RU2408002C1

RU2408002C1 - Procedure for non-contact measurement of viscosity of high temperature melt

Info

Publication number: RU2408002C1
Application number: RU2009121038/28A
Authority: RU
Inventors: Аркадий Моисеевич Поводатор (RU); Аркадий Моисеевич Поводатор; Виктор Васильевич Конашков (RU); Виктор Васильевич Конашков; Владимир Викторович Вьюхин (RU); Владимир Викторович Вьюхин; Владимир Степанович Цепелев (RU); Владимир Степанович Цепелев
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: disclosed here procedure refers to devices for control and measurement of physical parametres of substances and is designed for non-contact measurement of high temperature metal melt, for example amorphising steel melt with non-stationary method on base of attenuation of torsion oscillations of cylinder crucible with melt. The procedure of non-contact measurement of viscosity of high temperature melt is based on lightning a mirror with a light beam from a source of light; also, the mirror is positioned on a swirled flexible filament with a suspended crucible containing melt. Further parametres of trajectory of the light beam reflected with this mirror are registered by means of a photo-receiving device. There is measured the received signal reflecting amplitude-time parametres of attenuation of torsion oscillations of the crucible with melt suspended on the flexible filament. Also, in the process of recording parametres of trajectory of light beam reflected from the mirror there is periodically performed control of shift of a current zero line- isoline of trajectory of light beam by means of maintaining minimal difference between successive measured parametres of oscillations of light beam reflected from the mirror and a preceding value.

EFFECT: raised reliability and accuracy of measurement of viscosity of high temperature melt by increased reliability and accuracy of measurement of amplitude-time parameters of trajectory of light beam reflected from mirror used for determination of logarithm decrement of attenuation of torsion oscillations of crucible with melt.

3 cl, 7 dwg

Description

Предлагаемый способ относится к технической физике, а именно - к устройствам для контроля и измерения физических параметров веществ, и предназначен для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, например аморфизующихся стальных расплавов, нестационарным методом на основе затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения являются металлургические процессы, в частности разработка технологических схем формирования заданных параметров наноструктуры, например, в магнитопроводах, путем оптимизации атомно-молекулярных особенностей строения расплава при аморфизации.The proposed method relates to technical physics, namely, to devices for monitoring and measuring the physical parameters of substances, and is intended for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts, for example, amorphous steel melts, by a non-stationary method based on the damping of torsional vibrations of a cylindrical crucible with a melt. An additional field of application is metallurgical processes, in particular, the development of technological schemes for the formation of specified parameters of a nanostructure, for example, in magnetic circuits, by optimizing the atomic-molecular features of the melt structure during amorphization.

Измерение физико-химических параметров металлических жидкостей, расплавов и шлаков, в частности вискозиметрия - определение вязкости высокотемпературных расплавов в образце объемом несколько см³, позволяет проводить прогностический анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками на промышленных предприятиях, в частности технологические рекомендации. Политермы вязкости позволяют выделять характерные температурные точки и гистерезисные характеристики цикла нагрева - охлаждения. Однако для высокотемпературных исследований металлических расплавов при t_пл=1400°C и более, лишь немногие способы измерения вязкости могут быть использованы на практике, в частности нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости путем измерения параметров затухания (декремента) крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити - см. Г.В.Тягунов и др. «Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов», ж. Заводская лаборатория, 1980, №10, с.919.Measurement of physicochemical parameters of metallic liquids, melts and slags, in particular viscometry - determination of the viscosity of high-temperature melts in a sample with a volume of several cm ³ allows one to carry out prognostic analysis of materials and make recommendations for producing alloys with specified characteristics at industrial enterprises, in particular technological recommendations. Viscosity polytherms allow one to distinguish characteristic temperature points and hysteretic characteristics of the heating - cooling cycle. However, for high-temperature studies of metal melts at t _PL = 1400 ° C and 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 measuring the attenuation (decrement) of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread - see G.V. Tyagunov et al. “Installation for measuring the kinematic viscosity of metal melts”, g. Factory Laboratory, 1980, No. 10, p. 919.

Известен способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов с применением вискозиметра Шенка, основными узлами которого являются: тигель с расплавом, стальная (вольфрамовая, молибденовая, нихромовая) упругая проволочная нить - подвес, водоохлаждаемая печь с нейтральной атмосферой и с молибденовым бифилярным электронагревателем, зеркало, укрепленное на упругой проволочной нити, источник света, например лампа или светодиод, фотоприемное устройство, например двухсторонняя фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик, электромагнит для закручивания нити и электромагнитный тормоз для демпфирования нежелательных колебаний, - см. С.И.Филиппов и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1968, с.242-243, 254-255, рис.107 - аналог. Расчет искомого декремента затухания δ осуществляют по преобразованной формуле - см. Г.В.Тягунов и др. «Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов», ж. Заводская лаборатория, 1980, №10, с.919-920:A known method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature melts using a Shenk viscometer, the main nodes of which are: a crucible with a melt, a steel (tungsten, molybdenum, nichrome) elastic wire thread - a suspension, a water-cooled furnace with a neutral atmosphere and a molybdenum bifilar electric heater, a mirror elastic wire filament, a light source, such as a lamp or LED, a photodetector, for example a two-sided photo measuring ruler - a scale with zero in the middle, along which a light bunny reflected from a mirror oscillates, an electromagnet for twisting threads and an electromagnetic brake for damping unwanted vibrations, see S. I. Filippov et al. “Physicochemical Methods of Investigation of Metallurgical Processes”, M., Metallurgy, 1968, p.242-243, 254-255, Fig. 107 - analogue. The desired attenuation decrement δ is calculated according to the transformed formula — see G.V. Tyagunov et al. “Installation for measuring the kinematic viscosity of metal melts”, g. Factory Laboratory, 1980, No. 10, p. 919-920:

где: N - номер колебания;where: N - number of oscillations;

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

V_o, V_n - начальная и конечная скорости прохождения светового луча между двумя фотодатчиками или точками измеряемых амплитуд;V _o , V _n - the initial and final velocity of the light beam between two photosensors or points of the measured amplitudes;

t_n, t_o - начальное и конечное времена прохождения светового луча между фотодатчиками или заданными точками измеряемых амплитуд.t _n , t _o - the initial and final times of passage of the light beam between the photosensors or given points of the measured amplitudes.

Недостатком способа является отсутствие долговременной стабильности (дрейф) траектории отраженного светового луча-зайчика по отношению к фотоприемному устройству, в том числе и нулевой точке шкалы, в процессе измерения образца с расплавом, который длится десятки-сотни мин. В процессе длительного измерения параметров у N крутильных колебаний и соответствующих отсчетов траектории отраженного светового луча для измерения логарифмического декремента затухания не всегда обеспечивается достоверная, точная и объективная трактовка сигнала, отражающего амплитудно-временные параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити. В частности, в идеальном случае величина δ должна быть одинаковой при ее определении по амплитудно-временным параметрам отклонения отраженного светового луча как в одну сторону от нулевой точки шкалы (например, влево), так и симметрично в другую сторону (например, вправо). Однако, в процессе измерений вышеуказанных параметров в них появляется нарастающее с температурой эксперимента смещение (несимметрия) колебаний, т.е. временной дрейф нулевой точки в виде «нулевой линии» (изолинии), что снижает достоверность и точность амплитудно-временных, а в конечном итоге, вискозиметрических параметров высокотемпературных расплавов. Кроме того, уменьшается точность измерений из-за уменьшения N вследствие снижения линейности измеряемых отрезков на смещенной колебательной траектории светового луча в конечной - «хвостовой» части затухающих колебаний, которые могли бы быть использованы при расчете логарифмического декремента затухания. Медленный дрейф траектории отраженного светового луча-зайчика, эквивалентный смещению нулевой линии (изолинии) шкалы фотоприемного устройства по нашим многолетним данным практически непредсказуем и составляет единицы процентов. Он вызван многими трудно учитываемыми причинами, в частности неизбежными термозависимыми механическими деформациями конкретной упругой проволочной нити, например ее удлинением и изгибом, обусловленными высокотемпературными экспериментами. В частности, осевое смещение светового зайчика, обусловленное удлинением этой нити при температурах расплава t_пл=400°C и более, при которых температура собственно нити составляет сотни °C и неравномерно распределена вдоль этой нити, по нашим данным составляет минимально единицы процентов.The disadvantage of this method is the lack of long-term stability (drift) of the trajectory of the reflected light ray-bunny with respect to the photodetector, including the zero point of the scale, in the process of measuring a sample with a melt that lasts tens to hundreds of minutes. During a long-term measurement of the parameters of N torsional vibrations and the corresponding samples of the reflected light ray trajectory for measuring the logarithmic damping decrement, reliable, accurate and objective interpretation of the signal reflecting the amplitude-time parameters of the damping of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread is not always provided. In particular, in the ideal case, the value of δ should be the same when it is determined by the amplitude-time parameters of the deviation of the reflected light beam both to one side from the zero point of the scale (for example, to the left), and symmetrically to the other side (for example, to the right). However, in the process of measuring the above parameters, a shift (asymmetry) of the oscillations increases with the temperature of the experiment, i.e. temporal drift of the zero point in the form of a “zero line” (contour), which reduces the reliability and accuracy of the amplitude-time, and ultimately, viscometric parameters of high-temperature melts. In addition, the measurement accuracy decreases due to a decrease in N due to a decrease in the linearity of the measured segments on the shifted oscillatory trajectory of the light beam in the final - “tail” part of the damped oscillations, which could be used in calculating the logarithmic damping decrement. The slow drift of the trajectory of the reflected light ray-bunny, equivalent to the shift of the zero line (isoline) of the scale of the photodetector, according to our long-term data, is almost unpredictable and amounts to several percent. It is caused by many difficult to take into account reasons, in particular, inevitable thermally dependent mechanical deformations of a particular elastic wire thread, for example, its elongation and bending, due to high-temperature experiments. In particular, the axial displacement of the light bunny due to the elongation of this filament at melt temperatures t _PL = 400 ° C and more, at which the temperature of the filament itself is hundreds of ° C and unevenly distributed along this filament, according to our data, is at least a few percent.

Известен способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов и устройство для его осуществления (варианты), основой которого также является нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости путем измерения параметров затухания (декремента) крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити, использующий компьютерное управление измерительным комплексом с автоматической регулировкой амплитуды отраженного от зеркала светового луча в пределах его оптимального значения, - см. пат. РФ №2349898 - аналог. Недостатком этого способа, как и вышеуказанного аналога, является отсутствие долговременной стабильности текущей нулевой линии (изолинии) траектории отраженного светового луча-зайчика по отношению к фотоприемному устройству, в том числе и нулевой точке шкалы, в процессе измерения образца с расплавом - аналог.A known method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature metal melts and a device for its implementation (options), the basis of which is also a non-stationary non-contact photometric method for determining the kinematic viscosity by measuring the attenuation (decrement) of torsional vibrations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread, using computer controlled measurement complex with automatic adjustment of the amplitude of the light beam reflected from the mirror in the limit its optimal value - see US Pat.. RF №2349898 - analogue. The disadvantage of this method, as well as the aforementioned analogue, is the lack of long-term stability of the current zero line (isoline) of the trajectory of the reflected light ray-bunny in relation to the photodetector, including the zero point of the scale, in the process of measuring a sample with a melt - analogue.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов, основанный на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой посредством шагового электродвигателя упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации посредством фотоприемного устройства 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 X Российской конференции: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов, т.2, с.47-50, Екатеринбург - Челябинск, 2001 г.The prototype of the invention is a method for non-contact measurement of the viscosity of high-temperature melts, based on illuminating with a light beam from a light source a mirror located on an elastic thread twisted by a stepper motor, on which a crucible with a melt is suspended, recording, by means of a photodetector, the parameters of the path of the light beam reflected from this mirror , and subsequent measurement of the received signal, reflecting the amplitude-time parameters of the attenuation of the torsion oscillations of a crucible with a melt suspended on an elastic thread, see L. L. Son et al. “Installation for measuring the viscosity, surface tension and density of high-temperature melts” - Proceedings of the X Russian Conference: Structure and properties of metal and slag melts, t .2, p. 47-50, Yekaterinburg-Chelyabinsk, 2001.

Недостатком данного способа определения вязкости высокотемпературных расплавов, как и для вышеуказанных аналогов, является нарастающее со временем уменьшение достоверности и точности определения параметров траектории отраженного светового луча и, в конечном итоге, амплитудно-временных параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом из-за отсутствия в процессе измерения долговременной стабильности оптимального положения текущей нулевой линии (изолинии) отраженного от зеркала светового луча (светового зайчика) на входе фотоприемного устройства.The disadvantage of this method for determining the viscosity of high-temperature melts, as for the aforementioned analogues, is the decrease in the reliability and accuracy of determining the parameters of the path of the reflected light beam and, ultimately, the amplitude-time parameters of the attenuation of torsional vibrations of the crucible with the melt due to the absence in the process measuring long-term stability of the optimal position of the current zero line (contour) of the light ray reflected from the mirror (light bunny) at the input photodetector device.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение достоверности и точности измерения вязкости высокотемпературных расплавов путем увеличения достоверности и точности измерения амплитудно-временных параметров траектории отраженного от зеркала светового луча, используемых для определения логарифмического декремента затухания крутильных колебаний тигля с расплавом.The technical task of the proposed method is to increase the reliability and accuracy of measuring the viscosity of high-temperature melts by increasing the reliability and accuracy of measuring the amplitude-time parameters of the trajectory of the light beam reflected from the mirror, used to determine the logarithmic damping decrement of torsional vibrations of the crucible with the melt.

Для решения поставленной задачи предлагается способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов.To solve this problem, a method for non-contact viscosity measurement of high-temperature melts is proposed.

В способе бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов, основанном на освещении световым лучом от источника света зеркала, расположенного на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с расплавом, регистрации посредством фотоприемного устройства 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 в процессе регистрации параметров траектории отраженного от зеркала светового луча периодически осуществлять регулировку смещения текущей нулевой линии (изолинии) траектории светового луча, путем поддержания минимального отличия последующих измеряемых параметров колебаний отраженного от зеркала светового луча по отношению к предыдущему значению. Кроме того, осуществляют регулировку смещения траектории светового луча посредством смещения положения фотоприемного устройства или (и) источника света. Кроме того, осуществляют регулировку смещения траектории светового луча через каждые 5…1000 периодов свободных колебаний тигля с расплавом.In the method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature melts, 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 by means of a photodetector of 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, is proposed in the process f registration of trajectory parameters of the reflected light beam from the mirror periodically perform adjustment bias current zero line (contour) of the trajectory of the light beam, by maintaining the minimum differences of subsequent parameters measured vibrations reflected from the mirrors of the light beam with respect to the previous value. In addition, they adjust the displacement of the trajectory of the light beam by shifting the position of the photodetector or (and) the light source. In addition, they adjust the displacement of the trajectory of the light beam every 5 ... 1000 periods of free oscillations of the crucible with the melt.

Отличительные признаки предложенного технического решения - способа обеспечивают получение достоверной и точной информации об амплитудно-временных параметрах траектории отраженного от зеркала светового луча для определения логарифмического декремента затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, а в конечном итоге - повышение достоверности и точности измерения вязкости высокотемпературных расплавов.Distinctive features of the proposed technical solution - the method provides reliable and accurate information about the amplitude-time parameters of the trajectory of the light beam reflected from the mirror to determine the logarithmic damping decrement of torsional vibrations of the crucible with the melt, and ultimately increase the reliability and accuracy of measuring the viscosity of high-temperature melts.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг.1 - Блок-схема измерительного комплекса;figure 1 - Block diagram of the measuring complex;

фиг.2 - Траектория отраженного от зеркала светового луча, соответствующая вращательным колебаниям тигля с расплавом;figure 2 - the trajectory of the light beam reflected from the mirror, corresponding to the rotational vibrations of the crucible with the melt;

фиг.3 - Смещение траектории отраженного от зеркала светового луча;figure 3 - the offset of the trajectory reflected from the mirror of the light beam;

фиг.4 - Динамика колебаний отраженного от зеркала светового луча в зависимости от ступенчатого цикла нагрева расплава;figure 4 - Dynamics of vibrations reflected from the mirror of the light beam depending on the stepped cycle of heating the melt;

фиг.5 - Экспериментальная зависимость вязкости от температуры при нагреве и охлаждении для жаропрочной стали;figure 5 - Experimental dependence of viscosity on temperature during heating and cooling for heat-resistant steel;

фиг.6 - Экспериментальная температурная зависимость смещения отраженного от зеркала светового луча для расплава чистой меди при его нагреве и охлаждении;6 - Experimental temperature dependence of the offset reflected from the mirror of the light beam for the melt of pure copper when it is heated and cooled;

фиг.7 - Алгоритм компьютерной обработки измеренных временных интервалов.7 - Algorithm for computer processing of measured time intervals.

Измерительный комплекс для осуществления способа бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов содержит: тигель 1 с шихтой, 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, фотоприемное устройство 8, компьютер 9, буферная схема управления 10, исполнительное устройство 11.A measuring complex for implementing a non-contact method for measuring the viscosity of high-temperature melts contains: a crucible 1 with a charge 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, a mirror 6, a light source 7, a photodetector 8, a computer 9, a buffer control circuit 10, an actuator 11.

Измерительный комплекс для осуществления способа бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов выполнен на следующих элементах: тигель 1 изготовлен из высокотемпературной керамики, молибденовый цилиндрический электронагреватель 3 выполнен из листа толщиной в десятые доли мм, упругая проволочная нить 4 - нихромовая, длиной около 650 мм и диаметром несколько десятых долей мм, электромагнитный блок поворота подвесной системы 5 выполнен с применением шагового электродвигателя - см. вышеуказанное - Л.Д.Сон и др., источник света 7 - сверхъяркий светодиод L7113SEC-H фирмы Kingbright - см. каталог Kingbright, 2005 - 2006; фотоприемное устройство 8, находящееся на фотоизмерительной линейке - шкале с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик, может перемещаться по этой линейке и содержит: интегральные фотосенсоры TSL250 фирмы TAOS - см. каталог ELFA-55, 2007, p.812, которые зафиксированы на межцентровом расстоянии (измерительной базе) L=6 мм, симметрично относительно центра шкалы, и оптореле КР293КП2А - см. каталог фирмы «Платан», 2004, стр.202; компьютер 9 - с тактовой частотой выше 100 МГц; буферная схема управления 10 - коммутатор на основе транзисторных ключей или реле - см. Г.Штелинг, А.Байссе «Электрические микромашины», М., Энергоатомиздат, 1991, с.190, рис.7.1, с.202, 203, рис.7.13…7.15; в качестве исполнительного устройства 11 для регулирования смещения траектории отраженного светового луча используют шаговый двигатель - регулятор холостого хода автомобиля ВАЗ 2112-1148300-01(03), механически соединенный, например, с фотоприемным устройством 8.The measuring complex for implementing the non-contact method for measuring the viscosity of high-temperature melts is made on the following elements: crucible 1 is made of high-temperature ceramics, molybdenum cylindrical electric heater 3 is made of a sheet with a thickness of tenths of a millimeter, elastic wire 4 is nichrome, about 650 mm long and several tenths in diameter fractions of mm, the electromagnetic block of rotation of the suspension system 5 is made using a stepper motor - see above - L.D. Son and others, source 7 that - brightness LEDs L7113SEC-H firm Kingbright - Kingbright see catalog 2005 - 2006.; photodetector 8, located on the photo measuring ruler - a scale with a zero in the middle, along which the light bunny reflected from the mirror oscillates, can move along this line and contains: TAOS TSL250 integrated photosensors - see ELFA-55, 2007, p.812 catalog , which are fixed at the center-to-center distance (measuring base) L = 6 mm, symmetrically with respect to the center of the scale, and the KR293KP2A opto-relay - see the Platan catalog, 2004, p. 202; computer 9 - with a clock frequency above 100 MHz; buffer control circuit 10 - switch based on transistor switches or relays - see G. Shteling, A. Baysse “Electric micromachines”, M., Energoatomizdat, 1991, p. 190, fig. 7.1, p. 202, 203, fig. 7.13 ... 7.15; as an actuating device 11 for controlling the displacement of the trajectory of the reflected light beam, a stepper motor is used - a vehicle idle regulator VAZ 2112-1148300-01 (03), mechanically connected, for example, with a photodetector 8.

Способ бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных расплавов осуществляют с помощью вышеописанного измерительного комплекса следующим образом.The non-contact method for measuring the viscosity of high temperature melts is carried out using the above-described measuring complex as follows.

Тигель 1, содержащий шихту, подвешенный на упругой нити 4, помещают в центр высокотемпературной зоны печи 2, нагревают электронагревателем 3 до требуемой температуры, после чего кратковременным включением блока поворота подвесной системы 5 создают свободно затухающие крутильные колебания тигля 1. Траекторию этих колебаний отслеживают с помощью зеркала 6, расположенного на упругой нити 4, при этом световой луч от источника света 7, отражаясь от зеркала 6, воспроизводит траекторию 12 затухающих крутильных колебаний с периодом T. В какой-то момент времени τ₁ отраженный световой луч 12 попадает на один из фотосенсоров фотоприемного устройства 8, в результате чего на выходе фотоприемного устройства 8 появляется соответствующий сигнал U₁, который через выходную шину фотоприемного устройства 8 вводится в компьютер 9. U₁ является стартовым сигналом для компьютерной программы обсчета траектории светового луча 12 - ее амплитудно-временных параметров и дальнейшего вычисления параметров логарифмического декремента затухания по известным формулам. Через некоторое время в момент τ₂ отраженный от зеркала 6 световой луч 12, повернувшийся на угол: φ=(φ₊+φ_-), засвечивает другой фотосенсор фотоприемного устройства 8, на выходе которого появляется сигнал U₂. Он, аналогично сигналу U₁, попадает в компьютер 9 и является стоповым сигналом для вычисления траектории светового луча 12. Минимальное время между передним фронтом этих сигналов: 5…15 мсек зависит от размеров фотосенсоров и расстояния между ними: чем оно меньше, тем выше линейность измеряемого отрезка синусоидальной колебательной траектории светового луча 12. Измерительный комплекс обеспечивает измерение временных интервалов колебательной траектории 12, минимальная типовая величина которых десятки миллисекунд, что эквивалентно частотам в десятки-сотни Гц. Тактовая частота компьютера превышает эти параметры на 5…7 порядков, что обеспечивает заполнение тактовыми импульсами, количество которых подсчитывается компьютером 9, временных интервалов между сигналами U₁, U₂ для выполнения расчетов с необходимой точностью.The crucible 1, containing the charge, suspended on an elastic thread 4, is placed in the center of the high-temperature zone of the furnace 2, heated by an electric heater 3 to the required temperature, and then, by briefly turning on the rotation unit of the suspension system 5, freely damped torsional vibrations of the crucible 1 are created. The trajectory of these vibrations is monitored using mirror 6, located on the elastic filament 4, while the light beam from the light source 7, reflected from the mirror 6, reproduces the trajectory 12 of the damped torsional vibrations with a period T. At some point time τ _1, the reflected light beam 12 falls on one of the photosensors of the photodetector unit 8, whereby at the output of photodetector 8 appears a corresponding signal U _1, which, via an output bus photodetector 8 is inserted into the computer 9. U ₁ is the starting signal for the computer program calculation of the trajectory of the light beam 12 - its amplitude-time parameters and further calculation of the parameters of the logarithmic attenuation decrement by known formulas. After some time at the time τ _{2, the} light beam 12 reflected from the mirror 6, rotated through an angle: φ = (φ ₊ + φ _- ), illuminates another photosensor of the photodetector 8, at the output of which a signal U ₂ appears. It, similarly to signal U ₁ , enters computer 9 and is a stop signal for calculating the trajectory of light beam 12. The minimum time between the leading edge of these signals: 5 ... 15 ms depends on the size of the photosensors and the distance between them: the smaller it is, the higher the linearity the measured segment of the sinusoidal oscillatory trajectory of the light beam 12. The measuring complex provides the measurement of time intervals of the oscillatory trajectory 12, the minimum typical value of which is tens of milliseconds, which is equivalent to the frequencies in tens or hundreds of Hz. The computer’s clock frequency exceeds these parameters by 5 ... 7 orders of magnitude, which ensures that clock pulses, the number of which is counted by computer 9, are filled with time intervals between signals U ₁ , U ₂ to perform calculations with the necessary accuracy.

Траектория отраженного от зеркала светового луча 12, соответствующая вращательным колебаниям тигля с расплавом, представляет собой затухающие колебания с периодом в единицы сек, например T=4 сек - см. фиг.2. При оптимальном расположении фотосенсоров фотоприемного устройства 8 - симметрично относительно нулевой точки его шкалы, реальной или виртуальной, вычисленной компьютером 9, вычисление 8 по вышеуказанной формуле [1] будет достоверным и точным, вследствие симметрии траектории отраженного от зеркала светового луча 12. В этом случае угловые параметры φ₊ и φ_-, или эквивалентные этим углам амплитуды А₊ и A_- (A₊+А_-=L=6 мм), равны и равноудалены от нулевой линии (изолинии) и считаются оптимальными. Соответственно, временные параметры также равны: 13 (t₊)=14 (t_-); 15 (Δt₊)=16 (Δt_-), что обеспечивает совпадение количества тактовых импульсов компьютера 9, заполняющих соответствующие временные интервалы.The trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror, corresponding to the rotational vibrations of the crucible with the melt, represents damped vibrations with a period of units of seconds, for example, T = 4 seconds - see Fig. 2. With the optimal location of the photosensors of the photodetector 8 - symmetrically with respect to the zero point of its scale, real or virtual, calculated by computer 9, calculation 8 using the above formula [1] will be reliable and accurate, due to the symmetry of the trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror. In this case, the angular the parameters φ ₊ and φ _- , or the amplitudes A ₊ and A _- equivalent to these angles (A ₊ + A _- = L = 6 mm), are equal and equidistant from the zero line (isoline) and are considered optimal. Accordingly, the time parameters are also equal: 13 (t ₊ ) = 14 (t _- ); 15 (Δt ₊ ) = 16 (Δt _- ), which ensures the coincidence of the number of clock pulses of the computer 9, filling the corresponding time intervals.

При смещении 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12 в положение 12' - см. фиг.3 возникает неравенство временных параметров 13 (t₊) и 14 (t_-): t'₊≠ t'_-. Во время штатной процедуры ступенчатого высокотемпературного нагрева тигля 1 с расплавом, см. фиг.4, быстрый (10 мин нагрев до t_пл=1400°C) подготовительный отрезок времени 18 сменяют пошаговым нагревом и охлаждением 19 с дискретностью 30…60°C и временем исследования для одной температурной точки 5…20 мин. На фиг.5 в качестве примера приведена одна из политерм, полученных нами при определении кинематической вязкости ν расплава жаропрочной стали. При типовом многочасовом (1…10 часов) эксперименте у вышеуказанных параметров траектории отраженного от зеркала светового луча 12 появляется медленно нарастающее с температурой эксперимента различие: 13≠14, 15≠16 (t₊≠t_-, Δt₊≠Δt_-). Если вычисления δ по вышеуказанной формуле [1] осуществляют раздельно на основе 13 (t₊) и на основе 14 (t_-), то результаты не совпадают. Например, во время проведенного нами (21.04.2009 г.) четырехчасового эксперимента с расплавом жаропрочной стали в процессе нагрева до, примерно, t_пл=1500°C за 15 мин и последующим шагом в 30…60°C каждые 10…30 мин, вплоть до 1800°C, сразу при 1500°C проявилось и стало нарастать вышеуказанное различие. Через 2 часа эксперимента относительное неравенство временных параметров 13 (t₊)≠14 (t_-) достигло 11% и затем сохранялось, примерно, на этом же уровне. Расчет декремента затухания δ по каждому из параметров 13 (t₊)≠14 (t_-) в отдельности показал различие δ₁₃ и δ₁₄ в 4,2%. Расчет δ на базе усредненной величины: {(t₊)+(t_-)}/2 продемонстрировал уменьшение достоверности и точности результатов вычислений из-за увеличения среднеквадратичной ошибки (стандартного отклонения). В процессе пошагового охлаждения, обратного нагреву, смещение 17 траектории отраженного от зеркала светового 12 луча (которое может быть выражено в виде равноценных терминов: «несимметрия», «амплитудный сдвиг», «дрейф изолинии») уменьшилось и в данном эксперименте практически исчезло к концу эксперимента. Для исключения влияния на результаты разных компонентов расплава экспериментально исследована температурная зависимость смещения траектории отраженного от зеркала светового луча для однокомпонентного немагнитного расплава чистой меди, при его нагреве и охлаждении, которая приведена на фиг.6. Общее время эксперимента - 1,5 часа. Смещение 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12 в данном эксперименте при охлаждении не уменьшилось. Это подтверждает предположение о практической непредсказуемости термозависимости смещения 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12. Смещение 17 в данном случае, по абсолютной величине - 4…5 мм, в сравнении с колебательным размахом амплитуд A₊ и А_-, равным в начале экспериментов сотни мм, составляет единицы %, но при небольшом межцентровом расстоянии (измерительной базе) фотосенсоров фотоприемного устройства 8 (L=6 мм) составляет относительную величину в десятки % и даже может выйти за пределы измерительной базы.When the trajectory 17 of the light ray 12 reflected from the mirror is displaced to the 12 'position - see Fig. 3, an inequality of the time parameters 13 (t ₊ ) and 14 (t _- ) arises: t' ₊ ≠ t ' _- . During the standard procedure of stepwise high-temperature heating of the crucible 1 with the melt, see Fig. 4, the fast (10 min heating to t _PL = 1400 ° C) preparatory period of time 18 is replaced by step-by-step heating and cooling 19 with a resolution of 30 ... 60 ° C and time studies for one temperature point 5 ... 20 min. In Fig. 5, as an example, one of the polytherms obtained by us in determining the kinematic viscosity ν of a heat-resistant steel melt is shown. In a typical many-hour (1 ... 10 hours) experiment, the above parameters of the trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror have a difference slowly increasing with the temperature of the experiment: 13 ≠ 14, 15 ≠ 16 (t ₊ ≠ t _- , Δt ₊ ≠ Δt _- ). If the calculations of δ by the above formula [1] are carried out separately on the basis of 13 (t ₊ ) and on the basis of 14 (t _- ), then the results do not match. For example, during our four-hour experiment (April 21, 2009) with a melt of heat-resistant steel during heating to approximately t _PL = 1500 ° C in 15 minutes and a subsequent step of 30 ... 60 ° C every 10 ... 30 minutes, up to 1800 ° C, immediately at 1500 ° C it manifested itself and the above difference began to grow. After 2 hours of the experiment, the relative inequality of the time parameters 13 (t ₊ ) ≠ 14 (t _- ) reached 11% and then remained at approximately the same level. The calculation of the damping decrement δ for each of the parameters 13 (t ₊ ) ≠ 14 (t _- ) separately showed a difference of δ ₁₃ and δ ₁₄ of 4.2%. Calculation of δ based on the averaged value: {(t ₊ ) + (t _- )} / 2 demonstrated a decrease in the reliability and accuracy of the calculation results due to an increase in the standard error (standard deviation). In the process of stepwise cooling, reverse to heating, the displacement of the 17th trajectory of the 12th ray reflected from the mirror (which can be expressed in the form of equivalent terms: "asymmetry", "amplitude shift", "isoline drift") decreased and in this experiment it practically disappeared towards the end experiment. To exclude the effect on the results of different components of the melt, the temperature dependence of the displacement of the trajectory of the light beam reflected from the mirror for a one-component non-magnetic melt of pure copper during its heating and cooling, which is shown in Fig.6, was experimentally studied. The total experiment time is 1.5 hours. The displacement 17 of the trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror in this experiment did not decrease during cooling. This confirms the assumption about the practical unpredictability of the temperature dependence of the displacement 17 of the trajectory of the light beam reflected from the mirror 12. The displacement 17 in this case, in absolute value - 4 ... 5 mm, in comparison with the oscillatory amplitude range A ₊ and A _- , equal to hundreds of mm at the beginning of the experiments , is units%, but with a small inter-center distance (measuring base) of the photosensors of the photodetector 8 (L = 6 mm) it is a relative value of tens of% and may even go beyond the limits of the measuring base.

Смещение 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12 по амплитуде тождественно соответствует неравенству соответствующих временных параметров 13≠14, 15≠16 (t₊≠t_-, Δt₊≠Δt_-). Компьютер 9, в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.7, вычисляет их разность, с учетом знака смещения, после чего преобразует ее в регулирующий сигнал U₃, который включает исполнительное устройство 11 через буферную схему управления 10. Параметр k на фиг.7 - коэффициент перевода разности времен в количество шагов исполнительного устройства 11, обратно пропорциональный тактовой частоте компьютера 9; фунция INT обозначает округление к ближайшему целому (недробному) значению. Регулировку оптимального смещения траектории отраженного от зеркала светового луча 19 осуществляют в трех вариантах: первый - регулирование смещения фотоприемного устройства 8, второй - источника света 7, третий - зеркала 6. Конструктивно предпочтителен первый или второй варианты. При необходимости осуществляют ручную регулировку смещения 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12, например, путем смещения закрепленного на двухсторонней фотоизмерительной линейке - шкале с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик, фотоприемного устройства 8, например, с помощью микрометрического винта (не показано). Исполнительное устройство 11 регулирует смещение фотоприемного устройства 8 таким образом, чтобы оптимизировать - уравнять соответствующие временные параметры: 13=14 (t₊=t_-); 15=16 (Δt₊=Δt_-). При этом амплитудное смещение 17 траектории отраженного от зеркала светового луча 12 стремится к нулю. Регулирование смещения фотоприемного устройства 8 осуществляют периодически, 1 раз за 10…1000, оптимально за 100…200 периодов вращательных колебаний тигля с расплавом.The amplitude offset 17 of the path of the light ray 12 reflected from the mirror identically corresponds to the inequality of the corresponding time parameters 13 ≠ 14, 15 ≠ 16 (t ₊ ≠ t _- , Δt ₊ ≠ Δt _- ). The computer 9, in accordance with the algorithm shown in Fig.7, calculates their difference, taking into account the sign of the bias, and then converts it into a control signal U ₃ , which includes the actuator 11 through the buffer control circuit 10. Parameter k in Fig.7 - the conversion factor of the time difference into the number of steps of the actuator 11, inversely proportional to the clock frequency of the computer 9; The INT function indicates rounding to the nearest integer (non-fractional) value. The optimal shift of the trajectory of the light beam reflected from the mirror 19 is carried out in three versions: the first is the adjustment of the offset of the photodetector 8, the second is the light source 7, the third is the mirror 6. The first or second options are structurally preferred. If necessary, manually adjust the displacement 17 of the trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror, for example, by displacing the light bunny mounted on a two-sided photo measuring ruler — a scale with zero in the middle, along which the photodetector 8 oscillates, for example, using a micrometer screw (not shown). The actuator 11 adjusts the offset of the photodetector 8 in such a way as to optimize - equalize the corresponding time parameters: 13 = 14 (t ₊ = t _- ); 15 = 16 (Δt ₊ = Δt _- ). In this case, the amplitude shift 17 of the trajectory of the light ray 12 reflected from the mirror tends to zero. The bias of the photodetector 8 is controlled periodically, 1 time for 10 ... 1000, optimally for 100 ... 200 periods of rotational vibrations of the crucible with the melt.

Предложенное техническое решение, содержащее вышеуказанную совокупность отличительных признаков, а также совокупность ограничительных и отличительных признаков, не выявлено в известном уровне техники, что, при достижении вышеописанного технического результата, позволяет считать предложенное техническое решение имеющим изобретательский уровень. Это техническое решение обеспечивает технический результат - повышение достоверности и точности измерения вязкости высокотемпературных расплавов.The proposed technical solution containing the above set 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 solution as inventive. This technical solution provides a technical result - increasing the reliability and accuracy of measuring the viscosity of high-temperature melts.

Claims

1. The method of non-contact measurement of the viscosity of high-temperature melts, based on the illumination of a mirror from a light source located on a twisted elastic filament, on which a crucible with a melt is suspended, registration of parameters of the trajectory of the light beam reflected from this mirror by means of a photodetector, 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, characterized in that In the process of registering the parameters of the trajectory of the light beam reflected from the mirror, periodically adjust the offset of the current zero line, the contour of the light beam trajectory, by maintaining the minimum difference between the subsequent measured parameters of the oscillations of the light beam reflected from the mirror relative to the previous value.

2. The method according to claim 1, characterized in that they adjust the displacement of the trajectory of the light beam by shifting the position of the photodetector or light source.

3. The method according to claim 1, characterized in that they adjust the displacement of the trajectory of the light beam every 5 ÷ 1000 periods of free oscillations of the crucible with the melt.