用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號中濾除的設備和方法
2023-07-03 07:36:46 1
專利名稱：用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號中濾除的設備和方法
技術領域：
本發明涉及在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號中濾除的方法和設備。尤其地，本發明涉及用於在例如為真空電弧重熔法或電渣重熔法的冶金電重熔法的範圍中改進熔爐中的電極距離閉環控制系統的電極距離閉環控制的方法和設備。
背景技術：
在例如為電渣或真空電弧重熔法的冶金電重熔法的範圍中，將高電流在低電壓的情況下用於爐腔中電極的重熔，其中通過電流從電極的端部傳遞至熔化物，電極材料完全地熔化並且轉換成液態的熔化物，所述熔化物具有高純度的特性。電重熔法是用於製造最高純度的鋼的冶金方法，所述最高純度的鋼定向地凝固並且具有無缺陷的結構。在該方法中，將固態的鋼塊浸在熔渣池中，其中該塊作用為電極並且熔化。在通過熔渣時，硫和非冶金的夾雜物由熔渣接收並且隨後析出。鋼凝固在熔渣下。這樣製造的鋼具有改進的技術特性。真空電弧重熔法是用於製造高質量的熔化物的熔化過程，所述熔化物具有改進的化學和機械特性以及同質性並且符合最高的質量要求。對此，將電極在真空或低壓環境下在冷卻的爐腔中藉助於電弧熔化，其中液態的熔化物聚集在爐腔端部上並且必須關於熔化的電極下緣和液態熔化物的升高的表面之間的儘可能相等的距離進行高精度的閉環控制。這種基於電極的冶金重熔法通常在惡劣的電環境中進行，在所述電環境中存在大電流的負載並且在電源網絡中出現例如為電壓幹擾、振蕩的電壓值和高頻開關脈衝等的相應幹擾。例如，藉助於功率調整器和/或逆變器來驅動多個照明設備、加熱裝置或驅動馬達，使得電驅動裝置的高頻開關脈衝在電源網絡中是可檢測的。所述幹擾影響用於重熔法的直流電或交流電的電源電壓並且在那被檢測。通常，出現的網絡幹擾是周期性的，也就是說，根據電源網絡的頻率或多倍頻率出現，頻率例如為50Hz或60Hz。因此，在多個所述網絡幹擾的情況下建立對網絡周期的相位關係。所述幹擾能夠在作為用於重熔法的電源電壓轉換時饋送到重熔法的電系統中，並且在那產生負面影響。因此，在現代的重熔爐中，電極距離閉環控制，也就是說對電極與主要代表熔化物的質量的熔化物表面的距離的閉環控制基於直接地測量從電極到熔化物的電壓或電流，其中檢測出現的短路並且能夠基於所述短路對電極距離進行閉環控制。始終出現的同類的熔滴短路指示出恆定的電極距離。因此，例如得出同時的進一步改進，所述進一步改進考慮通過在窄的電壓範圍或小的時間區間中高精度地檢測電極短路進行改進的電極閉環控制。在該情況下，對電源電流產生影響的網絡幹擾對電極距離閉環控制產生非常負面的影響。
發明內容
本發明的目的是提出一種設備和方法，藉助於所述設備和方法能夠在冶金電重熔法的範圍中將電源網絡幹擾濾除，使得尤其能夠進行高精度的電極距離閉環控制，所述電極距離閉環控制基於對電極電流的電壓或電流幹擾的檢測。所述目的通過根據獨立權利要求所述的設備和方法來實現。有利的改進形式是從屬權利要求的主題。根據本發明，提出用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號中濾除的設備，所述設備尤其能夠用於熔爐的電極距離閉環控制系統的電極距離閉環控制。所述設備包括:至少一個電極傳感器裝置，所述電極傳感器裝置用於測量電極信號，尤其是電極的電極電流和/或電極電壓；網絡傳感器裝置，所述網絡傳感器裝置用於測量網絡信號，尤其是網絡電流和/或網絡電壓；以及濾波裝置，所述濾波裝置用於將網絡信號的網絡幹擾從電極信號中濾除，使得能夠輸出抑制網絡幹擾的電極信號。藉助於所述設備測量電的電極信號，例如為電極電壓或用於重熔電極的流動的電極電流，並且檢測網絡傳感器裝置的數據，從所述數據例如能夠確定網絡電流、網絡電壓或網絡頻率。此外，本發明包括濾波裝置，所述濾波裝置能夠將網絡信號的網絡幹擾從電極信號中濾除，使得能夠提供已清除的電極信號，其中抑制例如周期性出現的網絡幹擾。通過比較電極信號和網絡信號，能夠辨識並且消除電極信號中的網絡耦合的幹擾，使得電極信號僅包含關於重熔過程的信息並且不包含周圍的電氣裝置的幹擾作用。這樣被濾波的電極信號例如能夠實現高精度地閉環控制在電極和熔化物的液態表面之間的電極距離，使得能夠實現重熔物的改進質量。根據一個有利的改進形式，濾波裝置能夠包括用於對電極信號的和/或網絡信號的相關的信號範圍進行頻率濾波的至少一個頻率濾波單元。例如，濾波裝置能夠包括例如為電容器、扼流圈、歐姆電阻器等的傳統的濾波元件，或者是包括例如為電晶體、晶閘管或集成電路的開關組件的有源濾波電路，所述開關組件能夠將周期性出現的網絡幹擾從電極信號中濾除。頻率濾波單元當然也能夠包括複雜的信號處理單元，所述信號處理單元對電極信號或網絡信號進行分析，以便能夠將相關的信號幹擾以模擬或數字的方式從電極信號中濾除。根據另一個有利的實施例，濾波裝置能夠包括用於使網絡信號和/或電極信號相互適配的至少一個適配單元和用於使相適配的信號相減的減法單元。在基於交流電的重熔法的情況下，按比例縮放網絡信號或電極信號例如能夠導致兩種信號能夠在振幅方面相互匹配，使得信號的簡單相減僅能夠在電極信號中造成由重熔過程引起的幹擾，使得基於所述短路信息能夠進行電極閉環控制。在直流電壓重熔法的情況下，例如網絡信號能夠被整流，並且在振幅方面適配於電極信號，使得在該情況下減法同樣也能夠導致將網絡引起的錯誤濾除。根據一個有利的改進形式，濾波裝置能夠包括相位檢測單元和存儲單元，所述相位檢測單元用於檢測網絡相位值，所述存儲單元用於將電極信號和/或網絡信號的時間離散的與相位相關的採樣值存儲在多個相位存儲位置中。因此，濾波裝置能夠根據確定的網絡相位值一所述網絡相位值能夠藉助於相位檢測單元、例如基於網絡相位的交零來確定——對離散的時刻取得在存儲位置上的電極信號和/或網絡信號的採樣值，並且因此將相繼的採樣值的離散的圖像存儲在相繼的相位時刻中、也就是網絡周期的採樣時刻中，所述存儲位置在下文中稱作相位存儲位置。由此，能夠對網絡信號和/或電極信號的採樣的相位進行分析，其中在重複採樣之後能夠將明顯的網絡幹擾濾除。基於上述實施例，此外有利地，相位檢測單元能夠包括網絡相位識別機構，尤其是PLL相位識別機構。相位檢測單元具有識別相位、也就是識別網絡電壓的周期的交零時刻的目的。為此提出使用網絡相位識別機構，例如為從相位連接控制中已知的相位識別機構或PLL相位識別機構(鎖相環)。稱為「鎖相環」的相位閉環控制迴路是能夠檢測相位位置、進而在此檢測振蕩頻率的電子電路裝置，其中能夠實現外部的網絡信號和產生的信號之間的儘可能小的相位偏差。所述相位閉環控制迴路用於識別和跟蹤網絡的相位，甚至在網絡載有強的網絡幹擾時也如此並且能夠可靠地傳遞精確的相位信息。所述相位閉環控制迴路能夠用於在網絡周期之內將採樣值以高精度的方式分配給各個相位存儲位置。如果能夠將與相位相關的採樣的電極信號或網絡信號存儲，那麼原則上這能夠任意地進行。基於上述實施例，在一個有利的改進形式中，相位檢測單元能夠包括多路復用器單元和分配器單元，其中多路復用器單元將電極信號的和/或網絡信號的採樣值分配給相位存儲位置，並且分配器能夠以正確的相位關係讀出相位存儲位置的採樣值。在該情況下提出，基於相位檢測單元所檢測到的相位來控制多路復用器，所述多路復用器分別連接預定的相位存儲位置，所述相位存儲位置能夠分配有確定的相位時刻的採樣值，其中多路復用器能夠依據檢測到的相位從一個相位存儲位置轉接到下一個相位存儲位置。與此相應地，藉助於分配器根據檢測到的相位來詢問相位存儲位置的內容並且其數值能夠連續地讀出，以便重建所存儲的信號。因此，由相位檢測單元、多路復用器和分配器組成的組合用於將採樣值儲存在所謂的相位存儲位置中，所述相位存儲位置能夠存儲電極信號或網絡信號在網絡周期上的在時間上的進展。因此，存在根據信號在網絡周期上的進展的相位值劃分的掃描圖。相位存儲位置的值之間的各個相位距離能夠選擇成是恆定的，然而也能夠設計成是可變的。因此提出，在出現大的變化或幹擾脈衝的相位範圍中與在存在各個相位點之間的小變化的範圍中相比選擇更小的相位距離。基於上述實施例，有利地，濾波裝置還能夠包括用於對電極信號中的周期性的網絡幹擾進行分析的周期性分析單元，其中周期性分析單元能夠讀出、改變和存儲在存儲單元的相位存儲位置中存儲的與相位相關的採樣值。在此，周期性分析單元對各個相位存儲位置進行訪問並且能夠讀出各個相位存儲位置中的與相位相關的採樣值並且進行相互比較並且例如在多個周期期間觀察在各個相位存儲位置中的值的進展並且識別，是否在特定的相位存儲位置中包含周期性的信號部分。所述周期性的信號部分能夠辨識成周期性的網絡幹擾並且不同於電極信號的靜態分布的短路幹擾。這種相位恆定的幹擾能夠由周期性分析單元在相位存儲位置中去除，使得能夠將網絡幹擾從接收的電極信號中移除。基於上述實施例，周期性分析單元能夠對相位存儲位置的可分配的採樣值與所述相位存儲位置的之前存儲的歷史採樣值以可調節的方式取平均值或平滑化並且/或者與時間上相鄰的相位存儲位置的採樣值以可調節的方式進行加權。在此，能夠考慮的是，每個相位存儲位置包括多個寄存器，所述多個寄存器包含之前的網絡周期的歷史採樣值。周期性分析單元能夠將每個相位的當前存儲的採樣值與相同相位時刻的之前的採樣值或與相鄰的相位存儲位置的當前和歷史值進行比較。在此，周期性分析單元能夠在時間上或網絡周期歷史上相鄰地來執行取平均值、平滑化和分析。周期性分析單元能夠非常簡單地識別在特定的相位範圍或時間間隔中的高的振幅變化的範圍。在此，能夠考慮並且有利的是，周期性分析單元能夠以適配的方式控制多路復用器單元或分配器單元的切換相位區間，以便建立適合的時界。例如，周期性分析單元在出現小幹擾的相位範圍中定義大的切換相位區間，並且在出現高頻幹擾的相位範圍中確定小的相位時間間隔，使得多路復用器和分配器單元不能夠進行等距的採樣，而是對出現的振幅值在相位時間間隔上進行可適當調節地採樣。因此，能夠在相關的頻率範圍中實現以可適當調節的方式濾除幹擾。例如，能夠對50Hz或60Hz的網絡周期建立1000至5000個相位存儲位置。這在1000個存儲位置的情況下對應於16 μ s至20 μ s的相位時間間隔。因此，能夠考慮在直到25kHz的範圍中的網絡幹擾。相應地，在更高數量的相位存儲位置的情況下能夠考慮更高頻率的網絡幹擾。通常，馬達控制逆變器以16kHz的採樣頻率工作，功率調整器造成直到20kHz或更高的範圍中的顯著的幹擾脈衝，使得提供1000至20000個大量相位存儲位置。在並列的方面中，本發明提出用於在冶金重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號中濾波的方法，所述方法尤其能夠用於電極距離閉環控制並且優選地在使用根據上述權利要求之一所述的設備的情況下應用。在此，對尤其是電極的電極電流和/或電極電壓的電極信號和尤其是網絡電流和/或網絡電壓或網絡頻率的網絡信號進行測量並且將網絡信號的網絡幹擾從電極信號中濾除，使得能夠輸出抑制網絡幹擾的電極信號。濾波方法不僅考慮電極信號自身的進展、而且考慮能夠從網絡電壓得到的至少一個相位關係。基於測量出的網絡電壓，能夠將從電源網絡到達電極信號中的幹擾從電極信號中消除。在此能夠從網絡信號導出的相位關係例如能夠用於將與相位相關的網絡幹擾從電極信號中移除。根據一個有利的改進形式，能夠使電極信號和網絡信號相互適配並且相減。例如，在基於交流電壓的重熔法的情況下，能夠將網絡信號以按比例縮放的方式轉換成電極信號的大小並且從電極信號中去除，其中能夠消除電極信號中的全部相應的網絡信號幹擾。通常留下其中僅包含受重熔法影響的幹擾的電極信號。在基於直流電壓的重熔法的情況下，能夠將網絡信號整流，其中在已整流的網絡信號中同樣也構成網絡幹擾並且所述網絡幹擾能夠以按比例縮放的方式從已整流的電極信號中去除，以便能夠對電極信號的僅通過重熔法造成的幹擾進行分析。根據所述方法的一個有利的改進形式，能夠基於網絡信號來識別網絡相位並且存儲電極信號的與相位相關的採樣值，使得基於電極信號採樣值能夠識別周期性的網絡幹擾並且將其從電極信號中去除。因此，所述方法過程提出，存儲電極信號的與相位相關的採樣值並且相對於網絡周期對其相位關係進行分析，其中能夠將與網絡相位相關的幹擾信號部分從電極信號採樣值中濾除。根據一個有利的改進形式，能夠將採樣值與之前的採樣值取平均值和/或與相位相鄰的採樣值以可調節的方式進行加權，尤其是與振幅、相位和/或頻率相關地進行加權。通過相位採樣，在小相位差的情況下能夠僅將採樣值不準確地分配給精確的相位。因此，通過考慮相鄰的相位值並且同樣考慮之前的網絡相位值並且在分析相位關係時考慮對相鄰的相位值以及之前的網絡相位值加權或平滑化，能夠實現濾波作用的改進。附加的或替代的濾波可能性能夠存在於，例如通過觀查附近的相位環境對帶有相位波動的幹擾出現的相位位置進行定位並且在所述時刻中通過例如為具有適配的截止頻率的低通濾波器的另一濾波器來對已濾波的信號進行濾波。適配由所述相位位置上的幹擾類型引起。例如，晶閘管控制器在較長的時間間隔期間在相位40+/-1-2°時快速地且無規則振蕩地接通和關斷加熱器。因此，在38°至42°的範圍中出現負載斜坡。所述斜坡例如具有例如對應於IOkHz的譜的斜度。濾波器在38°至42°的範圍中不能夠有效地濾除幹擾，因為在所述範圍中，幹擾以相位的方式發生變化。但是，下遊的僅在相位在38°和42°之間的時間區間中接通的具有〈IOkHz的截止頻率的低通濾波器能夠抑制高頻的相位模糊的幹擾。所述低通濾波器可以說「修飾」電極信號，使得僅沒有抑制確定地沒有通過幹擾疊加的部分。因此，僅在一定的小的相位時間間隔中一尤其小於10°、優選地小於5° —可選擇性接通的尤其是低頻濾波器的頻率濾波器有效地抑制周期性出現的幹擾，而不損害統計學無關的短路信息。此外，在該時間範圍中出現的幹擾信號能夠在考慮電極距離閉環控制的情況下被忽視。對此能夠有利的是，將關於對要忽視的信號部分定位的信息轉發給閉環控制裝置，例如為熔滴檢測器。根據一個有利的改進形式，採樣值的相位區間能夠根據出現的信號變化來適當地匹配。相位區間，也就是網絡周期之內的兩個採樣值的時間間隔例如能夠匹配於網絡電壓的變化或電極信號的變化，使得在電極信號或網絡信號中的高頻幹擾的情況下能夠設定更細微的採樣，也就是說與在具有小幹擾的區域中相比更短的相位區間。因此，在相位採樣值的解析度有限的情況下實現濾波作用的改進的精度。適配也能夠通過預設期望的濾波精度或期望的濾波範圍而受到影響。根據一個有利的改進形式，採樣值的數量能夠可變地尤其匹配於重熔過程的網絡幹擾和/或相位的類型和範圍。例如，在開始的僅小的電極幹擾出現或網絡幹擾僅起次要作用的重熔相位中，選擇網絡濾波器的相對粗糙的解析度，並且在高靈敏的重熔相位的範圍中使用具有大量相位存儲位置和相應高的計算耗費的儘可能高的解析度，以便能夠將網絡幹擾尤其在例如為高或低的熔滴短路率的範圍中有效地濾除。由此，能夠根據期望的濾波器精度來適當地使用幹擾濾波器。原則上能夠將基於相位檢測的設備在其作用原理方面與逐漸變暗的例如為示波器的發光屏幕進行比較。這種方法在現代的數字示波器中稱作數字持久模式並且用於分析複雜的振蕩過程:在例如為50Hz、也就是20ms或例如為60Hz、也就是16.66ms的網絡周期之內記錄例如為電極電壓或電極電流的電極信號數據並且將其儲存在離散的相位存儲位置中。在網絡周期多次重複之後，通過取平均值和比較操作，僅下述數值持久地繼續存在於相位存儲位置中，所述數值周期性地獲得、也就是對網絡周期具有固定的相位關係，例如為簡諧振蕩。出現一次的幹擾「逐漸變暗」。這與掠過示波器的發光屏幕並且發光的電極射束類似，其中只要所述信號不再繼續周期性地出現，發光的範圍隨著時間逐漸消失。能夠將這種以固定的相位關係周期性地出現的信號解釋成網絡幹擾並且從原始記錄的電極信號去除，使得存在無幹擾的電極信號。在該意義下，將在相鄰的相位存儲位置或之前的相位存儲位置之間取平均值解釋成短暫的「相位記憶」，使得具有相位關係並且在網絡周期之內重複並且在多個網絡周期期間出現的信號部分繼續存在，其中例如歸因於熔滴短路的隨機幹擾沒有形成在相位存儲器的所記錄的信號中。將在存儲單元中示出的「發光的」信號從當前記錄的電極信號中減去引起抑制了相對於網絡周期具有固定的相位關係從而解釋成網絡幹擾的信號部分。
本發明的其他優點從當前的附圖描述中得出。在附圖中示出了本發明的實施例。附圖、描述和權利要求包含大量特徵的組合。適當地，本領域技術人員也單獨地考慮特徵以總結成其他合適的組合。示出:圖1示出帶有基於電的電極距離閉環控制的冶金電重熔設備的示意圖；圖2示出濾除設備的第一實施例；圖3示出濾除設備的第二實施例的示意圖；圖4示出濾除設備的另一個實施例；圖5示出濾除設備的另一個實施例；圖6示出未濾波的、已濾波的電極信號以及網絡幹擾信號在圖中，相同的或同類的部件以相同的附圖標記標明。
具體實施例方式圖1示意地示出冶金電重熔設備，在該情況下是真空電極重熔設備，在所述真空電極重熔設備中，在電熔爐10中藉助於電極驅動設備12來調節電極30相對於熔化物32的液態表面的距離。電極驅動設備12豎直地移動電極進給杆20，在所述電極進給杆上固定電極30，並且所述電極進給杆對電極下緣相對於熔化物32的液態表面的距離進行調節。熔化物32被包圍在水冷的真空爐腔22中，其中低壓或真空通過真空產生設備24來產生。由於直接的電極距離測量在測量技術方面是難於進行的，通過考慮電極信號、即通過電流導線18輸送至電極和熔化物32的電極電流或施加的電極電壓實施間接測量。為此，將例如為電流和/或電壓測量裝置的電極傳感器裝置44連接在電極30的電流導線18上，其信號由電極距離閉環控制系統48截取。電極電壓或電極電流由重熔電源設備16來提供。重熔電源設備16通過例如作為三相交流電流的電源網絡42或在插入變壓器的情況下從高壓網絡獲得電源電壓。由於在附近的電氣環境中安裝的大電流負載，涉及的電源網絡42的電能能夠與幹擾疊加。所述幹擾例如是電壓幹擾、由於例如由電馬達驅動或諸如為基於晶閘管的調光器電路的功率調整器進行的相位角控制以及對照明設備、加熱器、機器的周期性的開關過程引起的高頻振蕩和脈衝等。所述幹擾通過供電裝置16耦合到電極信號中，一方面對重熔過程造成負面影響，並且另一方面對直接測量電極信號的重要參數造成困難，所述重要參數例如能夠用於距離閉環控制。這例如能夠是熔滴短路率、施加的直流電壓的恆定性等。為了將這些負面的網絡幹擾信號從電極信號中濾除，電極距離閉環控制系統48包括網絡幹擾濾波設備40以及電極距離閉環控制設備72，所述電極距離閉環控制設備能夠直接地控制電極驅動設備12，以便調節最佳的電極距離。電極距離閉環控制設備72以無網絡幹擾的電極信號為基礎進行距離閉環控制。圖2示出了網絡幹擾濾波設備40的第一實施例。在圖2中示出的網絡幹擾濾波設備40以按比例縮放電極信號和/或網絡信號為基礎，使得兩個信號能夠相互適配和相減。為此，網絡幹擾濾波設備40包括例如為電壓或電流測量器的電極傳感器設備44，所述電極傳感器設備截取重熔電極的電流導線18的電極信號。將電極傳感器裝置44的電極信號82傳遞到信號適配單元54上。與此並行地，網絡傳感器裝置46接收電源網絡42的網絡信號86並且同樣也將其傳遞到信號適配單元54上。兩個信號適配單元使電極信號82或網絡信號86相適配，使得兩個信號能夠在減法單元56中相減，使得僅不存在於網絡信號86中的信息部分保留在電極信號82中。因此，能夠將網絡幹擾從電極信號82中清除並且將其作為抑制網絡幹擾的電極信號80輸出。信號適配單元54例如能夠包括變壓器、整流器、放大器、衰減器等。尤其地，在基於直流電壓的電極重熔法中能夠包括整流器或逆變器，以及包含模擬或數字器件，例如電極或網絡信號82、86以數字形式由所述數字器件改進並且藉助於數字處理能夠相減。圖3示意地示出網絡幹擾濾波設備40的另一個實施例，在所述網絡幹擾濾波設備中，同樣也將電極信號82通過電極傳感器裝置44從重熔電極的電流導線18以及將網絡信號86通過網絡傳感器裝置46從電源網絡42截取並且輸送至濾波裝置50。在濾波裝置50之內，通過相位檢測單元58來接收網絡信號86，其中識別出例如為50Hz或60Hz的網絡周期(周期持續時間為20ms或16.66ms)。因此，目前識別出的網絡信號的網絡相位是已知的並且能夠進行基於網絡相位的振幅比較。電極信號和網絡信號82、86傳遞到相位檢測單元58上並且傳遞到周期性分析單元70中。此外，將電極信號82傳遞至存儲單元60，在所述存儲單元中對採樣的電極信號部分進行相位相關的存儲。因此，與在發光監控器表面記錄的電極射束相似，電極信號的信號儲存在存儲單元60的相位存儲位置中並且能夠通過周期性分析單元70關於出現與網絡周期相關的幹擾進行研究。周期性分析單元70能夠考慮到一方面當前存在的相位時間以及之前的和相鄰的相位位置的信號，以便在存儲在存儲單元60的相位存儲位置中的電極信號採樣值中辨別出周期性出現的幹擾信號部分。之後，能夠將在存儲單元60中識別出的幹擾信號部分從接收的電極信號82中去除，以便輸出抑制網絡幹擾的電極信號80。以在圖3中示出的實施例為基礎，圖4示出了網絡幹擾濾波設備40的一個實施例的詳細視圖，所述網絡幹擾濾波設備以基於相位地檢測網絡幹擾為基礎。圖4的網絡幹擾濾波設備40包括用於接收網絡信號86的網絡傳感器裝置46和用於接收電極信號82的電極傳感器裝置44。例如包括相位識別機構64、尤其是包括PLL的相位檢測單元58從網絡信號86中提取網絡周期持續時間以及相應地施加的網絡相位的信息，例如以時間偏移At或角度φ的形式，所述角度從O至360°的伸展並且覆蓋例如為50Hz (20ms)或60Hz(16.66ms)的網絡周期。網絡信號86被評估僅用於提取網絡相位信息並且對其他的信號處理沒有任何意義，因為信號處理僅專注於電極信號並且基於電極信號和網絡相位的知識來進行對與相位相關的幹擾信號的辨別。電極信號82 —方面傳遞到減法單元56上並且另一方面在經由頻率濾波單元52的低通濾波之後傳遞到多路復用器單元66上，所述多路復用器單元與已識別的相位相關地將採樣的電極信號分配給存儲單元60的各個相位存儲位置62。因此，將採樣的電極信號值儲存到有限數量的相位存儲位置中，其中對每個採樣值已知相位關係。相位存儲位置62例如能夠是採樣和保持元件，所述採樣和保持元件能夠進行瞬時值採樣和存儲採樣值。在此，相位存儲位置62尤其能夠是「易忘的」相位存儲位置，所述「易忘的」的相位存儲位置例如作為類似於低通濾波器的電容器電阻結構(R-C元件)在可調節的短暫時間之後「忘記」存儲的值。因此，例如在一個周期之內記錄的電極信號在另外兩至三個網絡周期之後已完全地從相位存儲位置中刪除。在存儲單元60的相反側存在分配器單元68，所述分配器單元能夠進行以正確的相位關係讀出相位存儲位置62所存儲的值並且能夠重建存儲的電極信號。將重建的採樣電極信號在減法單元58中從實際的電極信號82中減去，由此能夠輸出不含直流電壓且不含網絡幹擾信號的電極信號80。對於幹擾信號抑制的品質重要的是相位存儲位置62的特性，例如在一個或多個網絡周期之後忘記所儲存的值或者使其變小。這能夠類似於在發光表面上記錄的電極射束的發光地來解釋。如果僅一次檢測信號部分，那麼所述信號部分實際上根本不發光或僅短暫地發光。幹擾信號周期性地出現引起相位存儲位置62之內的「發光」或持久的存儲，使得能夠可靠地將幹擾信號從電極信號82中移除。因此，減法單元56尤其將以相對於網絡周期的確切相位關係重複地頻繁出現的信號部分從電極信號82中移除。因此，在不知道網絡幹擾類型的情況下並且基於相位存儲位置82的與相位相關的存儲能力能夠對電極信號82中的與相位相關的信號幹擾進行抑制。優選地，相位存儲位置62以低通濾波器的形式構造，也就是RC電路或相當於LR電路。以與在圖4中示出的實施例相似的方式，圖5示出了網絡幹擾濾波設備40的另一個實施形式，所述網絡幹擾濾波設備基本上包含與在圖4中示出的實施例相同的元件。相位存儲位置62的「易忘性」由周期性分析單元70來監控和實現，所述周期性分析單元不僅對多路復用器單元66、而且對分配器單元68進行訪問，並且能夠根據信號類型對電極信號的採樣進行控制。因此，例如能夠在出現大變化的相位範圍中選擇較小的相位區間，以便實現採樣的電極信號的改進的解析度。與此相應地，分配器單元必須在該相位位置中實現電極信號的改進的採樣以用於重建周期性的網絡幹擾信號。此外，周期性分析單元70能夠對存儲單元60的各個相位存儲位置62進行訪問，以便例如將各個採樣和保持元件或相位存儲位置中的採樣值與相鄰的採樣值進行比較、取平均值或平滑化並且例如將上一採樣周期的存儲值與目前存在的採樣值進行比較。因此，能夠在周期中關於不僅在相位時間上相鄰的而且歷史上上一個的相位值進行取平均值，以便例如考慮幹擾信號的相位漂移。因此，周期性分析單元70 —方面能夠使相位存儲位置62之內的不規律出現的採樣值「逐漸變暗」，並且也對之前的值進行分析並且對相鄰的相位存儲值進行考慮。單元70例如能夠通過低通濾波或通過平均和衰減功能來考慮之前的相位值或相鄰的相位值，並且重建幹擾信號值的局部模糊。在之前不能夠檢測到特別的網絡幹擾或不能夠確定在電極信號82中明顯地周期性出現的幹擾部分的相位範圍中，能夠使用大的相位間隔區間來控制多路復用器單元和分配器單元66、68。在出現高的幹擾強度的範圍中，例如在表示網絡信號86的多倍的周期持續時間的周期性的範圍中，能夠在存儲單元60中設定小的相位採樣間距、即採樣的電極信號的高解析度。此外，根據重熔相位能夠對網絡幹擾信號進行耗費的分析或者也能夠進行粗濾波。隨後，圖6示出幹擾的電極信號82的曲線和從其提取的抑制網絡幹擾的網絡幹擾信號80。清楚地，在圖6a中在大約15ms時確定了熔滴短路88，所述熔滴短路與相位不相關並且僅出現一次。此外，觀察到電極信號82中的疊加的簡諧振蕩，所述簡諧振蕩是在抑制網絡幹擾的電極信號80中提取的。為此，圖6b示出辨別出的網絡幹擾信號84，在所述網絡幹擾信號中能夠清楚地識別出與相位相關的幹擾部分，尤其是網絡的多倍的簡諧的周期持續時間。在分配器單元68的輸出端上提供網絡幹擾信號84，使得能夠藉助於減法單元56將所述網絡幹擾信號從幹擾的電極信號82中去除。所產生的抑制網絡幹擾的電極信號80是不含直流電壓的且抑制了基本上與相位相關的、周期性出現的幹擾部分，所述幹擾部分歸因於網絡幹擾。從現有技術中已知的靜態的頻率濾波器僅能夠對幹擾信號或電極信號的相關頻率範圍進行頻率限制，而不能夠在相關的頻率範圍之內濾除網絡幹擾。這種有規律的網絡幹擾例如能夠是相位角控制的或逆變器的開關脈衝，所述開關脈衝具有相對於網絡相位的確切的相位關係或確切的周期性並且有規律地出現。例如，在三相交流電動機閉環控制、力口熱或照明閉環控制的範圍中出現開關幹擾信號的確切的頻率關係，所述頻率關係與網絡周期相關。本發明提出，將周期性出現的幹擾，例如網絡周期的多倍簡諧的諧波或其他的與頻率相關的不具有統計學任意分布的幹擾信號濾除。網絡幹擾濾波設備例如能夠用在真空電弧重熔法、電渣重熔法或相似的電重熔法中。作為相位存儲位置能夠使用典型的低通濾波設備，例如為RC元件或LR元件,所述RC元件或LR元件能夠實現在多個周期上使採樣的信號值緩慢地消失。濾波器原則上能夠用於濾除幹擾信號，所述幹擾信號以與濾波觸發信號相同的頻率出現，並且相互處於足夠固定的相位關係中。因此，能夠有效地抑制整流器幹擾、相位角控制幹擾或網絡頻率高次諧波。在一個實施形式中，從觸發信號中獲得信號，信號描述觸發信號所基於的振蕩例如網絡頻率的當前相位。所述信號對多路復用器和分配器進行控制並且確定，當前激活哪些相位存儲位置，即激活哪些低通濾波器。將幹擾的電極信號分配給屬於當前相位的低通濾波器、採樣並且在時間上取平均值以及根據需要通過分配器再次從電極信號中去除。因此，能夠實現移除幹擾信號，所述幹擾信號相對於觸發信號具有相位固定的關係，其中靜態分布的幹擾信號、例如熔滴短路能夠保留在電極信號中。觸發器的穩定例如能夠通過PLL (鎖相環電路)或DLL (延遲鎖相環)或相似的電路來實現。相位存儲器具有採樣性質，其中輸出值延時地跟隨輸入值，也就是說，不是跟隨於暫時的變化，而是跟隨於在多個周期期間出現的變化。低通濾波器的延時例如能夠在重熔工作期間單獨地發生變化和例如根據信號的出現選擇成高或低的。對此，對每個低通濾波器測定下述值，所述值與輸入信號與輸出信號的偏差相關並且所述偏差例如能夠通過RMS取平均值(均方根)進行。每個相位存儲位置的低通濾波性質例如能夠基於所述偏差。每個相位存儲位置的延時能夠在每個相位過程中通過人們藉助於時間相關的加權功能考慮其相鄰相位與在之前的相位過程中其自身的偏差來重新確定。所述加權功能尤其能夠具有時間解析度和/或頻率解析度並且例如從傅立葉變換中得出。此外，所述加權功能能夠是自最優化的，並且由周期性分析單元70使用，所述周期性分析單元跟隨方程SH (n):=f (SH [n-j] [z_i], SH [n] [z_i], SH[n+j] [z_i],其中 n=相位存儲位置，z=之前的相位值。因此，方程能夠考慮之前的周期z和相鄰的存儲位置η。包含相鄰的相位存儲位置的採樣值引起，具有相位相關性的幹擾信號僅具有小的作用。最後，在能夠出現相位偏差的位置上的濾波作用減小。可調節的適合的衰減最優化地適配於出現的幹擾信號的特性。通過從電極信號中提取基於網絡的幹擾信號能夠實現改進的電極距離閉環控制或用於重熔法的其他的閉環控制標準，這導致重熔物提高的質量。提出的發明具有少的技術耗費，並且顯著地改進了重熔結果並且例如能夠用在對存在的重熔爐的改進形式中，但是也能夠用在新型設備中。
權利要求
1.用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾(84)從電極信號(82)中濾除的設備(40)，尤其是用於熔爐(10)的電極距離閉環控制系統(48)的電極距離閉環控制，所述設備包括:至少一個電極傳感器裝置(44)，所述電極傳感器裝置用於測量電極信號(82)，尤其是電極(30)的電極電流和/或電極電壓；網絡傳感器裝置(46)，所述網絡傳感器裝置用於測量網絡信號，尤其是網絡電流和/或網絡電壓；和濾波裝置(50)，所述濾波裝置用於將所述網絡信號的網絡幹擾(84)從所述電極信號(82)中濾除，使得能夠輸出抑制網絡幹擾的電極信號(80)。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述濾波裝置(50)包括至少一個頻率濾波單元(52)，所述頻率濾波單元用於對所述電極信號(82)和/或所述網絡信號的相關的信號範圍進行頻率濾波。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中所述濾波裝置(50)包括至少一個適配單元(54 )和減法單元(56 )，所述適配單元用於使所述網絡信號和/或所述電極信號(82 )相互適配，所述減法單元用於使相適配的信號相減。
4.根據上述權利要求之一所述的設備，其中所述濾波裝置(50)包括相位檢測單元(58)和存儲單元(60)，所述相位檢測單元用於檢測網絡相位值，所述存儲單元用於將所述電極信號(82)和/或所述網絡信號的時間離散的與相位相關的採樣值存儲在多個相位存儲位置(62)中。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述相位檢測單元(58)包括網絡相位識別機構(64)，尤其是鎖相環相位識別機構。
6.根據權利要求4或5之一所述的設備，其中所述相位檢測單元(58)還包括多路復用器單元和分配器單元(66，68)，其中所述多路復用器單元(66)能夠將所述電極信號(82)的和/或所述網絡信號的採樣值分配給相位存儲位置(62)並且所述分配器單元(68)能夠以正確的相位關係讀出相位存儲位置(62)的採樣值。
7.根據權利要求4至6之一所述的設備，其中所述濾波裝置(50)還包括周期性分析單元(70)，所述周期性分析單元用於對所述電極信號(82)中的周期性的網絡幹擾(84)進行分析，其中所述周期性分析單元(70)能夠讀出、改變和存儲在所述存儲單元(60)的所述相位存儲位置(62)中存儲的與相位相關的採樣值。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述周期性分析單元(70)對相位存儲位置(62)的可分配的採樣值與所述相位存儲位置(62)的之前存儲的採樣值以可調節的方式取平均值並且/或者與相鄰的相位存儲位置(62)的採樣值以可調節的方式進行加權。
9.根據權利要求7或8之一所述的設備，其中所述周期性分析單元(70)能夠以可適配的方式對所述多路復用器單元和分配器單元(66，68)的切換相位區間進行控制。
10.用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾從電極信號(82)中濾波的方法，尤其是用於電極距離閉環控制並且優選地在使用根據上述權利要求之一所述的設備(40)的情況下，其中對尤其是電極(30)的電極電流和/或電極電壓的電極信號(82)和尤其是網絡電流和/或網絡電壓的網絡信號進行測量，並且將所述網絡信號的網絡幹擾(84)從所述電極信號(82)中濾除，使得能夠輸出抑制網絡幹擾的電極信號(80)。
11.根據權利要求10所述的方法， 其中所述電極信號(82)和所述網絡信號相互適配並且相減。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其中以所述網絡信號為基礎識別網絡相位並且存儲所述電極信號(82)的與相位相關的採樣值，使得以電極信號採樣值為基礎識別周期性的網絡幹擾(84)並且將其從所述電極信號(82)中去除。
13.根據權利要求12所述的方法，其中將所述採樣值與之前的採樣值取平均值並且/或者與相位相鄰的採樣值以可調節的方式加權，尤其是與相位和/或頻率相關地加權。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中根據出現的信號變化對所述採樣值的相位區間進行適合的適配。
15.根據權利要求12至14之一所述的方法，其中所述採樣值的數量是可變的，尤其是適配於所述網絡幹擾的類 型和範圍和/或重熔過程的相位。
全文摘要
本發明涉及用於在冶金電重熔法中將電源網絡幹擾(84)從電極信號(82)中濾除的方法和設備(40)，尤其是用於熔爐(10)的電極距離閉環控制系統(48)的電極距離閉環控制。所述設備為此包括至少一個電極傳感器裝置，所述電極傳感器裝置用於測量電極信號(82)，尤其是電極(30)的電極電流和/或電極電壓；網絡傳感器裝置(46)，所述網絡傳感器裝置用於測量網絡信號，尤其是網絡電流和/或網絡電壓；以及濾波裝置(50)，所述濾波裝置用於將網絡信號的網絡幹擾(84)從電極信號(82)中濾除，使得能夠輸出抑制網絡幹擾的電極信號(80)。
文檔編號F27D21/00GK103180683SQ201180051021
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月6日 優先權日2010年10月21日
發明者拉爾夫·厄勒, 哈拉爾德·斯科爾茨, 弗蘭克-韋納·霍夫曼 申請人:Ald真空工業股份公司