[发明专利]同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置和方法

权利要求书

1.一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于包括电磁场施加系统、金属熔体加热和保护系统、金属熔体存储单元、电阻测量系统、测温系统和数据采集与处理系统组成；其中，所述的电磁场施加系统包括交流变频电源、直流电源和带水冷的励磁线圈组成，交流变频与励磁线圈相连提供连续或脉冲交变电磁场，直流电源与励磁线圈相连提供直流电磁场，交流变频电源和直流电源分别与励磁线圈连接提供振荡电磁场；所述的金属熔体加热和保护系统包括管式电阻保温炉，金属熔体存储单元置于管式电阻保温炉内，管式电阻保温炉整体置于励磁线圈的磁场施加范围内；所述的电阻测量系统由内电极、外电极、微欧表和双设定时间继电器组成，内、外电极的一端插入金属熔体储存单元的熔体内部，内电极另一端与微欧表电压端子相连，外电极另一端通过双设定时间继电器与微欧表电流端子连接或直接与微欧表电流端子相连；所述的测温系统包括K型热电偶和测温表，K型热电偶的一端插入金属熔体储存单元的熔体内部，另一端与测温表相连；测温表和微欧表，与数据采集与处理系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的交流变频电源产生的交变电磁场频率范围为2～100Hz，磁感应强度范围为0～0.5T，直流电源产生的直流电磁场的磁感应强度范围为0～0.9T，能够产生长约40cm的匀强磁场或最大梯度为1.5T/m的梯度磁场；产生的脉冲磁场的周期可调范围为20～600s，脉宽在10～300s，磁感应强度范围为0～0.7T。

3.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的带水冷的励磁线圈由表层带绝缘涂层的扁铜线缠绕在套筒的内筒的外壁上，由30个圆环线圈组成，每6个圆环串联成一个绕组，共计5绕组，当施加连续或脉冲交变电磁场时，5绕组全部串联,与交流变频电源连接，当施加直流电磁场时，5绕组全部串联并与直流电源连接，当施加振荡电磁场时，将5绕组中最中间的和两个边部绕组进行串联并与交流变频电源连接，另外2个绕组串联后与直流电源连接；所述的套筒由内筒和外筒组成，内筒是中空贯通的筒状结构，内筒与外筒之间通过两个封闭的底面相连，在底面上开设有为励磁线圈提供冷却水的进水口和出水口，内筒和底面的是由奥氏体不锈钢制成，外筒是镀镍碳钢制成，套筒整体固定在固定平台上。

4.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的管式电阻保温炉底部设置有滚动滑轮，使其在固定平台上的导轨上沿水平方向移动并定位，保温炉内置有带橡胶塞的石英管，橡胶塞中插有保护气进气管和出气管，金属熔体存储单元置于石英管内。

5.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的金属熔体存储单元是由耐火材料制成的用于储存金属熔体的容器。

6.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的K型热电偶由两根相同热电偶组成。两热电偶热端分别置于熔体两内电极部位，两Ni-Al丝在冷端短接，其中一个热电偶与测温表相连，两Ni-Cr丝的冷端与温差测温表相连。

7.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的数据采集与处理系统是带AD/DA高速数据采集卡的计算机硬件系统和实时连续同步显示和存储电阻和温度数据的软件系统组成的，计算机硬件系统通过通讯接口与温差测温仪和微欧表相连。

8.根据权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置，其特征在于所述的金属熔体是指纯金属熔体或合金金属熔体。

9.采用权利要求1所述的一种同步测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的装置测量磁致金属熔体电阻和电势差变化的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）将待测金属熔体加热到液相线温度以上150～250℃，将内电极、外电极和热电偶固定于金属熔体存储单元中，并将加热好的待测金属熔体倒入金属熔体存储单元中，待金属熔体凝固后把金属熔体存储单元移入石英管中，并在两端塞好橡胶塞，然后把石英管放入管式电阻保温炉内的中心恒温区位置，移动金属熔体加热和保护系统，使得金属熔体存储单元中心置于励磁线圈水冷套筒的中心位置，并连接好检测回路；

（2）升温管式电阻保温炉，加热待测金属熔体，向石英管进气口通入Ar保护气，开启计算机，设定双设定时间继电器的电流换向周期为2～10s，运行数据采集系统采集待测金属熔体的正向电阻R₊和反向电阻R_-、正向电势U₊和反向电势U_-，以及金属熔体对应的温度和温差，继续升温至测试温度T并保持30min；

或者测试电流不换向，只采集金属熔体中的正向电阻R和电势U，以及金属熔体对应的温度和温差；

（3）开启电磁场施加系统中的冷却水进水口阀门，开启交流变频电源、直流电源或二者同时开启，对待测金属熔体样品施加电磁场，施加至设定时间t后关停电磁场，并继续检测金属熔体的电阻和温度，直至电阻值回复到施加电磁场之前的数值，并保持15～20min，然后保存采集数据文件；

（4）当步骤（2）中设定电流换向开关的换向周期时，将所采集的数据文件中的正向和反向数据进行分离，分别绘制正向电阻R₊和反向电阻R_-随时间t变化的函数曲线图，正向电势U₊和反向电势U_-随时间t变化的函数曲线图，根据式

RDUT=12(U+-U-)---(1)]]>

UEMF=12(U++U-)---(2)]]>其中，R_DUT代表电流换向条件下待测金属熔体的电阻，U_EMF代表电流换向条件下待测金属熔体两端的电势差；

根据式（1）和式（2），得到R_DUT随时间t的变化曲线R(t)_DUT，U_EMF随时间t的变化曲线U(t)_EMF，根据R(t)_DUT或U(t)_EMF获得电磁场施加期间的待测金属熔体的电阻相对于施加电磁场前电阻的变化值ΔR或电势差变化值ΔU，以及停止施加电磁场后的金属熔体电阻变化值Δr及其变化存续时间Δt₁，停止施加电磁场后的金属熔体电势差变化Δu及其变化存续时间Δt₂；

当步骤（2）中只测正向电阻R和正向电势U时，直接根据数据绘制出在正向电流条件下，待测金属熔体的电阻R随时间t变化的R(t)函数曲线图，进而获得获得电磁场施加期间的待测金属熔体的电阻相对于施加电磁场前电阻的变化值ΔR或电势差变化值ΔU，以及停止施加电磁场后的金属熔体电阻变化值Δr及其变化存续时间Δt₁，停止施加电磁场后的金属熔体电势差变化Δu及其变化存续时间Δt₂；

（5）为保证测量数据的可重复性，按照步骤（2）、（3）和（4）测量多组数据。