TWI587747B - Method and apparatus for measuring the weight of suspension - Google Patents

Description

懸浮重量的測量方法與裝置

本發明係關於一種懸浮重量的測量方法與裝置，特別是關於一種以感應線圈產生懸浮力之懸浮重量的測量方法與裝置。

在感應線圈中導入高頻電流始產生電磁場並藉由超距力使物體懸浮，是在1923年開發應用於金屬熔煉領域，此一運用感應線圈使物體懸浮而進行熔煉者，稱之為懸浮熔煉。

相對於在有坩鍋的熔煉過程中容易摻入其他雜質，在金屬熔煉的領域中，懸浮熔煉可達到的「高潔淨度」是一個值得研究的課題，尤其是在醫療科技發展至今的階段，無論是齒科、骨科甚或心血管是場所需之用材，皆有此類的需求。

惟，在懸浮熔煉的領域中，感應加熱的方法是屬於電生磁、磁生熱的一種抽象物理現象，對於許多學者來說，皆是利用方程式與模擬方法進行現象討論與證明，而缺乏實驗數據所呈現的真實情況。

有鑑於此，本發明即開發一種懸浮重量的測量方法及其裝置，透過本發明的測量裝置與測量方法，可針對懸浮重量進行實質的量化工作，並藉此有效獲得可信的可懸 浮數值，對於非活性、半活性及活性合金，將可大幅提升熔煉領域的基礎知識。

本發明所欲解決的主要問題，係在於目前有關懸浮力的相關數值皆是利用方程式與模擬方法進行現象討論與證明，而缺乏實驗數據所呈現的真實情況；因此本發明以「可測量懸浮重量的測量裝置」，克服懸浮力及其相關數值無法實質量化的問題。

為達成上述的目的，本發明公開了一種懸浮重量的測量裝置，包括：一容置單元，包括一容置管體；一感應線圈，圍繞於該容置管體，用以定義一感應加熱區；一測重位移單元，該測重位移單元用以帶動一預懸浮材料伸入該感應加熱區；以及多個訊號傳輸元件及一數據記錄單元，其中該數據記錄單元係以該些訊號傳輸元件電性連接至該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元，用以當該預懸浮材料在該感應加熱區之多個位置時，分別記錄該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元的多個數據，其所記錄之該些數據包括多個位置數據及多個懸浮重量數據。

而本發明所述的測量方法，係以如上述的懸浮重量的測量裝置進行測量，其步驟包括：提供一感應線圈，該感應線圈圍繞於一容置管體，用以定義一感應加熱區、將該感應線圈通入電流，以及當一預懸浮材料經一測重位移單元之承載於該感應加熱區之多個位置時，分別記錄該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元的多個數據，其所記錄之該些數據包括 多個位置數據及多個懸浮重量數據。

亦即，透過本發明所述裝置進行的測量過程，係以該「測重位移單元」承載該「預懸浮材料」持續進入該「感應加熱區」之多個位置，該些位置會量測到不同的「懸浮重量值」(亦即該預懸浮材料之重量減去懸浮力)，用以當該預懸浮材料在該感應加熱區之多個位置時，分別記錄該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元的多個數據。特別是被量測到的懸浮重量值為0的位置，亦即該電磁場產生之超距力已可使該預懸浮材料恰巧浮起之時，將該容置管體管內壓力、溫度、輸入電壓電流之條件，與當時相對於該感應線圈之位置傳輸至數據記錄單元，並將此一數據記錄於數據記錄單元中，提供後續之計算分析與研究。

據此，懸浮力相關領域之數值不再僅為理論計算或抽象模擬的數據，而是具有可信服的實質測量數據，此一發展無論在進一步地模擬、計算、實驗上，皆可獲得一準確的實驗數據庫可供支持與交互比對。

1‧‧‧懸浮重量測量裝置

10‧‧‧容置單元

101‧‧‧容置管體

102‧‧‧壓力感測器

103‧‧‧溫度感測器

104‧‧‧真空泵

105‧‧‧水冷卻結構

11‧‧‧感應線圈

111‧‧‧感應加熱區

112‧‧‧電壓電流感測器

12‧‧‧測重位移單元

12’‧‧‧測重位移單元

121‧‧‧垂直位移元件

121’‧‧‧垂直位移元件

1211‧‧‧微型馬達

1212‧‧‧螺桿

122‧‧‧重量感測器

122’‧‧‧重量感測器

123‧‧‧材料放置架

123’‧‧‧材料放置架

124‧‧‧位置感測器

124’‧‧‧位置感測器

13‧‧‧預懸浮材料

13’‧‧‧預懸浮材料

14‧‧‧數據記錄單元

141‧‧‧訊號傳輸元件

142‧‧‧數據

142A‧‧‧壓力數據

142B‧‧‧溫度數據

142C‧‧‧電壓電流數據

142D‧‧‧位置數據

142E‧‧‧懸浮重量數據

A‧‧‧下端

B‧‧‧上端

D1‧‧‧直徑

D2‧‧‧直徑

S10‧‧‧步驟

S20‧‧‧步驟

S30‧‧‧步驟

圖1A為本發明之第一實施例之懸浮重量測量裝置示意圖；圖1B為本發明第一實施例所述測重位移單元示意圖；圖2為本發明之第二實施例之懸浮重量測量裝置示意圖；圖3為本發明之第三實施例之懸浮重量測量裝置示意圖；圖4為本發明之第四實施例之懸浮重量測量裝置示意圖；圖5為本發明之懸浮重量測量方法之步驟流程圖。

本發明所述之測量方法與裝置，係透過一可測重之位移單元將預懸浮材料持續移動進入被感應線圈影響之磁場(亦即感應加熱區)中，藉以觀察預懸浮材料的懸浮重量之變化(懸浮重量是指預懸浮材料之重量減去懸浮力)，直至最大懸浮力產生作用(即懸浮重量為0)時，記錄下預懸浮材料於磁場中之位置與當時之環境條件數據。

本發明之原理可以幾種變化形態實踐，以下列舉四種實施例：1.第一實施例：下端測重並位移，該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一定值；2.第二實施例：上端測重並位移，該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一定值；3.第三實施例：上下端同時測重並位移，該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一定值；以及4.第四實施例：上下端同時測重並位移，感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一變化值。

首先，請參閱圖1A，圖1A為本發明之第一實施例之懸浮重量測量裝置示意圖。該懸浮重量測量裝置1包括一容置單元10、一感應線圈11、一測重位移單元12、多個訊號傳輸元件141及一數據記錄單元14。

該容置單元10包括一容置管體101，且該容置管體101設置有壓力感測器102與溫度感測器103，係可用以感測該容置管體101管內的氣體壓力數據142A與溫度數據142B，並透 過訊號傳輸元件141將該壓力數據142A與溫度數據142B傳輸至數據記錄單元14。

該容置管體101圍繞有一感應線圈11，該感應線圈11用以定義一感應加熱區11並設置有一電壓電流感測器112，用以量測該感應線圈11之電壓電流數據142C再透過訊號傳輸元件141將該電壓電流數據142C傳輸至數據記錄單元14。

該容置管體101之下端A處設置有一測重位移單元12，該測重位移單元12包括有一垂直位移元件121、一重量感測器122及一材料放置架123，並可選擇性設置有位置感測器124。其中該垂直位移元件121結合於該重量感測器122之一端，該材料放置架123結合於該重量感測器122之另一端，且該材料放置架123係用以承載一預懸浮材料13，並選擇性地由該垂直位移元件121帶動該材料放置架123伸入該感應加熱區111之多個位置進行數據量測，再透過訊號傳輸元件141將該位置數據142D與懸浮重量數據142E傳輸至數據記錄單元14。

最後經過多個訊號傳輸元件141，將該容置單元10、該感應線圈11及該測重位移單元12之多個感測器量測到的數據142傳輸到一數據記錄單元14作數據之記錄與統整，其中，該數據記錄單元14可為電腦設備。亦即，當該預懸浮材料13在該感應加熱區111之多個位置時，各該感測器會分別量測該容置單元10之壓力數據142A與溫度數據142B、該感應線圈11的電壓電流數據142C及該測重位移單元12的位置數據142D及懸浮重量數據142E，並將該些數據142同步傳輸到數據記錄單元14，亦即電腦設備中。

在此一實施例中，該容置管體101以可透視之石英材質製成，且該感應線圈11所圍繞出的徑向尺寸具有一定值的直徑D1。

該垂直位移元件121之示意圖請參閱圖1B，該測重位移單元12係設置於該容置管體101之下端A處(如圖1A所示)，其以一微型馬達1211及一螺桿1212作為垂直位移元件121、採用例如彈簧重量感測器做為重量感測器122，並以耐火材料製成(如以氧化鋁所製)之平台為材料放置架123。該垂直位移元件121包括有一微型馬達1211及一螺桿1212，該微型馬達1211驅動該螺桿1212，用以將該螺桿1212之旋轉位移轉換成該材料放置架123之直線位移(例如若該螺桿旋轉90°，則該材料放置架直線上升3mm)。

接下來，請參閱圖2，圖2為本發明之第二實施例示意圖，第二實施例之裝置大體類似於第一實施例，相同元件標示相同的元件標號，而第二實施例不同於第一實施例之處係在於，第二實施例之該測重位移單元12’係可設置於該容置管體101之上端B處，其以線軸收放元件做為垂直位移元件121’、採用彈簧重量感測器做為重量感測器122’，並以鎳鈦線作為材料放置架123’，該材料放置架123’係以懸吊之方式放置預懸浮材料13’；而其位置感測器124’則隨測重位移單位12’之位置設置於該容置管體101之上端B。

續請參閱圖3，圖3為本發明之第三實施例示意圖，第三實施例之裝置大體類似於第一與第二實施例，相同元件標示相同的元件符號，而第三實施例不同於前兩實施例之處 係在於，在第三實施例中，結合了第一實施例中在下端A設置的測重位移單元12與第二實施例中在上端B設置的測重位移單元12’。此一實施例之設置，可驗證在該感應線圈11所圍繞出的徑向尺寸具有一定值的直徑D1前提下，該感應線圈11的磁場分布是否為對稱，或者上方與下方磁場對預懸浮材料13’與預懸浮材料13是否有不同之狀態影響。

最後請參閱圖4，圖4為本發明之第四實施例示意圖，第四實施例之裝置大體類似於第三實施例，相同元件標示相同的元件符號，而第四實施例不同於第三實施例之處係在於，在第四實施例中，該容置管體101外圍設置有水冷卻結構105，且該容置管體101外設置有一真空泵104，該真空泵104連通於該容置管體101，可於該容置管體101之兩端密封後將管內氣體抽至真空狀態，藉此模擬在真空懸浮熔煉之情形下，減少熔煉過程空氣中汙染源對該預懸浮材料13及預懸浮材料13’造成的汙染。

於第四實施例中，該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一變化值的直徑D1與直徑D2，藉此由上下端同時對同一感應線圈11之不同直徑產生之磁場進行懸浮重量的測量，用以分析與判斷該具有直徑變化的感應線圈11之磁場分布與變化。

在此一實施例中，該材料放置架123及材料放置架123’係可以由任何可承受環境條件之耐熱材質製成。

而本發明所述懸浮重量的測量方法之步驟，係如圖5所示： 其中，該步驟S10係指先提供一感應線圈11，該感應線圈11圍繞於一容置管體101，用以定義一感應加熱區111。

該步驟S20係指將該感應線圈通入電流。

最後，則是如步驟30中，當一預懸浮材料13經一測重位移單位12之承載於該感應加熱區111之多個位置時，分別記錄該容置單元10、該感應線圈11及該測重位移單元12之多個感測器測量到的多個數據142，其所記錄之該些數據142包括對應多個位置的個別懸浮重量值，用以作為參考數值提供後續相關之數學計算。

綜上所述，透過本發明所述裝置進行的測量過程，係以該「測重位移單元」12承載該「預懸浮材料」13持續進入該「感應加熱區」111之多個位置，該些位置會量測到不同的懸浮重量值(亦即該預懸浮材料之重量減去懸浮力)，用以當該預懸浮材料13在該感應加熱區111之多個位置時，分別記錄該容置單元10、該感應線圈11及該測重位移單元12之多個感測器測量到的多個數據142。特別是被量測到的懸浮重量值為0的位置，亦即該電磁場產生之超距力已可使該預懸浮材料恰巧浮起之時，將該容置管體101管內壓力、溫度、輸入電壓電流之條件，與當時相對於該感應線圈11之位置傳輸至數據記錄單元14，並將此一數據142記錄於數據記錄單元14中，提供後續之計算分析與研究。

因此藉由本發明的測量裝置與測量方法，可針對懸浮重量進行實質的量化工作，取得具有可信服的實質測量數 據，並藉此有效獲得可信的可懸浮數值，對於非活性、半活性及活性合金，將可大幅提升熔煉領域的基礎知識。此外，此一發展無論在進一步地模擬、計算、實驗上，亦皆可獲得一準確的實驗數據庫可供支持與交互比對。

上述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧懸浮重量測量裝置

10‧‧‧容置單元

101‧‧‧容置管體

102‧‧‧壓力感測器

103‧‧‧溫度感測器

11‧‧‧感應線圈

111‧‧‧感應加熱區

112‧‧‧電壓電流感測器

12‧‧‧測重位移單元

121‧‧‧垂直位移元件

122‧‧‧重量感測器

123‧‧‧材料放置架

124‧‧‧位置感測器

13‧‧‧預懸浮材料

14‧‧‧數據記錄單元

141‧‧‧訊號傳輸元件

142‧‧‧數據

142A‧‧‧壓力數據

142B‧‧‧溫度數據

142C‧‧‧電壓電流數據

142D‧‧‧位置數據

142E‧‧‧懸浮重量數據

D1‧‧‧直徑

A‧‧‧下端

Claims (10)

1. 一種懸浮重量的測量裝置，包括：一容置單元，包括一容置管體；一感應線圈，圍繞於該容置管體，用以定義一感應加熱區；一測重位移單元，係設置於該容置管體之至少一端處，該測重位移單元用以帶動一預懸浮材料伸入該感應加熱區；以及多個訊號傳輸元件及一數據記錄單元，其中該數據記錄單元係以該些訊號傳輸元件電性連接至該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元，用以當該預懸浮材料在該感應加熱區之多個位置時，分別記錄該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元之多個感測器測量到的多個數據，其所記錄之該些數據包括對應多個位置的個別懸浮重量值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中該容置單元更包括有一真空泵，該真空泵連通於該容置管體，用以將該容置管體內之氣體抽至真空狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中該容置單元更包括有一水冷卻結構設置該容置管體外圍。
4. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中該感應線圈以螺旋方式圍繞於該容置管體外，且該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一定值。
5. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中該 感應線圈以螺旋方式圍繞於該容置管體外，且該感應線圈所圍繞出的徑向尺寸具有一變化值。
6. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中測重位移單元包括一垂直位移元件、一重量感測器及一材料放置架，其中該垂直位移元件結合於該重量感測器之一端，該材料放置架結合於該重量感測器之另一端，且該垂直位移元件用以選擇性將該材料放置架伸入該感應加熱區之多個位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中，該測重位移單元為一第一測重位移單元係設置於該容置管體之上端處，其以一線軸收放元件作為該垂直位移元件、採用一彈簧重量感測器作為重量感測器，並以鎳鈦線作為材料放置架。
8. 如申請專利範圍第1或7項所述的懸浮重量的測量裝置，其中，該測重位移單元為一第二測重位移單元係設置於該容置管體之下端處，其以一微型馬達及一螺桿作為該垂直位移元件、採用一彈簧重量感測器作為該重量感測器，並以耐火材料製成之平台為該材料放置架。
9. 如申請專利範圍第1項所述的懸浮重量的測量裝置，其中該數據記錄單元為電腦設備，其所記錄之數據更包括有壓力數據、溫度數據及電壓電流數據。
10. 一種懸浮重量的測量方法，其步驟包括：提供一感應線圈，該感應線圈圍繞於一容置管體，用以定義一感應加熱區； 將該感應線圈通入電流；以及當一預懸浮材料經一測重位移單位之承載於該感應加熱區之多個位置時，分別記錄該容置單元、該感應線圈及該測重位移單元之多個感測器測量到的多個數據，其所記錄之該些數據包括對應多個位置的個別懸浮重量值。