冶金容器中的水准测量的制作方法
【专利摘要】通过系统测量冶金容器的腔体（3）中的导电材料的垂直灌装水准，该系统包括：一条发射导线（5），用于当连接到一个交变电源时，生成一个电磁场；以及一条接收导线（6），其被安排成用于感测该电磁场，从而生成一个输出信号。该发射及接收导线（5，6）被安排在该容器的金属套内部从而以一个相互间隔共同延伸来限定一个面对该腔体（3）并且沿着该腔体（3）的外围以一个基本上闭合的回路而延伸的间隔面积（7）。该相互间隔被选择从而使得该输出信号中的变化由与该间隔面积（7）相邻的导电材料的量的局部变化而引起的对该电磁场的变化所控制。该间隔面积（7）的至少一部分限定了一个垂直测量区域，在该垂直测量区域中该间隔面积（7）沿着外围倾斜从而背离该容器的水平及垂直方向。由此，该间隔面积（7）可以适应于该腔体（3）的任意形状，从而用任意所期望的传递函数设计该系统，例如在该垂直测量区域的外延外部的没有转折点的线性函数。
【专利说明】冶金容器中的水准测量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年9月15日提交的瑞典专利申请N0.1150836-3以及于2011年9月26日提交的美国专利申请N0.61/626,309的权益，这两个申请都通过引用结合在此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及用于电磁地测量包含在冶金容器中的导电材料的熔池的垂直灌装水准的技术。
【背景技术】
[0004]在工业中，尤其是处理熔融金属的冶金工业中，具有对用于测量或估计在冶金容器(如钢包、中间包、模具、熔炉等)中的熔融金属与非导电介质之间的交界面的位置或平均水准的系统的巨大需要。由于遇到的有关于这种工业的具体苛刻的条件，如在容器和环境中的高温、腐蚀性材料、不同的导电材料，直至现在，已证明了为这种水准测量提供一种通用技术是困难的。
[0005]在冶金工业中用于水准估计的一些主要技术包括重量测量、放射性系统以及电磁系统。重量测量是间接的，并且放射性系统具有受限的范围并且不在导电或非导电介质之间分离。电磁系统已成功地部署在多种容器中，如钢包、中间包和熔炉。这些容器具有金属外壳，通常具有一个内陶瓷衬里从而管理热量和研磨材料。电磁传感器可以放置在该衬里后面，从而不受来自熔融金属的过度热量影响。这些电磁传感器包括一个或多个发射器线圈和一个或多个接收器线圈的组合。该发射器线圈可以在低至IOOHz到几千Hz的频率下驱动从而生成时变磁场。在这些频率下，许多衬里材料是透明的，这允许磁场到达熔融金属并感应其中的涡流。这些涡流生成感应在接收线圈中的电动势(emf)的场，该电动势可以被检测从而表示在线圈的外延内的熔融金属的量。将发射器和接收器线圈习惯地设计为平面直角线圈，这些平面直角线圈被安排在容器的侧面或在容器的一侧上在彼此的顶部。这导致了安装限制。
[0006]由线圈生成的磁场固有地是非线性的，其中该磁场的强度当靠近线圈时随着与线圈导线的距离(R)以1/R而降低，而当距离R相对于线圈的外延更大时，以1/R3而降低。除非进行了特殊处理，这导致了一个非线性的传递函数，即在接收器线圈中的电动势与容器中的垂直灌装水准之间的非线性相关。这种非线性是例如在US4144756中所展示的，其中发射器与接收器线圈在冶金容器的衬里中被共轴安排并在轴方向上分离。测量信号与灌装水准的相关性与形成在线圈的水平轴上的曲折点是高度非线性的。
[0007]已应用了若干技术使得传递函数相对于垂直灌装水准更加线性。
[0008]在US4475083中，在熔炉壁的衬里中垂直地安排了平面单匝发射器线圈和平面单匝接收器线圈，从而使得互相重叠并且平行延伸到熔融金属的外围。检测电路连接到发射器线圈从而检测在提供给发射器线圈的交变电流与在接收器线圈上的所造成的电磁交变场之间的相移。规定了这种线圈安排从而导致一个可以足够线性地表示信号值与测量值之间的无歧义性的测量信号。
[0009]在US4708191中，将矩形发射器线圈安装在冶金容器的衬里中从而在该容器的水平和垂直方向上延伸。在接收器线圈中，至少两个矩形接收器线圈是对齐的且垂直地错列的，从而覆盖发射器线圈的各表面面积。可以设计线圈安排从而生成与水准成比例的测量信号，带有由在发射器线圈中的接收线圈的布置而在测量信号中生成的交叉点。
[0010]已证明了现有技术的线圈安排在许多实际情况中是不那么合适的，例如当在导电和根本不导电的介质之间的恒定变化的三维交界面(例如熔融金属的激烈的或湍流的顶面)上测量时。这部分地由于具有线性信号相关性的垂直范围大体上小于线圈安排的物理高度。当顶面的湍流部分超出了这个垂直范围之外，在这些湍流部分中所感应的涡流可以在相对于实际的物理运动的相反方向上驱动测量信号。这可能导致所测量的灌装水准中出现严重错误。另一个问题是垂直范围的外延会随着时间而漂移，使其难于维持用于将测量信号线性化的技术。
[0011]现有技术还包括US4887798、EP0187993 和EP0111228，其公开了用于检测通过冶金容器中的出口的熔融金属流的技术。将发射器和接收器线圈同中心地安排在开口周围，并且接收器线圈运行从而检测起源于由通过发射器线圈的交变电流在熔融金属中生成的涡流的电动势。这使得在同中心的线圈的水平上对存在和不存在熔融金属时的检测成为可倉泛。
[0012]现有技术还包括EP01865841，其公开了在水平安排的圆柱形的金属管中的水准检测。一对导线缠绕在金属管的外表面上从而形成一对同中心地安排的发射及接收线圈。基于由通过发射线圈的交变电流在接收线圈中生成的电动势测量在管内部的导电材料的量。
[0013]MM
[0014]本发明的一个目的是至少部分地克服或减轻现有技术的上述限制中的一个或多个限制。
[0015]另一个目的是使与冶金容器的形状无关的用于水准测量的电磁传感器的安装成为可能。
[0016]还有另一个目的是使电磁传感器的传递函数为具体的测量情况的需要而定制。
[0017]一个具体的目的是提供一种用于水准测量的具有传递函数的电磁传感器，该传递函数在该传感器的垂直外延中是线性的并且在该垂直外延的界限上没有转折点。
[0018]这些目的一个或多个以及可能出现在以下的说明书中的进一步的目的至少部分地由一种系统、一种冶金容器、根据独立权利要求的方法、由从属权利要求限定的其实施例而实现。
[0019]本发明的一个第一方面是一种用于测量冶金容器的容量体积内的导电材料的垂直灌装水准的系统，该冶金容器由一个围绕该容量体积并且在一个垂直方向上延伸的外金属套限定。该系统包括:一条发射导线，用于当连接到一个交变电源时，生成一个电磁场；一条接收导线，其被安排成用于感测该电磁场，从而生成一个作为该垂直灌装水准的一个函数的输出信号，其中该发射及接收导线被安排在该金属套内部从而以一个相互间隔共同延伸来限定一个面对该容量体积并且沿着该容量体积的外围以一个基本上闭合的回路而延伸的间隔面积，其中该相互间隔被选择从而使得该输出信号中的变化由与所述间隔面积相邻的导电材料的量的局部变化而引起的对该电磁场的变化所控制，并且其中该间隔面积的至少一部分限定了一个垂直测量区域，在该垂直测量区域中该间隔面积沿着外围倾斜从而背离该容器的水平及垂直方向。
[0020]根据该第一方面，发射及接收导线从而作为回路中的一对在金属套内部沿着容量体积的外围而延伸，其旨在保持导电材料。通过在套内部形成该成对的回路，确保了来自熔融金属中的涡流的贡献是接收器导线中的总电动势的可检测的部分。通过安排在发射及接收导线之间限定的面对容量体积的该间隔面积，可以优化接收器线圈的响应，从而使得输出信号中的变化由与所述间隔面积相邻的熔融材料的量的局部变化所控制，即在容量体积的外围上的直接相对间隔面积的局部区域的局部导电性。应当理解的是可以关于该容器和系统的其他设计/控制参数来选择该相互间隔，如从间隔面积到容量体积的外围的水平距离、在间隔面积与外围之间的衬里材料的规定、交变电源的频率和大小等。
[0021]当信号变化由局部变化所控制时，接收器线圈的响应可以表示为接收器线圈沿着其外延的单独区段的局部响应的和。这反过来使实现在其垂直外延的不同区域中的回路的任何单调递减的传递函数成为可能。如在此所使用的，作为垂直灌装水准的函数，“传递函数”表示由提供到发射导线的功率(电流)归一化的接收导线中的总感应的电动势。通过将这对导线(即间隔面积)安排在套内部给出了该传递函数。这包括回路的形状，但也可以包括在发射及接收导线之间的局部相互间隔，以及从间隔面积到容量体积的外围的局部水平距离。
[0022]从而，实现了该第一方面的系统使在垂直测量区域中的线性传递函数成为可能。
[0023]通过设计回路从而包括一个其中间隔面积沿着容量体积的外围倾斜的部分，可以将回路分布在容量体积的一个大的部分，而无关该容量体积的形状。进一步地，对于一个给定的垂直测量区域的外延，倾斜的间隔面积导致在垂直测量区域中的沿着容量体积的外围的接收导线的更长的外延。由此，与在垂直测量区域中的沿着外围的在垂直方向上延伸的间隔面积相比较，倾斜的间隔面积感应在外围上的更大面积中的涡流。从而，倾斜的间隔面积导致了对来自容量体积内的导电材料的接收导线的电动势的更大的贡献。这种技术优点可以用于增加在垂直方向上的信号分辨率和/或提高信号质量。通过使用倾斜的间隔面积，可以分布回路从而使得一个或多个专用的转折点生成在输出信号中，或使得完全避免这种转折点，即使是在灌装水准超出了回路的垂直界限的时候。
[0024]如在此所使用的，“相互间隔”指在每一个沿着发射导线的给定的点上的到接收导线的最小距离。
[0025]如在此所使用的，“倾斜的”旨在表明沿着发射及接收导线的并如通过间隔面积投影到容量体积的外围上的间隔面积的外延偏离水平及垂直方向。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]可以将间隔面积安排为以不同的度数来面对容量体积。在一个实施例中，间隔面积被安排为基本上与垂直测量区域中的外围相平行，如在与导线的外延相垂直的截面中所看到的。这种实施例可以优化测量系统的灵敏度。在其他实施例中，间隔面积背离或朝向外围以小于90°的角度倾斜，并且典型地小于45°、35°、25°、15°、10°或5°，如在与导线的外延相垂直的截面中所看到的。
[0027]根据该第一方面测量垂直灌装水准包括识别在导电材料与具有较低导电性的区域之间的交界面的位置的任务，如在熔融金属与空气之间或在熔融金属与渣层之间的交界面。然而，测量垂直灌装水准可以涉及仅检测在回路的垂直外延中或在垂直测量区域中存在或不存在导电材料。
[0028]具有许多可以或者单独或者结合使用的设计准则，从而使输出信号中的变化由与间隔面积相邻的熔融材料的量的局部变化所控制。
[0029]根据一个这种准则，该相互间隔被选择从而确保首先在沿着该间隔面积的该发射及接收导线的相对区段之间实现在该发射及接收导线之间的电磁耦合。
[0030]根据另一个准则，该相互间隔被选择从而使得在该容量体积中不存在导电材料时，该电磁场的强度作为1/Ra的函数而降落，其中R是在该间隔面积中的离该发射导线的距离并且a在I?2的范围内。通过这个准则，确保了将接收导线安排在发射导线的近场，使得对于容量体积的外围上的熔融材料的存在和不存在的高局部灵敏度成为可能。
[0031]仍根据另一个准则，该间隔面积被安排从而使得在该容量体积中不存在导电材料时，在该接收导线上的由该发射导线生成的电磁场由一个在一个无限长度的直导线周围生成的电磁场逼近。这个准则使得对于容量体积的外围上的熔融材料的存在和不存在的高局部灵敏度成为可能。
[0032]根据一个进一步的准则，该发射导线被安排从而使得其水平外延小于该发射导线总长度的约1/10、1/15或1/20。通过这个准则，避免了在某些垂直位置生成强电磁场从而干扰在这个或其他垂直位置中的相对区段之间的局部耦合。在一个具体的实施例中，该发射导线被安排成基本上没有具有水平外延的部分。
[0033]仍根据一个进一步的准则，如果该冶金容器进一步包括一个安排在该金属套内部的防护衬里从而限定一个与该金属套间隔开并且限定该容量体积的外围的内壁，其中该发射及接收导线被安排为在该间隔面积与该内壁之间具有一个水平离距，其中该相互间隔被选择为至少与该水平离距具有相同的数量级。取决于实施方式，可以将发射及接收导线安排在衬里内部或在衬里与金属套之间。可以实施这个准则从而使得相互间隔与水平离距之间的比率在近似于0.5-5的范围内。
[0034]还具有许多可以或者单独或者结合使用的设计准则，从而实现系统的线性传递函数，即获得输出信号(或者嵌入在输出信号中的参数)与垂直测量区域中的垂直灌装水准之间的线性相关性。
[0035]根据一个这种准则，该发射导线被安排从而使得面对该间隔面积的容量体积的外围上的熔融材料中的电磁场的平均强度基本上不依赖于在该垂直测量区域中的垂直位置。换言之，熔融材料的存在在所有高度上在信号强度中产生了相同变化。给定该响应是局部的，从而接收器线圈的总响应由局部响应的和来给定，这个准则可以产生一个线性传递函数。
[0036]根据另一个准则，该相互间隔被选择从而使得从该接收导线到该容量体积的外围的水平距离在该垂直测量区域中是基本上不变的。这个准则可以确保对于熔融金属的局部响应沿着回路是基本上相同的。这可以进而简化系统的设计以及在容器中的发射及接收导线的安装。应当理解的是“基本上不变的”是一个标称的准则，其包括安装容差，其可以例如相当于±20°、土15°、土10°或±5°。还应当注意水平距离可以随着时间变化，例如作为衬里材料的磨损的结果。[0037]根据另一个准则，该相互间隔在该垂直测量区域中沿着该间隔面积是基本上相同的。像上述的准则，其可以简化系统的设计以及在容器中的发射及接收导线的安装。像上述的准则，“基本上不变的”是一个标称的准则，其可以包括上述安装容差。
[0038]仍根据另一个准则，该间隔面积被安排从而在该垂直测量区域中对于在垂直方向上的不同的高度产生近似相同的感测长度，该感测长度是该间隔面积的沿着该发射及接收导线的在一个取自在该垂直方向上的给定高度的水平切片中的总外延。
[0039]仍根据另一个准则，该间隔面积被安排从而使得在该接收导线中由该电磁场感应到的一个总电动势基本上是在该垂直测量区域中的垂直灌装水准的一个线性函数。
[0040]在一个实施例中，该间隔面积被安排从而使得当该垂直灌装水准延伸出该垂直测量区域时，在该接收导线中由该电磁场感应到的一个总电动势在该垂直灌装水准是基本上不变的。本实施例使得没有转折点的输出信号成为可能。在本上下文中，转折点意味着传递函数的导数在某个高度上改变符号。如在背景部分所说明的，如果在湍流条件下在导电材料中进行测量，在现有技术中转折点的存在是固有的并且会导致所估计的灌装水准中出现大的错误。
[0041]在一个实施例中，该垂直测量区域在该垂直方向上跨越该回路的外延。这意味着间隔面积基本上沿着整个回路倾斜。这种实施例将使垂直测量区域的外延最大化。间隔面积的布局可以例如被设计成用于为回路的整个垂直外延产生一个线性传递函数和/或从而在回路的垂直外延的外部生成一个没有转折点的传递函数。
[0042]在一个实施例中，该发射及接收导线被安排从而使得该回路包围该容量体积一个垂直中心线。这将确保回路被安排从而从容量体积的一个大的部分收集局部响应。回顾对于一个给定的高度，总响应表示为沿着回路的在这个给定的高度的所有局部响应的和，所实现的是本实施例将提高测量的精确度。
[0043]在一个实施方式中，回路被设计为围绕容量体积。
[0044]在一个这种实施方式中，该容量体积是至少部分地由一个在该垂直中心线周围延伸的基本上圆柱形的壁部分所限定的，其中该回路形成在该圆柱形的壁部分中从而围绕该容量体积。在本上下文中，“该圆柱形的壁部分”可以限定容量体积的任何横截面，例如圆形的、椭圆形的、矩形的、或任何其他形状。
[0045]在一个实施例中，该系统进一步包括:至少一条第二发射导线，用于当连接到一个交变电源时，生成一个电磁场:以及一条第二接收导线，其被安排成用于感测该电磁场，从而生成一个第二输出信号，其中该第二发射及接收导线在该垂直测量外延内的一个垂直位置被安排在该金属套内部从而以一个相互间隔水平地共同在该容量体积周围延伸。本实施例使对容器及系统中的漂移的补偿成为可能，由于第二发射及接收导线可以被安排从而当垂直灌装水准与垂直位置符合时，在第二输出信号中生成阶跃变化，阶跃变化的垂直位置基本上不受漂移的影响。通过将阶跃变化的位置映射到倾斜的间隔面积中的回路的输出信号上，从而可以补偿输出信号中的漂移。
[0046]在一个实施例中，该系统进一步包括一个连接到发射导线上的交变电源。
[0047]在一个实施例中，该系统进一步包括一个处理单元，该处理单元被配置成用于获得和处理该输出信号从而提取一个代表该垂直灌装水准的测量值。
[0048]本发明的一个第二方面是一种包括该第一方面的系统的冶金容器。[0049]本发明的一个第三方面是一种用于测量冶金容器的容量体积内的导电熔融材料的垂直灌装水准的方法，该冶金容器由一个围绕该容量体积并且在一个垂直方向上延伸的外金属套限定。该方法包括:安装一条发射导线，用于在该冶金容器内部生成一个电磁场，以及在该冶金容器内部安装一条接收导线，用于感测该电磁场，从而生成一个作为该垂直灌装水准的一个函数的输出信号，其中该发射及接收导线被安装在该金属套内部从而以一个相互间隔共同延伸来限定一个面对该容量体积并且沿着该容量体积的外围以一个基本上闭合的回路而延伸的间隔面积，其中该相互间隔被选择从而使得该输出信号中的变化由与所述间隔面积相邻的导电材料的量的局部变化而引起的对该电磁场的变化所控制，并且其中该间隔面积的至少一部分被安排从而限定一个垂直测量区域，在该垂直测量区域中该间隔面积沿着外围倾斜从而背离该容器的水平及垂直方向。
[0050]本发明的一个第四方面是一种运行该第一方面的系统的方法。该方法包括:向该发射导线提供一个交变功率，从该接收导线获得该输出信号，以及处理该输出信号从而提取一个代表该垂直灌装水准的测量值。
[0051]第一方面的实施例中的任何一个可以与第二到第四方面组合。
[0052]本发明的更其他的目的、特征、方面和优点将从以下详细描述、从所附权利要求书并从附图变得明显。
[0053]附图简要说明
[0054]现在将参考示意附图更详细地在下文中描述本发明的实施例。
[0055]图1是一个具有水准测量系统的冶金容器的透视图。
[0056]图2是在图1的测量系统中的导线对的一部分的放大的侧视图。
[0057]图3A和图3B是垂直于图2中的导线对的截面图，分别不具有和具有所生成的电磁场与容器中的熔融金属之间的交互。
[0058]图4是一个导线对和该导线对的另一个部分的水平截面图。
[0059]图5是在一条无限长度的导线周围生成的磁场的透视图。
[0060]图6A至图6C是对于容量体积的不同形状的导线对的不例布局。
[0061]图7是对于图6A中的布局而获得的作为水准的函数的信号幅度的图。
[0062]图8是一个连接到用于信号生成和数据收集的处理单元的导线对的框图。
[0063]图9是一个连接到处理单元的多条导线对的框图。
[0064]图10是一条倾斜的导线对和多条水平导线对的组合的透视图。
[0065]图1lA至图1lC是对于图10中的不同的导线对的灵敏度函数的图。
[0066]不例实施方案的详细描述
[0067]在下文中，仅出于展示的目的，将描述本发明的一些示例实施例。贯穿本说明书，相同的参考标号用来标识相对应的元素。
[0068]在转向这些实例实施例之前，将给出一些基本的定义和解释。
[0069]如在此所使用的，“电磁场”是通过移动带电物体产生的物理场。其影响该场周边的带电物体的行为。电磁场贯穿空间而无限地延伸。这个场可以被视为电场E和磁场B的组合，电场和磁场中的每个都是一个三维矢量场。这些矢量场中的每个具有在空间和时间上的每个点上定义的值，并且可以被看作为空间和时间坐标的函数。电场由静止的电荷产生,而磁场由移动的电荷(电流)产生。[0070]术语“电磁耦合”(也称为“电感耦合”)指流过第一导线的电流中的变化通过电磁感应来感应跨过第二导线的端部的电压的现象。两条导线之间的电磁耦合的量由其互感来测量。该互感量化了在第二导线中的“电动势”(emf)与在第一导线中的电流变化的积。在存在变化的磁场B时，闭合回路C的所感应的电动势ε是该回路的静止的闭合路径周围的电场的积分给出的电压:
[0071]ε =φΕ.dl
[0072]其中E是整个电场，并且积分是在一个任意但静止的闭合曲线C周围的积分，通过其存在一个变化的磁场。
[0073]涡流(也称为“傅科电流”)是当暴露到时变磁场中时在导电材料中所感应的电流。这些电流形成为具有电感的循环的漩涡，并从而感应磁场。所施加的磁场越强，或者导电材料的导电性越大，或者场的变化越快，则所形成的涡流越大并且所产生的场越大。
[0074]本发明的实施例涉及通过检测由提供给发射线圈的交变电流而在接收线圈中感应的交变电压的在冶金容器中的水准测量。交变电流还感应在容器中被处理的导电材料中的涡流，并且由这些涡流产生的磁场改变在接收线圈上的磁场，从而引起在接收线圈中的所感应的电压(emf)的变化。一个挑战是实现输出信号与容器中的导电材料的量之间的有用并且可预测的函数关系，即灌装水准。
[0075]图1展示了具有由金属制成的外套或套2的冶金容器1，该由金属制成的外套或套为将在容器I中处理的导电材料限定了内腔体3 (容量体积)。容器I可以是任何类型的冶金容器，如熔炉、中间包、锅包、模具等。导电材料可以是金属或半导体，典型地加热为液态，但可选地是粉末或颗粒的形式。为了简明，在下文中导电材料将被称为“熔融材料”。线圈安排4安装在套2的内部从而围绕腔体3的一部分。线圈安排4由拉制在腔体3周围作为具有给定的相互间隔d的共同延伸的线对的发射导线5及接收导线6形成。从而导线5、6形成通过相互间隔d而互相移位的平行于腔体3外围的发射器线圈以及接收器线圈。概念性地，这可以被视为形成在腔体3周围的导线5、6之间的“间隔面积”7。如在图1中所见，间隔面积7部分地跨过腔体3的外围而倾斜。
[0076]图2是如在高位侧视角看到的共同延伸的导线5、6的倾斜的部分的放大视图，即投影到腔体3的外围上。在图2中，腔体3部分地灌装有熔融金属，从而其限定了顶面10。线圈安排4被安排从而使得导线之间的电磁耦合首先发生在沿着倾斜的部分的相对线区段(Ali)之间，如通过双端的箭头所示。由此，这些线区段经历两种环境，或者存在导电材料或者不存在导电材料。
[0077]图3A是沿着图2中的虚线3A的一个切片的视图，即在线区段相邻的腔体3中不存在熔融材料。在所展示的示例中，导线5、6嵌入到提供限定腔体的壁12的衬里材料11中。可以使用任何类型的常规衬里材料(例如耐火砖墙或冲压成的或浇注成的耐火材料)形成单片衬里。从而，在间隔面积7与壁12之间具有某个水平距离。图3A展示了由发射导线5生成的并由接收导线6感测的磁场B及电场E，以及生成在金属套2中的涡流20。如所看到的，磁场B延伸到腔体3中。在所展示的示例中，间隔面积7基本上平行于腔体3的外围，尽管间隔面积7朝向或背离腔体3倾斜是可以想到的。
[0078]图3B是沿着图2中的虚线3B的一个切片的视图，即在线区段相邻的腔体3中存在导电材料。如所示，磁场B感应在金属套2中的涡流20以及在壁12上(即在腔体3的外围上)的熔融材料中的涡流21。在熔融金属中的涡流21引起通过接收导线6周围的磁场B的强度的降低。由此，局部地降低了在发射导线5与接收导线6之间的耦合。导线5、6的相互间隔是这样从而使得接收导线6位于由发射导线5生成的磁场B的近场。在线区段的局部环境中不存在导电材料的情况下，磁场将以与Ι/Ra成比例的比率下降，典型地a=l，或者至少a是在1-2的范围内，并且R是到发射导线5的垂直距离。在线区段的局部环境中存在导电材料的情况下，磁场以更陡峭的比率下降。由此，相对于生成在接收导线6中的电动势，每个线区段可以表示为该线区段的一个部分接通/断开开关，其中该开关的运行由熔融金属的存在和不存在而控制。对于线区段i沿着线圈安排4所感应的emf Λ ^可以描述为
[0079]Δ ε「A ε emvtv1- Δ ε eddvi
[0080]其中Λ ε emvtvi是相邻的熔融金属不存在时的感应的emf，并且Λ ε eddvi是作为相邻的熔融金属中的涡流21的结果的感应的emf中的降低。在不存在相邻的熔融金属时，△ ε eddvi=0。在存在相邻的熔融金属时，Δ ε eddvi具有取决于单独的线区段的具体配置的值。线圈安排4的总响应(即沿着线圈安排4的总感应的emf)可以表示为所有线区段的感应的emf的和:
[0081]ε = ε emvtv- β.f (h)
[0082]其中Semvtv是当腔体3为空时的感应的emf并且β是一个取决于发射线圈、熔融金属以及接收线圈之间的 实际局部耦合的常数。灵敏度函数f(h)将取决于单独的线区段的配置，即作为灌装水准h的函数的间隔面积7的分布。由此，总响应(传递函数)是腔体中的熔融金属的垂直灌装水准的函数。由于灌装水准随着时间变化，总响应也是如此。以上关系是近似有效的，即使线区段不形成完美的接通/断开开关。
[0083]所实现的是可以通过线圈安排4的合适的布局来获得任何单调递减的传递函数。如从图1中所实现的，使用倾斜的导线对使线圈安排4能够与腔体3的一个大的部分相交互。
[0084]进一步地，当前据信可能令人期望的是避免线圈安排4在水平方向上具有实质的外延，由于这可以引起生成在水平发射导线5周围的电磁场来感应在倾斜的导线对中的电压。从而，当前据信导线对的水平外延应当小于导线对的总长度的约1/10，并且优选地小于约 1/15 或 1/20。
[0085]如在发明概述部分所解释的，具有许多可用的设计准则，这些设计准则可以用于确保电磁耦合是局部的。一个进一步的设计准则展示在图4中，即在所有垂直于接收导线6延伸的几何平面中，确保接收导线6与发射导线5的其他部分足够地间隔开。可能需要这个在图4中所示的距离D为相互间隔的至少3倍，并且可能地至少为相互间隔的4、5、6、7、
8、9或10倍。
[0086]还可能期望的是确保腔体3的外围周围的导线对的平滑的外延。例如，可能令人期望的是避免沿着导线对的外延的急转弯。根据另一个设计准则，沿着回路的导线对的外延是这样使得在接收导线6上生成的电磁场可以由在无限长度的直导线周围的电磁场逼近，例如图5中所示。例如，相互距离d可以被选择从而使得如从沿着接收导线6的任何位置所见，发射导线5的局部外延可以由一条直导线逼近。
[0087]还应当注意可以对在一个具体区域中的响应进行调谐，例如通过局部地改变相互距离d。例如，在导线对转动(例如在角落处)时，相互距离d可以增加，从而局部地减少线圈安排4的响应。
[0088]可以为任何形状的腔体3设计线圈安排4并安装到容器I中从而允许在任何所期望的垂直测量范围上的检测，例如自始至终从一个给定的高度到容器I的底部。使用如在发明概述部分中如上所概述的某些设计准则，可以实现在所期望的测量范围上的并且没有任何转折点的线性传递函数。根据一个这种准则，线圈安排4被设计成用于维持一个基本上恒定的感测长度作为高度的函数，其中感测长度是在一个取自测量范围内的每个长度上的水平切片中的沿着导线5、6的间隔面积7的总计外延。所实现的是在图1中的线圈安排4的倾斜的部分中满足了这个准则，但是在顶部和底部的部分违反了，其水平地延伸跨过容器I的整个深度。从而，在图1中的线圈安排4能够在倾斜的区域中提供线性响应，但是很可能在顶部和底部的部分上产生非线性和转折点。图6A是图1中的线圈安排4的变型的透视图，从而沿着线圈安排4的整个垂直外延满足了以上的准则，并由此产生没有转折点的线性响应。
[0089]图6B和图6C是满足这个准则并且可以分别在具有圆形的截面的圆柱形的腔体3和具有球形的壁部分的腔体3中产生不具有转折点线性响应的线圈安排4的透视图。应当理解的是这些腔体形状仅是为了展示的目的而包括的，并且该线圈安排4可以设计为满足以上准则而无关乎腔体形状。
[0090]图7是对于图6A中的线圈安排4的响应曲线(传递函数)的图，给定为在从接收导线6获得的电压信号中的幅度作为容器I中的灌装水准的函数。如所看到的，响应在测量范围内是线性地依赖于灌装水准的，其与线圈安排4的垂直外延相符合，并且对于测量范围外部的灌装水准是不变的。
[0091]与显著非线性的并且展现转折点的现有技术相比较，图6中的实施例可以造成在时间尺度上的变化可以与电磁场的频率(即提供给发射导线5的交变电流的频率)相当的或更快的猛烈的表面上的测量性能的显著的提高。甚至快速的扰动由其与线圈的电磁交互而平均，从而使得可以为一组连续样本计算一个有效的时均值。
[0092]图8是连接到发射及接收导线5、6上的用于生成垂直灌装水准(参见图7)的测量值的处理单元25的实施例的框图。虚线框组成了具有用于驱动发射导线5且用于从接收导线6获得输出信号的电路的收发器26。信号处理器27连接到收发器26上从而从输出信号提取垂直灌装水准的测量。在图8的示例中，直接数字式频率合成器(DDS) 28被配置成用于在所期望的频率基于公共参考时钟29创建合适的波形，例如正弦曲线。取决于实施方式，频率可以在约为50Hz至IOOkHz的频率范围内。将DDS28的输出提供到功率放大器30，该功率放大器由此向发射导线5提供合适大小的交变稳态电流信号。连接前置放大器31从而检测并放大在接收器导线6上的交变电压。在专用的带通滤波器32中滤波之后，放大的电压信号由模数转换器(ADC) 33中的同步模数转换处理。由此，ADC33可以提供包括所检测的电压的相位和/或幅度信息的输出信号。取决于实施方式，可以将垂直灌装水准的测量计算为所检测的电压的相位或幅度的函数，或其组合。这对于本领域技术人员而言是熟知的。
[0093]应当理解本技术不限于使用一个单导线对。反而可以安装两个或更多个导线对例如在容器的不同高度上提供测量范围和/或提供不同的传递函数。图9展示了安排了 η个不同的导线对从而在冶金容器的腔体周围组成分别的回路的这样的一个实施例。在图9的实施例中，每对导线5、6连接到了对应的收发器26上，并且收发器26的输出信号由公共信号处理器27处理。在图9的实施例中，收发器26可运行在不同的频率上。
[0094]由于容器I的几何变化(例如由温度变化、衬里磨损和材料内含物引起)，漂移在所有类型的电磁传感器中都是固有的。已发现本发明的测量系统有利地对于这种漂移不敏感，因为线圈安排4的传递函数相对不受几何上的相关联的变化的影响。对于几何上的适度的变化，传递函数仅仅是偏移，引起了响应曲线的线性偏移。从而，具有简单的传递函数(例如线性)，对于偏移，一个或两个校准点足以补偿输出信号。这种校准点可以例如通过包括水平地在腔体周围延伸从而形成水平导线对的导线对来获得。当灌装水准到达该水平导线对时，在该水平导线对上的电压显著地并且突然地降低(阶跃变化)，并且该阶跃变化的垂直位置将基本上不受几何变化的影响。所实现的是倾斜的导线的线性响应曲线可以通过将从阶跃变化的位置上的倾斜的导线上测量的响应映射到线性响应曲线上来补偿未知的偏移。当响应曲线是部分地非线性时，可以包括进一步的校准点来解释对线性响应曲线的倾斜的变化，或补偿偏移。将理解的是水平导线对(校准线圈)可以由连接到公共信号处理器上的分离的收发器控制，如关于图9所描述的。
[0095]图10展示了提供线性传递函数以及两个固有的校准点的线圈安排4的示例。该线圈安排4包括在垂直测量范围上延伸的一对倾斜的导线5、6以及安排在不同的垂直水准上的在该测量范围中的两对水平导线5’、6’。本实施例允许每次灌装水准经过水平导线对5’、6’的全测量范围的校准。图1lA至图1lC展示了分别对于倾斜的导线对、顶部水平导线对及底部水平导线对的灵敏度函数f(h)。如以上所解释，灵敏度函数f(h)表示源于沿着间隔面积7的熔融金属中的涡流的信号作用。
[0096]尽管本发明已经关于什么是目前认为最实际且优选的实施例而描述，应理解的是本发明不限于所披露的实施例，而相反，旨在覆盖包括在所附权利要求书的精神及范围内的各种变型及等效安排。
[0097]例如，发射导线及接收导线可以分别由一条单一电线或多条电线形成。
[0098]还应理解的是由共同延伸的导线对形成的回路可以通过被安排为与回路共同延伸且间隔开的一个或多个进一步的发射器导线和/或接收器导线补充。
[0099]进一步地，如在此所描述的本发明可以等效地应用于具有非金属套(例如，陶瓷材料的套)的冶金容器中的水准测量。
【权利要求】
1.一种用于测量冶金容器(I)的容量体积(3)内的导电材料的垂直灌装水准的系统，该冶金容器(I)由一个围绕该容量体积(3)并且在一个垂直方向上延伸的外金属套(2)限定，该系统包括: 一条发射导线(5)，用于当连接到一个交变电源时，生成一个电磁场， 一条接收导线(6)，其被安排成用于感测该电磁场，从而生成一个作为该垂直灌装水准的一个函数的输出信号， 其中该发射及接收导线(5，6)被安排在该金属套(2)内部从而以一个相互间隔(d)共同延伸来限定一个面对该容量体积(3)并且沿着该容量体积(3)的外围以一个基本上闭合的回路而延伸的间隔面积(7)，其中该相互间隔(d)被选择从而使得该输出信号中的变化由与所述间隔面积(7)相邻的导电材料的量的局部变化而引起的对该电磁场的变化所控制，并且其中该间隔面积(7)的至少一部分限定了一个垂直测量区域，在该垂直测量区域中该间隔面积(7)沿着外围倾斜从而背离该容器(I)的水平及垂直方向。
2.如权利要求1所述的系统，其中该相互间隔(d)被选择从而确保首先在沿着该间隔面积(7)的该发射及接收导线(5，6)的相对区段(Λ Ii)之间实现在该发射及接收导线(5，6)之间的电磁耦合。
3.如任意以上权利要求所述的系统，其中该相互间隔(d)被选择从而使得在该容量体积(3)中不存在导电材料时，该电磁场的强度作为1/Ra的一个函数而降落，其中R是在该间隔面积(7)中的离该发射导线(5)的距离并且a在I~2的范围内。
4.如任意以上权利要求所述的系统，其中该间隔面积(7)被安排从而使得相对于该发射导线(5)并且在该容量体积(3)中不存在导电材料时，在该接收导线(6)上的电磁场由一个在一条无限长度的直导线周围生成的电磁场逼近。
5.如任意以上权利要求所述的系统，该发射导线(5)被安排从而使得其水平外延小于该发射导线(5)的总长度的约1/10、1/15或1/20。
6.如权利要求5所述的系统，其中该发射导线(5)被安排成基本上没有具有水平外延的部分。
7.如以上任意权利要求所述的系统，其中该冶金容器(I)进一步包括一个安排在该金属套(2)内部的防护衬里(11)从而限定一个与该金属套(2)间隔开并且限定该容量体积(3)的外围的内壁(12),其中该发射及接收导线(5,6)被安排为在该间隔面积(7)与该内壁(12)之间具有一个水平离距，其中该相互间隔(d)被选择为至少与该水平离距具有相同的数量级。
8.如以上任意权利要求所述的系统，其中该发射导线(5)被安排从而使得该容量体积(3)的面对该间隔面积(7)的外围上的导电材料中的电磁场的平均强度基本上不依赖于在该垂直测量区域中的垂直位置。
9.如以上任意权利要求所述的系统，其中该相互间隔(d)被选择从而使得从该接收导线(6)到该容量体积(3)的外围的水平距离在该垂直测量区域中是基本上不变的。
10.如以上任意权利要求所述的系统，其中该间隔面积(7)被安排从而在该垂直测量区域中对于在垂直方向上的不同的高度产生近似相同的感测长度，该感测长度是该间隔面积(7)的沿着该发射及接收导线(5，6)的在一个取自在该垂直方向上的给定高度处的水平切片中的总外延。
11.如以上任意权利要求所述的系统，其中该间隔面积(7)被安排从而使得在该接收导线(6)中由该电磁场感应到的一个总电动势是在该垂直测量区域中的垂直灌装水准的一个基本上线性的函数。
12.如以上任意权利要求所述的系统，其中该间隔面积(7)被安排从而使得当该垂直灌装水准延伸出该垂直测量区域时，在该接收导线(6)中由该电磁场感应到的一个总电动势在该垂直灌装水准是基本上不变的。
13.如以上任意权利要求所述的系统，其中该垂直测量区域在该垂直方向上跨越该回路的外延。
14.如以上任意权利要求所述的系统，其中该相互间隔(d)在该垂直测量区域中沿着该间隔面积(7)是基本上相同的。
15.如以上任意权利要求所述的系统，其中该发射及接收导线(5，6)被安排从而使得该回路包围该容量体积(3)的一条垂直中心线。
16.如权利要求15所述的系统，其中该容量体积(3)是至少部分地由一条在该垂直中心线周围延伸的基本上圆柱形的壁部分所限定的，其中该回路形成在该圆柱形的壁部分中从而围绕该容量体积(3 )。
17.如以上任意权利要求所述的系统，进一步包括:至少一条进一步的发射导线(5’)，用于当连接到一个交变电源时，生成一个电磁场；以及至少一条进一步的接收导线(6’)，其被安排成用于感测该电磁场，从而生成一个进一步的输出信号，其中该发射及接收导线(5’，6’)在该垂直 测量外延内的一个垂直位置处被安排在该金属套(2)内部从而以一个相互间隔水平地在该容量体积(3 )周围共同延伸。
18.如以上任意权利要求所述的系统，进一步包括一个连接到该发射导线(5)上的交变电源(28，29，30)。
19.如以上任意权利要求所述的系统，进一步包括一个处理单元(27，31，32，33)，该处理单元被配置成用于获得和处理该输出信号从而提取一个代表该垂直灌装水准的测量值。
20.一种冶金容器，包括如以上任意权利要求所述的系统。
21.一种用于测量冶金容器(I)的容量体积(3)内的导电材料的垂直灌装水准的方法，该冶金容器(I)由一个围绕该容量体积(3)并且在一个垂直方向上延伸的外金属套(2)限定，该方法包括: 安装一条发射导线(5)，用于在该冶金容器(I)内部生成一个电磁场，以及 在该冶金容器(I)内部安装一条接收导线(6)，用于感测该电磁场，从而生成一个作为该垂直灌装水准的一个函数的输出信号， 其中该发射及接收导线(5，6)被安装在该金属套(2)内部从而以一个相互间隔(d)共同延伸来限定一个面对该容量体积(3)并且沿着该容量体积(3)的外围以一个基本上闭合的回路而延伸的间隔面积(7)，其中该相互间隔(d)被选择从而使得该输出信号中的变化由与所述间隔面积(7)相邻的导电材料的量的局部变化而引起的对该电磁场的变化所控制，并且其中该间隔面积(7)的至少一部分被安排成限定一个垂直测量区域，在该垂直测量区域中该间隔面积(7)沿着外围倾斜从而背离该容器(I)的水平及垂直方向。
22.—种用于操作如权利要求1至19中任一项所述的系统的方法，所述方法包括: 向该发射导线(5)提供一个交变功率，从该接收导线(6)获得该输出信号，以及处理该输出信号从而提取一`个代表该垂直灌装水准的测量值。
【文档编号】B22D2/00GK103797339SQ201280044535
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年9月11日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】托马斯·维尔赫姆森 申请人:阿格利斯集团股份公司