Устройство для определения окисленности металла

) (11) 01 М 27/416, С 21 С О, 7/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР ТЕТРЫТИ ПИСАН ОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКО метал- етров нои металараметровгате.(56) Устройство контроля окисленности стали УКОС. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, код ОКП 42 1522,М 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯОКИСЛЕННОСТИ МЕТАЛЛА(57) Изобретение относится к чернойлургии, а именно к контролю парам Изобретение относится к черлургии, а именно к контролю иметалла в сталеплавильном агреИзвестно устройство для определения окисленности металла, содержащее последовательно соединенные пробницу, измеритель усадки, вычислительный блок и регистрирующий прибор. Получаемая проба имеет Форму усеченного конуса с верхним торцом диаметром 32 мм, а нижним - 26 мм, высота пробы 70 мм, При получении эакристаллизовавшейся пробы образуется открытая усадочная раковина, что позволяет производить измерение усадки беэ разрезания пробы и выявления поперечного сечения. Измерение усадки осуществляется глубиномером штангенциркуля с точностью до 0,1 мм. металла в сталеплавильном агрегате, и предназначено для определения окисленности металла. Цель - повышение точности определения окисленности металла, Существо изобретения заключается в том, что окисленность определяют средствами вычислительной техники с учетом температуры металла и окружающей среды. Устройство содержит датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок. Новым в устройстве является то, что оно содержит калибратор, датчик температуры окружающей среды, коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управления и блок цифропечати. 4 ил., 3 1 табл. Устройство работает следующим образомВ стаканчик-изложницу заливают нераскаленную сталь, Сразу после этого изложницу накрывают картонным стаканчиком с предварительно укрепленным в нем по центрудна алюминиевым прутком или полосой. Через 1,0-1,5 мин картонный стакан снимают. За это время алюминиевый пруток (полоса) расплавляется без остатка, Проба эатвердевает, ее выбивают из пробницы и охлаждают в воде. Штангеициркулем замеряют величину усадки металла.В вычислительном блоке осуществляется определение окисленности металла по следующей зависимости;0)=0,01 фУс - 0,06,где О - окисленность металла, фУс - усадка металла, мм.1737328 5 10 15 20 30 35 40 50 При использовании известного устройства наблюдается низкая точность контроля окисленности металла в сталеплавильном агрегате ввиду низкой точности определения величины усадки металла. Кроме того, наблюдается невысокая воспроизводимость результатов.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является, устройство для определения окисленности металла, содержащее последовательно соединенные датчик окисленности, первый усилитель(согласующий блок), первый функциональный преобразователь и первый пишущлй узел с кареткой, содержащий также последовательно соединенные датчик температуры металла, второй усилитель (согласующий блок), второй функциональный преобразователь и второй пишущий узел с кареткой, причем второй выход второго функционального преобразователя соединен с вторым входом первого функционального преобразователя.Устройство работает следующим образом.При погружении датчика температуры в жидкий металл на его выходе появляется термоЭДС, пропорциональная температуре металла, которая усиливается и поступает на вход второго функционального преобразователя, в котором определяется стационарный участок, соответствующий температуре металла. Сигнал, пропорциональный температуре металла, поступает на второй вход первого функционального преобразователя и запоминается,При погружении датчика окисленности в металл на его выходе появляется ЭДС, которая усиливается усилителем и поступает на первый вход первого функционального преобразователя, в котором определяется окисленность металла по следующей зависимости: 10,087Е + 56619 ао= Я Т+273 где ао - активность кислорода в стали,по массе;Е - величина ЭДС, гпч;Т - температура металла, С.При использовании известного устройства наблюдается низкая точность контроля окисленности металла, обусловленная погрешностями, возникающими ввиду временного дрейфа коэффициента усиления и смещения нулевого уровня входных усилителей, а также влиянием термоЭДС свободных концов термопары на величину измеряемого сигнала датчика температуры металла.Так, например, при построении входных усилителей на операционных усилителях типа КР 140 УД 20 А изменение температуры окружающей среды на 10 С приводит к изменению измеряемой величины окисленности на 10-15 О относительно показаний устройства при предыдущей температуре окружающей среды (при одной и той же окисленности металла), В известном устройстве в качестве первичного датчика температуры металла использованы термоэлектрические преобразователи, которые основаны на термоэлектрическом эффекте,возникающем в цепи термопары. Градуировочные таблицы для стандартных термопар составлены при условии равенства температуры свободных концов 0 и поэтому необходимо вводить поправку.Кроме того, известное устройство не позволяет автоматически контролировать момент коммутации входных датчиков одноразового применения, а это приводит к 25 тому, что возможно ложное определение окисленности металла по случайным поме-, хам, возникающим во входных измерительных цепях при отсутствии коммутации входных датчиков, а также при неисправности последних.Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность контроля окисленности металла, обусловленная влиянием термоЭДС свободных концов термопары на величину измеряемого сигнала по каналу от датчика температуры, погрешностями, возникающими ввиду временного дрейфа коэффициента усиления и смещения нулевого уровня входных усилителей, а также ложным определением окисленности металла вследствие случайных помех, возникающих во входных цепях первичных датчиков в случае неисправности последних,Цель изобретения - повышение точности контроля окисленности металла в сталеплавильном агрегате.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла, датчик температуры металла и согласующий блок, введены калибратор,датчик температуры окружающей среды,коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок управления, дисплей и блок цифропечати, причем выходы датчика окисленности металла, датчика температуры металла, два выхода калибратора, датчика температуры окружающей среды, а также первый выход4микропроцессорного блока управления подсоединены соответственно к первому - шестому входам коммутатора, первый выход которого через согласующий блок подсоединен к первому входу микропроцессорного блока управления. к второму входу которого подсоединен второй выход коммутатора через блок контроля коммутации входных датчиков, выход дисплея подсоединен к третьему входу микропроцессорного блока управления, второй и третий выходы которого подсоединены соответственно к входам дисплея и блока цифропечати,На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема калибратора и коммутатора; на фиг. 3 - .схема микропроцессорного блока управления и блока цифропечати; на фиг.4 - схема дисплея и блока контроля коммутации входных датчиков.Устройство (фиг.1) содержит датчик 1 окисленности металла, датчик 2 температуры металла, датчик 3 температуры окружающей среды, калибратор 4, коммутатор 5, согласующий блок 6, блок 7 контроля коммутации входных датчиков, микропроцессорный блок 8 управления, дисплей 9, блок . 10 цифропечати,Датчик 1 окисленности металла может быть представлен; например, в виде серийно выпускаемого сменного блока типа СВ 5.189.000, Датчик 2 температуры металла может быть представлен, например, в виде серийно выпускаемого термоэлектрического преобразователя 11 типа ТПРс диапазоном измеряемых температур 1300- 1800 С. Датчик 3 температуры окружающей среды может быть представлен, например, в виде серийного термопреобрээователя 12 сопротивления типа ТСМс диайазоном измеряемых температур от -50 до 150 С. Калибратор 4 представляет собой источник опорных. напряжений и может быть выполнен, например, на базе операционного усилителя 13 типа КР 140 УД 20 А; резистором 14 задается ток через стабилитрон 15, при котором обеспечивается минимальный температурный коэффициент напряжения. Стабилитрон 15 поддерживает на инверсном входе операционного усилителя 13 напряжение 1 В, Выходное напряжение источника равноОод Ост+Оа,где Ост - напряжение стабилизации стабилитрона, В;Оа - напряжение на резисторе делителя, В. В калибраторе 4 в качестве резисторов14 и 16 могут быть использованы серийныепрецизионные резисторы, например, типаС 5-60-0,25.5 Коммутатор 5 может быть выполнен, например, в виде релейных переключателей21-25, каждый из которых может быть выполнен в виде транзисторного ключа 26 иреле 27 (см. Фиг, 2).10 Согласующий блок 6 (фиг. 3) может бытьвыполнен, например, в виде инструментального усилителя, имеющего высокое входноесопротивление и обеспечивающего установку заданного коэффициента усиления.15 Блок 7 контроля коммутации датчиковможет быть выполнен, например, в виде оптронного переключателя 92 и резистора 93(см, фиг. 4).Микропроцессорный блок 8 управления20 (фиг,3) может быть выполнен, например, ввиде постоянного запоминающего устройства 28 емкостью 2 Кбайт, регистра 29, кварцевого резонатора 30, однокристальноймикро-ЭВМ 31 типа КМ 1816 ВЕ 48, цифроа 25 налогового преобразователя 32, регистра33, большой интегральной схемы последовательного интерфейса 34, компаратора 35,источника 36 опорного напряжения и дешифратора 37,30 Однокристальная микро-ЭВМ КМ 1816ВЕ 48 представляет собой БИС, имеющие всвоем составе все характерные части небольшой микро-ЭВМ; арифметическо-логическое устройство, устройство управления,35 перепрограммируемое ПЗУ программ с ультрафиолетовым стиранием (СППЗУ), ОЗУданных и программно-управляемые интерФейсные схемы, Габариты однокристальноймикро-ЭВМ 38 КМ 1816 ВЕ 48:35,5 х 5,5 х 1540 мм,Дисплей 9 может быть представлен, например, в виде большой интегральной схемы индикации и клавиатуры 38, кнопочныхпереключателей 39-54, дешифратора 5545 семисегментного кода, дешифратора 56.семисегментных индикаторов 57-72, тран- .зисторных ключей 73-88, транзистора 89,резисторов 90 и 91, оптронного переключателя 92 и резистора 93 (см. Фиг, 4),50 Блок 10 цифропечати (фиг. 3) можетбыть выполнен, например, в виде микроконтроллера 94, транзисторного буфера 95 ипечатающего механизма 96.Устройство работает следующим обра 55 зом.После включения электропитания в микропроцессорном блоке 8 управления начинает выполняться программа инициализации,которая приводит устройство в исходное состояние,40 50 55 В исходном состоянии (см. фиг, 2) транзисторные ключи релейных переключателей 21-25 выключены, и через нормально замкнутые контакты релейного переключателя 24 к термоэлектрическому преобразователю 2 через токоограничивающий резистор 93 подается зондирующее напряжение 12 В (см. фиг. 4, бл. 7). Последовательно в эту цепь включен оптроннцй переключатель 92. Если сменный блок термоэлектрического преобразователя с датчиком 2 температуры металла не установлен, то ток через оптронный переключатель 92 отсутствует, что приводит к формированию на его выходе сигнала низкого уровня, который поступает в микропроцессорный блок 8 управления на вход ТО микропроцессора 31 и переводит .устройство в режим ожидания установки датчика 2 температуры металла, После установки сменного блока термоэлектрического преобразователя с датчиком 2 температуры металла (см. фиг. 4) цепь +12 В - резистор 93 - оптронный переключатель 92 - датчик 2 температурц, металла - (-12 В) замыкается через его низкое внутреннее сопротивление,.что приводит к появлению на выходе оптронного переключателя 92 сигнала высокого уровня и выводит микропроцессор 31 из состояния ожидания, и в устройстве начинает выполняться процедура автоматической калибровкиПроцедура автоматической калибровки осуществляется следующим образом.По сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управления открывается транзисторный ключ 26 (см, фиг,2), что приводит к размыканию нормально замкнутых контактов реле 27 и подключению выходных цепей калибратора 4, с выхода которого подается напряжение 01(величина 01 определяется опытным путем, исходя из диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла) в течение Л 1=0,8 с на вход согласующего блока 6 (величина Ь 1 определяется опытным путем), затем транзисторный ключ 26 закрывается, что приводит к размыканию выходной цепи 01 калибратора 4, далее по сигналу с выхода микропроцессорного блока 8 управления (см. фиг. 3) открывается транзисторный ключ релейного переключателя 21, что приводит к раэмыканию его нормально замкнутых контактов и подключению выходных цепей калибратора 4 02(величина 02 определяется опытным путем, исходя иэ диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла, причем 01 выбирается в начале диапазона, а 02 5 10 15 20 25 30 35 выбирается в конце диапазона выходных напряжений термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла) в течение Ь=0,8 с на вход согласующего блока 6 (величина Ь й определяется опытным путем), затем транзисторный ключ релейного переключателя 21 закрывается, что приводит к размцканию выходной цепи 02 калибратора 4 и подключению выхода термоэлектрического.преобразователя датчика 2 температурц металла к выходу согласующего блока 6.Далее в микропроцессорном блоке 8 управления рассчитываются коэффициент усиления и величина смещения нулевого уровня согласующего блока 6 по следующим зависимостям:- ( Оа 1 Оа 2 И О - 02 )Оо = ( Оа 1 + Оа 2 -(01 + Ог ) )/2,где Е - коэффициент усиления;Оа 1 - величина выходного напряжения согласующего блока при подключении к его входу первого выхода калибратора, В;Оа 2 - величина выходного напряжения согласующего блока при подключении к его входу второго выхода калибратора, В,О - величина смещения нулевого уровня согласующего блока на его выходе, В;01 - величина напряжения первого источника опорного напряжения калибратора, В;02 - величина напряжения второго источника опорного напряжения калибратора, В,Далее по сигналу из микропроцессорного блока 8. управления переключается транзисторный ключ релейного переключа-. теля 22 и сигнал с термоэлектрического преобразователя 11 датчика 3 температуры окружающей среды коммутируется на вход согласующего блока 6. Сигнал с выхода согласующего блока 6, пропорциональный температуре окружающей среды, поступает . в микропроцессорный блок 8 управления, где осуществляется поправка для компенсации термоЗДС холодных концов термоэлектрического преобразователя датчика 2 температуры металла. Процедура калибровки в реальном времени продолжается не более 2-3 с, что практически не влияет на длительность полного цикла замера. Причем калибровка позволяет устранить различные дестабилизирующие факторы (температурный дрейф, старение радиоэлементов и т.д,), приводящие к изменению метрологических характеристик согласующего блока 6, кроме того, в процессе калибровки полученные значения коэффициента усиления Е и смещения нулевого уровня Оо сравйиваются с нормализованными и в случае существенного отличия, вызванного отказом радиоэлементов устройства, формируется диагностическое сообщение на дисплее и дальнейшая работа устройства блокируется. Таким образом, процедура калибровки позволяет повысить достоверность показаний устройства, В случае нормального прохождения калибровки на дисплее 9 выдается сообщение о готовности, что является сигналом к началу погружения сменного блока датчика 2 температуры металла в ванну сталеплавильного агрегата. Одновременно с этим в коммутаторе 5 включается релейный переключатель 24 и через его нормально разомкнутые контакты термопреобразователь датчика 2 температуры металла подключается к входу согласующего блока 6 и в микропроцессоре 31 начинает выполняться программа аналого-цифрового преобразования методом последовательного приближения. Код АЦП связан с величиной термоЭДС следующим соотношением;Оэдс= А+Оо,где. Оэдс - термоЭДС датчика температурыметалла, мВ;к - коэффициент усиления;Оо - величина смещения нулевого уровня, мВ;А - код АЦП,Рассчитанная по вышеприведеннойформуле термоЭДС является исходной величиной для определения температурыметалла в соответствии с номинальной статистической характеристикой.Расчет температуры производится с помощью метода. кусочно-линейной аппроксимации.Расчетное значение температуры металла Т сравнивается с нижней точкой измеряемого диапазона температур 1300 С.Если Т меньше, то вышеописанные действия повторяются, начиная с АЦП, если же Тбольше, то устройство переходит из режимаожидания в режим измерения, в процессекоторого выполняются следующие операции,Рассчитанная температура проверяет. ся на принадлежность измеряемому диапазону: 1300 СТ1800 С,Если Т 1300 С и время г, прошедшее сначала, измерения г3 с, то на дисплейустройства выдается сообщение о короткомзамере, дальнейший процесс измерения10 экране дисплея 15 термограммы, записанной в ОЗУ во время 20 25 50 55 30 35 40 блокируется и устройство переходит в режим ожидания установки сменного блока датчика 2 измерения температуры металла.Такое же действие выполняется, если Т 1800 С, и на дисплей выдается сообщение о превышении верхней. границы измеряемого диапазона. Если же Т принадлежит диапазону 1300 ОС ь Т 5 1800 С, то его значение записывается в оперативно-запоминающее устройство и отображается на Если Т 1300 С и т3 с, то процесс измерения считается законченным и устройство переходит к процессу обработки замера. Суть обработки сводится к поиску на термограмме пологого участка, соответствующего стабилизации показаний датчика 2 температуры металла. Если пологий участок не найден, то на дисплей устройства выдается сообщение о плохом замере, если найден, то на экран дисплея выдается значение температуры Т на этом участке, которое соответствует температуре металла,кроме того, это значение запоминаетсядля дальнейшего использования при расчете окисленности металла.После этого устройство переходит к ожиданию сигнала с датчика 1 окисленно-, сти металла, для чего в комутаторе 5 производится изменение состояния релейных переключателей 24 и 25. Релейный переключатель 24 выключается, а релейный переключатель 25 включается, в результате чего сигнал с датчика 1 окисленности метал-ла прикладывается к входу согласующего блока 6.До погружения датчика 1 окисленности металла в жидкий металл сигнал с датчика 1 отсутствует, после погружения в металл на его выходе появляется ЭДС, величина которой определяется в микропроцессорном блоке 8 управления по зависимости Е-Е А+Оо,где Е - величина ЭДС на выходе датчика окисленности металла при погружении его в металл, В;1 - коэффициент усиления согласующего блока 6.Оо - смещение нулевого уровня согласующего блока 6, В;.А - код,аналого-цифрового преобразователя.При выполнении условия Е50 щч устройство переключается в режим измерения ЭДС с датчика 1 окисленности металла, алгоритм измерения ЭДС в.целом похож наалгоритм измерения температуры металла. Отличие заключается в диапазоне измерения 50 еч йЯ Е Я 800 ач и отсутствии процедуры кусочно-линейной аппроксимации, так как запись измеряемых значений в ОЗУ происходит непосредственно в милливольтах. После подьема датчика 1 окисленности металла из металла ЭДС на его выходе исчезает и устройство переходит к обработке, потенциограммы, записанной во время измерения в ОЗУ. Результатом обработки является усредненное значение ЭДС, расположеннх:на пологом участке, соответствующем стабилизации показаний датчика окисленности металла. Измеренное значе-. ние ЭДС Е выдается на соответствующую строку дисплея 9 и запоминается для непосредственного вычисления окислен ности:10,087 Е + 5661ь = П (2;ВНБС 2 )где а 0 - активность кислорода в стали, 7 ь по массе;Е - величина ЭДС датчика окисленности металла, пв; Т - температураметалла, ЯС, Рассчитанное значение ао выдается на соответствующую строку дисплея 9 и, кроме того, выдается через большую интеграль-. ную схему последовательного интерфейса 34 микропроцессорного блока 8 управления на печать блока 10 цифропечати. После чего устройство переходит в исходное состояние.Как показали испытайия предлагаемое устройство позволяет определять окисленность металланаиболее близко.к истинному его значению,В таблице приведены значения окисленности металла, определенные с помощью устройства-прототипа и предлагаемого устройства нэ характерных замерах окисленности металла в стэлеразливочном ковше при различных значениях температуры окружающей среды на рабочей площадке.Из. таблицы видно, что значения окисленности металла, определенные посредством устройства-прототипа, значительно отличаются от истинных.Среднеквадратичные значения отклонений фактического значения окисленности 5. металла, определенные с помощью устройства-прототипа на 212 плавках, составили 0,0084; а с помощью предлагаемого устройства на этом же массиве плавок - 0,00046 6.10Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определить значение окисленности металла наиболее близко к его истинному значению, а эа счет более высо кой точности определения окисленностиметалла снижается расход ферромарганца, присаживаемого в ковшФормула изобретения20Устройство для определения окисленности металла, содержащее датчик окисленности металла; датчик температуры металлаи согласующий блок, о т л и ч а ю щ е е с я25 тем, что," с целью повышения точности определения окисленности металла, в неговведены калибратор, датчик температурыокружающей среды, коммутатор, блок контроля коммутации входных датчиков, микро 30 процессорный блок управления, дисплей и .блок цифропечати, причем выходы датчикаокисленности металла, датчика температуры металла, двэ выхода калйбратора, датчика температуры окружающей среди, а также35 первый выход микропроцессорного блокауправления подсоединены соответственнок первому - шестому входам коммутатора,первый выход которого через согласующийблок подсоединен к первому входу микро 40 процессорного блока управления, к второму входу которого подсоединен второйвыход коммутатора через блок контролякоммутации входных датчиков, выход дисплея подсоединен к третьему входу микро 45 процессорного блока управления, второй итретий выходы которого подсоединены соответственно к входам дисплея и блока цифропечати,375218 376042 376046 377653 377695 377698 377943 378646 378692 Температура ок- ружающей среды на рабочей площадке,С+36,8 +14,3 +22,5 +5,4 +0,4 -0,3 -15,6 -28,3 -32 0 0,0480 0,0260 0,0280 0,0360 0,0180 0,0578 0;0457 0,0429 0,024 0,0580 0,0315 0,0368 0,0362 0,0210 0,0530 0,0390 0,0343 0,0150 Фактическое значение окисленности металла ае,аппо массе 0,0590 0,0320 0,0356 0,0372 0,0185 0,0529 0,0397 0,0346 0,0150апРОТ. афакт, )по массе1737328Составитель Е.Гудалина актор Л.Веселовская Техред М.Моргентал Корректорик эказ 1886 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10