УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ФОТОПРИЕМНИКА В ВИСКОЗИМЕТРЕ

Полезная модель относится к технической физике, а именно - к устройствам для контроля и измерения физических параметров веществ и предназначена для бесконтактного фотометрического измерения вязкости и/или электросопротивления высокотемпературных металлических расплавов на основе затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом. Дополнительной сферой применения являются вузовское обучение, промышленные лабораторные исследования, металлургические процессы.
3
пл
Измерение параметров металлических расплавов в частности, вискозиметрия и/или электросопротивление образца в тигле объемом несколько см, позволяет проводить анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками. Термозависимости вязкости и/или электросопротивления позволяют выделять характерные температурные точки и характеристики цикла нагрева-охлаждения. Однако, для высокотемпературных исследований - при t≥1400°C немногие устройства могут быть использованы на практике. В частности, это бесконтактные фотометрические устройства определения вязкости и/или электросопротивления, предназначенные для измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного в электропечи на упругой нити.
пл
В процессе измерений траектории отраженного луча для вычислений декремента затухания δ, вязкости ν и (или) электросопротивления ρ, не всегда обеспечивается засветка фотоприемника, отражающего параметры затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного в электропечи на упругой нити. В идеале величина δ должна быть одинаковой при ее определении по отклонению отраженного светового луча как в одну сторону от нулевой точки шкалы, так и симметрично в другую сторону. Однако, в процессе измерений появляется нарастающее с температурой эксперимента непредсказуемое осевое и угловое смещение (несимметрия) колебаний, т.е. временной дрейф нулевой точки вплоть до исчезновения сигналов фотоприемника и срыва эксперимента. Смещение нуля шкалы фотоприемника и появление углового сдвига в 5÷10 град, по нашим многолетним данным практически непредсказуемо и составляет единицы процентов. Оно вызвано многочисленными трудно учитываемыми причинами, в частности, высокой и неоднородной температурой в электропечи, а также ее электромагнитными полями. При этом происходят непредсказуемые нагрев, удлинение, искривление и закручивание на некоторый угол - до 5÷20 град, упругой нити -подвески. Они проявляются в виде изменений осевых и угловых положений зеркала, обусловленных паразитными сдвигами и колебаниями внутри электропечи во время экспериментов подвески с закрепленными на ней зеркалом, тиглем и расплавом, по двум осям - вверх-вниз, вправо-влево, а также закручивания закрепленного на ней зеркала. В результате отраженный луч источника света может выйти за пределы как смотрового окна, так и измерительной базы - межцентрового расстояния в единицы мм оптически изолированных фотосенсоров фотоприемника. Это может вызвать срыв эксперимента. Смещение светового зайчика и появление углового сдвига из-за колебаний длины нити по нашим данным составляет минимально единицы процентов при температурах расплава t≥1400°C, причем температура верхней части нити с закрепленным в этом месте зеркалом составляет сотни градусов и неравномерно распределена вдоль нити - см. пат. РФ №2408002.
Известно устройство фотометрического измерения вязкости высокотемпературных расплавов, содержащее тигель с расплавом, стальную или нихромовую упругую проволочную нить - подвес, водоохлаждаемую электропечь с нейтральной атмосферой, зеркало, укрепленное на этой нити, источник света, фотоприемник, например в виде двухсторонней фотоизмерительной линейки с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик - см. С.И. Филиппов и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1968, с. 242-243, 254-255, рис. 107 - аналог.
Известно фотометрическое устройство бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов путем измерения параметров затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, подвешенного на упругой нити, содержащее компьютер, управляющий измерительным комплексом с авторегулировкой амплитуды отраженного от зеркала светового луча в пределах его оптимального значения - см. пат. РФ №2349898 - аналог.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство коррекции положения фотоприемника в вискозиметре, содержащее зеркало, зафиксированное на закручиваемой упругой нити, на которой в электропечи подвешен тигель с расплавом, фотоприемник, фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, первый источник света, соединенное с компьютером первое исполнительное устройство, обладающее функцией линейного перемещения фотоприемника вдоль этой фотоизмерительной линейки - см. вышеуказанный пат. РФ №2408002.
Недостатком прототипа, как и вышеотмеченных аналогов, является нарастающий со временем уход светового пятна из околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника и появление углового сдвига, вызывающие изменение оптимального положения нулевой точки измерительной шкалы фотоприемника, и, в конечном итоге, уменьшение достоверности и точности определения амплитудно-временных параметров траектории отраженного светового луча, связанного с параметрами крутильных колебаний тигля с расплавом, вплоть до срыва эксперимента при измерении характеристик высокотемпературных расплавов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение нахождения светового пятна в околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника, устранение углового сдвига светового пятна и возможности срыва эксперимента, а в конечном итоге, обеспечение достоверности и точности измерения траектории отраженного от зеркала светового луча, используемой для определения параметров крутильных колебаний тигля с расплавом при измерении характеристик высокотемпературных расплавов.
Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель устройства коррекции положения фотоприемника в вискозиметре.
1. Устройство коррекции положения фотоприемника в вискозиметре, содержащее зеркало, зафиксированное на закручиваемой упругой нити, на которой в электропечи подвешен тигель с расплавом, фотоприемник, фотоизмерительная линейка - шкала с нулем посередине, первый источник света, соединенное с компьютером исполнительное устройство, обладающее функцией линейного перемещения фотоприемника вдоль этой фотоизмерительной линейки, отличающееся тем, что в него введен второй источник света, размещенный на фотоприемнике, и узел коррекции, обладающий функцией углового смещения фотоприемника по азимуту и углу места, фотоприемник и второй источник света расположены на узле коррекции, который расположен на исполнительном устройстве.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй источник света выполнен в виде лазерной указки.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел коррекции выполнен в виде шарового шарнира.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 Блок-схема устройства коррекции положения фотоприемника;
фиг. 2. Предельные отклонения оптических лучей в вертикальной плоскости при удлинении нити от нагрева.
Предлагаемое устройство содержит: упругую проволочную нить-подвеску 1, на которой закреплено зеркало 2 и тигель с шихтой 3, расположенный в высокотемпературной зоне электропечи (на схеме не показано), смотровое окно 4 электропечи мощностью 20 кВА (на схеме не показано), второй источник света 5, фотоприемник 6, источник света 7, исполнительное устройство 8, узел коррекции 9.
2
1
2
1
2
Предлагаемое устройство выполнено на следующих элементах: проволочная нить-подвеска 1 - нихромовая, длиной 650 мм диаметром несколько десятых долей мм, зеркало 2 площадью 1 см, тигель 3 изготовлен из бериллиевой керамики, круглое стеклянное смотровое окно 4 диаметром 2 см, второй источник света 5 - лазерная указка длиной 7 см и диаметром 1 см с красным светом и автономным питанием, фотоприемник 6 содержит два фотосенсора TSL250 фирмы TAOS - см. каталог ELFA - 55, 2007, р. 812, которые размещены в фотозащитных тубусах длиной 3 см и вплотную зафиксированы на межцентровом расстоянии (измерительной базе) L=6 мм симметрично относительно центра шкалы, источник света 7 - некогерентный сверхъяркий светодиод L7113SEC-H - см. каталог Kingbright, 2005-2006, исполнительное устройство 8 - полупрозрачная фотоизмерительная линейка длиной +/-30 см с нулем посередине, перемещаемая шаговым двигателем (на схеме не показано), узел коррекции 9 - шаровой шарнир, например, фотоштатив. Фотоприемник 6 и второй источник света 5, размещенный на фотоприемнике 6, расположены на узле коррекции 9, обладающем функцией углового смещения фотоприемника по азимуту и углу места, которое расположено на исполнительном устройстве 8. Расстояния 10 l или 11 l между смотровым окном 4 и фотоприемником 6 или источником света 7 равны 1,5 м. Из-за величины ненулевого межцентрового расстояния L между фотоприемником 6 и вторым источником света 5, равного единицам мм, и его отношения к l или l, реальный ненулевой угол φ между оптической осью фотоприемника 6 и оптической осью второго источника света 5 выбирают в диапазоне (φ≈sinφ, т.е. φ≤5 градусов Измерительным комплексом управляет компьютер (на схеме не показано).
пор.
пор.
пор
пор.
Используют вышеописанное устройство следующим образом. Исследователь в ходе эксперимента осуществляет периодический контроль положения светового луча 10 в околонулевой области фотоизмерительной линейки - шкалы исполнительного устройства 8. При типовом многочасовом (1÷10 часов) эксперименте у траектории отраженного сквозь смотровое окно 4 от зеркала 2 светового луча 10 появляется непредсказуемое осевое и угловое отклонение в горизонтальной и вертикальной плоскостях на углы β и α. Частично текущую компенсацию этого отклонения осуществляют посредством исполнительного устройства 8, при перемещении параллельно самому себе фотоприемника 6. Эту компенсацию осуществляют в случае смещения светового луча 10 на угол β, при котором луч 10 не выходит за пределы смотрового окна 4 и/или входных отверстий тубусов фотоприемника 6, диаметр которых составляет 5÷6 мм, т.е. пороговый угол β≤10°. При осевом и/или угловом смещении светового луча 10, обусловленного указанными выше причинами, на углы азимута и места (β, α) близкие к заданному пороговому уровню, равному например 0,5 (β), как из-за осевого смещения зеркала 2 в обеих плоскостях, так и его углового смещения, включают второй источник света 5 и наблюдают положение светового луча 10 в околонулевой области фотоизмерительной линейки - шкалы исполнительного устройства 8. Иллюстративный пример хода оптических лучей в вертикальной плоскости - по углу места α, при удлинении упругой проволочной нити-подвески 1 от нагрева, приведен на фиг. 2. Посредством регулировки узла коррекции 9, например, шарового шарнира, добиваются уменьшения углов азимута и места (β, α) ≤ β. После уменьшения углов азимута и места (β, α) до заданных величин, например (β, α) ≤ 0,5 (β), выключают второй источник света 5, фиксируют положение узла коррекции 9 и продолжают эксперимент.
Предложенная полезная модель обеспечивает технический результат - нахождение светового луча в околонулевой, наиболее линейной области измерительной шкалы фотоприемника, устранение углового сдвига светового луча и срыва эксперимента, обеспечивает перпендикулярность угловой корректировки фотоприемника по двум осям, получение вследствие этого достоверной и точной информации о траектории светового луча для определения параметров крутильных колебаний тигля с расплавом, а в конечном итоге повышают достоверность и точность характеристик высокотемпературных расплавов.