KR102436062B1 - 3차원으로의 아크 위치의 추정 - Google Patents

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Abstract

다수의 자계 센서가 다수의 종 및 원주 위치에서 전류-포함 체적 주위에 배열된다. 각각의 센서는 다수의 자계 성분을 측정하고 하나 이상의 교정 파라미터에 의해 특성화된다. 종 1차 전류는 아크 갭에 의해 분리되는 2개의 단 대 단 전기 전도체를 통해 흐르고, 아크 갭에 걸치고 아크 갭 내에서 횡으로 이동하는 적어도 하나의 종 1차 전기 아크로서 흐른다. 1차 전기 아크의 추정된 횡 위치는 아크 갭의 종 위치, 그리고 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따라 측정된 자계 성분들 중 2개 이상에 기반하여 계산된다. 게다가, 횡 2차 전류(즉, 측부 아크)의 추정된 발생, 위치 및 규모가 그러한 양들에 기반하여 계산될 수 있다.

Description

3차원으로의 아크 위치의 추정
우선권 청구
본 출원은 Matthew A. Cibula, Paul E. King, 및 C. Rigel Woodside의 이름으로 2016년 9월 26일자로 출원된 미국 가출원 제 62/400,018호의 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 본원에 완전히 제시되는 것처럼 참조로 본원에 포함된다.
본 발명의 분야
본 발명의 분야는 전기 아크에 관한 것이다. 특히, 3차원으로 전기 아크의 위치를 추정하는 장치 및 방법이 개시된다.
본 발명의 장치는 다수의 자계 센서의 세트, 자계 센서들에 작동적 결합되는 데이터 획득 시스템, 및 데이터 획득 시스템에 작동적 결합되는 컴퓨터 시스템을 포함한다.
다수의 자계 센서는 입력 전류가 흐르고 1차 전류가 대부분 종 방향으로 흐르는 전류-포함 체적의 측면 주변 주위에 배열된다. 1차 전류는 전류-포함 체적 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들을 통해 흐르고, 아크 갭에 걸치고 제1 종 전기 전도체와 제2 종 전기 전도체 사이의 아크 갭 내에서 2개의 횡 치수로 이동 가능한 하나 이상의 1차 전기 아크로서 흐른다. 세트의 각각의 센서는 다수의 별개의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치되며; 센서 위치들은 전류-포함 체적을 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 전류-포함 체적의 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열된다. 세트의 각각의 센서는 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되며; 세트의 각각의 센서는 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터에 의해 특성화된다. 데이터 획득 시스템은 측정된 자계 성분들을 나타내는 다수의 센서로부터의 신호들을 컴퓨터 시스템으로 전달하도록 구조화되고 연결된다. (하나 이상의 전자 프로세서 및 하나 이상의 전자 프로세서에 결합되는 하나 이상의 디지털 저장 매체를 포함하는) 컴퓨터 시스템은 아크 갭 내의 하나 이상의 1차 전기 아크의 추정된 횡 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍된다. 계산은 아크 갭의 추정된 종 위치, 그리고 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 측정된 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반한다. 전류-포함 체적은 전류-포함 체적의 측면 주변을 한정하는 전기 전도성 챔버 내에 밀폐될 수 있고, 다수의 센서 위치는 챔버 외부에 위치될 수 있다. 챔버는 전기 아크로를 포함할 수 있고, 제1 종 전기 전도체는 노의 전극을 포함할 수 있고, 제2 종 전기 전도체는 노 내에 형성되는 잉곳을 포함할 수 있고, 노는 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 아크 갭이 노를 통해 종으로 이동하도록 구성되어, 전극이 융해되고 줄어들고 잉곳이 성장하게 할 수 있다.
융해 기간 동안 전기 아크로 내에서 아크 갭의 종 위치에 따라 하나 이상의 1차 전기 아크의 횡 위치를 추정하는 본 발명의 방법은: (A) 융해 기간 동안, 다수의 자계 센서의 세트를 사용하여 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하는 단계; (B) 데이터 획득 시스템을 사용하여, 상응하는 측정된 자계 성분들을 나타내는 다수의 센서로부터의 신호들을 다수의 센서로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및 (C) 컴퓨터 시스템을 사용하여, 융해 기간 내의 다수의 융해 시간의 각각의 하나에 대해, 아크 갭 내의 하나 이상의 1차 전기 아크의 상응하는 추정된 횡 위치를 계산하는 단계를 포함한다. 계산은 상응하는 융해 시간에서의 아크 갭의 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따라 상응하는 융해 시간에서 측정되는 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반한다.
전기 아크를 위치 추적하는 것과 관련되는 목적들 및 이점들은 도면들에 도시되고 이하의 기록된 설명 또는 첨부된 청구항들에 개시되는 예시적 실시예들을 참조할 시에 명백해질 수 있고, 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위에 포함될 것이다.
본 개요는 상세한 설명에서 추가로 후술하는 개념들의 선택을 단순화된 형태로 도입시키기 위해 제공된다. 본 개요는 청구된 논제 사안의 가장 중요한 특징들 또는 필연적 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 논제 사안의 범위를 결정하는데의 도움으로서 사용되도록 의도되지도 않는다.
도 1은 데이터 획득 시스템에 의해 컴퓨터 시스템에 결합되는 자기 센서들의 예시적 본 발명의 배열의 개략 사시도이다.
도 2는 자기 센서들의 예시적 본 발명의 배열, 및 1차 전기 아크로서 흐르는 1차 전류를 갖는 아크로의 개략 종 단면도이다.
도 3은 자기 센서들의 예시적 본 발명의 배열, 그리고 1차 전기 아크로서 흐르는 1차 전류 및 2차 전기 아크로서 흐르는 2차 전류를 갖는 아크로의 개략 종 단면도이다.
도 4는 시뮬레이션되는 비동축 아크로 내의 시뮬레이션되는 전기 아크에서 발생하는 계산된 자계 성분들의 종 위치에 따른 수개의 그래프를 포함한다.
도 5a 및 도 5b는 종 1차 아크(도 5a) 및 횡 2차 아크(도 5b)를 갖는 아크로에서의 자계 규모의 개략 윤곽 도표들이다.
도 6a 및 도 6b는 종 1차 아크(도 6a) 및 횡 2차 아크(도 6b)를 갖는 아크로에서의 자계 종 성분의 개략 윤곽 도표들이다.
도 7a는 잉곳의 길이를 따른 추정된 횡 아크 위치들의 측정된 분포의 일 예를 도시한다. 도 7b는 1 초, 10 초 및 100 초 각각에 걸쳐 평균화되는 잉곳에 걸친 횡 아크 위치의 측정된 분포들의 예들을 도시한다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 3개의 상이한 센서 링에 대한 아크 갭 종 위치에 따라 측정되고 계산된 자계 성분들의 개략 도표들이다.
도 9a 및 도 9b는 2개의 상이한 아크로에서의 3개의 상이한 센서 링에 대한 아크 갭 종 위치에 따라 측정된 자계 종 성분들의 개략 도표들이다.
도시된 실시예들은 개략적으로만 나타내어지며: 모든 특징부가 상세히 또는 적절한 비율로 나타내어지지 않을 수 있고, 특정 특징부들 또는 구조체들은 명확성을 위해 다른 것들에 비해 과장될 수 있고, 도면들은 일정한 비율인 것으로 간주되지 않아야 한다. 나타내어진 실시예들은 단지 예들이며: 나타내어진 실시예들은 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본원에 개시되는 본 논제 사안은 (이하에 ‘059 특허로 지칭되는) “전류 위치 추적기”라는 명칭으로 King 등에의 2012년 7월 2일자로 등록된 미국 특허 제 8,111,059호에 개시된 것과 관련될 수 있으며, 상기 특허는 본원에 완전히 제시되는 것처럼 참조로 포함된다.
전기 아크의 위치를 추정하는 본 발명의 장치의 일 예는 (예를 들어, 도 1에서와 같이) 다수의 자계 센서의 세트(200), 자계 센서들(200)에 작동적 결합되는 데이터 획득 시스템(298), 그리고 데이터 획득 시스템에 작동적 결합되는 컴퓨터 시스템(299)을 포함한다. 본원에 개시되는 일부 경우에, 자계 센서들은 단일 참조 번호 200을 사용하여 본 설명에서 집합적으로 또는 전반적으로 지칭되고, 도면들에서 집합적으로 또는 전반적으로 나타내어지며; 본원의 다른 경우들에서, 자계 센서들은 참조 번호들 200a, 200b, 200c 등을 사용하여 본 설명에서 개별적으로 또는 서브세트들로서 지칭되고, 도면들에서 개별적으로 또는 서브세트들로서 나타내어진다. 도 1 내지 도 3은 전류-포함 체적(10)의 측면 주변 주위의 다수의 자계 센서(200)의 예시적 배열들을 개략적으로 도시한다. (예를 들어, 도 2 및 도 3에서와 같이) 일부 예들에서, 전류-포함 체적(10)은 전기 아크로(100)와 같은 챔버의 내부 체적이고 전류-포함 체적(10)의 측면 주변을 한정하는 전류-포함 체적(10)의 벽들에 의해 경계가 지어진다. “측면 주변 주위(around the lateral periphery)”는 센서 위치들이 전류-포함 체적(10)에 대하여 다수의 별개의 원주 위치에 걸친다면, 센서가 전류-포함 체적의 측면 경계 상에 정확하게 위치하거나, 센서가 그러한 측면 경계 내부 또는 외부에 위치한다는 것을 나타낼 수 있다. (예를 들어, 도 2 및 도 3에서와 같이) 많은 예들에서, 아크로(100)의 벽들은 내부 전기 전도성 도가니(101)(흔히 구리로 만들어짐), 외부 벽(102), 및 내부 전기 전도성 도가니(101)와 외부 벽(102) 사이의 냉각수 재킷(103)을 포함하며; 그러한 예들에서, 센서들(200)은 전형적으로 외부 벽(102)의 외부면 상에 위치된다. 그러한 예들이 본 발명의 중심이지만, 본원에 개시되는 장치 및 방법들은 다른 타입들 또는 구성들의 전류-포함 체적(10) 내에서 전기 아크를 위치 추적하기 위해 채용될 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에 남아 있다.
입력 전류(20)는 전류-포함 체적(10)으로 흐르며; 그러한 입력 전류의 일부는 전류-포함 체적(10) 내에서 1차 전류(22)로서 흐른다. 일부 경우에, 입력 전류(20) 및 1차 전류(22)는 동등하며, 즉 입력 전류(20) 모두는 (예를 들어, 도 2에서와 같이) 전류-포함 체적(10) 내에서 1차 전류(22)로서 흐른다. 다른 경우들에서, 1차 전류(22)는 입력 전류(20)보다 더 적다(예를 들어, 도 3에서와 같이; 이하에 추가로 논의됨). 본원에 사용되는 바에 따른 “종(longitudinal)” 및 “횡(transverse)”이란 용어들은 1차 전류(22)의 흐름의 원하는 방향에 대하여 정의된다. 횡 방향으로의 전류-포함 체적(10)의 경계는 측면 경계 또는 측면 주변으로 지칭된다. 전류-포함 체적(10)이 전기 아크로(100) 내에 포함되는 예들의 경우, 노(100)의 장축은 (예를 들어, 도 2 및 도 3에서 수직인) 종 방향 또는 치수를 한정하고, 그러한 노 축에 수직인 방향들은 (예를 들어, 도 2 및 도 3에서 수평인) 횡 방향들 또는 치수들이며; 아크로(100)의 측벽들은 아크로(100) 내의 전류-포함 체적(10)의 측면 주변을 한정한다. 일부 경우에, 종 방향 또는 치수는 z방향 또는 z치수, 또는 수직 방향 또는 치수로 지칭될 수 있으며; 그러한 경우들에서, 횡 방향들 또는 치수들은 x 및 y방향들 또는 x 및 y치수들, 또는 수평 방향들 또는 치수들로 지칭될 수 있다. 그러한 부가 지정들 또는 기술어들은 임의적이고, 설명의 편의를 위해서만 이루어지고, 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
제1 및 제2 종 전기 전도체들(110 및 120)은 각각 전류-포함 체적(10) 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭(115)에 의해 분리된다. 전류-포함 체적(10)이 아크로(100)의 내부에 있는 예들에서, 제1 종 전기 전도체(110)는 노(100)의 전극(110)을 포함할 수 있고, 제2 종 전기 전도체(120)는 노(100) 내에 형성되는 잉곳(120)을 포함할 수 있다. 노(100)의 작동 동안, 잉곳(120)은 전형적으로 잉곳(120)의 상단면에서 용융된 금속의 풀(pool)(즉, 이른바 융해 풀(122))을 포함한다(노(100)는 노(100)의 전형적 배향에서 작동되고, 노(100)의 장축은 실질적으로 수직으로 배향되고, 전극(110)은 잉곳(120) 위에 위치됨). 1차 전류(22)는 제1 종 전기 전도체(110)를 통해 흐르고, 아크 갭(115)에 걸치는 하나 이상의 1차 전기 아크(30)로서 전도체들(110/120) 사이에서 흐르고, 제2 종 전기 전도체(120)를 통해 흐른다. 아크로 예에서, 1차 전류(22)는 전극(110)을 통해 흐르고, 아크 갭(115)에 걸치는 하나 이상의 1차 아크(30)로서 전극(110)과 잉곳(120) 사이에서 흐르고, 잉곳(120)의 적어도 일부를 통해 흐른다. 아크로 예에서, 1차 전류(22)는 잉곳(120)으로부터 도가니(101)의 측벽들로 흐르고 복귀 전류(24)로서 도가니 벽들의 적어도 부분들을 통해 흐른다. 1차 전류(22)가 (도면들에서와 같이) 복귀 전류(24)로서 흐르기 전에, 잉곳(120)의 상단 근처로부터 도가니(101)의 측벽들로 주로 흐른다는 것이 전형적으로 가정되며; 1차 전류(22)의 적어도 일부가 복귀 전류(24)로서 흐르기 전에, 잉곳(120)을 따라 다른 곳에서, 또는 잉곳(120)의 하단에서 도가니 벽들로 흐르는 것이 또한 가능하다. 본 발명 및 첨부된 청구항들의 범위는 그러한 대안들 각각뿐만 아니라 그러한 대안들 중 하나 이상의 임의의 조합을 포함할 것이다.
전기 아크로는 흔히 전극(110)이 고가의 금속 또는 합금으로 만들어지고, (예를 들어, 거시적이거나 미시적인 구조 또는 조성의 개선된 균질성, 불순물들의 감소 등에 의해) 재료의 품질을 개선하는 것이 원해지는 진공 아크 재융해를 위해 작동된다. (예를 들어, 대략 1 mmHg 미만이거나 대략 0.1 mmHg 미만의) 진공 조건들 하에서, 큰 전류(예를 들어, 수 킬로암페어)가 전극(110)을 통해 구동되어 도가니(101)의 하단에서의 소량의 시드(seed) 재료에 대하여 아크(30)를 점화시킨다. 1차 전기 아크(30)로서 흐르는 1차 전류(22)는 전극(110)이 아크 갭(115)에서 융해되고 융해 풀(122)을 형성하게 한다. 융해된 재료의 응고는 잉곳(120)을 형성하고 성장시킨다. 재융해 과정이 진행됨에 따라, 잉곳(120)이 성장하고, 전극(110)이 줄어들고, 아크 갭(115)이 아크로(100)를 통해 상측으로 이동한다. 도가니(101) 주위의 물 재킷(103)은 원하는 특성들의 잉곳 재료를 산출하기 위해 응고 속도 및 조건들을 제어하도록 채용된다. 전극(110)은 전극(110)으로부터 도가니(101)의 벽들로의 전류 흐름을 피하도록 도가니(101) (그리고 따라서 형성되는 잉곳(120))보다 더 작은 직경을 갖는다. 이러한 이유로, 전극(110)이 융해되어 없어지고 잉곳(120)이 성장함에 따라, 전극(110)은 아크 갭(115)의 정확한 높이(즉, 전극(110)과 잉곳(120) 사이의 거리)를 유지하도록 노의 작동 동안 정확한 속도로 하측으로 이동되어야 한다. 아크로(100)는 임의의 적절하거나 바람직한 길이일 수 있으며; 많은 예는 100 인치 길이를 넘거나, 200 인치 길이를 넘거나, 훨씬 더 길다.
전극(110)의 직경은 전형적으로 1차 전기 아크(30)의 횡 범위보다 더 커(통상적으로 훨씬 더 커), 전극(110)과 잉곳(120) 사이의 아크 갭(115) 내에서 2개의 횡 치수로 1차 아크(30)가 이동하는 것을 가능하게 한다. 전극(110)의 전형적 횡 치수들(예를 들어, 원통형 전극(110)의 직경)은 대략 12 인치 내지 대략 36 인치 이상의 범위이며; 도가니 횡 치수들은 전형적으로 전극 치수들보다 대략 2 내지 4 인치 더 크다. 다른 한편으로는, 1차 아크(30)는 전형적으로 수 밀리미터 넓이 이하이어서, 아크 갭(115)의 횡 치수들에 걸쳐 1차 아크(30)가 비교적 자유롭게 이동하는 것을 가능하게 한다. 그러한 1차 아크(30)의 횡 이동은 잉곳(120)을 형성하는 재료의 품질에 영향을 줄 수 있다. 잉곳(120)을 따른 종 위치에 따라 (또는 아크 갭(115)의 노(100) 내의 종 위치에 따라 동등하게) 1차 전기 아크(30)의 횡 위치의 추정치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 그러한 1차 아크의 위치의 추정치는 다양한 형태를 취할 수 있고 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 1차 아크(30)의 추정된 위치들의 상세한 궤적이 생성되고 저장될 수 있으며; 다른 예들에서, 1차 아크(30)가 특정 횡 위치에 있었을 상대 확률 밀도를 반영하는 분포 함수가 생성될 수 있으며; 그러한 밀도는 임의의 적절하거나 바람직한 시간 척도, 예를 들어 1 초, 10 초, 100 초 또는 다른 적절한 간격을 통해 평균화될 수 있다. 추정된 아크 횡 위치는 노가 작동됨에 따라, 실시간으로 생성될 수 있거나, 이른바 오프라인 처리에서 이후에 생성될 수 있다.
다수의 자기 센서의 세트(200)는 전류-포함 체적(10) 주위의 자계 성분들을 측정하며; 그러한 측정된 값들은 1차 아크(30)의 추정된 위치를 계산하는데 사용된다. 각각의 자기 센서(200)는 다수의 별개의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치된다. 센서 위치들은 (예를 들어, 도 1 내지 도 3에서와 같이) 전류-포함 체적을 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 전류-포함 체적(10)의 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열된다. 이는 모든 자기 센서가 전류-포함 체적(10)을 따른 단일 종 위치에서 배열되는 ‘059 특허에 개시된 자기 센서들의 배열과 대조적이다. 각각의 자기 센서(200)는 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되며; 많은 예들에서, 자기 센서들은 모든 3개의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정한다. 각각의 자기 센서(200)는 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터(이하에 추가로 논의됨)에 의해 특성화된다. 자기 센서들(200)은 임의의 적절한 타입, 예를 들어 홀 효과 센서들 또는 자기 저항성 센서들일 수 있다. 별개의 디바이스들이 주어진 센서 위치에서 각각의 공간적 성분을 측정하는데 사용될 수 있거나, 다수의 디바이스가 2개 또는 3개의 자계 성분을 측정하는 단일의, 모놀리식 센서로 통합될 수 있다. 일부 예들에서, 단일의, 통합된 3D 홀 효과 센서가 모든 3개의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 각각의 센서 위치에 위치된다. 그러한 센서들의 출력은 전형적으로 측정된 자계 성분에 비례하는 전압이다. 하나의 특정 예에서, 센서들(200)은 대략 0.01 가우스의 감도 한계로 대략 100 가우스까지 측정할 수 있다.
데이터 획득 시스템(298)은 임의의 적절한 타입 또는 구성일 수 있고, 전형적으로 하나 이상의 아날로그 대 디지털 변환기(A/D)를 포함한다. 컴퓨터 시스템(299)은 하나 이상의 전자 프로세서 및 하나 이상의 프로세서에 결합되는 하나 이상의 디지털 저장 매체를 포함한다. 데이터 획득 시스템(298)은 측정된 자계 성분들을 나타내는 다수의 센서(200)로부터의 신호들을 컴퓨터 시스템(299)으로 전달하도록 구조화되고 연결된다. 일부 예들에서, 데이터 획득 시스템은 센서들(200)을 컴퓨터 시스템(299)에 결합시키는 별도의 세트의 하나 이상의 구성 요소 또는 모듈일 수 있다. 일부 예들에서, 데이터 획득 시스템(298)은 (예를 들어, 각각의 센서 위치에서 단일 칩 상의 또는 단일 디바이스에서의 하나 이상의 홀 센서 및 하나 이상의 A/D의 통합에 의해) 센서들(200) 중에 분포되고 센서들(200)과 통합될 수 있다. 일부 예들에서, 데이터 획득 시스템은 (예를 들어, 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 저장 매체와 함께 컴퓨터 시스템으로 하나 이상의 A/D의 통합에 의해) 컴퓨터 시스템(299)과 통합될 수 있다. 그러한 구성들 및 이들의 조합들 모두는 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위에 포함된다.
컴퓨터 시스템(299)은 아크 갭(115) 내의 하나 이상의 1차 전기 아크(30)의 추정된 횡 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍된다. 그러한 계산은 임의의 적절한 계산 알고리즘, 모델링 또는 기법을 사용하여 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 추정된 1차 아크 위치의 계산은 (i) 아크 갭의 종 위치, 그리고 (ii) 상응하는 센서 위치(들) 또는 교정 파라미터(들)에 따른 측정된 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반한다. 일부 예들에서, 계산은 또한 입력 전류 또는 1차 전류의 규모에 적어도 부분적으로 기반한다. 일부 예들에서, 아크 갭(115)의 종 위치는 인지된 입력 파라미터이며; 일부 예들에서, 아크 갭(115)의 종 위치는 하나 이상의 작동 파라미터, 예를 들어 전극 중량, 아크로의 작동의 경과된 시간(즉, 융해 시간), 전극 용접물들에서 발생하는 전류 또는 자계 변동들 등에 적어도 부분적으로 기반하여 추정되며; 일부 예들에서, 아크 갭(115)의 종 위치는 센서들(200)에 의해 측정되는 자계 성분들에 적어도 부분적으로 기반하여 추정된다. 일부 예들에서, 자계 센서들(200)의 일부 또는 모두에 의해 측정되는 다수의 자계 성분의 측정된 값들은 (인지되거나, 측정되거나, 추정되는) 아크 갭(115)의 위치, 및 각각의 상응하는 센서에 대한 교정 파라미터(들) 또는 센서 위치를 또한 포함하는 식들의 세트에 포함되며; 상기 식들의 세트는 본원에 주목되는 다른 인지되거나, 측정되거나, 추정된 작동 또는 구조적 파라미터들(예를 들어, 전류 규모, 노 치수들 등)을 포함할 수도 있다. 모두가 아닌 일부 센서(200)로부터의 측정된 필드값들이 주어진 계산에서 채용되는 예들에서, 주어진 추정된 위치를 계산하기 위해 채용되는 센서들(200)의 상응하는 서브세트는, 예를 들어 아크 갭(115)의 상응하는 추정된 종 위치에 따라 달라질 수 있다. 일부 예들에서, 센서 위치들, 작동 파라미터들(예를 들어, 입력 전류), 또는 구조적 파라미터들(예를 들어, 노 직경 또는 높이, 전극 직경)이 식들의 세트에서 명확히 나타날 수 있으며; 일부 예들에서, 하나 이상의 그러한 양이 명확히 나타나지 않고, 교정 파라미터들에 대한 하나 이상의 그러한 양의 영향을 통해 암암리에 나타난다(예를 들어, 주어진 센서는 노의 크기 및 형상에 의존하여 또는 주어진 노 상의 주어진 센서의 위치에 의존하여 달라지는 교정 파라미터들을 가질 수 있음). 본 발명의 목적으로, 계산은 주어진 양이 계산에 명확히 영향을 주는지 아니면 암암리에 영향을 주는지에 관계 없이 그러한 양에 “적어도 부분적으로 기반한다”. 일부 예들에서, 식들의 세트는 선형 식들만을 포함하며; 다른 예들에서, 식들의 세트는 하나 이상의 비선형 식을 포함할 수 있다. 그러한 계산이 수행될 수 있는 방법을 예시하는 하나의 특정 예가 (단일 종 위치에서만의 센서들의 링에 대해서일지라도) ‘059 특허에 개시된다.
일부 예들에서, 센서들(200) 각각에 대한 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터는 시뮬레이션되는 전류-포함 체적 내의 시뮬레이션되는 전류들에서 발생하는 위치-의존 자계들의 계산으로부터 유도된다. 일부 예들에서, 다수 번의 시뮬레이션이 실행되며; 시뮬레이션의 각각의 실행에서, 단일 시뮬레이션되는 1차 전기 아크가 시뮬레이션되는 전류-포함 체적 내의 상응하는 종 위치에서 시뮬레이션되는 아크 갭 내의 상응하는 횡 위치에 놓여지고, 시뮬레이션되는 1차 전류가 시뮬레이션되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들 및 시뮬레이션되는 1차 아크를 통해 흐른다. 일부 예들에서, 시뮬레이션되는 복귀 전류는 (예를 들어, 도가니(101)의 측면 벽들을 따라 흐르는 복귀 전류를 시뮬레이션하기 위해) 전류-포함 체적의 측면 주변을 따라 대향하는 방향으로 흐른다. 시뮬레이션의 각각의 실행의 경우, 결과로서 생기는 자계 성분들은 맥스웰의 식들 또는 임의의 적절한 서브세트 또는 이들의 근사치(예를 들어, 암페어의 법칙 또는 비오-사바르 법칙)를 사용하여 그리고 임의의 적절한 계산 기법(예를 들어, 유한 요소법)을 사용하여 적어도 시뮬레이션되는 전류-포함 체적의 측면 주변을 따른 (그리고 필요하거나 원한다면, 또한 시뮬레이션되는 전류-포함 체적의 내부 내의) 위치에 따라 계산된다. 시뮬레이션되는 1차 아크는 상응하는 상이한 횡 위치들에 위치되고, 시뮬레이션되는 아크 갭은 상응하는 상이한 종 위치들에 위치되면서, 시뮬레이션의 다수 번의 실행이 수행된다. 하나의 특정 예에서, 자계 성분들은 아크 갭의 30개의 상이한 종 위치 각각에서 27개의 상이한 1차 아크 위치에 대해서인, 시뮬레이션의 총 810번의 실행에 대해 계산된다. 입력 전류(20)가 수직 전도체를 통해 전극(110)의 상단으로 흐르는 이른바 동축 노의 예들에서, 특정 단순화 근사들이 노(100)의 가정된 대칭들에 기반하여 시뮬레이션들에서 행해질 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에서와 같이, 입력 전류(20)가 횡 전도체(104)를 통해 전극(110)으로 흐르는 이른바 비동축 예들에서, 완전한 3D 계산이 전형적으로 시뮬레이션들에서 수행되어야 한다.
다루고 있는 계산되는 필드값들과 함께, 전류-포함 체적의 측면 주변 주위에 배열되는 다수의 센서 위치가 선택된다. 다수의 센서 위치는 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 전류-포함 체적의 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열된다. 일부 예들에서, 센서 위치들은 상응하는 별개의 종 위치들에 위치되는 2개 이상의 링에 배열되며, 각각의 링은 단일 종 위치에서이지만 상응하는 별개의 원주 위치들에서의 다수의 센서 위치를 포함한다. 도 1 내지 도 3의 예들에서, 센서들(200a, 200b 및 200c)의 3개의 링이 채용된다. 도 1에서, 3개의 링 각각은 4개의 센서(200a, 200b 또는 200c)를 포함하며; 도 2 및 도 3의 단면도들에서, 각각의 링의 2개만의 센서(200a, 200b 또는 200c)가 보인다. “링들”이 실제 기계 링 구조에 반드시 상응하는 것은 아니고, (즉, 단일 종 위치이지만 다수의 별개의 원주 위치에서) 링을 구성하는 다수의 센서 위치의 기하학적 배열에만 상응한다는 점을 주목해야 한다. “단일 종 위치에서(at a single longitudinal position)”가 실질적으로 동일한 종 위치에 있는 센서들(200)의 서브세트를 나타낼 수 있거나, 일부 경우에, (이하에 추가로 논의되는) 종 위치에 따른 특정 계산들에서 센서들(200)의 각각의 측정된 필드 성분이 함께 이용되는 것을 가능하게 하기에 충분히 좁은 범위의 종 위치들에 포함되는 센서들(200)의 서브세트를 나타낼 수 있다는 점을 주목해야 한다. 다수의 링에 더하여, 부가 센서 위치들이 링들 중 임의의 것과 상이한 종 위치들에 위치될 수 있으며, 예를 들어, 도 1 내지 도 3의 예들에서 3개의 링(200a 내지 200c)에 더하여, 5개의 센서(200d 내지 200h)의 종 라인이 채용된다. 다른 수들 또는 배열들의 비링 센서들이 채용될 수 있다. 보다 일반적으로, 센서들(200)이 다수의 별개의 종 위치 및 다수의 별개의 원주 위치에 위치되고, 그러한 위치들이 정확히 인지된다면, 센서들(200)은 어떤 링들 또는 종 라인들에도 배열될 필요가 없다. 적절한 배열들의 다른 예들은 예를 들어, 하나 이상의 나선형 또는 센서들의 무작위 분산을 포함할 수 있다.
시뮬레이션들은 시뮬레이션들에 사용되는 횡 아크 위치 및 종 아크 갭 위치의 많은 조합 중 임의의 것에 위치되는 1차 전기 아크에 대한 주어진 센서 위치에서 측정되도록 예상되는 자계 성분들을 산출한다 (그러나 시뮬레이션들은 산출하도록 수행된다). 그러한 계산된 필드 성분들로부터, 하나 이상의 교정 파라미터가 각각의 센서(200)에 대해 결정될 수 있으며; 많은 예들에서, 주어진 자기 센서(200)의 하나 이상의 교정 파라미터가 아크 갭의 종 위치에 대하여 달라질 것이다. 각각의 센서(200) 또는 센서들(200)을 특성화하는데 필요한 교정 파라미터들의 수 및 타입은 시뮬레이션들에 또는 그러한 파라미터들을 사용하여 이후의 계산들을 수행하는데 사용되는 수학적 모델의 본질에 따른다. 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에서, 자기 센서들(200)에 대한 적절한 교정 파라미터들을 생성하고 측정된 자계 성분들과 함께 그러한 파라미터들을 사용하여 전기 아크의 위치를 추정하기 위해 무수한 측정 및 계산 방식이 고안되고 구현될 수 있다. 일부 예를 후술한다.
일부 예들에서, 선형 식들의 세트는 (인지된 횡 위치 및 인지된 아크 갭 종 위치에서의) 각각의 시뮬레이션되는 전류가 각각이 상응하는 이미 결정된 교정 파라미터로 곱해지는 계산된 자계 성분들의 서브세트의 선형 조합으로서 표현되는 시뮬레이션 데이터로부터 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 모든 센서 위치에서 계산되는 모든 필드 성분이 각각의 식에 포함될 수 있으며, 일부 예들에서, 각각의 식이 그러한 계산된 필드 성분들 모두보다 더 적은 상응하는 서브세트만을 포함할 수 있으며; 포함된 필드 성분들은 임의의 적절한 기반 상에서, 예를 들어, 시뮬레이션되는 아크 갭 종 위치에의 상응하는 센서 위치의 근접 상에서 각각의 식에 대해 선택될 수 있다. 일부 예들에서, 식들의 세트는 교정 파라미터들을 결정하도록 해결될 수 있다.
실제 아크로(100) 내의 인지되지 않은 위치에서의 실제 1차 전기 아크(30)의 위치를 추정하기 위해, 그러한 동일한 식들은 이제 결정되는 교정 파라미터들 및 실제 센서들(200)에 의해 측정되는 자계 성분들의 세트와 함께, 시뮬레이션되는 아크 위치들 중의 전류 규모들의 분포를 계산하는데 사용될 수 있다. 그러한 원시 분포는 1차 아크 위치의 추정치, 예를 들어 확률 밀도 분포로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 그러한 원시 전류 분포의 도심은 1차 전기 아크(30)의 추정된 위치로서 계산되고 사용될 수 있다. 일부 경우에, 모든 센서(200)의 자계 성분들 및 교정 파라미터들은 1차 아크 횡 위치, 그리고 아마도 또한 (아크 갭 종 위치가 다른 수단에 의해 인지되거나 추정되지 않는다면) 아크 갭 종 위치를 추정하는데 사용되고 함께 사용될 수 있다. 다른 경우들에서, 센서들의 서브세트만이 주어진 계산을 위해 함께 채용된다(예를 들어, 아크 갭의 주어진 추정된 종 위치에 대해, 아크 갭의 일정 종 거리 내의 센서들만이 채용될 수 있음).
교정 파라미터들은 센서들(200)에 의해 측정되는 자계 성분들에 영향을 줄 수 있는 다른 자계들을 보정하도록 계산될 수 있다. 예를 들어, 아크로(100)는 입력 전류(20)를 전극(110)으로 전하거나 노 벽들로부터의 복귀 전류(24)를 전하는 외부 전류 경로들(예를 들어, 입력 및 복귀 전류들(20 및 24)을 각각 전하는 도 2 및 도 3에 도시된 횡 전도체들(104 및 106))을 전형적으로 포함한다. 그러한 요소들에 의해 전해지는 전류들은 센서들(200)에 의해 검출되고 측정되는 자계들을 생성하고, 그러한 부가 측정된 필드들은 비동축 노에서 1차 아크(30)의 횡 위치의 추정으로 오류를 도입시킬 수 있다. 도 4는 비동축 노 배열에서 발생할 수 있는 종 위치에 따른 자계 성분들의 변화의 일 예를 도시한다. 그러한 오류원을 제거하기 위해, 상술한 시뮬레이션들은 적절하게 배열된 시뮬레이션되는 외부 전류 경로들, 및 그로부터 발생하는 자계들을 포함할 수 있어, 시뮬레이션 데이터로부터 생성되는 교정 파라미터들은 그러한 부가 필드들을 자동적으로 점한다. 마찬가지로, 시뮬레이션들은 지구 자계를 포함할 수 있어, 지구 자계는 시뮬레이션 데이터로부터 계산되는 교정 파라미터들에서 점해질 수도 있다. 지구 자계가 지구의 표면 상의 위치에 의해 달라지며; 시뮬레이션들이 아크로의 의도된 위치에 대한 자계값을 사용하여 실행되고, 시뮬레이션 데이터로부터 계산되는 결과로서 생기는 교정 파라미터들이 그러한 노 위치에 특정하다는 점을 주목해야 한다. (예를 들어, 하나 이상의 인접한 아크로로부터의) 다른 소스들에서 발생하는 외부 자계들이 마찬가지로 시뮬레이션들로 포함되고 그것에 의해 결과로서 생기는 교정 파라미터들에서 점해질 수 있다. 인접한 아크로가 마찬가지로 자기 센서들이 구비되면, 그러한 센서들에 의해 측정되는 필드 성분들은 1차 아크 횡 위치의 계산된 추정에 포함될 수 있다. 인접한 아크로가 충분히 멀리 떨어지면, 인접한 아크로의 전류는 계산에 포함되는 단순한 선전류 및 결과로서 생기는 자계 성분들로서, 예를 들어 실질적으로 균일한 오프셋으로서 근사화될 수 있다.
시뮬레이션 데이터에 기반한 센서 교정 파라미터들의 계산은 전형적으로 센서들(200)이 완벽하게 정렬된다고(예를 들어, 3D 센서의 3개의 직교 측정축이 아크로의 종 및 횡축들을 따라 완벽하게 정렬된다고) 가정한다. 그러나, 이는 전형적으로 아크로(100) 주위에 위치되는 센서들(200)의 실제 시스템에서의 경우가 아니며; 시뮬레이션에 사용되는 각각의 센서(200)의 이상화된 배향으로부터 각각의 센서(200)의 배향의 흔히 일부 작은 편차가 있다. 그러한 편차들은 다수의 센서에 대해 동일할 수 있거나(예를 들어, 다수의 센서(200)를 유지하는 프레임워크 또는 브래킷이 아크로(100)에 대하여 오정렬되거나), 센서들 중에서 흔히 다소 무작위로 달라질 수 있으며(예를 들어, 아크로(100)에 대한 개별 센서들(200)의 무작위 오정렬); 그러한 타입들의 오정렬의 둘 다는 동시에 일어날 수 있다. 일부 예들에서, 방향 교정들이 교정 파라미터들의 계산으로 포함될 수 있다. 일부 경우에, 그러한 방향 교정들은 (시뮬레이션되지 않는) 실제 테스트 전류에서 발생하는 자계 성분들에 기반하고 센서들에 의해 측정될 수 있다. 하나의 구성에서, 일직선 전도 로드가 (예를 들어, 센서들(200)이 아크로(100)에의 센서들의 이후의 부착에 사용될 지그, 브래킷, 프레임워크 또는 다른 하드웨어 상에 장착되면서, 또는 센서들이 아크로(100) 상에 장착되고 전도 로드들이 아크로(100) 내에 위치되면서) 센서들(200)의 배열 내에 배치되고, 테스트 전류가 로드를 통해 흐르게 된다. 장착된 센서들(200)에 의해 측정되는 자계 성분들은 센서들(200) 중에서 로드를 통해 흐르는 테스트 전류의 시뮬레이션에서 계산되는 자계 성분들과 비교되고, 그러한 비교는 센서들(200)의 교정 파라미터들을 교정하는데 사용된다.
앞서 주목된 바와 같이 일부 예들에서, 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 2개 이상의 링을 포함하며, 각각의 링은 전류-포함 체적을 따른 실질적으로 동일한 종 위치 및 전류-포함 체적의 측면 주변 주위의 다수의 별개의 원주 위치에서 배열되는 다수의 센서 위치를 포함한다. 그러한 예들 중 일부에서, 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 링들 중 3개 이상(예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 센서 링들(200a, 200b 및 200c))을 포함한다. 센서 위치들의 링들을 포함하는 일부 예에서, 링들의 위치들에서의 센서들(200)은 적어도 실질적으로 횡 치수들 둘 다에서의 자계 성분들을 측정하도록 배열될 수 있다. 그러한 구성은 유리하게는 특히 아크 갭(115)이, 예를 들어 전형적 크기들의 노들에서 링들 중 하나의 종 위치의 비교적 근처, 비동축 노에서 센서 링(200a/200b/200c)의 대략 2 피트 내, 또는 동축 노에서 센서 링의 대략 8 피트 내에 있을 때(각각의 경우에, 교정 파라미터들의 적절한 종 변화가 아크 갭(115)의 추정된 종 위치에 따름), 1차 아크 횡 위치를 추정하기 위해 일부 예에서 채용될 수 있다. 센서 위치들의 2개 이상의 링을 포함하는 일부 예에서, 1차 아크의 횡 위치의 2개 이상의 상응하는 예비 추정치가 계산될 수 있으며, 그러한 예비 추정치들 각각은 링들 중 하나만의 센서들(200)(또는 가능하게는 그러한 링의 제한된 종 거리 내에 있는 부가 센서들(200)을 포함함)에 의해 측정되는 자계 성분들을 사용하여 계산된다. 1차 아크(30)의 추정된 위치가 그 다음 2개 이상의 예비 추정치의 가중화된 평균으로서 계산될 수 있다. 각각의 예비 추정치는 아크 갭 종 위치로부터의 각각의 예비 추정치의 종 거리에 따라 가중화될 수 있으며, 주어진 링의 무게 인자는 그러한 링과 아크 갭 위치 사이의 종 거리가 증가함에 따라 감소한다. 종 거리에 따른 무게 인자의 선형 변화가 채용될 수 있거나, 무게 인자들의 임의의 다른 적절하거나 바람직한 종 변화가 채용될 수 있다.
도 1 내지 도 3의 예시적 구성들을 사용하는 하나의 특정 예시적 방법에서, 아크(30)의 제1 예비 추정된 횡 위치가 센서 링(200a)만에 의해 측정되는 필드값들을 사용하여 계산될 수 있고, 제2 예비 추정된 위치가 센서 링(200b)만을 사용하여 계산될 수 있고, 제3 예비 추정된 위치가 센서 링(200c)만을 사용하여 계산될 수 있다. 링(200a) 아래의 아크 갭 위치들의 경우, 제1 예비 추정된 위치(센서 링(200a)에 기반하여 계산됨)만이 추정된 아크 위치로서 채용되며; 링(200c) 위의 아크 갭 위치들의 경우, 제3 예비 추정된 위치(센서 링(200c)에 기반하여 계산됨)만이 추정된 아크 위치로서 채용된다. 링들(200a 및 200b) 사이의 아크 갭 위치들의 경우, 제1 및 제2 예비 추정된 아크 위치들(각각 센서 링들(200a 및 200b)을 사용하여 계산됨)의 적절하게 가중화된 평균이 추정된 아크 위치를 계산하는데 채용되며; 링들(200b 및 200c) 사이의 아크 갭 위치들의 경우, 제2 및 제3 예비 횡 아크 위치들(각각 센서 링들(200b 및 200c)을 사용하여 계산됨)의 적절하게 가중화된 평균이 추정된 아크 위치를 계산하는데 채용된다.
전기 아크로에서, (예를 들어, 도 2에서와 같이) 전체 입력 전류(20)가 전도체들(110 및 120)을 통해 그리고 1차 전류(22)로서의 아크 갭(115)에 걸친 1차 아크(30)로서 흐르는 것이 바람직하며; 그러한 경우들에서, 입력 전류(20) 및 1차 전류(22)는 실질적으로 동등하다. 그러나 일부 다른 경우에, 전형적으로 전극(110)과 도가니(101)의 측벽 사이에서 2차 전류(26)를 전하는 하나 이상의 2차 아크(32)가 전형적으로 일시적으로만 나타날 수 있다(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같음; 그러한 2차 아크(32)는 흔히 측부 아크로 지칭됨). 그러한 경우들에서, 입력 전류(20)는 1차 및 2차 전류들(22 및 26)의 합계와 실질적으로 동등하다. 측부 아킹은 전형적으로 아크로에서 바람직하지 않은 것으로 간주된다. 첫번째로, 측부 아킹은 입력 전류(20)의 일부를 2차 전류(26)로서 1차 아크(30)에서 떨어져 우회시켜, 재융해 과정을 구동시키기 위해 전극(110)의 단부로 전달되는 전기 에너지의 양을 감소시킨다. 두번째로, 측부 아크(32)는 전극(110)의 하단부 또는 측부면의 왜곡된 형상을 야기할 수 있으며, 이는 이후의 재융해를 방해할 수 있다. 세번째로, 측부 아크(32)를 통하여 노 벽으로의 2차 전류(26)의 큰 흐름은 도가니 벽의 비교적 작은 면적의 국부화된 가열을 야기하며, 이는 도가니 재료(흔히 구리)를 불순물로서 잉곳(120)으로 도입시킬 수 있거나, 아마도 도가니 벽의 고장을 야기하기도 하는 도가니 벽 상의 “핫스팟”을 생성함으로써 안전상 위험을 일으킬 수 있다. 2차 아킹이 일어날 때, 2차 아킹을 검출하고, 아마도 또한 측정하거나 국부화시키는 방식을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
그러한 목적을 달성하기 위해 일부 예들에서, 다수의 센서(200) 중 2개 이상은 2개의 횡 자계 성분에 더하여 실질적으로 종 치수에서의 자계 성분(때때로 “z필드” 성분으로 지칭됨)을 측정하도록 구성된다. 컴퓨터 시스템(299)은 제1 또는 제2 전극과 챔버 사이의 2차 전기 아크(32)로서 대부분 횡 방향으로 흐르는 2차 전류(26)를 나타내는 하나 이상의 세트의 측정된 자계 성분들을 인지하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍된다. 계산은 아크 갭(115)의 종 위치, 그리고 상응하는 센서 위치(들) 또는 교정 파라미터(들)에 따른 측정된 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반한다.
많은 경우에, 1차 아크(30)는 (예를 들어, 각각 도 5b 및 도 6b에서와 같은) 측부 아크(32)에서 발생하는 규모 또는 종 성분의 유사한 공간적 분포들과 질적으로 상이한 (예를 들어, 각각 도 5a 및 도 6a에서와 같은) 자계 규모 또는 자계 종 성분의 공간적 분포를 생성한다. 일부 예들에서 2차 아크(32)가 없을 때에, 아크 갭(115)이 중심이 되는 자계의 규모 또는 종 성분은 종 방향으로 거의 대칭적이다. 즉 2차 아크(32)가 없을 때에, 아크 갭(115) 위의 일정 거리에서의 자계의 규모 또는 종 성분은 아크 갭(115) 아래의 그러한 동일한 거리 그리고 동일한 원주 위치에서의 규모 또는 종 성분과 실질적으로 동등하다. 그러나 그러한 예들에서, 2차 아크(32)가 존재하면, 그러한 종 대칭은 왜곡되고 그러한 2개의 측정된 규모 또는 종 필드 성분의 규모들은 상이할 수 있다. (아크 갭(115) 주위의) 규모 또는 종 필드 성분들의 그러한 종 비대칭은 예를 들어, 전극(110)과 도가니(101)의 측벽 사이의 2차 아크(32)의 존재의 인지 가능한 표시이다. 2차 아크(32)가 존재한다는 것을 추정하기 위한 기준으로서 그러한 비대칭에 대해 적절한 임계값이 선택될 수 있다. 그러한 임계치는 절댓값일 수 있거나, 예를 들어 아크로(100)의 작동 동안 앞서 측정된 필드값들에 의해 확립되는 기준치에 대하여 적절하게 정규화되거나 상쇄될 수 있다. 하나 이상의 다른 측정된 필드 성분(예를 들어, 횡 필드 성분)의 종 변화가 적절하거나 바람직하다면, 채용될 수 있다.
다른 예들에서, 자계의 규모 또는 하나 이상의 성분의 (주어진 종 위치에서의) 방위각 변화가 측부 아크(32)의 존재의 인지를 가능하게 하도록 분석될 수 있다. 일부 예들에서, 1차 아크(30)에서 발생하는 자계 규모 또는 이들의 특정 성분들의 방위각 변화는 전류-포함 체적(10)의 주변 주위의 단일 최대치 및 단일 최소치를 갖는 대략 사인 곡선적인 변화를 전형적으로 포함한다. 측부 아크(32)에서 발생하는 자계 규모 또는 성분들의 방위각 변화는 그러한 비교적 단순한 준사인 곡선적 변화와 전형적으로 상이하다. 단순한 변화로부터의 관측된 편차가 측부 아크(32)의 존재의 표시일 수 있다.
측부 아크(32)가 존재한다는 판단에 기반하여, 예를 들어, 그러한 특정 잉곳(120)과 연관된 문서화로 2차 아크(32)의 발생을 단순히 주목하는 것, 입력 전류(20)를 바꾸어 2차 아크를 억제하는 것, 안전 조치로서 입력 전류(20)를 컷 오프하여 재융해 과정을 전부 셧 다운하는 것, 또는 다른 적절하거나, 바람직하거나, 필요한 행위인, 다양한 행위가 취해질 수 있다.
일부 예들에서, 컴퓨터 시스템(299)은 2차 전류의 추정된 규모 또는 2차 전기 아크의 추정된 위치를 계산하도록 추가로 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍될 수 있다. 1차 전기 아크(30)에 대해 상술한 것들과 마찬가지로, 2차 아크 위치 또는 2차 전류 규모의 그러한 추정에 필요한 교정 파라미터들을 제공하기 위해 시뮬레이션들이 전형적으로 필요할 것이다. 그러한 계산은 입력 전류의 규모, 아크 갭의 종 위치, 및 상응하는 센서 위치(들) 또는 교정 파라미터(들)에 따른 측정된 자계 규모 또는 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반할 수 있고, 일부 예들에서, 상술한 예들 중 임의의 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있다.
이미 주목된 바와 같이, 재융해 과정이 진행됨에 따라, 잉곳(120)이 성장하고, 전극(110)이 줄어들고, 아크 갭(115)이 아크로(100)를 통해 상측으로 이동한다. 도가니(101) 주위의 물 재킷(103)은 원하는 특성들의 잉곳 재료를 산출하기 위해 응고 속도 및 조건들을 제어하도록 채용된다. 전극(110)은 전극(110)으로부터 도가니(101)의 벽들로의 전류 흐름을 피하기 위해 도가니(101) (그리고 따라서 형성되는 잉곳(120))보다 더 작은 직경을 가지므로; 전극(110)이 융해되어 없어지고 잉곳(120)이 성장함에 따라, 전극(110)은 아크 갭(115)의 정확한 높이(즉, 전극(110)과 잉곳(120) 사이의 거리)를 유지하도록 노의 작동 동안 정확한 속도로 하측으로 이동되어야 한다. 아크로의 일부 전형적 예들에서, 도가니(101)의 내부 직경은 대략 6 인치 내지 대략 40 인치이며, 이는 또한 형성되는 잉곳(120)의 근사 직경이다. 잉곳이 응고됨에 따라, 잉곳은 수축되고 노 측벽들에서 떼어져 작은 갭(예를 들어, 대략 0.05 인치 내지 0.3 인치)을 남긴다. 재융해 과정이 진행됨에 따라, 잉곳(120)의 상단에서의 비교적 짧은 부분(예를 들어, 대략 2 인치 내지 12 인치 이상)이 노 측벽들과 접촉하게 남고, 복귀 전류(24)에 대한 경로를 제공한다. 일부 예들에서, 복귀 전류(24)의 일부는 잉곳(120)의 하단을 통해 도가니(101)의 벽들로 흐를 수 있다.
아크 갭(115)의 종 위치(동등하게는, 잉곳(120)의 높이)는 (아크로 예에서) 재융해 과정이 진행됨에 따라, 단조롭게 변화되고, 따라서, 융해 시간(즉, 입력 전류(20)의 흐름의 개시로 시작되는 경과된 시간; 입력 전류 흐름의 개시로 시작되고 입력 전류 흐름의 종료로 끝나는 융해 시간들의 전체 범위는 융해 기간으로 본원에 지칭됨)의 단조 함수이다. 추정된 횡 아크 위치(또한 융해 시간의 함수)가 상응하는 종 아크 갭 위치와 상관되고, 결국 잉곳(120)의 종 치수를 따른 잉곳(120)의 재료 특성들의 임의의 관측된 변화와 상관될 수 있도록 융해 시간에 따른 아크 갭 종 위치의 충분히 정확한 추정치를 갖는 것이 중요하다. 일부 예들에서, 아크 갭 종 위치는 또한 1차 아크(30)의 추정된 횡 위치의 계산에 대한 입력이다. 컴퓨터 시스템(299)은 입력 전류(20)가 흐름에 따라, 융해 시간과 함께 변화되는 추정된 아크 갭 종 위치를 계산하도록 임의의 적절한 방식으로 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍된다. 일부 예들에서, 아크 갭 종 위치는 융해 속도(질량/시간), 노 내부 직경 및 재료 밀도에 의해 결정되는 기울기를 갖는 융해 시간의 선형 함수인 것으로 가정되고, 그러한 기반 상에서 계산되거나, (예를 들어, 전극(110)의 중량의 감소의 속도가 예를 들어, 로드 셀 또는 전극(110)의 변화되는 중량을 모니터링하기 위한 다른 디바이스가 구비되는 아크로에서 융해 시간의 함수로서 이용 가능하면) 직접 측정될 수 있다. 추정된 아크 갭 종 위치는 특정 융해 시간 및 기울기에 기반하여 계산되고, 그러한 값은 그러한 특정 융해 시간에서 계산되는 아크의 상응하는 추정된 횡 위치와 상관된다. 일부 예들에서 상술한 바와 같이, 아크 갭 추정된 종 위치는 아크 추정된 횡 위치의 계산에 사용되며; 다른 예들에서, 아크 횡 위치는 계산에서 아크 갭 위치를 사용하지 않고 추정될 수 있다. “상관된(correlated)”이란 용어는 주어진 융해 시간에서의 아크 갭 종 위치(또는 동등하게는, 잉곳(120)의 길이를 따른 위치)가 (아크 갭 종 위치가 아크 횡 위치의 계산에 사용되었든 아니었든) 그러한 주어진 융해 시간에서 추정되는 아크 횡 위치와 연관된다는 것을 의미한다. 잉곳(120)의 전체 길이를 통한(동등하게는, 전체 융해 시간을 통한), 또는 잉곳(120)의 전체 길이의 일부를 통한 (아마도 적절한 시간 간격에 걸쳐 평균화되는) 아크(30)의 추정된 횡 위치들을 포함하는 데이터세트가 품질 또는 과정 제어, 또는 잉곳(120)의 특성화 또는 잉곳(120)에 대한 문서화를 위해 생성되고, 저장되고, 채용될 수 있다. 도 7a의 예에서, (2개의 패널에서 2개의 직교 횡 치수에서의) 횡 아크 위치의 분포가 잉곳의 길이를 따라 도표화되며; 아크 위치의 상당한 횡 편차를 잉곳의 길이를 따라 대략 중간에서 볼 수 있다. 도 7b의 예에서, 1 초(좌측 패널), 10 초(중간 패널) 및 100 초(우측 패널)에 걸쳐 평균화되는 횡 아크 위치의 분포가 2개의 횡 치수를 따라 도표화된다.
일부 예들에서, 센서들(200)의 일부 또는 모두에 의해 측정되는 자계 성분들이 재융해 과정 동안 아크 갭(30)의 종 위치를 추정하기 위해 채용될 수 있다. 예를 들어, 동일하거나 인근의 종 위치들에서의 센서들(200)(예를 들어, 하나의 링의 센서들)의 서브세트에 의해 측정되는 평균 자계 규모가 아크 갭(115)이 센서들(200)의 그러한 서브세트의 종 위치를 지남에 따라, 융해 시간에 대하여 최대치를 거친다는 것이 (예를 들어, 도 8a, 도 8b 및 도 8c에서와 같이) 일부 예들에서 관측되었다. 센서들(200a/200b/200c)의 3개의 링의 각각의 종 위치(201a/201b/201c)가 각각의 센서(200a(도 8a), 200b(도 8b) 및 200c(도 8c))의 계산되고(202a/202b/202c) 측정된(203a/203b/203c) 필드값들과 함께 도 8a, 도 8b 및 도 8c의 예에 도시된다. 그러한 센서들(200)의 서브세트에 의해 측정되는 자계의 평균 종 성분이 아크 갭(115)이 그러한 센서 서브세트의 종 위치를 지남에 따라, 융해 시간에 대하여 최소치를 거친다는 것이 (예를 들어, 도 9a 및 도 9b에서와 같이) 일부 예들에서 또한 관측되었다. 그러므로, 센서들(200)의 각각의 그러한 종 서브세트는 재융해 과정 동안 아크 갭 종 위치를 추정하기 위한 교정점으로서의 역할을 할 수 있다. 재융해 과정이 진행됨에 따라, 컴퓨터 시스템(299)은 특정 종 센서 서브세트에 대한 평균 자계 규모가 (미리 결정된 값에 도달하거나, 융해 시간에 대하여 상대 최대값에 도달하고 그 다음 감소하기 시작함으로써) 최대치를 거치거나, 평균 종 자계 성분이 최소치를 거칠 때를 인지한다. 그러한 종 서브세트를 특성화하는 종 위치는 그러한 최대치가 일어나는 융해 시간에서의 아크 갭(115)의 종 위치를 추정하는데 사용된다. 일부 예들에서, 종 서브세트 위치는 추정된 아크 갭 위치이며; 다른 예들에서, 종 센서 서브세트 위치는, 예를 들어 최대 또는 최소 측정된 필드 규모 또는 성분이 센서 서브세트 위치에서가 아닌, 이전의 또는 이후의 일부 일관된 종 오프셋에서 일어나는 것이 교정 절차 또는 시뮬레이션 동안 관측되면, 적절한 미리 결정된 종 오프셋에 의해 교정된다(예를 들어, 도 9a 및 도 9b의 예들에서, 최소 측정된 필드 성분은 아크 갭(115)이 센서 링들(200a/200b/200c)의 종 위치들에 도달하기 조금 전에, 일어남). 아크 갭 종 위치는 센서들(200)의 하나 이상의 그러한 종 서브세트에 대해 추정될 수 있고, 추정된 위치들 및 상응하는 융해 시간들은 아크 갭 종 위치의 융해 시간과의 상관성에서 고정된 교정점들로서의 역할을 할 수 있다. 중간 아크 갭 위치들은 그러한 고정된 교정점들 사이에서, 또는 고정된 교정점과 재융해 과정의 시작 또는 종료 지점 사이에서 보간될 수 있다.
다른 예들에서, 전극(110)은 아크 갭 위치 대 융해 시간 곡선에서의 하나 이상의 고정된 교정점을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 종합된 전극(110)이 재융해될 다수의 피스의 재료를 함께 조립하고 용접함으로써 제작되고, 전극(110)에서의 결과로서 생기는 용접물들은 전극(110)을 따라 알려진 위치들에 있다. 아크 갭(115)이 그러한 용접물에 도달하고 이것을 지날 시에, 전류, 전압 또는 하나 이상의 측정된 자계 성분의 인지 가능한 변화가 흔히 관측된다는 것이 재융해 과정들 동안 관측되었다. 그렇다면 그 때, 그러한 변화가 인지되는 융해 시간이 아크 갭이 알려진 용접물 위치를 지나는 융해 시간에 상응하여, 고정된 교정점을 확립한다. 상술한 방식과 유사한 방식으로, 하나 이상의 그러한 고정된 교정점이 전체 아크-갭-종-위치-대-융해-시간 곡선을 보간하는데 채용될 수 있다.
본원에 개시되는 시스템들 및 방법들의 부분들은 일반 또는 특수 목적 컴퓨터들 또는 서버들, 또는 소프트웨어를 통해 프로그래밍되는 다른 프로그래밍 가능 하드웨어 디바이스들로서 또는 이것들로, 또는 하드 와이어링을 통해 “프로그래밍되는” 하드웨어 또는 장비, 또는 둘의 조합으로서 구현될 수 있다. “컴퓨터” 또는 “서버”는 단일 기계를 포함할 수 있거나 (단일 위치 또는 다수의 원거리 위치에 위치되는) 다수의 상호 작용하는 기계를 포함할 수 있다. 컴퓨터 프로그램들 또는 다른 소프트웨어 코드는 사용된다면, 예들 들어 마이크로코드, 기계 코드, 함께 작동하는 네트워크 기반 또는 웹 기반 또는 분산형 소프트웨어 모듈들로의 프로그래밍을 포함함으로써 유형의, 비일시적인, 임시의 또는 영속적인 저장 또는 교체 가능 매체, RAM, ROM, CD-ROM, CD-R, CD-R/W, DVD-ROM, DVD±R, DVD±R/W, 하드 드라이브들, 썸 드라이브들, 플래시 메모리, 광 매체, 자기 매체, 반도체 매체, 또는 임의의 장래의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로 구현될 수 있다. 임의의 측정되거나 계산된 양, 임의의 교정 또는 모델링 파라미터, 임의의 프로그래밍 코드 또는 명령어 등의 전자 표시는 본원에 언급되는 유형의, 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체 중 임의의 것으로부터 판독되거나, 이것으로부터 수신되거나, 이것에 기록되거나, 이것 상에 저장될 수 있다.
선행하는 것에 더하여, 이하의 실시예들은 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위에 포함된다:
실시예 1. 전기 아크의 위치를 추정하는 장치로서, 장치는 다수의 자계 센서의 세트, 자계 센서들에 작동적 결합되는 데이터 획득 시스템, 및 데이터 획득 시스템에 작동적 결합되는 컴퓨터 시스템을 포함하며: (a) 다수의 자계 센서는 입력 전류가 흐르고 입력 전류의 적어도 일부가, (i) 전류-포함 체적 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들의 적어도 부분들을 통해, 그리고 (ii) 아크 갭에 걸치고 제1 종 전기 전도체와 제2 종 전기 전도체 사이의 아크 갭 내에서 2개의 횡 치수로 이동 가능한 하나 이상의 1차 전기 아크로서의 1차 전류로서 대부분 종 방향으로 흐르는 전류-포함 체적의 측면 주변 주위에 배열되고; (b) 세트의 각각의 센서는 다수의 별개의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치되고, 센서 위치들은 전류-포함 체적을 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 전류-포함 체적의 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열되고; (c) 세트의 각각의 센서는 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되고 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터에 의해 특성화되고; (d) 데이터 획득 시스템은 상응하는 측정된 자계 성분들을 나타내는 다수의 센서로부터의 신호들을 컴퓨터 시스템으로 전달하도록 구조화되고 연결되고; (e) 컴퓨터 시스템은 하나 이상의 전자 프로세서 및 하나 이상의 전자 프로세서에 결합되는 하나 이상의 디지털 저장 매체를 포함하고, 아크 갭 내의 하나 이상의 1차 전기 아크의 추정된 횡 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 계산은 아크 갭의 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 측정된 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는 장치.
실시예 2. 세트의 각각의 센서는 3개의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되는 실시예 1의 장치.
실시예 3. 계산은 입력 전류 또는 1차 전류의 규모에 적어도 부분적으로 기반하는 실시예 1 또는 실시예 2 중 어느 하나의 장치.
실시예 4. 각각의 센서에 대한 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터는, 다수의 별개의 횡 위치에서 그리고 시뮬레이션되는 아크 갭의 다수의 별개의 종 위치에서, 다수의 센서 중 하나 이상에 대해, 상응하는 하나 이상의 교정 파라미터가 아크 갭의 종 위치에 따라 달라지도록 단일 시뮬레이션되는 1차 전기 아크로 흐르는 시뮬레이션되는 입력 전류에서 발생하는 상응하는 센서 위치에서의 자계 성분들의 계산들로부터 유도되는 실시예 1 내지 실시예 3 중 어느 하나의 장치.
실시예 5. 하나 이상의 계산은 전류-포함 체적으로 1차 전류를 전하거나 전류-포함 체적 외로 복귀 전류를 전하는 외부 전도체들에서 발생하는 자계 성분들에 대한 교정들을 포함하는 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 하나의 장치.
실시예 6. 하나 이상의 계산은 각각의 센서에 대한 측정된 자계 성분들의 배향들에 대한 측정된 방향 교정들을 포함하는 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 하나의 장치.
실시예 7. 하나 이상의 계산은 전류-포함 체적이 침하되는 외부 자계들에서 발생하는 측정된 교정들을 포함하는 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 하나의 장치.
실시예 8. 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 2개 이상의 링을 포함하며, 각각의 링은 전류-포함 체적을 따른 실질적으로 동일한 종 위치 및 전류-포함 체적의 측면 주변 주위의 다수의 별개의 원주 위치에서 배열되는 다수의 센서 위치를 포함하는 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 하나의 장치.
실시예 9. 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 링들 중 3개 이상을 포함하는 실시예 8의 장치.
실시예 10. 2개 이상의 링의 상응하는 센서 위치들에 위치되는 그러한 센서들은 2개의 실질적으로 횡 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되는 실시예 8 또는 실시예 9 중 어느 하나의 장치.
실시예 11. 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 2개 이상의 링의 상응하는 종 위치들과 상이한 전류-포함 체적을 따른 상응하는 종 위치들에 위치되는 하나 이상의 센서 위치를 포함하는 실시예 8 내지 실시예 10 중 어느 하나의 장치.
실시예 12. 하나 이상의 1차 전기 아크의 추정된 횡 위치는 각각의 링만의 상응하는 센서 위치들에서 센서들로부터의 측정된 필드 성분들을 사용하여 그러한 링에 대해 계산되는 추정된 아크 횡 위치들의 가중화된 평균이고, 각각의 링에 대한 추정된 아크 횡 위치들은 그러한 링과 아크 갭의 추정된 종 위치 사이의 상응하는 종 거리에 따라 가중화되며, 상응하는 무게 인자는 상응하는 링과 추정된 아크 갭 위치 사이의 거리가 증가함에 따라 감소하는 실시예 8 내지 실시예 11 중 어느 하나의 장치.
실시예 13. 전류-포함 체적은 전류-포함 체적의 측면 주변을 한정하는 챔버 내에 밀폐되고, 다수의 센서 위치는 챔버 외부에 위치되는 실시예 1 내지 실시예 12 중 어느 하나의 장치.
실시예 14. 다수의 센서 중 2개 이상은 실질적으로 종 치수로 자계 성분을 측정하도록 배열되고, 컴퓨터 시스템은 제1 또는 제2 종 전기 전도체와 챔버 사이에서 2차 전기 아크로서 대부분 횡 방향으로 흐르는 2차 전류를 나타내는 하나 이상의 세트의 측정된 자계 규모들 또는 종 성분들을 인지하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 인지는 입력 전류의 규모, 아크 갭의 추정된 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 측정된 종 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는 실시예 13의 장치.
실시예 15. 컴퓨터 시스템은 2차 전류의 추정된 규모 또는 2차 전기 아크의 추정된 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 계산은 입력 전류의 규모, 아크 갭의 추정된 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 측정된 종 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는 실시예 14의 장치.
실시예 16. 어떤 2차 전류도 흐르지 않고, 입력 전류는 1차 전류와 실질적으로 동등한 실시예 14 또는 실시예 15 중 어느 하나의 장치.
실시예 17. 하나 이상의 2차 전기 아크가 존재하면서, 입력 전류는 1차 및 2차 전류들의 합계와 실질적으로 동등한 실시예 14 또는 실시예 15 중 어느 하나의 장치.
실시예 18. 챔버를 더 포함하며, 챔버는 전기 아크로를 포함하고, 제1 종 전기 전도체는 노의 전극을 포함하고, 제2 종 전기 전도체는 노 내에 형성되는 잉곳을 포함하고, 노는 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 아크 갭이 노를 통해 종으로 이동하도록 구성되어, 전극이 융해되고 줄어들고 잉곳이 성장하게 하는 실시예 13 내지 실시예 17 중 어느 하나의 장치.
실시예 19. 컴퓨터 시스템은 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 따라 변화되는 추정된 아크 갭 종 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는 실시예 18의 장치.
실시예 20. 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 대하여 최대 측정된 자계 규모를 기록하는 하나 이상의 선택된 센서의 종 위치는 선택된 센서들이 그러한 최대 측정된 자계 규모를 기록하는 융해 시간에서의 아크 갭의 종 위치를 추정하는데 사용되는 실시예 19의 장치.
실시예 21. 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 대하여 최소 측정된 자계 종 성분을 기록하는 하나 이상의 선택된 센서의 종 위치는 선택된 센서들이 그러한 최소 측정된 자계 종 성분을 기록하는 융해 시간에서의 아크 갭의 종 위치를 추정하는데 사용되는 실시예 19 또는 실시예 20 중 어느 하나의 장치.
실시예 22. 선택된 센서들은 공통 종 위치에서 전류-포함 체적의 주변 주위에 링으로 배열되는 실시예 20 또는 실시예 21 중 어느 하나의 장치.
실시예 23. (i) 전극은 전극이 융해되고 아크 갭이 각각의 용접물을 지남에 따라, 하나 이상의 자계 성분의 인지 가능한 변화를 생성하는 알려진 종 위치들에서의 하나 이상의 용접물을 포함하고, (ii) 컴퓨터 시스템은 센서들 중 하나 이상에 의해 검출되는 변화를 인지하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되고, (iii) 전극의 상응하는 용접물의 종 위치는 변화가 일어나는 융해 시간에서 아크 갭의 종 위치를 추정하는데 사용되는 실시예 19 내지 실시예 22 중 어느 하나의 장치.
실시예 24. 컴퓨터 시스템은 아크 갭 위치들 사이의 보간법으로서 용접물 위치, 최소 종 필드 성분 검출 또는 최대 필드 규모 검출에 의해 추정되는 시간에 따른 추정된 아크 갭 종 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는 실시예 19 내지 실시예 23 중 어느 하나의 장치.
실시예 25. 아크 갭 종 위치는 제1 종 전기 전도체의 크기, 형상, 밀도 및 중량, 및 1차 전류 흐름의 지속 기간 및 규모에 적어도 부분적으로 기반하여 추정되는 실시예 19 내지 실시예 24 중 어느 하나의 장치.
실시예 26. 실시예 1 내지 실시예 25 중 어느 하나의 장치를 사용하여, 입력 전류가 아크로로 흐르고 입력 전류의 적어도 일부가 (i) 아크로 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들의 적어도 부분들을 통해, 그리고 (ii) 아크 갭에 걸치고 제1 종 전기 전도체와 제2 종 전기 전도체 사이의 아크 갭 내에서 2개의 횡 치수로 이동 가능한 하나 이상의 1차 전기 아크로서의 1차 전류로서 대부분 종 방향으로 흐르는 융해 기간 동안 전기 아크로 내에서 아크 갭의 종 위치에 따라 하나 이상의 1차 전기 아크의 횡 위치를 추정하는 방법으로서: (A) 융해 기간 동안, 다수의 자계 센서의 세트를 사용하여 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하는 단계로서, 각각의 센서는 아크로의 측면 주변 주위에 배열되는 다수의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치되며, 다수의 센서 위치는 아크로를 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 아크로의 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열되고, 각각의 센서는 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터에 의해 특성화되는 단계; (B) 각각의 센서에 대해 구조화되고 연결되는 데이터 획득 시스템을 사용하여, 상응하는 측정된 자계 성분들을 나타내는 다수의 센서로부터의 신호들을 다수의 센서로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및 (C) 데이터 획득 시스템에 대해 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는 컴퓨터 시스템을 사용하여, 융해 기간 내의 다수의 융해 시간의 각각의 하나에 대해, 아크 갭 내의 하나 이상의 1차 전기 아크의 상응하는 추정된 횡 위치를 계산하는 단계로서, 그러한 계산은 상응하는 융해 시간에서의 아크 갭의 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따라 상응하는 융해 시간에서 측정되는 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는 단계를 포함하는 방법.
개시된 예시적 실시예들 및 방법들의 동등물들이 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위에 포함될 것이라는 점이 의도된다. 개시된 예시적 실시예들 및 방법들, 그리고 이들의 동등물들이 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 범위 내에 남아 있으면서, 변경될 수 있다는 점이 의도된다.
전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징이 본 발명을 간소화하기 위해 수개의 예시적 실시예에서 함께 그룹화될 수 있다. 본 발명의 방법은 임의의 청구된 실시예가 상응하는 청구항에서 명확히 열거되는 것보다 더 많은 특징을 요구하는 의도를 반영하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 오히려, 첨부된 청구항들이 반영하는 바에 따라, 본 발명의 논제 사안은 단일 개시된 예시적 실시예의 모든 특징 이내에 놓일 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이로써 각각의 청구항이 별개의 개시된 실시예로서 그것의 자체에 기초한 상태로, 상세한 설명으로 통합된다. 그러나, 본 발명은 명확히 본원에 개시되지 않을 수 있는 임의의 적절한 세트를 포함하여 본 발명 또는 첨부된 청구항들에서 나타나는 하나 이상의 개시되거나 청구된 특징의 그러한 세트(즉, 양립할 수 없지 않고 상호간에 배타적이지도 않은 특징들의 세트)를 갖는 임의의 실시예를 암암리에 개시하는 것으로 또한 해석되어야 한다. 게다가 개시의 목적으로, 첨부된 종속 청구항들 각각은 다중 종속 형태로 기록되고 첨부된 종속 청구항들 각각이 상반되지 않는 모든 선행하는 청구항에 종속되는 것처럼 해석되어야 한다. 첨부된 청구항들의 범위가 본원에 개시되는 본 논제 사안의 전체를 반드시 포함하는 것은 아니라는 점이 추가로 주목되어야 한다.
본 발명 및 첨부된 청구항들의 목적으로, “또는(or)”이란 접속사는: (i) “또는”이란 접속사가 예를 들어, “~ 또는 ~ 중 어느 하나(either…or)”, “~ 중 단지 하나(only one of)”, 또는 유사한 표현의 사용에 의해 명확히 달리 진술되지 않거나; (ii) 목록으로 나열된 대안들 중 2개 이상이 “또는”이 상호 배타적이지 않은 대안들을 수반하는 그러한 조합들만을 포함할 경우에, 특정 맥락 내에서 상호간에 배타적이지 않는다면, 포괄적으로 해석되어야 한다(예를 들어, “개 또는 고양이(a dog or a cat)”는 “개 또는 고양이, 또는 둘 다(a dog, or a cat, or both)”로 해석될 것이며; 예를 들어, “개, 고양이 또는 쥐(a dog, a cat, or a mouse)”는 “개 또는 고양이 또는 쥐, 또는 임의의 2개, 또는 모든 3개(a dog, or a cat, or a mouse, or any two, or all three)”로 해석될 것임). 본 발명 및 첨부된 청구항들의 목적으로, “구비하는(comprising)”, “포함하는(including)”, “갖는(having)”이란 단어들 및 이들의 변형예들은, 이들이 나타나는 어디든지, 명확히 달리 진술되지 않는다면, “적어도(at least)”란 어구가 이들의 각각의 사례 이후에 첨부되었던 경우와 동일한 의미로 제한이 없는 전문 용어로 해석되어야 한다. 본 발명 또는 첨부된 청구항들의 목적으로, 수치적 양에 관하여, “~와 대략 동등한(about equal to)”, “~와 실질적으로 동등한(substantially equal to)”, “대략(ca.)”, “~보다 대략 더 큰(greater than about)”, “~보다 대략 더 작은(less than about)” 등과 같은 용어들이 채용될 때, 상이한 해석이 명확히 제시되지 않는다면, 측정 정밀성 및 유의미한 숫자들과 관련되는 표준 관례들이 적용될 것이다. “실질적으로 방지된(substantially prevented)”, “실질적으로 없는(substantially absent)”, “실질적으로 제거된(substantially eliminated)”, “0과 대략 동등한(about equal to zero)”, “무시해도 될 정도의(negligible)” 등과 같은 어구들에 의해 설명되는 널(null) 양들의 경우, 각각의 그러한 어구는 개시되거나 청구된 장치 또는 방법의 의도된 작동 또는 사용의 맥락에서 실질적 목적으로, 장치 또는 방법의 전체 가동 또는 수행이 널 양이 실제로 완전히 제거되었거나, 정확하게 0과 동등하였거나, 정확하게 영으로 되었다면, 일어났을 것과 상이하지 않은 정도로 당해의 양이 감소되거나 축소되었던 경우를 나타낼 것이다.
첨부된 청구항들에서, 요소들, 단계들, 제한들 또는 청구항의 다른 부분들의 임의의 라벨링(예를 들어, 제1, 제2 등, (a), (b), (c) 등, 또는 (i), (ii), (iii) 등)은 명확성만을 위한 것이고, 그렇게 라벨링된 청구항 부분들의 임의의 유형의 순서화 또는 우선함을 시사하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 임의의 그러한 순서화 또는 우선함이 의도되면, 이는 청구항에서 명확히 열거될 것이거나, 일부 경우에, 이는 청구항의 특정 내용에 기반하여 내포되거나 내재할 것이다. 첨부된 청구항들에서, 35 USC § 112(f)의 규정들이 장치 청구항에서 적용되도록 원해지면, 그 때 “수단(means)”이란 단어가 그러한 장치 청구항에서 나타날 것이다. 그러한 규정들이 방법 청구항에서 적용되도록 원해지면, “~에 대한 단계(a step for)”란 단어들이 그러한 방법 청구항에서 나타날 것이다. 정반대로, “수단” 또는 “~에 대한 단계”란 단어들이 청구항에서 나타나지 않으면, 그 때 35 USC § 112(f)의 규정들이 그러한 청구항에 대해 적용되는 것으로 의도되지 않는다.
임의의 하나 이상의 개시가 참조로 본원에 포함되고 그러한 포함된 개시들이 본 발명과 부분적으로 또는 전체적으로 상충하거나 본 발명으로부터의 범위에서 상이하면, 그 때 상충의 정도까지, 더 넓은 개시, 또는 용어들의 더 넓은 정의를 본 발명이 장악한다. 그러한 포함된 개시들이 서로와 부분적으로 또는 전체적으로 상충하면, 그 때 상충의 정도까지, 이후 날짜의 개시가 장악한다.
요약서는 특허 문헌 내의 특정 논제 사안을 탐색하는 것들에 대한 도움으로서 필요한 바에 따라 제공된다. 그러나, 요약서는 요약서에 열거되는 임의의 요소들, 특징들 또는 제한들이 반드시 임의의 특정 청구항에 의해 포함된다는 것을 시사하는 것으로 의도되지 않는다. 각각의 청구항에 의해 포함되는 논제 사안의 범위는 그러한 청구항만의 열거에 의해 결정될 것이다.

Claims (27)

  1. 전기 아크의 위치를 추정하는 장치로서, 상기 장치는 다수의 자계 센서의 세트, 상기 자계 센서들에 작동적 결합되는 데이터 획득 시스템, 및 상기 데이터 획득 시스템에 작동적 결합되는 컴퓨터 시스템을 포함하며:
    (a) 상기 다수의 자계 센서는 입력 전류가 흐르고 상기 입력 전류의 적어도 일부가, (i) 전류-포함 체적 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들의 적어도 부분들을 통해, 그리고 (ii) 상기 아크 갭에 걸치고 상기 제1 종 전기 전도체와 상기 제2 종 전기 전도체 사이의 상기 아크 갭 내에서 2개의 횡 치수로 이동 가능한 하나 이상의 1차 전기 아크로서의 1차 전류로서 종 방향으로 흐르는 전류-포함 체적의 측면 주변 주위에 배열되고;
    (b) 상기 세트의 각각의 센서는 다수의 별개의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치되고, 상기 센서 위치들은 상기 전류-포함 체적을 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 상기 전류-포함 체적의 상기 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열되고;
    (c) 상기 세트의 각각의 센서는 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되고 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터에 의해 특성화되고;
    (d) 상기 데이터 획득 시스템은 상응하는 측정된 자계 성분들을 나타내는 상기 다수의 센서로부터의 신호들을 상기 컴퓨터 시스템으로 전달하도록 구조화되고 연결되고;
    (e) 상기 컴퓨터 시스템은 하나 이상의 전자 프로세서 및 하나 이상의 전자 프로세서에 결합되는 하나 이상의 디지털 저장 매체를 포함하고, 상기 아크 갭 내의 상기 하나 이상의 1차 전기 아크의 추정된 횡 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 계산은 (i) 상기 아크 갭의 종 위치, (ii) 전기 아크로를 따라 2개 이상의 상응하는 별개의 종 위치들에서 측정된 2개 이상의 자계 성분들, 및 (iii) 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 적어도 부분적으로 기반하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세트의 각각의 센서는 3개의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 계산은 상기 입력 전류 또는 상기 1차 전류의 규모에 적어도 부분적으로 기반하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 센서에 대한 상기 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터는, 다수의 별개의 횡 위치에서 그리고 시뮬레이션되는 아크 갭의 다수의 별개의 종 위치에서, 상기 다수의 센서 중 하나 이상에 대해, 상기 상응하는 하나 이상의 교정 파라미터가 상기 아크 갭의 상기 종 위치에 따라 달라지도록 단일 시뮬레이션되는 1차 전기 아크로 흐르는 시뮬레이션되는 입력 전류에서 발생하는 상기 상응하는 센서 위치에서의 자계 성분들의 계산들로부터 유도되는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    하나 이상의 계산은 상기 전류-포함 체적으로 상기 1차 전류를 전하거나 상기 전류-포함 체적 외로 복귀 전류를 전하는 외부 전도체들에서 발생하는 자계 성분들에 대한 교정들을 포함하는, 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    하나 이상의 계산은 각각의 센서에 대한 상기 측정된 자계 성분들의 배향들에 대한 측정된 방향 교정들을 포함하는, 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    하나 이상의 계산은 상기 전류-포함 체적이 침하되는 외부 자계들에서 발생하는 측정된 교정들을 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 2개 이상의 링을 포함하며, 각각의 링은 상기 전류-포함 체적을 따른 동일한 종 위치 및 상기 전류-포함 체적의 상기 측면 주변 주위의 다수의 별개의 원주 위치에서 배열되는 다수의 센서 위치를 포함하는, 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 상기 링들 중 3개 이상을 포함하는, 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 2개 이상의 링의 상응하는 센서 위치들에 위치되는 그러한 센서들은 2개의 횡 치수로 자계 성분들을 측정하도록 배열되는, 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 다수의 센서 위치는 센서 위치들의 상기 2개 이상의 링의 상응하는 종 위치들과 상이한 상기 전류-포함 체적을 따른 상응하는 종 위치들에 위치되는 하나 이상의 센서 위치를 포함하는, 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 1차 전기 아크의 상기 추정된 횡 위치는 각각의 링만의 상응하는 센서 위치들에서 센서들로부터의 측정된 필드 성분들을 사용하여 그러한 링에 대해 계산되는 추정된 아크 횡 위치들의 가중화된 평균이고, 각각의 링에 대한 상기 추정된 아크 횡 위치들은 그러한 링과 상기 아크 갭의 추정된 종 위치 사이의 상응하는 종 거리에 따라 가중화되며, 상응하는 무게 인자는 상응하는 링과 추정된 아크 갭 위치 사이의 거리가 증가함에 따라 감소하는, 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전류-포함 체적은 상기 전류-포함 체적의 상기 측면 주변을 한정하는 챔버 내에 밀폐되고, 상기 다수의 센서 위치는 상기 챔버 외부에 위치되는, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다수의 센서 중 2개 이상은 종 치수로 자계 성분을 측정하도록 배열되고, 상기 컴퓨터 시스템은 상기 제1 또는 제2 종 전기 전도체와 상기 챔버 사이에서 2차 전기 아크로서 횡 방향으로 흐르는 2차 전류를 나타내는 하나 이상의 세트의 측정된 자계 규모들 또는 종 성분들을 인지하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 인지는 상기 입력 전류의 규모, 상기 아크 갭의 추정된 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 측정된 종 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은 상기 2차 전류의 추정된 규모 또는 상기 2차 전기 아크의 추정된 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되며, 그러한 계산은 상기 입력 전류의 규모, 상기 아크 갭의 추정된 종 위치, 및 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 따른 상기 측정된 종 자계 성분들 중 2개 이상에 적어도 부분적으로 기반하는, 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    어떤 2차 전류도 흐르지 않고, 상기 입력 전류는 상기 1차 전류와 동등한, 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 2차 전기 아크가 존재하면서, 상기 입력 전류는 상기 1차 및 2차 전류들의 합계와 동등한, 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 챔버를 더 포함하며, 상기 챔버는 상기 전기 아크로를 포함하고, 상기 제1 종 전기 전도체는 상기 전기 아크로의 전극을 포함하고, 상기 제2 종 전기 전도체는 상기 전기 아크로 내에 형성되는 잉곳을 포함하고, 상기 전기 아크로는 상기 입력 전류가 융해 기간 동안 흐름에 따라, 상기 아크 갭이 상기 전기 아크로를 통해 종으로 이동하도록 구성되어, 상기 전극이 융해되고 줄어들고 상기 잉곳이 성장하게 하는, 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은 상기 입력 전류가 상기 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 따라 변화되는 추정된 아크 갭 종 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는, 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 입력 전류가 상기 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 대하여 최대 측정된 자계 규모를 기록하는 하나 이상의 선택된 센서의 종 위치는 상기 선택된 센서들이 그러한 최대 측정된 자계 규모를 기록하는 상기 융해 시간에서의 상기 아크 갭의 종 위치를 추정하는데 사용되는, 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 선택된 센서들은 공통 종 위치에서 상기 전류-포함 체적의 주변 주위에 링으로 배열되는, 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 입력 전류가 상기 융해 기간 동안 흐름에 따라, 융해 시간에 대하여 최소 측정된 자계 종 성분을 기록하는 하나 이상의 선택된 센서의 종 위치는 상기 선택된 센서들이 그러한 최소 측정된 자계 종 성분을 기록하는 상기 융해 시간에서의 상기 아크 갭의 종 위치를 추정하는데 사용되는, 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 선택된 센서들은 공통 종 위치에서 상기 전류-포함 체적의 주변 주위에 링으로 배열되는, 장치.
  24. 제19항에 있어서,
    (i) 상기 전극은 상기 전극이 융해되고 상기 아크 갭이 각각의 용접물을 지남에 따라, 하나 이상의 자계 성분의 인지 가능한 변화를 생성하는 알려진 종 위치들에서의 하나 이상의 용접물을 포함하고, (ii) 상기 컴퓨터 시스템은 상기 센서들 중 하나 이상에 의해 검출되는 상기 변화를 인지하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되고, (iii) 상기 전극의 상응하는 용접물의 종 위치는 상기 변화가 일어나는 융해 시간에서 상기 아크 갭의 상기 종 위치를 추정하는데 사용되는, 장치.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은 아크 갭 위치들 사이의 보간법으로서 용접물 위치, 최소 종 필드 성분 검출 또는 최대 필드 규모 검출에 의해 추정되는 시간에 따른 추정된 아크 갭 종 위치를 계산하도록 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는, 장치.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 아크 갭 종 위치는 상기 제1 종 전기 전도체의 크기, 형상, 밀도 및 중량, 및 1차 전류 흐름의 지속 기간 및 규모에 적어도 부분적으로 기반하여 추정되는, 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항의 장치를 사용하여, 입력 전류가 아크로로 흐르고 상기 입력 전류의 적어도 일부가 (i) 아크로 내에서 단 대 단으로 위치되고 아크 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 종 전기 전도체들의 적어도 부분들을 통해, 그리고 (ii) 아크 갭에 걸치고 상기 제1 종 전기 전도체와 상기 제2 종 전기 전도체 사이의 아크 갭 내에서 2개의 횡 치수로 이동 가능한 하나 이상의 1차 전기 아크로서의 1차 전류로서 종 방향으로 흐르는 융해 기간 동안 전기 아크로 내에서 아크 갭의 종 위치에 따라 하나 이상의 1차 전기 아크의 횡 위치를 추정하는 방법으로서:
    (A) 상기 융해 기간 동안, 다수의 자계 센서의 세트를 사용하여 2개 이상의 공간적 치수로 자계 성분들을 측정하는 단계로서, 각각의 센서는 상기 아크로의 측면 주변 주위에 배열되는 다수의 센서 위치 중 상응하는 하나에 위치되며, 상기 다수의 센서 위치는 상기 아크로를 따른 2개 이상의 별개의 종 위치 중에 그리고 상기 아크로의 상기 측면 주변 주위의 2개 이상의 별개의 원주 위치 중에 배열되고, 각각의 센서는 하나 이상의 상응하는 교정 파라미터에 의해 특성화되는 단계;
    (B) 각각의 센서에 대해 구조화되고 연결되는 데이터 획득 시스템을 사용하여, 상응하는 측정된 자계 성분들을 나타내는 상기 다수의 센서로부터의 신호들을 상기 다수의 센서로부터 컴퓨터 시스템으로 전달하는 단계; 및
    (C) 데이터 획득 시스템에 대해 구조화되고, 연결되고, 프로그래밍되는 상기 컴퓨터 시스템을 사용하여, 상기 융해 기간 내의 다수의 융해 시간의 각각의 하나에 대해, 상기 아크 갭 내의 상기 하나 이상의 1차 전기 아크의 상응하는 추정된 횡 위치를 계산하는 단계로서, 그러한 계산은 (i) 상응하는 융해 시간에서의 상기 아크 갭의 상기 종 위치, (ii) 상기 상응하는 융해 시간에서 전기 아크로를 따라 2개 이상의 상응하는 별개의 종 위치들에서 측정된 2개 이상의 자계 성분들, 및 (iii) 하나 이상의 상응하는 센서 위치 또는 교정 파라미터에 적어도 부분적으로 기반하는 단계를 포함하는, 방법.
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