CN101542229A

CN101542229A - 信号处理方法和用于尺度计量系统的单元

Info

Publication number: CN101542229A
Application number: CNA2007800435321A
Authority: CN
Inventors: J·索贝尔
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: US8280690B2; EP1925905A1; CN101542229B; US20090230951A1; JP5155332B2; JP2010510509A; ATE500487T1; WO2008062031A1; EP1925905B1; DE602006020462D1

Abstract

一种用以确定非铁导电物体(5)的至少一个尺度(d)的尺度计量系统(1)在物体(5)内产生磁场(8)并且改变磁场的激励(X)。信号处理单元(11)测量磁场对激励(X)改变的反应(9，10)，获得激励(X)与测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的实际场传递函数(H)，以及通过将测量的场传递函数(H)与预定场传递函数(G(d))拟合来确定物体(5)的至少一个尺度(d)，其中预定场传递函数(G(d))表示以一个尺度(d)为参数的在激励(X)与测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的动态行为。

Description

信号处理方法和用于尺度计量系统的单元

技术领域

本发明涉及一种用以确定非铁导电物体的至少一个尺度的信号处理方法，该方法包括测量磁场对激励改变的反应的步骤，其中磁场施加到物体。本发明还涉及一种用于尺度计量系统的信号处理单元。

背景技术

在非铁导电物体的尺度测量领域中，已知基于如下事实的无接触方法：这样的物体由于在物体内感应电流而影响向物体施加的磁场。物体对磁场的影响主要地依赖于物体的几何尺度和电阻率。因而，如果电阻率已知，则可以通过测量由物体造成的磁场改变来识别几何尺度。

为了创建可以清楚地观测物体对磁场的影响的特殊时间点，EP0349528B1提出通过关断电流供应来明显地改变磁场的激励。测量在关断与在测量设备与物体之间的气隙中存在的磁场部分的衰减之间流逝的时间。然后基于测量的时间的长度来确定物体的几何尺度。在下文中，将气隙中的磁场衰减称为主衰减。

在WO 01/01065 A1中进一步改进了在EP0349528B1中提出的方法以针对具有更小尺度的物体实现更高准确度。其中，测量不是在改变激励之后直接地开始，而是只在完成主衰减之后才开始。在主衰减之后，仅保留物体内的磁场部分，该磁场部分的衰减时间延迟大于气隙中的场。物体中的磁场衰减可以称为次衰减。次衰减的长度同样依赖于物体的几何参数和电阻率参数。在WO 2005/064268A1和WO 2005/064269 A1中描述了该方法的更多实施例。

所有已知方法的共同之处在于，测量和使用时间段以确定物体的几何尺度。该方式具有尤其是对小尺度的物体如薄片的测量准确度有影响的主要弊端。由于仅两次测量用来限定时间段，所以这两次测量的采样启动变得关键。例如由于信号处理电路中的变化的延迟而造成的采样时间的仅少量变化可能导致测量结果的显著差异。这些差异随着物体的尺度减小而增加。另外，如果物体更小，则对磁场激励的改变生效的时间点的确切确定变得更重要。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种尤其适用于小尺度的物体、特别是很薄的片的信号处理方法和用于尺度计量系统的单元。

本发明的目的通过提供根据权利要求1所述的信号处理方法和根据权利要求12所述的信号处理单元来实现。

本发明是基于在频域而不是时域中探求解决方案的主要思想，因为上文讨论的两次测量定时精确度的进一步增加由于所带来的大量工作和代价而不那么适用。

根据本发明，取得磁场对激励改变的与时间有关的反应的多个样本，并且多个样本用来获得测量的场传递函数，其中测量的场传递函数是激励与测量的场反应之间实际动态行为的表示。通过将测量的场传递函数与预定场传递函数拟合来确定物体的至少一个尺度，其中预定场传递函数表示以一个尺度为参数的在激励与测量的场反应之间的动态行为。本发明的信号处理单元包括用以执行方法步骤的相应装置。

本发明的优点在于，确定的尺度的准确度现在独立于仅少数测量的具体定时。代之以取得多个样本，这意味着将磁场的与时间有关的反应作为整个函数来考虑。因而，样本数目应当至少为二十，但是优选是数目明显更多的样本。由于处理更多数据样本，所以甚至对于很薄的片也产生可靠结果。

优选地，取得磁场的与时间有关的反应的等距样本，即按照恒定采样频率来实现采样。这简化了后续信号处理。

为了确定测量的场传递函数，建议使用磁场的与时间有关的激励的等距样本并且通过已知数学方法来导出相应频率变换，或者使用可以由低阶传递函数代表的激励的具体信号形式。如果应用第二可能性，则阶跃函数优选地用于激励。

在本发明的一个实施例中，将预定场传递函数确定为激励的传递函数与代表非铁物体针对磁场的透射行为的传递函数的组合。可以通过已知控制理论方法例如通过以线性的不随时间变化的系统形式设定行为动态模型以及通过使用拉普拉斯变换将该模型变换到频域来导出代表物体透射行为的传递函数。通过使用该方式，预定场传递函数的一般形式与通过应用已知的系统识别黑盒子方法的一般形式相比更好地适应于系统的实际动态行为，其中术语系统描述磁场的激励与由物体造成的场反应之间的动态行为。为了确定透射行为的传递函数，必须在物体与磁场的激励侧相反的一侧测量场反应。

在又一实施例中，将预定场传递函数确定为激励的传递函数与代表物体针对磁场的反射行为的传递函数的组合。因而，然后必须在物体的生成磁场的相同侧测量场反应。

也可以通过设定预定场传递函数来组合两个实施例，该预定场传递函数包括激励以及物体的透射和反射行为。然后在物体的两侧测量场反应。

在更多实施例中，通过考虑系统中可能影响系统动态性能的更多部分，预定场传递函数更接近地适应于实际系统行为。建议场传递函数的一部分可以代表场生成线圈的行为和/或场测量线圈的行为和/或数据采样单元的行为。

还建议使提出的本发明适用于对物体的多个尺度的测量。用以代表激励与场反应之间动态行为的系统模型以及由此的预定场传递函数可以扩展成包括物体的第二和第三尺度的影响或者分别包括物体的材料参数，比如传导率或者电阻率。在生产非铁导电材料薄片的特殊轧钢厂领域中，确定作为至少一个尺度的厚度并且还确定片的电阻率以便具有关于产品质量的多条信息是有利的。

附图说明

现在参照以下附图通过例子来描述本发明，附图中：

图1示出了厚度计量系统和薄片的截面图；

图2示出了在激励与场反应之间的系统动态模型的示意图；

图3示出了用以确定厚度和电阻率的信号处理方法的流程图。

具体实施方式

图1的厚度计量系统1具有U形形式。它包括U形的各支路内的两个线圈；上支路2内的上发射线圈T_A和上接收线圈R_A以及下支路3内的下发射线圈T_B和下接收线圈R_B。控制单元4连接到两个发射线圈T_A和T_B以便通过向它们施加对应电流来控制它们的激励。因而，磁场在两个支路2与3之间的开放空间中发展。该磁场穿透到放置于两个支路2与3之间的开放空间内并且将开放空间划分成上空间6和下空间7的薄片5中。片5由非铁导电材料制成，该材料比如是非铁金属如铝或者铜或者比如导电聚合物或者橡胶，其中该材料具有电阻率ρ。片5具有厚度d。

由发射线圈T_A和T_B中的一个或者两个生成的磁场在片5内感应电流，该电流又在接收线圈R_A和R_B中感应电压。控制单元4测量感应的电压。在图1的特殊布置中，发射线圈T_A和T_B以及片5以如下方式相对于彼此来放置，该方式使得在片的三个几何尺度中仅厚度d影响在接收线圈R_A和R_B中感应的电压。在WO 01/01065A1中更具体地描述了该布置。因而，在接收线圈R_A和R_B中感应的电压代表磁场的反应，其中该反应依赖于场的反应以及片5的厚度d和电阻率ρ。

在图1中示意地示出了仅激励上发射线圈T_A。穿透片5的磁场8在上空间6内发展。在透射经过片5时，磁场8的动态行为和幅度被改变。改变的磁场的一部分在它穿透到片中的相反侧离开片5。磁场的该部分称为透射场9。透射场9进入下开放空间7并且到达可以对它进行检测的下接收线圈R_B。改变的磁场的另一部分在它穿透到片中的相同侧离开片5。该部分称为反射场10，并且它延伸到由上接收线圈R_A对它进行检测的上开放空间5中。

信号处理单元11连接到控制单元4。信号处理单元11从控制单元4接收如下数据，该数据代表磁场激励的和磁场反应(即感应的电压)的与时间有关的行为。根据这些数据以及根据预定的和存储的信息，信号处理单元11通过下述方法来确定片5的厚度d和电阻率ρ。取代了如图1中所示布置为单独硬件单元，信号处理单元11也可以直接地集成于控制单元4中。信号处理单元11经由接口12连接到外部设备，以便将厚度d和电阻率ρ输出到显示器和/或外部存储单元和/或中央控制单元。

为了根据激励的和场反应在频域中的测量的与时间有关的行为来确定厚度d和电阻率ρ，需要预先确定场传递函数的一般形式，使得预期数目的参数及其对传递函数的影响是已知的。在该特殊例子中，根据单独传递函数的组合来确定传递函数的一般形式，其中各传递函数代表影响在激励与场反应测量之间的整体动态性能的单元之一的动态行为。取而代之，可以使用已知的系统识别方法。

通过已知方法根据由差分方程描述的动态模型来导出单独传递函数。假设下述所有传递函数是如根据现有技术已知的依赖于复频率变量s＝σ+j·ω的拉普拉斯变换。

在图2中用框图示出了由预定场传递函数代表的整个动态系统及其单独部分的互连。激励构成系统的输入变量X。根据激励哪个发射线圈，输入变量可以被指定为X_A或者X_B。图2中的情形对应于其中仅激励上发射线圈X_A的图1中所示情形。

传递函数E_A代表为了启动或者改变发射线圈T_A的激励而由控制单元4生成的控制信号的动态行为。传递函数T_A代表上发射线圈T_A本身的动态行为，该行为造成磁场8的实际生成或者改变。针对下侧导出类似传递函数E_B和T_B。

如上所述，生成或者改变的磁场8由片5变换成透射场9和反射场10这两个主要部分。传递函数S_R＝S_A描述了将磁场8的一部分变换成反射场10的过程，而传递函数S_T＝S_B描述了将磁场8的另一部分变换成透射场9的过程。相应传递函数R_A和R_B代表接收线圈R_A和R_B中的电压感应过程，而相应传递函数D_A和D_B描述了在对感应的电压的与时间有关的行为的测量过程中的数据采样过程。

因而，可以导出如下传递函数F_AR，该函数代表上发射线圈T_A的激励X_A与对上接收线圈R_A处的场反应Y_AA的测量之间的行为：

F_{AR} (s) = \frac{Y_{AA}}{X_{A}} = E_{A} \cdot T_{A} \cdot S_{R} \cdot R_{A} \cdot D_{A},

其中反射传递函数S_R＝S_A。

上发射线圈T_A的激励X_A与对下接收线圈R_B处的场反应Y_AB的测量之间的传递函数F_AT表示如下：

F_{AT} (s) = \frac{Y_{AB}}{X_{A}} = E_{A} \cdot T_{A} \cdot S_{T} \cdot R_{B} \cdot D_{B},

其中透射传递函数S_T＝S_B。

在仅激励下发射线圈T_B的相反情形中，相应传递函数F_BR和F_BT可以如下导出：

F_{BR} (s) = \frac{Y_{BB}}{X_{B}} = E_{B} \cdot T_{B} \cdot S_{R} \cdot R_{B} \cdot D_{B},

其中反射传递函数S_R＝S_B，

并且

F_{BT} (s) = \frac{Y_{BA}}{X_{B}} = E_{B} \cdot T_{B} \cdot S_{T} \cdot R_{A} \cdot D_{A},

其中透射传递函数S_T＝S_A。

为了导出仅包含片5对磁场8的影响的简化关系，分别用于透射场9的传递函数F_AT和F_BT除以分别用于反射场10的相应传递函数F_AR和F_BR。

这获得如下方程：

\frac{F_{AT}}{F_{AR}} = \frac{Y_{AB}}{Y_{AA}} = \frac{S_{T} \cdot R_{B} \cdot D_{B}}{S_{R} \cdot R_{A} \cdot D_{A}}

和

\frac{F_{BT}}{F_{BR}} = \frac{Y_{BA}}{Y_{BB}} = \frac{S_{T} \cdot R_{A} \cdot D_{A}}{S_{R} \cdot R_{B} \cdot D_{B}} .

通过将这两个表达式相乘，导出仅包含如下传递函数S_T和S_R的简化关系，这些传递函数代表片5的透射和反射行为：

G (s) = \frac{Y_{AB} \cdot Y_{BA}}{Y_{AA} \cdot Y_{BB}} = {(\frac{S_{T}}{S_{R}})}^{2} .

该简化关系G(s)是在下述方法中用来确定片5的厚度d和电阻率ρ的预定场传递函数的一般形式。

在下文中假设用于透射场9的传递函数S_T与用于反射场10的传递函数S_R之商为一阶并且具有以下形式：

\frac{S_{T}}{S_{R}} (s) = \frac{b}{a \cdot s + 1} .

因而，预定场传递函数G(s)的参数是增益b和时间常数a。两个参数随着片5的厚度d和电阻率ρ改变而改变，从而G(s)也可以记作G(d，ρ)。

用以确定片5的厚度d和电阻率ρ的方法如图3中所示开始于在方法步骤13中激励上发射线圈T_A。在这里描述的例子中，将恒定电流施加到上发射线圈T_A。该电流必须施加得足够久以至于所得磁场8可以穿透到物体5中。在步骤14中通过关断经过上发射线圈T_A的电流来突然地和明显地改变激励。通过按照例如每秒100兆个样本的恒定采样速率对上接收线圈R_A和下接收线圈R_B中感应的电压进行采样来测量磁场的反应。这意味着每0.01微秒进行一个测量。样本被存储为Y_AAi和Y_ABi，其中i为采样指数。测量时间被选择成足够长以捕获对改变的激励的全部场反应。在步骤16至18中在激励下发射线圈T_B的情况下重复相同过程用于获得场反应样本Y_BBi和Y_BAi。

在步骤19中，通过使用已知的系统标识方法并且将它们应用于以下数据来获得测量的场传递函数H：由阶跃函数X(s)＝1/s代表的已知与时间有关的激励或者输入函数、来自场反应的样本Y_AAi、Y_ABi、Y_BBi和Y_BAi以及根据预定场传递函数G(s)获得的场传递函数的预期形式。在无法用已知函数容易地代表激励的情况下，也需要对激励X进行采样。

通过迭代地改变参数厚度d和电阻率ρ尽可能相互接近地在数值上拟合测量的场传递函数H和预定场传递函数G(d，ρ)。从图形上说，这可以理解为使预定场传递函数G(d，ρ)的波德图与测量的传递函数H的波德图重叠。

如果预先已知电阻率ρ，则可以应用类似方法以使用仅依赖于厚度d的预定函数G(d)来仅确定厚度d。

在步骤20中将所得厚度d和电阻率输出到可以是显示器和/或存储单元和/或中央控制单元的外部单元。

Claims

1.一种用以确定非铁导电物体(5)的至少一个尺度(d)的信号处理方法，包括测量磁场(8)对激励(X)改变的反应(9，10)的步骤，其中所述磁场(8)施加于所述物体，

其特征在于：

·获取所述磁场(8)的与时间有关的所述反应(9，10)的多个样本(Y_AAi，Y_ABi，Y_BBi，Y_BAi)，

·根据所述多个样本(Y_AAi，Y_ABi，Y_BBi，Y_BAi)来获得测量的场传递函数(H)，所述测量的场传递函数(H)代表在所述激励(X)与测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的实际动态行为，

·通过将所述测量的场传递函数(H)与预定场传递函数(G(d))拟合来确定所述物体(5)的所述至少一个尺度(d)，其中所述预定场传递函数(G(d))表示以一个尺度(d)为参数的在所述激励(X)与所述测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的动态行为。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述磁场(8)的与时间有关的所述反应(9，10)的等距样本来获得所述测量的传递函数(H)。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中使用所述磁场(8)的与时间有关的所述激励(X)的等距样本来获得所述测量的传递函数(H)。

4.根据权利要求1至2所述的方法，其中使用可以由低阶传递函数代表的激励(X)来获得所述测量的传递函数(H)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述激励(X)是阶跃函数。

6.根据前述权利要求1至5中的至少一个权利要求所述的方法，其中所述预定场传递函数(G(d))的一部分代表所述物体(5)对磁场的透射行为(S_T)。

7.根据前述权利要求1至6中的至少一个权利要求所述的方法，其中所述预定场传递函数(G(d))的一部分代表所述物体对磁场的反射行为(S_R)。

8.根据前述权利要求1至7中的至少一个权利要求所述的方法，其中所述预定场传递函数(G(d))的一部分代表场生成线圈(T_A，T_B)的行为。

9.根据前述权利要求1至8中的至少一个权利要求所述的方法，其中所述预定场传递函数(G(d))的一部分代表场测量线圈(R_A，R_B)的行为。

10.根据前述权利要求1至9中的至少一个权利要求所述的方法，其中所述预定场传递函数(G(d))的一部分代表数据采样单元(D_A，D_B)的行为。

11.根据前述权利要求1至10中的至少一个权利要求所述的方法，其中还通过使用预定场传递函数(G(d，ρ))来确定所述物体(5)的电阻率(ρ)，所述预定场传递函数(G(d，ρ))以所述一个尺度(d)为一个参数而以所述电阻率(ρ)为另一参数来代表在所述激励(X)与所述测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的动态行为。

12.一种用于尺度计量系统(1)的信号处理单元(11)，包括用以测量磁场(8)对激励(X)改变的反应(9，10)的装置(R_A，R_B)，其中所述磁场(8)被施加于非铁导电物体(5)，

其特征在于：

·用以获取所述磁场(8)的与时间有关的所述反应(9，10)的多个样本(Y_AAi，Y_ABi，Y_BBi，Y_BAi)的装置，

·用以根据所述多个样本(Y_AAi，Y_ABi，Y_BBi，Y_BAi)来获得测量的场传递函数(H)的装置，所述测量的场传递函数(H)代表在所述激励(X)与所述测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的实际动态行为，

·用以通过将所述测量的场传递函数(H)与预定场传递函数(G(d))拟合来确定所述物体(5)的至少一个尺度(d)的装置，其中所述预定场传递函数(G(d))表示以一个尺度(d)为参数的在所述激励(X)与所述测量的场反应(Y_A，Y_B)之间的动态行为。