专利名称：自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置及方法。
背景技术：
表面张力和密度是两个非常重要的金属熔体热物性参数，准确测量表面张力和密度可有效控制生产过程及产品质量。目前有关金属熔体表面张力的测定方法有很多，一般分为静力学方法和动力学方法两大类，静力学方法是测量某一状态下的某些特定数值来计算表面张力，如静滴法、悬滴法、气泡最大压力法、毛细管法上升法、拉筒法等。动力学方法是以
测量决定某一过程特征的数值来计算表面张力，如毛细管波法、振动滴法、气泡幅频当量法等。与静力学方法相比，动力学方法还不十分完善，因此，一般采用静力学方法测定合金熔体表面张力，比较常用的是静滴法和气泡最大压力法。金属熔体密度一般采用称重法和阿基米德法检测，熔体质量、体积以及浮力检测的精度对测试结果有至关重要的影响，两种方法对测试环境和测试装置均有较高要求。采用二次下降吹泡法可用一个试样同时检测金属熔体表面张力和密度，不仅可以大大缩短检测周期，而且可以降低检测成本。但是实施二次下降吹泡法同时检测金属熔体表面张力和密度的最大困难是毛细管内径及入水深度的自动精确控制很难控制。传统检测毛细管内半径的方法是采用读书显微镜人工注意测量，不仅检测周期长，而且无法实现自动化。传统检测毛细管入水绝对深度的方法是肉眼观察并记录毛细管端口接触液面的时刻，采用计时法或位移法计算毛细管端口的入水绝对深度，测量精度很难保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置及方法，提高二次下降吹泡法测定金属溶体表面张力和密度的速度和精度。上述的目的通过以下的技术方案实现
一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，其组成包括毛细管，所述的毛细管与微压传感器通过内部安装有气体缓冲室的探头座密封连通，稳压气源通过软管经过气流开关与所述的气体缓冲室连通，所述的探头座与测控单元电连接，电动推杆与所述的测控单元电连接，固定在台架上的位移传感器与所述的电动推杆电连接，所述的固定台上安装有坩埚。
所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，所述的微压传感器是半导体应变片式或其他形式的高灵敏度微压传感器；所述的位移传感器是电阻式或电感式或其他形式的高精度位移传感器；所述的测控单元具有3路以上数据采集及4路以上开关量控制功能。所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，所述稳压气源通过软管经所述的气流开关与所述的气体缓冲室连通，用以提供吹气泡用稳压气源；所述的电动推杆在测控单元的控制下做伸缩运动，进而驱动所述的探头座和所述的毛细管上下运动，使所述的毛细管浸入或提离所述的坩埚所盛合金熔体；固定在所述的台架上的所述的位移传感器用于实时监测电动推杆位移亦即所述的毛细管所处位置。ー种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，该方法包括如下步骤
(1)毛细管内半径r自动检测打开稳压气源开关，稳压气体经气流开关、气体缓冲室和毛细管向大气排出，此时通过监测所述的气体缓冲室压カ间接检则毛细管内半径r;
(2)被测熔体液面高度“零点”检测电动推杆驱动毛细管下降，当所述的毛细管端ロ接触熔体液面时，所述的气体缓冲室内气压迅速升高，位移传感器和测控单元快速采集此时所述的电动推杆位移值作为被测熔体液面高度“零点”；
(3)气泡最大压カ的P1检测在所述的毛细管入水深度不断増加的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆的位移值并计算毛细管入水的绝对深度，当入水深度达到Ii1时，所述的电动推杆第一次停止下降，微压传感器和所述的测控单元检测气泡最大压カP1 ;
(4)气泡最大压カP2的检测所述的电动推杆驱动所述的毛细管继续下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆位移并计算所述的毛细管入水绝对深度，当入水深度达到h2时，所述的电动推杆第二次停止下降，数据采集単元检测气泡最大压力P2 ；
(5)求解被测金属熔体表面张カO和密度P :所述的电动推杆反向运动将所述的毛细管提出被测熔体，所述的测控单元依据测得的INhptvP1和P2求解被测金属熔体表面张力O和密度P。
所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的毛细管内半径r自动检测是通过所述的测控单元控制所述的气流开关开通大气流通道，启动稳压气源并且启动所述的电动推杆下降，稳压气流进入探头座内的所述的气体缓冲室后通过所述的毛细管向外排出，因所述的气体缓冲室内气体压力与所述的毛细管内半径直接相关，即毛细管内半径愈大，所述的气体缓冲室内气体压力愈小，反之亦然，因此，在所述的毛细管接近金属熔体的途中即可通过检测所述的气体缓冲室内的压カ而准确测得所述的毛细管的内半径r。所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的被测熔体液面高度“零点”检测是测得所述的毛细管的内半径r后，即刻将所述的气流开关切换至小气流ー侧，当所述的毛细管端ロ接触被测熔体液面吋，因排气ロ被封闭会使所述的气体缓冲室内气体压力迅速升高，所述的测控单元将所述的气体缓冲室内气压突然升高时刻b对应位移传感器记录的位移值ん定义为熔体液面高度“零点”。所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的气泡最大压カP1的检测是在所述的毛细管继续深入熔体的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端ロ的入水深度，达到预定深度Ii1时，所述的电动推杆第一次停止运动，气泡通过所述的毛细管端ロ均匀吹出，所述的微压传感器和所述的测控单元记录所述的气体缓冲室内气体压力随气泡生成、长大和脱离而变化的曲线，从h时刻到t2时刻曲线峰值平均值即为Pp所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的气泡最大压カP2的检测是当毛细管在Ii1深度下吹气时间满足要求时，所述的电动推杆继续驱动毛细管下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端ロ的入水深度，达到预定深度112时，所述的电动推杆第二次停止运动，吹气泡以及缓冲室内气体压カ变化曲线记录重复步骤(3)所述过程，从t2时刻开始计时，吹气时间满足要求后，所述的电动推杆反向运动，所述的毛细管被提离被测熔体，从セ2时刻开始直至毛细管被提起，缓冲室内气体压力变化曲线峰值平均值即为P2。所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，求解被测金属熔体表面张カO和密度p是所述的测控单元依据测得的所述的毛细管内半径r、二次入水深度hi、h2以及对应的气泡最大压カP:、P2，通过联立方程组
P1 = P g h:+ 2 O /r(I)
2= Pgh2+2o/r(2) 即可求得被测熔体表面张カO和密度p。有益效果
I.本发明综合利用吹气、测压和测位移过程，实现毛细管内半径自动检测和熔体液面精确自动感知，进而实现了入水深度的准确测量及表面张カ及密度的精确计算。本发明采用大气流排气法測量毛细管内半径，不仅测量结果可自动读入，而且测量精度不低于读数显微镜方法。本发明采用管内气压自动感知法探測液面和位移传感器法记录入水深度，其检测精度远远高于传统方法。吹气泡、测气压和测位移均为实施气泡最大压カ法的基本要求，本发明是在吹气、测压和测位移过程中实现毛细管内半径和入水深度自动检测，不需额外增加检测装置和动作。
附图I是本发明的结构示意图。附图2是毛细管入水深度与毛细管内压カ对应关系不意图。图中A为气泡内压力；B为毛细管位移。
具体实施例方式 实施例I :
ー种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，其组成包括毛细管1，所述的毛细管与微压传感器3通过内部安装有气体缓冲室的探头座2密封连通，稳压气源7通过软管经过气流开关5与所述的气体缓冲室连通，所述的探头座与测控单元8连接，电动推杆6与所述的测控单元连接，固定在台架10上的位移传感器4与所述的电动推杆连接，所述的固定台上放有坩埚9。实施例2
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，所述的微压传感器是半导体应变片式或其他形式的高灵敏度微压传感器；所述的位移传感器是电阻式或电感式或其他形式的高精度位移传感器；所述的测控单元具有3路以上数据采集及4路以上开关量控制功能。实施例3
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，所述稳压气源通过软管经所述的气流开关与所述的气体缓冲室连通，用以提供吹气泡用稳压气源；所述的电动推杆在测控单元的控制下做伸缩运动，进而驱动所述的探头座和所述的毛细管上下运动，使所述的毛细管浸入或提离所述的坩埚所盛合金熔体；固定在所述的台架上的所述的位移传感器用于实时监测电动推杆位移亦即所述的毛细管所处位置。实施例4
一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，该方法包括如下步骤
(1)毛细管内半径r自动检测打开稳压气源开关，稳压气体经气流开关、气体缓冲室和毛细管向大气排出，此时通过监测所述的气体缓冲室压力间接检则毛细管内半径r;
(2)被测熔体液面高度“零点”检测电动推杆驱动毛细管下降，当所述的毛细管端口接触熔体液面时，所述的气体缓冲室内气压迅速 升高，位移传感器和测控单元快速采集此时所述的电动推杆位移值作为被测熔体液面高度“零点”；
(3)气泡最大压力的？1检测在所述的毛细管入水深度不断增加的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆的位移值并计算毛细管入水的绝对深度，当入水深度达到Ii1时，所述的电动推杆第一次停止下降，微压传感器和所述的测控单元检测气泡最大压力P1 ；
(4)气泡最大压力P2的检测所述的电动推杆驱动所述的毛细管继续下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆位移并计算所述的毛细管入水绝对深度，当入水深度达到h2时，所述的电动推杆第二次停止下降，数据采集单元检测气泡最大压力P2 ；
(5)求解被测金属熔体表面张力σ和密度P :所述的电动推杆反向运动将所述的毛细管提出被测熔体，所述的测控单元依据测得的INhptvP1和P2求解被测金属熔体表面张力σ和密度P。实施例5
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的毛细管内半径r自动检测是通过所述的测控单元控制所述的气流开关开通大气流通道，启动稳压气源并且启动所述的电动推杆下降，稳压气流进入探头座内的所述的气体缓冲室后通过所述的毛细管向外排出，因所述的气体缓冲室内气体压力与所述的毛细管内半径直接相关，即毛细管内半径愈大，所述的气体缓冲室内气体压力愈小，反之亦然，因此，在所述的毛细管接近金属熔体的途中即可通过检测所述的气体缓冲室内的压力而准确测得所述的毛细管的内半径r。实施例6
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的被测熔体液面高度“零点”检测是测得所述的毛细管的内半径r后，即刻将所述的气流开关切换至小气流一侧，当所述的毛细管端口接触被测熔体液面时，因排气口被封闭会使所述的气体缓冲室内气体压力迅速升高，所述的测控单元将所述的气体缓冲室内气压突然升高时刻h对应位移传感器记录的位移值h定义为熔体液面高度“零点”。实施例7
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的气泡最大压力P1的检测是在所述的毛细管继续深入熔体的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端口的入水深度，达到预定深度hi时，所述的电动推杆第一次停止运动，气泡通过所述的毛细管端ロ均匀吹出，所述的微压传感器和所述的测控单元记录所述的气体缓冲室内气体压力随气泡生成、长大和脱离而变化的曲线，从ti时刻到t2时刻曲线峰值平均值即为Pi。实施例8
上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，所述的气泡最大压カP2的检测是从h时刻开始计吋，当毛细管在Ii1深度下吹气时间满足要求时，所述的电动推杆继续驱动毛细管下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端ロ的入水深度，达到预定深度h2时，所述的电动推杆第二次停止运动，吹气泡以及缓冲室内气体压力变化曲线记录重复步骤(3)所述过程，从セ2时刻开始计时，直至吹气时间满足要求后，所述的电动推杆反向运动，所述的毛细管被提离被测熔体，从セ2时刻开始直至毛细管被提起，缓冲室内气体压力变化曲线峰值平均值即为P2。实施例9 上述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，求解被测金属熔体表面张力0和密度P是所述的测控单元依据测得的所述的毛细管内半径r、二次入水深度比、h2以及对应的气泡最大压カP:、P2，通过联立方程组
P1 = P g h:+ 2 O /r(I)
2= Pgh2+2o/r(2)
即可求得被测熔体表面张カO和密度p。
权利要求
1.一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，其组成包括毛细管，所述的毛细管与微压传感器通过内部安装有气体缓冲室的探头座密封连通，稳压气源通过软管经过气流开关与所述的气体缓冲室连通，所述的探头座与测控单元电连接，电动推杆与所述的测控单元电连接，固定在台架上的位移传感器与所述的电动推杆电连接，所述的固定台上安装有坩埚。
2.根据权利要求I所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，其特征是所述的微压传感器是半导体应变片式或其他形式的高灵敏度微压传感器；所述的位移传感器是高精度位移传感器，包括电阻式或电感式传感器；所述的测控单元具有3路以上数据采集及4路以上开关量控制功能。
3.根据权利要求I或2所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置，其特征是所述稳压气源通过软管经所述的气流开关与所述的气体缓冲室连通，用以提供吹气泡用稳压气源；所述的电动推杆在测控单元的控制下做伸缩运动，进而驱动所述的探头座和所述的毛细管上下运动，使所述的毛细管浸入或提离所述的坩埚所盛合金熔体；固定在所述的台架上的所述的位移传感器用于实时监测电动推杆位移亦即所述的毛细管所处位置。
4.一种自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是该方法包括如下步骤 (1)毛细管内半径r自动检测打开稳压气源开关，稳压气体经气流开关、气体缓冲室和毛细管向大气排出，此时通过监测所述的气体缓冲室压力间接检则毛细管内半径r; (2)被测熔体液面高度“零点”检测电动推杆驱动毛细管下降，当所述的毛细管端口接触熔体液面时，所述的气体缓冲室内气压迅速升高，位移传感器和测控单元快速采集此时所述的电动推杆位移值作为被测熔体液面高度“零点”； (3)气泡最大压力的匕检测在所述的毛细管入水深度不断增加的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆的位移值并计算毛细管入水的绝对深度，当入水深度达到Ii1时，所述的电动推杆第一次停止下降，微压传感器和所述的测控单元检测气泡最大压力P1 ； (4)气泡最大压力P2的检测所述的电动推杆驱动所述的毛细管继续下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时检测所述的电动推杆位移并计算所述的毛细管入水绝对深度，当入水深度达到h2时，所述的电动推杆第二次停止下降，数据采集单元检测气泡最大压力P2 ； (5)求解被测金属熔体表面张力σ和密度P :所述的电动推杆反向运动将所述的毛细管提出被测熔体，所述的测控单元依据测得的INhptvP1和P2求解被测金属熔体表面张力σ和密度P。
5.根据权利要求4所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是所述的毛细管内半径r自动检测是通过所述的测控单元控制所述的气流开关开通大气流通道，启动稳压气源并且启动所述的电动推杆下降，稳压气流进入探头座内的所述的气体缓冲室后通过所述的毛细管向外排出，因所述的气体缓冲室内气体压力与所述的毛细管内半径直接相关，即毛细管内半径愈大，所述的气体缓冲室内气体压力愈小，反之亦然，因此，在所述的毛细管接近金属熔体的途中即可通过检测所述的气体缓冲室内的压力而准确测得所述的毛细管的内半径r。
6.根据权利要求4或5所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是所述的被测熔体液面高度“零点”检测是测得所述的毛细管的内半径r后，即刻将所述的气流开关切换至小气流一侧，当所述的毛细管端口接触被测熔体液面时，因排气口被封闭会使所述的气体缓冲室内气体压力迅速升高，所述的测控单元将所述的气体缓冲室内气压突然升高时刻h对应位移传感器记录的位移值Iitl定义为熔体液面高度“零点”。
7.根据权利要求4或5或6所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是所述的气泡最大压力P1的检测是在所述的毛细管继续深入熔体的过程中，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端口的入水深度，达到预定深度h时，所述的电动推杆第一次停止运动，气泡通过所述的毛细管端口均匀吹出，所述的微压传感器和所述的测控单元记录所述的气体缓冲室内气体压力随气泡生成、长大和脱离而变化的曲线，从h时刻到t2时刻曲线峰值平均值即为Pp
8.根据权利要求4或5或6或7所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是所述的气泡最大压力P2的检测是从h时刻开始计时，当毛细管在Ii1深度下吹气时间满足要求时，所述的电动推杆继续驱动毛细管下降，所述的位移传感器和所述的测控单元实时监测并计算所述的毛细管端口的入水深度，达到预定深度匕时，所述的电动推杆第二次停止运动，吹气泡以及缓冲室内气体压力变化曲线记录重复步骤(3)所述过程，从t2时刻开始计时，直至吹气时间满足要求后，所述的电动推杆反向运动，所述的毛细管被提离被测熔体，从t2时刻开始直至毛细管被提起，缓冲室内气体压力变化曲线峰值平均值即为P2。
9.根据权利要求4或5或6或7或8所述的自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的方法，其特征是求解被测金属熔体表面张力σ和密度P是所述的测控单元依据测得的所述的毛细管内半径r、二次入水深度以及对应的气泡最大压力PpP2,通过联立方程组 P1 = P g Ii1+ 2 σ /r(I) 2= Pgh2+2o/r(2) 即可求得被测熔体表面张力σ和密度P。
全文摘要
自动检测毛细管内半径及插入金属熔体深度的装置及方法。传统检测毛细管内半径的方法是采用读书显微镜人工注意测量，不仅检测周期长，而且无法实现自动化。本产品组成包括毛细管(1)，所述的毛细管与微压传感器(3)通过内部安装有气体缓冲室的探头座(2)密封连通，稳压气源(7)通过软管经过气流开关(5)与所述的气体缓冲室连通，所述的探头座与测控单元(8)电连接，电动推杆(6)与所述的测控单元电连接，固定在台架(10)上的位移传感器(4)与所述的电动推杆电连接，所述的固定台上安装有坩埚(9)。本发明用于二次下降吹泡法检测金属熔体表面张力和密度。
文档编号G01B13/10GK102853788SQ201210368670
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者李大勇, 马旭梁, 王利华, 石德全, 高桂丽 申请人:哈尔滨理工大学