RU163708U1

RU163708U1 - DEVICE FOR CORRECTION OF PHOTO RECEIVER POSITION IN A VISCOSIMETER

Info

Publication number: RU163708U1
Application number: RU2015144489/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Вьюхин; Владимир Степанович Цепелев; Аркадий Моисеевич Поводатор
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2016-08-10

Abstract

1. Устройство коррекции положения фотоприемника в вискозиметре, содержащее зеркало, зафиксированное на закручиваемой упругой нити, на которой в электропечи подвешен тигель с расплавом, фотоприемник, фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, первый источник света, соединенное с компьютером исполнительное устройство, обладающее функцией линейного перемещения фотоприемника вдоль этой фотоизмерительной линейки, отличающееся тем, что в него введен второй источник света, размещенный на фотоприемнике, и узел коррекции, обладающий функцией углового смещения фотоприемника по азимуту и углу места, фотоприемник и второй источник света расположены на узле коррекции, который расположен на исполнительном устройстве.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй источник света выполнен в виде лазерной указки.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел коррекции выполнен в виде шарового шарнира.1. A device for correcting the position of a photodetector in a viscometer, comprising a mirror fixed on a spinning elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended in an electric furnace, a photodetector, a measuring ruler - a scale with zero in the middle, the first light source, an actuator connected to a computer, which has a linear function moving the photodetector along this photo-measuring ruler, characterized in that a second light source placed on the photodetector and a correction unit having By the angular displacement function of the photodetector in azimuth and elevation, the photodetector and the second light source are located on the correction unit, which is located on the actuator. 2. The device according to claim 1, characterized in that the second light source is made in the form of a laser pointer. The device according to claim 1, characterized in that the correction unit is made in the form of a ball joint.

Description

Полезная модель относится к технической физике, а именно - к устройствам для контроля и измерения физических параметров веществ и предназначена для бесконтактного фотометрического измерения вязкости и/или электросопротивления высокотемпературных металлических расплавов на основе затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения являются вузовское обучение, промышленные лабораторные исследования, металлургические процессы.The utility model relates to technical physics, namely, to devices for monitoring and measuring the physical parameters of substances and is intended for non-contact photometric measurement of the viscosity and / or electrical resistance of high-temperature metal melts based on the damping of torsional vibrations of a cylindrical crucible with a melt. An additional area of application is university education, industrial laboratory research, and metallurgical processes.

Измерение параметров металлических расплавов в частности, вискозиметрия и/или электросопротивление образца в тигле объемом несколько см³, позволяет проводить анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками. Термозависимости вязкости и/или электросопротивления позволяют выделять характерные температурные точки и характеристики цикла нагрева-охлаждения. Однако, для высокотемпературных исследований - при t_пл≥1400°C немногие устройства могут быть использованы на практике. В частности, это бесконтактные фотометрические устройства определения вязкости и/или электросопротивления, предназначенные для измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного в электропечи на упругой нити.Measurement of the parameters of metal melts, in particular, viscometry and / or electrical resistance of a sample in a crucible with a volume of several cm ³ , allows one to analyze materials and give recommendations for producing alloys with desired characteristics. The temperature dependences of viscosity and / or electrical resistance make it possible to distinguish characteristic temperature points and characteristics of the heating-cooling cycle. However, for high-temperature studies - at t _PL ≥1400 ° C, few devices can be used in practice. In particular, these are non-contact photometric devices for determining viscosity and / or electrical resistance, designed to measure the attenuation parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended in an electric furnace on an elastic thread.

В процессе измерений траектории отраженного луча для вычислений декремента затухания δ, вязкости ν и (или) электросопротивления ρ, не всегда обеспечивается засветка фотоприемника, отражающего параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного в электропечи на упругой нити. В идеале величина δ должна быть одинаковой при ее определении по отклонению отраженного светового луча как в одну сторону от нулевой точки шкалы, так и симметрично в другую сторону. Однако, в процессе измерений появляется нарастающее с температурой эксперимента непредсказуемое осевое и угловое смещение (несимметрия) колебаний, т.е. временной дрейф нулевой точки вплоть до исчезновения сигналов фотоприемника и срыва эксперимента. Смещение нуля шкалы фотоприемника и появление углового сдвига в 5÷10 град, по нашим многолетним данным практически непредсказуемо и составляет единицы процентов. Оно вызвано многочисленными трудно учитываемыми причинами, в частности, высокой и неоднородной температурой в электропечи, а также ее электромагнитными полями. При этом происходят непредсказуемые нагрев, удлинение, искривление и закручивание на некоторый угол - до 5÷20 град, упругой нити -подвески. Они проявляются в виде изменений осевых и угловых положений зеркала, обусловленных паразитными сдвигами и колебаниями внутри электропечи во время экспериментов подвески с закрепленными на ней зеркалом, тиглем и расплавом, по двум осям - вверх-вниз, вправо-влево, а также закручивания закрепленного на ней зеркала. В результате отраженный луч источника света может выйти за пределы как смотрового окна, так и измерительной базы - межцентрового расстояния в единицы мм оптически изолированных фотосенсоров фотоприемника. Это может вызвать срыв эксперимента. Смещение светового зайчика и появление углового сдвига из-за колебаний длины нити по нашим данным составляет минимально единицы процентов при температурах расплава t_пл≥1400°C, причем температура верхней части нити с закрепленным в этом месте зеркалом составляет сотни градусов и неравномерно распределена вдоль нити - см. пат. РФ №2408002.In the process of measuring the reflected beam path to calculate the attenuation decrement δ, viscosity ν and (or) electrical resistance ρ, the photodetector reflecting the attenuation parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended in an electric furnace on an elastic thread is not always provided. Ideally, the value of δ should be the same when it is determined by the deviation of the reflected light beam both to one side from the zero point of the scale and symmetrically to the other side. However, in the process of measurements, an unpredictable axial and angular displacement (asymmetry) of oscillations increases with the temperature of the experiment, i.e. time drift of the zero point up to the disappearance of the photodetector signals and the failure of the experiment. According to our long-term data, the zero offset of the photodetector scale and the appearance of an angular shift of 5–10 degrees are almost unpredictable and amount to a few percent. It is caused by numerous difficult to account for reasons, in particular, high and inhomogeneous temperature in the electric furnace, as well as its electromagnetic fields. In this case, unpredictable heating, elongation, curvature and twisting to a certain angle occur - up to 5–20 degrees, of an elastic thread-suspension. They manifest themselves in the form of changes in the axial and angular positions of the mirror due to parasitic shifts and oscillations inside the electric furnace during suspension experiments with a mirror, a crucible and a melt attached to it, along two axes - up-down, right-left, and also twisting fixed on it mirrors. As a result, the reflected beam of the light source can go beyond the limits of both the viewing window and the measuring base — the center-to-center distance in units of mm of optically isolated photosensors of the photodetector. This can cause the experiment to fail. According to our data, the displacement of the light bunny and the appearance of an angular shift due to fluctuations in the length of the thread is minimum units at melt temperatures t _pl ≥1400 ° C, and the temperature of the upper part of the thread with a mirror fixed in this place is hundreds of degrees and is unevenly distributed along the thread - see Pat. RF №2408002.

Известно устройство фотометрического измерения вязкости высокотемпературных расплавов, содержащее тигель с расплавом, стальную или нихромовую упругую проволочную нить - подвес, водоохлаждаемую электропечь с нейтральной атмосферой, зеркало, укрепленное на этой нити, источник света, фотоприемник, например в виде двухсторонней фотоизмерительной линейки с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик - см. С.И. Филиппов и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1968, с. 242-243, 254-255, рис. 107 - аналог.A device is known for measuring the viscosity of high-temperature melts photometrically, containing a crucible with a melt, a steel or nichrome elastic wire thread - a suspension, a water-cooled electric furnace with a neutral atmosphere, a mirror mounted on this thread, a light source, a photodetector, for example, in the form of a two-sided measuring line with zero in the middle, along which the light bunny reflected from the mirror oscillates - see S.I. Filippov et al. “Physical and chemical methods for the study of metallurgical processes”, M., Metallurgy, 1968, p. 242-243, 254-255, fig. 107 - analogue.

Известно фотометрическое устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов путем измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити, содержащее компьютер, управляющий измерительным комплексом с авторегулировкой амплитуды отраженного от зеркала светового луча в пределах его оптимального значения - см. пат. РФ №2349898 - аналог.A photometric device for non-contact viscosity measurement of high-temperature metal melts is known by measuring the attenuation parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread containing a computer that controls the measuring system with automatic adjustment of the amplitude of the light beam reflected from the mirror within its optimal value - see US Pat. RF №2349898 - analogue.

Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство коррекции положения фотоприемника в вискозиметре, содержащее зеркало, зафиксированное на закручиваемой упругой нити, на которой в электропечи подвешен тигель с расплавом, фотоприемник, фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, первый источник света, соединенное с компьютером первое исполнительное устройство, обладающее функцией линейного перемещения фотоприемника вдоль этой фотоизмерительной линейки - см. вышеуказанный пат. РФ №2408002.The prototype of the proposed utility model is a device for correcting the position of a photodetector in a viscometer, containing a mirror fixed on a twisted elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended in an electric furnace, a photodetector, a photo measuring ruler - a scale with zero in the middle, the first light source connected to the computer the first actuating device having the function of linear movement of the photodetector along this photo-measuring ruler - see the above Pat. RF №2408002.

Недостатком прототипа, как и вышеотмеченных аналогов, является нарастающий со временем уход светового пятна из околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника и появление углового сдвига, вызывающие изменение оптимального положения нулевой точки измерительной шкалы фотоприемника, и, в конечном итоге, уменьшение достоверности и точности определения амплитудно-временных параметров траектории отраженного светового луча, связанного с параметрами крутильных колебаний тигля с расплавом, вплоть до срыва эксперимента при измерении характеристик высокотемпературных расплавов.The disadvantage of the prototype, as well as the aforementioned analogues, is that the light spot gradually grows away from the near-zero, most linear region of the measuring scale of the photodetector and the appearance of an angular shift, causing a change in the optimal position of the zero point of the measuring scale of the photodetector, and, ultimately, a decrease in the reliability and accuracy of determination amplitude-time parameters of the trajectory of the reflected light beam associated with the parameters of torsional vibrations of the crucible with the melt, up to the failure of the experiment ment when measuring the characteristics of high temperature melts.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение нахождения светового пятна в околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника, устранение углового сдвига светового пятна и возможности срыва эксперимента, а в конечном итоге, обеспечение достоверности и точности измерения траектории отраженного от зеркала светового луча, используемой для определения параметров крутильных колебаний тигля с расплавом при измерении характеристик высокотемпературных расплавов.The technical task of the proposed utility model is to ensure that the light spot is in the near-zero, most linear region of the measuring scale of the photodetector, to eliminate the angular shift of the light spot and the possibility of failure of the experiment, and ultimately to ensure the reliability and accuracy of measuring the trajectory of the light beam reflected from the mirror, used to determine parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt when measuring the characteristics of high-temperature melts.

Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель устройства коррекции положения фотоприемника в вискозиметре.To solve this problem, a useful model of a device for correcting the position of a photodetector in a viscometer is proposed.

1. Устройство коррекции положения фотоприемника в вискозиметре, содержащее зеркало, зафиксированное на закручиваемой упругой нити, на которой в электропечи подвешен тигель с расплавом, фотоприемник, фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, первый источник света, соединенное с компьютером исполнительное устройство, обладающее функцией линейного перемещения фотоприемника вдоль этой фотоизмерительной линейки, отличающееся тем, что в него введен второй источник света, размещенный на фотоприемнике, и узел коррекции, обладающий функцией углового смещения фотоприемника по азимуту и углу места, фотоприемник и второй источник света расположены на узле коррекции, который расположен на исполнительном устройстве.1. A device for correcting the position of a photodetector in a viscometer, comprising a mirror fixed on a spinning elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended in an electric furnace, a photodetector, a measuring ruler - a scale with zero in the middle, the first light source, an actuator connected to a computer, which has a linear function moving the photodetector along this photo-measuring ruler, characterized in that a second light source placed on the photodetector and a correction unit having By the angular displacement function of the photodetector in azimuth and elevation, the photodetector and the second light source are located on the correction unit, which is located on the actuator.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй источник света выполнен в виде лазерной указки.2. The device according to p. 1, characterized in that the second light source is made in the form of a laser pointer.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел коррекции выполнен в виде шарового шарнира.3. The device according to claim 1, characterized in that the correction unit is made in the form of a ball joint.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:The proposed utility model is illustrated by drawings:

фиг. 1 Блок-схема устройства коррекции положения фотоприемника;FIG. 1 Block diagram of a device for correcting the position of a photodetector;

фиг. 2. Предельные отклонения оптических лучей в вертикальной плоскости при удлинении нити от нагрева.FIG. 2. Limit deviations of optical rays in a vertical plane when the filament is elongated from heating.

Предлагаемое устройство содержит: упругую проволочную нить-подвеску 1, на которой закреплено зеркало 2 и тигель с шихтой 3, расположенный в высокотемпературной зоне электропечи (на схеме не показано), смотровое окно 4 электропечи мощностью 20 кВА (на схеме не показано), второй источник света 5, фотоприемник 6, источник света 7, исполнительное устройство 8, узел коррекции 9.The proposed device contains: an elastic wire thread-pendant 1, on which a mirror 2 and a crucible with a charge 3 are mounted, located in a high-temperature zone of an electric furnace (not shown in the diagram), a viewing window 4 of an electric furnace with a power of 20 kVA (not shown in the diagram), a second source light 5, a photodetector 6, a light source 7, an actuator 8, a correction unit 9.

Предлагаемое устройство выполнено на следующих элементах: проволочная нить-подвеска 1 - нихромовая, длиной 650 мм диаметром несколько десятых долей мм, зеркало 2 площадью 1 см², тигель 3 изготовлен из бериллиевой керамики, круглое стеклянное смотровое окно 4 диаметром 2 см, второй источник света 5 - лазерная указка длиной 7 см и диаметром 1 см с красным светом и автономным питанием, фотоприемник 6 содержит два фотосенсора TSL250 фирмы TAOS - см. каталог ELFA - 55, 2007, р. 812, которые размещены в фотозащитных тубусах длиной 3 см и вплотную зафиксированы на межцентровом расстоянии (измерительной базе) L=6 мм симметрично относительно центра шкалы, источник света 7 - некогерентный сверхъяркий светодиод L7113SEC-H - см. каталог Kingbright, 2005-2006, исполнительное устройство 8 - полупрозрачная фотоизмерительная линейка длиной +/-30 см с нулем посередине, перемещаемая шаговым двигателем (на схеме не показано), узел коррекции 9 - шаровой шарнир, например, фотоштатив. Фотоприемник 6 и второй источник света 5, размещенный на фотоприемнике 6, расположены на узле коррекции 9, обладающем функцией углового смещения фотоприемника по азимуту и углу места, которое расположено на исполнительном устройстве 8. Расстояния 10 l₁ или 11 l₂ между смотровым окном 4 и фотоприемником 6 или источником света 7 равны 1,5 м. Из-за величины ненулевого межцентрового расстояния L между фотоприемником 6 и вторым источником света 5, равного единицам мм, и его отношения к l₁ или l₂, реальный ненулевой угол φ между оптической осью фотоприемника 6 и оптической осью второго источника света 5 выбирают в диапазоне (φ≈sinφ, т.е. φ≤5 градусов Измерительным комплексом управляет компьютер (на схеме не показано).The proposed device is arranged on the following elements: a wire strand-Arm 1 - Nichrome, length 650 mm, a diameter of several tenths of a mm, the mirror 2 area of 1 cm ^2, the crucible 3 is made of beryllium ceramics, round glass inspection window 4 of 2 cm diameter, the second light source 5 - laser pointer with a length of 7 cm and a diameter of 1 cm with red light and autonomous power supply, photodetector 6 contains two TAOS TSL250 photosensors - see ELFA catalog - 55, 2007, p. 812, which are placed in 3 cm photoprotective tubes and are closely fixed at the center distance (measuring base) L = 6 mm symmetrically to the center of the scale, light source 7 - incoherent super-bright LED L7113SEC-H - see Kingbright catalog, 2005-2006, executive device 8 - a translucent photo measuring ruler +/- 30 cm long with zero in the middle, moved by a stepper motor (not shown in the diagram), correction unit 9 - a ball joint, for example, a tripod. The photodetector 6 and the second light source 5, located on the photodetector 6, are located on the correction unit 9, which has a function of the angular displacement of the photodetector in azimuth and elevation, which is located on the actuator 8. Distances 10 l ₁ or 11 l ₂ between the viewing window 4 and photodetector 6 or light source 7 is equal to 1.5 m. Due to the magnitude of the non-zero center-to-center distance L between the photodetector 6 and the second light source 5, equal to units of mm, and its relation to l ₁ or l ₂ , the real non-zero angle φ between the optical axis photo detector 6 and the optical axis of the second light source 5 are selected in the range (φ≈sinφ, i.e., φ≤5 degrees. The computer controls the measuring complex (not shown in the diagram).

Используют вышеописанное устройство следующим образом. Исследователь в ходе эксперимента осуществляет периодический контроль положения светового луча 10 в околонулевой области фотоизмерительной линейки - шкалы исполнительного устройства 8. При типовом многочасовом (1÷10 часов) эксперименте у траектории отраженного сквозь смотровое окно 4 от зеркала 2 светового луча 10 появляется непредсказуемое осевое и угловое отклонение в горизонтальной и вертикальной плоскостях на углы β и α. Частично текущую компенсацию этого отклонения осуществляют посредством исполнительного устройства 8, при перемещении параллельно самому себе фотоприемника 6. Эту компенсацию осуществляют в случае смещения светового луча 10 на угол β, при котором луч 10 не выходит за пределы смотрового окна 4 и/или входных отверстий тубусов фотоприемника 6, диаметр которых составляет 5÷6 мм, т.е. пороговый угол β_пор.≤10°. При осевом и/или угловом смещении светового луча 10, обусловленного указанными выше причинами, на углы азимута и места (β, α) близкие к заданному пороговому уровню, равному например 0,5 (β_пор.), как из-за осевого смещения зеркала 2 в обеих плоскостях, так и его углового смещения, включают второй источник света 5 и наблюдают положение светового луча 10 в околонулевой области фотоизмерительной линейки - шкалы исполнительного устройства 8. Иллюстративный пример хода оптических лучей в вертикальной плоскости - по углу места α, при удлинении упругой проволочной нити-подвески 1 от нагрева, приведен на фиг. 2. Посредством регулировки узла коррекции 9, например, шарового шарнира, добиваются уменьшения углов азимута и места (β, α) ≤ β_пор. После уменьшения углов азимута и места (β, α) до заданных величин, например (β, α) ≤ 0,5 (β_пор.), выключают второй источник света 5, фиксируют положение узла коррекции 9 и продолжают эксперимент.Use the above device as follows. During the experiment, the researcher periodically monitors the position of the light beam 10 in the near-zero region of the photo measuring ruler — the scale of the actuator 8. For a typical many-hour (1 ÷ 10 hours) experiment, an unpredictable axial and angular appears along the path of the light beam 10 reflected through the viewing window 4 from mirror 2 deviation in the horizontal and vertical planes at angles β and α. Partially the current compensation of this deviation is carried out by means of an actuator 8, when the photodetector 6 is moved parallel to itself. This compensation is carried out if the light beam 10 is shifted by an angle β at which the beam 10 does not extend beyond the viewing window 4 and / or the inlet openings of the photodetector tubes 6, the diameter of which is 5 ÷ 6 mm, i.e. threshold angle β _then. ≤10 °. When the axial and / or angular displacement of the light beam 10, due to the above reasons, by the azimuth and elevation angles (β, α) is close to a predetermined threshold level equal to, for example, 0.5 (β _por. ), Due to the axial displacement of the mirror 2 in both planes, and its angular displacement, turn on the second light source 5 and observe the position of the light beam 10 in the near-zero region of the measuring line — the scale of the actuator 8. An illustrative example of the course of optical rays in the vertical plane — along the elevation angle α, with elastic elongation P ovolochnoy filament-heating of the suspension 1, is shown in FIG. 2. By adjusting the correction unit 9, for example, a ball joint, they reduce the azimuth and elevation angles (β, α) ≤ β _then . After decreasing the azimuth and elevation angles (β, α) to the specified values, for example (β, α) ≤ 0.5 (β _por. ), Turn off the second light source 5, fix the position of the correction unit 9 and continue the experiment.

Предложенная полезная модель обеспечивает технический результат - нахождение светового луча в околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника, устранение углового сдвига светового луча и срыва эксперимента, обеспечивает перпендикулярность угловой корректировки фотоприемника по двум осям, получение вследствие этого достоверной и точной информации о траектории светового луча для определения параметров крутильных колебаний тигля с расплавом, а в конечном итоге повышают достоверность и точность характеристик высокотемпературных расплавов.The proposed utility model provides a technical result - finding the light beam in the near-zero, most linear region of the measuring scale of the photodetector, eliminating the angular shift of the light beam and disrupting the experiment, ensures the perpendicularity of the angular correction of the photodetector along two axes, thereby obtaining reliable and accurate information about the trajectory of the light beam for determining the parameters of torsional vibrations of the crucible with the melt, and ultimately increase the reliability and accuracy of the characteristics a high melt.

Claims

1. A device for correcting the position of a photodetector in a viscometer, comprising a mirror fixed on a spinning elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended in an electric furnace, a photodetector, a measuring ruler - a scale with zero in the middle, the first light source, an actuator connected to a computer, which has a linear function moving the photodetector along this photo-measuring ruler, characterized in that a second light source placed on the photodetector and a correction unit having By the angular displacement function of the photodetector in azimuth and elevation, the photodetector and the second light source are located on the correction unit, which is located on the actuator.

2. The device according to p. 1, characterized in that the second light source is made in the form of a laser pointer.

3. The device according to claim 1, characterized in that the correction unit is made in the form of a ball joint.