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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Pegels irgendeines leitenden
geschmolzenen Metalls in einem Kristallisator einer Stranggußkokille.
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Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, die Position des
Pegels (oder Meniskus) von flüssigem Metall innerhalb eines Kristallisators einer
Stranggußkokille zu bestimmen.
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Die Erfindung kann in allen Fällen angewendet werden, bei welcher das flüssige Metall
und/oder der Kristallisator mit einem magnetischen Feld zusammenarbeiten können, welches
sie beeinflußt und Induktionsströme verursacht.
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Der Artikel "Advanced mould level control for continuous casting plants" auf Seite 4 von
"Metallurgical Plant and Technology" No. 3, 1985 sowie das US-Patent 4 138 888 offenbaren
die Verwendung eines Paars von Spulen, von welchen eine zum Aussenden eines magnetischen
Feldes dient, wogegen die andere eine Empfängerspule ist und die Spulen an zwei
aneinandergrenzenden oder zwei gegenüberliegenden Seiten einer Kokille angeordnet sind.
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Dieses System unterscheidet nicht zwischen den Änderungen des empfangenen Feldes, wobei
solche Änderungen durch den Stahlpegel bestimmt sind sowie durch Änderungen des
spezifischen Widerstandes, der von den Temperaturänderungen des Kupfers des Kristallisators
herrührt.
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Das System ist nicht verläßlich, da es nicht die Feststellung ermöglicht, welcher Teil der
empfangenen Änderung tatsächlich ein direkter und ausschließlicher Effekt der Änderung des
Pegels (im geometrischen Sinn) ist.
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Die BE 870 523 vom 2. 1. 1979 (Concast AG) offenbart Systeme, welche eine oberhalb des
Meniskus gelegene und nach unten gerichtete elektromagnetische Quelle verwenden. Diese
Systeme können nicht nur leicht beschädigt werden, sondern sie können auch nicht (wie das
oben genannte System) zwischen dem geometrischen Effekt der Änderung des Pegels und dem
thermischen Effekt des Metalls des Kristallisators unterscheiden und liefern daher ein
zusammengesetztes Signal.
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Die US-A-3 366 873 offenbart einen Detektor für den Pegel von geschmolzenem Metall in
einem Behälter. Dieser Detektor sieht vor, daß die von zwei Empfängerspulen erhaltenen
Signale subtrahiert werden.
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Dieses Detektorsystem leidet an einer schweren Beschränkung insoferne, als es, wie klar in
Spalte 3, Zeilen 32-36 angegeben ist, absolut notwendig ist, daß die Leitfähigkeit des
überwachten Materials größer sein muß als die Leitfähigkeit der Umgebung oberhalb eines
solchen Materials.
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Diese Situation ist genau das Gegenteil jener, bei welcher die Vorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung arbeitet, wo ein Kupferschirm hoher Leitfähigkeit (der Kristallisator)
zwischen den Spulen und dem geschmolzenen Metall gelegen ist.
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Die EP-A-0 077 747 offenbart ein Verfahren zum Messen des Pegels von geschmolzenem
Metall in einer Kokille. Dieses Verfahren sieht die Verwendung einer Primärspule vor, die
koaxial zu der Kokille ist und mit Strömen gespeist wird, deren Fourieranalyse mehrfache
Frequenzen beinhaltet, sowie die Verwendung einer Mehrzahl von Sekundärspulen, die um die
Kokille, in einer Zone, welche dem Schmelzbad entspricht, koaxial angeordnet sind.
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Das Verfahren sieht vor, daß das von der am niedrigsten gelegenen und als Referenzspule
wirkenden Sekundärspule erhaltene Signal und die von den anderen Sekundärspulen erhaltenen
Signale subtrahiert werden.
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Die Primär- und Sekundärspulen sind zueinander und zu der Kokille koaxial angeordnet.
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In ähnlicher Weise sind die Spulen der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
zueinander koaxial, jedoch unter einem rechten Winkel zu der Achse der Kokille angeordnet.
Diese Anordung verursacht eine im ganzen geringere Abmessung der
Meßvorrichtung/Kokillenanordnung und ermöglicht einen leichteren Zugang zu der Kokille als solcher.
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Das Verfahren nach der EP-A-0 077 747 zieht weiters eine Anzahl komplizierter
mathematischer Berechnungen nach sich, die auch in dem Fall von nur zwei auftretenden
Frequenzen durch das Eliminieren einiger Faktoren wesentlich vereinfacht werden.
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Die Messungen sind daher nicht zur schwer durchzuführen sondern auch ungenau.
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Dieses Verfahren gibt keinen Hinweis bezüglich der Wahl der zu verwendenden Frequenzen.
Da diese Wahl von der Dicke des Kristallisators abhängt, liefert das in der EP-A-0 077 747
geoffenbarte Verfahren dem Fachmann auf diesem Gebiet nicht genügend Elemente, welche es
ihm ermöglichen, das Verfahren wirksam durchzuführen.
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Die in der FR-A-2 251 811 beschriebene Vorrichtung basiert auf der Verwendung induzierter
Ströme, doch kann sie in völlig verschiedenen Umgebungen arbeiten, als die Vorrichtung nach
der Erfindung, da sie eine Umhüllungswand benötigt, welche keine Elemente beinhaltet, die
das Magnetfeld stören.
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Die EP-A-0 087 382 offenbart ein Verfahren zur Messung des Pegels von geschmolzenem
Metall in einer Kokille, wobei das Verfahren auf der Messung von Spannungen beruht, die in
einer Mehrzahl von Sekundärspulen induziert werden.
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Die charakteristischen Linien der Sekundärspannungen werden ungefähr in lineare Segmente
unterteilt. Die Messung läßt somit Raum für sukzesive Approximationen.
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Im Gegensatz zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung sieht das Verfahren nach der EP-A-
0 087 382 keinerlei Messungen und Vergleich von Frequenzen vor.
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Andere Vorrichtungen zum Feststellen des Pegels von geschmolzenem Metall sind in der WO-
A-8602583 und der JP-A-60 31 020 beschrieben.
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Der Anmelder hat diese Erfindung entworfen, überprüft und ausgeführt, um die Position des
Pegels von geschmolzenem Metall in dem Kristallisator einer Kokille mit Hilfe einer
Einrichtung zu bestimmen, die innerhalb des Körpers der Kokille gelegen ist und die an einer
Seite des Kühlflüssigkeitskonvektors, der mit dem Kristallisator zusammenarbeitet, angeordent
ist.
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Die Erfindung ist daher in einer Vorrichtung verwirklicht, die nicht durch das geschmolzene
Metall beschädigt wird und die auch einfach an Vorrichtungen befestigt werden kann, die
zuvor nicht vorbereitet wurden.
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Darüberhinaus können mit der Vorrichtung nach der Erfindung verschiedene Verfahren,
sowohl direkte als auch indirekte, angewendet werden, um die Lage des Meniskus des
flüssigen Metalls innerhalb des Kristallisators zu überwachen.
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Entsprechend einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind zwei gekoppelte Spulen
vorgesehen, die einander im wesentlichen gegenüberliegen oder zusammenfallen, wobei eine
der Spulen ein magentisches Feld liefert, wogegen die andere Spule die von der Sendespule
erzeugte Hauptkomponente sowie die von dem flüssigen Metall und von dem Kristallisator
erzeugte Reaktionskomponente empfängt.
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Die beiden Spulen sind in einem vertikalen oder geneigten Bereich einer Wand des
Kristallisators und des Volumens, das mit flüssigem Metall innerhalb des Kristallisators
beschickt werden kann, angebracht, wobei dieser Bereich gleich dem Bereich der Änderung
des Pegels ist, der beobachtet werden soll.
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Gemäß einer Variante ist auch eine dritte Empfängerspule vorgesehen, deren Funktion die
Überwachung der oberen Pegelgrenze des Metalls ist.
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Entsprechend einer weiteren Variante ist auch eine vierte Empfängerspule vorgesehen, welcher
die Funktion der Überwachung der unteren Grenze des Pegels zukommt.
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Die dritte und die vierte Spule sind an zwei Zonen mit einem begrenzten Bereich angebracht,
welcher jeweils in der Nachbarschaft des oberen bzw. unteren Endes des Variationsbereiches
des Pegels des zu überwachenden flüssigen Metalles liegt.
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Entsprechend einer weiteren Variante sind anstelle einer aus einem Stück bestehenden
Empfängerspule eine Mehrzahl von benachbarten Spulen vorgesehen, welche zwischen den
beiden Paaren von Spulen liegen, welche die obere Grenze bzw. die untere Grenze des Pegels
bestimmen.
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Die Achsen der Sendespule und der Empfängerspulen müssen nicht notwendigerweise parallel
sein. Vielmehr kann es aufgrund der Empfindlichkeit der Meßvorrichtung vorteilhaft sein, daß
die Achsen der Empfängerspulen zueinander paralle angeordnet sind, jedoch bezüglich der
Achse der Sendespule geneigt, da diese Anordnung einen geringeren Einfluß des direkten
Signals auf das von den Empfängerspulen aufgenommene Gesantsignal liefert. Die Erfindung
beruht auf dem folgenden Konzept.
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Das Metall innerhalb des Kristallisators ist zum Teil flüssig und zum Teil fest und, soferne es
sich um Stahl handelt, ist es in Hinblich auf die angewendeten Temperaturen nicht
ferromagentisch.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Spule, welche das magentische Feld
liefert, gleichzeitig mit zwei verschiedenen Wechselspannungen gespeist, welche
charakteristische Frequenzen aufweisen, wobei eine durch einen niedrigen Wert
gekennzeichnet ist, wogegen die andere durch einen hohen Wert gekennzeichnet ist.
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Der niedrige Wert steht in Zusammenhang mit den physikalischen und geometrischen
Eigenschaften des Kristallisators und wird so gewählt, daß die Abschwächung des
Magnetfeldes während seines Durchganges durch den Kristallisator von bescheidener Art ist.
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Der niedrige Wert darf nicht geringer sein als gewisse Grenzen, welche die
Ansprechgeschwindigkeit des Überwachungssystems bestimmen.
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Gemäß der Erfindung kann die niedrige Frequenz geeigneterweise zwischen 8 und 60 Hz
liegen, jedoch können andere höhere Frequenzen gleichfalls verwendet werden, beispielsweise
wenn der Kristallisator eine dünne Wand aufweist.
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In ähnlicher Weise hänge der hohe Wert von den physikalischen und geometrischen
Eigenschaften eines Kristallisators ab, er wird jedoch so gewählt, daß man eine sehr große
Abschwächung durch die Wand des Kristallisators erhält.
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Gemäß der Erfindung kann die hohe Frequenz geeigneterweise zwischen 100 und 1000 Hz
liegen, jedoch können auch niedrigere Frequenzen in Abhängigkeit von der Dicke des
Kristallisators verwendet werden.
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Die von den Empfängerspulen aufgefangenen Felder werden daher einerseits (niedrige
Frequenz) durch alles beeinflußt, das sich hinter der Kristallisatorwand befindet und ebenso
von dem, was in der Wand selbst stattfindet, und andererseits (hohe Frequenzen) werden sie in
der Praxis lediglich durch jenes beeinflußt, was innerhalb der Kristallisatorwand erfolgt.
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Die Verwendung der zwei Frequenzen ermöglicht es, daß das verwendbare Signal durch
Eliminieren der Scheinsignale gereinigt wird, welche aufgrund des teilweise statistischen
Verlaufes - hinsichtlich Ort und Zeit - der Temperatur des Kristallisators unterhalb des
Meniskus erzeugt werden.
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Das von den Empfängerspulen empfangene Feld besitzt eine direkte Komponente, die von der
Hauptemfängerspule erzeugt wird und ebenso Reaktionskomponenten, die im wesentlichen
das Ergebnis von Strömen sind, die durch das Hauptfeld im Kupfer des Kristallisators sowie in
dem flüssigen Metall induziert werden, welches den Kristallisator ganz oder teilweise füllt.
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Das Gesamtfeld beeinflußt auch jede Empfängerspule, beschränkt auf ihre eigene Einflußzone,
die in Zusammenhang mit den Abmessungen und der Lage der Spule als solcher steht.
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Die Reaktionskomponenten beeinflussen die Amplitude und die Phase der in den
Empfängerspulen induzierten Spannungen.
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Daher sind für den Fall, daß die Sendespulen Abmessungen aufweisen, welche den Bereich der
Pegeländerungen des flüssigen Metalls überstreichen, zwei Hauptauftreten gezeigt:
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- Phase und Amplitude des Signals mit niedrigerer Frequenz, das von der
Hauptempfängerspule aufgenommen wird, ändern sich entsprechend einer im wesentlichen
linearen Gesetzmäßigkeit in einem bestimmten Bereich als Funktion der Anfüllung des
Kristallisators mit flüssigem Metall. Ebenso ändern sich Phase und Amplitude in dem
gelichen Bereich jedoch mit einem anderen, nichtlinearen Gesetz entsprechend dem Einfluß
der Erwärmung des Kristallisators aufgrund der Anwesenheit von flüssigem Metall in ihm.
Das von dem Kristallisator erhaltene Signal ist eine Funktion des mittleren spezifischen
Widerstandes in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Wand, hervorgerufen
durch das Hauptmagnetfeld. Der Gesamteinfluß der Änderung des Pegels in dem
Kristallisator auf die Phase und Amplitude des Signals mit niedriger Frequenz, das von der
Hauptempfängerspule aufgenommen wird, entspricht daher der Summe der Einflüsse, die
durch das Auftreten von flüssigem Metall in dem Kristallisator und durch das Erwärmen
des Kristallisators selbst bestimmt sind.
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- In zu dem vorgehenden Fall analoger Weise werden die Phase und die Amplitude des
Signals mit hoher Frequenz, daß von der Hauptempfängerspule aufgenommen wird, durch
das Auftreten von flüssigem Metall in dem Kristallisator beeinflußt, jedoch wird in diesem
Fall aufgrund des Abschirmeffektes des Kristallisators auf des Magnetfeld praktisch nur der
Beitrag aufgrund der Erwärmung des Kristallisators festgestellt.
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In beiden obgenannten Fällen enthält das Signal in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur
des Kristallisators eine statistische Komponente (Rauschen), welche durch das wiederkehrende
Auftreten des Ablösens der Haut sich verfestigenden Metalls von der inneren Oberfläche des
Kristallisators bestimmt ist, wobei ein solches Auftreten mit umso größerer Wirkung und
Frequenz stattfindet, je größer der Abstand von dem Meniskus nach unten.
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Obiges zeigt verschiedene Alternativen zum Durchführen einer Messung des Metallpegels in
der Kokille.
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a - Die Messung des Pegels als Funktion der Amplitude und/oder Phase des Signals mit
niedrigerer Frequenz. Diese Messung wird durch den Einfluß der Temperatur des
Kristallisators, durch welchen das Feld verläuft, beeinträchtigt und gestört.
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b - Die Messung des Pegels als Funktion der Amplitude und/oder Phase des Signals mit der
höheren Frequenz. Diese Messung hänge lediglich von der Erwärmung des Kristallisators
ab und kann daher ein Ergebnis liefern, das nicht perfekt mit dem Pegel korreliert ist,
wenngleich es für die Steuerung des Prozesses in einigen Fällen ausreicht. Dieses
Verfahren kann im besonderen mit Spulen beschränkter Höhe in der Größe von 10 mm bis
50 mm (Ablesen des Pegels in einem beschränkten Bereich) verwendet werden. In diesem
Fall ist der störende, oben angegebene Effekt hinsichtlich des Ablösens der Haut des
Metalls minimisiert.
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c - Die Messung des Pegels auf Basis der Messung des Pegels als Funktion von Amplitude
und/oder Phase des Signals mit niedrigerer Frequenz, kompensiert durch das Signal, das
durch Messung des Pegels als Funktion der Amplitude und/oder Phase des Signals mit
höherer Frequenz erhalten wird. Dieses Verfahren gibt eine genauere Ablesung, da es
durch eine geeignete Kombination der beiden Signale, z.B. durch eine gewichtete
Subtraktion der Signal möglich ist, den Sekundäreffekt aufgrund der Änderungen der
Kristallisatortemperatur zu eliminieren, wobei dieser Effekt in der Messung des Pegels als
Funktion der Amplitude und/oder Phase des Signals mit niedriger Frequenz inkludiert ist.
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Die Erfindung ist somit in einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Messung des Pegels von
flüssigem Metall in einem Kristallisator einer Stranggußkokille entsprechend den Inhalten des
Hauptanspruches und der davon abhängigen Ansprüche verkörpert.
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Die beiliegenden Figuren, die als nichteinschränkendes Beispiel gegeben sind, zeigen folgendes:
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Fig. 1 zeigt eine dreidimensional Darstellung einer geöffneten Stranggußkokille mit
angebrachter Vorrichtung.
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Fig. 2a und 2b zeigen zwei Ansichten einer Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 3 zeigt den Hauptverlauf der Temperaturen der Wand des Kristallisators,
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Fig. 4 zeigt eine bezüglich der in Fig. 2a und 2b gezeigten alternative Ausführungsform und
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Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Schaltung, welche die an eine mögliche
Ausführungsform angelegten Signale erzeugt und verarbeitet.
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Fig. 1 zeigt schmatisch einen Teil einer Kokille, wobei man eine Kühlflüssigkeitskonvektor
11 und einen Kristallisator 12 sehen kann.
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Der Kristallisator 12 enthält einen Meniskus 14, wobei bei diesem Beispiel ein
Beschickungstrichter 13 darunter flüssiges Metall zuführt.
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In Zusammenwirken mit dem Konvektor 11 ist ein Behälter 15 vorgesehen, im wesentlichen an
einer Seite des Konvektors 11, falls dieser quadratischen, rechteckigen oder ähnlichen
Querschnitt aufweist, und er ist tatsächlich in ein Kühlfluidum 16 eingetaucht und daher von
Spritzern geschmolzenen Metalls und von der Verfahrensptemperatur geschützt.
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Eine Mehrzahl von Spulen entsprechend der Erfindung ist in dem Behälter 15 angeordnet, der
so angeordnet ist, daß er mit den Maximal- und Minimalpegeln zusammenwirkt, welche der
Meniskus 14 erreichen kann.
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Gemäß einer in Fig. 2a und 2b gezeigten ersten Ausführungsform sind ein Sendespule 17 und
eine Empfängerspule 18 vorhanden. Diese Spulen 17-18 sollen einen bestimmten vertikalen
und seitlichen Wirkungsbereich aufweisen. Der vertikale Wirkungsbereich bestimmt das
Ablesefeld, wogegen die seitliche Überdeckung die Tiefe des Eindrigens des magnetischen
Feldes in den Kristallisator 12 beeinflußt.
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Die Spulen 17-18 können zusammengekoppelt sein (wie in der Zeichnung gezeigt) oder mit
einer Zweidrahtwindung ausgestattet sein oder sie können auch eine innerhalb der anderen
angeordnet sein oder schließlich können sie auf zwei nichtparallelen Ebenen gelegen sein.
Zwischen den obgenannten Spulen 17-18 sind zwei weitere Spulen 19-20 zum Überwachen der
oberen und unteren Grenzpegel des Meniskus angeordnet.
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Entsprechend einer Variante besteht die Empfängerspule 18 aus einer Mehrzahl von Spulen
(Fig. 4), welche einen bestimmten vertikalen Abschnitt individuell überwachen.
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Fig. 3 zeigt ein schmatisches Diagramm des Verhaltens der Temperatur 21 in dem
Kristallisator 12 in Abhängigkeit von der Lage des Pegels oder Meniskus 14.
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Jede in Fig. 5 gezeigte und den Sendespulen zugeordnete elektronische Schaltung besteht, bei
der Ausführung nach Fig. 2a und 2b, für jede der zwei Meßfrequenzen (F1 und F2) aus einem
Signalgenerator 22 und einen Leistungsberstärker mit einem geregelten Stromausgang 23,
welcher über einen Stromfühler 24 die Sendespule 17 speist.
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Jeder der Empfängerspulen 18-19-20 folgt, für jede der zwei Meßfrequenzen, ein
Verstärk/Filter 25, 27 und 26 sowie eine Amplituden- und
Phasenkomparator/Diskriminiatorschaltung
28, 30 und 29, welche die Änderungen der Parameter der empfangenen
Signale in analoge Pegelsignale umwandelt.
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Die so erhaltenen Pegelsignale laufen durch eine Skalierungsschaltung 31, die mit Hilfe einer
manuellen oder automatischen Routine ihren Anfangswert und den Maßstabsfaktor als
Funktion der Randbedingungen des Betriebes festlegt.
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Die Randbedingungen des Betriebes, die von 34 einlangen, können aus geometrischen
Parametern bestehen, die sich auf die Kokille beziehen sowie aus vorläufigen
Verfahrensabläufen.
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Anfangsdaten für die obgenannte Routine werden auch von der Spule 20 für den unteren
Grenzpegel erfaßt, wenn der Meniskus 14 zu Beginn des Gießens in Nachbarschaft dieser
Spule 20 vorbeigeht.
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Die mit den bei den zwei vorgewählten Frequenzen (hoch und niedrig) arbeitenden
Schaltungen erhaltenen Signalpegel werden schließlich mit der Schaltung 32 kombiniert, sodaß
von dem Pegelsignal, das durch die niedrigere Frequenz bestimmt ist, die Störfaktoren
abgezogen werden, die in dem durch die höhere Frequenz bestimmten Signal enthalten sind.
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Die Schaltung wird durch einen Ausgangsverstärker 33 komplettiert. Die Ausgangssignale sind
je: SL, welches den Pegel des Meniskus 14 anzeigt, SLA, welches den Maximalpegel anzeigt
und SLB, welches den Minimalpegel anzeigt.
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Im Fall mehrfacher Empfängerspulen 18, wie in Fig. 4 gezeigt, sind jeder der Empfängerspulen
18 Schaltungen 25, 28 und 31 zugeordnet und die Ausgangssignale der Schaltungen 31 werden
getrennt, Spule für Spule zusammenaddiert, bevor sie in die Schaltung 32 eintreten.
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Mit Hilfe der Mehrfachempfängerspulen 18 der Fig. 4 kann der Pegel auf verschiedene Arten
überwacht oder bestimmt werden.
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Ein ertes Verfahren sieht die Bestimmung in Korrelation mit der speziellen Empfängerspule
18 vor, welche unter den Signalen das Maximum überwacht, welches der heißesten Zone des
Kristallisators 12 und daher der Nachbarschaft der Lage des Meniskus 14 entspricht.
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Nach diesem Bestimmen des Maximum der Kurve 21 (Fig. 3) durch Verarbeitung der Signale,
die von den einzelnen Empfängerspulen 18 in Nachbarschaft der Lage dieses Maximums
geliefert werden und unter Berücksichtigung der von den Empfängerspulen 18 in der
Anordung eingenommenen Lage kann mann, beispielsweise durch Interpolation, ein
kontinuierliches Pegelsignal über den ganzen, von der Gruppe von Empfängerspulen 18
abgedeckten Bereich erhalten.
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Ein zweites Verfahren sieht die Überwachung der einzelnen Signale durch die einzelnen
Empfängerspulen 18 und ihr Addieren vor, sodaß man ein Signal analog jenem erhält, das mit
der Ausführungsform nach Fig. 2a und 2b gemessen werden kann.
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Das erste Verfahren kann zweckmäßigerweise im Betrieb mit der hohen Frequenz alleine
angwendet werden.
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Das zweite Verfahren sollte vorteilhafterweise durch Arbeiten mit dem System des
kompensierten Ablesens der Signale in Abhängigkeit von der hohen und der niedrigen
Frequenz verwendet werden.