SE457018B - Saett och anordning foer kontroll av en i en turbulent vaetskestroem foerloepande, heterogen, diffusionskinetisk omvandlingsprocess - Google Patents

Description

457 018 2 vid de industriella processer där dessutom processen skall brytas. Ett speciellt problem uppstår vid prov av andelen av komponenter, som förekommer i små mängder.

I dessa fall bildar provtagningen på känt sätt en del av provet, varvid de från flera prov erhållna resultaten skall beräknas genom statistiska metoder - enbart ett större antal prov kan säkerställa tillförlitliga mätresul- tat, eftersom i ett prov den andel som skall bestämmas kan avvika betydande från det verkliga genomsnittsvärdet.

En annan grupp av kända lösningar innebär förfaran- den, varvid en parameter sökes, vilken indirekt lämnar uppgift om utvecklingen, exempelvis om omvandlingens hastighet, varvid i allmänhet en parameter utväljes, som på bestämt sätt ändras med koncentrationen. Som sådan kan nämnas trycket, temperaturen, färgen eller tonen. Informationen kan på detta sätt erhållas relativt snabbt, dock är den antingen onoggrann eller inte helt komplett och dessutom otillräcklig för att användas som tillförlitlig grund för en reglerprocess. Vid bessemer- stàlframställning vid närvaro av syre har ett kontroll- förfarande föreslagits (Baptizmanski, V. I. u. a., IWUZ, Tschornaja Metallurgija, 1982, 2, S. till 38), varvid en akustisk kontroll anordnas för styrning. Enligt det föreslagna förfarandet kommer det akustiska fenomenet vid inblàsning av syre i stålbadet att avkännas. näm- ligen kommer den karakteristiska nivån för bullertrycket att avkännas. En spràngvis ökning av gbullertrycksnivàn uppträder om det'pà stålbadets yta liggande slaggskiktet blir så tätt, att inblåsning av ytterligare syre upphör.

För att kunna förhindra utvecklingen av skadliga, se- kundära processer är det praktiskt omöjligt att utvinna information om förfarandets repeterbarhet, pà grund av den andel kol som skulle kunna stängas in i badet, och närmare bestämt med ett accepterbart fel.

Uppfinningen har som ändamål att åstadkomma ett sätt och en anordning, varvid man utan provtagning genom 457 018 3 indirekt provning kan utvinna tillförlitliga koncentra- tionsdata vid den i en turbulent vätskeström förlöpande, heterogena, diffusionskinetiska omvandlingsprocessen.

Uppfinningen bygger pà den insikten att det vätske- buller, som härrör frán i den turbulenta vätskeströmmen alltid förekommande bubblornas (äng-, gas- eller kavita- tionsbubblor) svängningar, är särskiljbart med en sådan föränderlig, spektral sammansättning, som förblir i en entydig sammansättning med storleken på den turbulenta diffusionskoefficienten, vilken är karakteristisk för omvandlingen. Om värdet pà den turbulenta diffusions- koefficienten Dturb ökas under den i den turbulenta vätskeströmmen àstadkomna omvandlingen kan man sluta sig till att en karakteristisk ändring av vätskebullrets kontinuerliga spektrum äger rum. Ändringen består däri att vid verkligt täckt frekvensband förhållandet mellan det energiinnehåll som kan tillordnas ett frekvensområde under en frekvensnivå och det energiinnehåll som kan tillordnas ett område över denna nivå ökas. Insikten kan även formuleras pà sådant sätt, att amplituderna för komponenterna från högre frekvenser ökar i förhållande till komponenterna från lägre frekvenser vid ökningen av värdet på den turbulenta diffusionskoefficienten.

Det betyder att det i tiden ändringsbara spektrat kan tillordnas en tidsfunktion - antag funktionen R(t) - som står i ett monotont stigande funktionellt förhållande till den turbulenta diffusionskoefficienten. Användningen av denna insikt underlättar beräkningen på känt sätt av de karakteristiska, aktuella koncentrationerna vid de heterogena, diffusionskinetiska, i en turbulent vätske- ström förlöpande omvandlingsprocesserna med hjälp av de kända, aktuella värdena för den turbulenta diffusions- koefficienten. Dessutom skall startkoncentrationen, förhållandet mellan den vid stället för omvandlingen bildade ytans storlek och tiden och/eller koncentrationen, om den sistnämnda inte är konstant, vid vilken genom ett jämviktstillstánd särskiljbar omvandling de jämvikts- 457 018 4 koncentrationen bestämmande datana, och vidare storleken på den i hastighetsutjämningen hos omvandlingen uppträ- dande konstanten, vara kända. Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en teknisk lösning under utnyttjande av ovan gjorda insikt, varvid kontrollen av den i en turbulent vätskeström förlöpande, heterogena, diffusionskinetiska omvandlings- processen kan genomföras med hjälp av analysen av den bullereffekt, som åtföljer vätskeströmmen. Med andra ord består ändamålet i att åstadkomma ett sätt och en anordning, varmedelst realtidskontrollerna av olika, kända processer kan säkerställas om man känner till startvärdena för koncentrationen samt data för de aktiva operationerna i omvandlingen (t ex tillföringen av aktivt material).

Detta ändamål löses med ett sätt och en anordning, varvid sättet består i att ett akustiskt förlopp eller vibrationsförlopp, som härrör från svängningarna från de bubblor, som förekommer i den turbulent strömmande vätskan, registreras, varvid en akustisk avkännings- signal bildas och omvandlas till en ebektrisk signal.

Sättet kännetecknas av att avkänningssignalens spektrala sammansättning bestämmes ur den elektriska signalen; och att den elektriska signalen utnyttjas som en för det relativa momentvärdet för den turbulenta diffusions- koefficienten karakteristisk mätsignal för indirekt realtidskontroll av omvandlingen.

Avkänningen kan åstadkommas såväl med en mikrofon som med en bullermätare (Körperschallmesser ). Avkän- ningen av vibrationerna medelst kroppsljudmätaren är mer fördelaktig, när frekvensområdet för vätskebullret inte överensstämmer med bandet för de hörbara tonerna och den är en förutsättning om vätskan anbringas i vakuum, eftersom den bullereffekten ledande gasatmosfären saknas i detta fall.

Bullernivåns förhållande till signalniván, vilket bestämmer registreringens effektivitet kan förbättras på konstgjord väg genom framkallande av bubblor. Därtill 457 018 kan t ex ett kapilläraktivt material eller fast, vid temperaturen i vätskan förångningsbart material i pulver- form eller en inblåsbar gas användas.

Den signal som återspeglar den spektrala samman- sättningen kan åstadkommas på mánga'sätt ur den åvkända signalen. En speciellt fördelaktig möjlighet innebär att en referensfrekvens utväljes i det den avkända signa- len täckande spektrumomrádet, varvid spektrat delas upp i två områden. I ett av delområdena och i hela avkän- ningsområdet eller i båda bestäms motsvarande effektiv- värden eller medelvärden och vart och ett delas med varandra. I allmänhet utväljes det ovanför referensfrekvensen liggande spektrumområdet och motsvarande värde jämföres med det till det totala spektrumområdet hörande värdet.

Resultatet ger att ökande förhållande innebär ökning av den turbulenta diffusionskoefficienten Dturb.

Vid en ytterligare fördelaktig utföringsform av sättet enligt uppfinningen bibringas den avkända signalen en spektraltransformation innan bildandet av effektiv- värdet eller medelvärdet. Spektraltransformationen kan omfatta bortfiltreringen av bullret och består i att bullret tas bort (bortfiltreras) ur spektrat i ett eller flera utvalda områden av spektrat. Spektraltransformationen kan åstadkommas på känt sätt medelst en serie smalbands- filter, en spektrumanalysator, en till en A/D-omvandlare kopplad dator osv.

Anordningen enligt uppfinningen består i att serie- koppla en med en akustisk princip arbetande avkännings- enhet, en förstärkare, en signalbearbetningsenhet och en räkneenhet. Anordningen kännetecknas av att signalbear- betningsenheten är försedd med dels en strömkrets, som delar upp förstärkarens utsignal i spektralomràden, som bestämmer till de sistnämnda hörande effektivvärden eller medelvärden och deras förhållande, dels en divisions- enhet, varmed förhållandet mellan dessa värden bestämmes.

Anordningen enligt uppfinningen är fördelaktig om signalbearbetningsenheten förses med en strömkrets, som omformar den i förstärkaren upptagna signalen i olika spektralomrâden. 457 018 6 I signalbearbetningsenheten är det fördelaktigt att vid behov för bestämningsuppgifterna anordna en eller flera multipliceringsenheter ingângsfilter, såsom smalbandsfilter eller högpassfilter och làgpassfilter, en summerare samt komponenter för bestämning av effektiv- värdet eller medelvärdet i två seriekopplingar, varvid seriekopplingarnas utgångar är kopplade till en delar- enhet, vilken som mätsignal bestämmer tidsfunktionens R(t) momentanvärden. Multipliceringsenheterna användes för genomförande av spektraltransformationen. _ Det är fördelaktigt att förse räkneenheten med ingångar för vidare matning av fasta värden, justerings- data och realtidsdata.

Med hjälp av sättet och anordningen enligt uppfin- ningen är det möjligt att genomföra kontrollerna av den heterogena, diffusionskinetiska omvandlingen under verklig tid i sådana turbulent flytande vätskor, vid vilka den direkta avkänningen inte går att genomföra.

Därför är de speciellt fördelaktiga vid lösningen av regleringsuppgifter i stálproduktionen, vid kontrollen av svavelhalten i râjärn samt vid styrning av regle- ringsfunktionerna och ingrepp för säkerställande av svavelhalten i ett förbestämt område.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan med hjälp av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar.

Fig l visar ett möjligt utseende på den genom sättet enligt uppfinningen bearbetade signalen.

Fig 2 visar ett blockschema över anordningen enligt uppfinningen.

Fig 3 visar en fördelaktig utföringsform av den i signalbearbetningsenheten åstadkomma strömkretsen.

Fig 4 visar en annan fördelaktig utföringsform av den i signalbearbetningsenheten anordnade strömkretsen.

Det är speciellt fördelaktigt att utnyttja sättet enligt uppfinningen vid stàlframställning. Därvid består en av de möjliga uppgifterna i att bestämma den optimala 457 018 7 gjuttiden och därjämte kontroll av en process, varvid ett pulvriserat legeringsmaterial skall införas och upplösas i det genom induktionsblandning i turbulent strömning hållna stàlbadet. Gjutningen av stålet i formarna kan påbörjas vid en bestämd, exempelvis 99% uppnádd nivå av upplösningen. Lösningen bildar ett diffusionskine- tiskt förlopp. Det buller som följer av vätskeströmningen avkännes medelst en bullermätare, som fästes på manteln av täckplattan för det kärl som uppbär stàlbadet och registrerar akustiska svängningar upp till 16 kHz. Ur det genom mätningen erhållna spektrat filtreras först bullret orsakat av nätfrekvensen bort, vilket betyder att en del av spektrat upp till 100 Hz tas bort och därigenom kan inflytandet från strömomvandlarna i den induktiva blandarenheten uteslutas. Så erhålles en funk- tion y = y(x) under ett moment av mätningen, som exem- pelvis kan likna den i fig 1 visade funktionen, varvid y avser amplituden och x frekvensen. I fig l är f = 100 Hz den undre frekvensgränsen för det uppskattade spektrat, F = 16 kHz den övre frekvensgränsen för spektrat och H = 5 kHz är referensfrekvensen. Den sistnämnda bestämmer i spektrat två delområden Tl och T2 med i tiden föränd- ringsbara effektivvärden. Sättet består i att de funk- tioner y = y(x, ti) som hör till på varandra följande tidpunkter ti analyseras, varvid förändringarna i processförloppet detekteras. Vid analyserna kan t ex följande effektivvärden erhållas: det till delområdet T1 från 100 Hz till 5 kHz hörande effektivvärdet Il och det till det hela, analyserade spektrumomràdet från 100 Hz till 16 kHz hörande effektivvärdet I2.

Som mätsignal användes förhållandet Il/I2, vars i tiden föränderliga värde bestämmer tidsfunktionen R(t).

Med hjälp av den tidigare genom mätningar bestämda övergångs- funktionen för den turbulenta diffusionskoefficienten Dturb och tidsfunktionen R(t) kan momentanvärdena för den turbu- Nämnda lenta diffusionskoefficienten D bestämmas. turb momentanvärden, tidpunkten för införandet av legerings- materialet samt den införda materialmängden bildar grund- 457 018 8 data, varur de för upplösningsförloppet karakteristiska koncentrationsvärdena kan bestämmas.

En annan möjlighet består i att bestämma tidsfunk- tionens R(t) momentanvärden i beroende av ett förhål- lande I3/I2, varvid I2 är det ovan nämnda effektivvärdet eller medelvärdet och effektivvärdet eller medelvärdet 13 är en motsvarande spektrumbildande funktion. Som z(x) bestäms av en funktion y(x, ti) ' z(x), varvid z(x) kan bland annat fall en monotont stigande funktion av det föränderliga värdet x väljas, t ex tusen gånger den hela delen av förhållandet x/1000. Denna operation är i verkligheten en transformation av spektrat. Med hjälp av denna funktion kan amplitudens inflytande hos de under 1000 Hz liggande svängningarna tas bort och inflytandet från de högre frekvenserna intensifieras.

Vid förverkligandet av sättet enligt uppfinningen kan intensiteten hos det akustiska fenomenet ökas på ett fördelaktigt sätt om vätskans turbulenta ström pá- verkas så att bubblor bildas. För detta ändamål inmatas ett fast, pulverformigt material, som har en med vätske- temperaturen gemensam ångpunkt, ett ytaktivt material eller inblâses en gas, varvid de inmatade materialen inte på ett ogynnsamt sätt kan páverka den process som skall kontrolleras.

Anordningen enligt uppfinningen (fig 2) säkrar realtidskontrollen av i en turbulent vätskeström för- löpande, heterogen, diffusionskinetisk omvandlingsprocess och tjänar även till att förverkliga ovan beskrivna sätt. Anordningen har en seriekoppling av en med en akustisk princip arbetande avkänningsenhet l, som följer det i turbulent vätskeström förlöpande, akustiska feno- menet, en förstärkare 2, en signalbearbetningsenhet 3, som upptar den förstärkta signalen, och en räkneenhet 4, som framställer en utsignal i beroende av den bear- betade signalen. Räkneenheten 4 har ingångar ll, 12 och 13, vid vilka för processen karakteristiska fasta värden, justervärden och realtidsdata kan inmatas. 'a 457 018 9 Signalbearbetningsenheten 3 och räkneenheten 4 hos anordningen enligt uppfinningen kan även utformas som en pà motsvarande sätt programmerad dator, varvid räkneenhetens 4 utsignal kan matas till ytterligare anordningar för styrning eller reglering av processen, så att processen, som skall kontrolleras, t ex för mat- ning av bestämda mängder, ökning av blandningsintensi- teten osv, kan påverkas.

Signalbearbetningsenheten 3 har en strömkrets, som pà önskat sätt kan omforma förstärkarens 2 utsignal och därigenom säkerställa olika information över proces- sen, som skall kontrolleras. Några möjligheter till utformning av denna strömkrets kommer att beskrivas närmare nedan: Utsignalen från den med avkänningsenheten 1 förbundna förstärkaren 2 matas till flera smalbandsfilter 6 (fig 3), eller ett högpassfilter 15 och ett lågpassfilter l4 (fig 4). Filtrens utgångar är direkt kopplade (fig 4) eller via multipliceringsenheter 7 (fig 3) kopplade till adderare 8 och vidare till komponenter 9 för bestäm- ning av effektivvärdet eller medelvärdet. De sistnämnda komponenternas utgångar är anslutna till en analog eller digital delarenhet 10. Signalbearbetningsenhetens utsignal är delarenhetens 10 signal, vilken utgör mätsignalen för tidsfunktionens R(t) momentanvärden.

Med hjälp av smalbandsfiltret 6 kan även bortfiltre- ringen av bullret säkerställas, vilket gäller som en spektrumtransformationsoperation. Åvkänningsenheten 1 hos anordningen enligt uppfin- ningen är i allmänhet utformad som en mikrofon eller kroppsljudmätare, vars utsignal omvandlas medelst signal- bearbetningsenheten 3, varur räkneenheten kan alstra den för presentationen eller för inkopplingen av arbets- enheterna nödvändiga signalen.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare med ett mer konkret utföringsexempel. 457 018 l0 EXEMPEL Uppgiften består i avsvavling av 64 ton stål i ett bad. För detta ändamål inblåses ett pulverformigt, aktivt material i en neutral bärargasström via en i badet instucken lans.

Det smälta stålet förblir i turbulent strömning och i stålsmältan förekommer icke blott kavitationsbubb- lor utan även bubblor av bärargas. Den heterogena, diffusionskinetiska omvandlingen bildar en reaktion, som äger rum på ytan av de dispergerade delarna, vilka delar uppstår som resultat av de mellan det införda, aktiva materialet och det smältande stålet förlöpande reaktionerna. Under ytreaktionen lämnar svavlet stålet i badet och träder in i de dispergerade delarna. De dispergerade delarna lämnar stàlbadet efter en bestämd tid, varvid deras ytstorlek praktiskt taget är oberoende av frånvaron av svavlet (svavelinnehállet).

För alstring av mätsignalen, dvs en signal, som representerar tidsfunktionens R(t) momentanvärden, använ- des en riktningskänslig mikrofon, vars förstärkta signal matas till ett högpassfilter 14 med bandgräns 7 kHz och ett andra högpassfilter med undre genomsläppsgräns 100 Hz. Det sistnämnda säkerställer bortfiltreringen av bullret vid lägre frekvens, vars källa är den i när- heten arbetande strömomvandlaren. Bullret har sin maximala amplitud vid 50 Hz. Filtrets utsignaler matas direkt till var sitt element 9 för bestämning av effektivvärdet och elementen 9 är anslutna till en analog delarenhet . Pâ detta sätt alstras elektriska signaler, som är proportionella mot energiinnehållet hos det i fig l med T2 betecknade spektrumområdet och det totala spektrum- området, varvid signalernas förhållande bestämmer mät- signalen, dvs tidsfunktionen R(t).

För förberedande av kontrollen utföres avsvavlings- processen flera gànger, närmare bestämt för bestämning av övergàngsfunktionen mellan tidsfunktionen R(t) och den turbulenta diffusionskoefficienten genom användning 457 018 ll av anordningen enligt uppfinningen. Stàlets svavelinneháll bestäms genom flamfotometriska mätningar med före och efter behandlingen uttagna (nyttan (Hütte) före gjutningen och stàlbadet före gjutningen i formar) bestämda prov.

Ur de noterade värdena för tidsfunktionen R(t) samt analysdata kunde det fastställas genom beräkningar att den kinetiska utjämningen av den aktuella svavelkoncent- rationen S(t) vid värdena R(t) mellan 0,05 och 0,08 hade följande konkreta form: Éëlšl = - ø,s9 R(t) [s(t) - E(t)] at Här betyder E(t) svavelkoncentrationen i jämviktstillstándet, varvid ekvationen pà teoretiska grunder kan anges som so E 1 + o,o22s m(t) varvid S är svavelinnehàllet före behandlingen (gjut- ningen us hyttan) och m(t) är mängden av det vid tid- punkten t av behandlingen inblàsta och på elektronisk väg bestämda, aktiva materialet.

Kontinuerlig kontroll av processen åstadkommas på sådant sätt att de mätsignaler från anordningen enligt uppfinningen, vilka återspeglar R(t), och mätsignalerna från den elektroniska vägningsanordningen matas till en minidator, som i beroende av den konkreta, kinetiska ekvationen efter inmatningen av värdet SO med korta tidsintervall beräknar och visar värdena för den aktuella svavelkoncentrationen S(t). Mellan tagningen av det för bestämning av svavelinnehâllet SO nödvändiga provet och starten av behandlingen skall en tidsperiod av ca -30 min förflyta, varefter svavelinnehållet är bestäm- bart. Processen som skall kontrolleras varar i 3-10 min i beroende av den hastighet, med vilken den önskade svavelhalten uppnås. 457 018 12 Kontrollen avser för det första att undvika avfalls- produkter till följd av för högt svavelinnehàll, för det andra att förhindra upplösningen av kväve från omgiv- ningen i stället för det borttagna svavlet och undvikande av användningen av för hög mängd aktivt material. (Kväve kan ersätta svavlet i stålet ifall mängden svavel i stálbadet är för låg).

Efter kontrollerna enligt ovan kan man fastställa om de med anordningen enligt uppfinningen visade koncentra- tionsvärdena överensstämmer under_hänsynstagande till toleransomrádet med de genom flamfotometriska analyser mätta värdena. Överensstämmelsen kan fastställas efter 2l st genomförda kontroller.

Anordningen enligt uppfinningen och förfarandet enligt uppfinningen utgör relativt enkla åtgärder för noggrann realtidskontroll av processer av nämnt slag, varvid ingen provtagning är nödvändig. En speciell fördel är att vid bestämda förhållanden (vid fullbordande av den s k Reynolds-analogin) värdet för den turbulenta diffusionskoefficienten kan tjäna som grund för beräkning av den turbulenta viskositetskoefficienten och det tur- bulenta värmeledningstalet. Även om kontrollmätningarna och beräkningarna är nödvändiga för uppnàende av tillförlitliga mätresultat, varvid förloppet undersökes även under provningarna, säkerställer sättet enligt uppfinningen och anordningen enligt uppfinningen på tillförlitliga sätt data, som är nödvändiga vid realtidskontrollerna. På detta sätt har lösningen på ett ännu icke löst problem erhållits.

Claims (7)

10 15 20 25 30 457 018 13 PATENTKRAV

1. l. Sätt att kontrollera en i en turbulent vätske- ström förlöpande, heterogen, diffusionskinetisk omvand- lingsprocess, där ett akustiskt förlopp eller vibra- tionsförlopp, som härrör från i den turbulent flytande vätskan förekommande bubblors svängningar, avkännes, varvid en akustisk avkänningssignal bildas och omvandlas till en elektrisk signal, k ä n n e t e c k n a t av att avkänningssignalens spektrala sammansättning bestämmes ur den elektriska signalen; och att den elektriska signalen utnyttjas som en för det relativa momentanvärdet för den turbulenta diffusionskoefficien- ten karakteristisk mätsignal för indirekt realtidskon- troll av omvandlingen.

2. Sätt enligt krav l, av att vätskan på konstgjord väg får gas- och/eller ångbubblor.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, n a t av att vid omvandlingen av den avkända signalen till den elektriska signal som återspeglar den avkända k ä n n e t e c k n a t den därtill förhål- signalens spektrala sammansättning utväljes ur av- kända signalen två spektralomráden; och att de hörande effektiva värdenas eller medelvärdenas landen bestämmes.

4. Sätt enligt något av krav 1-3, t e c k n a t av att den avkända signalen bibringas k ä n n e - en spektraltransformation före omvandlingen till den elektriska signalen.

5. Anordning för kontroll av en i en turbulent vätskeström förlöpande, heterogen, diffusionskinetisk omvandlingsprocess, speciellt för âstadkommande av förfarandet enligt kraven l-4, med en seriekoppling av en med akustisk princip arbetande avkänningsenhet (1), en förstärkare (2), en signalbearbetningsenhet (3) och en räkneenhet (4), k ä n n e t'e c k n a d k ä n n e t e c k - 457 018 10 14 av att signalbearbetningsenheten (3) är försedd med en strömkrets som delar upp utsignalen från förstärka- ren (2) i spektralomráden och bestämmer de till spek- tralområdena hörande, effektiva värdena eller medel- värdena, och som innefattar en divisionsenhet, varmed förhållandet mellan dessa värden bestämmes.

6. Anordning enligt krav 5, k ä'n n e t e c k - n a d av att signalbearbetningsenheten (3) är försedd med en strömkrets, som omformar den av förstärkaren (2) upptagna signalen i olika spektralområden.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, k ä n n e - t e c k n a d av att räkneenheten (4) är försedd med ingångar (ll, 12, 13) för fasta värden, realtids- data och justerdata.