TWI477753B - Very low impact testing mechanism - Google Patents

Description

極低衝擊力的測試機構

本發明是有關於一種偵測裝置(instrument)，特別是指一種極低衝擊力的測試機構。

極低衝擊力的測試機構主要是用於檢測連續鑄造機(continuous casting machine)，由煉鋼廠(steelmaking plant)在實施連續鑄造製程(continuous casting process)時所應用，其可見有噴水感測裝置(spray sensor)。

參圖1，說明一個連鑄機1之一個鑄道(strand)10內的運作狀態。該鑄道10是由多數對對稱設置的輥輪11所共同界定而成，且一尚未完全凝固的扁鋼胚(slab with molten steel)12是夾置於每對輥輪11間(即，位於該鑄道10中)，以透過該等輥輪11帶動該扁鋼胚12朝該鑄道10的一出口方向移動。由於該扁鋼胚12只有在其外表面凝固，其內部還是呈現熔融狀態；因此，必須在該等輥輪11之間透過設置於該連鑄機1內的數百根二冷噴嘴(即，二次冷卻噴嘴，Spray nozzles in secondary cooling zones)13來冷卻該扁鋼胚12，同時也冷卻各輥輪11以避免各輥輪11因過熱而損毀。然而，一旦過多的二冷噴嘴13發生堵塞的 問題，該扁鋼胚12便會冷卻不足，並在輥輪11間產生凸肚引發內裂(internal crack)或表面裂紋(surface crack)等問題；甚至使得完全凝固後之扁鋼胚12的凝固位置偏離，以影響後續製程並導致鋼胚中心偏析(central segregation)。

因此，為確保各二冷噴嘴13具有穩定的出水量，煉鋼廠在實施連續鑄造製程時，則需要透過一安裝有一應變規(strain gauge)或一加速規(accelerometer)的輥縫儀(roller checker)來偵測二冷噴嘴13噴水分佈是否均勻或者是否堵塞。多數噴水感測裝置是利用應變規或加速規做成，並以其偵測二冷噴嘴13的噴水均勻性是否符合連續鑄造製程上的需求。

應用於連續鑄造製程的噴水感測裝置多半是由設備廠商自行開發設計，如，英國的Sarclad與韓國的Power Mn&C兩家設備廠商。然而，此等噴水感測裝置並不是市售標準的感測器，其缺乏適當的校驗設備校正其信號的準確性，實務上大多是透過手指敲打的方式來確認噴水感測裝置是否有反應，並無量化的測試結果。因此，僅能採用實驗室型的設備(如圖2所示)來對此等噴水感測裝置進行訊號校正。

參圖2，一種實驗室型的噴水感測裝置2，是用來校正其電訊號的準性性，且是應用於一連續鑄造製程。該噴水感測裝置2包含一個載台21、一個固定於該載台21上的應變規22、一個電連接於該應變規22的電源供應器23、一個電連接於該應變規22與該電源供應器23的示波 器(oscilloscope)24、一個伺服馬達(servo motor)25、一個連接於該伺服馬達25的滾珠螺桿(ball screw shaft)26，及一個朝該應變規22灑水的二冷噴嘴27。

該滾珠螺桿26是連接於該載台21，並透過該伺服馬達25帶動該滾珠螺桿26轉動，以使連接於該滾珠螺桿26的載台21被該滾珠螺桿26所帶動，從而使得該應變規22可以產生位移。當該噴水感測裝置2於實際運作時，必須透過兩個互相配合的使用者來操作。其中一個使用者必須先控制該二冷噴嘴27以使水噴灑在該應變規22上，其中另一個使用者則是必須控制該伺服馬達25以使該載台21上的應變規22產生位移。該應變規22於接收水的衝擊後所產生的物理變化，便形成電訊號並由該示波器24所接收。藉此，該示波器24則可顯示出該應變規22的訊號變化並藉以確認出該應變規22的準確性。

該噴水感測裝置2雖然可以確認出該應變規22的準確性，以避免精度差或故障的應變規22被送入該連鑄機1內偵測二冷噴嘴13的噴水分佈均勻性，影響該扁鋼胚12的品質。然而，該噴水測試裝置2終究得透過兩個使用者來操作其運作，操作程序較為繁瑣，並造成使用者的不便。

經上述說明可知，改良極低衝擊力的測試機構(如，噴水感測裝置)的結構設計，以簡化其操作程序並方便使用者來操控，是此技術領域者所需改進的課題。

<發明概要>

實際噴水對薄板的衝擊力，是相當於源源不絕的小水珠持續不斷地撞擊薄板。因此，本發明是基於「微重量撞擊」的概念，來做為設計極低衝擊力的測試機構(即，噴水測試裝置)的基礎。此外，本發明只要使得不同「微重量」的落體皆可準確地撞擊在一感測單元的同一位置上，該感測單元便可取得不同「微重量」的落體「撞擊」於該「單一位置」的震盪反應。

因此，本發明之目的，即在提供一種結構簡單、操作程序簡化且利於使用者操控的極低衝擊力的測試機構。

於是本發明極低衝擊力的測試機構，包含：一個載座單元、一個支架單元、一個電磁鐵(electromagnet)、一個應力感測單元、一個磁性體(magnetic body)、一個線圈(coil)單元、一個電源供應單元、一個電訊號處理單元，及一個開關(switch)單元。

該載座單元具有一個基座及一個載板，該載板沿該載板的一中心軸線固定於該基座，並具有相反的一第一表面及一第二表面。該支架單元固定於該基座上。該電磁鐵沿該中心軸線固定於該支架單元並具有一個自由端部，該電磁鐵的自由端部遠離該支架單元並沿該中心軸線朝該載板的第一表面延伸。該應力感測單元沿該中心軸線固定於該載板的第二表面。該磁性體沿該中心軸線點接觸於該電磁鐵的自由端部。該線圈單元圍繞住該電磁鐵並具 有相反的一第一端及一第二端。該電源供應單元電連接於該應力感測單元與該線圈單元的第一端。該電訊號處理單元電連接於該電源供應單元與該應力感測單元。該開關單元電連接於該電源供應單元與該線圈單元的第二端，並能在一第一位置及一第二位置間切換，以使該電磁鐵的自由端部分別產生相反的一第一磁性及一第二磁性。

其中，當該電磁鐵的自由端部產生該第一磁性時，能吸住該磁性體，當該電磁鐵的自由端部產生該第二磁性時，能使該磁性體沿該中心軸線自由掉落於該載板。

本發明之功效在於：該極低衝擊力的測試機構的結構簡單，且簡化了使用者或操作者於實施上的操作程序以方便使用者來操作。

3‧‧‧載座單元

31‧‧‧基座

32‧‧‧載板

321‧‧‧第一表面

322‧‧‧第二表面

4‧‧‧支架單元

41‧‧‧縱向支撐桿

42‧‧‧橫向懸臂

43‧‧‧第一螺桿

44‧‧‧第二螺桿

51‧‧‧電磁鐵

511‧‧‧自由端部

52‧‧‧磁性體

53‧‧‧線圈單元

531‧‧‧第一端

532‧‧‧第二端

6‧‧‧應力感測單元

7‧‧‧電源供應單元

71‧‧‧第一電源

711‧‧‧第一端

72‧‧‧第二電源

721‧‧‧第二端

8‧‧‧電訊號處理單元

9‧‧‧開關單元

91‧‧‧第一端

92‧‧‧第二端

93‧‧‧第三端

Q‧‧‧中心軸線

X‧‧‧橫向懸臂的軸線

Y‧‧‧縱向支撐桿的軸線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部立體圖，說明一個連鑄機之一個鑄道內的運作狀態；圖2是一示意圖，說明一種現有的噴水感測裝置；圖3是一局部立體圖，說明本發明極低衝擊力的測試機構的一較佳實施例；圖4是一示意圖，說明本發明該較佳實施例之各元件間的連接關係；圖5是一電路圖，說明本發明該較佳實施例之一個開關單元切換至一第一位置時的狀態； 圖6是一電路圖，說明本發明該較佳實施例之開關單元切換至一第二位置時的狀態；圖7一輸出電壓(V)對時間(sec)曲線圖，說明本發明該較佳實施例的一應力感測單元(即，加速規)經不同重量之鋼珠所取得的電訊號；及圖8一飽和時間(sec)對實際重量(g)曲線圖，說明本發明該較佳實施例之應力感測單元(即，加速規)的校正曲線。

參閱圖3及圖4，本發明極低衝擊力的測試機構的一較佳實施例，是做為一應用於一連續鑄造製程中的噴水感測裝置使用，並用以校正該較佳實施例的電訊號的準性性。本發明該較佳實施例之極低衝擊力的測試機構包含：一個載座單元3、一個支架單元4、一個電磁鐵51、一個應力感測單元6、一個磁性體52、一個線圈單元53、一個電源供應單元7、一個電訊號處理單元8，及一個開關單元9。適用於本發明該較佳實施例的應力感測單元6是由一個應變規或是一個加速規所構成。在本發明該較佳實施例中，該應力感測單元6及該電訊號處理單元8，分別是一個型號為Knowles BU-21771-000的加速規及一個示波器。

該載座單元3具有一個由不銹鋼(stainless steel)所構成的基座31及一個載板32。該載板32沿該載板32的一中心軸線Q固定於該基座31，並具有相反的一第一表面321及一第二表面322。該支架單元4固定於該基座31 上。

參圖3、圖4及圖5，該電磁鐵51沿該中心軸線Q固定於該支架單元4並具有一個自由端部511。該電磁鐵51的自由端部511遠離該支架單元4，並沿該中心軸線Q朝該載板32的第一表面321延伸。該應力感測單元6沿該中心軸線Q固定於該載板32的第二表面322。該磁性體52沿該中心軸線Q點接觸於該電磁鐵51的自由端部511。在本發明該較佳實施例中，該電磁鐵51的自由端部511是呈尖銳狀，且該磁性體52是一個鋼球(steel ball)，以使該磁性體52透過重力(gravitation)作用以自動對位，並沿該中心軸線Q點接觸於該電磁鐵51的自由端部511。

該線圈單元53圍繞住該電磁鐵51，並具有相反的一第一端531及一第二端532。該電源供應單元7電連接於該應力感測單元6與該線圈單元53的第一端531。該電訊號處理單元8電連接於該電源供應單元7與該應力感測單元6。該開關單元9電連接於該電源供應單元7與該線圈單元53的第二端532，並能在一第一位置及一第二位置間切換，以使該電磁鐵51的自由端部511分別產生相反的一第一磁性及一第二磁性。

當該電磁鐵51的自由端部511產生該第一磁性時，能吸住該磁性體52，當該電磁鐵51的自由端部511產生該第二磁性時，能迫使該磁性體52沿該中心軸線Q掉落於該載板32。

再參圖3與圖4，該支架單元4具有一個縱向支 撐桿41、一個橫向懸臂42、一個第一螺桿43及一個第二螺桿44。該縱向支撐桿41是沿該縱向支撐桿41的一軸線Y垂直地軸設於該基座31。該橫向懸臂42是沿該橫向懸臂42的一軸線X水平地軸設於該縱向支撐桿41的一頂部，且該電磁鐵51是沿該中心軸線Q垂直地軸設於該支架單元4的橫向懸臂42。該第一螺桿43是沿該縱向支撐桿41的軸線Y軸設於該縱向支撐桿41的一頂端，調節該第一螺桿43能使該橫向懸臂42水平地左右移動，也能將該橫向懸臂42固定於該縱向支撐桿41。該第二螺桿44是沿該橫向懸臂42的軸線X軸設於該橫向懸臂42的一外端，調節該第二螺桿44能使該電磁鐵51垂直地上下移動，也能將該電磁鐵51固定於該橫向懸臂42。

再參圖4及圖5並圖6，在本發明該較佳實施例中，該電源供應單元7具有依序串接(series)的一個第一電源71及一個第二電源72；該開關單元9具有一個第一端91、一個第二端92及一個第三端93；該線圈單元53是單一捲繞方向的單一線圈。該線圈單元53的第一端531電連接於該第一電源71與該第二電源72之間。該開關單元9的第一端91電連接於該第一電源71的一第一端(即，正極)711，該開關單元9的第二端92電連接於該第二電源72的一第二端(即，負極)721，且該開關單元9的第三端93電連接於該線圈單元53的第二端532。

當該開關單元9切換至該第一位置(如圖5所示)時，該開關單元9的第三端93電接觸於該開關單元9的第 一端91，以使電流自該線圈單元53的第二端532朝其第一端531流動，從而使該電磁鐵51的自由端部511產生該第一磁性並吸住該磁性體52；當該開關單元9切換至該第二位置(如圖6所示)時，該開關單元9的第三端93電接觸於該開關單元9的第二端92，以使電流自該線圈單元53的第一端531朝其第二端532流動，從而使該電磁鐵51的自由端部511產生該第二磁性，並使該磁性體52沿該中心軸線Q自由掉落於該載板32。

此處值得一提的是，本發明該較佳實施例之線圈單元53雖然是使用單一捲繞方向的單一線圈來實施，其也可以使用捲繞方向相反的兩個線圈來實施。當本發明該線圈單元53是使用捲繞方向相反的兩個線圈來實施時，只要改變開關單元9的第一端91、第二端92及第三端93所對應電連接於該電源供應單元7與線圈單元53間的關係，以使電流在該開關單元9的第一位置與第二位置間切換時能反向流動，便可對該電磁鐵51的自由端部511提供該第一磁性及該第二磁性。

在本發明該較佳實施例中，該載板32是一個厚度介於0.8 mm至1.2 mm之間且規格為FR4-G10的玻璃纖維(glass fiber)板；該鋼球(即，磁性體52)的重量是介於0.03 g至8 g之間；該應力感測單元(即，加速規)6是以型號為Hysol E-40FL的雙液環氧樹脂沿該中心軸線Q黏著固定於該載板32的第二表面322。

參圖7及下列表1.，由本發明該較佳實施例在 不同重量的鋼球下所實施取得的測試結果可知，各鋼球的飽和時間介於0.36秒至5.20秒；其中，於鋼球直徑5.0 mm以上所取得的飽和時間已趨近重疊。

^& 根據各鋼球之直徑及其密度所計算取得的理論重量。

參圖8，由本發明該較佳實施例在不同重量的鋼球下所實施取得的校正曲線結果可知，鋼球重量為0.1103 g以下(即，直徑3 mm以下)的飽和時間呈線性變化；舉例來說，當該應力感測單元(即，加速規)6於鋼球直徑3 mm所取得的飽和時間未落在線性範圍內(即，趨近4.55秒)內時，便表示該應力感測單元6的準確性不足，不適合被拿來做為偵測該連鑄機1內之二冷噴嘴13的噴水分佈均勻性的一噴水感測裝置使用。

本發明基於「微重量撞擊」的概念，藉由該電磁鐵51、該磁性體52、該線圈單元53與該開關單元9於整體結構上的簡單設計，使得不同「微重量」的磁性體(即，鋼球)52皆可沿該中心軸線Q準確地撞擊在載板32的第一 表面321(即，「單一位置」)，並透過沿該中心軸線Q設置於該載板32第二表面322的應力感測單元6，來取得不同「微重量」的磁性體52「撞擊」於該「單一位置」的震盪反應。因此，使用者或操作者只需要操作該開關單元9，即可確認該應力感測單元6的準確性。

綜上所述，本發明極低衝擊力的測試機構的結構簡單，且簡化了使用者或操作者於實施上的操作程序以方便使用者來操作，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

31‧‧‧基座

32‧‧‧載板

321‧‧‧第一表面

322‧‧‧第二表面

51‧‧‧電磁鐵

511‧‧‧自由端部

52‧‧‧磁性體

53‧‧‧線圈單元

6‧‧‧應力感測單元

7‧‧‧電源供應單元

8‧‧‧電訊號處理單元

9‧‧‧開關單元

Q‧‧‧中心軸線

Claims (8)

1. 一種極低衝擊力的測試機構，包含：一個載座單元，具有一個基座及一個載板，該載板沿該載板的一中心軸線固定於該基座，並具有相反的一第一表面及一第二表面；一個支架單元，固定於該基座上；一個電磁鐵，沿該中心軸線固定於該支架單元並具有一個自由端部，該電磁鐵的自由端部遠離該支架單元並沿該中心軸線朝該載板的第一表面延伸；一個應力感測單元，沿該中心軸線固定於該載板的第二表面；一個磁性體，沿該中心軸線點接觸於該電磁鐵的自由端部；一個線圈單元，圍繞住該電磁鐵並具有相反的一第一端及一第二端；一個電源供應單元，電連接於該應力感測單元與該線圈單元的第一端；一個電訊號處理單元，電連接於該電源供應單元與該應力感測單元；及一個開關單元，電連接於該電源供應單元與該線圈單元的第二端，並能在一第一位置及一第二位置間切換，以使該電磁鐵的自由端部分別產生相反的一第一磁性及一第二磁性；其中，當該電磁鐵的自由端部產生該第一磁性時， 能吸住該磁性體，當該電磁鐵的自由端部產生該第二磁性時，能使該磁性體沿該中心軸線自由掉落於該載板。
2. 如請求項1所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該支架單元具有一個縱向支撐桿及一個橫向懸臂，該縱向支撐桿是沿該縱向支撐桿的一軸線垂直地軸設於該基座，該橫向懸臂是沿該橫向懸臂的一軸線水平地軸設於該縱向支撐桿，且該電磁鐵是沿該中心軸線垂直地軸設於該支架單元的橫向懸臂。
3. 如請求項2所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該支架單元還具有一個第一螺桿及一個第二螺桿，該橫向懸臂是軸設於該縱向支撐桿的一頂部；該第一螺桿是沿該縱向支撐桿的軸線軸設於該縱向支撐桿的一頂端，調節該第一螺桿能使該橫向懸臂水平地移動；該第二螺桿是沿該橫向懸臂的軸線軸設於該橫向懸臂的一外端，調節該第二螺桿能使該電磁鐵垂直地移動。
4. 如請求項1所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該電磁鐵的自由端部是呈尖銳狀，且該磁性體是一個鋼球，以使該磁性體沿該中心軸線點接觸於該電磁鐵的自由端部。
5. 如請求項4所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該載板是一個厚度介於0.8 mm至1.2 mm之間的玻璃纖維板；該鋼球的重量是介於0.03 g至8 g之間。
6. 如請求項1所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該電源供應單元具有依序串接的一個第一電源及一個第二 電源，且該開關單元具有一個第一端、一個第二端及一個第三端；該線圈單元的第一端電連接於該第一電源與該第二電源之間；該開關單元的第一端電連接於該第一電源的一第一端，該開關單元的第二端電連接於該第二電源的一第二端，且該開關單元的第三端電連接於該線圈單元的第二端。
7. 如請求項1所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該應力感測單元是由一個應變規或一個加速規所構成。
8. 如請求項1所述的極低衝擊力的測試機構，其中，該電訊號處理單元是一個示波器。