RU2454656C1 - Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) - Google Patents
Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2454656C1 RU2454656C1 RU2010143212/28A RU2010143212A RU2454656C1 RU 2454656 C1 RU2454656 C1 RU 2454656C1 RU 2010143212/28 A RU2010143212/28 A RU 2010143212/28A RU 2010143212 A RU2010143212 A RU 2010143212A RU 2454656 C1 RU2454656 C1 RU 2454656C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- melt
- electrical resistance
- kinematic viscosity
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Группа предлагаемых изобретений относится к технической физике, а именно - к анализу материалов путем бесконтактного фотометрического определения кинематической вязкости и удельного электрического сопротивления нагреваемого тела в зависимости от температуры, в частности, к определению кинематической вязкости и относительной электропроводности металлов и сплавов в жидком и/или твердом состоянии.The group of proposed inventions relates to technical physics, namely, to the analysis of materials by non-contact photometric determination of the kinematic viscosity and electrical resistivity of a heated body depending on temperature, in particular, to the determination of the kinematic viscosity and relative conductivity of metals and alloys in liquid and / or solid condition.
Многопараметрическое бесконтактное фотометрическое определение физико-химических параметров высокотемпературных (tпл=1000…2000°C) металлических жидкостей и расплавов, прежде всего, вискозиметрия - определение кинематической вязкости в образце, помещенном в тигель объемом несколько кубических сантиметров, который подвешен на упругой проволоке внутри вакуумной электропечи, а также бесконтактное определение электропроводности (электросопротивления) образца способом вращающегося магнитного поля, позволяют проводить анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками на предприятиях, в частности, корректировать технологические режимы. В основе анализа политерм (термозависимостей) многокомпонентных промышленных расплавов лежат сведения о температурных зависимостях физических характеристик металлов, причем определяемые параметры связаны между собой соотношениями, количественно совпадающими с экспериментами. Анализ политерм двух структурно чувствительных термозависимых параметров - вязкости и удельного электросопротивления, позволяет выделять особые температурные точки, в частности температуру начала гистерезиса tг, критическую tкр и температуру аномального изменения свойств расплава tан, а также гистерезисные характеристики цикла «нагрев - охлаждение». Экспериментальное определение политерм каждого из вышеуказанных параметров, в том числе гистерезиса (ветвления политерм) и его особенностей, осуществляет высококвалифицированный персонал в процессе сложного многочасового эксперимента, характеризуемого большим энергопотреблением и многочасовыми подготовительными работами. Выполнение экспериментов единовременно на общей для обоих параметров - вязкости и удельного электросопротивления, установке в ряде случаев является целесообразным, особенно при быстроиспаряющихся расплавах с большим угаром компонентов расплава.Multiparameter non-contact photometric determination of the physicochemical parameters of high-temperature (t pl = 1000 ... 2000 ° C) metal liquids and melts, primarily viscometry - the determination of the kinematic viscosity in a sample placed in a crucible with a volume of several cubic centimeters, which is suspended on an elastic wire inside a vacuum electric furnaces, as well as non-contact determination of electrical conductivity (electrical resistance) of the sample by the method of a rotating magnetic field, allow the analysis of materials make recommendations for alloys with specified characteristics in enterprises, in particular, to adjust the operating conditions. The analysis of polytherms (thermal dependences) of multicomponent industrial melts is based on information on the temperature dependences of the physical characteristics of metals, and the parameters being determined are related by relationships that quantitatively coincide with experiments. Analysis POLYTERM two structurally sensitive temperature-dependent parameters - viscosity and resistivity, allows to select specific temperature point, in particular the beginning of the hysteresis temperature t r, critical t kr and the abnormal changes in properties of the melt temperature t en and hysteresis cycle characteristics "heating - cooling". The experimental determination of polytherms of each of the above parameters, including hysteresis (branching of polytherms) and its features, is carried out by highly qualified personnel in the course of a complex hours-long experiment characterized by high energy consumption and many hours of preparatory work. Performing experiments at the same time on a common installation for both parameters - viscosity and electrical resistivity, in some cases, is advisable, especially for rapidly evaporating melts with a large burn of the melt components.
Известно, что метод вращающегося магнитного поля, используемого при определении удельного электрического сопротивления металлических расплавов в зависимости от температуры, заключается в том, что тигель с измеряемым образцом расплава или эталоном подвешивается на упругой, например нихромовой, нити внутри высокотемпературной зоны вакуумной электропечи в области вращающегося однородного постоянного магнитное поля - см. Г.В.Тягунов и др. Измерение удельного электрического сопротивления методом вращающегося магнитного поля, ж. «Заводская лаборатория», М., 2003, №2, т.69, стр.35-37. Это поле создают тремя парами катушек, питающихся от трехфазной силовой сети 50 Гц, являющихся аналогом статора асинхронного двигателя. Поле генерирует индукционные токи в образце, являющемся аналогом ротора асинхронного двигателя, что создает магнитный момент. Образец расплава взаимодействует с магнитным полем, создается вращательный механический момент, которому противодействует упругость нити. Угол поворота образца при этом функционально связан с удельным электросопротивлением образца расплава, амплитудой и частотой магнитного поля и с коэффициентом упругости нити. При фиксированном значении параметров магнитного поля и упругой нити, а также геометрии, массы и плотности эталонного и изучаемого образца расплава электросопротивление однозначно связано с углом отклонения (закручивания нити) эталона или изучаемого образца, который определяют посредством фотоприемного устройства, например по наблюдению отраженного светового луча («зайчика») на шкале оптической линейки.It is known that the method of a rotating magnetic field used to determine the electrical resistivity of metal melts as a function of temperature is that a crucible with a measured melt sample or reference is suspended on an elastic, for example, nichrome, filament inside a high-temperature zone of a vacuum electric furnace in the region of a uniform constant magnetic field - see G.V. Tyagunov et al. Measurement of electrical resistivity by the method of rotating magnetic field, g. "Factory Laboratory", M., 2003, No. 2, t. 69, p. 35-37. This field is created by three pairs of coils powered by a 50 Hz three-phase power network, which are an analog of the stator of an induction motor. The field generates induction currents in the sample, which is an analog of the rotor of an induction motor, which creates a magnetic moment. The melt sample interacts with the magnetic field, creates a rotational mechanical moment, which is opposed by the elasticity of the thread. In this case, the rotation angle of the sample is functionally related to the electrical resistivity of the melt sample, the amplitude and frequency of the magnetic field, and the elastic coefficient of the thread. With a fixed value of the parameters of the magnetic field and the elastic filament, as well as the geometry, mass and density of the reference and studied melt samples, the electrical resistance is unambiguously related to the angle of deviation (twisting of the filament) of the standard or the studied sample, which is determined by a photodetector, for example, by observing the reflected light beam ( "Bunny") on the scale of the optical line.
Момент сил М, действующих на тигель с образцом металлического расплава с удельным электросопротивлением ρ в однородном магнитном поле напряженностью H, пропорционален частоте f, квадрату напряженности поля H и удельной электропроводности 1/ρ образца расплава. Иными словами, момент сил M закручивания упругой нити на угол φ при стабилизированном токе I в катушках и, следовательно, постоянном по величине вращающемся магнитном поле однозначно связан с удельным электросопротивлением ρ образца. Известна расчетная формула для сравнительного вычисления удельного электросопротивления ρ - см. вышеуказанное - Г.В.Тягунов и др. Измерение удельного электрического сопротивления методом вращающегося магнитного поля, ж. Заводская лаборатория, М., 2003, №2, т.69, стр.36, формула 1:The moment of forces M acting on a crucible with a sample of a metal melt with a specific electrical resistance ρ in a uniform magnetic field of intensity H is proportional to the frequency f, the square of the field strength H, and the
где m, m0 - массы исследуемого и эталонного образцов расплава соответственно; d, d0 - плотности исследуемого и эталонного образцов соответственно; ρ0 - удельное электросопротивление эталона; φ, φ0 - углы закручивания (поворота) исследуемого и эталонного образцов соответственно, равные угловому отклонению отраженного светового луча; I, I0 - ток, проходящий по катушкам источника вращающегося постоянного магнитного поля при исследовании образца и эталона соответственно.where m, m 0 are the masses of the studied and reference melt samples, respectively; d, d 0 are the densities of the test and reference samples, respectively; ρ 0 is the electrical resistivity of the standard; φ, φ 0 are the angles of twisting (rotation) of the investigated and reference samples, respectively, equal to the angular deviation of the reflected light beam; I, I 0 is the current passing through the coils of the source of a rotating constant magnetic field during the study of the sample and standard, respectively.
Основой вычисления кинематической вязкости ν расплавов путем бесконтактного фотометрического метода является ее связь с логарифмическим декрементом затухания δ:The basis for calculating the kinematic viscosity ν of melts by the non-contact photometric method is its relationship with the logarithmic damping decrement δ:
Кинематическую вязкость ν расплава определяют на основе измерения амплитуд затухающих колебаний Ai, логарифмического декремента затухания δ=ln(Ai/Ai+1), периодов Ti, временных значений τi, числа ni крутильных колебаний тигля с расплавом. При этом используют произвольное, пригодное для конкретной установки, число ni амплитуд Ai затухающих колебаний для определения декремента затухания δ. Более предпочтительно для искомого декремента затухания δ осуществлять расчет по преобразованной формуле - см. Г.В.Тягунов и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов, ж. Заводская лаборатория, 1980, №10, с.919-920:The kinematic viscosity ν of the melt is determined by measuring the amplitudes of the damped oscillations A i , the logarithmic damping decrement δ = ln (A i / A i + 1 ), the periods T i , the time values τ i , the number n i of torsional vibrations of the crucible with the melt. In this case, an arbitrary, suitable for a particular installation, number n i of amplitudes A i of damped oscillations is used to determine the damping decrement δ. It is more preferable for the desired attenuation decrement δ to calculate using 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 is the number of oscillations;
Ao, An - начальная и конечная амплитуды колебаний;A o , A n - the initial and final amplitudes of oscillations;
Vo, Vn - 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;
τo, τn, - начальное и конечное время прохождения светового луча между фотодатчиками или заданными точками измеряемых амплитуд.τ o , τ n , - the initial and final time of passage of the light beam between the photosensors or given points of the measured amplitudes.
Более высокую точность определения логарифмического декремента затухания 6 дает использование не амплитудных, а временных отрезков и их отношений, поскольку измерение временных отрезков может быть реализовано, например, посредством типовых частотомеров - хронометров с 8-10 значащими цифрами с высокой точностью. Компьютерное измерение временных отрезков, с учетом собственной высокой тактовой частоты компьютера, также обеспечивает выполнение расчетов с необходимой точностью, поскольку заполнение тактовыми импульсами этих временных отрезков превышает их длительность на 5-8 порядков.A higher accuracy in determining the
Известен нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости ν, основанный на определении посредством фотоприемного устройства параметров траектории отраженного светового луча, а именно, значений экспоненциального затухания (логарифмического декремента затухания δ) принудительно созданных посредством электромагнитного узла для осуществления крутильных колебаний, угловых отклонений тигля с расплавом, который подвешен в термической зоне вакуумной электропечи на упругой нити, путем наблюдения за положением отраженного светового луча («зайчика») на шкале полупрозрачной оптической линейки с использованием интегральных фотосенсоров - см. патент РФ №2386948 - аналог. Недостатком этого способа является невозможность одновременного с определением вязкости ν определения электрического сопротивления ρ расплава вследствие отсутствия в термической зоне вращающегося магнитного поля.Known non-stationary non-contact photometric method for determining the kinematic viscosity ν, based on the determination by means of a photodetector of the parameters of the path of the reflected light beam, namely, the values of exponential attenuation (logarithmic decrement damping δ) forcibly created by means of an electromagnetic unit for torsional vibrations, angular deviations of the crucible with the melt, which is suspended in the thermal zone of a vacuum electric furnace on an elastic thread, by observation and the position of the reflected light beam ( "Bunny") on the scale of a translucent optical line with integrated photosensors - see RF patent №2386948 -. analogue. The disadvantage of this method is the impossibility of simultaneously determining the electrical resistance ρ of the melt while determining the viscosity ν due to the absence of a rotating magnetic field in the thermal zone.
Известен нестационарный бесконтактный фотометрический способ определения кинематической вязкости ν методом крутильных колебаний и электрического сопротивления ρ методом вращающегося магнитного поля расплава посредством использования установки для реализации этого способа - см. Арсентьев П.П и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1988, стр.126-127 - аналог.Known non-stationary non-contact photometric method for determining the kinematic viscosity ν by the method of torsional vibrations and electric resistance ρ by the method of the rotating magnetic field of the melt by using the installation to implement this method - see Arsentiev P.P. et al. Physicochemical methods for studying metallurgical processes. M .: Metallurgy, 1988, pp. 126-127 - analogue.
Недостатками способа являются отсутствие в установке узла для создания крутильных колебаний тигля с расплавом, использование малых амплитуд и длительного, до десятков минут, затухания колебаний, противоречивые требования к объему образца, необходимость подбора токов в обмотках катушек, создающих вращающееся магнитное поле, чтобы отклонение подвесной системы не зависело от вязкости расплава, а также визуальный отсчет угла закручивания по стационарному положению светового зайчика на шкале. Это увеличивает время исследований, уменьшает точность определения обоих параметров, ограничивает область применения способа, снижает возможность исследований разных расплавов без существенной перенастройки установки.The disadvantages of the method are the lack of installation site for creating torsional vibrations of the crucible with the melt, the use of small amplitudes and long-lasting, up to tens of minutes, damping oscillations, conflicting requirements for the volume of the sample, the need to select currents in the windings of the coils creating a rotating magnetic field, so that the suspension system deviates It did not depend on the viscosity of the melt, as well as a visual reading of the angle of twist on the stationary position of the light bunny on the scale. This increases the research time, reduces the accuracy of the determination of both parameters, limits the scope of the method, reduces the possibility of researching different melts without significant reconfiguration of the installation.
Известен нестационарный бесконтактный фотометрический способ для бесконтактного измерения удельного электрического сопротивления ρ образца металлического расплава методом вращающегося магнитного поля - см. пат. РФ №2299425 - прототип, в котором используют находящееся в зоне нагрева вращающееся магнитное поле, создаваемое основным магнитным узлом, для создания крутильных колебаний тигля с образцом расплава, расположенного на конце упругой подвески, и временное дополнительное магнитное поле вне зоны нагрева, создаваемое дополнительным магнитным узлом, при этом фотометрически определяют параметры траектории отраженного светового луча, соответствующей углу поворота при крутильных колебаниях тигля с образцом расплава, посредством выходных электрических сигналов элементов фотоприемного устройства.Known non-stationary non-contact photometric method for non-contact measurement of electrical resistivity ρ of a sample of a metal melt by the method of a rotating magnetic field - see US Pat. RF №2299425 - a prototype that uses a rotating magnetic field in the heating zone created by the main magnetic unit to create torsional vibrations of the crucible with a melt sample located at the end of the elastic suspension, and a temporary additional magnetic field outside the heating zone created by the additional magnetic unit , while the parameters of the trajectory of the reflected light beam corresponding to the angle of rotation during torsional vibrations of the crucible with the melt sample are determined photometrically by means of output elec signals of the elements of the photodetector.
Недостатком способа является необходимость осуществления экспериментатором, в соответствии с его квалификацией, демпфирования собственных экспоненциально затухающих колебаний подвески с тиглем и расплавом в нем перед измерением путем временного, в течение дополнительных 0,5-5 минут, воздействия на подвеску дополнительного временного магнитного поля, создаваемого периодически включаемым экспериментатором дополнительным магнитным узлом, расположенным вне зоны действия вращающегося постоянного магнитного поля. Только после этого начинают собственно измерение электросопротивления ρ расплава методом вращающегося магнитного поля. В результате возрастает время измерения удельного электросопротивления ρ расплава в каждой температурной точке на вышеуказанные 0,5-5 минут, эксперимент усложняется и затягивается, примерно, на 1-4 часа, сохраняется влияние на эксперимент квалификации экспериментатора, существует риск угара расплава или его компонентов. Возможность использования способа и установки для его реализации при изучении кинематической вязкости в материалах прототипа не отмечена.The disadvantage of this method is the need for the experimenter, in accordance with his qualification, to damp the own exponentially decaying oscillations of the suspension with the crucible and the melt in it before measuring by temporarily, for an additional 0.5-5 minutes, the suspension has an additional temporary magnetic field generated periodically an additional magnetic unit switched on by the experimenter located outside the zone of action of the rotating constant magnetic field. Only after that the actual measurement of the electrical resistance ρ of the melt begins by the method of a rotating magnetic field. As a result, the measurement time of the specific electrical resistance ρ of the melt at each temperature point increases by the above 0.5-5 minutes, the experiment becomes more complicated and delayed by about 1-4 hours, the influence of the experimenter's qualifications on the experiment remains, there is a risk of fusion of the melt or its components. The possibility of using the method and installation for its implementation in the study of kinematic viscosity in the materials of the prototype is not marked.
Задачей предлагаемой группы изобретений является сокращение времени измерения обоих параметров, повышение достоверности и точности измерений в условиях быстроменяющейся величины параметров расплава при изменениях температуры, расширение функциональных возможностей, упрощение и удешевление эксперимента, а также обеспечение возможности снижения угара расплава или его компонентов.The objective of the proposed group of inventions is to reduce the measurement time of both parameters, increase the reliability and accuracy of measurements in the conditions of rapidly changing values of the melt parameters with temperature changes, expand the functionality, simplify and reduce the cost of the experiment, as well as provide the possibility of reducing the burning of the melt or its components.
Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения кинематической вязкости и электрического сопротивления металлических расплавов (варианты).To solve this problem, a method for measuring the kinematic viscosity and electrical resistance of metal melts (options) is proposed.
Способ измерения кинематической вязкости и электрического сопротивления металлического расплава, при котором определяют угол поворота исследуемого образца расплава, для чего используют находящееся в зоне нагрева исследуемого образца вращающееся магнитное поле, создаваемое основным магнитным узлом, и временное дополнительное магнитное поле вне зоны нагрева, создаваемое дополнительным магнитным узлом, при этом фотометрически определяют параметры траектории отраженного светового луча, соответствующей углу поворота при крутильных колебаниях тигля с образцом расплава, посредством выходных электрических сигналов фотоприемного устройства, отличающийся тем, что электрическое сопротивление расплава определяют с момента воздействия на него вращающимся магнитным полем путем измерения параметров соседних полупериодов одного из первых периодов траектории отраженного светового луча, после чего отключают вращающееся магнитное поле и определяют величину логарифмического декремента затухания, по значению которой рассчитывают кинематическую вязкость, причем во всех измерениях используют сравнение временных значений выходных сигналов фотоприемного устройства.A method for measuring the kinematic viscosity and electrical resistance of a metal melt, in which the angle of rotation of the studied melt sample is determined, for which a rotating magnetic field created by the main magnetic unit located in the heating zone of the studied sample and a temporary additional magnetic field outside the heating zone created by the additional magnetic unit are used , while the parameters of the trajectory of the reflected light beam corresponding to the angle of rotation at torsional fluctuations of the crucible with the melt sample, by means of the output electrical signals of the photodetector, characterized in that the electrical resistance of the melt is determined from the moment it is exposed to a rotating magnetic field by measuring the parameters of adjacent half-periods of one of the first periods of the reflected light ray path, after which the rotating magnetic field is turned off and determine the magnitude of the logarithmic attenuation decrement, by the value of which the kinematic viscosity is calculated, and in all of Measurements use a comparison of the temporal values of the output signals of the photodetector.
Способ измерения кинематической вязкости и электрического сопротивления металлического расплава, при котором определяют угол поворота исследуемого образца расплава, для чего используют находящееся в зоне нагрева исследуемого образца вращающееся магнитное поле, создаваемое основным магнитным узлом, и временное дополнительное магнитное поле вне зоны нагрева, создаваемое дополнительным магнитным узлом, при этом фотометрически определяют параметры траектории отраженного светового луча, соответствующей углу поворота при крутильных колебаниях тигля с образцом расплава, посредством выходных электрических сигналов фотоприемного устройства, отличающийся тем, что электрическое сопротивление расплава определяют с момента воздействия на него вращающимся магнитным полем путем измерения параметров соседних полупериодов одного из первых периодов траектории отраженного светового луча, после чего отключают вращающееся магнитное поле, включают временно дополнительное магнитное поле, после выключения которого определяют величину логарифмического декремента затухания, по значению которой рассчитывают кинематическую вязкость, причем во всех измерениях используют сравнение временных значений выходных сигналов фотоприемного устройства,A method for measuring the kinematic viscosity and electrical resistance of a metal melt, in which the angle of rotation of the studied melt sample is determined, for which a rotating magnetic field created by the main magnetic unit located in the heating zone of the studied sample and a temporary additional magnetic field outside the heating zone created by the additional magnetic unit are used , while the parameters of the trajectory of the reflected light beam corresponding to the angle of rotation at torsional oscillations of the crucible with the melt sample, by means of the output electrical signals of the photodetector, characterized in that the electrical resistance of the melt is determined from the moment it is exposed to a rotating magnetic field by measuring the parameters of adjacent half-periods of one of the first periods of the trajectory of the reflected light beam, after which the rotating magnetic field is turned off, include temporarily an additional magnetic field, after turning off which determine the magnitude of the logarithmic decrement, wherein the value of kinematic viscosity is calculated, and is used in all measurements comparison of time values of output signals of the photodetector device,
Способ измерения кинематической вязкости и электрического сопротивления металлического расплава, при котором определяют угол поворота исследуемого образца расплава, для чего используют находящееся в зоне нагрева исследуемого образца вращающееся магнитное поле, создаваемое основным магнитным узлом, и временное дополнительное магнитное поле вне зоны нагрева, создаваемое дополнительным магнитным узлом, при этом фотометрически определяют параметры траектории отраженного светового луча, соответствующей углу поворота при крутильных колебаниях тигля с образцом расплава, посредством выходных электрических сигналов фотоприемного устройства, отличающийся тем, что электрическое сопротивление расплава определяют с момента воздействия на него вращающимся магнитным полем путем измерения параметров соседних полупериодов одного из первых периодов траектории отраженного светового луча, после чего, не отключая вращающееся магнитное поле, включают временно дополнительное магнитное поле, после выключения которого определяют величину логарифмического декремента затухания, по значению которой рассчитывают кинематическую вязкость, причем во всех измерениях используют сравнение временных значений выходных сигналов фотоприемного устройства,A method for measuring the kinematic viscosity and electrical resistance of a metal melt, in which the angle of rotation of the studied melt sample is determined, for which a rotating magnetic field created by the main magnetic unit located in the heating zone of the studied sample and a temporary additional magnetic field outside the heating zone created by the additional magnetic unit are used , while the parameters of the trajectory of the reflected light beam corresponding to the angle of rotation at torsional fluctuations of the crucible with the melt sample, by means of the output electrical signals of the photodetector, characterized in that the electrical resistance of the melt is determined from the moment it is exposed to a rotating magnetic field by measuring the parameters of adjacent half-periods of one of the first periods of the reflected light ray path, after which, without turning off the rotating magnetic field, include temporarily an additional magnetic field, after turning off which determine the magnitude of the logarithmic attenuation decrement , The value of which is calculated kinematic viscosity, which is used in all measurements comparison of time values of output signals of the photodetector device,
Кроме того, в качестве исходного параметра при расчете электрического сопротивления расплава используют модуль разности длительностей импульсных выходных сигналов фотоприемного устройства от соседних полупериодов траектории отраженного светового луча.In addition, as the initial parameter in calculating the electrical resistance of the melt, a module of the duration difference of the pulse output signals of the photodetector from neighboring half-periods of the trajectory of the reflected light beam is used.
Кроме того, в качестве фотоприемного устройства используют устройство, состоящее из N фотосенсоров, где N - целое число.In addition, as a photodetector, a device consisting of N photosensors is used, where N is an integer.
Совокупность отличительных признаков предложенных технических решений обеспечивает возможность сокращения времени измерения, повышения объективности, достоверности и точности измерений кинематической вязкости и удельного электрического сопротивления металлического расплава путем отсчета углов поворота исследуемого образца в условиях быстроменяющейся температуры, упрощения и удешевления эксперимента, а также снижения угара расплава или его компонентов.The combination of distinctive features of the proposed technical solutions provides the possibility of reducing the measurement time, increasing the objectivity, reliability and accuracy of measuring the kinematic viscosity and electrical resistivity of the metal melt by counting the rotation angles of the test sample under conditions of rapidly changing temperature, simplifying and cheapening the experiment, as well as reducing the burning of the melt or its components.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:
фиг.1 Блок-схема измерительного комплекса;figure 1 is a block diagram of a measuring complex;
фиг.2. Траектория отраженного светового луча, соответствующая крутильным колебаниям тигля с образцом расплава;figure 2. The trajectory of the reflected light beam, corresponding to the torsional vibrations of the crucible with a melt sample;
фиг.3. Траектория отраженного светового луча при определении вязкости и электрического сопротивления по первому варианту;figure 3. The trajectory of the reflected light beam when determining the viscosity and electrical resistance according to the first embodiment;
фиг.4. Траектория отраженного светового луча при определении вязкости и электрического сопротивления по второму варианту;figure 4. The trajectory of the reflected light beam when determining the viscosity and electrical resistance according to the second embodiment;
фиг.5. Траектория отраженного светового луча при определении вязкости и электрического сопротивления по третьему варианту;figure 5. The trajectory of the reflected light beam when determining the viscosity and electrical resistance according to the third embodiment;
фиг.6. Основные осциллограммы оптических и электрических сигналов;Fig.6. Basic waveforms of optical and electrical signals;
фиг.7. Алгоритм определения угла поворота тигля с образцом расплава.Fig.7. Algorithm for determining the angle of rotation of the crucible with a melt sample.
Установка для реализации вариантов способа бесконтактного измерения кинематической вязкости и удельного электрического сопротивления металлического расплава методом вращающегося магнитного поля приведена на фиг.1. Устройство содержит компьютер (на фиг.1 не показано), вакуумную электропечь 1, в зоне нагрева которой на подвеске 2 коаксиально подвешен тигель 3 для размещения в нем исследуемого образца, соединенный с упругой частью подвески 2 с помощью керамического стержня 4. Основной источник 5 вращающегося постоянного магнитного поля, магнитная система которого расположена вокруг вакуумной печи 1, расположен в области высокотемпературной зоны, создаваемой коаксиальным цилиндрическим нагревателем 6, питающимся от трехфазной силовой сети (на фиг.1 не показано). На верхнем конце керамического стержня 4 зафиксирован магнитный элемент 7, например, выполненный в виде цилиндра. Дополнительный источник 8 временного дополнительного магнитного поля, магнитная система которого расположена вокруг магнитного элемента 7, размещен вне зоны нагрева тигля 3 с исследуемым образцом металлического расплава и вне зоны действия вращающегося постоянного магнитного поля основного источника 5. Оптическое измерительное устройство состоит из зеркала 9, закрепленного на верхнем конце керамического стержня 4, источника света 10 и фотоприемного устройства 11.Installation for implementing variants of the method of non-contact measurement of kinematic viscosity and electrical resistivity of a metal melt by the method of a rotating magnetic field is shown in figure 1. The device comprises a computer (not shown in FIG. 1), a vacuum
В качестве упругой части подвески 2 используется нихромовая нить длиной около 650 и диаметром 0,08 мм. Объем образца исследуемого металлического расплава в тигле 3 составляет 0,5 см куб. Магнитная система источника 5 вращающегося постоянного магнитного поля выполнена в виде катушек статора трехфазного электродвигателя с суммарной потребляемой мощностью, примерно, 650 Вт и запитана от трехфазного стабилизатора питания (на схеме не показан) через переключатель направления вращения магнитного поля (на схеме не показан). Коаксиальный молибденовый нагреватель 6, обеспечивающий изотермическую зону, включен постоянно в течение всего эксперимента. Зеркало 7 имеет площадь 1 см кв., свет попадает на него от источника света 8, например лампы накаливания или светодиода, через окно-иллюминатор (на схеме не показано) и отражается на фотоприемное устройство 11, состоящее из симметричной горизонтальной полупрозрачной оптической линейки с ценой деления 1 мм и длиной 500 мм (с нулем шкалы посередине), на которой зафиксированы малогабаритные фотоэлементы в виде интегральных фотосенсоров TSL250 фирмы TAOS - см. каталог ELFA - 55, 2007, р. 812, в количестве N, например 11 штук (на схеме не показано), которые зафиксированы, например, на межцентровом расстоянии (измерительной базе) L=50 мм друг от друга, симметрично относительно центра шкалы, в котором помещен один фотосенсор. Функционально фотосенсор в центре симметричной полупрозрачной оптической линейки фотоприемного устройства 11 является основным, остальные фотосенсоры - вспомогательные. Выходные сигналы фотоприемного устройства 11 могут быть представлены в этом случае в виде N-канальной (N=11 каналов в данном случае) последовательности импульсов. Определение временных параметров τi; выходных электрических сигналов фотоприемного устройства 11 может быть осуществлено при подаче их по шине данных на вход серийного прибора - программного реверсивного счетчика Ф5007 или алгоритмически посредством персонального компьютера.As the elastic part of the
Измерение удельного электросопротивления ρ осуществляется следующим образом. Подготавливают разноразмерные эталонный и изучаемый образцы, у которых определяют массу и плотность. Затем проводят два одинаковых эксперимента - градуировочный, с эталоном, например, с монокристаллом вольфрама с известными электросопротивлением и плотностью, а после - с измеряемым образцом. Эталонный образец в тигле 3 подвешивают в вакуумную электропечь 1 в район высокотемпературной изотермической зоны, включают фотоприемное устройство 11 и отраженный световой луч от зеркала 7 устанавливают в центре симметричной полупрозрачной оптической линейки фотоприемного устройства 11, при этом засвечивают центральный фотосенсор. Затем создают вакуум до 0,01 Па, после чего производят нагрев изотермической зоны электропечи 1 коаксиальным нагревателем 6 до температуры, с которой начинается процесс снятия данных для измерений. При прогреве до нужной температуры включают вращающееся магнитное поле посредством включения источника 5 этого поля.The electrical resistivity ρ is measured as follows. Prepare different sized reference and studied samples, which determine the mass and density. Then, two identical experiments are carried out - a calibration one, with a standard, for example, a tungsten single crystal with known electrical resistance and density, and then with a measured sample. The reference sample in the
Колебательная траектория отраженного светового луча 12 при вращательных колебаниях подвески 2 с тиглем 3 с образцом расплава, начиная с начального момента - включения вращающегося магнитного поля, приведена на фиг.2. Сначала проводят определение удельного электрического сопротивления ρ металлического расплава, затем включают дополнительное временное магнитное поле посредством включения источника 8 этого поля, после отключения которого определяют логарифмический декремент затухания δ для вычисления кинематической вязкости ν. В обоих случаях используют определение временных данных ряда текущих значений траектория отраженного светового луча 12 и их соотношений посредством регистрации момента срабатывания освещаемых элементов фотоприемного устройства 11, в результате чего на выходной шине фотоприемного устройства 11 (на фиг.1 не показано) появляются выходные электрические сигналы. Они вводятся в компьютер (на фиг.1 не показано) посредством, например, USB или СОМ - порта.The oscillatory trajectory of the reflected
На фиг.3, 4 и 5 проиллюстрированы варианты колебательной траектории отраженного светового луча 12, иллюстрирующие ее динамику соответственно при первом, втором и третьем вариантах способа измерения кинематической вязкости ν и электрического сопротивления ρ металлического расплава в одной температурной точке. Колебания отраженного светового луча 12 затухают по экспоненциальному закону 13, стремясь к установлению, примерно за 10 минут, конечного значения угла поворота φк, соответствующего значению удельного электрического сопротивления ρ измеряемого металлического расплава в данной температурной точке. Определение величин временных отрезков, необходимых для вычисления логарифмического декремента затухания δ и дальнейшего вычисления кинематической вязкости ν измеряемого металлического расплава в данной температурной точке, начинают через 1-2 собственных колебания после выключения экспериментатором в момент τoff основного вращающего поля, по первому варианту, и в момент выключения τoff доп дополнительного временного магнитного поля по второму и третьему вариантам. Момент включения τon доп дополнительного временного магнитного поля, одновременный с моментом τoff выключения основного вращающего магнитного поля, определяет экспериментатор, при этом нарастание амплитуды крутильных колебаний после включения дополнительного временного магнитного поля 14 приблизительно соответствует закону (1-eх). Способ определения логарифмического декремента затухания δ и дальнейшего вычисления кинематической вязкости ν измеряемого металлического расплава в данной температурной точке соответствует, например, предложенному в вышеуказанном пат. РФ №2386948, либо может быть реализован на основе алгоритма, приведенного на фиг.7.Figure 3, 4 and 5 illustrate variants of the oscillatory trajectory of the reflected
Определение удельного электрического сопротивления ρ измеряемого металлического расплава в данной температурной точке заслуживает отдельного рассмотрения и иллюстрируется осциллограммами, приведенными на фиг.6. Они иллюстрируют определение временных отрезков 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1, их соотношений и соответствующих им импульсных сигналов 17 Um, 18 Un. В начальный момент времени τ0, перед включением вращающегося магнитного поля, отраженный световой луч 12 устанавливают котировочным узлом фотоприемного устройства 11 (на фиг.1 не показано) на центральном фотосенсоре фотоприемного устройства 11 (в центре симметричной полупрозрачной оптической линейки), который вырабатывает соответствующий импульсный сигнал U0 (на фиг.6 не показано), являющийся выходным сигналом фотоприемного устройства 11 и стартовым сигналом для компьютера, который через выходную шину фотоприемного устройства 11 вводится в компьютер (на фиг.1 не показано) посредством, например, USB или СОМ-порта.The determination of the electrical resistivity ρ of the measured metal melt at a given temperature point deserves separate consideration and is illustrated by the oscillograms shown in Fig.6. They illustrate the definition of
В результате воздействия на образец расплава вращающегося магнитного поля и соответствующего колебательного (углового) отклонения траектории отраженного светового луча 12 прекращается освещение центрального фотосенсора фотоприемного устройства 11, а электрический сигнал на выходе фотоприемного устройства 11 Ui=0. В момент τ1, соответствующий концу первого полупериода и началу второго, соседнего полупериода колебательной траектории отраженного светового луча 12, происходит кратковременное, в несколько долей секунды, освещение центрального фотосенсора фотоприемного устройства 11, на выходе которого снова появляется и исчезает соответствующий кратковременный электрический сигнал U (на схеме не показан).As a result of the exposure of the melt sample to a rotating magnetic field and the corresponding vibrational (angular) deviation of the trajectory of the reflected
В момент τ2, соответствующий концу одного периода и началу следующего, соседнего периода колебательной траектории отраженного светового луча 12, снова происходит кратковременное освещение фотосенсора фотоприемного устройства 11, на выходе которого снова появляется и исчезает соответствующий сигнал U. Передний фронт сигнала U в момент τ0 является сигналом начала процедуры измерений и старта компьютерной программы оцифровки колебательной траектории светового луча 12, определения временных параметров 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1, посредством подсчета количества заполняющих эти временные отрезки импульсов 17 Um, 18 Un, величины их разности 19 (Um-Un) и 20 (Um-Un), модуля этой величины 21 |(Um-Un)| и вычисления угла поворота φк по этим величинам. В случае нулевого угла φ значения временных отрезков 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1 одинаковы, количество импульсов на этих отрезках 17 Um, 18 Un также одинаковое, соответственно их разность 19 (Um-Un) и ее модуль 21 |(Um-Un)| равны нулю.At the moment τ 2 , which corresponds to the end of one period and the beginning of the next neighboring period of the oscillatory trajectory of the reflected
В случае 20 (Um-Un)≠0, при наличии вращающегося магнитного поля, временные параметры 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1 пропорциональны ненулевой величине угла φ отклонения траектории светового луча 12. Величина модуля разности 21 | (Um - Un) | временных параметров 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1 отражает значения угла φ отклонения траектории светового луча 12. Начинать процедуру измерений желательно не ранее второго полупериода первого колебания, чтобы исключить влияние на результаты измерения переходного процесса после включения вращающегося магнитного поля.In the case of 20 (U m -U n ) ≠ 0, in the presence of a rotating magnetic field, the
Два временных отрезка 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1 имеют длительность в доли периода, реально - единицы секунд, соответствуют соседним полупериодам колебательной траектории светового луча 12 с электрическим сигналом 17 Um и 18 Un. Тактовая частота импульсов компьютера выше 100 МГц, что обеспечивает выполнение расчетов с необходимой точностью, при этом заполнение тактовыми импульсами вышеуказанных временных отрезков превышает их на 5-8 порядков. Это обеспечивает их подсчет компьютером в случае определения временных интервалов 15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1 выходных электрических сигналов фотоприемного устройства 11, разности между ними 19, 20 и вычислении модуля 21 этой разности, по которому определяют угол φ отклонения тигля 3 с исследуемым образцом расплава. На фиг.7 приведен алгоритм определения угла φ отклонения тигля с образцом расплава при определении обоих его параметров - кинематической вязкости и электрического сопротивления.Two
В случае возможного смещения колебаний светового луча 12 вне зоны действия центрального фотосенсора фотоприемного устройства 11, его роль выполняет тот из N вспомогательных фотосенсоров, соединенных шиной данных с компьютером, например, через схему «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», который в данный момент освещается отраженным световым лучом 12. При этом каждый из них может быть идентифицирован со своим номером сигналом, содержащим информацию о номере фотосенсора, например кодовое сочетание из нескольких добавочных импульсов, и соответствует своему диапазону углов φ отклонения тигля 3 с исследуемым образцом расплава. Процедура выполнения эксперимента при этом не меняется.In the case of possible displacement of the oscillations of the
Определение в данной температурной точке угла φ отклонения тигля 3 с исследуемым образцом при измерении электрического сопротивления ρ металлического расплава методом вращающегося магнитного поля путем измерения двух временных значений выходных сигналов фотоприемного устройства 11:15 τm=τ1-τ0 и 16 τn=τ2-τ1, соответствующих соседним полупериодам одного из первых колебаний траектории светового луча 12, с учетом периода собственных колебаний в 5-10 секунд, позволяет получить значение этого угла за время, близкое к длительности одного-двух периода собственных колебаний, что сокращает общее время эксперимента, примерно, на 1-4 часа. Это обеспечивает повышение объективности, достоверности и точности измерений в условиях быстроменяющейся величины электросопротивления ρ расплава при изменениях температуры. Определение кинематической вязкости ν при этом происходит без дополнительных подготовительных процедур, а также подготовки заново измерительной установки, по сути дела - в ускоренном режиме, через несколько периодов колебаний, после определения электросопротивления ρ расплава.Determination at a given temperature point of the angle φ of the deviation of the
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает сокращение времени определения параметров кинематической вязкости и электрического сопротивления расплава, повышение достоверности и точности измерений в условиях быстроменяющейся величины параметров расплава при изменениях температуры, расширение функциональных возможностей, упрощение и удешевление эксперимента, а также обеспечивает возможность снижения угара расплава или его компонентов в ходе эксперимента.The proposed group of inventions reduces the time it takes to determine the parameters of kinematic viscosity and electrical resistance of the melt, increase the reliability and accuracy of measurements under conditions of rapidly changing values of the parameters of the melt with temperature changes, expand the functionality, simplify and cheapen the experiment, and also make it possible to reduce the burning of the melt or its components in the course of the experiment.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143212/28A RU2454656C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143212/28A RU2454656C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010143212A RU2010143212A (en) | 2012-04-27 |
| RU2454656C1 true RU2454656C1 (en) | 2012-06-27 |
Family
ID=46297177
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010143212/28A RU2454656C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2454656C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2531056C1 (en) * | 2013-06-25 | 2014-10-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method and device for contactless measurement of specific electric resistance of metal alloy by method of rotary magnetic field |
| CN105891050A (en) * | 2016-03-31 | 2016-08-24 | 山东大学 | Variable magnetic field high-temperature melt oscillation viscometer and rapid measurement method thereof |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2299425C1 (en) * | 2005-12-08 | 2007-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" | Method for the non-contact measurement of the electric resistance of the metallic solid sample or its smelt by the method of the rotating magnetic field and the device for its realization |
| RU94706U1 (en) * | 2009-11-03 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | CRUEL DEVICE |
-
2010
- 2010-10-21 RU RU2010143212/28A patent/RU2454656C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2299425C1 (en) * | 2005-12-08 | 2007-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет-УПИ" | Method for the non-contact measurement of the electric resistance of the metallic solid sample or its smelt by the method of the rotating magnetic field and the device for its realization |
| RU94706U1 (en) * | 2009-11-03 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | CRUEL DEVICE |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Тягунов Г.В. и др. Измерение удельного электрического сопротивления методом вращающегося магнитного поля. - Заводская лаборатория. - М., №2, т.69, с.35-37, 2003. Тягунов Г.В. и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов. - Заводская лаборатория, №10, с.919-920, 1980. Арсентьев П.П. и др. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. - М.: Металлургия, с.126-127, 1988. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2531056C1 (en) * | 2013-06-25 | 2014-10-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Method and device for contactless measurement of specific electric resistance of metal alloy by method of rotary magnetic field |
| CN105891050A (en) * | 2016-03-31 | 2016-08-24 | 山东大学 | Variable magnetic field high-temperature melt oscillation viscometer and rapid measurement method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010143212A (en) | 2012-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN205826173U (en) | A kind of test system of quick response hot thermocouple response time | |
| RU2366925C1 (en) | Method for non-contact measurement of metal melts viscosity and device for its realisation | |
| RU2349898C1 (en) | Contactless viscosity measuring method for high-temperature metal melt and related device (versions) | |
| RU2454656C1 (en) | Method of measuring kinematic viscosity and electrical resistance of molten metal (versions) | |
| SE435967B (en) | FIBEROPTICAL LUMINISCENSMETON | |
| RU2386948C2 (en) | Method for detection of attenuation decrement in contactless measurement of viscosity of high-temperature metal melts | |
| RU2457473C2 (en) | Method of measuring electrical resistance of molten metal through rotating magnetic field method | |
| RU2299425C1 (en) | Method for the non-contact measurement of the electric resistance of the metallic solid sample or its smelt by the method of the rotating magnetic field and the device for its realization | |
| RU101192U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING KINEMATIC MELT VISCOSITY | |
| US2652743A (en) | Optical apparatus for measuring temperature | |
| RU2473883C2 (en) | Apparatus for contactless photometric determination of characteristics of molten metal | |
| RU2531056C1 (en) | Method and device for contactless measurement of specific electric resistance of metal alloy by method of rotary magnetic field | |
| RU2498267C1 (en) | Rapid diagnostics method of homogeneity of high-temperature molten metals | |
| RU2408002C1 (en) | Procedure for non-contact measurement of viscosity of high temperature melt | |
| Singh et al. | Electromagnetic induction and damping: Quantitative experiments using a PC interface | |
| RU2447421C2 (en) | Method and device for measuring melt kinematic viscosity | |
| Napolitano et al. | A wide-range (up to 1010 P) rotating cylinder viscometer | |
| US1604409A (en) | Method of measuring the viscosity of liquid or liquiform materials | |
| US11927587B2 (en) | Thrombelastography device, heating apparatus, blood coagulation analysis system and rotational angle measurement method | |
| RU2629699C1 (en) | Device for photometric determination of specific electrical resistivity of molten metals | |
| RU2569173C1 (en) | Viscosimeter | |
| RU2583343C1 (en) | Method for determining intensity of structural adjustment of melts of high-temperature alloys | |
| RU188056U1 (en) | Suspension Fixing Assembly | |
| RU2478935C1 (en) | Method of determining curie point of high-temperature ferromagnetic metal alloys | |
| CN108387487A (en) | Magnetic hydrogel uniformity Nondestructive Evaluation method based on alternating magnetic field pulsed infrared |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121022 |