Устройство для измерения скорости потока расплава

Устройство для измерения скорости потока расплава
Устройство для измерения скорости потока расплава предназначено для определения скорости потока жидких продуктов, включая расплавы металлов. Прибор может применяться в областях науки и техники, где необходимы исследования гидродинамических процессов. Изобретение может найти применение при определении распределения поля скоростей потока расплава алюминия при электролизе, что имеет первостепенное значения при разработке энергосберегающих технологий получения металла.
Широко известен метод определения скорости потока расплава алюминия в элетролизной ванне по скорости растворения железного стержня 1. Растворение стержня, погруженного в ванну, происходит неравномерно по поверхности и зависит от направления и скорости потока расплава алюминия. Измеряя изменение диаметра железного стержня по различным направлениям за определенное время травления, можно по имеющимся калибровочным кривым определить направление и скорость потока расплава алюминия. Недостатки описанного способа очевидны: измерения занимают продолжительное время, процедура измерений трудоемка, точность полученных результатов весьма низкая.
Известно переносное портативное устройство для измерения скорости и направления потока расплава металла. Основу прибора составляет тонкая лопасть, прикрепленная к металлическому стержню. Эта конструкция, изготовленная из термостойких, неподверженных растворению материалов, подвешена на упругой нити, верхняя часть которой закреплена на платформе. К нижней части нити прикреплена стрелка-указатель угла поворота лопасти, показания считываются по шкале на диске, прикрепленному к платформе. При измерениях стержень с лопастью помещается вертикально в ванну с расплавом. Паправление потока расплава определяется по ориентации лопасти в расплаве по отношению к выбранному направлению. Скорость расплава определяется следующим путем:
устанавливают прибор та1сим образом, чтобы лопасть была направлена вдоль потока; с помощью верхнего узла крепления упругой нити, также снабженного лимбом, закручивают нить до тех пор, пока за счет ее упругости лопасть не вернется перпендикулярно направлению потока. Определив угол скручивания нити и подставив его в калибровочное выражение, получают величину скорости потока расплава металла в выбранной точке электролизной ванны. Описанный измеритель скорости потока удобен экспрессных измерений. Это устройство выбрано нами в качестве прототипа 2.
Его главный недостаток заключается в том, что необходимо ручное управление процедурой измерения и, следовательно, он может быть использован без проблем только для измерений по периметру электролизной ванны. Описанное устройство не позволяет реализовать автоматический сбор данных о направлении и скорости потока расплава. Точность определения скорости прибором также низка.
Техническим результатом изобретения яв.ляется увеличение скорости, повышение точности и надежности измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения скорости потока расплава, содержащем платформу, маятник, и измеритель скорости потока, новым является то, что измеритель скорости потока содержит четыре тензо-чувствительных элемента расположенных на платформе через 90°, а маятник выполнен в виде металлического шара со штангой и имеется электронный блок и компьютер для сбора и обработки данных.
То есть, для измерения направления и скорости потока расплава используется металлический шар. Давление, пропорциональное скорости перемещения расплава, действующее на шар со стороны потока, передается через штангу на систему тензо-чувствительных датчиков, расположенных на платформе вне расплава. Сопоставление величин сигналов от датчиков позволяет определить направление и величину скорости тока.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что используются тензо - элементы 3 - датчики, чувствительные к механическим напряжениям, также используется металлический шар со штангой, работающий как рычаг, для передачи давления со стороны
жидкости на систему тензоэлементов. Электрические сигналы от датчиков постунают в систему автоматизированного сбора и обработки данных, т.е. ноявляется возможность реализовать автоматический сбор данных о нанравлении и скорости нотока раснлава металла в любой точке электролизной ванны. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна. При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототина не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведена принципиальная конструкция предлагаемого устройства для измерения направления и величины скорости потока в расплаве металла. Основная часть конструкции - маятник, представляющий собой тонкую штангу 1, изготовленную из материала с низкой теплопроводностью, на нижнем конце которой крепиться металлический шар 2. Верхний конец пгганги прикреплен с помощью шарового шарнира 3 к платформе 4. К платформе прикреплен экран 5, защищающий щтангу от давления со стороны потока расплава. Вся конструкция изготовлена из термостойких, неподверженных растворению материалов. Прибор крепиться с помощью держателя 6. Па платформе установлена система из четырех тензо-чувствительных элементов 7. Датчики расположены через 90 градусов, как показано на фиг.2. Для управления тензо-элементами и сбора данных от них предусмотрен электронный блок 8 (за основу может быть взята готовая разработка, например, 4), подключенный к компьютеру 9.
Работает устройство следующим образом. Прибор вертикально погружается в расплав металла так, чтобы металлический щар 2 находился на глубине, где необходимо проводить измерения. На это щар оказывает давления поток расплава. Параметры расплава (скорость, вязкость, плотность) таковы, что с хорощей точностью силу F, действующую на шар со стороны жидкости, можно определить, используя формулу Стокса 5
где г -радиус шара, ц - вязкость и К- скорость расплава. Направление силы Стокса совпадает с направлением скорости жидкости. Сила F, действующая на опору со стороны штанги в точке крепления тензо-элементов, определяется по простому правилу рычагов
здесь // и /2 -расстояния от ценггра шарового шарнира 3 до точки крепления датчиков 7 и до центра шара 2 соответственно. Сила F вызывает, в общем случае, деформацию двух из четырех датчиков. Величина электрического сигнала от i-ro тензо-чувствительного датчика Ц определяется величиной его деформации и, следовательно, величиной составляющей силы F,, действующей на датчик со стороны штанги 1:
где (p(F.)- передаточная функция тензо-чувствительногодатчика, при малых деформациях функция (F,) -линейная
Определив номера, задействованных датчиков, и величины сигналов от них, нетрудно получить направление и величину скорости потока расплава металла. Проиллюстрируем это для случая, показанного на фиг.2. Ось координат выбрана таким образом, чтобы ось X совпадала с осью датчика (2), а ось Y - с ось датчика (1). Силу F, действуюшую со стороны штанги, можно представить в виде суммы двух составляющих FI и р2, которые приложены соответственно к датчикам (1) и (2), фиг.2Ь. Тогда угол а, определяющий направление скорости расплава V можно определить как
а  arctg   arctgl  ,(5) а величину скорости вычислить по формуле
F  FC,(2)
((3)
U,C-F,(4)
и
Данные о величинах сигналов от тензо-чувствительных элементов после обработки в электронном блоке 8, который служит и для управления работой датчиков, поступают в ЭВМ, что позволяет в автоматическом режиме получать информапию об изменении направления и величины скорости расплава металла.
При выводе формул (5), (6) были сделаны определенные допущения (формулы (1), (4)), для использования прибора в широком диапазоне параметров исследуемых жидкостей, необходимо пользоваться более точными зависимостями, которые в общем случае могут решаться только численно. Подключение ЭВМ позволяет легко решить эту проблему. Возможен и другой путь - проградуировать прибор в лабораторных условиях и пользоваться при измерениях градуировочными данными, занесенными в ЭВМ.
Главным преимуществом устройства является значительное упрощение процедуры измерений, автоматический сбор данных с возможностью последующей компьютерной обработки. Все это позволяет проводить с высокой точностью и надежностью долговременные измерения направления и скорости потока расплава.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.Bradley B.F., Dewing E.W. and Rogers J.N. Metal pad velocity measurements by the iron rod method. Light Metals, 1984, 541-552.
2.Potocnic V., Laroche F. Comparison of measuredand calculated metal pad velocities for different prebake cell designs. Light Metals, 2001, 419-425, (прототип).
3.Полякова А.Л. Физические принципы работы полупроводниковых датчиков механических величин. Акустический журнал, 1972, т. 18, B.l,c.L
4.Шиляев С.Н., Руднев П.И., Платы сбора данных. Мир ПК, 1993г. №3, стр.13.
5.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: «Наука, 1987, 840 с.