un generador de señales en etapas de frecuencia discretas sobre la banda de frecuencia y recibiendo las señales reflejadas para cada etapa de frecuencia.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que comprende la transmisión de una señal de radio en polarización circular desde una antena instalada, de modo que la onda transmitida se dirige perpendicularmente a las superficies y la onda reflejada es recibida en la misma antena pero en la polarización circular opuesta.

4. Método según se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que la señal es transmitida y recibida por un interferómetro y la estructura tridimensional de las superficies se representa en imagen mediante una transformación tridimensional del dominio de frecuencia y del plano de apertura.

5. Método según se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que se usa una transformación de Fourier como transformación.