冶金容器中的水準測量的制作方法
【專利摘要】通過系統(tǒng)測量冶金容器的腔體（3）中的導電材料的垂直灌裝水準，該系統(tǒng)包括：一條發(fā)射導線（5），用于當連接到一個交變電源時，生成一個電磁場；以及一條接收導線（6），其被安排成用于感測該電磁場，從而生成一個輸出信號。該發(fā)射及接收導線（5，6）被安排在該容器的金屬套內(nèi)部從而以一個相互間隔共同延伸來限定一個面對該腔體（3）并且沿著該腔體（3）的外圍以一個基本上閉合的回路而延伸的間隔面積（7）。該相互間隔被選擇從而使得該輸出信號中的變化由與該間隔面積（7）相鄰的導電材料的量的局部變化而引起的對該電磁場的變化所控制。該間隔面積（7）的至少一部分限定了一個垂直測量區(qū)域，在該垂直測量區(qū)域中該間隔面積（7）沿著外圍傾斜從而背離該容器的水平及垂直方向。由此，該間隔面積（7）可以適應于該腔體（3）的任意形狀，從而用任意所期望的傳遞函數(shù)設計該系統(tǒng)，例如在該垂直測量區(qū)域的外延外部的沒有轉(zhuǎn)折點的線性函數(shù)。
【專利說明】冶金容器中的水準測量
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年9月15日提交的瑞典專利申請N0.1150836-3以及于2011年9月26日提交的美國專利申請N0.61/626,309的權(quán)益，這兩個申請都通過引用結(jié)合在此。
【技術(shù)領域】
[0003]本發(fā)明涉及用于電磁地測量包含在冶金容器中的導電材料的熔池的垂直灌裝水準的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0004]在工業(yè)中，尤其是處理熔融金屬的冶金工業(yè)中，具有對用于測量或估計在冶金容器(如鋼包、中間包、模具、熔爐等)中的熔融金屬與非導電介質(zhì)之間的交界面的位置或平均水準的系統(tǒng)的巨大需要。由于遇到的有關于這種工業(yè)的具體苛刻的條件，如在容器和環(huán)境中的高溫、腐蝕性材料、不同的導電材料，直至現(xiàn)在，已證明了為這種水準測量提供一種通用技術(shù)是困難的。
[0005]在冶金工業(yè)中用于水準估計的一些主要技術(shù)包括重量測量、放射性系統(tǒng)以及電磁系統(tǒng)。重量測量是間接的，并且放射性系統(tǒng)具有受限的范圍并且不在導電或非導電介質(zhì)之間分離。電磁系統(tǒng)已成功地部署在多種容器中，如鋼包、中間包和熔爐。這些容器具有金屬外殼，通常具有一個內(nèi)陶瓷襯里從而管理熱量和研磨材料。電磁傳感器可以放置在該襯里后面，從而不受來自熔融金屬的過度熱量影響。這些電磁傳感器包括一個或多個發(fā)射器線圈和一個或多個接收器線圈的組合。該發(fā)射器線圈可以在低至IOOHz到幾千Hz的頻率下驅(qū)動從而生成時變磁場。在這些頻率下，許多襯里材料是透明的，這允許磁場到達熔融金屬并感應其中的渦流。這些渦流生成感應在接收線圈中的電動勢(emf)的場，該電動勢可以被檢測從而表示在線圈的外延內(nèi)的熔融金屬的量。將發(fā)射器和接收器線圈習慣地設計為平面直角線圈，這些平面直角線圈被安排在容器的側(cè)面或在容器的一側(cè)上在彼此的頂部。這導致了安裝限制。
[0006]由線圈生成的磁場固有地是非線性的，其中該磁場的強度當靠近線圈時隨著與線圈導線的距離(R)以1/R而降低，而當距離R相對于線圈的外延更大時，以1/R3而降低。除非進行了特殊處理，這導致了一個非線性的傳遞函數(shù)，即在接收器線圈中的電動勢與容器中的垂直灌裝水準之間的非線性相關。這種非線性是例如在US4144756中所展示的，其中發(fā)射器與接收器線圈在冶金容器的襯里中被共軸安排并在軸方向上分離。測量信號與灌裝水準的相關性與形成在線圈的水平軸上的曲折點是高度非線性的。
[0007]已應用了若干技術(shù)使得傳遞函數(shù)相對于垂直灌裝水準更加線性。
[0008]在US4475083中，在熔爐壁的襯里中垂直地安排了平面單匝發(fā)射器線圈和平面單匝接收器線圈，從而使得互相重疊并且平行延伸到熔融金屬的外圍。檢測電路連接到發(fā)射器線圈從而檢測在提供給發(fā)射器線圈的交變電流與在接收器線圈上的所造成的電磁交變場之間的相移。規(guī)定了這種線圈安排從而導致一個可以足夠線性地表示信號值與測量值之間的無歧義性的測量信號。
[0009]在US4708191中，將矩形發(fā)射器線圈安裝在冶金容器的襯里中從而在該容器的水平和垂直方向上延伸。在接收器線圈中，至少兩個矩形接收器線圈是對齊的且垂直地錯列的，從而覆蓋發(fā)射器線圈的各表面面積?？梢栽O計線圈安排從而生成與水準成比例的測量信號，帶有由在發(fā)射器線圈中的接收線圈的布置而在測量信號中生成的交叉點。
[0010]已證明了現(xiàn)有技術(shù)的線圈安排在許多實際情況中是不那么合適的，例如當在導電和根本不導電的介質(zhì)之間的恒定變化的三維交界面(例如熔融金屬的激烈的或湍流的頂面)上測量時。這部分地由于具有線性信號相關性的垂直范圍大體上小于線圈安排的物理高度。當頂面的湍流部分超出了這個垂直范圍之外，在這些湍流部分中所感應的渦流可以在相對于實際的物理運動的相反方向上驅(qū)動測量信號。這可能導致所測量的灌裝水準中出現(xiàn)嚴重錯誤。另一個問題是垂直范圍的外延會隨著時間而漂移，使其難于維持用于將測量信號線性化的技術(shù)。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)還包括US4887798、EP0187993 和EP0111228，其公開了用于檢測通過冶金容器中的出口的熔融金屬流的技術(shù)。將發(fā)射器和接收器線圈同中心地安排在開口周圍，并且接收器線圈運行從而檢測起源于由通過發(fā)射器線圈的交變電流在熔融金屬中生成的渦流的電動勢。這使得在同中心的線圈的水平上對存在和不存在熔融金屬時的檢測成為可倉泛。
[0012]現(xiàn)有技術(shù)還包括EP01865841，其公開了在水平安排的圓柱形的金屬管中的水準檢測。一對導線纏繞在金屬管的外表面上從而形成一對同中心地安排的發(fā)射及接收線圈?；谟赏ㄟ^發(fā)射線圈的交變電流在接收線圈中生成的電動勢測量在管內(nèi)部的導電材料的量。
[0013]MM
[0014]本發(fā)明的一個目的是至少部分地克服或減輕現(xiàn)有技術(shù)的上述限制中的一個或多個限制。
[0015]另一個目的是使與冶金容器的形狀無關的用于水準測量的電磁傳感器的安裝成為可能。
[0016]還有另一個目的是使電磁傳感器的傳遞函數(shù)為具體的測量情況的需要而定制。
[0017]一個具體的目的是提供一種用于水準測量的具有傳遞函數(shù)的電磁傳感器，該傳遞函數(shù)在該傳感器的垂直外延中是線性的并且在該垂直外延的界限上沒有轉(zhuǎn)折點。
[0018]這些目的一個或多個以及可能出現(xiàn)在以下的說明書中的進一步的目的至少部分地由一種系統(tǒng)、一種冶金容器、根據(jù)獨立權(quán)利要求的方法、由從屬權(quán)利要求限定的其實施例而實現(xiàn)。
[0019]本發(fā)明的一個第一方面是一種用于測量冶金容器的容量體積內(nèi)的導電材料的垂直灌裝水準的系統(tǒng)，該冶金容器由一個圍繞該容量體積并且在一個垂直方向上延伸的外金屬套限定。該系統(tǒng)包括:一條發(fā)射導線，用于當連接到一個交變電源時，生成一個電磁場；一條接收導線，其被安排成用于感測該電磁場，從而生成一個作為該垂直灌裝水準的一個函數(shù)的輸出信號，其中該發(fā)射及接收導線被安排在該金屬套內(nèi)部從而以一個相互間隔共同延伸來限定一個面對該容量體積并且沿著該容量體積的外圍以一個基本上閉合的回路而延伸的間隔面積，其中該相互間隔被選擇從而使得該輸出信號中的變化由與所述間隔面積相鄰的導電材料的量的局部變化而引起的對該電磁場的變化所控制，并且其中該間隔面積的至少一部分限定了一個垂直測量區(qū)域，在該垂直測量區(qū)域中該間隔面積沿著外圍傾斜從而背離該容器的水平及垂直方向。
[0020]根據(jù)該第一方面，發(fā)射及接收導線從而作為回路中的一對在金屬套內(nèi)部沿著容量體積的外圍而延伸，其旨在保持導電材料。通過在套內(nèi)部形成該成對的回路，確保了來自熔融金屬中的渦流的貢獻是接收器導線中的總電動勢的可檢測的部分。通過安排在發(fā)射及接收導線之間限定的面對容量體積的該間隔面積，可以優(yōu)化接收器線圈的響應，從而使得輸出信號中的變化由與所述間隔面積相鄰的熔融材料的量的局部變化所控制，即在容量體積的外圍上的直接相對間隔面積的局部區(qū)域的局部導電性。應當理解的是可以關于該容器和系統(tǒng)的其他設計/控制參數(shù)來選擇該相互間隔，如從間隔面積到容量體積的外圍的水平距離、在間隔面積與外圍之間的襯里材料的規(guī)定、交變電源的頻率和大小等。
[0021]當信號變化由局部變化所控制時，接收器線圈的響應可以表示為接收器線圈沿著其外延的單獨區(qū)段的局部響應的和。這反過來使實現(xiàn)在其垂直外延的不同區(qū)域中的回路的任何單調(diào)遞減的傳遞函數(shù)成為可能。如在此所使用的，作為垂直灌裝水準的函數(shù)，“傳遞函數(shù)”表示由提供到發(fā)射導線的功率(電流)歸一化的接收導線中的總感應的電動勢。通過將這對導線(即間隔面積)安排在套內(nèi)部給出了該傳遞函數(shù)。這包括回路的形狀，但也可以包括在發(fā)射及接收導線之間的局部相互間隔，以及從間隔面積到容量體積的外圍的局部水平距離。
[0022]從而，實現(xiàn)了該第一方面的系統(tǒng)使在垂直測量區(qū)域中的線性傳遞函數(shù)成為可能。
[0023]通過設計回路從而包括一個其中間隔面積沿著容量體積的外圍傾斜的部分，可以將回路分布在容量體積的一個大的部分，而無關該容量體積的形狀。進一步地，對于一個給定的垂直測量區(qū)域的外延，傾斜的間隔面積導致在垂直測量區(qū)域中的沿著容量體積的外圍的接收導線的更長的外延。由此，與在垂直測量區(qū)域中的沿著外圍的在垂直方向上延伸的間隔面積相比較，傾斜的間隔面積感應在外圍上的更大面積中的渦流。從而，傾斜的間隔面積導致了對來自容量體積內(nèi)的導電材料的接收導線的電動勢的更大的貢獻。這種技術(shù)優(yōu)點可以用于增加在垂直方向上的信號分辨率和/或提高信號質(zhì)量。通過使用傾斜的間隔面積，可以分布回路從而使得一個或多個專用的轉(zhuǎn)折點生成在輸出信號中，或使得完全避免這種轉(zhuǎn)折點，即使是在灌裝水準超出了回路的垂直界限的時候。
[0024]如在此所使用的，“相互間隔”指在每一個沿著發(fā)射導線的給定的點上的到接收導線的最小距離。
[0025]如在此所使用的，“傾斜的”旨在表明沿著發(fā)射及接收導線的并如通過間隔面積投影到容量體積的外圍上的間隔面積的外延偏離水平及垂直方向。如在此所使用的，垂直方向是重力方向，并且水平方向是垂直于垂直方向的水平面的方向。
[0026]可以將間隔面積安排為以不同的度數(shù)來面對容量體積。在一個實施例中，間隔面積被安排為基本上與垂直測量區(qū)域中的外圍相平行，如在與導線的外延相垂直的截面中所看到的。這種實施例可以優(yōu)化測量系統(tǒng)的靈敏度。在其他實施例中，間隔面積背離或朝向外圍以小于90°的角度傾斜，并且典型地小于45°、35°、25°、15°、10°或5°，如在與導線的外延相垂直的截面中所看到的。
[0027]根據(jù)該第一方面測量垂直灌裝水準包括識別在導電材料與具有較低導電性的區(qū)域之間的交界面的位置的任務，如在熔融金屬與空氣之間或在熔融金屬與渣層之間的交界面。然而，測量垂直灌裝水準可以涉及僅檢測在回路的垂直外延中或在垂直測量區(qū)域中存在或不存在導電材料。
[0028]具有許多可以或者單獨或者結(jié)合使用的設計準則，從而使輸出信號中的變化由與間隔面積相鄰的熔融材料的量的局部變化所控制。
[0029]根據(jù)一個這種準則，該相互間隔被選擇從而確保首先在沿著該間隔面積的該發(fā)射及接收導線的相對區(qū)段之間實現(xiàn)在該發(fā)射及接收導線之間的電磁耦合。
[0030]根據(jù)另一個準則，該相互間隔被選擇從而使得在該容量體積中不存在導電材料時，該電磁場的強度作為1/Ra的函數(shù)而降落，其中R是在該間隔面積中的離該發(fā)射導線的距離并且a在I?2的范圍內(nèi)。通過這個準則，確保了將接收導線安排在發(fā)射導線的近場，使得對于容量體積的外圍上的熔融材料的存在和不存在的高局部靈敏度成為可能。
[0031]仍根據(jù)另一個準則，該間隔面積被安排從而使得在該容量體積中不存在導電材料時，在該接收導線上的由該發(fā)射導線生成的電磁場由一個在一個無限長度的直導線周圍生成的電磁場逼近。這個準則使得對于容量體積的外圍上的熔融材料的存在和不存在的高局部靈敏度成為可能。
[0032]根據(jù)一個進一步的準則，該發(fā)射導線被安排從而使得其水平外延小于該發(fā)射導線總長度的約1/10、1/15或1/20。通過這個準則，避免了在某些垂直位置生成強電磁場從而干擾在這個或其他垂直位置中的相對區(qū)段之間的局部耦合。在一個具體的實施例中，該發(fā)射導線被安排成基本上沒有具有水平外延的部分。
[0033]仍根據(jù)一個進一步的準則，如果該冶金容器進一步包括一個安排在該金屬套內(nèi)部的防護襯里從而限定一個與該金屬套間隔開并且限定該容量體積的外圍的內(nèi)壁，其中該發(fā)射及接收導線被安排為在該間隔面積與該內(nèi)壁之間具有一個水平離距，其中該相互間隔被選擇為至少與該水平離距具有相同的數(shù)量級。取決于實施方式，可以將發(fā)射及接收導線安排在襯里內(nèi)部或在襯里與金屬套之間?？梢詫嵤┻@個準則從而使得相互間隔與水平離距之間的比率在近似于0.5-5的范圍內(nèi)。
[0034]還具有許多可以或者單獨或者結(jié)合使用的設計準則，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的線性傳遞函數(shù)，即獲得輸出信號(或者嵌入在輸出信號中的參數(shù))與垂直測量區(qū)域中的垂直灌裝水準之間的線性相關性。
[0035]根據(jù)一個這種準則，該發(fā)射導線被安排從而使得面對該間隔面積的容量體積的外圍上的熔融材料中的電磁場的平均強度基本上不依賴于在該垂直測量區(qū)域中的垂直位置。換言之，熔融材料的存在在所有高度上在信號強度中產(chǎn)生了相同變化。給定該響應是局部的，從而接收器線圈的總響應由局部響應的和來給定，這個準則可以產(chǎn)生一個線性傳遞函數(shù)。
[0036]根據(jù)另一個準則，該相互間隔被選擇從而使得從該接收導線到該容量體積的外圍的水平距離在該垂直測量區(qū)域中是基本上不變的。這個準則可以確保對于熔融金屬的局部響應沿著回路是基本上相同的。這可以進而簡化系統(tǒng)的設計以及在容器中的發(fā)射及接收導線的安裝。應當理解的是“基本上不變的”是一個標稱的準則，其包括安裝容差，其可以例如相當于±20°、土15°、土10°或±5°。還應當注意水平距離可以隨著時間變化，例如作為襯里材料的磨損的結(jié)果。[0037]根據(jù)另一個準則，該相互間隔在該垂直測量區(qū)域中沿著該間隔面積是基本上相同的。像上述的準則，其可以簡化系統(tǒng)的設計以及在容器中的發(fā)射及接收導線的安裝。像上述的準則，“基本上不變的”是一個標稱的準則，其可以包括上述安裝容差。
[0038]仍根據(jù)另一個準則，該間隔面積被安排從而在該垂直測量區(qū)域中對于在垂直方向上的不同的高度產(chǎn)生近似相同的感測長度，該感測長度是該間隔面積的沿著該發(fā)射及接收導線的在一個取自在該垂直方向上的給定高度的水平切片中的總外延。
[0039]仍根據(jù)另一個準則，該間隔面積被安排從而使得在該接收導線中由該電磁場感應到的一個總電動勢基本上是在該垂直測量區(qū)域中的垂直灌裝水準的一個線性函數(shù)。
[0040]在一個實施例中，該間隔面積被安排從而使得當該垂直灌裝水準延伸出該垂直測量區(qū)域時，在該接收導線中由該電磁場感應到的一個總電動勢在該垂直灌裝水準是基本上不變的。本實施例使得沒有轉(zhuǎn)折點的輸出信號成為可能。在本上下文中，轉(zhuǎn)折點意味著傳遞函數(shù)的導數(shù)在某個高度上改變符號。如在背景部分所說明的，如果在湍流條件下在導電材料中進行測量，在現(xiàn)有技術(shù)中轉(zhuǎn)折點的存在是固有的并且會導致所估計的灌裝水準中出現(xiàn)大的錯誤。
[0041]在一個實施例中，該垂直測量區(qū)域在該垂直方向上跨越該回路的外延。這意味著間隔面積基本上沿著整個回路傾斜。這種實施例將使垂直測量區(qū)域的外延最大化。間隔面積的布局可以例如被設計成用于為回路的整個垂直外延產(chǎn)生一個線性傳遞函數(shù)和/或從而在回路的垂直外延的外部生成一個沒有轉(zhuǎn)折點的傳遞函數(shù)。
[0042]在一個實施例中，該發(fā)射及接收導線被安排從而使得該回路包圍該容量體積一個垂直中心線。這將確?；芈繁话才艔亩鴱娜萘矿w積的一個大的部分收集局部響應?；仡檶τ谝粋€給定的高度，總響應表示為沿著回路的在這個給定的高度的所有局部響應的和，所實現(xiàn)的是本實施例將提高測量的精確度。
[0043]在一個實施方式中，回路被設計為圍繞容量體積。
[0044]在一個這種實施方式中，該容量體積是至少部分地由一個在該垂直中心線周圍延伸的基本上圓柱形的壁部分所限定的，其中該回路形成在該圓柱形的壁部分中從而圍繞該容量體積。在本上下文中，“該圓柱形的壁部分”可以限定容量體積的任何橫截面，例如圓形的、橢圓形的、矩形的、或任何其他形狀。
[0045]在一個實施例中，該系統(tǒng)進一步包括:至少一條第二發(fā)射導線，用于當連接到一個交變電源時，生成一個電磁場:以及一條第二接收導線，其被安排成用于感測該電磁場，從而生成一個第二輸出信號，其中該第二發(fā)射及接收導線在該垂直測量外延內(nèi)的一個垂直位置被安排在該金屬套內(nèi)部從而以一個相互間隔水平地共同在該容量體積周圍延伸。本實施例使對容器及系統(tǒng)中的漂移的補償成為可能，由于第二發(fā)射及接收導線可以被安排從而當垂直灌裝水準與垂直位置符合時，在第二輸出信號中生成階躍變化，階躍變化的垂直位置基本上不受漂移的影響。通過將階躍變化的位置映射到傾斜的間隔面積中的回路的輸出信號上，從而可以補償輸出信號中的漂移。
[0046]在一個實施例中，該系統(tǒng)進一步包括一個連接到發(fā)射導線上的交變電源。
[0047]在一個實施例中，該系統(tǒng)進一步包括一個處理單元，該處理單元被配置成用于獲得和處理該輸出信號從而提取一個代表該垂直灌裝水準的測量值。
[0048]本發(fā)明的一個第二方面是一種包括該第一方面的系統(tǒng)的冶金容器。[0049]本發(fā)明的一個第三方面是一種用于測量冶金容器的容量體積內(nèi)的導電熔融材料的垂直灌裝水準的方法，該冶金容器由一個圍繞該容量體積并且在一個垂直方向上延伸的外金屬套限定。該方法包括:安裝一條發(fā)射導線，用于在該冶金容器內(nèi)部生成一個電磁場，以及在該冶金容器內(nèi)部安裝一條接收導線，用于感測該電磁場，從而生成一個作為該垂直灌裝水準的一個函數(shù)的輸出信號，其中該發(fā)射及接收導線被安裝在該金屬套內(nèi)部從而以一個相互間隔共同延伸來限定一個面對該容量體積并且沿著該容量體積的外圍以一個基本上閉合的回路而延伸的間隔面積，其中該相互間隔被選擇從而使得該輸出信號中的變化由與所述間隔面積相鄰的導電材料的量的局部變化而引起的對該電磁場的變化所控制，并且其中該間隔面積的至少一部分被安排從而限定一個垂直測量區(qū)域，在該垂直測量區(qū)域中該間隔面積沿著外圍傾斜從而背離該容器的水平及垂直方向。
[0050]本發(fā)明的一個第四方面是一種運行該第一方面的系統(tǒng)的方法。該方法包括:向該發(fā)射導線提供一個交變功率，從該接收導線獲得該輸出信號，以及處理該輸出信號從而提取一個代表該垂直灌裝水準的測量值。
[0051]第一方面的實施例中的任何一個可以與第二到第四方面組合。
[0052]本發(fā)明的更其他的目的、特征、方面和優(yōu)點將從以下詳細描述、從所附權(quán)利要求書并從附圖變得明顯。
[0053]附圖簡要說明
[0054]現(xiàn)在將參考示意附圖更詳細地在下文中描述本發(fā)明的實施例。
[0055]圖1是一個具有水準測量系統(tǒng)的冶金容器的透視圖。
[0056]圖2是在圖1的測量系統(tǒng)中的導線對的一部分的放大的側(cè)視圖。
[0057]圖3A和圖3B是垂直于圖2中的導線對的截面圖，分別不具有和具有所生成的電磁場與容器中的熔融金屬之間的交互。
[0058]圖4是一個導線對和該導線對的另一個部分的水平截面圖。
[0059]圖5是在一條無限長度的導線周圍生成的磁場的透視圖。
[0060]圖6A至圖6C是對于容量體積的不同形狀的導線對的不例布局。
[0061]圖7是對于圖6A中的布局而獲得的作為水準的函數(shù)的信號幅度的圖。
[0062]圖8是一個連接到用于信號生成和數(shù)據(jù)收集的處理單元的導線對的框圖。
[0063]圖9是一個連接到處理單元的多條導線對的框圖。
[0064]圖10是一條傾斜的導線對和多條水平導線對的組合的透視圖。
[0065]圖1lA至圖1lC是對于圖10中的不同的導線對的靈敏度函數(shù)的圖。
[0066]不例實施方案的詳細描述
[0067]在下文中，僅出于展示的目的，將描述本發(fā)明的一些示例實施例。貫穿本說明書，相同的參考標號用來標識相對應的元素。
[0068]在轉(zhuǎn)向這些實例實施例之前，將給出一些基本的定義和解釋。
[0069]如在此所使用的，“電磁場”是通過移動帶電物體產(chǎn)生的物理場。其影響該場周邊的帶電物體的行為。電磁場貫穿空間而無限地延伸。這個場可以被視為電場E和磁場B的組合，電場和磁場中的每個都是一個三維矢量場。這些矢量場中的每個具有在空間和時間上的每個點上定義的值，并且可以被看作為空間和時間坐標的函數(shù)。電場由靜止的電荷產(chǎn)生,而磁場由移動的電荷(電流)產(chǎn)生。[0070]術(shù)語“電磁耦合”(也稱為“電感耦合”)指流過第一導線的電流中的變化通過電磁感應來感應跨過第二導線的端部的電壓的現(xiàn)象。兩條導線之間的電磁耦合的量由其互感來測量。該互感量化了在第二導線中的“電動勢”(emf)與在第一導線中的電流變化的積。在存在變化的磁場B時，閉合回路C的所感應的電動勢ε是該回路的靜止的閉合路徑周圍的電場的積分給出的電壓:
[0071]ε =φΕ.dl
[0072]其中E是整個電場，并且積分是在一個任意但靜止的閉合曲線C周圍的積分，通過其存在一個變化的磁場。
[0073]渦流(也稱為“傅科電流”)是當暴露到時變磁場中時在導電材料中所感應的電流。這些電流形成為具有電感的循環(huán)的漩渦，并從而感應磁場。所施加的磁場越強，或者導電材料的導電性越大，或者場的變化越快，則所形成的渦流越大并且所產(chǎn)生的場越大。
[0074]本發(fā)明的實施例涉及通過檢測由提供給發(fā)射線圈的交變電流而在接收線圈中感應的交變電壓的在冶金容器中的水準測量。交變電流還感應在容器中被處理的導電材料中的渦流，并且由這些渦流產(chǎn)生的磁場改變在接收線圈上的磁場，從而引起在接收線圈中的所感應的電壓(emf)的變化。一個挑戰(zhàn)是實現(xiàn)輸出信號與容器中的導電材料的量之間的有用并且可預測的函數(shù)關系，即灌裝水準。
[0075]圖1展示了具有由金屬制成的外套或套2的冶金容器1，該由金屬制成的外套或套為將在容器I中處理的導電材料限定了內(nèi)腔體3 (容量體積)。容器I可以是任何類型的冶金容器，如熔爐、中間包、鍋包、模具等。導電材料可以是金屬或半導體，典型地加熱為液態(tài)，但可選地是粉末或顆粒的形式。為了簡明，在下文中導電材料將被稱為“熔融材料”。線圈安排4安裝在套2的內(nèi)部從而圍繞腔體3的一部分。線圈安排4由拉制在腔體3周圍作為具有給定的相互間隔d的共同延伸的線對的發(fā)射導線5及接收導線6形成。從而導線5、6形成通過相互間隔d而互相移位的平行于腔體3外圍的發(fā)射器線圈以及接收器線圈。概念性地，這可以被視為形成在腔體3周圍的導線5、6之間的“間隔面積”7。如在圖1中所見，間隔面積7部分地跨過腔體3的外圍而傾斜。
[0076]圖2是如在高位側(cè)視角看到的共同延伸的導線5、6的傾斜的部分的放大視圖，即投影到腔體3的外圍上。在圖2中，腔體3部分地灌裝有熔融金屬，從而其限定了頂面10。線圈安排4被安排從而使得導線之間的電磁耦合首先發(fā)生在沿著傾斜的部分的相對線區(qū)段(Ali)之間，如通過雙端的箭頭所示。由此，這些線區(qū)段經(jīng)歷兩種環(huán)境，或者存在導電材料或者不存在導電材料。
[0077]圖3A是沿著圖2中的虛線3A的一個切片的視圖，即在線區(qū)段相鄰的腔體3中不存在熔融材料。在所展示的示例中，導線5、6嵌入到提供限定腔體的壁12的襯里材料11中。可以使用任何類型的常規(guī)襯里材料(例如耐火磚墻或沖壓成的或澆注成的耐火材料)形成單片襯里。從而，在間隔面積7與壁12之間具有某個水平距離。圖3A展示了由發(fā)射導線5生成的并由接收導線6感測的磁場B及電場E，以及生成在金屬套2中的渦流20。如所看到的，磁場B延伸到腔體3中。在所展示的示例中，間隔面積7基本上平行于腔體3的外圍，盡管間隔面積7朝向或背離腔體3傾斜是可以想到的。
[0078]圖3B是沿著圖2中的虛線3B的一個切片的視圖，即在線區(qū)段相鄰的腔體3中存在導電材料。如所示，磁場B感應在金屬套2中的渦流20以及在壁12上(即在腔體3的外圍上)的熔融材料中的渦流21。在熔融金屬中的渦流21引起通過接收導線6周圍的磁場B的強度的降低。由此，局部地降低了在發(fā)射導線5與接收導線6之間的耦合。導線5、6的相互間隔是這樣從而使得接收導線6位于由發(fā)射導線5生成的磁場B的近場。在線區(qū)段的局部環(huán)境中不存在導電材料的情況下，磁場將以與Ι/Ra成比例的比率下降，典型地a=l，或者至少a是在1-2的范圍內(nèi)，并且R是到發(fā)射導線5的垂直距離。在線區(qū)段的局部環(huán)境中存在導電材料的情況下，磁場以更陡峭的比率下降。由此，相對于生成在接收導線6中的電動勢，每個線區(qū)段可以表示為該線區(qū)段的一個部分接通/斷開開關，其中該開關的運行由熔融金屬的存在和不存在而控制。對于線區(qū)段i沿著線圈安排4所感應的emf Λ ^可以描述為
[0079]Δ ε「A ε emvtv1- Δ ε eddvi
[0080]其中Λ ε emvtvi是相鄰的熔融金屬不存在時的感應的emf，并且Λ ε eddvi是作為相鄰的熔融金屬中的渦流21的結(jié)果的感應的emf中的降低。在不存在相鄰的熔融金屬時，△ ε eddvi=0。在存在相鄰的熔融金屬時，Δ ε eddvi具有取決于單獨的線區(qū)段的具體配置的值。線圈安排4的總響應(即沿著線圈安排4的總感應的emf)可以表示為所有線區(qū)段的感應的emf的和:
[0081]ε = ε emvtv- β.f (h)
[0082]其中Semvtv是當腔體3為空時的感應的emf并且β是一個取決于發(fā)射線圈、熔融金屬以及接收線圈之間的 實際局部耦合的常數(shù)。靈敏度函數(shù)f(h)將取決于單獨的線區(qū)段的配置，即作為灌裝水準h的函數(shù)的間隔面積7的分布。由此，總響應(傳遞函數(shù))是腔體中的熔融金屬的垂直灌裝水準的函數(shù)。由于灌裝水準隨著時間變化，總響應也是如此。以上關系是近似有效的，即使線區(qū)段不形成完美的接通/斷開開關。
[0083]所實現(xiàn)的是可以通過線圈安排4的合適的布局來獲得任何單調(diào)遞減的傳遞函數(shù)。如從圖1中所實現(xiàn)的，使用傾斜的導線對使線圈安排4能夠與腔體3的一個大的部分相交互。
[0084]進一步地，當前據(jù)信可能令人期望的是避免線圈安排4在水平方向上具有實質(zhì)的外延，由于這可以引起生成在水平發(fā)射導線5周圍的電磁場來感應在傾斜的導線對中的電壓。從而，當前據(jù)信導線對的水平外延應當小于導線對的總長度的約1/10，并且優(yōu)選地小于約 1/15 或 1/20。
[0085]如在發(fā)明概述部分所解釋的，具有許多可用的設計準則，這些設計準則可以用于確保電磁耦合是局部的。一個進一步的設計準則展示在圖4中，即在所有垂直于接收導線6延伸的幾何平面中，確保接收導線6與發(fā)射導線5的其他部分足夠地間隔開?？赡苄枰@個在圖4中所示的距離D為相互間隔的至少3倍，并且可能地至少為相互間隔的4、5、6、7、
8、9或10倍。
[0086]還可能期望的是確保腔體3的外圍周圍的導線對的平滑的外延。例如，可能令人期望的是避免沿著導線對的外延的急轉(zhuǎn)彎。根據(jù)另一個設計準則，沿著回路的導線對的外延是這樣使得在接收導線6上生成的電磁場可以由在無限長度的直導線周圍的電磁場逼近，例如圖5中所示。例如，相互距離d可以被選擇從而使得如從沿著接收導線6的任何位置所見，發(fā)射導線5的局部外延可以由一條直導線逼近。
[0087]還應當注意可以對在一個具體區(qū)域中的響應進行調(diào)諧，例如通過局部地改變相互距離d。例如，在導線對轉(zhuǎn)動(例如在角落處)時，相互距離d可以增加，從而局部地減少線圈安排4的響應。
[0088]可以為任何形狀的腔體3設計線圈安排4并安裝到容器I中從而允許在任何所期望的垂直測量范圍上的檢測，例如自始至終從一個給定的高度到容器I的底部。使用如在發(fā)明概述部分中如上所概述的某些設計準則，可以實現(xiàn)在所期望的測量范圍上的并且沒有任何轉(zhuǎn)折點的線性傳遞函數(shù)。根據(jù)一個這種準則，線圈安排4被設計成用于維持一個基本上恒定的感測長度作為高度的函數(shù)，其中感測長度是在一個取自測量范圍內(nèi)的每個長度上的水平切片中的沿著導線5、6的間隔面積7的總計外延。所實現(xiàn)的是在圖1中的線圈安排4的傾斜的部分中滿足了這個準則，但是在頂部和底部的部分違反了，其水平地延伸跨過容器I的整個深度。從而，在圖1中的線圈安排4能夠在傾斜的區(qū)域中提供線性響應，但是很可能在頂部和底部的部分上產(chǎn)生非線性和轉(zhuǎn)折點。圖6A是圖1中的線圈安排4的變型的透視圖，從而沿著線圈安排4的整個垂直外延滿足了以上的準則，并由此產(chǎn)生沒有轉(zhuǎn)折點的線性響應。
[0089]圖6B和圖6C是滿足這個準則并且可以分別在具有圓形的截面的圓柱形的腔體3和具有球形的壁部分的腔體3中產(chǎn)生不具有轉(zhuǎn)折點線性響應的線圈安排4的透視圖。應當理解的是這些腔體形狀僅是為了展示的目的而包括的，并且該線圈安排4可以設計為滿足以上準則而無關乎腔體形狀。
[0090]圖7是對于圖6A中的線圈安排4的響應曲線(傳遞函數(shù))的圖，給定為在從接收導線6獲得的電壓信號中的幅度作為容器I中的灌裝水準的函數(shù)。如所看到的，響應在測量范圍內(nèi)是線性地依賴于灌裝水準的，其與線圈安排4的垂直外延相符合，并且對于測量范圍外部的灌裝水準是不變的。
[0091]與顯著非線性的并且展現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的現(xiàn)有技術(shù)相比較，圖6中的實施例可以造成在時間尺度上的變化可以與電磁場的頻率(即提供給發(fā)射導線5的交變電流的頻率)相當?shù)幕蚋斓拿土业谋砻嫔系臏y量性能的顯著的提高。甚至快速的擾動由其與線圈的電磁交互而平均，從而使得可以為一組連續(xù)樣本計算一個有效的時均值。
[0092]圖8是連接到發(fā)射及接收導線5、6上的用于生成垂直灌裝水準(參見圖7)的測量值的處理單元25的實施例的框圖。虛線框組成了具有用于驅(qū)動發(fā)射導線5且用于從接收導線6獲得輸出信號的電路的收發(fā)器26。信號處理器27連接到收發(fā)器26上從而從輸出信號提取垂直灌裝水準的測量。在圖8的示例中，直接數(shù)字式頻率合成器(DDS) 28被配置成用于在所期望的頻率基于公共參考時鐘29創(chuàng)建合適的波形，例如正弦曲線。取決于實施方式，頻率可以在約為50Hz至IOOkHz的頻率范圍內(nèi)。將DDS28的輸出提供到功率放大器30，該功率放大器由此向發(fā)射導線5提供合適大小的交變穩(wěn)態(tài)電流信號。連接前置放大器31從而檢測并放大在接收器導線6上的交變電壓。在專用的帶通濾波器32中濾波之后，放大的電壓信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 33中的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。由此，ADC33可以提供包括所檢測的電壓的相位和/或幅度信息的輸出信號。取決于實施方式，可以將垂直灌裝水準的測量計算為所檢測的電壓的相位或幅度的函數(shù)，或其組合。這對于本領域技術(shù)人員而言是熟知的。
[0093]應當理解本技術(shù)不限于使用一個單導線對。反而可以安裝兩個或更多個導線對例如在容器的不同高度上提供測量范圍和/或提供不同的傳遞函數(shù)。圖9展示了安排了 η個不同的導線對從而在冶金容器的腔體周圍組成分別的回路的這樣的一個實施例。在圖9的實施例中，每對導線5、6連接到了對應的收發(fā)器26上，并且收發(fā)器26的輸出信號由公共信號處理器27處理。在圖9的實施例中，收發(fā)器26可運行在不同的頻率上。
[0094]由于容器I的幾何變化(例如由溫度變化、襯里磨損和材料內(nèi)含物引起)，漂移在所有類型的電磁傳感器中都是固有的。已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的測量系統(tǒng)有利地對于這種漂移不敏感，因為線圈安排4的傳遞函數(shù)相對不受幾何上的相關聯(lián)的變化的影響。對于幾何上的適度的變化，傳遞函數(shù)僅僅是偏移，引起了響應曲線的線性偏移。從而，具有簡單的傳遞函數(shù)(例如線性)，對于偏移，一個或兩個校準點足以補償輸出信號。這種校準點可以例如通過包括水平地在腔體周圍延伸從而形成水平導線對的導線對來獲得。當灌裝水準到達該水平導線對時，在該水平導線對上的電壓顯著地并且突然地降低(階躍變化)，并且該階躍變化的垂直位置將基本上不受幾何變化的影響。所實現(xiàn)的是傾斜的導線的線性響應曲線可以通過將從階躍變化的位置上的傾斜的導線上測量的響應映射到線性響應曲線上來補償未知的偏移。當響應曲線是部分地非線性時，可以包括進一步的校準點來解釋對線性響應曲線的傾斜的變化，或補償偏移。將理解的是水平導線對(校準線圈)可以由連接到公共信號處理器上的分離的收發(fā)器控制，如關于圖9所描述的。
[0095]圖10展示了提供線性傳遞函數(shù)以及兩個固有的校準點的線圈安排4的示例。該線圈安排4包括在垂直測量范圍上延伸的一對傾斜的導線5、6以及安排在不同的垂直水準上的在該測量范圍中的兩對水平導線5’、6’。本實施例允許每次灌裝水準經(jīng)過水平導線對5’、6’的全測量范圍的校準。圖1lA至圖1lC展示了分別對于傾斜的導線對、頂部水平導線對及底部水平導線對的靈敏度函數(shù)f(h)。如以上所解釋，靈敏度函數(shù)f(h)表示源于沿著間隔面積7的熔融金屬中的渦流的信號作用。
[0096]盡管本發(fā)明已經(jīng)關于什么是目前認為最實際且優(yōu)選的實施例而描述，應理解的是本發(fā)明不限于所披露的實施例，而相反，旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求書的精神及范圍內(nèi)的各種變型及等效安排。
[0097]例如，發(fā)射導線及接收導線可以分別由一條單一電線或多條電線形成。
[0098]還應理解的是由共同延伸的導線對形成的回路可以通過被安排為與回路共同延伸且間隔開的一個或多個進一步的發(fā)射器導線和/或接收器導線補充。
[0099]進一步地，如在此所描述的本發(fā)明可以等效地應用于具有非金屬套(例如，陶瓷材料的套)的冶金容器中的水準測量。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量冶金容器(I)的容量體積(3)內(nèi)的導電材料的垂直灌裝水準的系統(tǒng)，該冶金容器(I)由一個圍繞該容量體積(3)并且在一個垂直方向上延伸的外金屬套(2)限定，該系統(tǒng)包括: 一條發(fā)射導線(5)，用于當連接到一個交變電源時，生成一個電磁場， 一條接收導線(6)，其被安排成用于感測該電磁場，從而生成一個作為該垂直灌裝水準的一個函數(shù)的輸出信號， 其中該發(fā)射及接收導線(5，6)被安排在該金屬套(2)內(nèi)部從而以一個相互間隔(d)共同延伸來限定一個面對該容量體積(3)并且沿著該容量體積(3)的外圍以一個基本上閉合的回路而延伸的間隔面積(7)，其中該相互間隔(d)被選擇從而使得該輸出信號中的變化由與所述間隔面積(7)相鄰的導電材料的量的局部變化而引起的對該電磁場的變化所控制，并且其中該間隔面積(7)的至少一部分限定了一個垂直測量區(qū)域，在該垂直測量區(qū)域中該間隔面積(7)沿著外圍傾斜從而背離該容器(I)的水平及垂直方向。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該相互間隔(d)被選擇從而確保首先在沿著該間隔面積(7)的該發(fā)射及接收導線(5，6)的相對區(qū)段(Λ Ii)之間實現(xiàn)在該發(fā)射及接收導線(5，6)之間的電磁耦合。
3.如任意以上權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該相互間隔(d)被選擇從而使得在該容量體積(3)中不存在導電材料時，該電磁場的強度作為1/Ra的一個函數(shù)而降落，其中R是在該間隔面積(7)中的離該發(fā)射導線(5)的距離并且a在I~2的范圍內(nèi)。
4.如任意以上權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該間隔面積(7)被安排從而使得相對于該發(fā)射導線(5)并且在該容量體積(3)中不存在導電材料時，在該接收導線(6)上的電磁場由一個在一條無限長度的直導線周圍生成的電磁場逼近。
5.如任意以上權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，該發(fā)射導線(5)被安排從而使得其水平外延小于該發(fā)射導線(5)的總長度的約1/10、1/15或1/20。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中該發(fā)射導線(5)被安排成基本上沒有具有水平外延的部分。
7.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該冶金容器(I)進一步包括一個安排在該金屬套(2)內(nèi)部的防護襯里(11)從而限定一個與該金屬套(2)間隔開并且限定該容量體積(3)的外圍的內(nèi)壁(12),其中該發(fā)射及接收導線(5,6)被安排為在該間隔面積(7)與該內(nèi)壁(12)之間具有一個水平離距，其中該相互間隔(d)被選擇為至少與該水平離距具有相同的數(shù)量級。
8.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該發(fā)射導線(5)被安排從而使得該容量體積(3)的面對該間隔面積(7)的外圍上的導電材料中的電磁場的平均強度基本上不依賴于在該垂直測量區(qū)域中的垂直位置。
9.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該相互間隔(d)被選擇從而使得從該接收導線(6)到該容量體積(3)的外圍的水平距離在該垂直測量區(qū)域中是基本上不變的。
10.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該間隔面積(7)被安排從而在該垂直測量區(qū)域中對于在垂直方向上的不同的高度產(chǎn)生近似相同的感測長度，該感測長度是該間隔面積(7)的沿著該發(fā)射及接收導線(5，6)的在一個取自在該垂直方向上的給定高度處的水平切片中的總外延。
11.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該間隔面積(7)被安排從而使得在該接收導線(6)中由該電磁場感應到的一個總電動勢是在該垂直測量區(qū)域中的垂直灌裝水準的一個基本上線性的函數(shù)。
12.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該間隔面積(7)被安排從而使得當該垂直灌裝水準延伸出該垂直測量區(qū)域時，在該接收導線(6)中由該電磁場感應到的一個總電動勢在該垂直灌裝水準是基本上不變的。
13.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該垂直測量區(qū)域在該垂直方向上跨越該回路的外延。
14.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該相互間隔(d)在該垂直測量區(qū)域中沿著該間隔面積(7)是基本上相同的。
15.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該發(fā)射及接收導線(5，6)被安排從而使得該回路包圍該容量體積(3)的一條垂直中心線。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中該容量體積(3)是至少部分地由一條在該垂直中心線周圍延伸的基本上圓柱形的壁部分所限定的，其中該回路形成在該圓柱形的壁部分中從而圍繞該容量體積(3 )。
17.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括:至少一條進一步的發(fā)射導線(5’)，用于當連接到一個交變電源時，生成一個電磁場；以及至少一條進一步的接收導線(6’)，其被安排成用于感測該電磁場，從而生成一個進一步的輸出信號，其中該發(fā)射及接收導線(5’，6’)在該垂直 測量外延內(nèi)的一個垂直位置處被安排在該金屬套(2)內(nèi)部從而以一個相互間隔水平地在該容量體積(3 )周圍共同延伸。
18.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括一個連接到該發(fā)射導線(5)上的交變電源(28，29，30)。
19.如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，進一步包括一個處理單元(27，31，32，33)，該處理單元被配置成用于獲得和處理該輸出信號從而提取一個代表該垂直灌裝水準的測量值。
20.一種冶金容器，包括如以上任意權(quán)利要求所述的系統(tǒng)。
21.一種用于測量冶金容器(I)的容量體積(3)內(nèi)的導電材料的垂直灌裝水準的方法，該冶金容器(I)由一個圍繞該容量體積(3)并且在一個垂直方向上延伸的外金屬套(2)限定，該方法包括: 安裝一條發(fā)射導線(5)，用于在該冶金容器(I)內(nèi)部生成一個電磁場，以及 在該冶金容器(I)內(nèi)部安裝一條接收導線(6)，用于感測該電磁場，從而生成一個作為該垂直灌裝水準的一個函數(shù)的輸出信號， 其中該發(fā)射及接收導線(5，6)被安裝在該金屬套(2)內(nèi)部從而以一個相互間隔(d)共同延伸來限定一個面對該容量體積(3)并且沿著該容量體積(3)的外圍以一個基本上閉合的回路而延伸的間隔面積(7)，其中該相互間隔(d)被選擇從而使得該輸出信號中的變化由與所述間隔面積(7)相鄰的導電材料的量的局部變化而引起的對該電磁場的變化所控制，并且其中該間隔面積(7)的至少一部分被安排成限定一個垂直測量區(qū)域，在該垂直測量區(qū)域中該間隔面積(7)沿著外圍傾斜從而背離該容器(I)的水平及垂直方向。
22.—種用于操作如權(quán)利要求1至19中任一項所述的系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 向該發(fā)射導線(5)提供一個交變功率，從該接收導線(6)獲得該輸出信號，以及處理該輸出信號從而提取一`個代表該垂直灌裝水準的測量值。
【文檔編號】B22D2/00GK103797339SQ201280044535
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月15日
【發(fā)明者】托馬斯·維爾赫姆森 申請人:阿格利斯集團股份公司