Устройство для фотометрического изучения свойств металлических расплавов

Предлагаемая полезная модель относится к технической физике, а именно - к анализу материалов путем бесконтактного фотометрического определения удельного электросопротивления нагреваемого тела в зависимости от температуры, в частности, к определению удельного электросопротивления металлов и сплавов в жидком состоянии.
3
Бесконтактное фотометрическое определение параметров металлических жидкостей и расплавов в образце, помещенном в тигель объемом около см, который подвешен на упругой проволоке внутри вакуумной электропечи, в частности определение удельного электросопротивления ρ образца способом вращающегося магнитного поля, позволяет проводить анализ материалов и давать рекомендации для получения сплавов с заданными характеристиками на предприятиях. Анализ структурно чувствительного термозависимого параметра в виде удельного электросопротивления ρ, позволяет выделять в том числе особые температурные точки, в частности гистерезисные характеристики цикла «нагрев-охлаждение».
Известна расчетная формула для сравнительного вычисления удельного электросопротивления ρ - смотри пат. РФ №2454656:
0
0
0
0
0
где m m - массы исследуемого и эталонного образцов расплава соответственно; d, d - плотности исследуемого и эталонного образцов соответственно; ρ - удельное электросопротивление эталона; ϕ, ϕ - углы поворота исследуемого и эталонного образцов соответственно, равные угловому отклонению отраженного светового луча; I, I- ток, проходящий по катушкам источника вращающегося постоянного магнитного поля при исследовании образца и эталона соответственно.
Таким образом, для определения ρ необходимо непрерывное измерение углов отклонений ϕ отраженного светового луча («зайчика») и построение траектории этих отклонений непосредственно в процессе экспериментов. При этом для обеспечения достоверности, точности и линейности измерений значения ϕ выбирают равными единицам градусов. Кроме того, точность увеличивают для каждой из температурных точек посредством осуществления двух измерений значения ϕ. Второе измерении проводят при реверсе направления вращения магнитного поля, а истинный угол ϕ определяют как среднеарифметический результат обоих измерений.
Известно использование светолучевого осциллографа с непрерывной регистрацией измеряемых параметров на фотобумаге в качестве фоторегистратора и последующем измерении фотоизображения посредством, например, линейки - смотри «Политехнический словарь», М., 1980, с. 350. Недостатком такого устройства является разнесенные по времени эксперименты и получение результатов, а также продолжительное их время обработки.
Известно устройство для бесконтактного измерения вязкости высокотемпературных металлических расплавов, содержащее компьютер, источник света, зеркало, расположенное на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с шихтой, фотоприемное устройство, находящееся на фотоизмерительной линейке - шкале с нулем посередине, по которой колебательно движется отраженный от зеркала световой зайчик, содержащее интегральные фотосенсоры - фотодиоды, зафиксированные на минимальном межцентровом расстоянии (измерительной базе) L=6 мм симметрично относительно центра шкалы, а также электромеханический корректор смещения нулевой линии - смотри пат. РФ №2408002 - аналог. Период колебаний T упругой нити с зеркалом составляет единицы секунд.
Известно устройство для бесконтактного фотометрического определения характеристик металлических расплавов, содержащее тигель с исследуемым образцом, зеркало, источник света, компьютер, фотоприемное устройство, состоящее из полупрозрачной измерительной линейки и двух фотосенсоров - фотодиодов в центре шкалы, выходная шина которых соединена с компьютером, а также содержащее по меньшей мере две дополнительные пары фотосенсоров - фотодиодов, причем расстояние между парами фотосенсоров одинаковое и в 5-20 раз превышает межцентровое расстояние (Lρ≈6 мм) фотосенсоров внутри пары - смотри пат. РФ №2473883 - аналог.
Известно устройство для фотометрического изучения свойств металлических расплавов, содержащий компьютер, источник света, зеркало, расположенное на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с шихтой, фотоприемное устройство, компьютер - смотри пат. РФ №2454656 - прототип.
Недостатками аналогов и прототипа в условиях быстроменяющейся величины углов отклонений ϕ отраженного светового луча являются, во первых, как отмечено выше, размер минимальной измерительной базы фотосенсоров (фотодиодов) фотоприемного устройства, определяемой конструкцией фотосенсоров. При этом происходит последовательная регистрация и компьютерная обработка логических электрических сигналов от каждого из фотосенсоров вследствие наличия/отсутствия его (их) засветки. Это не обеспечивает получения возможности непрерывной регистрации текущих координат траектории светового луча, что ограничивает точность и достоверность измерений углов отклонений ϕ и, в конечном итоге, ограничивает точность и достоверность определения удельного электросопротивления ρ расплавов. Во-вторых, расстояние d между зеркалом и фотоприемным устройством, например, при типовом размахе углов отклонений ϕ отраженного светового луча, равном +/- (3-7) град, составляет не меньше (1-1,5) м для вычисления значений ρ с требуемой по методике точностью в единицы процентов. Таким образом, измерительный комплекс занимает много места. В-третьих, точность может уменьшаться из-за влияния температурной деформации в конструкции измерительной установки, например, смещений зеркала и/или упругой нити, либо вибрационных артефактов, что требует внесения корректировочных поправок. Вследствие вышеизложенного, приходится использовать аппроксимацию, а именно алгоритмическую компьютерную обработку последовательных дискретных результатов, определяемых засветкой или ее отсутствием каждого фотосенсора - фотодиода для получения приемлемых по точности и достоверности конечных результатов и/или корректировочных поправок. При этом в типовом случае дрейфа нулевой линии ее корректировка может быть затруднена.
Задачей предлагаемой полезная модель является повышение точности измерений углов отклонений ϕ отраженного светового луча в условиях быстроменяющейся измеряемой величины ϕ при изменениях температуры и, в конечном итоге, электросопротивления ρ металлических расплавов, уменьшение габаритов измерительного комплекса, а также расширение его функциональных возможностей.
Для решения поставленной задачи предлагается полезная модель - устройство для фотометрического изучения свойств металлических расплавов, содержащее источник света, зеркало, расположенное на закручиваемой упругой нити, на которой подвешен тигель с шихтой, фотоприемное устройство, отличающееся тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде по меньшей мере одного датчика изображения.
Кроме того, датчик изображения выполнен в виде твердотельного линейного имидж-сенсора.
Кроме того, датчик изображения выполнен в виде твердотельного площадного имидж-сенсора.
Кроме того, датчик изображения выполнен в виде видеокамеры.
Предложенное устройство обеспечивает технический результат - увеличение объема получаемой информации, повышение объективности, достоверности и точности измерений углов отклонений ϕ отраженного светового луча и в конечном итоге, электросопротивления ρ металлических расплавов, уменьшение габаритов измерительного комплекса, а также расширение его функциональных возможностей. Кроме того, обеспечивается возможность удешевления фотоприемного устройства и упрощения эксперимента.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом:
фиг. 1 Блок- схема измерительного комплекса.
Измерительный комплекс, блок-схема которого приведена на фиг. 1, содержит вакуумную электропечь 1, в зоне нагрева которой на подвеске 2 коаксиально подвешен тигель 3 для размещения в нем исследуемого металлического образца, соединенный с упругой частью подвески 2 посредством керамического стержня 4. Источник 5 вращающегося 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). Компьютер 7 управляет экспериментом и осуществляет все вычисления. Датчик изображения 8 соединен с компьютером 7. Зеркало 9 закреплено на верхнем конце керамического стержня 4. Источник света 10 освещает зеркало 9, отраженный луч которого через стеклянное окно с вертикальной риской (на схеме не показано) в электропечи 1 попадает на датчик изображения 8, закрепленный на измерительной линейке 11, которые совокупно составляют собственно фотоприемное устройство.
3
2
В качестве закручиваемой упругой части подвески 2 используется нихромовая нить длиной 650 и диаметром 0,08 мм. Объем образца исследуемого металлического расплава в тигле 3 составляет 0,5 см. Магнитная система источника 5 вращающегося магнитного поля выполнена в виде катушек статора трехфазного электродвигателя мощностью 650 Вт и запитана от трехфазного стабилизатора питания (на схеме не показан) через переключатель направления вращения магнитного поля (на схеме не показан). Молибденовый нагреватель 6 включен постоянно в течение всего эксперимента. Компьютер 7 выполнен на ноутбуке HP и соединен с датчиком изображения 8. Зеркало 9 имеет площадь 1 см. Свет попадает на него от источника света 10, например, лампы накаливания или лазерного светодиода, через окно - иллюминатор (на схеме не показано) и отражается на датчик изображения 8, а также симметричную горизонтальную полупрозрачную контрольную оптическую линейку 11 с нулем шкалы посередине, в центре которой зафиксирован датчик изображения 8.
Датчик изображения 8 выполнен в виде микросхемы ПЗС (CCD) - или КМОП (CMOS) - имидж-сенсора, например линейного, предназначенного для индустриального применения, который содержит 12-14-мкм пикселы в количестве от 1024 до 4096 - смотри фрагменты каталогов фирм Hamamatsu Photonics K. K. и Toshiba. Использование площадного датчика, например S7171-0909 фирмы Hamamatsu Photonics K. K. форматом 512×512 пикселов целесообразно в случае необходимости корректировки сигналов датчика изображения 8 при смещении нулевого положения отраженного светового луча, например, диаметром в единицах мм (от лазерного источника света 10) не только по горизонтали, но и по вертикали по этому датчику в пределах 3-6 мм. Такое смещение теоретически нельзя исключить, поскольку при высокотемпературных (до 2000°C) исследованиях расплавов возможно смещение зеркала 9 вследствие нагрева упругой нити - подвески 2, на которой это зеркало 9 закреплено. При нелазерном источнике света 10, например, в виде лампы накаливания, обладающем большим диаметром отраженного светового пятна, вертикальная метка на нем в виде риски позволяет пренебречь необходимостью вертикальной корректировки. Оптимально выполнение датчика изображения 8 в виде недорогой (5$) микросхемы линейного ПЗС монохромного имидж-сенсора TCD1201D фирмы Toshiba, который содержит 2048 пикселов размером 14 мкм, с суммарной длиной фоточувствительной базы 28,6 мм, работающего в видимой спектральной области - смотри вышеуказанные фрагменты каталогов, а также www.DatasheetCatalog.com. Использование дополнительной оптической фокусирующей системы возможно, но не является обязательным условием использования имидж-сенсора в качестве датчика изображения 8. Расстояние между ним и зеркалом 9 составляет 0,3-0,5 м. Его дальнейшее уменьшение нецелесообразно из-за возрастания теплового нагрева датчика изображения 8 от электропечи 1. Такое расстояние позволяет получить в 2-4 раз меньшую длину оптического пути в сравнении с прототипом и уменьшить габариты измерительного комплекса. Погрешность вышеуказанного имидж-сенсора в качестве датчика изображения 8 составляет менее 0,1 мм. Это по меньшей мере в 5 раз точнее, чем стандартная измерительная линейка 11 с делениями в 1 мм, в ≈50 раз точнее фотосенсоров, используемых в аналогах и прототипе, что позволяет получить непрерывную, практически без дискретной структуры, регистрацию оптического луча. С учетом вышеизложенного, при анализе траектории светового луча посредством определения текущих номеров засвеченных пикселов, компьютер 7 обеспечивает отображение координат нахождения светового луча даже без специальных аппроксимационных алгоритмов не хуже 0,1 мм. Соответственно, измерение углов отклонений может быть также по меньшей мере в 5 раз точнее в сравнении со стандартной измерительной линейкой 11 при сохранении длины оптического пути в 1 метр. Можно уменьшить длину оптического пути в 5 раз при сохранении точности, аналогичной стандартной измерительной линейке 11.
В случае дрейфа нулевой точки (изолинии, нулевой линии) датчик изображения 8 с вышеуказанным количеством пикселов в сочетании с компьютером 7 позволяет программным способом определять и вводить в процедуру расчетов поправку. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет использования одного датчика изображения 8 в роли как измерительного, так и корректировочного. При этом его перемещение не требуется.
i
i
imax
i
i
1, 2
i
imax
дат
дат
Количество датчиков изображения 8 в виде имидж-сенсоров может быть выбрано в диапазоне от 1 - смотри фиг. 1 до 3. Это обусловлено амплитудной динамикой углов отклонений ϕ отраженного светового луча для исследуемого расплава, обладающего характерными для его состава значениями плотности, массы, термозависимостью удельного электросопротивления ρ (t), значениями токов в катушках, создающих вращающееся магнитное поле - смотри вышеприведенную формулу. Например, при сравнительно небольших углах ϕ - меньше 5 град, и близком размещении датчика изображения 8 и электропечи 1 с зеркалом 9, т.е. при сравнительно коротком, меньше 0,3 м, пути отраженного светового луча, может быть достаточно одного датчика изображения 8. При длине пути 1 м, в случае изучении высокотемпературных расплавов на основе Fe, Co, Ni и углах ϕ до +/- 20 град., а также несимметричности углов отклонения ϕ вправо или влево относительно нулевой точки, которая обусловлена как дрейфом изолинии, так и конструктивными артефактами, оптимально использовать три датчика изображения 8. Один из них центральный - смотри фиг. 1, два других размещают симметрично относительно него на фиксированном угловом расстоянии, характерном для наиболее часто исследуемых расплавов. При этом угол отклонения ϕ определяют как среднеарифметическое значение углов отклонения ϕ в одну и другую сторону от нулевой линии посредине шкалы для каждой изучаемой температурной точки t. Например, при вышеприведенном случае с длиной пути отраженного светового луча 1 м, высокотемпературных расплавах на основе Fe, Co, Ni и углах ϕ до +/- 20 град., центры этих двух датчиков симметрично размещены на угловом расстоянии ϕ в диапазоне ϕ = +/- (10-20) град.
Кроме того, в случае высококачественного выполнения конструкции исследовательского комплекса, исключения дрейфа изолинии, изучении низкотемпературных расплавов можно использовать два датчика изображения 8 -центральный и один из боковых, либо единственный датчик изображения 8 - боковой или центральный.
Применение в качестве датчика изображения 8 стандартной цифровой видеокамеры, обладающей разрешением, по меньшей мере - несколько мегапикселов и возможностью стоп-кадра, или цифрового фотоаппарата в режиме видеосъемки, позволяет получать в режиме on-line комплект файлов для каждой из температур, с дополнительной возможностью постэкспериментального анализа динамики траекторий светового луча.
Предложенная полезная модель обеспечивает технический результат - увеличение объема получаемой информации, повышение объективности, достоверности и точности измерений углов отклонений ϕ отраженного светового луча и в конечном итоге, электросопротивления ρ металлических расплавов, уменьшение габаритов измерительного комплекса, а также расширение его функциональных возможностей. Кроме того, обеспечивается возможность удешевления фотоприемного устройства и упрощения эксперимента.
Предложенное техническое решение, содержащее вышеуказанную совокупность ограничительных и отличительных признаков, не выявлено в известном уровне техники, что позволяет считать предложенное техническое решение имеющим уровень полезной модели