ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РЕЗЕРВУАРАХ
LEVEL MEASUREMENT IN METALLURGICAL VESSELS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка заявляет о своем праве на приоритет относительно патентной заявки Швеции №1150836-3, поданной 15 сентября 2011 г., и предварительной заявки США №61/626309, поданной 26 сентября 2011 г., которые включены в данное описание посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится к способам электромагнитного измерения вертикального уровня наполнения ванной с электропроводным материалом, содержащимся в металлургическом резервуаре.
Предпосылки изобретения
В промышленности, главным образом в металлургической промышленности, в которой обрабатывается расплавленный металл, существует большая потребность в системах для измерения или расчета положения или среднего уровня зоны контакта между расплавленным металлом и непроводящей средой в металлургическом резервуаре, например разливочное устройство, сталеразливочный ковш, форма для отливки, печь и т.д. Из-за конкретных суровых условий, учитываемых в связи с данной промышленностью, таких как высокие температуры, корродирующие вещества, различные электропроводящие материалы в резервуарах и окружающей среде, предоставление универсального способа для такого измерения уровня остается сложным до сих пор.
Некоторые преобладающие способы расчета уровня в металлургической промышленности включают измерения веса, системы измерения при помощи радиации и системы электромагнитного измерения. Измерения веса являются непрямыми, а системы измерения при помощи радиации имеют ограниченный диапазон и не делает разделения между проводящими и непроводящими средами. Системы электромагнитного измерения успешно применяются в различных резервуарах, таких как разливочное устройство, сталеразливочный ковш и печи. Такие резервуары имеют металлический кожух, зачастую снабженный внутренней керамической обшивкой для работы с расплавленными и абразивными материалами. Электромагнитные датчики могут размещаться позади обшивки с тем, чтобы защитить их от избыточного тепла от расплавленного металла. Электромагнитные датчики содержат комбинацию из одного или нескольких передающих контуров и одного или нескольких принимающих контуров. Передающие контуры могут приводиться в действие при низкой частоте в 100 Гц и до нескольких кГц, чтобы сгенерировать изменяющееся по времени магнитное поле. Многие материалы обшивки являются незаметными на этих частотах, которые позволяют магнитному полю достигать расплавленного металла и индуцировать в нем вихревые токи. Вихревые токи генерируют поля, которые индуцируют электродвижущую силу (emf) в принимающем контуре, который может быть обнаружен при поступлении определенного количества расплавленного металла в пределах простирания контуров. Передающий и принимающий контуры традиционно сконструированы в виде плоских квадратных контуров, расположенных по сторонам резервуара или друг над другом на одной стороне резервуара. Это приводит к ограничениям при установке.
3
Магнитное поле, сгенерированное посредством контура, по существу является нелинейным, при этом сила магнитного поля падает на расстоянии (R) до проводника контура на 1/R возле проводника контура и на 1/R, когда расстояние R большое по отношению к участку контура. Пока не будут приняты особые меры, это приводит к нелинейной функции передачи, т.е. нелинейная зависимость между электродвижущей силой в принимающем контуре и вертикальным уровнем наполнения в резервуаре. Такая нелинейность, например, изображена в документе US 4144756, в котором передающий и принимающий контуры расположены коаксиально и разделены в аксиальном направлении в обшивке металлургического резервуара. Зависимость сигнала измерения на уровне наполнения является в высокой степени нелинейно с образованием точек перегиба на горизонтальных осях контуров.
Чтобы сделать функцию передачи более линейной относительно вертикального уровня наполнения, было применено несколько способов.
В документе US 4475083 описано, что в обшивке стенки печи вертикально расположены плоский одновитковый передающий контур и плоский одновитковый принимающий контур. Схема обнаружения соединяется с передающим контуром для обнаружения смещения фазы между переменным током, подаваемым на передающий контур, и результирующим электромагнитным переменным полем на принимающем контуре. Указано, что такая контурная конструкция имеет результатом сигнал измерения, который может быть достаточно линейным для выражения однозначности между значением сигнала и измеренным значением.
В документе US 4708191 в обшивку металлургического резервуара установлен прямоугольный передающий контур, проходящий в горизонтальном и вертикальном направлениях. По меньшей мере два прямоугольных принимающих контура выравниваются относительно и устанавливаются вертикально со смещением в передающем контуре, чтобы покрыть различные участки поверхности передающего контура. Контурная конструкция может быть сконструирована для генерирования сигнала измерения, пропорционального уровню, с точками пересечения, сгенерированными в сигнале измерения посредством размещения принимающих контуров в передающем контуре.
Контурные конструкции, известные из уровня техники, проявили себя, как менее подходящие во многих практических ситуациях, например, при измерении на постоянно изменяемой трехмерной поверхности контакта между проводящей и главным образом непроводящей средами, например, верхней поверхностью расплавленного металла, содержащей волны и завихрения. Все это отчасти вследствие того, что вертикальный диапазон с линейной зависимостью сигнала по существу менее чем физическая высота контурной конструкции. Когда части верхней поверхности с завихрениями достигают области вне этого вертикального диапазона, индуцированные вихревые токи в этих частях с завихрениями могут приводить в действие сигнал измерения в противоположном направлении по отношению к реальному физическому перемещению. Это может привести к значительным ошибкам в измеренном уровне наполнения. Другая проблема заключается в том, что простирание вертикального диапазона может уходить с течением времени, затрудняя реализацию способов линеаризации сигнала измерения.
Известный уровень техники также включает документы US 4887798, ЕР 0187993 и ЕР 0111228, в которых описаны способы обнаружения потока расплавленного металла через выходное отверстие металлургического резервуара. Передающий и принимающий контуры расположены по кругу вокруг отверстия, и принимающий контур направлен на обнаружение электродвижущих сил, создаваемый вихревыми токами, сгенерированными в расплавленном металле посредством пропускания переменного тока через передающий контур. Это обеспечивает обнаружение присутствия или отсутствия расплавленного металла на уровне концентричных контуров.
Известный уровень техники также содержит документ ЕР 0186584, в котором описан уровень обнаружения в горизонтально расположенной цилиндрической металлической трубе. Пара проводников наматывается на внешнюю поверхность металлической трубы для образования концентрически расположенной пары передающего и принимающего контуров. Количество проводящего материала внутри трубы измеряется на основе электродвижущих сил, сгенерированных в принимающем контуре посредством переменного тока, пропускаемого через передающий контур.
Краткое описание изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы частично преодолеть или уменьшить одно или несколько из вышеуказанных ограничений, известных из уровня техники.
Другая цель заключается в том, чтобы обеспечить установку электромагнитного датчика для измерения уровня, независимо от формы металлургического резервуара.
Другая цель заключается в том, чтобы обеспечить функцию передачи электромагнитного датчика изменяемой согласно потребностям отдельной ситуации измерения.
Особой целью является предоставление электромагнитного датчика для измерения уровня с функцией передачи, которая является линейной в вертикальном простирании датчика и не имеет поворотных точек в пределах вертикального простирания.
Одна или несколько из этих целей, а также дополнительные цели, которые могут возникнуть из описания ниже, по меньшей мере, частично достигается посредством системы, металлургического резервуара, способов согласно независимым пунктам формулы изобретения, при этом их варианты осуществления определяются зависимыми пунктами изобретения.
Первый аспект настоящего изобретения заключается в системе измерения вертикального уровня наполнения электропроводящего материала во вмещающей емкости металлургического резервуара, причем металлургический резервуар образован наружным металлическим кожухом, который охватывает вмещающую емкость и проходит в вертикальном направлении. Система содержит: передающий проводник для генерирования электромагнитного поля при подключении к источнику питания переменного тока, принимающий проводник, который установлен для обнаружения электромагнитного поля для генерирования выходного сигнала в качестве функции вертикального уровня наполнения, при этом передающий и принимающий проводники расположены внутри металлического кожуха, отстоят друг от друга на разделяющем расстоянии и образуют разделительную область, которая обращена в сторону вмещающей емкости и проходит вдоль внешней поверхности вмещающей емкости в по существу закрытом контуре, при этом разделяющее расстояние между ними выбрано так, чтобы на изменения в выходном сигнале влияли изменения электромагнитного поля, вызванные локальными изменениями в количестве проводящего материала, прилегающего к указанной разделительной области, и при этом чтобы по меньшей мере часть разделительной области определяла область измерения по вертикали, в которой разделительная область наклонена вдоль внешней поверхности для отклонения от горизонтального и вертикального направлений резервуара.
Согласно первому аспекту передающий и принимающий проводники таким образом простираются как пара в контуре внутри металлического кожуха вдоль внешней поверхности вмещающей емкости, которая предназначена для удержания проводящего материала. Посредством образования спаренного контура внутри кожуха обеспечивается то, что вклад из вихревых токов в расплавленном материале является обнаруживаемой частью общей электромагнитной силы в принимающем проводнике. Посредством установки разделительной области, расположенной между передающим и принимающим проводниками и обращенной к вмещающей емкости, можно оптимизировать отклик приемного контура так, чтобы на изменения в выходном сигнале влияли локальные изменения в количестве расплавленного металла, прилегающего к разделительной области, т.е. локальная проводимость в локальной области на внешней поверхности вмещающей емкости напрямую зависит от разделительной области. Следует понимать, что разделяющее расстояние может выбираться в соответствии с другими параметрами конструкции/управления резервуара и системы, например горизонтальное расстояние от разделительной области до внешней поверхности вмещающей емкости, предоставление материала обшивки между разделительной областью и внешней поверхностью, частота и амплитуда источника питания переменного тока и т.д.
Когда на изменения в сигналах влияют локальные изменения, отклик принимающего контура может быть представлен как сумма локальных откликов отдельных сегментов принимающего контура вдоль его протяженности, т.е. вдоль контура. Это, в свою очередь, позволяет добиться любого однообразного уменьшения функции передачи контура в различных зонах своего простирания. Как используется в данном описании, ″функция передачи″ представляет, в зависимости от вертикального уровня наполнения, общую индуцированную электродвижущую силу в принимающем проводнике, нормированную питанием (током), подаваемым на передающем проводнике. Функция передачи, полученная посредством расположения пары проводников, т.е. разделительной области внутри кожуха. Это включает форму контура, но также может включать локальное разделяющее расстояние между передающим и принимающим контурами, и локальное горизонтальное расстояние от области взаимного разнесения до внешней поверхности вмещающей емкости.
Таким образом, следует понимать, что система первого аспекта обеспечивает линейную функцию передачи в вертикальной области измерения.
Конструируя контур так, чтобы он включал часть, в которой разделительная область была бы наклоненной вдоль внешней поверхности вмещающей емкости, возможно распределить контур по большой части вмещающей емкости, независимо от формы вмещающей емкости. Кроме того, для данной протяженности вертикальной области измерения, наклоненная разделительная область приводит к более длинной протяженности принимающего проводника вдоль внешней поверхности вмещающей емкости в вертикальной области измерения. Таким образом, по сравнению с разделительной областью, которая простирается в вертикальном направлении вдоль внешней поверхности в области взаимного измерения, наклоненная разделительная область индуцирует вихревые токи на большей области на внешней поверхности. Тем самым, наклоненная разделительная область приводит к большему вкладу к электродвижущей силе принимающего проводника из проводящего материала во вмещающей емкости. Такое техническое преимущество может быть использовано для увеличения разрешения сигнала в вертикальном направлении и/или для улучшения качества сигнала. При использовании наклоненной разделительной области также возможно распределение контура таким образом, что одна или несколько выделенных поворотных точек сгенерированы в выходном сигнале, или полное исключение таких поворотных точек, даже когда уровень наполнения простирается выше вертикальных пределов контура.
Используемый в данном описании термин ″разделяющее расстояние″ относится к наименьшему расстоянию до принимающего проводника в каждой данной точке вдоль передающего проводника.
Согласно настоящему описанию термин ″наклоненный″ предназначен для указания того, что участок разделительной области вдоль передающего и принимающего проводников и проходящий через разделительную область на внешней поверхности вмещающей емкости, отклоняется от горизонтального и вертикального направлений. Согласно настоящему описанию вертикальное направление - это направление силы тяжести, а горизонтальное направление - направление в горизонтальной плоскости, перпендикулярное вертикальному направлению.
Разделительная область может устанавливаться так, чтобы быть обращенной к вмещающей емкости под разными углами. В одном варианте осуществления разделительная область устанавливается так, чтобы быть по существу параллельной к внешней поверхности в вертикальной области измерения, как видно в поперечном сечении, перпендикулярном к простиранию проводников. Такой вариант осуществления может оптимизировать чувствительность системы измерения. В других вариантах осуществления разделительная область наклонена от или к внешней поверхности под углом, который меньше 90Є, и обычно меньше, чем 45Є, 35Є, 25Є, 15Є, 10Є или 5Є, как видно в поперечном сечении, перпендикулярном к простиранию проводников.
Измерение вертикального уровня наполнения согласно первому аспекту имеет целью определение местоположения зоны контакта между электропроводящим материалом и областью пониженной проводимости, например зона контакта между расплавленным металлом и воздухом или расплавленным металлом и слоем шлака. Тем не менее, измерение вертикального уровня наполнения может включать всего лишь определение присутствия или отсутствия электропроводящего материала в вертикальном участке контура или в вертикальной области измерения.
Существует несколько конструктивных критериев, которые могут использоваться, отдельно или в любой комбинации, для внесения изменения в выходной сигнал, на который влияют локальные изменения в количестве расплавленного материала, примыкающего к разделительной области.
Согласно одному такому критерию разделяющее расстояние выбирают так, чтобы осуществлять электромагнитную связь между передающим и принимающим проводниками, главным образом между противолежащими сегментами передающего и принимающего проводников вдоль разделительной области.
α
Согласно другому критерию разделяющее расстояние выбирают так, чтобы сила электромагнитного поля при отсутствии проводящего материала во вмещающей емкости падала как функция 1/R, причем R является расстоянием от передающего проводника в разделительной области и α находится в диапазоне 1-2. Посредством этого критерия обеспечивается то, что принимающий проводник устанавливается в ближней зоне от передающего проводника, позволяя высокую локальную чувствительность в присутствии и при отсутствии распределенного материала у внешней поверхности вмещающей емкости.
Согласно еще одному критерию разделительная область установлена так, чтобы электромагнитное поле, сгенерированное посредством передающего проводника в принимающем проводнике относительно передающего проводника и в отсутствие проводящего материала во вмещающей емкости, было усреднено посредством электромагнитного поля, сгенерированного вокруг прямого проводника бесконечной протяженности. Этот критерий обеспечивает высокую локальную чувствительность в присутствии или при отсутствии расплавленного материала у внешней поверхности у внешней поверхности вмещающей емкости.
Согласно еще одному критерию передающий проводник установлен так, чтобы его горизонтальная длина была менее чем приблизительно 1/10, 1/15 или 1/20 от общей длины передающего проводника. Посредством этого критерия можно избежать, чтобы сильные электромагнитные поля генерировались в определенных вертикальных положениях для возбуждения локальной связи между противолежащими сегментами в этом или других вертикальных положениях. В одном конкретном варианте осуществления передающий проводник установлен так, чтобы по существу не иметь частей с горизонтальным простиранием.
Согласно дополнительному критерию, если металлургический резервуар дополнительно содержит защитную обшивку, расположенную внутри металлического кожуха и образующую внутреннюю стенку, расположенную на расстоянии от металлического кожуха и формирующую внешнюю поверхность вмещающей емкости, передающий и принимающий проводники установлены с горизонтальным разделением между разделительной областью и внутренней стенкой, при этом разделяющее расстояние выбирают по меньшей мере с величиной того же порядка, что и у горизонтального разделения. В зависимости от реализации, передающий и принимающий проводники могут располагаться внутри обшивки или между обшивкой и металлическим кожухом. Этот критерий может быть реализован так, что отношение между разделяющим расстоянием и горизонтальным разделением находится приблизительно в диапазоне 0,5-5.
Существует также несколько конструктивных критериев, которые могут использоваться отдельно или в любой комбинации для достижения линейной функции передачи, т.е. для получения линейной зависимости между выходным сигналом (или параметра, включенного в выходной сигнал) и вертикальным уровнем наполнения в вертикальной области измерения.
Согласно одному такому критерию передающий проводник установлен так, что средняя сила электромагнитного поля в расплавленном материале на внешней поверхности вмещающей емкости, обращенной в сторону разделительной области, по существу не зависит от вертикального положения внутри области вертикального измерения. Другими словами, присутствие расплавленного материала вызывает такое же изменение в силе сигнала на любой высоте. Заданный отклик является локальным и, таким образом, общий отклик принимающего контура дан посредством суммирования локальных откликов, при этом данный критерий может вызывать линейную функцию передачи.
Согласно другому критерию разделяющее расстояние выбирают так, чтобы горизонтальное расстояние от принимающего проводника до внешней поверхности вмещающей емкости по существу является неизменным в области вертикального измерения. Этот критерий может обеспечить то, что локальный отклик на расплавленный металл является по существу таким же по всему контуру. Это может, в свою очередь, облегчить как конструкцию системы, так и установку передающего и принимающего контуров в резервуаре. Следует понимать, что ″по существу неизменный″ является нормальным критерием, который включает допуски для установки, которые, например, могут составлять ±20°, ±15°, ±10° или ±5°. Следует также отметить, что горизонтальное расстояние может изменяться со временем, например, в результате истирания материала обшивки.
Согласно другому критерию разделяющее расстояние по существу является такой же вдоль разделительной области в области вертикального измерения. Согласно вышеуказанному критерию, это может облегчить как конструкцию системы, так и установку передающего и принимающего контуров в резервуаре. Согласно вышеуказанному критерию, ″по существу неизменный″ является номинальным критерием, который может включать вышеуказанные допуски для установки.
Согласно еще одному критерию разделительная область установлена так, чтобы проходить приблизительно на ту же длину обнаружения для различной высоты в вертикальном направлении в области вертикального измерения, причем длина обнаружения составляет общую длину разделительной области вдоль передающего и принимающего проводников в горизонтальном сечении, взятом на данной высоте в вертикальном направлении.
Согласно еще одному критерию разделительная область установлена так, что общая электродвижущая сила, индуцированная в принимающем проводнике посредством электромагнитного поля, является по существу линейной функцией вертикального уровня наполнения в области вертикального измерения.
В одном варианте осуществления разделительная область установлена так, что общая электродвижущая сила, индуцированная в принимающем проводнике посредством электромагнитного поля, является по существу неизменным вертикальным уровнем наполнения, когда вертикальный уровень наполнения проходит наружу от вертикальной области измерения. Этот вариант осуществления предоставляет выходной сигнал без поворотных точек. В данном контексте, поворотная точка обозначает, что производная от функции передачи изменяет знак на определенной высоте. Как указано в разделе предпосылок изобретения, присутствие поворотных точек является присущим для способов, известных из уровня техники, и может вызывать значительные ошибки в рассчитанном уровне наполнения, если измерения выполнены при состояниях завихрений в проводящем материале.
В одном варианте осуществления область вертикального измерения охватывает простирание контура в вертикальном направлении. Это означает, что разделительная область наклонена по существу вдоль всего контура. Такой вариант осуществления увеличивает простирание вертикальной области измерения. Схема размещения разделительной области может, например, быть выполнена для создания линейной функции передачи для всего вертикального простирания контура и/или с тем, чтобы создать функцию передачи без поворотных точек снаружи вертикального простирания контура.
В одном варианте осуществления передающий и принимающий проводники установлены так, чтобы контур охватывал вертикальную центральную линию вмещающего объема. Это обеспечивает то, что контур устанавливается так, чтобы собирать локальный отклик с большой части вмещающей емкости. На основании того, что общий отклик для данной высоты представлен как сумма всех локальных откликов вдоль контура на данной высоте, следует понимать, что этот вариант осуществления улучшает точность измерения.
В одном варианте осуществления, контур выполнен так, чтобы охватывать вмещающую емкость. В одном таком варианте осуществления вмещающая емкость по меньшей мере частично образована посредством части с по существу цилиндрической стенкой вокруг вертикальной центральной линии, при этом контур образован в части с цилиндрической стенкой, проходящей вокруг вертикальной центральной линии, при этом контур образован в части с цилиндрической стенкой с тем, чтобы охватить вмещающую емкость. В этом контексте ″часть с цилиндрической стенкой″ может образовывать любое поперечное сечение вмещающей емкости, например, круглую, овальную, прямоугольную или любую другую форму.
В одном варианте осуществления система дополнительно содержит второй передающий проводник для генерирования электромагнитного поля при соединении с источником питания переменного тока, и второй принимающий проводник, который установлен для обнаружения электромагнитного поля для генерирования второго выходного сигнала, при этом передающий и принимающий проводники установлены внутри металлического кожуха в вертикальном положении в диапазоне вертикальных измерений, проходя вокруг вмещающей емкости на разделяющем расстоянии друг от друга. Вариант осуществления обеспечивает компенсацию уходов параметров в резервуаре и система, поскольку второй передающий и принимающий контуры могут устанавливаться для генерирования скачкообразного изменения во втором выходном сигнале, когда вертикальный уровень наполнения совпадает с вертикальным положением, причем вертикальное положение скачкообразного изменения по существу не подвергается воздействию уходов параметров. Посредством отображения положения скачкообразного изменения в выходном сигнале контура в наклоненной разделительной области, таким образом, можно компенсировать уходы параметров в выходном сигнале.
В одном варианте осуществления система дополнительно содержит источник питания переменного тока, присоединенный к передающему проводнику.
В одном варианте осуществления система дополнительно содержит блок обработки, сконфигурированный для получения и обработки выходного сигнала для извлечения измерения, представляющего вертикальный уровень наполнения.
Вторым аспектом настоящего изобретения является металлургический резервуар, содержащий систему по первому аспекту.
Третий аспект настоящего изобретения заключается в способе измерения вертикального уровня наполнения электропроводящего расплавленного материала вмещающей емкости металлургического резервуара, причем металлургический резервуар образован посредством внешнего металлического кожуха, который охватывает вмещающую емкость и простирается в вертикальном направлении. Способ включает: установку передающего проводника для генерирования электромагнитного поля внутри металлургического резервуара, и установку принимающего проводника внутри металлургического резервуара для обнаружения электромагнитного поля для генерирования выходного сигнала как функции вертикального уровня наполнения, при этом передающий и принимающий проводники установлены внутри металлического кожуха, проходя на разделяющем расстоянии друг от друга и образуя разделительную область, которая обращена к вмещающей емкости и проходит вдоль внешней поверхности вмещающей емкости по существу в закрытом контуре, при этом разделяющее расстояние выбирают так, чтобы на изменения в выходном сигнале влияли изменения в электромагнитном поле, вызванные локальными изменениями в некотором количестве расплавленного материала, прилегающего к указанной разделительной области, и при этом по меньшей мере часть разделительной области установлена так, чтобы образовывать вертикальную область измерения, в которой разделительная область наклонена вдоль внешней поверхности с тем, чтобы отклоняться от горизонтального и вертикального направлений резервуара.
Четвертым аспектом настоящего изобретения является способ работы системы по первому аспекту. Способ включает: подачу питания переменного тока на передающий проводник, получение выходного сигнала с принимающего проводника и обработку выходного сигнала для извлечения измерения, отображающего вертикальный уровень наполнения.
Любой из вариантов осуществления первого аспекта может комбинироваться с аспектами, начиная со второго и заканчивая четвертым.
Тем не менее, другие цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания, из приложенной формулы изобретения, а также из графических материалов.
Краткое описание графических материалов
Варианты осуществления изобретения далее будут описаны подробнее со ссылкой на прилагаемые схематичные графические материалы.
Фиг. 1 является видом в перспективе металлургического резервуара с системой измерения уровня.
Фиг. 2 является увеличенным видом сбоку части проводящей пары в измерительной системе по фиг. 1.
Фиг. 3А и 3В являются видами в разрезе, перпендикулярными проводящей паре на фиг. 2 без и, соответственно, с взаимодействием между сгенерированным электромагнитным полем и расплавленным металлом в резервуаре.
Фиг. 4 является горизонтальным видом в разрезе проводящей пары и другой части проводящей пары.
Фиг. 5 является видом в перспективе магнитного поля, сгенерированного вокруг проводника бесконечной протяженности.
Фиг. 6А-6С являются примерами схем расположения проводящей пары для различных форм вмещающей емкости.
Фиг. 7 является графиком амплитуды сигнала как функции уровня, полученного для схемы размещения по фиг. 6А.
Фиг. 8 является блок-схемой проводящей пары, соединенной с блоком обработки для генерирования сигнала и сбора данных.
Фиг. 9 является блок-схемой нескольких проводящих пар, соединенных с блоком обработки.
Фиг. 10 является видом в перспективе комбинации наклоненной проводящей пары и горизонтальных проводящих пар.
Фиг. 11А-11С являются графиками функции чувствительности для различных проводниковых пар по фиг. 10.
Подробное описание примеров вариантов осуществления
Далее, лишь в иллюстративных целях будет описано несколько примерных вариантов осуществления настоящего изобретения. По всему описанию те же ссылочные позиции используются для обозначения соответствующих элементов.
Прежде, чем обратиться к примерным вариантам осуществления, будет дано несколько основных определений и пояснений.
Как использовано здесь, ″электромагнитное поле″ является физическим полем, образованным при помощи перемещения электрически заряженных объектов. Это влияет на поведение заряженных объектов вблизи от данного поля. Электромагнитное поле распространяется в пространстве беспредельно. Поле можно рассматривать как комбинацию электрического поля Е и магнитного поля В, каждое из которых является трехмерным векторным полем. Каждое из векторных полей имеет значение, определенное в каждой точке пространства и времени, и может считаться функцией координат времени и пространства. Электрическое поле вырабатывается при помощи покоящихся зарядов, а магнитное поле - при помощи движущихся зарядов (токов).
Термин ″электромагнитная связь″ (также известная как ″индуктивная связь″) относится к явлению, заключающемуся в том, что изменение в протекании тока через первый проводник индуцирует напряжение через концы второго проводника посредством электромагнитной индукции. Количество электромагнитной связи между двумя проводниками измеряется их взаимной индуктивностью. Взаимная индуктивность определяет количество образованной ″электродвижущей силы″ (emf) во втором проводнике посредством изменения тока в первом проводнике. Индуцированная электродвижущая сила е замкнутого контура С в присутствии переменного магнитного поля В является напряжением, полученным при помощи интеграла электрического поля по постоянно замкнутому пути контура:
ε=ϕ Е·dl,
где Е является полным электрическим полем, а интеграл берется по произвольной, но постоянно замкнутой кривой С, через которую проходит магнитное поле.
Вихревые токи (также известные как ″токи Фуко″) являются токами, индуцированными в проводящем материале, на который воздействуют магнитным полем, изменяющимся по времени. Токи образованы в виде циркулирующих вихрей, которые обладают индуктивностью и таким образом индуцируют магнитные поля. Чем сильнее приложенное магнитное поле, или больше электрическая проводимость проводящего материала, или быстрее изменение поля, тем больше формирующиеся вихревые токи и тем больше образуемые поля.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к измерению уровня в металлургических резервуарах посредством определения переменного напряжения, которое индуцируется в принимающем контуре посредством переменного тока, подаваемого на передающий контур. Переменный ток также индуцирует вихревые токи в проводящем материале, который обрабатывается внутри резервуара, и магнитное поле, образованное этими вихревыми токами, изменяет магнитное поле на принимающем контуре, чтобы вызвать изменение в индуцируемом напряжении (emf) в принимающем контуре. Одна цель заключается в достижении полезной и предсказуемой функциональной зависимости между выходным сигналом и количеством проводящего материала в резервуаре, т.е. уровень наполнения.
На фиг. 1 изображен металлургический резервуар 1 с наружным кожухом или корпусом 2 из металла, который образует внутреннюю полость 3 (вмещающая емкость) для электропроводящего материала, обрабатываемого в резервуаре 1. Резервуар 1 может быть металлургическим резервуаром любого типа, такого как печь, разливочное устройство, сталеразливочный ковш, форма для отливки и т.д. Проводящий материал может быть металлом или полупроводником, обычно расплавленным до жидкого состояния, или в альтернативном варианте в форме порошка или гранул. Для простоты проводящий материал далее будет называться как ″расплавленный материал″. Контурная конструкция 4 устанавливается в корпусе 2 так, чтобы ограничить часть полости 3. Контурная конструкция 4 образована из передающего проводника 5 и принимающего проводника 6, которые очерчивают полость 3 как пара совместно проходящих линий, взаимно расположенных на расстоянии d. Проводники 5, 6, таким образом, образуют передающий контур и принимающий контур, которые отстоят друг от друга на разделяющем расстоянии d параллельно внешней поверхности полости 3. Принципиально это можно рассматривать как ″разделительную область″ 7, образованную между проводниками 5, 6 вокруг полости 3. Как видно из фиг. 1, разделительная область 7 частично расположена вокруг внешней поверхности полости 3.
i
Фиг. 2 является увеличенным видом наклоненной части совместно проходящих проводников 5, 6, как показано в виде сверху и сбоку, т.е. спроецировано на внешнюю поверхность полости 3. На фиг. 2 полость 3 частично наполнена расплавленным металлом, который, таким образом, образует верхнюю поверхность 10. Контурная конструкция 4 расположена так, что электромагнитная связь между проводниками возникает главным образом между сегментами (Δ1) противолежащих линий вдоль наклоненной части, что указано при помощи двухсторонних стрелок. Тем самым сегменты линий подвергается воздействию двух сред либо в присутствии проводящего материала, либо при отсутствии проводящего материала.
Фиг. 3А является видом в сечении вдоль пунктирной линии 3А на фиг. 2, т.е. при отсутствии расплавленного материала в полости 3 на уровне сегмента линии. В проиллюстрированном примере проводники 5, 6 вделаны в материал 11 обшивки, который оснащен на стенке 12, определяющей полость. Может использоваться любой тип материала обшивки, например огнеупорная кирпичная кладка или спрессованный или формованный огнеупорный материал, образующий однородную обшивку. Таким образом, между разделительной областью 7 и стенкой 12 существует определенное горизонтальное расстояние. Фиг. 3А изображает магнитное поле В и электрическое поле Е, сгенерированные передающим проводником 5 и измеренные принимающим проводником 6, как и вихревые токи 20, которые сгенерированы в металлическом кожухе 2. Как видно, магнитное поле В проходит в полость 3. В проиллюстрированном примере разделительная область 7 в целом параллельна внешней поверхности полости 3, хотя и возможно смещение разделительной области 7 к или от полости 3.
α
i
Фиг. 3В является видом в сечении вдоль пунктирной линии 3В на фиг. 2, т.е. в присутствии расплавленного материала в полости 3 на уровне сегмента линии. Как показано, магнитное поле В индуцирует вихревые токи 20 в металлическом кожухе 2, как и вихревые токи 21 в расплавленном материале у стенки 12, т.е. на внешней поверхности полости 3. Вихревые токи 21 в расплавленном металле вызывают уменьшение силы магнитного поля В, которое обходит принимающий проводник 6. Тем самым связь между передающим проводником 5 и принимающим проводником 6 локально уменьшается. Разделяющее расстояние проводников 5, 6 таково, что принимающий проводник 6 расположен в ближней зоне от магнитного поля В, сгенерированного передающим проводником 5. При отсутствии проводящего материала в локальной среде сегмента линии магнитное поле упадет со скоростью, пропорциональной 1/R, обычно α=1 или по меньшей мере α находится в диапазоне 1-2, а R перпендикулярно расстоянию от передающего проводника 5. В присутствии проводящего материала в локальной среде сегмента линии магнитное поле падает с более высокой скоростью. Тем самым каждый сегмент линии может представляться как частичный переключатель сегмента линии в отношении электродвижущей силы, сгенерированной в принимающем проводнике 6, где работа переключателя управляется присутствием или отсутствием расплавленного металла. Индуцированный emf Δε сегмента i линии вдоль контурной конструкции 4 может быть описан как
i
smatv.i
sddv.i
Δε=Δε-Δε,
smatv.i
sddv.i
sddv.i
sddv.i
где Δε является индуцированным emf при отсутствии прилегающего расплавленного металла, и Δε является снижением индукции emf в результате вихревых токов 21 в прилегающем расплавленном металле. При отсутствии прилегающего расплавленного металла, Δε=0. В присутствии прилегающего расплавленного металла, Δε имеет значение, которое зависит от определенной конфигурации отдельного сегмента. Общий отклик контурной конструкции 4, т.е. общий индуцированный emf вдоль контурной конструкции 4, может быть представлен как сумма индуцированных emf для всех сегментов линии:
smatv
ε=ε-β·f(h),
smatv
где ε является индуцированным emf, когда полость 3 пуста, а β является коэффициентом, который зависит от действительной локальной связи между передающим контуром, расплавленным металлом и принимающим контуром. Функция чувствительности f(h) зависит от конфигураций отдельных сегментов линий, т.е. распределение разделительной области 7, как функции уровня h наполнения. Тем самым общий отклик (функция передачи) является функцией вертикального уровня наполнения расплавленного металла в полости. По мере изменения уровня наполнения с течением времени, изменяется и общий отклик. Вышеуказанное отношение примерно справедливо даже, если сегменты линий не образуют полных переключателей.
Следует понимать, что однообразно уменьшающаяся функция передачи может быть получена посредством правильной схемы размещения контурной конструкции 4. Как можно понять из фиг. 1, использование наклоненных проводящих пар позволяет контурной конструкции 4 взаимодействовать с большой частью полости 3.
Более того, на сегодняшний день считается, что возможно будет необходимым во избежание заметного простирание контурной конструкции 4 в горизонтальном направлении, поскольку это может вызвать генерирование электромагнитного поля вокруг горизонтального передающего проводника 5, индуцировать напряжения в наклоненной паре проводников. Таким образом, сейчас принято считать, что горизонтальное простирание проводящей пары должно составлять менее чем 1/10 и предпочтительно менее чем 1/15 или 1/20 от общей длины пары проводников.
Как было описано в секции краткого описания, существует несколько доступных критериев конструкции, которые могут быть применены для обеспечения того, чтобы электромагнитная связь была локальной. Еще один критерий конструкции изображен на фиг. 4, а именно для обеспечения того, что принимающий проводник 6, во всех горизонтальных плоскостях, которые проходят перпендикулярно к принимающему проводнику 6, отстоит на достаточном расстоянии от других частей передающего проводника 5. Может потребоваться, чтобы это расстояние D, указанное на фиг. 4, было по меньшей мере в 3 раза больше взаимного расположения и возможно по меньшей мере в 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 раз от взаимного расположения.
Также может потребоваться обеспечение ровное простирание проводящей пары вокруг внешней поверхности полости 3. Например, может потребоваться исключение крутых поворотов по длине пары проводников. Согласно другому критерию конструкции, протяженность проводящей пары вдоль контура такое, что сгенерированное на принимающем проводнике 6 электромагнитное поле может быть аппроксимировано электромагнитным полем вокруг прямого проводника бесконечной протяженности, например как показано на фиг. 5. Например, разделяющее расстояние d может выбираться так, чтобы локальное простирание передающего проводника 5, как видно с любого положения вдоль принимающего проводника 6, может быть аппроксимировано прямым проводником.
Следует также указать, что отклик в отдельной области может поворачиваться, например, локально изменяя разделяющее расстояние d. Например, разделяющее расстояние d может увеличиваться там, где проводящая пара поворачивается (например, на углах), чтобы локально уменьшить отклик контурной конструкции 4.
Контурная конструкция 4 может конструироваться для любой формы полости 3 и устанавливаться в резервуаре 1, чтобы позволить обнаружение в любом необходимом вертикальном диапазоне, например, на всем протяжении от данной высоты до дна резервуара 1. Используя определенный критерий конструкции, как было отмечено выше в секции краткого описания, можно достичь линейной функции передачи над необходимым диапазоном измерения и без каких-либо точек поворота. Согласно одному такому критерию контурная конструкция 4 сконструирована для сохранения по существу постоянной длины обнаружения как функции высоты, где длина обнаружения является комплексным участком разделительной области 7 вдоль проводников 5, 6 в горизонтальном сечении, взятом на любой высоте в диапазоне измерения. Следует понимать, что этот критерий реализуется в наклоненной части контурной конструкции 4 по фиг. 1, но нарушается в верхней и нижней частях, которые проходят горизонтально вдоль всей глубины резервуара 1. Таким образом, контурная конструкция 4 по фиг. 1 способна обеспечить линейный отклик в наклоненной области, но едва ли создает в нелинейной области и точка поворота на верхней и нижней частях. На фиг. 6А представлен вид в перспективе модификации контурной конструкции 4 по фиг. 1, чтобы реализовать вышеуказанный критерий вдоль всей вертикальной протяженности контурной конструкции 4 и тем самым создать линейный отклик без точек поворота.
На фиг. 6В и 6С представлены виды в перспективе контурных конструкций 4, которые реализуют этот критерий и могут создавать линейный отклик без точек поворота в цилиндрической полости 3 с круговым сечением и полостью 3, имеющей часть сферической стенки, соответственно. Следует понимать, что эти формы полости добавлены лишь с целью иллюстрации, и что контурная конструкция 4 может конструироваться для реализации вышеуказанного критерия независимо от формы полости.
На фиг. 7 представлен график кривой отклика (функция передачи) для контурной конструкции 4 по фиг. 6А, данный как амплитуда в сигнале напряжения, полученная из принимающего проводника 6 как функции уровня наполнения в резервуаре 1. Как видно отклик линейно зависит от уровня наполнения в диапазоне измерения, который совпадает с вертикальным простиранием контурной конструкции 4 и является постоянным для уровня наполнения вне диапазона измерения.
По сравнению с технологиями, известными из уровня техники, которые преимущественно нелинейны и имеют точки поворота, варианты осуществления по фиг. 6 могут привести к значительному улучшению при выполнении измерения на неблагоприятных поверхностях, которые изменяются на временной шкале с сопоставимой или большей частотой, чем частота электромагнитного поля (т.е. частота переменного тока, подаваемого на передающий проводник 5). Даже мгновенные возмущения усреднены посредством своего электромагнитного взаимодействия с контурами так, что для ряда последовательных проб может вычисляться действительное усредненное значение времени.
На фиг. 8 представлена блок-схема варианта осуществления блока 25 обработки, соединенного с передающим и принимающим проводниками 5, 6 для генерирования измерения вертикального уровня наполнения (см. фиг. 7). Поле, обозначенное пунктирной линией, образует приемопередатчик 26, имеющий схему для приведения в действие передающего проводника 5 и для получения выходящего сигнала с принимающего проводника 6. Процессор 27 сигналов соединен с приемопередатчиком 26 для извлечения измерения вертикального уровня наполнения из выходящего сигнала. В примере по фиг. 8 прямой цифровой синтезатор (DDS) 28 сконфигурирован для создания подходящей волны, например синусоиды, на необходимой частоте на основе опорного генератора 29 тактовых импульсов. В зависимости от реализации частота может находиться в диапазоне частот от приблизительно 50 Гц да 100 кГц. Выходящий сигнал с DDS 28 передается на усилитель 30 мощности, который, таким образом, передает стабильный сигнал переменного тока подходящей амплитуды на передающий проводник 5. Предусилитель 31 присоединен для обнаружения и усиления переменного напряжения через принимающий проводник 6. После фильтрации в выделенном полосовом пропускающем фильтре 32, усиленный сигнал напряжения обрабатывается посредством синхронного аналого-цифрового преобразователе в аналого-цифровом преобразователе (ADC) 33. Таким образом, ADC 33 может передавать выходящий сигнал, содержащий информацию о фазе и/или амплитуде обнаруженного напряжения. В зависимости от реализации, измерение вертикального уровня наполнения может вычисляться как функция фазы или амплитуды обнаруженного напряжения, или их комбинации. Это хорошо известно специалистам в данной области.
Следует понимать, что способ не ограничивается использованием одной проводящей пары. Вместо этого, могут устанавливаться две или более проводящие пары, например, чтобы обеспечить диапазон измерений на различной высоте резервуара и/или чтобы обеспечить различные функции передачи. На фиг. 9 изображен такой вариант осуществления с количеством n различных проводящих пар, расположенных для образования соответствующего контура вокруг полости металлургического резервуара. В варианте осуществления по фиг. 9 каждая пара проводников 5, 6 присоединена к соответствующему приемопередатчику 26, и выходные сигналы приемопередатчиков 26 обрабатываются посредством процессором 27 общего сигнала. В варианте осуществления по фиг. 9 приемопередатчики 26 могут работать на различных частотах.
Уход параметров является неотъемлемым во всех типах электромагнитных датчиков из-за изменений в геометрии резервуара 1, например, вызванных изменениями температуры, износа обшивки и вставок материала. Было обнаружено, что система измерений согласно изобретению предпочтительно не чувствительна к подобным уходам параметров, поскольку функция передачи контурной конструкции 4 относительно не подвергается влиянию от связанных изменений в геометрии. При умеренных изменениях в геометрии функция передачи едва изменяется, вызывая линейное смещение кривой отклика. Таким образом, при простой функции перемещения (например, линейной) для компенсации выходного сигнала при уходах параметров достаточно одной или двух калибровочных точек. Такая точка калибровки может быть получена, например, посредством включения проводящей пары, которая проходит горизонтально вокруг полости для образования горизонтальной проводящей пары. Напряжение на горизонтальной проводящей паре уменьшается значительно и скачком (скачкообразное изменение), когда уровень наполнения достигает горизонтальной проводящей пары и вертикальное положение скачкообразного изменения будет по существу не затронуто изменениями геометрии. Следует понимать, что кривая линейного отклика наклоненных проводников может компенсироваться при неизвестных смещениях посредством отображения измеренного отклика с наклоненных проводников в месте скачкообразного изменения на кривой линейного отклика. Дополнительные точки калибровки могут включаться для расчета изменений наклона в кривой линейного отклика или для компенсации уходов параметров, когда кривая отклика является частично нелинейной. Следует понимать, что горизонтальные проводящие пары (калибровочные контуры) могут управляться отдельными приемопередатчиками, соединенными с процессором общего сигнала, как описано со ссылкой на фиг. 9.
На фиг. 10 изображен пример контурной конструкции 4, которая обеспечивает функцию линейной передачи и две неотъемлемые калибровочные точки. Контурная конструкция 4 содержит одну пару наклоненных проводников 5, 6, которая проходит в диапазоне вертикального измерения и двух горизонтальных пар проводников 5′, 6′, расположенных на разных уровнях по вертикали в диапазоне измерения. Этот вариант осуществления позволяет калибровку всего диапазона измерения каждый раз, когда уровень наполнения проходит горизонтальные пары проводников 5′, 6′. На фиг. 11A-11C изображена функция f(h) чувствительности для наклоненной проводящей пары, верхняя горизонтальная проводящая пара и нижняя горизонтальная проводящая пара, соответственно, относительно вертикального уровня наполнения. Как было описано выше, функция f(h) чувствительности представляет вклад сигнала, возникающий в результате вихревых токов в расплавленном металле вокруг разделительной области 7.
Хотя изобретение было описано в связи с тем, что сейчас принято считать наиболее практичными и предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления, но наоборот стремится охватить различные модификации и эквивалентные конструкции, входящие в рамки объема и сущности приложенной формулы изобретения.
Например, каждый из передающего проводника и принимающего проводника может быть образован из одного провода или из нескольких проводов.
Кроме того, следует понимать, что контур, образованный совместно проходящей парой проводников, может передаваться одним или несколькими дополнительными передающими проводниками и/или принимающими проводниками, которые предусмотрены для совместного прохождения на разделяющем расстоянии от контура.
Дополнительно описанное здесь изобретение может в равной степени быть применимой для измерений уровня в металлургических резервуарах с неметаллическим кожухом, например, кожухом из керамического материала.