测量传感器、系统和方法及铸造机

技术领域

本发明涉及用于测量用于铸造熔融金属的模具中的至少一个物理量的传感器、系统和方法。本发明还涉及设置有这种传感器或系统的铸造机。

定义

在本说明书和所附权利要求书中，必须根据以下给出的定义理解以下术语。

术语“上部(的)”、“在上部”、“下部(的)”、“在下部”必须被理解为是指重力的方向。

在本发明中，术语“液态金属”是指包括处于液态的纯金属和金属合金两者，这些纯金属和金属合金处于至少等于它们的熔点之一的温度。

在本发明中，术语“超声”是指具有高于0.5MHz和低于5MHz的频率的弹性波。

背景技术

在钢或通常的金属和金属合金的生产领域中，通过连铸机发挥着一种必不可少的作用。连续铸造是一种允许根据钢结构半成品产品的尺寸和形状来生产称为钢坯、初轧坯、板坯的钢结构半成品产品的生产工艺。半成品产品的生产开始于处于熔融状态的金属或金属合金而进行，该金属或金属合金被浇铸到借助于冷却流体所冷却的模具中，该冷却流体在相对于金属半成品产品的前进方向的相对方向上流动，在模具的体积内逐渐地形成金属半成品产品。可以根据垂直或半水平布置来布置模具。模具在其下端开口，形成的半成品从下端出来。模具在其上端开口，液态金属从上端进入，并且在模具内逐渐地开始固化，然后从模具的下端提取。该工艺是静止的，在时间单位的意义上，一定量的至少部分地固化的金属从模具的下部出来，这对应于在上部进入模具本身的液态金属的量。一旦铸造工艺在铸造机中开始，模具内的液态金属的液位必须始终保持恒定，即，液态金属的自由表面相对于模具的内壁的位置(即，所谓的弯月面的位置)在工艺中必须随时间保持恒定。为了保持液态金属液位恒定(即，保持弯月面位置恒定)，可以通过增加或减小在模具内形成的半成品材料的提取速度来起作用，或者可以通过增大或减小从模具的上端穿过模具的液态金属的流来起作用。

为了获得弯月面的位置的测量，其方式为以便控制提取速度，或者其方式为以便对穿过模具的液态金属的流进行控制，目前市场上存在两种类型的传感器。

用于测量模具中的液态金属的液位的第一类型的传感器由放射性传感器和闪烁器组成，该放射性传感器基于放置在模具的第一侧上的放射源，该闪烁器放置在模具的与第一侧相对的第二侧上。闪烁器拾取辐射量，该辐射量取决于在放射源与闪烁器本身之间的液态金属的弯月面的位置，并且根据该测量，可以获得弯月面的位置的测量。因此，放射性传感器产生与钢的弯月面对应的模具的一种X射线，并且允许以约1mm的精确性确定弯月面的位置。

用于测量模具中液态金属的液位的第二类型的传感器由电磁传感器组成。电磁传感器是基于与内部含有液态金属的结晶器壁对应的电磁场的发射。所产生的电磁场在结晶器上产生涡电流，电磁场所产生的涡电流进而由传感器本身的接收线圈拾取。涡电流取决于在涡电流本身产生区域中结晶器的电导率，并且该电导率进而取决于在涡电流产生区域中结晶器的温度，并且，因此它间接地取决于液态金属的弯月面的位置，该液态金属的热量被通过结晶器本身的冷却流体吸收。

此外，还已知基于热电偶在结晶器本身的厚度内的插入，用于测量结晶器壁的温度的系统。在不同点的结晶器壁温度的测量允许获得结晶器壁的温度的绘图。通过监测结晶器壁的温度，可以获得用于防止不希望的现象的警报信号，这些不希望的现象是例如，从模具中提取的部分地固化的金属的漏钢，或者例如，液态金属在结晶器壁上的局部粘着(粘附)。从结晶器壁的热绘图开始，根据为了本发明的目的被认为已知的算法来进行所描述的现象的识别。

专利申请JP H10185654描述了用于检测炉内的液位的方法，其中，可以稳定地检测液位长的时间周期，而不受发射和接收系统的增益的波动的影响，并且其中，由弹性波的发射元件和接收元件在炉壁上的接触力引起波动。弹性波发射元件和弹性波接收元件布置在炉的外壁上，其外壁的周边覆盖有耐火材料。由炉内的弹性波发射元件发射弹性波，以便基于在弹性波发射后，由弹性波接收元件所接收的信号来检测熔融液体材料的液位。表面波在炉的外壁的表面上传播，并且从炉的内壁反射的回波被弹性波接收元件接收。基于表面波的波幅，校正反射回波的波幅，并且基于校正的反射回波的波幅，检测液位。

专利申请US 3 456 715描述了一种用于检测容器中的物质的液位的系统，例如连铸机的振荡模具。该系统发射声能通过容器，以在参考液位产生表示物质的信号。第二电信号对容器的振荡敏感，并且表示其相对于参考位置的位移。第一和第二信号的组合提供指示物质液位的输出信号。电-声换能器设备以如下方式布置：发射声能通过冷却剂，该冷却剂在换能器设备与容纳待被测量其液位的材料的模具或容器的壁之间连续地流动。当物质的液位达到换能器所位于的液位时，电信号产生，所述电信号具有指示在该液位下材料的存在的特性。在优选实施方式中，电声换能器包括被布置在模具或容器的相对侧上的发射器和接收器，并且发射器和接收器适于产生电信号，该电信号响应于通过材料所占据的空间(即，通过材料本身)所发射的声能的检测。信号发射在相对于模具或容器的壁的正交方向上发生。在替代实施方式中，安装了单个超声波装置，该超声波装置在一些时间周期内充当发射器，并且在其他时间周期内充当接收器，并且在这种情况下，信号发射在相对于模具或容器的壁的正交方向上发生，使得唯一的超声波装置能够接收沿着相对于模具或容器的壁的相同正交轴向方向所发射的信号的回波。

专利申请CA 2 310 764描述了一种用于连续测量容器内的液位的方法，根据该方法，兰姆波脉冲序列借助于布置在容器壁上的兰姆波激励器，在容器壁上传输，并且由兰姆波接收器接收，该兰姆波接收器被布置在容器壁上，距兰姆波激励器一定距离处。该系统将激励器与接收器之间的传播时间差确定为容器为空时的传播时间与容器中存在一定液位时的传播时间之间的差。从传播时间之间的差，推导出容器内的当前液位的位置，该位置与传播时间之间的差成正比。因为当不同的材料与容器的壁接触时，兰姆波的传播时间存在变化，所以该方法允许连续监测容器内的液位。

专利申请US 4 320 659描述了一种超声波系统，该超声波系统使用由换能器所产生的横向模式的适度定向的声波，测量流体阻抗或液位，该声波在均匀的、无裂纹的固体介质中传播。横向波在固体中沿着Z字形路径传播，该Z字形路径在至少两个区域中与固-液界面对应地以入射角反射，该入射角大于第一临界角至少5度，并且小于第二临界角至少10度。由于固体与流体之间的声耦合引起的波的衰减振幅是流体的阻抗或流体的阻抗相关参数的测量。系统优选地包括第二声学路径，该第二声学路径用作参考以补偿参数的变化，这些参数是例如温度、流体的性质、换能器、换能器耦合、与固-液界面相对应的残余物或腐蚀。在不同的实施方式中，参考机理是来自固体介质中的凹口的一系列反射。为了使得液位测量对液体阻抗的变化不敏感，固体是以倾斜角度被定向的细长元件，或者它平行于液体的表面。其他液位测量系统利用位于Z字形波的反射点处的多个接收器或反射器。

专利申请US 2012/085164描述了一种用于流体计量器部件(包括换能器)的支撑件和壳体，该支撑件和壳体在没有外部条带的情况下直接地耦接至管道外圆周上的固定点。支撑件可以选择性地与管道固定点耦接和脱耦接。一个或多个支撑件和壳体可以以模块化的方式排列在管道外部上，用于不同的计量应用。类似地，支撑件和壳体内部可选地以模块化方式重新配置，以用于针对不同用户应用的一个或多个换能器或其他部件的定向和对齐，而不需要辅助对齐工具、模板、测量仪器或其他装置。

专利申请US 6 631 639描述了一种用于使用一对超声换能器来测量容器中的液位的非侵入性系统和方法，这对超声换能器被间隔开地安装在容器壁的外部。换能器之一产生单个声波能量脉冲，其在壁中产生弯曲波或弹性波，并且第二换能器接收弯曲波，以产生对应于弯曲波在两个换能器之间的行进时间的电波形信号。比较在不同时间产生的电波形信号，以确定在两个波形信号之间是否存在相移。相移指示两个换能器之间的容器的内部空间中的液位条件已经改变。测量在两个不同时间产生的弯曲波分量之间的相延迟或时间延迟，用于指示在容器的点处存在或不存在液体，或者容器的内部空间中的液体的高度。

专利申请WO 2005/037461描述了一种用于识别铸锭模具中的钢的漏钢的方法，从而避免当铸锭从模具出来时，铸锭模具内部、钢浴表层或固化外层处的损坏引起下方辊上的熔融钢的泄漏，由此引起整个设备停止。在铸锭模具的外表面和内表面上产生高频机械振荡，以便产生所谓的表面或瑞利(Rayleigh)型波，并且对这种振荡如何被与铸锭模具永久接触的材料的表面吸收进行分析。如果该表面的尺寸或延伸随着固化的外层的损坏而改变，则发生与铜壁接触的突然增加，结果，铸锭模具的铜表面的声阻抗的立即改变。

专利申请FR 2 323 988描述了一种用于测量连铸机的模具中的液位的系统，在该系统中，使得超声波脉冲专门地沿着容器壁的内表面朝向液体传播，并且被由与壁的表面接触的液体所表示的不连续部分部分地反射。检测反射波，并且测量将所产生的脉冲与所检测的超声波分离的时间间隔。间隔的值表示不连续部分相对于液体的预设参考液位的位置。

申请US 2018/021849描述了在结晶器中的测量传感器，该测量传感器基于朝向结晶器所传输的超声波信号的传输和由结晶器所反射的超声波信号的接收阶段。传输在相对于结晶器壁倾斜的传输方向上发生，这样使得所接收的反射的超声波信号是在结晶器中沿着Z字形路径经历多次反射的超声波信号。提供了借助于在不同垂直间隔的点处的不同接收传感器，在结晶器的不同反射点处，对相同传输信号的多个接收的使用。超声波元件包括超声波发射器和一系列超声波接收器。发射器不充当超声波信号接收器，且接收器不充当超声波信号发射器。

申请EP 2 409 795描述了一种用于测量熔融金属的铸锭模具的温度的方法，其中该方法涉及沿着模具的长度的展开，纵向地和垂直地、而不是横向地传输超声波。因此，在与所容纳的熔融金属相邻的模具的表面平行的方向上，在模具内垂直地发生波传播。由于沿着垂直路径不存在可以产生超声波的反射的元件，超声波的传播不受干扰地在模具的铜壁之间发生，因此该解决方案提供了在模具的壁上获得横向孔，这些横向孔形成用于超声波的反射区域，因此，超声波被朝向同一发射器元件反射，该发射器元件充当接收器，检测反射的超声波。

申请JP S57 159251描述了一种解决方案，其中超声波元件交替地用作发射器和接收器，超声波的发射相对于模具正交，并且由模具的壁反射接收的波。该测量基于对每个传感器处的反射波的振幅的检测，这在模具包含熔融钢的区域中和在模具不包含熔融钢的区域中，在由模具壁所反射的波的两种情况下是不同的。该测量基于在模具的不同区域中所接收的信号的振幅的比较。第二种解决方案提出，在模具的第一侧上，存在垂直地间隔的发射器，所述发射器向布置在模具的相对侧上的对应接收器发射，使得发射器所发射的超声波沿着横向，穿过整个模具后，由模具的相对侧上的接收器接收，并且，如果在穿过区域中存在超声波，并且在它通过穿过区域中模具中所容纳的熔融钢之后，但是，如果熔融钢代替地处于连接模具的一侧上的发射器和相对侧上的接收器的低液位线，则不会发生该情况。同样，在这种情况下，测量是基于所接收的信号的振幅的比较，并且基于以下原理：所接收的信号的振幅在熔融钢不存在的区域中和在熔融钢存在的区域中穿过模具的两种情况下是不同的。

现有技术的问题

放射性传感器对于处置放射源以及长时间暴露于放射源本身的材料具有显著的问题。实际上，当放射源耗尽时，必须采用非常严格的安全过程来替换它，以防止操作者暴露于辐射。此外，存在耗尽的放射源的处置的问题，这必须由专门的公司进行。此外，在替换耗尽的放射源的操作中不是非常不可能的事件的放射源的任何可能的损失意味着设备的立即查封，随之而来的是生产的停止和巨大的经济损害。

电磁传感器虽然相对于放射性传感器，从处理的角度来看是更安全的替代方案，但是较不普遍，因为它们较不准确、响应更慢，并且仅可用于具有不太大结晶器厚度(通常，小于15mm)的模具。实际上，由于金属模具的屏蔽作用，由电磁传感器所感应的涡电流仅影响结晶器的总厚度的约1mm的层。受涡电流所影响的所述区域是在结晶器的相对于其上存在铸造的熔融金属一侧的相对侧上。如果结晶器的厚度大(即，大于15mm)，则电磁传感器的测量受到延迟的影响，该延迟是由于结晶器的温度对应于受涡电流影响的区域(即，结晶器的外侧)改变，接着是弯月面的位置对应于结晶器本身的相对侧(即，结晶器的内侧)的改变，所需的时间。实际上，结晶器内侧上的液态金属的弯月面的位置的变化产生了温度变化，该温度变化在结晶器的厚度内传播直到到达结晶器的外侧，电磁传感器被放置在该外侧附近。制成结晶器的金属材料的温度变化，即，低于铸造的液态金属的液位的结晶器壁的区域与刚好在其上没有液态金属与结晶器接触的区域之间的温度差，在存在铸造的液态金属的模具的内侧上是最大的，而当其接近结晶器的外侧时，它逐渐地变得更不明显。此外，如果模具非常厚，则存在感应涡电流的结晶器外侧的第一个毫米厚度中的温度差太弱，以致不能用电磁传感器检测到。因此，这些传感器用于厚度小于15mm的模具。该限制排除了其在大型模具中的使用，其达到高达40mm的铜厚度，使得放射性传感器是用于大型模具的液位的控制的唯一技术。

通过热电偶对模具的温度进行绘图也具有一些缺点，因为热电偶必须被插入到在结晶器的厚度中所获得的特定空腔中。这种方法仅可以应用在结晶器的大厚度的情况下，因为在具有约15mm的小厚度的结晶器上插入热电偶将削弱结晶器的结构，并且还可能局部地危害结晶器中所容纳的液态金属的冷却效率。

发明的目的

本发明的目的是提供一种用于测量模具中的至少一个物理量的测量方法和传感器，该测量方法和传感器允许准确和精确的测量。

本发明的另一个目的是提供一种设置有该测量系统的模具。

发明的概念

通过主要权利要求的特征实现该目的。从属权利要求代表有利的解决方案。

发明的有益效果

根据本发明的解决方案，通过相当大的创造性贡献而具有各种优点，该创造性贡献的效果构成直接的和不可忽略的技术进步。

传感器和本发明的方法不使用放射源，并且是基于对健康没有危害和不具有处置问题的材料和方法。

根据本发明的解决方案还允许在非常厚的结晶器的情况下获得精确的测量。

根据本发明的解决方案允许获得在不同点的结晶器的温度测量，而不需要将热电偶插入结晶器的厚度内，从而允许还在具有小厚度的结晶器上进行这种检测。

根据本发明的解决方案允许以高度的灵敏度、精确性和可靠性进行操作。

根据本发明的解决方案允许测量系统具有低的安装和管理成本。

附图说明

下面参考附图来描述实施方式的方案，这些实施方式的方案被认为是本发明的非限制性实施例，其中：

图1表示包括本发明传感器的模具的侧视图。

图2表示根据图1中用A表示的观察点，包括图1的本发明传感器的模具。

图3表示根据图2中用C-C表示的截面线，包括图2的本发明传感器的模具。

图4表示根据图1中用B-B表示的截面线，包括图1的本发明传感器的模具。

图5是图3中用D表示的部分的放大图。

图6是在图4中用E表示的部分的放大图。

图7是根据本发明制成的传感器的示意图。

图8是示意性地示出了运行原理的图表。

图9是示意性地示出作为温度的函数的波在材料中的传播速度的依赖性的特性曲线的图表。

图10示意性地表示其中铸造熔融钢的模具的结晶器的铜中，根据距模具边缘的距离，温度分布图的典型发展。

图11示意性地表示安装在模具上的本发明传感器的功能。

图12示意性地表示与弹性波的路径及其检测信号有关的时间序列。

图13是根据不同观察点的图7的传感器的视图。

图14是本发明传感器的实施方式的分解透视图。

图15是本发明传感器的实施方式的分解透视图。

图16示意性地示出了本发明传感器的超声波元件之一的结构。

图17示出了本发明传感器的不同的可能实施方式。

图18示出了热绘图系统的可行实施方式。

图19示意性示出了正在被处理的弹性波的情况。

图20示意性地示出了信号处理阶段中的一个阶段。

具体实施方式

本发明涉及用于测量模具中的至少一个物理量的测量方法和传感器，其中使用声波传播原理。

在材料介质中传播的弹性扰动波的特征在于确定其基本特性的一些物理量。特别地，波在介质中的传播速度是描述波本身在材料的给定厚度中的传播时间的必要参数。该速度进而取决于特征物理参数，诸如密度、杨氏(Young)模量和泊松(Poisson)模量。已知材料的热状态影响这些量，并且因此，波的速度进而取决于它在其内传播的介质的温度。如果我们考虑具有厚度S的材料，所述厚度S具有等于vp的压缩波的传播速度，并且如果我们在材料边界的点中射入充分地局部的扰动，则波在材料内部传播，直到其到达材料的相对边界，在相对方向上产生回弹波。边界是指材料停止而另一材料开始的界面，诸如流体、空气、另一种固体。如果两个相对的边界是平行的，则该过程继续，直到可用能量耗尽，从而产生一系列脉冲，在波接收区域中所放置的接收器处，例如在扰动波的相同射入点附近，这些脉冲可以被配准。实际上，由于材料本身的衰减，这些脉冲的振幅将减小。例如(图8)，如果在初始时刻t0，在材料的第一边界的点处发射扰动波，则该波行进穿过材料，直到第二相对边界，并且产生第一返回波，该第一返回波在第一边界中由在时刻t1所接收的峰P1表示。然后，该第一返回波进而在第一边界上经历回弹，它折回材料，并且在第二边界上产生第二返回波，该第二返回波进而在第一边界中由在时刻t2所接收的峰P2表示。由于材料的衰减，第二返回波A2的振幅小于第一返回波A1的振幅。随着时间继续，在第二边界上产生第n个返回波，其进而在第一边界中由在时刻tn所接收的峰Pn表示，具有小于先前返回波的振幅A。已知在此类条件下，Dt＝(2xS)/vp，其中Dt表示峰序列P1、P2、...Pn中的两个连续峰之间的时间距离，或者换言之，包括往返路径的弹性波的行进时间。

如果在材料中发生温度T的变化，则时间Dt由于传播速度vp的变化和由于热膨胀或收缩引起的材料的厚度S的变化两者而改变。然而，如果考虑金属(诸如铜)，并且如果考虑行为基本上是线性的温度范围，则主要贡献仅归因于传播速度vp的变化，由于热膨胀或收缩引起的材料的厚度S的变化的贡献是可忽略的。因此，其结果是，表征为温度T的函数的传播速度vp，对于金属，有可能从峰P1、P2、……、Pn的到达时间t1、t2、……、tn的测量开始，获得材料的温度T的估算。实际上，给定的传播速度vp(T)＝Dt/(2xS)的实验测量，一旦波在材料中的传播速度作为温度的函数的依赖性的特征曲线已知(图9)，就有可能从传播速度vp(T)导出温度T，这可以例如，通过相对于弹性扰动波在其中传播的制成介质的材料，校准测量仪器来获得。

通过连铸机进行钢或者通常金属和金属合金的生产。连续铸造是一种允许根据钢结构半成品产品的尺寸和形状来生产称为钢坯、初轧坯、板坯的钢结构半成品产品的生产工艺。半成品产品的生产开始于处于熔融状态的金属或金属合金而进行，该金属或金属合金被浇铸(图10)到模具(34)中。模具(34)根据基本上垂直的布置来布置，尽管还已知其中模具以倾斜的或半水平的位置安装的解决方案，然而这些解决方案被视为包括在本发明的范围内的解决方案。模具(34)在其下端(47)处开口，形成的半成品产品从该下端出来。该模具在其上端(46)处开口，液态金属从该上端进入，液态金属在模具内逐渐地开始固化，并且然后从模具的下端被提取。术语“上”和“下”必须被理解为是指重力方向(50)。该工艺是静止的，在某种意义上，在单位时间内，一定量的至少部分固化的金属从模具的下部离开，这对应于在上部进入模具本身的液态金属的量。一旦已经在铸造机中开始铸造工艺，则在模具(34)内的液态金属(37)的液位(39)必须始终保持恒定，即，液态金属(37)的自由表面相对于模具(34)的内壁的位置，即，所谓的弯月面的位置，在工艺期间必须随时间保持恒定。模具(34)包括结晶器(35)，该结晶器通常由铜或具有高铜含量的金属合金制成，尽管本发明还适用于由除铜之外的金属材料(例如，像金属合金)制成的结晶器(35)的情况。通过冷却流体(44)(通常是水)的流来冷却结晶器(35)，该冷却流体根据(图10)流体(44)的流动方向来流动，该流动方向与铸造到模具(34)中的液态金属(45)的流动方向相反。当铸造的液态金属穿过结晶器(35)时，随着它从模具(34)的上端(46)朝向下端(47)前进，它逐渐地固化。当形成的半成品产品从模具(34)的下端(47)出来时，它不是完全固化的，并且具有与结晶器(35)具有相同形状的外周壳，该外周壳是固化的，并且被称为表层(38)。在表层(38)内，形成的半成品产品仍包括由液态金属组成的中心芯，该中心芯在铸造机的下部中随着其朝向后续处理装置(诸如，矫直辊、用于切割成一定尺寸的单元等)前进而固化。

结晶器(35)的冷却可以按不同的方式进行。在第一解决方案(图10)中，适用于具有比最大可浇注尺寸更小的尺寸的钢坯或初轧坯的结晶器(35)，通过在围绕结晶器和由输送机(33)所界定的周边地外部空间(36)内的结晶器(35)的外壁(49)上，引导先前描述的冷却流体(44)的流动来进行冷却。在适用于相对于最大可浇注尺寸而言大尺寸的初轧坯或者适用于铸造板坯的结晶器(35)的第二解决方案中，通过将先前描述的冷却流体流引导到结晶器(35)本身的空腔中，或引导到在结晶器本身的组装元件的耦接表面上所获得的空腔中来进行冷却。无论模具的类型如何，本发明都是适用的。为了保持液态金属(37)的液位(39)恒定，即，为了保持弯月面的位置恒定，可以通过增大或减小在模具(34)内所形成的半成品材料的提取速度来起作用，或者可以通过增大或减小从模具(34)的上端(46)进入模具(34)的液态金属(37)的流来起作用。因此，重要的是获得弯月面的位置(即，液态金属的液位(39)相对于模具(34)的基本垂直或倾斜的延伸部的位置)的测量，其方式为控制提取速度或者其方式为控制穿过模具(34)的液态金属(37)的流。结晶器的内壁(48)常规地是指与液态金属接触的结晶器的壁，即，热侧，而结晶器的外壁(49)是指相对于结晶器本身的厚度与内壁(48)相对的壁，即，冷侧。

此外，获得结晶器(35)的内壁(48)的温度的测量也是重要的，因为，通过监测在不同点的结晶器(35)的内壁(48)的温度，有可能获得用于防止不希望的现象的警报信号，这些不希望的现象是例如从模具中提取的部分地固化的金属的表层(38)的漏钢，或者例如在结晶器(35)的内壁(48)上液态金属的局部粘着(粘附)。从结晶器(35)的内壁(48)的热绘图开始，根据为了本发明的目的被认为已知的算法，进行所描述的现象的识别。

已知在结晶器(35)的铜厚度内沿着模具(34)的温度分布跟随着具有温度升高的快速初始空间变化的发展(图10)，接着是在液位(39)或弯月面的实际位置下方几毫米处的最大温度，并且最后，存在到模具(34)的下端(47)的温度的缓慢下降。本发明的传感器(1)利用了液态金属(37)对模具(34)的结晶器(35)所具有的这种效果。实际上，铸造液态金属(37)具有等于金属本身的熔化温度的温度。铸造温度根据被铸造的金属或金属合金的类型而变化。例如，对于钢，铸造温度可以是约1370-1530℃，对于铜，铸造温度可以是约1083℃。在本发明中，术语“液态金属”将意指包括在至少等于其熔点之一的温度下的处于液态状态的纯金属和金属合金两者。当液态金属(37)在结晶器(35)内部时，结晶器(35)的温度根据所示的曲线而具有发展。另外，如所解释的，制成结晶器(35)的金属的弹性特性的改变对应于根据所指示的发展的结晶器(35)的温度的改变，随之而来的是传输穿过结晶器本身的弹性波的速度的变化。借助于本发明的传感器(1)，以规则间隔在模具(34)的结晶器(35)的外壁(49)上提供弹性扰动的射入(图11)，其中产生直达声波、反射声波和反向反射声波。

例如，由传感器(1)的第一超声波元件(15)发射直达波(40

例如(图11)，由传感器(1)的第二超声波元件(18)先前发射的直达波(40

例如(图11)，当由传感器(1)的第三超声波元件(21)先前发射的直达波包到达内壁(48)时，产生反射波(41

例如(图11)，对应于由传感器(1)的第四超声波元件(24)先前发射的直达波包的反射波(41

例如(图11)，对应于由传感器(1)的第五超声波元件(27)先前发射的直达波包的反射波(41

将显而易见的是，针对传感器(1)的超声波元件(15、18、21、24、27)中的一个超声波元件描述的相同步骤针对传感器(1)中的每个超声波元件按顺序发生，尽管为了简洁起见，已经参考传感器(1)的超声波元件(15、18、21、24、27)中的特定一个超声波元件描述了每个不同的步骤。

由于弹性波的路径的距离是已知和固定的，通过利用弹性波的速度对它们穿过的材料的温度的依赖性，根据所描述的配置，因此，可以通过测量弹性波的行进时间来获得被弹性波穿过的材料内部的温度的测量。

特别地(图12)，可以认为，沿着与熔融金属接触的内壁(48)对应的热侧和与冷却水(44)流接触的外壁(49)对应的冷侧之间的路径S，变化基本上是温度T的线性。因此，给定的信号射入区域，弹性波的行进时间，包括往返路径的测量，Dt允许获得由结晶器(35)的厚度S的这个区域所给出的体积的平均温度。延伸区域越小，并且射入点越大，铜或铜基合金的结晶器(35)的温度曲线的形状的测量将越好。然后，从温度曲线的重构，可以获得模具(34)内的钢或弯月面的液位(39)的位置的估算。

因此，总而言之，在模具(34)内使用弹性波或压缩波或声波提供了：

(a)将直达弹性波(40)的扰动射入到铜模具(34)的冷壁或外壁(49)上的射入区域中；

(b)在相同的射入区域中读取由于在由铜制成的模具(34)的结晶器(35)的热壁或内壁(48)上的反射现象所引起的反射波(41)。来自表面49(冷铜侧)的第一和第二反射用于确定采集时间窗口。实际上，在这两个脉冲之间，在铜中存在第一回弹序列；

(c)在相同的射入区域中读取附加的反射波(41)，所述附加的反射波是由于在模具(34)的结晶器(35)的冷壁或外壁(49)上所反射的波的反向反射现象，产生反向反射波(42)而引起的，所述反向反射波对应于结晶器的厚度内的波的一个或多个连续的回弹；

(d)测量反射波的行进时间以及随后在模具(34)的结晶器(35)的厚度内的回弹；

(e)通过传播速度作为温度的函数的特征曲线，将行进时间测量转换成温度测量，该特征曲线能够例如通过校准过程获得；

(f)在沿着钢从模具的提取方向的不同位置中执行步骤(a)至(e)，其中沿着钢从该模具的提取方向获得温度分布曲线；

(g)通过识别(图10)沿着钢从模具的提取方向的温度分布曲线的最大温度的位置，获得钢液位(39)在模具(34)内的位置的测量。

有利地，传感器和方法可以用于通过执行步骤(a)至(g)来测量模具(34)内的液位(39)的位置，或者传感器和方法可以用于通过在不同的目的点或目的区域中执行步骤(a)至(e)来绘图模具(34)内的温度，该不同的目的点或目的区域可以沿着钢从模具的提取方向一个接一个地对齐布置，以及根据矩阵布置进行布置(图17)，其中超声波元件沿着元件的行布置，其中元件的行沿着钢从模具的提取方向一个接一个地布置。可替换地，可以设想这样的解决方案，其中，一系列装置(图18)布置在模具的待更仔细地被监控的特定区域中。

因为，在实践中使用已建立的工业部件是方便的，所以尝试将弹性波的扰动直接射入到结晶器(35)中是不实际的。替代地，更有利的是使用一种配置(图11)，其中，一超声波元件(15、18、21、24、27)安装在支撑件或盖(8)上，该支撑件或盖进而固定在容纳外壳(2)上，从而与对应的电缆(5)和连接器(4)一起实现传感器(1)。传感器(1)安装在输送机(33)上，该输送机由于水流(44)在其中流动的空间(36)的存在而与结晶器间隔开。本申请的优点是正常地用于铜模具的外部冷却的水可以用于实现声耦合。

通常，传感器(1)在其中包含用于产生和接收超声弹性波所需的所有元件，传感器(1)可以包括(图7、图13)外壳(2)，例如由不锈钢制成，其设置有固定装置(3)以方便其在测量区域中的组装。例如，固定装置(3)可制成(图5、图6、图7、图13、图14、图15)为设置有用于螺钉通过的孔的一对固定舌的形式。例如(图1、图2、图3、图4、图11)，传感器(1)可以在模具(34)的输送机(33)上安装在模具(34)的内部，并且特别地，传感器(1)可以通过替换输送机(33)自身的一部分的方式被安装，从而获得(图5)输送机(33)中的壳体(43)。通过这种解决方案，有可能将传感器(1)安装在相对于结晶器(35)基本平行的情况中，超声弹性波必须在结晶器中传输。更详细地，传感器(1)相对于结晶器间隔开距离，该距离基本上等于将输送机(33)与结晶器(35)分开的空间(36)。传感器(1)进一步配备有(图7)用于电连接通过的出口(11)，该电连接将被包含在电缆(5)中，电缆(5)在其端部设置有连接器(4)，用于连接至用于供电、信号预处理、与处理和调节系统通信的电子设备。外壳(2)包括检测面(6)。在外壳是由不适合于超声弹性波的有效传输的材料制成的情况下，检测面(6)，即，传感器(1)的检测面设置有槽缝或通道孔，所述槽缝或通道孔由盖(8)封闭，通过该检测面发生超声弹性波的发射和接收，该盖由适合于有效传输超声弹性波的材料制成，其中适合于有效传输超声弹性波的材料是指具有水的声阻抗量级的声阻抗的材料。例如，可以使用声阻抗具有类似于水的声阻抗的塑料或聚合物材料。通常，具有3+/-2MRayl的声阻抗的材料是合适的。“MRayl”是声阻抗的测量单位，使得1MRayl等于10至第六千克/平方米/秒。合适的材料的实施例是已知的商品名为Rexolite的产品。在所示出的实施方式中，检测面(6)由封闭板(9)组成，该封闭板通过螺钉固定到外壳(2)上，并且在这个封闭板(9)上获得用于施加这个或这些盖(8)的槽缝(7)或多个通道孔。然而，将显而易见的是，不具有封闭板(9)或使用除了螺钉之外的固定装置的其他实施方式也将是可能的。在外壳(2)内部，由此获得防水室(10)(图11)，该防水室适于容纳超声波元件(15、18、21、24、27)以及用于控制超声波元件的电子部件，例如安装在一个或多个特定电子板上。例如，对于在暴露于冷却流体(44)流动的条件下的模具(34)内的应用而言，可以设置外壳(2)，其允许获得针对至少10巴的压力的密封液位。

因此，根据所描述的形式(图11)，由对应的超声波元件(15、18、21、24、27)所产生的直达弹性波(40)按以下顺序穿过支撑件(8)，存在于空间(36)中的水，结晶器的厚度，直至发生反射的外壁，产生反射波(41)，反射波按下列顺序穿过结晶器的厚度，直至内壁，存在于空间(36)和支撑件(8)中的水由对应的超声波元件(15、18、21、24、27)拾取。

对于最佳检测，应当遵守以下规则：

-空间(36)(即，水的穿过空间)的厚度基本上等于，并且优选地不小于由铜或铜合金制成的结晶器(35)的厚度；

-支撑件(8)的厚度等于空间(36)的厚度(即，水的穿过空间)的k倍。

在具有约2.5MRayl的声阻抗的材料的情况下，例如，在已知具有商标名Rexolite的材料的情况下，k为约1.5。如果遵守这些规则，则由于水的厚度所引起的回弹波与由于支撑件所引起的回弹波之间存在时间上的重叠，从而最小化了对应该更精确地测量的信号的干扰，该信号是对应于模具(34)的热壁或内壁(48)所反射的波。实际上，对应于热壁或内壁(48)所反射的波由此被时间上布置在由于水和支撑件的厚度所引起的回弹波引起的峰之间，从而避免与最感兴趣的测量信号重叠。

参考超声波元件(15，18，21，24，27)的类型，提供了陶瓷类型的压电换能器的使用，并且设想了在1MHz与10MHz之间的超声波频率范围内操作。较高频率被铜或铜合金制成的结晶器显著地衰减，而较低频率产生不是非常地时间上定位的弹性波包，从而显著地增加测量的不确定性。这种优选类型的构造允许在连铸模具中容易地安装，该连铸模具具有用于容纳冷却水的输送机以及具有铜板，该铜板设置有用于水通过的通道。实验测试已经给出了极好的结果，其中，超声弹性波的操作频率近似地在1Mhz至10Mhz之间，频率在4Mhz至5MHz之间的超声弹性波是更优选的。增加频率引起在结晶器中传播的波的更大衰减。降低频率引起时间分辨率的恶化。

通常(图11)，传感器(1)设置有一定数量N个的超声波元件(15、18、21、24、27)，优选地一个接一个地布置，并且彼此等距地间隔开。超声波元件(15、18、21、24、27)的布置可以是其中元件沿着与传感器(1)的高度的展开方向对应的方向，相互地被对齐和布置的布置。然而，如先前所解释，矩阵布置将是可能的，其中具有若干列超声波元件(15、18、21、24、27)，其中列相互平行，此解决方案尤其可用于热绘图应用。在单一系列换能器的情况下，它们可布置在水平相互对齐的方向和垂直相互对齐的方向两者上，术语水平和垂直参照重力(50)的方向。设置有连接器(4)的连接电缆(5)允许传感器(1)与信号采集和处理单元(51)连接，所述信号采集和处理单元经由通信通道与铸造机和模具的自动化的控制单元(52)通信，所述控制单元尤其还负责基于通过传感器(1)所获得的液位的位置测量，产生用于将液位(39)保持在由处理器提供的位置中的自动化控制信号。

传感器(1)目的在于多种用途：

-对由铜或铜合金制成的结晶器(35)的温度进行测量，从该测量可能实时地获得模具中的热分布图的测量，对于每种类型的模具以及在正常操作的条件下的其知识，对于提取关于连铸工艺的质量的有价值信息的可能性而言是重要的新颖性；

-测量液位(39)在模具内的位置，从热分布图的测量开始获得该测量。液位(39)的位置的测量进而允许两个动作，这两个动作是控制钢相对于模具(34)的流入或流出和连铸机，并且，此外控制钢弯月面在液位(39)的位置处的保护性粉末的厚度。通过将对粉末的量敏感的第二传感器放置在装置旁边(例如，测量粉末的上表面相对于铜的上端的距离的放射性传感器或光学传感器)，可以提取粉末的厚度的估算，并且因此，可以调节覆盖层粉末分配器的自动进入流。

-异常现象(如粘着)的识别以防止漏钢，从所测量的热分布图的分析中获得这些识别。

参照结晶器(35)的温度测量，对于由铜或铜合金制成的模具(34)，其形状像设置有用于冷却水的输送机(33)的管，不存在用作正常工艺控制元件的所分布的热控制装置。在必须测量模具的热状态的情况下，必须进行热电偶的复杂且昂贵的安装，因为这个原因很少进行这种安装。在板式模具(例如，板坯)的情况下，存在用于热监测的热电偶的标准安装。然而，由于成本和安装复杂性，热电偶之间的距离通常不下降到100mm以下。利用该装置，可以下降至约10mm的距离，显著地增加热曲线的形状的定义。

已知在每个界面处在介质中传播的弹性扰动经历折射现象，并且借助于这部分能量继续，并且部分能量被反射。到达模具(34)的内壁(48)的弹性扰动可以处于两个不同的条件下，通过借助于弹性波对应于测量区域存在钢以及通过借助于弹性波对应于测量区域不存在钢，给出这两个不同的条件。如果存在正在固化的液态钢存在的条件，则部分能量会被传递到液态钢中，否则，由于铜与空气之间的声阻抗的较大差异，所有能量都会被反射。已经限定了垂直系列的射入点(图11)，可以通过测量铜中的回弹信号的振幅来估算液位的位置。由换能器记录的信号，除了由于铜中传播引起的衰减之外，还将经历由于模具(34)的内壁(48)上的钢的存在引起的进一步衰减，所述换能器的位置是低于弯月面的位置。

本发明的解决方案也可以用于除了液态钢的铸件之外的铸件中，只要保持相同的实质性逻辑即可。一个实施例是黄铜铸件。

优选地，外壳(2)具有细长形状，其中主轴被布置成平行于铸造方向，以便能够有利地沿着用于执行待测量的目的方向，定位足够数量的敏感检测元件。例如，可以提供具有约200mm高度的外壳，其方式为允许敏感检测元件分布在液位(39)所涉及的区域中。

传感器(1)由外壳(2)构成(图14、图15)，在外壳(2)内获得腔室(10)，支撑件或盖(8)插入腔室(10)内。该支撑件或盖(8)在一侧上设置有朝向腔室(10)的外部定向的检测面(6)，并且在相对侧上设置有支撑超声波元件(15、18、21、24、27、30)的安装面(53)，在支撑件或盖(8)被安装用于插入腔室(10)本身中时，这些超声波元件由此被插入腔室(10)中。封闭板(9)密封腔室(10)，从而将支撑件或盖(8)封闭并锁定在适当位置。

参考其中传感器(1)安装在输送机(33)上，并且相对于结晶器(35)间隔开的实施方式，超声弹性波穿过这个空间(36)，就像它们被传导(图11)穿过在输送机(33)与结晶器(35)之间循环的冷却流体(44)流。一旦，超声弹性波到达结晶器(35)的外壁(49)，超声弹性波就穿透结晶器(35)，并且在结晶器(35)本身的内壁(48)上被反射，然后，引起在结晶器的厚度内传播的一系列多次反射。由于传感器(1)的布置使得弹性波的传输方向是正交的，优选地在90度+/-0.3度之间的角度内，相对于结晶器的壁(48、49)，弹性波的反射发生在相同的发射方向上，并且同一个的超声波元件可替代地用于产生该直达波(40)，并且用于接收一个或多个反射波(41)，可能地，这些波中的一些是由于反射波的存在引起的，这些反射波进而由产生反向反射波(42)的现象产生。因此，在超声弹性波已经穿过结晶器(35)的厚度，并且可能地，如果存在的话，相对于检测系统的安装类型，穿过输送机(33)与结晶器(35)之间的空间(36)之后，超声波装置接收由同一个超声波装置在先前时间所发射的超声弹性波。此外，它接收附加的超声弹性波，这些超声弹性波是由于反向反射而产生的，并且已经穿过结晶器的厚度更多数量的次数。因此，由传感器所接收的发射超声波(40)的回波包括对应结晶器的外壁(49)所反射的波和对应结晶器的内壁(48)所反射的波，这些波由结晶器(35)内的反向反射的超声波(42)产生。

因此，在本发明的解决方案中，传感器被配置的方式为使得超声波相对于结晶器的壁被正交地或基本上正交地发射，结晶器的壁相对于传感器本身被定位在前方。因此，传感器被安装在一种条件下，其中超声波元件面向结晶器的壁，被布置在平行于结晶器的壁的平面上。所涉及的超声波在与结晶器的壁正交的平面上行进，即，与从模具中提取钢的方向正交的平面上行进。有利地，在结晶器中制成的孔对于实现所发射的超声波的反射不是必需的，但是反射发生在材料变化界面处，如水与结晶器(35)的外壁(49)之间的界面处，或结晶器(35)的内壁(48)与结晶器中所容纳的钢之间的界面处。

如先前解释的，盖8是由一种适合于有效传输超声弹性波的材料制成。该盖(8)由工作本体构成。超声波元件(15、18、21、24、27、30)被应用于(图14)盖(8)的安装面(53)上。超声波元件(15、18、21、24、27、30)可以应用于在盖(8)的本体上获得的对应插入座部中，或者它们可被直接应用于盖的对应表面，而不涉及特定插入座部，使得波的发射在相对于盖(8)的安装面(53)的正交方向上发生。每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)与盖(8)的对应的第一支撑表面(13、16、19、22、25、28)相关联。每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)优选地通过应用糊状材料而粘附到第一对应支撑表面上，糊状材料有利于超声波元件(15、18、21、24、27、30)与盖(8)之间的声耦合。结果：

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，第一超声波元件(15)处于抵靠对应的第一支撑表面(13)的静止情况中，所述对应的第一支撑表面与检测面(6)上的对应的第一穿过表面(14)相对；

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，第二超声波元件(18)处于抵靠对应的第二支撑表面(16)的静止情况中，所述对应的第二支撑表面与检测面(6)上的对应的第二穿过表面(17)相对；

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，第三超声波元件(21)处于抵靠对应的第三支撑表面(19)的静止情况中，所述对应的第三支撑表面与检测面(6)上的对应的第三穿过表面(20)相对；

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，第四超声波元件(24)处于抵靠对应的第四支撑表面(22)的静止情况中，所述对应的第四支撑表面与检测面(6)上的对应的第四穿过表面(23)相对；

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，第五超声波元件(27)处于抵靠对应的第五支撑表面(25)的静止情况中，所述第五支撑表面与检测面(6)上的对应的第五穿过表面(26)相对；

-根据支撑表面和穿过表面相互平行且对齐的构造，附加的超声波元件(30)处于抵靠对应的附加的支撑表面(28)的静止情况中，所述对应的附加的支撑表面与检测面(6)上的对应的附加的穿过表面(29)相对。

超声波元件以它们的敏感或发射表面接触且平行于各自的支撑表面的方式被安装。

根据传感器高度的展开，可存在一个或多个附加的超声波元件(30)或不存在附加的超声波元件(30)。例如，在图示的实施方式(图14)中，存在三个附加的超声波元件(30)。例如，在所示不同实施方式(图13)中，不存在附加的超声波元件。例如，对于本发明的应用，以便获得模具的热绘图，可以设想具有更大数量的超声波元件的解决方案。不排除具有在不同频率下操作的超声波元件的解决方案。

超声波元件(15、18、21、24、27、30)的支撑表面(13，16，19，22，25，28)相对于结晶器的壁是正交的，其方式为使得根据传播方向引导从传感器(1)出来的直达波(40)，该传播方向相对于直达波(40)必须入射在其上的表面，即，相对于结晶器壁是正交的，超声弹性波的穿透必须对应于结晶器壁发生。也就是说，存在波的正入射。盖(8)的本体是对应于相对于超声波元件(15、18、21、24、27、30)的安装面(53)相对的检测面(6)而制成，以便确保超声弹性波的支撑表面(13，16，19，22，25，28)与对应的穿过表面(14、17、20、23、26、29)之间的相互平行性。

在盖8是由一种聚合物材料制成的情况下，弹性波的速度可以是2500m/s的数量级。对于该应用，例如，可以设想使用具有1500m/s至3500m/s之间的超声弹性波的传播速度的盖材料。

在一个实施方式中，还提供了可选的干扰回波(spurious echo)衰减元件(32)的使用(图14、图15)，对应于每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)，将干扰回波衰减元件横向地应用于盖(8)。衰减元件的材料优选地是通过衰减来自除了正交方向以外的方向的回波而具有声波的衰减效果的聚合物材料。衰减元件的材料优选地设置有具有锯齿形脊和凹部的表面，以用于吸收和衰减效果的增加。锯齿形构造的脊具有待被衰减的波长的数量级的节距。这允许增加吸收效果，因为具有随机阶段的反射波以破坏性的方式彼此相加。实际上，由于材料本身是用于弹性波的吸收材料的事实，以及由于几何形状减小了反射波的振幅，所以该元件具有衰减作用。衰减元件是(图14、图15)沿着正交于传感器(1)的长度的展开方向的方向，在长度上具有展开的纵向元件。

优选地，在盖(8)的本体内还获得座部(12)，以用于应用温度传感器(31)，该温度传感器检测在检测面(6)附近的温度，在该检测面处直达波从盖(8)出来，并且在此处反射波穿透盖(8)，用于采集物理检测量的校正参数。温度传感器(31)在起动铸造机或开始铸造工艺之前检测温度，以便获得超声波元件(15、18、21、24、27、30)的估算温度值，以执行具有自动调零功能的传感器(1)的校准阶段。

在本发明的传感器(1)中，每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)既用作发射元件又用作接收元件，这是由于发射根据正交方向发生的事实，如先前解释的。以此方式，对于每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)，超声波元件发射弹性波，该弹性波相对于支撑件(8)正交地传播，其进而平行于结晶器，在结晶器中产生反射波和来自反向反射波的返回波。来自反向反射波的反射波和返回波在朝向超声波元件定向的相对方向上，保持相同的传播方向，超声波元件因此接收与由超声波元件本身发射的信号有关的波，而不接收与由其他超声波元件(15、18、21、24、27、30)发射的信号有关的波。

使用同一个的超声波元件发射和接收对应的反射波是有利的，因为以此方式使用了弹性波在结晶器(35)上的正交入射，具有显著有利的结果是可能对于结晶器(35)的厚度的任何值使用相同配置的传感器(1)，这在弹性波非正交入射的情况下将是不可能的。这通常应用于结晶器的任何厚度，该厚度可以与操作面积或范围混淆，该操作面积或范围基本上对应于在盖8的检测面6与结晶器35的外壁49之间的空间36的距离。

参考(图16)超声波元件(15、18、21、24、27、30)的结构，尽管参考第一超声波元件(15)，但将显而易见的是，每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)具有相同的结构。超声波元件(15、18、21、24、27、30)由容器(55)构成，在该容器内布置了三明治夹层结构，其中陶瓷类型的压电换能器(57)被封闭在衬底(56)与适配元件(58)之间。适配元件(58)构成用于固定到支撑件(8)上的界面，而衬底(56)相对于适配元件(58)在换能器(57)的相对侧上。借助于粘合剂材料(54)完成与支撑件(8)的固定。可以使用各种粘合剂材料，例如环氧树脂。特性必须确保与传感器不可避免地经受的循环热偏移有关的可靠性。衬底(56)由充当振荡衰减元件的树脂和金属氧化物的混合物组成，以便能够使用更宽的频带，从而减少由存在的振动引起的干扰。适配元件(58)是声阻抗适配器。该衬底材料必须具有在高度上的延伸，该延伸优选地对应于波长的一部分，例如像相对于所产生的超声波的波长的四分之一波长。理论上，材料应该具有等于它连接的材料的阻抗的几何平均值的声阻抗，然而变化是可容忍的。

换能器(57)的电连接(59)被接合在衬底(56)内，并且在相对于存在被固定到支撑件(8)上的适配元件(58)的一侧的相对侧上，从容器(55)离开。

参考超声弹性波，如先前解释的，提供了近似地在1MHz与10MHz之间的操作频率的使用，具有4MHz与5MHz之间的频率的超声弹性波是更优选的。由于超声弹性波在传输机(33)与结晶器(35)之间循环的冷却流体(44)的流中被正交地传输，因此传输的超声弹性波必然是p型压缩波，因为与流体的耦合不支持s型剪切波的传输。

直达超声弹性波(40)的发射以脉冲方式发生，即，每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)根据与结晶器(35)正交的传输方向发射超声弹性波的激励脉冲。参考超声波元件(15、18、21、24、27、30)的驱动电压，激励脉冲可以具有在50V与300V之间的振幅。驱动电压的选择取决于所使用的压电陶瓷材料的类型。

脉冲可以是单极或双极的。单极脉冲具有从直接分量开始减小的频谱，因此，不使用部分能量，因为换能器具有窄的谐振频带。双极脉冲允许激励频带与谐振频带更好地适配，但是从电路的角度来看，其实现方式使电路比在单极脉冲的情况下更复杂。

脉冲的持续时间必须与陶瓷的谐振频率兼容，且脉冲的持续时间通常可为约100ns的数量级。脉冲的前沿和后沿的时间的数量级可以是比脉冲的持续时间低的数量级，近似地10ns的数量级。反射波(41)和反向反射波(42)的返回，即，根据所描述的脉冲模式所发射的直达波(40)的返回回波，在从脉冲的发射时刻开始的约100微秒的采集周期内被采集。提供了1kHz的重复频率的发射脉冲，用于产生所发射的直达波(40)的用途。利用这些参数，可以符合连铸过程的控制系统所需的定时，其通常需要50ms数量级的控制周期。

对于用于产生所发射的直达波(40)的每个发射脉冲，提供相对于已经穿过结晶器(35)的弹性波的两个或更多个返回回波的采集(图12)。

虽然，超声波元件(15、18、21、24、27、30)可以同时都被驱动发射，但是优选地更方便地使用多路复用器(60)，使得具有用于所接收的脉冲的单脉冲产生电子器件和单预处理电子器件。以此方式，单脉冲产生电子器件经由多路复用器(60)交替地连接至每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)，而同一个超声波元件(15、18、21、24、27、30)连接至用于所接收的脉冲的单预处理电子器件，用于从结晶器(35)接收返回回波。多路复用器(60)可以集成在传感器本身内，或者它可以定位在局部处理单元(51)处，或者接线盒中所包括的局部电子板中。

特别地，超声波元件在等于以下各项的总和的时间Dt1之后，接收(图12)第一反射的超声弹性波(41)：

-TP1：直达超声弹性波(40)在盖(8)中的行程时间；

-TL1：在空间(36)存在的情况下，在具有冷却流体(44)的流的空间(36)中的直达超声弹性波(40)的行程时间；

-TC1：在结晶器中所传输的直达超声弹性波(40)在结晶器(35)的厚度内的行程时间；

-TC2：所反射的超声弹性波(41)在结晶器(35)的厚度内的行程时间，其等于TC1；

-TL2：在空间(36)存在的情况下，在具有冷却流体(44)的流的空间(36)中的反射的超声弹性波(41)的行程时间，其等于TL1；

-TP2：反射的超声弹性波(41)在盖(8)中的行程时间，其等于TP1。

此外，超声波元件在等于以下各项的总和的时间Dt2之后，接收(图12)由反向反射的超声波(42)的传播引起的第二反射的超声弹性波(41)：

-TP1：直达超声弹性波(40)在盖(8)中的行程时间；

-TL1：在空间(36)存在的情况下，在具有冷却流体(44)的流动的空间(36)中的直达超声弹性波(40)的行程时间；

-TC1：在结晶器中所传输的直达超声弹性波(40)在结晶器(35)的厚度内的行程时间；

-TC2：反射的超声弹性波(41)在结晶器(35)的厚度内的行程时间，其等于TC1；

-TC3：朝向内壁(48)移动的反向反射的超声弹性波(42)在结晶器(35)的厚度内的行程时间，其等于TC1；

-TC4：朝向外壁(49)移动的反向反射的超声弹性波(42)在结晶器(35)的厚度内的行程时间，其等于TC1；

-TL3：在空间(36)存在的情况下，在具有冷却流体(44)的流的空间(36)中的反向反射的超声弹性波(42)的行程时间，其等于TL1；

-TP3：反向反射的超声弹性波(42)在盖(8)中的行程时间，其等于TP1。

如先前所解释的，由于声音传播速度取决于温度，该温度进而取决于在结晶器中所容纳的液态金属的液位(39)的位置，时间TC1和TC2取决于在结晶器中所容纳的液态金属的液位(39)的位置，并且，因此有可能通过测量发射与接收之间的总时间来获得液位(39)的位置的测量。

因为，测量是基于由超声弹性波在模具中所采用的行程时间原理，所以重要的是，超声波元件(15、18、21、24、27、30)产生时间上局部化的信号的对应的直达波(40)，即，具有短的时间延长和很少的周期，理想地，由单个波周期、最多两个波周期表征的波。实际上，不是非常地时间上局部化的信号(即，包括多个波周期)使得对应于反射波的检测的时刻的确定非常复杂，因此取决于系统的应用，增加了在估算液位或温度的位置中的误差。当系统作为整体与高带宽相关联时，可以获得参考由超声波元件(15、18、21、24、27、30)所产生的直达波(40)的时间上局部化的信号的特性，这有利地归功于(图16)衬底(56)的存在来获得，该衬底具有振荡衰减元件的功能，以防止由在时间上不是非常局部化的信号组成的直达波(40)的开始。

这也是允许充分识别返回回波所必需的。通过实施例的方式，考虑具有100V的振幅的超声弹性波产生脉冲，所接收的第一回波可具有在几mV与几十mV之间的振幅，并且，因此具有不同且良好定义的反射波是非常重要的。

为了测量的正确运行，在铜中穿过之后需要至少两个返回回波。实际上，从它们的时间差可以得出铜温度的估算，并且使用在通过垂直布置的不同超声波元件(15、18、21、24、27、30)的不同点处的测量之间的插值技术，以通过(图10)曲线跟踪液位位置，该曲线代表铸入熔融钢的模具的结晶器的铜中的温度分布图，该温度分布图作为距离模具的边缘的距离的函数。

通过适当的数字采样和信号的适当的数学处理，可以达到一纳秒的分辨率。所检测的回波的峰之间的时间距离越大，相对误差将越小。因此，为了提高准确性，在一些实施方式中，提供了对不同回波的组合的使用，诸如，例如所接收的第一回波和所接收的第三回波，或所接收的第一回波和所接收的第四回波。然而，所接收的信号的振幅(即，由于反向反射而逐渐地接收的连续回波的峰的振幅)由于衰减而经历逐渐减少，并且这由于多个反向反射而限制回波的使用。

参考温度测量，可以实现一度数量级的准确性。

为了估算从采集时间延迟所获得的温度测量开始的液位，可以使用以下过程：

-在将距结晶器顶部的距离定义(图10)为“Z”的情况下，温度的对应测量与每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)沿着Z轴的位置相关联；

-进行由此获得的测量的插值，例如通过三次插值，获得插值曲线；

-一旦获得了代表所采集的测量的插值曲线，则确定对应于插值曲线的最大点的ZMax坐标；

-通过将校正偏移值相加以获得ZL液位的位置的测量，来获得液位的位置。

校正偏移值是校准值，其取决于可以通过工艺表格所获得的钢的类型，还取决于铸造机和模具的类型。

考虑基于在模具(图12)中发生的典型构造的示例性实施例，应考虑以下定义，根据该定义，t1表示暴露于钢的铜壁的第一反射到达接收器的时间，并且t2表示暴露于钢的铜壁的第二反射到达接收器的时间。

基于在模具的各个部件中的行进时间(图12)，我们具有：

-t1＝2(TP1+TL1+TC1)

-t2＝2(TP1+TL1+TC1+TC3)

由于弹性波的传播时间取决于铜温度，所以我们具有t2-t1＝2TC3＝2TC1＝2TC2＝f(T)，其中f(T)表示铜中的温度的函数。因此，发现将时间与温度联系的函数关系，通过从时间的实验测量开始所获得的温度的反转，来获得测量。在浇铸阶段期间，铜内部的温度是不均匀的，并且具有梯度。然而，可以证实，由于热侧与冷侧之间的温度衰减在铜内部基本上是线性的，所以函数关系t2-t1＝f(T)可以有效地用t2-t1＝f(平均值T)近似，其中平均值T表示铜自身内部的平均温度。根据实验已知的曲线f(T)的知识，因此，可以从时间t1和t2的测量开始确定铜的温度，并从该温度确定模具内的钢液位的位置。

为了获得所需的测量，即，首先测量结晶器的温度，并从此开始，测量模具内的钢液位的位置，提供了如对传感器的每个超声波元件所指示的处理方法的使用。

必须处理的问题涉及结晶器的厚度，这不是系统的恒定参数，因为，即使使用针对给定构造所提供的厚度值，它也不对应于模具中存在的结晶器的实际值，这是由于结晶器的热壁的逐渐地消耗，以及在这个壁上进行的任何可能的处理，以消除任何可能的局部磨损问题。因此，结晶器的厚度是确定地未知的参数，并且该参数极大地影响结晶器内的弹性波回弹的定时。

为此目的，实施系统自动调零过程。最初，模具是空的，即，在铸造工艺开始之前，对于传感器的每个超声波元件。

定义如下：

-W1：表示在铜的冷表面(即，结晶器上存在冷却水的其一侧)上波的第一反射到达接收器处的到达时间；

-W2：表示在铜的冷表面(即，结晶器上存在冷却水的其一侧)上波的第二反射到达接收器处的到达时间；

-P1：表示在铜的热表面(即，结晶器的存在熔融钢的其一侧)上第一次反射到达接收器处的到达时间；

-P2：表示在铜的热表面(即，结晶器的存在熔融钢的其一侧)上第二次反射到达接收器处的到达时间；

-R1：表示在暴露于水中的盖(8)的表面上的第一次回弹到达接收器处的到达时间，该盖优选地是rexolite；

-R2：表示在暴露于水中的盖(8)的表面上的第二次回弹到达接收器处的到达时间，该盖优选地是rexolite。

系统自动调零过程包括以下步骤：

-将弹性直达波(40)的脉冲发送至模具(34)的结晶器的冷壁或外壁(49)上的射入区域，并且借助于同一个超声波元件采集来自结晶器的返回信号；

-建立返回信号的介导信号

-峰W1的识别

-峰P1的识别

-采集时间窗口序列的识别，其中，每个窗口对应于时间间隔，在该时间间隔中，预期来自结晶器的返回回波的存在，该时间间隔用于随后的温度计算阶段；

-采集时间窗口的选择，其中，识别的和选择的窗口排除峰W1和W2的采集；

-通过发送直达弹性波(40)的脉冲的时间地间隔的且不相交的序列，建立响应时间的平均值，并且采集针对直达弹性波(40)的每个脉冲的一系列返回回波。

在这个阶段中必须处理的关键问题涉及用于分析峰的窗口的识别和电子板的增益的定义。事实上，通常想法是峰W1必须具有高的且可能饱和的振幅值，而峰P1的振幅值必须落入预定义的窗口内。

为了获得这些条件，电子板动态地修改增益，并且在放大器的增益的每个变化处，自动调零循环再次开始。在过程结束时，在时间轴上建立间隔，该间隔明确地定义时间窗口。计算第一峰与其余峰之间的时间差，因此设置零值，在给定时刻，初始水温将与该零值相关联。处理过程将提取相对于这个零的时间变化，并且将其转换成温度。要强调的是，在处理阶段期间不能改变时间窗口。

通常，观察到(图11、图12)在rexolite支撑件或盖(8)的自由表面上产生P-型波，它首先在rexolite支撑件或盖(8)中传播，然后在水中，并且最后在结晶器中传播。在每个界面处产生反射波，这可能潜在地干扰测量。为了避免这个问题，规划了rexolite支撑件或盖(8)的块体，使得由于rexolite支撑件或盖(8)的表面与水的回弹以及水与结晶器的回弹重叠。以这种方式，用于结晶器中回弹的分析的时间窗口被最大化。因此，已经将波P在相应材料中的双行进时间定义为DtR、DtW和DtCu，则传感器的计划规则是：

Dt

“n”是指适当次数的回弹。

从等式(1)它符合：

v

由于铜或铜合金(结晶器的材料通常由其构成)中的超声速度近似地等于4.76mm/微秒，采用结晶器在18mm的测量区域中的厚度，单次回弹花费近似地7.5微秒，并且因此，在给定的构造中，铜中可以存在最多4个回弹。在最坏条件下具有至少两个可靠的回弹是项目的目标。板模具中的结晶器的厚度不保持恒定，并且在随后的再加工之后可以减小高达约8mm。因此，从这个简要分析中清楚的是，关键问题是铜的未知厚度，这使得任何尝试不成功地隔离先验定义的时间窗口中的各个回弹。已经设定DtCu作为第一峰(P1)与第二峰(P2)之间的时间距离的测量，通过定义获得以下各项，

DL是结晶器的厚度，并且v(T)是取决于温度的超声波的速度。原则上，速度在铜的每单个点处改变，因为存在高的热梯度。然而，通过应用平均值定理，可以在数值上证明先前的表达式可以简化为：

其中，T*是由平均值定理提供的精确值，而具有上划线的T表示结晶器在受超声波束影响的区域中的平均温度。此外，通过实验验证，在温度与速度之间存在由下式给出的基本上线性的关系：

mv和qv是指速度变量v的系数，其中，mv是线性变化系数，并且qv是线性关系的截距系数。

在实验上，时间距离因此作为温度变化的函数而改变，因此，最终我们得到以下估算式，其中顶点“s”指示估算的测量：

现在观察到，原则上，DL也是温度的函数，然而其变化是可忽略的，因此，我们可以肯定DL(T)＝DL＝常数。为了简化书写，我们定义T0＝在自动调零过程期间估算的平均温度，并且T＝在计算阶段期间估算的平均温度。此外，设定Dt(T)＝DtCu(T)，然后，从先前表达式获得下式：

通过在假设厚度不变性的情况下，将等式(7)插入到等式(6)中，获得下式：

然而，应注意，极好的近似值是近似地等于1的Dt0/Dt(T)，并且，因此最终获得以下简化的估算式：

通过利用相同的近似值可以进一步简化为：

等式(9)和(10)相对于等式(6)的明显的优点是不必知道结晶器的厚度，并且这是关键点，因为结晶器厚度的实际值是未知的，特别是在回收过程之后。

为了确认先前的假设，遵守一些数值评估。实验上观察到q

为了进行时间窗口的识别，必须确保信号具有正确的特性，特别是信号的振幅非常重要。实际上，有必要验证峰P1具有足够高的值，但是，这样不会危险地接近饱和。因此，初步阶段提供了对峰W1的增益的校正，因为它当然是最显著的峰，并且由构造非常好地限定其位置。在确定性地识别tw1之后，不论结晶器的厚度如何，峰P1将不得不位于相对于tw1的一定窗口内，因为按构造，结晶器的厚度将在最大值与最小值之间。如果P1的振幅的值落入预期的窗口内，则合理的是预期峰P2、P3等的衰减将根据预期发生。参考附图(图19)，需要两个条件来识别峰W1的时间tw1：

·W1B≤tw1≤W1A(随时间的条件)；

·aW1≥W1C(振幅条件)。

对于自动增益控制(CAG)，另外的条件被设置为aW1大于或等于W1D，并且W1D大于或等于W1C。这样可以动态改变aw1，使其落入预期内。为了识别峰P1的时间tp1，我们以相同的方式进行，尽管相对于tw1限定了时间距离：

·t

·a

在这一点上，可以获得在结晶器的整个序列中的回波的距离的合理估算，因此已经设置Δtp＝tp2-tp1，对于除了第一(逻辑上，也可以排除第二)之外的每个峰，应用以下限制：

·t

·a

通过迭代先前条件，直到预定的迭代最大值或直到满足条件，获得系列的所有峰。一旦识别出回波的时间，就可以建立时间窗口，在该时间窗口内，实时地执行搜索。定义这些窗口PW的宽度的参数(图20)必须以这种方式被定义，以便包括作为温度的函数的峰的可能的绝对偏移。应注意，当铸造工作时，除了结晶器之外，水和rexolite的温度也增加。例如，水具有与铜相反的行为。

在正确地识别窗口之后，执行数据的采集，以建立时间差的值，其构成自动调零基准。按顺序的操作是：

·数据采集；

·rms值的控制；

·提取峰；

·执行时间差和水温的平均值。

所指示的序列被重复地执行预定次数的迭代，并且计算平均值。一旦完成平均值，进行校准验证，该验证在于验证所测量的所有时间差允许计算所预期的限值之间的结晶器厚度。厚度计算使用公式(5)的系数进行。

温度估算阶段包括以下步骤

·原始数据的采集和可能的平均值；

·rms值的控制；

·提取峰；

·执行时间和温度的平均值；

·铜温度的计算；

·计算的验证。

重复地进行循环，以执行过程的控制。

所采集的原始数据可能被平均。rms值的控制和峰的提取如前述自动调零过程那样进行。然后计算铜的绝对温度。

使用公式(9)计算绝对温度，其中，T0和Δt0分别表示所测量的水的温度和峰的时间差的自动零值。

为了计算液位，选择至少一对窗口，每个窗口包含对应的峰。如前所述分析每个窗口，并且根据所解释的方法计算温度。在任何情况下，设置控制阶段以验证Δt相对于自动零值的时间变化在预定的纳秒范围内，以便确保在机器的采集或参数中没有与要报告的警报情况对应的在预期的采集或参数之外的错误。

最后，本发明涉及一种用于检测至少一个物理量的传感器(1)，该物理量是在铸造机的模具(34)的结晶器(35)的至少一部分的温度与结晶器(35)内的液态金属(37)的弯月面或液位(39)的位置之间选择的。传感器(1)适于安装在模具(34)内，传感器(1)包括设置有腔室(10)的外壳(2)，腔室(10)包括封闭盖(8)，其中盖(8)放置在检测面(6)处，盖(8)向腔室(10)内部支承至少一个第一系列的超声波元件(15、18、21、24、27、30)，所述至少一个第一系列超声波元件根据传感器(1)的长度的展开方向而垂直地相互间隔地放置，其相对于结晶器(35)的壁(48，49)的长度的展开方向是平行的，其中第一系列的超声波元件(15，18，21，24)，27、30)包括至少一个第一超声波元件(15)、第二超声波元件(18)、第三超声波元件(21)。术语“垂直”是指重力的方向以及相对于传感器长度上的展开方向的传感器的构造。每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)根据相对于传感器(1)的长度上的展开方向的正交取向而被放置在盖(8)上，以用于具有正交入射的发射超声波(40)相对于结晶器(35)的正交入射，每个超声波元件(15、18、21、24、27、30)可替代地可配置为发射超声波的发射器(40)和接收超声弹性波的接收器，这些超声弹性波是来自结晶器(35)的由同一个超声波元件(15、18、21、24、27、30)的发射超声波(40)的反射波的回波组成的返回超声波。在一些实施方式中(图17)，传感器(1)包括所述一系列超声波元件(15、18、21、24、27、30)中的一个以上的超声波元件，其中，所述一系列中的每一个超声波元件放置在相对于检测面(6)的平行平面上，并且放置在根据相对于传感器(1)的长度的展开方向的正交间隔方向，相对于另一相邻系列间隔开的该平面上。

本发明还涉及(图11)一种用于检测至少一个物理量的检测系统(1，51)，该物理量是在结晶器(35)的至少一部分的温度与弯月面或液位(39)的位置之间选择的，其中检测系统(1、51)包括旨在安装在模具(34)内部的传感器(1)以及连接到传感器(1)上的信号采集和处理单元(51)，其中，传感器(1)如前所述，采集和处理单元(51)连接至传感器(1)，用于采集和处理接收超声弹性波的接收信号。优选地，检测系统(1、51)包括多路复用器(60)，用于将超声波脉冲发生器交替地连接至超声波元件(15、18、21、24、27、30)中的一个。检测系统(1，51)可以包括至少两个传感器，这些传感器被放置在结晶器的不同侧。

本发明还涉及一种检测方法，该检测方法通过先前描述的和安装在模具(34)内部的传感器(1)来检测在结晶器(35)的至少一部分的温度与弯月面或液位(39)的位置之间所选择的至少一个物理量，该方法包括测量阶段，该测量阶段包括以下步骤：

(a)通过传感器的发射超声波元件(15、18、21、24、27、30)之一，发射相对于结晶器(35)具有正交入射的发射超声波脉冲(40)；

(b)通过同一个发射超声波元件(15、18、21、24、27、30)，接收和采集与发射超声波(40)的反射波的回波对应的信号；

(c)针对传感器(1)的一系列超声波元件(15、18、21、24、27、30)中的一组超声波元件(15、18、21、24、27、30)重复阶段(a)和(b)；

(d)处理与反射波的回波对应的信号；

(e)计算在结晶器(35)的至少一部分的温度与弯月面或液位(39)的位置之间所选择的物理量中的至少一个。

检测方法包括对测量阶段的初步自动调零过程，以使测量与结晶器的厚度无关，自动调零过程为发生在铸造机起动阶段之前的过程，所述的自动调零过程包括以下步骤：

-通过超声波元件中的至少一个，将直达弹性波的脉冲(40)发送到模具(34)的结晶器的射入区域，并且通过同一个超声波元件从结晶器采集返回信号；

-建立返回信号的介导信号；

-第一峰W1的标识，其中，W1表示来自与结晶器的冷却水接触的结晶器的表面的第一反射到达对应的超声波元件的到达时间；

-第二峰P1的识别，其中，P1表示来自与液态金属接触的结晶器的表面的第一反射到达对应的超声波元件的到达时间；

-采集时间窗口序列的识别，其中，每个窗口对应于时间间隔，其中，预期存在来自结晶器的返回回波；

-采集时间窗口的选择，其中，识别的和选择的窗口排除了在随后的测量阶段期间峰W1和W2的采集，其中，W2表示来自与结晶器的冷却水接触的结晶器的表面的第二反射到达对应的超声波元件的到达时间；

-通过发送直达弹性波(40)的脉冲的时间间隔的和分离的序列，建立响应时间的平均值，并且采集针对直达弹性波(40)的每个脉冲的一系列返回回波。

检测方法可以包括电子增益参数的定义阶段，其方式为使得所接收的峰W1具有相对于采集电子器件的在饱和或接近饱和的条件下的振幅值，增益参数的定义阶段是以增益的动态方式，变化的迭代重复阶段，直到获得所接收的峰W1的振幅值的饱和或接近饱和的条件。相对于在结晶器(35)的至少一部分的温度与弯月面或液位(39)的位置之间所选择的物理量中的至少一个的计算的步骤可以包括在自动调零过程期间与在测量阶段期间所接收的峰的检测时间之间的时间差的计算阶段，该计算基于所计算的时间差发生。使用前面用(9)表示的公式，该方法可以包括对超声波元件中的至少一个计算结晶器的温度的阶段。方法可以包括所述结晶器(35)内的所述液态金属(37)的弯月面或液位(39)的位置的计算阶段，其中，弯月面或液位(39)的位置的计算阶段包括用至少三个超声波元件计算结晶器的温度的阶段，其中获得在沿传感器的高度展开的不同位置处结晶器的温度的计算测量，弯月面或液位(39)的位置的计算阶段包括以下步骤：

-结晶器的温度的计算测量的插值，获得插值曲线；

-确定对应于插值曲线的最大值点的坐标，该坐标表示液位的位置。

最后，本发明还涉及一种铸造机，该铸造机设置有用于铸造液态金属(37)的至少一个模具(34)，其中，该模具设置有结晶器(35)，该铸造机包括在如先前描述的传感器(1)或如先前描述的检测系统(1，51)之间所选择的至少一个元件。可以根据一种控制方法操作铸造机，该控制方法包括一种用于检测至少一个物理量的检测方法，该至少一个物理量是在结晶器(35)的至少一部分的温度与结晶器(35)内的所述液态金属(37)的弯月面或液位(39)的位置之间选择的，其中，如上所述进行该检测方法。

已经参考附图对本发明的优选实施方式之一进行了描述，但很明显，根据前面的描述，本领域技术人员将立即清楚许多可能的改变、修改和变化。因此，必须强调的是，本发明不限于先前的描述，而是包括根据所附权利要求的所有改变、修改和变化。

所使用的术语

参考附图中的附图标记，使用以下术语：

1.传感器

2.外壳

3.固定装置

4.连接器

5.电缆

6.检测面

7.狭缝或孔

8.支撑件或盖

9.封闭板

10.腔室

11.出口

12.座部

13.第一支撑表面

14.第一穿过表面

15.第一超声波元件

16.第二支撑表面

17.第二交叉表面

18.第二超声波元件

19.第三支撑表面

20.第三穿过表面

21.第三超声波元件

22.第四支撑表面

23.第四穿过表面

24.第四超声波元件

25.第五支撑表面

26.第五穿过表面

27.第五超声波元件

28.附加的支撑表面

29.附加的穿过表面

30.附加的超声波元件

31.温度传感器

32.衰减元件

33.输送机

34.模具

35.结晶器

36.空间

37.液态金属

38.表层

39.液位

40.直达波或发射波

41.反射波

42.反向反射波

43.壳体

44.水流

45.金属流

46.上端

47.下端

48.内壁

49.外壁

50.重力的方向

51.处理单元

52.控制单元

53.安装面

54.粘合剂材料

55.容器

56.衬底

57.换能器

58.适配元件

59.电连接

60.多路复用器