CH642290A5 - Verfahren zum elektromagnetischen giessen von metall und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum elektromagnetischen Giessen von Metall, insbesondere von Kupfer und Kupferlegierungen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der elektromagnetische Giessvorgang ist bekannt und wird schon seit vielen Jahren für ein kontinuierliches und teilkontinuierliches Giessen von Metallen und Legierungen eingesetzt. Kommerziell fand das Verfahren vor allem für das Giessen von Aluminiumlegierungen Verwendung.

Versucht man jedoch, schwerere Metalle als Aluminium, wie Kupfer, Kupferlegierungen, Stahl, Stahllegierungen, Nickel, Nickellegierungen usw. elektromagnetisch zu giessen, so entstehen unterschiedlichste Probleme bezüglich der Regelung des Giessvorgangs.

Beim elektromagnetischen Giessen wird der flüssige Me-tallgiesskopf eingefasst bzw. gebündelt und von den Giess-formwänden mittels eines elektromagnetischen Drucks ferngehalten, wobei dieser Druck dem hydrostatischen Druck des flüssigen Metallgiesskopfes entgegenwirkt bzw. diesen ausgleicht. Der hydrostatische Druck des flüssigen Metallgiesskopfes stellt eine Funktion aus der Höhe des Metallgiesskopfes und dem spezifischen Gewicht des flüssigen Metalls dar.

Beim elektromagnetischen Giessen von Aluminium und Aluminiumlegierungen besitzt der flüssige Metallgiesskopf eine vergleichsweise niedrige Dichte bei einer hohen Oberflächenspannung aufgrund des diese Oberfläche begrenzenden Oxidfilms. Die Oberflächenspannung ist zum elektromagnetischen Druck addierbar und beide Einflüsse wirken gegen den hydrostatischen Druck des flüssigen Metallgiesskopfes. Eine kleine Schwankung der Oberflächenspannung lässt mithin den für das Einfassen erforderlichen magnetischen Druck um einen kleinen Differenzwert ansteigen. Für schwerere Metalle und Legierungen, wie Kupfer und Kupferlegierungen bewirken vergleichbare Änderungen am flüssigen Metallgiesskopf eine grössere Schwankung des hydrostatischen Druckes und des zur Kompensation erforderlichen Magnetdrucks. Es hat sich bei Kupfer- und Kupferlegierungen gezeigt, dass die für das Einfassen bzw. Bündeln erforderliche Änderung des Magnetdrucks etwa dreimal grösser ist als bei Aluminium und Aluminiumlegierungen mit vergleichbaren Änderungen der Oberflächenspannung im flüssigen Metallgiesskopf.

Um einen Gussstrang von gleichförmigem Querschnitt über die gesamte Länge zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Mantelkontur des Gussstrangs und des flüssigen Metallgiesskopfes innerhalb des Induktors vertikal gerichtet verbleibt, insbesondere im Bereich der Grenzschicht zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand des vorwachsenden Gussstranges. Die tatsächliche Lage der Mantelkontur des Gussstranges wird durch die Ebene, in welcher der Ausgleich des hydrostatischen und des magnetischen Druckes erfolgt, bestimmt. Somit bewirken alle Veränderungen der effektiven Metallgiesskopfhöhe vergleichbare Änderungen des hydrostatischen Drucks, was über die Länge des Gussblocks Ober-flächenunregelmässigkeiten schafft. Solche Oberflächenun-regelmässigkeiten sind sehr unerwünscht und können eine

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verminderte Metallausnutzung bei der Weiterbehandlung zur Folge haben.

Aus dem Vorstehenden ist offenbar, dass dann, wenn man versucht, solche Schwermetalle und Legierungen elektromagnetisch abzugiessen, ein höherer Regelungsgrad notwendig ist, um die gewünschte Oberflächenprofilierung und einen zufriedenstellenden Oberflächenzustand beim Giesser-gebnis zu erhalten. Im US-Patent Nr. 4 014 379 ist ein Regelungssystem beschrieben, welches zum Regeln des in einem Induktor fliessenden Stroms in Abhängigkeit von Dimensionsabweichungen der flüssigen Zone (des flüssigen Metallgiesskopfes oder des sogenannten Giesssumpfes) des Gussstrangs von einem vorgeschriebenen Wert dient. In diesem US-Patent wird die Induktorspannung variiert, um den Induktorstrom in Abhängigkeit von Niveauschwankungen der Oberfläche der flüssigen Zone am Giessstrang zu regulieren. Die Änderungen der Induktorspannung werden über ein verstärktes, an die Feldwicklung eines Frequenzumformers angelegtes Fehlersignal erhalten.

Ein Nachteil des in diesem US-Patent 4 014 379 beschriebenen Regelungssystems besteht darin, dass nur solche Änderungen des flüssigen Metallgiesskopfes berücksichtigt werden, welche aufgrund von Niveauschwankungen der flüssigen Zone auftreten. Es scheint so, dass in diesem US-Patent angenommen wird, dass sich die Lage der Erstarrungsfront zwischen dem flüssigen Metall und der erstarrenden Gusshülle bezüglich des Induktors nicht verändert. Dies kann jedoch in Wirklichkeit nicht angenommen werden. Faktoren, welche tendenziell das Schwanken der Vertikallage der Erstarrungsfront beeinträchtigen sind: Schwankungen der Giessgeschwindigkeit, Metallüberhitzung, Flussgeschwindigkeit des Kühlwassers, Beaufschlagungsstelle des Kühlwassers, Kühlwassertemperatur und -qualität (Verunreinigungsgehalt) sowie die Amplitude und die Frequenz des Induktorstroms.

Bei Aluminium und Aluminiumlegierungen liegen die Grenzwerte des elektrischen spezifischen Widerstandes nahe beieinander. Somit ist beim elektromagnetischen Giessver-fahren die Tiefe, bis zu der Wirbelströme im flüssigen Metallgiesskopf und im erstarrenden Giessblock erzeugt werden, für einen weiten Bereich von Aluminiumlegierungen vergleichsweise gleichförmig. Die Eindringtiefe des elektromagnetisch induzierten Stroms ist eine Funktion des spezifischen Widerstandes der Last und der Frequenz.

Bei Kupfer und Kupferlegierungen sowie anderen Schwermetallen und -legierungen liegen die Grenzwerte der spezifischen Widerstände entsprechend der Metallzusammensetzung weiter auseinander. Somit ist, verglichen mit Aluminium, der Eindringtiefenbereich des Magnetfeldes bei konstanter Frequenz bei diesen anderen Metallen auch vergleichsweise gross. Dies ist nachteilig, da der Grad des magnetischen Umrührens des flüssigen Metalls eine Funktion derEindringtiefe des Magnetfeldes bzw. der Höhe des dadurch induzierten Stroms darstellt.

Für derartige Schwermetalle und -legierungen ist es erforderlich, bei dem Wechsel von einer Legierung zu einer anderen, die Arbeitsfrequenz zu ändern, um die gewünschte Eindringtiefe des Magnetfeldes zweck Erzielens des erforderlichen induzierten Stroms zu erhalten. Zum Beispiel kann die für die Legierung C 510 00 erwartbare Magnetfeldeindringtiefe etwa 10 mm bei 1 kHz, 5 mm bei 4 kHz und 3 mm bei 10 kHz sein. Die Eindringtiefe bei elektromagnetischem Giessen von Aluminiumlegierungen liegt zweckmässig bei etwa 5 mm. Verglichen mit der Legierung C 510 00 erhält man bei reinem Aluminium eine Eindringtiefe von 5 mm bei 2 kHz. Das ist die Hälfte der Frequenz, bei welcher bei der Legierung C 510 00 diese Eindringtiefe erreicht wird.

Deshalb muss ein Regelungssystem für das elektroma-

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gnetische Giessen von schwereren Metallen, wie Kupfer und Kupferlegierungen in der Lage sein, auf verschiedenen Frequenzen zu arbeiten, um passende Magnetfeldeindringtiefen zur Erzielung des gewünschten induzierten Stromes zu erzielen.

Es ist bekannt, einen hochfrequenten Versorgungsteil zu verwenden, der anstelle von Motor-Generator-Bausätzen Festkörper-Wechselrichter enthält. Ein besonderer Vorteil solcher Festkörper-Wechselrichter besteht darin, dass die Anlage in einem weiten Frequenzbereich betreibbar ist.

Entsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Giessen von Metallen zu schaffen, bei welchen bzw. bei welcher Oberflächenunregelmässigkeiten beim Giesserzeugnis sehr klein sind. Hierzu soll der Spalt zwischen dem flüssigen Metall und dem Induktor elektrisch abgetastet und der dem Induktor zugeführte Strom in Abhängigkeit von diesem Abtastwert geregelt werden.

' Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 definierten Merkmale gelöst.

Mit der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, wobei ein Regelungssystem Anwendung findet, welches die Spaltweitenschwankungen während des Betriebs der Giessvorrichtung minim hält. Die Spaltweitenregulierung erfolgt mittels eines Regelkreises, welcher die Stromzufuhr an den Induktor regelt. Der Regelkreis umfasst hierzu eine Schaltungsanordnung zum Abfühlen der Spaltweitenschwankungen und eine in Abhängigkeit davon arbeitende Einrichtung zur Regelung des durch den Induktor fliessenden Stroms, um so die Spaltweitenschwankungen auf einen Kleinstwert zu bringen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Giessvorrichtung nach den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 ein erstes Blockschaltbild einer Regelungsanordnung zu einer erfindungsgemässen Ausführungsform der Giessvorrichtung,

Fig. 3 ein zweites Blockschaltbild einer Regelungsanordnung zu einer erfindungsgemässen Ausführungsform der Giessvorrichtung,

Fig. 4 ein drittes Blockschaltbild einer Regelungsanordnung zu einer erfindungsgemässen Ausführungsform der Giessvorrichtung.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Teile einer elektromagnetischen Giessvorrichtung schematisch gezeigt. Die elektromagnetische Giessvorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem wassergekühlten Induktor 11, einem Kühlmittelverteiler 12 zum Aufbringen von Kühlwasser auf die Um-fangsfläche 13 des gegossenen Metalls C und einer unmagnetischen Abschirmung 14. Während des Giessens wird flüssiges Metall kontinuierlich in die Giessvorrichtung 10 eingeleittet, und zwar normalerweise unter Verwendungeines Eingusstrichters 15 und eines Fallrohrs 16 sowie einer herkömmlichen Metallgusskopf- bzw. -giesssumpfregelung. Der Induktor 11 wird durch Wechselstrom aus einer Stromquelle 17 gespeist, die durch eine Regelungsanordnung 18 gesteuert ist.

Der Wechselstrom erzeugt im Induktor 11 ein Magnetfeld, welches auf den Giesskopf 19 äus flüssigem Metall einwirkt und in diesem Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme wiederum erzeugen zusammen mit dem Magnetfeld Kräfte, welche einen magnetischen Druck auf den Giesskopf 19 aus flüssigem Metall ausüben, um diesen so einzufassen bzw. zu formen, dass er in einem gewünschten Gussstrangquerschnitt erstarrt. Während des Giessens besteht ein Luftspalt d zwischen dem flüssigen Giesskopf 19 und dem Induktor 11. Der Giesskopf 19 wird in der geometrischen Grundform des Induktors 11 geformt oder gegossen, wobei der gewünschte Gussstrangquerschnitt geschaffen wird. Der Induktor kann praktisch jede gewünschte Querschnittskonfiguration haben, insbesondere einen Kreis- oder Rechteck-umriss, wie es zur Erzielung des gewünschten Querschnitts des Gussstrangs C erforderlich ist.

Der Zweck der unmagnetischen Abschirmung 14 besteht darin, eine Feinabstimmung und einen Ausgleich zwischen dem magnetischen Druck und dem hydrostatischen Druck des Giesskopfes 19 herzustellen. Die unmagnetische Abschirmung 14 kann, wie gezeigt, ein separates Element sein oder auch einstückig mit dem Kühlmittelverteiler ausgebildet sein.

Bei Giessbeginn wird ein herkömmlicher Stempel 21 und ein unterer Anfahrkopf 22 in die Magnetfeldzone der Giessvorrichtung 10 eingefahren, damit das flüssige Metall zu Beginn des Giessvorgangs aufgefangen werden kann. Dann werden der Stempel 21 und der Anfahrkopf 22 mit einer vorgegebenen Stranggeschwindigkeit gleichförmig zurückgezogen.

Das Erstarren des flüssigen Metalls, welches in der Vorrichtung 10 magnetisch geführt ist, erfolgt mittels Spritzwasserkühlung, d.h. durch ein Aufbringen von Wasser vom Kühlmittelverteiler 12 auf die Strangumfangsfläche 13. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Wasser innerhalb des Einwirkungsbereichs des Induktors 11 auf die Umfangsfläche 13 gegeben. Das Wasser kann indessen auch oberhalb, innerhalb oder unterhalb des Induktors 11 auf die Umfangsfläche 13 aufgebracht werden.

Im Prinzip kann jede herkömmliche elektromagnetische Giessvorrichtung nach dem Stand der Technik oder andere bekannte Anordnungen dieser Art erfindungsgemäss ausgestaltet werden.

Ein wesentliches Element dieser Erfindimg ist die Regelung des Giessprozesses der Giessvorrichtung 10, um Gussstränge zu schaffen, die einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt über die gesamte Stranglänge besitzen und vorzugsweise aus Kupfer und Kupferlegierungen gebildet werden. Diese Regelung basiert auf den elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Induktors 11, welche durch Messung ermittelt werden und eine Funktion der Spaltweite d zwischen dem Induktor 11 und dessen «Last», welche durch den Gussstrang C und den Giesskopf 19 gebildet werden, sind.

Es hat sich gezeigt, dass die Induktivität des Induktors 11 eine Funktion der Spaltweiste des Luftspalts d ist. Es wurde gefunden, dass die Gleichung (1) eine gute Annäherung der Beziehung zwischen der Induktivität des Induktors und dem Luftspaltabstand liefert:

Li = kd(2Dc-d) (1)

Darin bezeichnet

Lì die Induktivität des Induktors,

D0 den Induktorinnendurchmesser d den Abstand zwischen dem Induktor und dem Gussstrang (Luftspalt)

k einen Faktor, welcher die geometrischen Parameter des Systems berücksichtigt, einschliesslich dem Niveau der Oberfläche 23 des Giesskopfes 19 des flüssigem Metalls, bezogen auf den Induktor 11, die elektrische Leitfähigkeit des zu giessenden Metalls und die Stromfrequenz.

Der Faktor «k» wird empirisch festgelegt, indem die Induktivität für einen bekannten Induktorinnendurchmesser und einen bekannten Abstand zwischen dem Induktor und dem Gussblock gemessen und die Gleichung (1) nach k aufgelöst wird. Der Faktor k verändert sich nicht mit dem Luft4

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spaltabstand d. Er variiert lediglich geringfügig mit der Höhe h der Niveaus 23 und 24, solange das Niveau 23 etwa auf der Höhe der Oberseite des Induktors 11 gehalten wird.

Somit ist es offenbar, dass die Induktivität der Anordnung aus dem Induktor und dem Giessstrang eine Funktion der Spaltweite d darstellt. Das Verhältnis zwischen der Induktivität und der Reaktanz oder dem Blindwiderstand der Anordnung aus dem Induktor und dem Gussstrang ist durch die Gleichung ausgedrückt:

Xi = 2nf L, (2)

Darin bezeichnet

Xi den induktiven Blindwiderstand (Ohm)

Li die Induktivität (Henry)

f die Frequenz (Hertz)

Vom Luftspalt d zwischen dem Induktor 11 und dem Giesskopf 19 ist der Wert der dem Induktor zugeführten Blindleisutng abhängig. Die Grösse des resultierenden induktiven Blindwiderstandes Xi ist eine Funktion der Stromfrequenz f und der Grösse des Luftspaltes d, den Induktorwindungen und der Induktorhöhe. Sowohl der Blindwiderstand Xi als auch die Induktivität Li sind praktisch unabhängig von dem zu giesssenden Metall, verglichen mit dem Wirkwiderstand.

Die Kombination aus Induktor 11 und Last, gebildet aus dem Giesskopf 19, belastet die elektrische Stromzufuhr zum Induktor auch mit einer Wirkkomponente. Die Grösse dieser Wirkkomponente bzw. die Wirklast ist eine Funktion der Geometrie (Grösse) des Induktors 11 und des Giesskopfes 19, sowie der Wirkwiderstände beider Elemente. Die Kombination aus Wirk- und Blindlast ergibt eine Gesamtimpedanz bzw. einen Scheinwiderstand Zi für den Betriebsstrom I. Diese Gesamtimpedanz in Ohm beträgt:

Zi s j/Ri2+(2itf • Li)2 (3)

wobei Zi die Impendanz bzw. der Scheinwiderstand (Ohm); Ri den Wirkwiderstand (Ohm); die Frequenz (Hertz) und Li die Induktivität (Henry) bezeichnet.

Querschnittsveränderungen an der Last, nämlich beim Querschnitt des Giesskopfes 19 aus flüssigem Metall, führen zu Veränderungen der elektrischen Belastung des Induktors 11. Wenn an den Inkuktor 11 gemäss US-PS 4 014 379 eine konstante Spannung angelegt wird, gleicht sich beim betriebsmässig antretenden Einfassvorgang der hydrostatische Druck des Giesskopfes 19 und der magnetische Druck aus, wobei Eigenregelungscharakteristiken auftreten. Demnach führt eine Zunahme an flüssigem Metall zu einer Überwindung des magnetischen Drucks und hat eine Vergrösserung des Giessblockquerschnitts zur Folge. Dadurch wird der Spalt d oder der Abstand zwischen dem Gussstrang und dem Induktor verkleinert und mithin die Imdedanz Zi und die Induktivität Li der Anordnung niedriger. Im US-Patent 4 014 379 wird behauptet, dass dieser Vorgang auf einer Veränderung des Ohm'schen Widerstandes im Zusammenhang mit der zunehmenden Grösse des Gussblocks basiert. Es wird jedoch angenommen, dass nicht der Wirkwiderstand, sondern die Impendanz Zj für die Regelungsbedingungen massgebend sind. Der Induktorstrom Li folgt somit der Gleichung: y

1 - zi <4)

um den Durchmesser des Giesskopfes auf sein ursprüngliches Mass zurückzuführen. In obiger Gleichung bezeichnet: Ii den Strom Vj die Spannung Zi die Impedanz.

Weil es sich um einen dynamsichen Prozess handelt, treten an der sich endgültig ergebenden Gussstrangoberfläche Masshaltigkeitsstörungen oder Wenigkeiten auf. Es wird vorausgesetzt, dass solche Massungenauigkeiten in charakteristischen Zeitintervallen in der Grössenordnung von 1 Sekunde auftreten. Um diesen Effekten durch elektrische Regeleinrichtungen entgegenzuwirken, sollte die Ansprechgeschwindigkeit der Stromquelle 17 und der Regelungsanordnung 18 entsprechend kürzer bzw. schneller sein. Demnach ist eine Ansprechzeit von 100 ms oder kürzer wünschenswert.

Wie vorstehend beschrieben, sind die Induktivität oder der Blindwiderstand des belasteten Induktors 11 Funktionen der Spaltgrösse d. Nach dem US-Patent 4 014 379 wird am Induktor eine konstante Spannung aufrechterhalten und diesen eine von der Höhe der Oberfläche des flüssigen Metalls abhängige Spannung überlagert, um den Induktorstrom zu regeln. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung eine elektrische Leitfahigkeitskomponente der Induk-toranspeisung, welche eine Funktion des Lufstpalts d zwischen dem Giesskopf 19 aus flüssigem Metall und der Innenfläche des Induktors 11 darstellt, abgetastet und ein das Ergebnis repräsentierendes Signal erzeugt. In Abhängigkeit von diesem Signal wird der Ausgang der Stromquelle 17 so geregelt, dass die Frequenz, die Spannung und der Strom erlauben, den Spalt d im wesentlichen konstant zu halten.

Der prinzipielle Faktor zur Erzeugung des elektromagnetischen Drucks ist der in dem Induktor 11 fliessende Strom. Dieser Strom ist eine Funktion der angelegten Spannung und der Impedanz des belasteten Induktors, welche wiederum eine Funktion der Frequenz und der Induktivität ist. Nach der Erfindung ist es möglich, den Strom durch Verändern der Spannung der Stromquelle 17 bei konstanter Frequenz zu regulieren oder eine Veränderung der Frequenz der Stromquelle, 17 bei konstanter Spannung vorzunehmen, oder sowohl Frequenz als auch die Spannung der Stromquelle 17 zu verändern.

In den Fig. 1 und 2 ist als Beispiel eine Regelungsanordnung 18, nachfolgend vereinfacht Regelkreis genannt, zur Regelung der elektromagnetischen Giessvorrichtung 10 gezeigt. Der Zweck des Regelkreises besteht darin, sicherzustellen, dass der Spalt d im wesentlichen konstant gehalten wird, so dass, wenn überhaupt, nur geringe Spaltschwankungen stattfinden. Durch Kleinhaltung jeglicher Spaltweitenschwankungen werden Massungenauigkeiten an der Oberfläche 13 des Giessstrangs C auf einen Kleinstwert gesetzt.

Der Induktor 11 ist mit einer elektrischen Stromquelle 17 verbunden, welche den erforderlichen Strom bei einer gewünschten Frequenz und Spannung leifert. Eine übliche Stromquelle kann in zwei Schaltkreise 25 und 26 unterteilt betrachtet werden. Ein externer Inverter, vorzugsweise einen Solid-State-Generator enthaltender Schaltkreis 25 liefert eine elektrische Spannung an einen Resonanzkreis 26, welcher den Induktor 11 einschliesst. Dieser Schaltkreis 26 wird mit Ausnahme des Induktors 11 auch als Heat-Station bezeichnet und umfasst Elemente wie Kondensatoren und Transformatoren.

Der als Solid-State-Inverter gestaltete Schaltkreis 25 wird deshalb bevorzugt, weil er es möglich macht, einen variablen Frequenzausgang über einen angemessenen Frequenzbereich zu schaffen. Dies wiederum macht es möglich, die Eindringtiefe des Magnetfeldes in die Last, wie eingangs beschrieben, zu regeln. Beide Elemente, sowohl der Solid-State-Inverter 25 als auch der Resonanzkreis 26 oder die Heat-Station können herkömmlich aufgebaut sein. Die Stromquelle 17 ist mit einer Eingangs-Gleichspannungsregelung versehen, um die Spannungs- und Frequenzanpassungsabschnitte der Stromquelle zu trennen.

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Änderungen der elektrischen Parameter der Anordnung aus dem Induktor 11 und dem Giesskopf werden abgetastet, um Änderungen im Spalt d festzustellen. Jeder Parameter oder irgendein Signal, welcher/welches von der Spaltweite d abhängt, könnte abgetastet werden. Vorzugsweise wird der Blindwiderstand des Induktors 11 und seiner Last als Regelparameter verwendet, im vorliegenden Fall insbesondere die Induktivität des Induktors und seiner Last. Beide Parameter sind eine Funktion der Spaltweite zwischen dem Induktor 11 und dem Giesskopf 19. Es können aber auch andere, von der Spaltweite abhängige Parameter verwendet werden, z.B. die Impedanz und die Leistung. Jedoch ist die Verwendung der Impedanz weniger erwünscht, da diese auch eine Funktion der Wirkwiderstandsbelastung ist, welche sich mit dem Durchmesser der Last (des Giesskopfs) in einer allgemein komplexen Weise ändert.

Gemäss Fig. 2 kann der Blindwiderstand des Induktors 11 und des Giesskopfs 19 durch eine Messung der 90° zum Strom phasenverschobenen Spannung am Induktor 11 abgetastet und dieses Signal kann durch den im Induktor fliessenden Strom dividiert werden. Bei einer Betriebsweise mit fester Frequenz ist der Blindwiderstand direkt proportional zur Induktivität, wie aus der vorstehenden Gleichung (2) hervorgeht. Somit ist bei der Betriebsweise mit fester Frequenz der gemessene Blindwiderstand eine Funktion der Spaltweite d gemäss Gleichung (1). Wenn die Frequenz während des Betriebs nicht fest ist, wird vorzugsweise die Induktivität des Induktors 11 und seiner Last 19 durch Dividieren des Blindwiderstandes durch einen Faktor mit 2nf bestimmt.

Der in Fig. 2 abgebildete Regelkreis 18 ist im Prinzip auf eine Anordnung anwendbar, in welcher die Frequenz der Stromquelle 17 während des Betriebs stabil gehalten wird. Somit ist es bei diesem Regelkreis 18 lediglich notwendig, eine Veränderung im Blindwiderstand des Induktors 11 und der Last 19 zu messen, um das eine Änderung der Spaltweite d anzeigende Signal zu erhalten.

Die Ausgangs wellenform der Stromquelle 17 enthält Oberschwingungen. Die Amplituden dieser Oberschwingungen, bezogen auf diejenigen der Grundfrequenz, hängen von vielen Faktoren ab, insbesondere von der Art des Gussstrangs und dessen Durchmesser und den Kennwerten der Bauteile der Stromquelle (z.B. des Impedanz-Anpassungs-Transformators). Die Messung elektrischer Parameter während des Betriebs sollte vorzugsweise bei der Grundfrequenz vorgenommen werden, um so Fehler aus der Miterfassung von Oberschwingungen auszuschliessen.

Ein Stromtransformator 27 fühlt den Strom im Induktor 11 ab. Ein den Strom in Spannung umsetzendes Widerstandsnetzwerk 29 erzeugt eine korrespondierende Spannung. Diese Spannung wird einem PLL-Schaltkreis 30 zugeführt, welcher auf der Stromgrundschwingung «verriegelt» ist und zwei sinusförmige Phasenreferenzausgänge erzeugt, mit Phasenwinkeln von 0° und 90° bezüglich der Stromgrundschwingung. Ein Gleichrichter 31 ist mit dem 0°-Pha-senreferenzausgang verbunden und liefert das Grundfrequenzsignal. Der 90°-Phasenreferenzausgang liegt am Gleichrichter 28, welcher das Grundspannungssignal entsprechend dem induktiven Blindwiderstand liefert.

Die Spannungssignale von den Gleichrichtern 28 und 31, welche genau aufeinander abgestimmt sind, werden dann einem Analogspannungsteiler 32 zugeführt, in dem die Spannung vom Gleichrichter 28 durch die Spannung vom Gleichrichter 31 geteilt wird, um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches proportional zum Blindwiderstand des Induktors 11 und der Last 19 ist. Das Ausgangssignal des Spannungsteilers 32 wird an den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 33, der linear arbeitet, angelegt. Der nichtin-vertierende Eingang des Verstärkers 33 ist mit einer einstellbaren Spannungsquelle 34 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 33 wird an einen Fehlersignalverstärker 35 geführt, um ein Spannungs-Fehlersignal zu erzeugen, welches an den externen Schaltkreis 25 der Stromquelle gelegt wird, um für diesen eine Rückkopplungsregelung zu schaffen. Der Verstärker 35 enthält vorzugsweise auch Frequenzkompensationsschaltkreise zur Einstellung des dynamischen Verhaltens der gesamten Rückkopplungsschleife.

Das Fehlersignal vom Differentialverstärker 33 variiert proportional zu den Schwankungen des Blindwiderstandes des Induktors 11 und der Last 19 und enspricht auch in seiner Richtung oder Polarität der Änderungsrichtung des Blindwiderstandes. Die einstellbare Spannungsquelle 34 bildet ein Mittel zum Einstellen der Spaltweite d auf einen gewünschten Sollwert. Die Regelungsanordnung 18 dient dazu, um die Schwankungen der Spaltweite d auf einen Wert gegen Null zu steuern. Die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene Regelungsanordnung 18 ist grundsätzlich für eine Betriebsart mit einer fest eingestellten Frequenz einsetzbar.

Anstelle des PLL-Schaltkreises 30 können auch andere Filterkreise verwendet werden, um die Grundfrequenzkomponente herauszusieben. Beispielsweise könnten sowohl die Strom- als auch die Spannungsschwingungen bei 0° und 90°, bezogen auf eine willkürliche Phasenreferenz, untersucht werden, z.B. so, wie sie vom Inverter-Treiberkreis der Stromquelle 17 abgenommen werden können. Die phasengleichen (0°) und die um 90° versetzten Komponenten können dann vektoriell kombiniert werden, um zur Grundfrequenz und zum Induktorstrom proportionale Spannungen zu erzeugen.

Die Schaltung nach Fig. 2 kann nach Fig. 3 abgewandelt werden. In Fig. 3 sind gleich wie in Fig. 2 arbeitende Schaltungselemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der Regelungsanordnung 18' nach Fig. 3 wird die Frequenz des dem Induktor 11 zugeführten Stromes abgetastet und über einen an den Ausgang des Strom-Spannungswandlers 29 angeschlossenen Frequenz-Spannungswandler 36 ein dazu proportionales Spannungssignal erzeugt. Der Ausgang des Wandlers 36 wird mittels eines bistabilen Multivibrators 37 genau auf den Ausgang des Analog-Spannungsteilers 32 abgestimmt. Ein zweiter Analog-Spannungsteilers 38 ist zur Teilung des Ausgangs des ersten Spannungsteilers 32 durch die anteilmässige Spannung vom Frequenz-Spannungswandler 36 vorgesehen. Das Ausgangssignal des zweiten Analog-Spannungsteilers 38 entspricht etwa der Induktivität des Induktors 11 und der Last 19 und erlaubt dadurch auch einen Betrieb der Regelanordnung 18' mit variabler Frequenz.

Die Funktionsweisen der vorstehend beschriebenen Regelungsanordnungen 18 und 18' wurden unter Verwendung von Analogschaltkreisen realisiert. Gewünschtenfalls kann jedoch nach der Erfindung eine noch grössere Regelungs-flexibilität erzielt werden, wenn ein digitales Regelungssystem 18" verwendet wird, wie es anhand des Blockschaltschemas nach Fig. 4 beispielhaft dargestellt ist. Die Stromquelle 17 einschliesslich des externen Schaltkreises 25 und des Resonanzkreises 26 sind im wesentlichen genauso aufgebaut wie anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform wird ein Differentialverstärker 39 zum Abgreifen der Spannung am Induktor 11 verwendet. Zum Messen des Stroms im Induktor 11 wird ein Stromwandler 27 eingesetzt. Der Ausgang des Differentialverstärkers 39 ist an einen Filterkreis F gelegt, welcher die Grundfrequenz heraussiebt. Der Ausgang des Filters F ist an einen Frequenz-Spannungswandler 40 angelegt. Das Ausgangssignal des Frequenz-Spannungswandlers 40 ist ein be-triebsstromfrequentes Signal f. Der Ausgang des Differentialverstärkers 39 ist auch als ein Eingang eines Wirkleistungs-

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messers 41 ausgeführt. Der andere Eingang zum Wirkleistungsmesser 41 ist das Stromsignal, welches vom Stromwandler 27 abgegriffen und durch den Filter F', welcher die Grundfrequenz aussiebt, ausgefiltert wurde. Der Wirkleistungsmesser 41 liefert Ausgangssignale proportional zur Effektivspannung V, dem Effektivstrom I und der Wirkleistung kW, die dem Induktor 11 zugeführt wird.

Das Frequenzausgangssignal f vom Wandler 40 und die Signale Spannung V, Strom I und Leistung kW vom Wirkleistungsmesser 41 werden an einen Analog/Digitalkonverter 42 geliefert, welcher diese Signale in eine digitale Form umwandelt. Der Ausgang des Analog/Digitalkonverters ist an einen Computer 43 angeschlossen, beispielsweise an einen Minicomputer oder Mikroprozessor, z.B. einen mit der Typenbezeichnung PDP-8 mit Dec Pack, wie er von der Digital Equipment, Inc. hergestellt wird. Der Computer 43 ist auf die Verarbeitung der Signale der Frequenz f, der Spannung V, des Stromes I und der Leistung kW programmiert, welche ihm zugeführt werden, um die entsprechenden Signale Schemleistung kVA, Phasenwinkel 0, Impedanz Z, Blindwiderstand X und Induktivität L zu berechnen. Der Computer kann programmiert sein, um diese Parameter unter Verwendung der folgenden Beziehungen zu berechnen:

kVA=V• I, ©=COS_l.

[kVA )

Z = V/1; X = Z • sind 0

und L=X/(2ïcf)

Jede der vorgenannten Beziehungen ist bekannt und erlaubt die Errechnung der Induktivität der Induktor-Last während des Betriebs. Nach der Berechnung der Induktivität durch den Computer 43 berechnet er die Spaltweite dc unter Anwendung der vorgenannten Formel (1). Der Computer 43 vergleicht dann den errechneten Spalt dc mit einem in seinem Speicher vorgegebenen Sollspalt d und erzeugt ein vorprogrammiertes Fehlersignal entsprechend der Differenz zwischen d und dc. Das Fehlersignal wird dann an einen Digital/ Analogkonverter 44 geführt, wo es in eine analoge Form umgewandelt wird. Ein Ausgangssignal des Digital/Analogkonverters 44 wird an einen Spannungsregler 45 und ein anderes Ausgangssignal dieses Konverters an einen Frequenzregler 46 angelegt. Die Ausgänge des Spannungs- und des Frequenzreglers 45 bzw. 46 werden jeweils zur Stromquelle 17 geleitet, damit sie die Fehlersignale an diese zurückkoppeln, um den Strom im Induktor zur Kompensation der Spaltschwankungen so zu verstellen, dass die Schwankungen gegen Null tendieren.

Die vorstehend beschriebene Regelungsanordnung 18" kann in jeder der drei Betriebsarten arbeiten. Sie kann bei einer festen Frequenz betrieben werden, wobei lediglich die Spannung verändert wird, um den im Induktor 11 fliessenden Strom zu verstellen. In dieser Betriebsart würde der Frequenzregler 46 ausgeschaltet bleiben und es ist eher denkbar, ein Korrektur- oder ein Fehlersignal vom Wert des Blindwiderstandes X zu errechnen, als die Induktivität L zu berechnen, da diese direkt proportional sein würde.

Die Regelungsanordnung 18" gemäss Fig. 4 kann auch bei einer festen Spannung betrieben werden, wobei lediglich die Frequenz zur Regelung des Induktorstromes variiert wird. Bei dieser Betriebsart würde der Spannungsregler 45 ausser Betrieb bleiben und nur der Frequenzregler würde ein Fehlersignal an die Stromquelle liefern. Schliesslich kann mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltung sowohl die Frequenz als auch die Spannung variiert werden, um den Strom im Induktor 11 zu regeln. Bei dieser Betriebsart wären dann der Spannungsregler 45 und der Frequenzregler 46 in Betrieb.

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Während die Arbeitsweise der Regelungsanordnung 18" gemäss Fig. 4 unter Bezugnahme auf einen Vergleich einer bestimmten Spaltweite mit einer vorgegebenen Spaltweite zur Erzeugung eines Fehlersignals erläutert wurde, könnte diese Regelungsanordnung auch in einer ähnlichen Weise betrieben werden, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Beispielsweise könnte die Anordnung anstelle des Berechnens der ermittelten Spaltweite lediglich den erfas-sten Blindwiderstand oder die Induktivität nach den vorgenannten Gleichungen berechnen und diese Rechenwerte des Blindwiderstandes oder der Induktivität mit einem bestimmten, jeweils eingestellten Wert vergleichen und ein vorprogrammiertes Fehlersignal in Abhängigkeit von der Veränderung des vorgewählten Wertes erzeugen. Diese Methode würde weniger Rechenvorgänge erfordërn äls bei einer Errechnung des Wertes der ermittelten Spaltweite.

Die Regelungsschaltung 18" nach Fig. 4 ist wegen der hohen Geschwindigkeit, mit der die Berechnungen durchgeführt und die Korrektursignale vom Computer 43 erzeugt werden können, begehrt sowie auch wegen des hohen Masses an Feinfühligkeit und Flexibilität, das der Einsatz des digitalen Schaltungsaufbaus und der Computerprogrammierung mit sich bringt.

Zwar wird für das Heraussieben der Grundfrequenz des abgegriffenen Signals ein PLL-Schaltkreis 30 zum Einsatz als Filter F und F' bevorzugt, es kann aber auch jede andere gewünschte Filterschaltung für diesen Zweck Verwendung finden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 kann ohne Abfühlen der Lage der Oberfläche 23 des flüssigen Metallgusskopfes 19 betrieben werden. Dies liegt daran, dass die verwendeten Parameter Funktionen der Spaltweite d sind, welche nicht merklich durch die Höhe h des Giesskopfes 19 aus flüssigem Metall beeinträchtigt werden. Man kann jedoch, falls zum Zwecke der Feinabstimmung des Betriebs der Anlage 10 gewünscht, das Niveau 23 des flüssigen Giesskopfes 19 in derselben Weise abtasten, wie im US-PS 4 014 379 angegeben, um ein Signal entsprechend der ermittelten Höhe zu erzeugen. Dies kann unter Verwendung des linearen Messwandlers 47 nach Fig. 4 erfolgen, wie z.B. dem von der Trans-Tek, Inc. hergestellten Modell 350. Der Ausgang des Messwandlers 47 wird dann an den Analog/Digital-Konver-ter 42 angelegt, welcher das Analogsignal in ein digitales umwandelt. Das digitale, der Höhe des flüssigen Giesskopfes 19 entsprechende Siganl wird dann durch den Computer 43 mit einem vorprogrammierten Sollwert verglichen und es wird ein mit der Differenz zwischen den erwähnten Werten korrespondierendes Signal vom Computer erzeugt. Der Computer 43 fasst dann sein Fehlersignal bezüglich der Spaltveränderung und sein Fehlersignal hinsichtlich der Giesskopf-höhenänderung zusammen und erzeugt ein kombiniertes Fehlersignal, welches zur Regelung an die Stromquelle 17 in derselben Weise wie vorstehend beschrieben, gelegt wird. Während eingangs die Last als Gussstrang bezeichnet wurde, könnte diese Last auch jede andersartige Körperform von kontinuierlich oder semikontinuierlich behandelten Stangen, Schienen usw. besitzen.

Wo der Ausdruck Induktordurchmesser in dieser Anmeldung Verwendung gefunden hat, kann er für nicht kreisförmige Induktoren 11 durch einen virtuellen Induktordurchmesser ersetzt werden. Der virtuelle Induktordurchmesser wird berechnet, indem die von dem Induktor 11 umgrenzte Fläche gemessen wird und dann von dieser gemessenen Fläche ein «äquivalenter» Durchmesser berechnet wird, als würde es sich um einen kreisförmigen Induktor handeln.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf Kupfer und Kupferlegierungen erläutert wurde, wird davon ausgegangen, dass die vorstehend beschriebene Anlage und das

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Verfahren ein weites Anwendungsgebiet von Metallen und Legierungen umfasst, wie z.B. Nickel und Nickellegierungen, Stahl und Stahllegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen usw.

Das Programmieren des Computers 43 und seines Speichers kann in einer herkömmlichen Weise erfolgen, mithin bildet eine solche Programmierung keinen Bestandteil der Erfindung.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum elektromagnetischen Giessen von Metall, gekennzeichnet durch

   - elektromagnetisches Bündeln und Formen von flüssigem Metall zu einem gewünschten Profil durch einen Induktor (11), der zum Beaufschalgen des flüssigen Metalls (19) mit einem Wechselstrom-Magnetfeld dient, wobei das flüssige Metall betriebsmässig über einen Spalt im Abstand (d) vom Induktor (11) gehalten wird, welcher Spalt sich von der Oberfläche des flüssigen Metalls zur benachbarten Induktoroberfläche erstreckt,

   - elektrisches Abfühlen der Spaltweitenschwankungen und Regeln des an den Induktor (11) gelegten Speisestroms, um so die Spaltweitenschwankungen auf einen Kleinstwert zu bringen, wobei das elektrische Abfühlen der Spaltweitenschwankungen durch Bestimmung eines elektrischen, mit der Spaltgrösse variierenden Blindwertparameters des Induktors erfolgt und dabei ein Fehlersignal erzeugt wird, dessen Wert eine Funktion der Differenz zwischen dem Wert des bestimmten elektrischen Blindwertparameters und einem vorbestimmten Parameterwert darstellt, wobei die Regelung der Stromstärke in Abhängigkeit vom Fehlersignal erfolgt, dessen Istwert dem Wert Null zustrebt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des elektrischen Blindwertparameters die Induktorspannung und der Induktorstrom gemessen und jeweils ein korrespondierendes Signal erzeugt wird, wobei der elektrische Blindwertparameter den Blindwiderstand des Induktors enthält und die Bestimmung dieses elektrischen Parameters durch Auswerten des Spannungssignals, welches ein phasenabhängiges Spannungssignal ist, das mit dem Betrag der um 90° zum Stromsignal phasenverschobenen Spannung korrespondiert, und Dividieren des phasenabhängigen Spannungssignals durch das Stromsignal erfolgt, um ein dem Blindwiderstand entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des elektrischen Blindwertparameters die Spannung und der Strom im Induktor gemessen und ein korrespondierendes Signal erzeugt wird, dass der elektrische Blindwertparameter eine Induktivität enthält, und dass die Bestimmung dieses elektrischen Parameters durch Auswerten des genannten Spannungssignals erfolgt, wobei ein phasenabhängiges Spannungssignal entsprechend des Wertes der um 90° zum Stromsignal phasenverschobene Spannung erzeugt wird, und Dividieren des phasenabhängigen Spannungssignals durch das genannte Stromsignal, um ein dem Blindwiderstand des Induktors entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen, dass die Frequenz des im Induktor fliessenden Stromes gemessen und ein entsprechendes Signal erzeugt wird; und dass schliesslich das Blindwertsignal durch das Frequenzsignal dividiert wird, um ein der Induktivität des Induktors entsprechendes Signal zu erzeugen.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des im Induktor fliessenden Stromes gemessen und ein entsprechendes Signal erzeugt wird; und dass schliesslich das Blindwertsignal durch das Frequenzsignal dividiert wird, um ein der Induktivität des Induktors entsprechendes Signal zu erzeugen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfrequenz des Spannungs- und Stromsignals vor dem erstgenannten Dividieren ausgesiebt wird.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

   - eine Einrichtung (10) zum elektromagnetischen Bündeln und Formen von flüssigem Metall und zur Formung dieses flüssigen Metalls zu einem gewünschten Profil, mit einem Induktor (11) zum Beaufschlagen des flüssigen Metalls mit einem Magnetfeld,

   - eine Wechselstrom an den Induktor (11) legende Stromquelle (17) zur Erzeugung des Magnetfeldes, welches das flüssige Metall betriebsmässig unter Ausbildung eines Spaltes (d) im Abstand von der Induktorfläche entfernt hält,

   - eine weitere Anordnung (18,18', 18") zur Minimierung von Spaltweitenschwankungen während des Betriebs der Vorrichtung, mit einer die Stromquelle (17) steuernden Regelungsschaltung, umfassend einen Schaltkreis zum Abfühlen von Spaltweitenschwankungen und eine auf diesen Schaltkreis ansprechende Einrichtung zur Regelung des durch den Induktor fliessenden Stroms, um so die Spaltweitenschwankungen auf einen Kleinstwert zu bringen, wobei der Schaltkreis zum Abfühlen von Spaltweitenschwankungen eine Einrichtung zur Bestimmung eines elektrischen, mit der Spaltgrösse variierenden Blindwertparameters des Induktors aufweist und ferner eine auf diese Bestimmungseinrichtung ansprechende weitere Einrichtung zum Erzeugen eines Fehlersignals, dessen Betrag eine Funktion der Differenz zwischen dem Wert des bestimmten elektrischen Parameters und eines vorbestimmten Parameterwerts darstellt und wobei die auf den Schaltkreis zum Abfühlen von Spaltweitenschwankungen ansprechende Einrichtung eine auf das Fehlersignal ansprechende Anordnung zur Regelung des im Induktor fliessenden Stroms aufweist, um so das Fehlersignal auf Null zu bringen.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Blindwertparameter den Blindwiderstand des Induktors einschliesst.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Blindwertparameter die Induktivität des Induktors einschliesst.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung des elektrischen Blindwertparameters des Induktors eine Anordnung zum Abtasten der Spannung und des Stroms im Induktor und zum Erzeugen dazu korrespondierender Signale und ferner eine phasenabhängig arbeitende Anordnung umfasst, welche das Spannungssignal empfängt, um ein phasenabhängiges Spannungssignal korrespondierend zum Betrag der um 90° zum Stromsignal phasenverschobenen Spannung zu erzeugen und eine weitere Anordnung zum Teilen des phasenabhängigen Spannungssignals durch das Stromsignal zur Erzeugung eines etwa dem Blindwiderstand entsprechenden Ausgangssignals aufweist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis zum Abfühlen der Spaltweitenschwankungen einen Computer zur Berechnung der Induktivität des Induktors und der Spaltweite aufweist, und dass die Einrichtung zur Erzeugung des Fehlersignals diesen Computer umfasst, um die berechnete Spaltgrösse mit einer vorprogrammierten Spaltgrösse zu vergleichen, und um ein vorprogrammiertes Fehlersignal abhängig von der Differenz zwischen der berechneten und der vorprogrammierten Spaltgrösse zu erzeugen.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bestimmung des elektrischen Blindwertparameters eine erste Anordnung umfasst, welche ein Signal einer um 90° zum Stromsignal phasenverschobenen Spannung erzeugt, dass eine zweite Anordnung zum Teilen dieses Spannungssignals durch das Stromsignal vorhanden ist, um ein zum Blindwiderstand des Induktors etwa proportionales Ausgangssignal zu erzeugen, dass eine Einrichtung zum Abtasten der Frequenz des Induktorstromes

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    und zur Erzeugung eines entsprechenden Signals vorhanden ist, und schliesslich eine weitere Anordnung zum Dividieren des Blindwertsignals durch das Frequenzsignal, um ein etwa der Induktivität des Induktors entsprechendes Signal zu erzeugen.