FI61102C - Anordning foer bestaemning av ytnivaon hos ett materialskikt i en smaeltugn eller dylik - Google Patents

Description

[56FI [B] (njKUULUTUSjULKAISU 6110p 1*>J 1' ' UTLAGG N I NGSSKRI FT DMU^ C ^5jp.itertti ayönnrtty 10 05 1932 ytjM Pa tent e e:l d e 1 a t (51) Kv.ik?/I«t.a.3 G 01 F 23/26 SUOMI —FINLAND (21) PM*nttlhik*mu« — PM«fltamekiiln| 8000U3 (22) H>k*mltpaivi—»AntSknlnpd·· 07.01.80 ^ ^ (23) Alkupllvt—Glh|gh«tsdag 07.01.80 (41) Tullut lulklMlul — Bllvlt offantllg 08.07.8l

Patentti- ja rekisterihallitus (44) Nlhavllt>lp^ ,. kuM4ulklleuil pvm.-

Patent-och registerstyrelsen λ Amakut uttegd ech utUkrtften puUic«r»d 29.01.82 (32)(33)(31) Pyydutty Muolkaus—Begird prloritet (71) Outokumpu Oy, Töölönkatu U, 00100 Helsinki 10, Suomi-Finland(FI) (72) Kauko Emil Kalervo Kiminkinen, Espoo, Lauri Pakkanen, Vanha-Ulvila, Suomi-Finland(FI) (7k) Berggren Oy Ab (5U) Laite sulatusuunissa tai vastaavassa olevan ainekerroksen pinnankor-keuden määräämiseksi - Anordning för bestämning av ytnivän hos ett materialskikt i en smältugn eller dylik

Esillä oleva keksintö kohdistuu laitteeseen sulatusuunissa tai vastaavassa olevan ainekerroksen pinnankorkeuden määräämiseksi, joka laite käsittää lähetinelimet sähkömagneettisen kentän synnyttämiseksi ja suuntaamiseksi uunin seinämän läpi sen sisään, vastaanottoelimet uunista tulevan sähkömagneettisen kentän mittaamiseksi, sekä vastaanottoelimiin kytketyn elektronisen piirin pinnankorkeutta kuvaavan sähkösig-naalin synnyttämiseksi, jolloin lähetinelimet ja vastaanotto-elimet käsittävät yhteensä ainakin kolme kelaa, jotka on sijoitettu uunin korkeussuunnassa erillään toisistaan siten, että vastaanottokela tai -kelat ovat symmetrisesti lähetin-keloihin tai -kelaan nähden, ja jolloin samaan ryhmään kuuluvat kelat on lisäksi kytketty yhteen niin, että vastaanot-tokelan tai -kelojen antama ulostulosignaali on nolla silloin kun uunin sisätila on kelayhdistelmän koko korkeudelta homogeeninen.

Metallisulatoissa on usein tarvetta tietää sulametallin pin-nankorkeus joko panos- tai jatkuvatoimisissa sulatusuuneissa, 2 61102 jotta voidaan seurata syötteen määrää halutun suuruisen sula-metallin aikaansaamiseksi.

On tunnettua käyttää sulametallin pinnankorkeuden mittaukseen mittaussauvoja, mittaussauvakuppiyhdistelmiä, induktion muutokseen perustuvaa kelayhdistelmää, joka on kiinteästi muuraukseen upotettuna.

Mitta- ja kuppisauvamenetelmissä mittaus on hankalaa ja epäluotettavaa, koska sauvat joudutaan työntämään kuonakerroksen ja sulatettavan materiaalin läpi sulaan metalliin, jolloin mittaustankoa poisvedettäessä rajapinnat saattavat sotkeentua ja näin ollen mittaus on epävarma.

Punnitusmenetelmän haittana on luotettavan tyhjäpainon (taa-ran) määrääminen, varsinkin jatkuvatoimisissa sulatusuuneissa.

Parannusta edellisiin nähden edustaa induktiomenetelmä, joka on sovellettu esimerkiksi siten, että uunin muurauksen sisään on sovitettu lähetin ja vastaanottokela, joista ensimmäinen muodostaa uunin sisään sähkömagneettisen kentän ja jälkimmäinen tunnistaa uunista tulevan sähkömagneettisen kentän muutoksen induktioperiaatteella aiheuttaen uunin sisällä olevan sulan pinnankorkeutta ilmaisevan signaalin. Tämäntapaisia laitteita on kuvattu aikaisemmin esimerkiksi patenttijulkaisuissa GB 1 434 227 ja GB 1 471 480, joissa käytetään kahden aineskerroksen rajapinnan määrittämiseksi kolmea kelaa, jotka on sijoitettu U- tai E-muotoisten magneettisy-dämien ympärille. Lämpötilavalkutuksen eliminoiminen on tällöin vaikeaa, koska keloihin jää tietty jäännösmagnetismi. Samoin laitteen herkkyys kärsii, koska lähetinsignaali vaikuttaa myös suoraan vastaanottokelaan. Patenttihakemuksen mukaisessa laitteessa sitä vastoin keloihin ei ole asennettu eikä voikaan asentaa niiden keskinäisen aseman vuoksi mitään magneettisydäntä, vaan eri kelojen välillä on ilmarako, jolloin jäännösmagnetismia ei esiinny ja laitteen herkkyys paranee.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on sen vuoksi aikaansaada induktioon perustuva parannettu mittauslaite, joka 3 61102 suurimmaksi osaksi poistaa ulkopuoliset häiriötekijät ilman että tarvittava elektroniikka olisi kovinkaan monimutkainen. Lisäksi on tarkoitus aikaansaada laite, joka ei ole uuniin kiinteästi sisäänrakennettu, vaan on helposti siirrettävissä uunilta toiselle.

Näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle laitteelle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1.

Symmetrisesti lähetinkelan (-kelojen) suhteen sijoitetut mittaus-kelat (-kela) poistavat ulkopuoliset häiriötekijät siten, että uunin sisätilan ollessa kaikkien kelojen kohdalla samanlainen, tyhjä tai täytettynä sammalla aineella, on mittauskelaan indusoitunut jännite (keloihin indusoitunut yhdistetty jännite) aina nolla. Tätä tullaan selostamaan vielä tarkemmin alempana. Laite mittaa sulametallin pinnan sulatusuunin ulkopuolelta; se ei ole uunissa suoranaisesti kiinni, vaan on kiinnitetty tai tuettu sulatusuunin esim. tukirenkaisiin ja näin ollen uunisuojavaipan ja kelarakenteen väliih jää ilmarako. Kelarakenne voidaan helposti siirtää uunilta toiselle. Mittaussuure on suoraan luettavissa mittariosoituksena, joka on kalibroitu osoittamaan pinnan-korkeutta.

Erilaisen sähkönjohtokyvyn omaavien materiaalien rajapinnan erottaminen on laitteen avulla mahdollista yleisestikin. Näin voidaan mitata esim. rikastesiilon täyttökorkeus kunakin hetkenä.

Keksintöä ja sen muita piirteitä sekä etuja selostetaan seuraa-vassa lähemmin suoritusesimerkin avulla ja viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvat la ja Ib kaaviomaisesti esittävät keksinnön mukaista kela- yhdistelmää kahdesta eri suunnasta katsottuna, kuva 2 esittää keksinnön mukaista laitetta sivulta katsottuna ja sulatusuunin seinämän viereen asennettuna, kuva 3 esittää ulostulosignaalin riippuvuutta pinnankorkeu- desta kuvan 2 mukaisessa tapauksessa, kuva 4 esittää perspektiivikuvana keksinnön mukaista laitetta, joka on tarkoitettu kiinnitettäväksi sulatusuunin seinämään ulkopuolelta, kuvat 5a ja 5b esittävät erästä kuville la ja Ib vaihtoeh- 4 61102 toista kelajärjestelmää, ja kuva 6 esittää esimerkiksi sulan rajapinnan seuraamiseksi soveltuvaa kelayhdistelmää.

Keksinnön mukainen laite perustuu muuttuvan sähkömagneetti-kentän sulassa metallissa aiheuttaman pyörrevirtakentän mittaukseen. Pyörrevirrat synnytetään mitattavassa kohteessa kahdella erillisellä sarjaan kytketyllä lähetinkelalla la ja Ib. Näihin johdetaan generaattorista 4 vaihtosähkövirta, jonka avulla tuotetaan muuttuva sähkömagneettikenttä. Kelat la, Ib ovat yhdensuuntaiset ja samassa tasossa sekä suunnattuna mitattavaan kohteeseen. Sähköisesti kelat ovat 180°:en vaihe-siirrossa (kuvio 2), jolloin kelojen välissä olevassa keskipisteessä sähkömagneettinen kenttä on nolla. Kelojen synnyttämät sähkömagneettiset kentät tunkeutuvat sulametalliin muurauksen ja suojavaipan läpi vaihtovirtataajuuden, suhteellisen permeabiliteetin ja sähkönjohtokyvyn määräämillä osuuksilla d = 1/ \f π f·^uQ·/Ug- a (1) d = tunkeutumissyvyys f = taajuus _7 yUQ = ilman permeabiliteetti 4it 10 H/m yUs = aineen suhteellinen permeabiliteetti σ = sähkönjohtokyky

Kuvassa 2 on kelayhdistelmä esitetty sulatusuunin seinämän viereen sijoitettuna. Uunissa on tiilivuoraus 7 ja metalli-vaippa 8.

Generaattori 4 syöttää lähetinkeloja ja näiden synnyttämät primääriset lähetinkentät Hp! ja Hp2 aiheuttavat myöskin metallisessa suojavaipassa 8 pyörrevirtoja, mutta niiden vaikutus mittauskentässä eliminoituu pois, koska kummankin lähe-tinkelan aiheuttama kenttä on yhtä suuri ja vastakkaisvai-heinen. Suojauksien 7, 8 läpi tunkeutuneet muuttuvat sähkömagneettiset kentät aiheuttavat mitattavassa kohteessa pyör-revirtakentät, jotka ovat myöskin vastakkaisvaiheiset. Pyör-revirtakentät lähettävät sekundäärikentät Hs-^ ja Hs2, jotka ovat 90° vaihesiirrossa pääkenttiin Hp^ ja Hp2 nähden.

5 61102

Sekundäärikenttä H mitataan mittauskelalla 2a joka on si-joitettu lähetinkelojen la, Ib väliin ns. nollapisteeseen siten, että pääkenttien Hp^ ja HP2 sähköiset voimaviivat ovat kelan suuntaiset, jolloin mittauskelaan ei indusoidu pääken-tistä jännitettä.

Sekundäärikenttä, joka syntyy mittauskohteessa, läpäisee mit-tauskelan. Jos sulatusuuni on tyhjä tai täytetty samalla materiaalilla, niin kumpaakin lähetinkelaa vastassa on samanlaiset materiaalikerrokset ja näin ollen niiden yhteisvaikutus on nolla mittauskelassa. Kun uunin pohjalle alkaa tulla tai muodostua sulaa metallia häiriintyy tasapainokenttä. Sulassa metallissa alkaa kulkea pyörrevirtoja alimman lähe-tinkentän vaikutuksesta, jolloin mittauskelaan vaikuttaa pyör-revirtojen aiheuttama sekundäärikenttä muodostaen mittaus-jännitteen.

Mittausjännite määräytyy primäärikentän vaikutusasteesta me-tallisulaan. Kuvassa 3 on esitetty mittausjännitteen Ug^gn riippuvuutta sulametallin pinnasta h. Nähdään, että signaali kasvaa tasaisesti siihen saakka, kunnes metallin pinta saavuttaa vastaanottokelan 2a tasoii, ja tämän jälkeen signaali taas pienenee, kunnes se tulee nollaksi ylemmän lähetinkelan la kohdalla.

Mittausalue on siis lähetinkelojen la, Ib etäisyys toisistaan. Lähetinkelojen etäisyyttä toisistaan voidaan muuttaa sulatusuunin korkeuden mukaan, jolloin lfihetinkenttien maksimikent-tävoimakkuus vaikuttaa halutulla mittausalueella.

Haluttaessa on myös mahdollista siirtää mekaanisesti kelasys-teemiä, joten kunkin tapauksen varalta voidaan hakea optimi-olosuhteet. Siirtoautomatiikka liitettynä pinnankorkeuden säätöjärjestelmään antaa mahdollisuuden optimoida mittausjärjestelmä, esim. siten että aina saadaan maksimi signaali mittauskelaan.

Jos mekaanisesti haetaan maksimi signaali kussakin mittaus-tilanteessa, voidaan pinnankorkeuden muutos nähdä suoraan mittauskelojen paikan muutoksesta.

6 61102

Mittauskelasta 3 saatu vaohtojännite johdetaan vaiheherkkään mittauslaitteeseen 5 (kuvio 2), jossa signaali käsitellään tulkintaan sopivaksi suureeksi, joka on verrannollinen pinnan korkeuteen. Pinnankorkeutta voidaan myös ilmaista osoitti-mella 6.

Mittauskelan 3 ollessa lähetinkenttien nollapisteessä ja vielä siten, etteivät voimaviivat kulje kelan läpi, vaan ovat kelan suuntaiset, saavutetaan se etu, etteivät ulkopuoliset lähetinkenttiin vaikuttavat häiriöt vaikuta mittausjännitteeseen.

On selvää, että mittausjännitettä voidaan myös käyttää uuniin tapahtuvan syötön ohjaussignaalina sulan pinnankorkeuden pitämiseksi jatkuvasti halutulla tasolla.

Keksinnön mukainen laite voi käytännössä toteutettuna olla esimerkiksi kuvan 4 mukainen. Lähetinkelat la, Ib sekä mit-tauskela 2a ovat asennetut metalliseen suojakoteloon 9, joka on varustettu kiinnityskorvakkeilla 10 kiinnittämistä varten uunin ulkoseinään. Välittömästi uunia vasten tuleva sivu 11 on eristeainelevy, joka samalla toimii kelojen asennusalus-tana. Tarvittava elektroniikka osoituslaitteineen, siis osat 4-6, sijoitetaan sopivimmin samaan koteloon.

Vaihtoehtona kuvien la ja Ib esittämälle järjestelylle voidaan myös sijoittaa yksi lähetinkela keskelle sekä kaksi vastaanottokelaa symmetrisesti tämän molemmin puolin. Tällaista järjestelyä on esitetty kuvissa 5a ja 5b. Lähetinkela la on yhdistetty generaattoriin 4. Mittaus- eli vas-taanottokelat 2a ja 2b ovat asetetut tasoiltaan kohtisuoraan lähetinkelaan nähden, samoin kuin kuvissa la, Ib ja 2, ja lisäksi mittauskelat ovat liitetyt sarjaan siten, että ne ovat sähköisesti vastakkaisvaiheiset eli 180°:een vaihe- \ siirrossa keskenään. Ilman sekundäärikenttiä ei taaskaan 1 indusoitu mittauskeloihin jännitettä.

Kuvan 6 mukainen järjestely, joka kelojen sijoitukseltaan vastaa kuvia 5a, 5b, soveltuu erikoisesti sulan tai jonkin muun rajapinnan h seuraamiseksi. Kuvassa on oikealla esi-

Claims (6)

1. 61102 tetty vastaanottokeloista saatava yhdistetty jännite (U . ), joka on aina suurimmillaan (positiivinen tai nega- sign 1 2 tiivinen rajapinnan h ollessa jomman kumman mittauskelan tasolla. Joskin edellä on kuvattu vain kolme kelaa käsittäviä järjestelyjä, lienee selvää, että voidaan samalla periaatteella käyttää myös useampia keloja käsittäviä ryhmiä, kunhan vain keksinnön ajatuksen mukainen symmetrisyys toteutuu. Keksinnön mukaista laitetta on kokeiltu käytössä 500 kVA:n valokaariuunissa ja se on toiminut sille asetettujen vaatimusten mukaisesti.
2. 1. Laite sulatusuunissa tai vastaavassa olevan ainekerrok-sen (3) pinnankorkeuden (h) määräämiseksi, joka laite käsittää lähetinelimet (la, Ib) sähkömagneettisen kentän synnyttämiseksi ja suuntaamiseksi uunin seinämän (7, 8) läpi sen sisään, vastaanottoelimet (2a, 2b) uunista tulevan sähkömagneettisen kentän mittaamiseksi, sekä vastaanottoelimiin kytketyn elektronisen piirin (5, 6) pinnankorkeutta kuvaavan sähkösignaalin synnyttämiseksi, jolloin lähetinelimet ja vastaanottoelimet käsittävät yhteensä ainakin kolme kelaa (la, Ib, 2a; la, 2a, 2b), jotka on sijoitettu uunin korkeussuunnassa erillään toisistaan siten, ja jolloin vastaanotto-kela (2a) tai -kelat (2a, 2b) ovat symmetrisesti lähetinke-loihin (la, Ib) tai -kelaan (la) nähden, ja että samaan ryhmään kuuluvat kelat on lisäksi kytketty yhteen niin, että vas-taanottokelan tai -kelojen antama ulostulosignaali on nolla silloin kun uunin sisätila on kelayhdistelmän koko korkeudelta homogeeninen, tunnettu siitä, että vastaanotto-kela (2a) tai -kelat (2a, 2b) ovat siten suunnatut, että niiden päätasot ovat samansuuntaisia lähetinkelojen (la, Ib) tai -kelan (la) synnyttämän päämagneettikentän (Hp) kanssa. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, jossa uunin sei 2 nämä (7, 8) on olennaisesti pystysuora, tunnettu 61102 siitä, että lähetinkelan (la) tai -kelojen (la, Ib) päätaso on pystysuora.
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että se käsittää yhden korkeussuunnassa keskellä sijaitsevan kelan (la; 2a) sekä kaksi tämän ylä- ja alapuolella symmetrisesti sijaitsevaa kelaa (2a, 2b; la, Ib) ja että keskellä sijaitsevan kelan päätaso on kohtisuora kahden muun kelan päätasoja vastaan.
4. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että keskellä sijaitseva kela (la) on lähetinkela.
5. 5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että keskellä sijaitseva kela (2a) on vastaanottokela.
6. 6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen laite, tunnettu siitä, että siinä oleva kelayhdistelmä muodostaa yhtenäisen kokonaisuuden, joka on siirrettävissä ja asennettavissa haluttuun paikkaan. 1 Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että se on rakennettu suojakotelon (9) sisään, joka on varustettu kiinnityselimillä (10) kiinnittämistä varten uunin tai vastaavan seinään ja jossa uunia vasten tuleva sivu (11) on vaihtuvaa sähkömagneettikenttää läpäisevää materiaalia . 61102 9