RU2349898C1

RU2349898C1 - Contactless viscosity measuring method for high-temperature metal melt and related device (versions)

Info

Publication number: RU2349898C1
Application number: RU2007124450/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Цепелев (RU); Владимир Степанович Цепелев; Виктор Васильевич Конашков (RU); Виктор Васильевич Конашков; Владимир Викторович Вьюхин (RU); Владимир Викторович Вьюхин; Аркадий Моисеевич Поводатор (RU); Аркадий Моисеевич Поводатор
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-03-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: before trajectory parameters of mirrored light beam are recorded, synchronous detection is carried out with automatic amplitude control. Device presents synchronous detector and accommodates integrated photosensors. Light source is modulated. Besides, light source can be light-emitting diode cluster with pulses of optimal parameters.

EFFECT: reduced data loss, as well as higher measurement reliability and accuracy.

6 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, а именно к устройствам для определения, контроля и измерения физических параметров веществ, и предназначено для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, например стальных, нестационарным методом на основе затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения являются металлургические процессы.The present invention relates to technical physics, namely, devices for determining, controlling and measuring the physical parameters of substances, and is intended for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, for example steel, by a non-stationary method based on the damping of torsional vibrations of a cylindrical crucible with a melt. An additional area of application is metallurgical processes.

Измерение физико-химических параметров металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности определение вязкости высокотемпературных расплавов, в объеме нескольких см³, позволяет проводить прогностический анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками на промышленных предприятиях, в частности, политермы вязкости позволяют выделять характерные критические температурные точки и гистерезисные характеристики нагрева - охлаждения. Для высокотемпературных исследований металлических расплавов, у которых температура плавления 1400°С и более, лишь немногие способы измерения вязкости могут быть использованы на практике, в частности нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости путем регистрации параметров траектории отраженного от зеркала светового луча, а в конечном итоге - измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити - см. Г.В.Тягунов и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов, журн. «Заводская лаборатория», 1980, №10, с.919.Measurement of the physicochemical parameters of metallic liquids, melts and slags, in particular, the determination of the viscosity of high-temperature melts, in the amount of several cm ³ , allows for prognostic analysis of materials and recommendations for the production of alloys with desired characteristics in industrial enterprises, in particular, viscosity polytherms allow to isolate characteristic critical temperature points and hysteresis characteristics of heating - cooling. For high-temperature studies of metal melts with a melting point of 1400 ° C or more, only a few methods for measuring viscosity can be used in practice, in particular, a non-stationary non-contact photometric method for determining the kinematic viscosity by recording the trajectory parameters of the light beam reflected from the mirror, and ultimately - measurement of the damping parameters of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread - see G.V. Tyagunov et al. mathematical viscosity of metal melts, Zh. "Factory Laboratory", 1980, No. 10, p. 919.

Известно также устройство для осуществления вышеуказанного способа - вискозиметр Шенка и др., основными узлами которого являются: тигель с расплавом, подвешенный на упругой стальной нити - подвесе, печь с нейтральной атмосферой и молибденовым нагревателем, зеркало, укрепленное на вращающемся узле, лампа-осветитель, расположенная на некотором расстоянии от печи шкала в виде линейки, по которой движется отраженный от зеркала световой зайчик, электромагниты для закручивания и демпфирования нежелательных колебаний - см. С.И.Филиппов и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов, М., Металлургия, 1968, с.254-255, рис.107 - аналог.A device for implementing the above method is also known - a Shenk viscometer and others, the main nodes of which are: a crucible with a melt suspended on an elastic steel thread - a suspension, a furnace with a neutral atmosphere and a molybdenum heater, a mirror mounted on a rotating assembly, a lamp-illuminator, a scale located at some distance from the furnace in the form of a ruler along which a light bunny reflected from a mirror moves, electromagnets for twisting and damping unwanted vibrations - see S. I. Filippov et al. Phys. and chemical methods for the study of metallurgical processes, M., Metallurgy, 1968, p. 254-255, Fig. 107 - analogue.

Недостатками этих способа и устройства являются использование визуального контроля за движением светового зайчика по линейке (шкале), т.е. за динамикой колебаний и их затуханием, а также плохая помехозащищенность измерений от посторонних засветок и (или) задымления внутри печи, в том числе в области зеркала. Как следствие, трудоемкая, не всегда достоверная и объективная трактовка результатов, вынужденное прерывание экспериментов, а иногда невозможность их продолжения, и в конечном итоге, недостаточная достоверность и точность полученных данных.The disadvantages of this method and device are the use of visual control over the movement of the light bunny on a ruler (scale), i.e. due to the dynamics of vibrations and their attenuation, as well as poor noise immunity of measurements from extraneous light and (or) smoke inside the furnace, including in the mirror area. As a result, the time-consuming, not always reliable and objective interpretation of the results, the forced interruption of experiments, and sometimes the inability to continue them, and ultimately, the lack of reliability and accuracy of the data obtained.

Прототипом изобретения-способа является способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, основанный на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации параметров траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, и последующем измерении полученного сигнала, отражающего амплитудно-временные параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити - см. Л.Д.Сон и др. Установка для измерения вязкости, поверхностного натяжения и плотности высокотемпературных расплавов. - Труды Х Российской конференции: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов, т.2, с.47-50, Екатеринбург - Челябинск, 2001 г.The prototype of the invention-method is a method for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread on which a crucible with a melt is suspended, registration of parameters of the path of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement the received signal reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread - see L.D. He et al. The apparatus for measuring the viscosity, surface tension and high density melt. - Proceedings of the X Russian Conference: The structure and properties of metal and slag melts, vol. 2, p. 47-50, Yekaterinburg - Chelyabinsk, 2001

Прототипом изобретения - устройства является автоматизированная установка для осуществления способа - прототипа, содержащая устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, включающее цилиндрический тигель, подвешенный на закручиваемой упругой нити с закрепленным на ней зеркалом, светодиодный источник направляемого на зеркало света, компьютер и фотоприемное устройство - два фотодиода, соединенные с входом блока датчика колебаний, выход которого соединен с входом блока измерения временных интервалов засветки, выход которого соединен с главным компьютером, рассчитывающим декремент затухания колебаний - см. Л.Д.Сон и др. Установка для измерения вязкости, поверхностного натяжения и плотности высокотемпературных расплавов. - Труды Х Российской конференции: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов, т.2, с.47-50, Екатеринбург-Челябинск, 2001 г.The prototype of the invention - the device is an automated installation for implementing the method of the prototype, comprising a non-contact measuring device for viscosity of high-temperature metal melts, including a cylindrical crucible suspended on a twisted elastic filament with a mirror mounted on it, an LED light source directed to the mirror, a computer and a photodetector - two a photodiode connected to the input of the oscillation sensor unit, the output of which is connected to the input of the time and intervals of exposure, the output of which is connected to the host computer, which calculates the decrement of vibration damping - see L. D. Son et al. Installation for measuring viscosity, surface tension and density of high-temperature melts. - Proceedings of the X Russian Conference: Structure and Properties of Metallic and Slag Melts, vol. 2, p. 47-50, Yekaterinburg-Chelyabinsk, 2001

Недостатком указанных способа и устройства для его осуществления является наличие погрешностей измерений от: электромагнитных помех, в том числе - обусловленных работой и коммутацией узлов силовой сети экспериментальной установки, потребляемая мощность которой составляет десятки кВт; посторонних засветок фотоприемника осветительной сетью с основной частотой f=100 Гц и кратных ей гармоник (вплоть до 1 кГц при люминесцентном освещении), и естественным освещением, и особенно - непредсказуемого и практически неизбежного в экспериментах задымления различной интенсивности, т.е. образования непрозрачных взвесей, аэрозолей, паров внутри печи, в том числе - в области зеркала, вследствие испарения абсорбированных газов, термоугара компонентов расплава и их испарения и проч. Необходимо отметить, что молибденовый нагреватель и защитные экраны также окисляются с образованием окисла МоО, который интенсивно испаряется при температурах выше 900°С. Иногда приходится прерывать или вообще отменять эксперимент, длительность которого, например, при исследовании расплава титана, всего около 10 минут, за это время удается замерить всего 2…5 точек. В ряде экспериментов длительность составляет 0,5…2 часа, причем эксперимент неоднократно прерывается на 7-10 минут из-за откачки задымления. Например, ход эксперимента со сплавом Со - 94%, В - 4%, Si - 2% (проведен 15.07.2003) был нижеследующий: за 20 мин после начала прогрева шихты до t°=1290°С выполнено 6 измерений, на 31 мин появилось сильное задымление в виде тумана, после чего была выполнена 3-кратная откачка и 3-кратный запуск в установку гелия, после этого на 38 мин возобновились измерения и были выполнены 9 циклов по 20 замеров (от t°=1310°С до 1550°С через 30°С) при общем времени эксперимента 6 час 07 мин. В другом случае, при работе с кобальтом (опыт проведен 10.01.2006) с 15 по 24 мин опыта (t°=1510°С) выполнено 12 замеров, после чего появилось задымление, еще через 2 мин удалось, с интервалом в 2 мин, с трудом выполнить еще 3 замера, после чего туман окончательно прервал световой сигнал, и только после откачки задымления, через 20 мин, с трудом удалось провести еще 9 замеров декремента затухания данного расплава с интервалом около 1,5 мин. Эксперимент занял 1 час 10 мин, из которых собственно измерение удалось провести лишь для половины этого времени. При времени измерения одной точки политермы около 1 мин и усреднения результатов каждой точки по нескольким (2…10 замеров) измерениям очевидна потеря данных, а в конечном итоге, результаты эксперимента недостаточно достоверны и точны.The disadvantage of these methods and devices for its implementation is the presence of measurement errors from: electromagnetic interference, including due to the operation and switching of the nodes of the power network of the experimental setup, the power consumption of which is tens of kW; extraneous illumination of the photodetector by a lighting network with a fundamental frequency of f = 100 Hz and its multiple harmonics (up to 1 kHz under fluorescent lighting), and natural lighting, and especially unpredictable and almost inevitable in experiments, smoke of various intensities, i.e. the formation of opaque suspensions, aerosols, and vapors inside the furnace, including in the mirror region, due to the evaporation of absorbed gases, the thermo-burn of the melt components and their evaporation, etc. It should be noted that the molybdenum heater and protective shields also oxidize with the formation of MoO oxide, which intensively evaporates at temperatures above 900 ° C. Sometimes it is necessary to interrupt or even cancel the experiment, the duration of which, for example, when studying the titanium melt, is only about 10 minutes, during this time it is possible to measure only 2 ... 5 points. In some experiments, the duration is 0.5 ... 2 hours, and the experiment is repeatedly interrupted for 7-10 minutes due to smoke pumping out. For example, the experiment with the Co alloy — 94%, B — 4%, Si — 2% (performed July 15, 2003) was as follows: 6 measurements were carried out 20 minutes after the heating of the charge to t ° = 1290 ° C, for 31 min a strong smoke appeared in the form of fog, after which a 3-fold pumping out and a 3-fold start-up in a helium plant was carried out, after which measurements were resumed for 38 minutes and 9 cycles of 20 measurements were performed (from t ° = 1310 ° С to 1550 ° C through 30 ° C) with a total experiment time of 6 hours 07 minutes. In another case, when working with cobalt (the experiment was performed on January 10, 2006) from 15 to 24 min of the experiment (t ° = 1510 ° С), 12 measurements were made, after which smoke appeared, another 2 minutes later, with an interval of 2 minutes, it was difficult to perform another 3 measurements, after which the fog finally interrupted the light signal, and only after pumping out the smoke, after 20 minutes, it was difficult to carry out another 9 measurements of the damping decrement of this melt with an interval of about 1.5 minutes. The experiment took 1 hour 10 minutes, of which the measurement itself was only possible for half of this time. At a time of measuring one point of the polytherm for about 1 min and averaging the results of each point over several (2 ... 10 measurements) measurements, data loss is obvious, and ultimately, the experimental results are not reliable and accurate.

Задачей предлагаемой группы изобретений является увеличение помехозащищенности процесса измерений при электромагнитных помехах, посторонних засветках и (или) задымлении внутри печи.The objective of the proposed group of inventions is to increase the noise immunity of the measurement process with electromagnetic interference, extraneous light and (or) smoke inside the furnace.

Для решения поставленной задачи предлагаются способы и устройства для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов (варианты).To solve this problem, methods and devices for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts are proposed (options).

В способе бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов по первому варианту, основанном на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации параметров траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, и последующем измерении полученного сигнала, отражающего амплитудно-временные параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити, предлагается перед регистрацией параметров траектории отраженного от зеркала светового луча осуществлять синхронное детектирование сигнала амплитудно-временных параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом.In the method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts according to the first embodiment, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic filament, on which a crucible with a melt is suspended, registration of parameters of the path of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the obtained A signal reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread is proposed before the register Using the parameters of the trajectory of the light ray reflected from the mirror, synchronously detect the signal of the amplitude-time attenuation parameters of the torsional vibrations of the crucible with the melt.

В способе бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов по второму варианту, основанном на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации параметров траектории светового луча, отраженного от этого зеркала, и последующем измерении полученного сигнала, отражающего амплитудно-временные параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити, предлагается осуществлять автоматическую регулировку амплитуды направляемого на зеркало источником света светового луча для поддержания амплитудного параметра отраженного от зеркала светового луча в пределах его оптимального значения.In the method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts according to the second embodiment, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended, registration of parameters of the path of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the obtained a signal reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread, it is proposed to carry out automatic adjustment of the amplitude of the mirror directed at the source of the light beam to maintain the amplitude setting of the mirror reflected light beam within its optimum value.

По первому варианту устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, включающее цилиндрический тигель, подвешенный на закручиваемой упругой нити с закрепленным на ней зеркалом, источник направляемого на зеркало света, фотоприемное устройство и компьютер, отличается тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде синхронного детектора и содержит, по меньшей мере, один интегральный фотосенсор, по меньшей мере, два буфера, схему «И», причем вход одного буфера соединен с источником света, его выход соединен с одним из входов схемы «И» и одновременно - с дополнительным входом или шиной питания интегрального фотосенсора, другой вход схемы «И» соединен с выходом интегрального фотосенсора через другой буфер, выход схемы «И» является выходом фотоприемного устройства и соединен с компьютером.According to the first embodiment, the device for non-contact viscosity measurement of high-temperature metal melts, including a cylindrical crucible suspended on a twisted elastic thread with a mirror fixed to it, a source of light directed to the mirror, a photodetector and a computer, characterized in that the photodetector is made in the form of a synchronous detector and contains at least one integrated photosensor, at least two buffers, an “I” circuit, the input of one buffer being connected to a light source; One is connected to one of the inputs of the "I" circuit and simultaneously with an additional input or power bus of the integrated photosensor, the other input of the "I" circuit is connected to the output of the integrated photosensor through another buffer, the output of the "I" circuit is the output of the photodetector and connected to the computer .

Кроме того, в устройстве по первому варианту источник света выполнен в виде модулированного источника, например, импульсно-модулированного светодиодного кластера, состоящего, по меньшей мере, из одного светодиода.In addition, in the device according to the first embodiment, the light source is made in the form of a modulated source, for example, a pulse-modulated LED cluster, consisting of at least one LED.

Кроме того, в устройстве по первому варианту в качестве источника света используется светодиодный кластер, импульсы которого имеют следующие параметры: частота импульсов в 2…20 раз больше величины, обратной времени прохождения светового импульса через интегральный фотосенсор, оптимально - в 10 раз, и составляет 2…20 кГц, оптимально - 10 кГц, длительность фронтов импульсов составляет менее 0,1% времени прохождения светового импульса через интегральный фотосенсор и равны, максимально, 10 мкс, а скважность импульсов составляет 1,5…25.In addition, in the device according to the first embodiment, an LED cluster is used as a light source, the pulses of which have the following parameters: the pulse frequency is 2 ... 20 times greater than the reciprocal of the light pulse passing through the integrated photosensor, optimally - 10 times, and is 2 ... 20 kHz, optimally - 10 kHz, the duration of the fronts of the pulses is less than 0.1% of the time the light pulse passes through the integrated photosensor and are equal to a maximum of 10 μs, and the duty cycle of the pulses is 1.5 ... 25.

По второму варианту устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, включающее цилиндрический тигель, подвешенный на закручиваемой упругой нити с закрепленным на ней зеркалом, источник направляемого на зеркало света, фотоприемное устройство и компьютер, отличается тем, что содержит тумблер, источник света, выполненный в виде светодиодного кластера, состоящего, по меньшей мере, из двух светодиодов, фотоприемное устройство содержит последовательно соединенные, по меньшей мере, один интегральный фотосенсор, интегратор, компаратор, реле, причем коммутируемые контакты реле включены между одноименными выводами светодиодов и шунтированы тумблером, выход интегрального фотосенсора соединен с компьютером.According to the second embodiment, the device for non-contact viscosity measurement of high-temperature metal melts, including a cylindrical crucible suspended on a spinning elastic thread with a mirror fixed on it, a source of light directed to the mirror, a photodetector and a computer, characterized in that it contains a toggle switch, a light source, made in the form LED cluster, consisting of at least two LEDs, the photodetector contains at least one integral connected in series the second photosensor, integrator, comparator, relay, moreover, the switched relay contacts are connected between the LED outputs of the same name and are shunted by the toggle switch, the output of the integrated photosensor is connected to the computer.

Кроме того, в устройстве по второму варианту источник света выполнен в виде модулированного источника, например, амплитудно-модулированного светодиодного кластера, состоящего, по меньшей мере, из одного светодиода.In addition, in the device according to the second embodiment, the light source is made in the form of a modulated source, for example, an amplitude-modulated LED cluster, consisting of at least one LED.

Отличительные признаки предложенных технических решений - способа и устройства - обеспечивают продление эксперимента путем увеличения помехозащищенности процесса измерений при электромагнитных помехах, посторонних засветках и (или) задымлении внутри печи, получение дополнительных результатов и более достоверной информации, а в конечном итоге - повышение достоверности и точности измерения вязкости металлических расплавов.Distinctive features of the proposed technical solutions - the method and the device - ensure the extension of the experiment by increasing the noise immunity of the measurement process during electromagnetic interference, extraneous light and (or) smoke inside the furnace, obtaining additional results and more reliable information, and ultimately increasing the reliability and accuracy of the measurement viscosity of metal melts.

Предложенные технические решения, содержащие вышеуказанные совокупности отличительных признаков, а также совокупности ограничительных и отличительных признаков, не выявлены в известном уровне техники, что, при достижении вышеописанного технического результата, позволяет считать предложенные технические решения имеющими изобретательский уровень. Эти технические решения составляют группу изобретений-вариантов, обеспечивающих один и тот же технический результат - повышение достоверности и точности измерения вязкости металлических расплавов.The proposed technical solutions containing the above sets of distinctive features, as well as a set of restrictive and distinctive features, are not identified in the prior art, which, when the above technical result is achieved, allows us to consider the proposed technical solutions as inventive. These technical solutions make up a group of inventions that provide the same technical result - increasing the reliability and accuracy of measuring the viscosity of metal melts.

Группа изобретений поясняется чертежами: схема высокотемпературного вискозиметрического модуля, используемого в обоих вариантах устройства бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, приведена на фиг.1, схема первого варианта устройства бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов приведена на фиг.2, схема второго варианта устройства приведена на фиг.3, схема варианта оптического фокусирующего узла со щелевой маской для одиночного фотосенсора приведена на фиг.4.The group of inventions is illustrated by the drawings: a diagram of a high-temperature viscometer module used in both versions of a non-contact device for measuring the viscosity of high-temperature metal melts is shown in Fig. 1, a diagram of a first embodiment of a device for non-contact measuring the viscosity of high-temperature metal melts is shown in Fig. 2, a diagram of a second embodiment of the device is shown in figure 3, a diagram of a variant of the optical focusing site with a slit mask for a single photosensor is shown in figure 4.

Устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов по первому варианту содержит тигель 1 с расплавом, помещенный в центр высокотемпературной зоны печи 2 с молибденовым цилиндрическим электронагревателем 3 и подвешенный на упругой нити 4, блок поворота подвесной системы на заданный угол для запуска крутильных колебаний 5, зеркало 6, источник света 7, компьютер 8, фотоприемное устройство 9, выполненное в виде синхронного детектора, содержащее фотосенсоры 10, буферы 11, 12, 13, схему «И» 14.The non-contact device for measuring the viscosity of high-temperature metal melts according to the first embodiment contains a crucible 1 with a melt placed in the center of the high-temperature zone of the furnace 2 with a molybdenum cylindrical electric heater 3 and suspended on an elastic thread 4, a block of rotation of the suspension system at a given angle to start torsional vibrations 5, mirror 6 , a light source 7, a computer 8, a photodetector 9, made in the form of a synchronous detector containing photosensors 10, buffers 11, 12, 13, the circuit "And" 14.

Устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов по второму варианту содержит тигель 1 с расплавом, помещенный в центр высокотемпературной зоны печи 2 с молибденовым цилиндрическим электронагревателем 3 и подвешенный на упругой нити 4, блок поворота подвесной системы на заданный угол для запуска крутильных колебаний 5, зеркало 6, источник света 7, компьютер 8, фотоприемное устройство 9, фотосенсор 10, светодиодный кластер 15, 16, коммутирующий контакт 17, выключатель 18, интегратор 19, компаратор с гистерезисом 20, реле 21, управляющее контактом 17, систему фокусировки 22, непрозрачную щелевую маску 23.The non-contact device for measuring the viscosity of high-temperature metal melts according to the second embodiment comprises a crucible 1 with a melt placed in the center of the high-temperature zone of the furnace 2 with a molybdenum cylindrical electric heater 3 and suspended on an elastic thread 4, a block of rotation of the suspension system at a given angle to start torsional vibrations 5, mirror 6 , light source 7, computer 8, photodetector 9, photosensor 10, LED cluster 15, 16, switching contact 17, switch 18, integrator 19, comparator with hysteresis ISOM 20, relay 21, which controls pin 17, focusing system 22, opaque slit mask 23.

Устройство по первому варианту выполнено на следующих элементах: тигель 1 изготовлен из высокотемпературной керамики, молибденовый цилиндрический электронагреватель 3 выгнут из листа толщиной в десятые доли мм, упругая нить 4 - нихромовая, диаметром несколько десятых долей мм, кластерный источник света 7 - сверхъяркий светодиод L7113SEC-H фирмы Kingbright - см. каталог Kingbright, 2005-2006, фотоприемное устройство 9 содержит: интегральные микросхемы - фотосенсоры 10 типа TSL250 фирмы TAOS (или их аналоги ОРТ 101, S4810 других фирм) - см. каталог ELFA - 55, 2007, р.812, расположенные на фиксированном расстоянии, например +/- 20…100 мм симметрично относительно центра в положении равновесия, т.е. двусторонней шкалы, буферы 11, 12, 13 - КМОП ИС типа CD4041A, элемент «И» - КМОП ИС типа К1561ЛИ2.The device according to the first embodiment is made on the following elements: crucible 1 is made of high-temperature ceramics, a molybdenum cylindrical electric heater 3 is curved from a sheet a few tenths of a mm thick, an elastic thread 4 is nichrome, a few tenths of a millimeter in diameter, a cluster light source 7 is an ultra-bright L7113SEC- LED H of Kingbright company - see the Kingbright catalog, 2005-2006, photodetector 9 contains: integrated circuits - photosensors 10 of the TSOS type TSL250 from TAOS (or their analogues ORT 101, S4810 of other companies) - see the ELFA catalog - 55, 2007, p. 812 located at a fixed distance, for example +/- 20 ... 100 mm symmetrically with respect to the center in the equilibrium position, i.e. double-sided scale, buffers 11, 12, 13 - CMOS IC type CD4041A, element "I" - CMOS IC type K1561LI2.

Устройство по второму варианту выполнено на следующих элементах: тигель 1 изготовлен из высокотемпературной керамики, молибденовый цилиндрический электронагреватель 3 выгнут из листа толщиной в десятые доли мм, упругая нить 4 - нихромовая, диаметром несколько десятых долей мм, кластерный источник света 7 - сверхъяркие светодиоды L7113SEC-H фирмы Kingbright - см. каталог Kingbright, 2005-2006, фотоприемное устройство 9 содержит: интегральные микросхемы - фотосенсоры 10 типа TSL250 фирмы TAOS (или их аналоги ОРТ 101, S4810 других фирм) - см. каталог ELFA - 55, 2007, р.812, расположенные на фиксированном расстоянии +/- 20…100 мм друг от друга симметрично относительно центра в положении равновесия, т.е. двусторонней шкалы, либо один фотосенсор 10 указанного типа, перед которым установлена система оптической фокусировки 22 в виде полуцилиндрической линзы и тонкая непрозрачная, например, металлическая, щелевая маска 23, содержащая, по меньшей мере, две параллельные щели шириной 1 мм с расстоянием между ними 5…10 мм, типовой RC - интегратор 19 и типовой гистерезисный компаратор 20 - на базе ОУ типа LM 324, реле 21 с замыкающим контактом 17 - электромагнитное РЭС 55, управляемое транзистором 2N2222, либо твердотельное с МОП-ключом, выключатель 18 - тумблер ТВ 2.The device according to the second embodiment is made on the following elements: crucible 1 is made of high-temperature ceramics, a molybdenum cylindrical electric heater 3 is curved from a sheet a tenth of a mm thick, an elastic filament 4 is nichrome, a few tenths of a millimeter in diameter, a cluster light source 7 is an ultra-bright L7113SEC- H of Kingbright company - see the Kingbright catalog, 2005-2006, photodetector 9 contains: integrated circuits - photosensors 10 of the TSOS type TSL250 from TAOS (or their analogues ORT 101, S4810 of other companies) - see the ELFA catalog - 55, 2007, p. 812 located e at a fixed distance +/- 20 ... 100 mm from each other symmetrically with respect to the center in the equilibrium position, i.e. double-sided scale, or one photosensor 10 of the indicated type, in front of which an optical focusing system 22 is installed in the form of a semi-cylindrical lens and a thin opaque, for example, metal, slit mask 23 containing at least two parallel slits 1 mm wide with a distance between them of 5 ... 10 mm, typical RC - integrator 19 and typical hysteresis comparator 20 - based on the LM 324 op-amp, relay 21 with make contact 17 - electromagnetic RES 55, controlled by transistor 2N2222, or solid state with MOS key, switch 18 - TV 2 toggle switch .

Устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов по первому варианту, приведенное на фиг.1 и фиг.2, работает следующим образом.The non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts in the first embodiment, shown in figure 1 and figure 2, works as follows.

Тигель 1 с шихтой, подвешенный на упругой нити 4, помещается в центр высокотемпературной зоны печи 2, нагревается цилиндрическим электронагревателем 3 до требуемой температуры, после чего блоком поворота подвесной системы 5 создаются затухающие крутильные колебания. Траектория этих колебаний отслеживается с помощью зеркала 6, зафиксированного на упругой нити 4 подвесной системы с тиглем 1, при этом световой луч от источника света 7, отражаясь от зеркала 6, воспроизводит кривую затухающих крутильных колебаний. В момент времени t₁ отраженный луч попадает на один из фотосенсоров 10 фотоприемного устройства 9 или на одну из щелей непрозрачной щелевой маски 23, на выходе фотоприемного устройства 9 появляется соответствующий сигнал U₁, который через выходную шину фотоприемного устройства 9 вводится в компьютер 8 и является стартовым для выполнения программы вычисления параметров логарифмического декремента затухания (по известным формулам. Через некоторое время (десятки - сотни мс - единицы с) в момент t₂ отраженный от зеркала 6 световой луч засвечивает другой фотосенсор 10 (или другую щель маски 23), на выходе фотоприемного устройства 9 появляется соответствующий сигнал U₂, попадает в компьютер 8 через согласующее устройство (на схеме не показано) в виде ключевого транзистора, подключенного к LPT - порту компьютера, после чего времена t_i соответствующих сигналов U_i используются для расчетов искомого декремента затухания (по преобразованной формуле - см. - см. С.И.Филиппов и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов, М., Металлургия, 1968, с.243, формула XVI-33:The crucible 1 with the charge, suspended on an elastic thread 4, is placed in the center of the high-temperature zone of the furnace 2, is heated by a cylindrical electric heater 3 to the required temperature, after which damping torsional vibrations are created by the rotation unit of the suspension system 5. The trajectory of these vibrations is monitored using a mirror 6 fixed on the elastic thread 4 of the suspension system with the crucible 1, while the light beam from the light source 7, reflected from the mirror 6, reproduces the curve of damped torsional vibrations. At time t _{1, the} reflected beam enters one of the photosensors 10 of the photodetector 9 or one of the slots of the opaque slit mask 23, the corresponding signal U ₁ appears at the output of the photodetector 9, which is input to the computer 8 through the output bus of the photodetector 9 and is starting for the program for calculating the parameters of the logarithmic attenuation decrement (according to well-known formulas. After some time (tens - hundreds of ms - units s) at time t _{2 the} light beam reflected from mirror 6 illuminates another photosensor 10 (or another slit of the mask 23), the corresponding signal U ₂ appears at the output of the photodetector 9, enters the computer 8 through a matching device (not shown in the diagram) in the form of a key transistor connected to the computer’s LPT port, after which time t _{i of the} corresponding signals U _i are used to calculate the desired attenuation decrement (according to the transformed formula - see - see S.I. Filippov et al. Physical and chemical methods for studying metallurgical processes, M., Metallurgy, 1968, p. 243, formula XVI-33:

δ=1/Nln(A_o/A_n)=1/Nln(V_o/V_n)=1/Nln(t_n/t_o)δ = 1 / Nln (A _o / A _n ) = 1 / Nln (V _o / V _n ) = 1 / Nln (t _n / t _o )

где N - номер колебания;where N is the number of oscillations;

A_о, A_n - начальная и конечная амплитуды колебаний;A _about , A _n - the initial and final amplitudes of oscillations;

V_o, V_n - начальная и конечная скорости прохождения светового луча между фотодатчиками;V _o , V _n - the initial and final velocity of the light beam between the photosensors;

t_n, t_o - начальное и конечное времена прохождения светового луча между фотодатчиками.t _n , t _o - the initial and final times of passage of the light beam between the photosensors.

Электропитание источника света 7 может быть как от постоянного, так и переменного напряжения, причем в случае импульсного источника электропитания его напряжение Е_п может также служить опорным сигналом U_оп. Светодиодный источник света 7 имеет клемму 24 для вывода от него сигнала, пропорционального току i_d, протекающему через светодиоды и являющегося опорным U_оп для процесса синхронного детектирования - коммутации в фотоприемном устройстве 9. Через буфер 13 U_оп подается на фотосенсоры 10 - на отдельные выводы (например, у фотосенсора ОРТ 101), либо на их шину питания, при этом они работают лишь в момент прохождения опорного сигнала U_сп. Выходные сигналы фотосенсоров 10 - U₁ и U₂, соответствующие моментам прохождения светового луча через фотосенсоры 10-t₁ и t₂, в этом случае представляют собой импульсные пакеты, длительностью t₁ и t₂, например, по 1 мс, заполненные прямоугольными импульсами с частотой f_оп опорного напряжения, например, 10 кГц. Диапазон параметров импульсов опорного напряжения U_оп: частота импульсов f_оп в 2…20 раз больше величины, обратной времени прохождения t₁ и t₂ светового импульса через интегральный фотосенсор 10, оптимально - в 10 раз, и составляет 2…20 кГц, оптимально - 10 кГц, длительность фронтов 1_фр импульсов составляет менее 0,1% времени прохождения светового импульса через интегральный фотосенсор 10 - t₁ и t₂ и равны, максимально, 10 мкс, а скважность импульсов Q составляет 1,5…25. Сигналы U₁ и U₂ через буферы 11 и 12 подаются на схему «И» 14, которая пропускает на компьютер 8 пакеты отфильтрованных от помех сигналов - U₁ и U₂, синхронных и синфазных с опорным сигналом U_оп, фактически - с током светодиодного источника света 7 - i_d и его световым потоком, после чего компьютер 8 производит расчет параметров декремента затухания. Такое построение схемы устройства оптимально для уменьшения влияния электромагнитных помех и (или) посторонних засветок.The power supply of the light source 7 can be either from a constant or an alternating voltage, and in the case of a pulsed power supply, its voltage E _p can also serve as a reference signal U _op . The LED light source 7 has a terminal 24 for outputting from it a signal proportional to the current i _d flowing through the LEDs and being the reference U _op for the synchronous detection - switching process in the photodetector 9. Through the buffer 13 U _op is supplied to the photosensors 10 - to individual outputs (for example, the photosensor ORT 101), or on their power bus, while they work only at the moment of passage of the reference signal U _sp . The output signals of the photosensors 10 - U ₁ and U ₂ corresponding to the moments of passage of the light beam through the photosensors 10-t ₁ and t ₂ , in this case are pulse packets of duration t ₁ and t ₂ , for example, 1 ms each, filled with rectangular pulses with a frequency f _op of the reference voltage, for example 10 kHz. The range of parameters of the pulses of the reference voltage U _op : the pulse frequency f _op is 2 ... 20 times greater than the reciprocal of the travel time t ₁ and t _{2 of the} light pulse through the integrated photosensor 10, optimally - 10 times, and is 2 ... 20 kHz, optimally - 10 kHz, the duration of the fronts of 1 _fp pulses is less than 0.1% of the time the light pulse passes through the integrated photosensor 10 - t ₁ and t ₂ and are equal to a maximum of 10 μs, and the duty cycle of pulses Q is 1.5 ... 25. The signals U ₁ and U ₂ through the buffers 11 and 12 are fed to the circuit "And" 14, which passes to the computer 8 packets of signals filtered out from interference - U ₁ and U ₂ , synchronous and common mode with the reference signal U _op , in fact - with the LED current the light source 7 - i _d and its luminous flux, after which the computer 8 calculates the parameters of the attenuation decrement. Such a construction of the device circuit is optimal to reduce the influence of electromagnetic interference and (or) extraneous illumination.

Приведенная на фиг.1 и фиг.3 схема второго варианта устройства работает аналогично приведенному и описанному выше на фиг.2 первому варианту устройства. Кроме того, источник света 7 представляет собой кластер светодиодов 15, 16, число которых может коммутироваться в процессе работы как вручную, с помощью тумблера 18, так и автоматически, посредством реле 21, имеющим коммутирующие контакты 17, подключенных параллельно тумблеру 18. Это позволяет осуществить амплитудную модуляцию светового луча изменением интенсивности источника света 7. Известно, что сила света, в первом приближении, пропорциональна среднему току светодиода - i_d. Поэтому, увеличив, например, на порядок количество включенных светодиодов 16 в кластерном источнике света 7 дополнительно к светодиоду 15, получаем, при прочих равных условиях, 2-3 кратное увеличение амплитуды выходных сигналов фотосенсора 10 - U₁ и U₂, что позволяет продлить эксперимент в случаях задымлении. Электропитание источника света 7 при этом может осуществляться как постоянным, так и переменным напряжением Е_п, в частности импульсным.The diagram of the second embodiment of the device shown in FIG. 1 and FIG. 3 works similarly to the first embodiment of the device described above and described in FIG. In addition, the light source 7 is a cluster of LEDs 15, 16, the number of which can be switched during operation either manually, using the toggle switch 18, or automatically, by means of a relay 21 having switching contacts 17 connected in parallel with the toggle switch 18. This allows amplitude modulation of the light beam by changing the intensity of the light source 7. It is known that the light intensity, in a first approximation, is proportional to the average current of the LED - i _d . Therefore, increasing, for example, the number of LEDs 16 in the cluster light source 7, in addition to LED 15, by an order of magnitude, we obtain, all other things being equal, a 2-3-fold increase in the amplitude of the output signals of the photosensor 10 - U ₁ and U ₂ , which allows us to extend the experiment in cases of smoke. The power supply of the light source 7 can be carried out both with constant and alternating voltage E _p , in particular pulsed.

Процедура автоматического включения - выключения дополнительных светодиодов 16 в источнике света 7 и, в конечном итоге, оптимизации светового потока на фотосенсорах 10 позволяет осуществлять определение выхода амплитудного параметра отраженного от зеркала 6 светового луча за нижнюю границу его оптимального значения и осуществлять соответствующее увеличение амплитуды светового луча, направляемого на зеркало 6, до возврата амплитудного параметра отраженного от зеркала 6 светового луча в пределы его оптимального значения и состоит в нижеследующем. До тех пор пока уровень сигналов на выходе фотосенсора 10 - U₁ и U₂ оптимален - достаточен, но не избыточен, т.е. не искажен из-за перегрузки - вплоть до блокирования сигнала фотосенсоров 10, и компьютер 8 без сбоев выполняет программу вычисления декремента затухания δ - включен один светодиод 15. Сигналы U₁ и U₂ одновременно поступают на вход интегратора 19, сигнал с его выхода поступает на гистерезисный компаратор 20, который управляет реле 21. Постоянная времени интегратора 19 - t_инт подбирается опытным путем и для условий задымления составляет 2…5 с - примерно, на порядок больше разницы между t₁ и t₂. Когда задымление достигло уровня, препятствующего прохождению светового луча, сигналы U₁ и U₂ исчезли, интегратор 19 через 2…5 с изменил напряжение на одном из входов компаратора 20, которое в рабочем режиме, пока сигналы U₁ и U₂ не равны нулю, было почти равно подобранному опытным путем опорному напряжению компаратора 20 - U_{оп-комп.}, подаваемому на другой его вход с резистивного делителя, включенного между шинами питания (на схеме не показано). В результате компаратор 20 изменил свое состояние, сигнал с его выхода включил реле 21, которое замкнуло контакты 17 и подключило светодиоды 16, оптимизируя световой поток от источника света 7 к фотосенсору 10 через зеркало 6. Процедура, выполняемая компаратором 20 и интегратором 19, может быть реализована программно компьютером 8, тогда управляющий сигнал от него U_управл аналогичен сигналу компаратора 20 и также подводится ко входу реле 21. В случае отсутствия сигналов U₁ и U₂ после коммутации светодиодов 16, т.е. невозможности оптимизации светового потока, принимается решение о прекращении эксперимента или перерыве для откачки задымления. Такое построение схемы устройства оптимально при задымлении зеркала 6. Получение даже одной добавочной экспериментальной точки, иногда всего при 2…5 полученных до этого, как отмечено выше для экспериментов с титаном или при высокотемпературных исследованиях расплавов с особыми свойствами, в частности, дающих большой угар - с бором, магнием, фосфором, кремнием, повышает достоверность и точность результатов экспериментов.The procedure for automatically turning on and off the additional LEDs 16 in the light source 7 and, ultimately, optimizing the light flux on the photosensors 10 makes it possible to determine the output of the amplitude parameter of the light beam reflected from the mirror 6 beyond the lower boundary of its optimal value and to carry out a corresponding increase in the amplitude of the light beam, sent to the mirror 6, until the amplitude parameter of the light beam reflected from the mirror 6 returns to the limits of its optimal value and consists in the following next. As long as the signal level at the output of the photosensor 10 - U ₁ and U ₂ is optimal - sufficient, but not excessive, i.e. not distorted due to overload - up to blocking the signal of the photosensors 10, and computer 8 without fail executes the program for calculating the damping decrement δ - one LED 15 is on. Signals U ₁ and U _{2 are} simultaneously input to the integrator 19, the signal from its output goes to the hysteresis comparator 20, which controls the relay 21. The integrator time constant 19 - t _{int is} selected empirically and for smoke conditions is 2 ... 5 s - approximately an order of magnitude greater than the difference between t ₁ and t ₂ . When the smoke reached a level that prevents the passage of the light beam, the signals U ₁ and U ₂ disappeared, the integrator 19 after 2 ... 5 s changed the voltage at one of the inputs of the comparator 20, which in the operating mode, while the signals U ₁ and U _{2 are} not equal to zero, was almost equal to the empirically selected reference voltage of the comparator 20 - U _op-comp. supplied to its other input from a resistive divider connected between the power buses (not shown in the diagram). As a result, the comparator 20 changed its state, the signal from its output turned on the relay 21, which closed the contacts 17 and connected the LEDs 16, optimizing the luminous flux from the light source 7 to the photosensor 10 through the mirror 6. The procedure performed by the comparator 20 and the integrator 19 can be implemented by software by computer 8, then the control signal from it U _{control is} similar to the signal of comparator 20 and is also fed to the input of relay 21. In the absence of signals U ₁ and U ₂ after switching LEDs 16, i.e. the impossibility of optimizing the light flux, a decision is made to terminate the experiment or a break for pumping smoke. Such a construction of the device diagram is optimal when the mirror is smoked 6. Obtaining even one additional experimental point, sometimes only when 2 ... 5 are obtained before, as noted above for experiments with titanium or in high-temperature studies of melts with special properties, in particular, that give high fumes - with boron, magnesium, phosphorus, silicon, increases the reliability and accuracy of experimental results.

Для оценки возможности продления эксперимента был проведен 26.05.2007 г. опыт с чистым кобальтом. При задымлении, появившемся через 32 мин после начала эксперимента, измерения пришлось остановить, причем к этому моменту было получено 348 замеров. В течение 10 с была увеличена амплитуда светового потока от источника света 7 путем увеличения напряжения питания Е_п источника света 7 с предыдущей величины - 5,4 В до 7,3 В, после чего эксперимент был продолжен. В результате общее время опыта увеличилось до 2 час 28 мин, причем количество замеров (точек), полученных после увеличения амплитуды светового потока, составило 1142.To assess the possibility of extending the experiment, an experiment with pure cobalt was conducted on May 26, 2007. When the smoke appeared 32 minutes after the start of the experiment, the measurements had to be stopped, and by that time 348 measurements had been received. Within 10 s, the amplitude of the light flux from the light source 7 was increased by increasing the supply voltage E _{p of the} light source 7 from the previous value of 5.4 V to 7.3 V, after which the experiment was continued. As a result, the total experiment time increased to 2 hours 28 minutes, and the number of measurements (points) obtained after increasing the amplitude of the light flux was 1142.

Использование предлагаемой группы изобретений обеспечивает уменьшение потерь данных за счет продления эксперимента, получения дополнительных результатов и более достоверной информации, путем увеличения помехозащищенности процесса измерений при электромагнитных помехах, посторонних засветках и (или) задымлении внутри печи, а в конечном итоге - повышение достоверности и точности измерения вязкости металлических расплавов.The use of the proposed group of inventions reduces data loss by extending the experiment, obtaining additional results and more reliable information by increasing the noise immunity of the measurement process during electromagnetic interference, extraneous light and (or) smoke inside the furnace, and ultimately increasing the reliability and accuracy of measurements viscosity of metal melts.

Claims

1. The method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, based on the illumination of the light from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread on which a crucible with a melt is suspended, recording the parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the received signal, reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread, characterized in that before recording the pairs ters path of the reflected light beam from the mirror is carried out synchronous detection signal amplitude-time parameters damping torsional oscillations of the crucible melt.

2. The method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, based on illumination by a light beam from a light source of a mirror located on a twisted elastic thread, on which a crucible with a melt is suspended, recording the parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror, and subsequent measurement of the received signal, reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread, characterized in that they are carried out automatically adjusting the amplitude of the light beam sent to the mirror by the light source to maintain the amplitude parameter of the light beam reflected from the mirror within its optimal value.

3. A non-contact device for measuring the viscosity of high-temperature metal melts, including a cylindrical crucible suspended on a spinning elastic thread with a mirror mounted on it, a light source, a photodetector and a computer, characterized in that the photodetector is made in the form of a synchronous detector and contains at least , one integrated photosensor, at least two buffers, an AND circuit, the input of one buffer being connected to a light source, its output being connected to one of the inputs of the AND circuit, and dnovremenno - with additional input or power bus integral photosensor another input circuit "I" is connected to the output of the integral photosensor through another buffer circuit output "I" is the output of photodetecting devices and is connected to the computer.

4. The device according to claim 3, characterized in that the light source is made in the form of a modulated source, for example a pulse-modulated LED cluster, consisting of at least one LED.

5. The device according to claim 3, characterized in that the LED cluster is used as the light source, the pulses of which have the following parameters: the pulse frequency is 2 ... 20 times the magnitude of the inverse time of the passage of the light pulse through the integrated photosensor, and is 2 ... 20 kHz, the duration of the fronts of the pulses is less than 0.1% of the time the light pulse passes through the integrated photosensor and are equal to a maximum of 10 μs, and the duty cycle of the pulses is 1.5 ... 25.

6. A non-contact measuring device for the viscosity of high-temperature metal melts, including a cylindrical crucible suspended on a twisted elastic thread with a mirror mounted on it, a light source, a photodetector and a computer, characterized in that it contains a toggle switch, the light source is made in the form of an LED cluster, consisting of of at least two LEDs, the photodetector comprises at least one integrated photosensor, integrator, comparator, relay, When in use, the relay contacts switched included between the same terminals and the shunted LED tumblers, integral photosensor output is connected to the computer.