DE1623127A1 - Messverfahren und Anordnung zur Bestimmung von Laengen mittels induktiver Felder - Google Patents

Description

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Günther Ali ah' ._:
Adliswil (Schweig) .".-*_

Messverfahren und Anordnung - zur Bestimmung von längen mittels induktiver Felder«

für die geometrische Ausmessung¹ f©rromagnetisehsr &Bi?p@r sind Verfahren bekannt geworden, die mit Hilfe eines magnetischen Gleich- oder" We.chself©Idea, die Sicke, Länge oder den Abstand von einem Messobjekt mittels eines Mihlers abtasten oder berührungslos bestimmen,, Auch.ist allgemein bekannt, äi® Induktion im Luftspalt von elektrischen Maschinen mittels Wismutspiralen oder moderneren. Halbleitern, "Z«BV aus Indiumantimonid au messen» Ferner wurden Anordnungen vorgeschlagen,-, bei denen die Sicke'-eines Körpers aus nielvt°£erromagnetisehem Material mit Hilfe eines permanent-magnetischen Feldes bsstimat wird. Hiernach soll das.seitenparallele Msssob^ekt so mit ©in@ff-feidabhängigen Sonde C^oB· Hallgenerator) zusammen zwischen zwei Permanentmagnete bekannter Feldstärk® eingeschlossen werden, dass die Dicke des Hejssobjektes .zusammen mit ö©r Diefe© der Sonde mechanisch gemessen und elektrisch angezeigt ?räreL (m._e3_a flir eine Parbschicht-Dickenmessung)

In Pällen, wo k^rin® höh©" lessgenauigkeit gefordert -Viriffä₉ eind diese bekannten ¥@rfateaa ■■.aaawendba^o 3Qi©-. ©xalct©- !©stlanimg- waxL zeitlich unbegrens-fe©-stetige Begelung eines llstaad^s ii?ei®r

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als di© g@f®ria2"fe© ©©aaulgkelt ist».

Auch treten aufgsmi der nicht iraser genauen planparallelen Form des MesaolbjQktes und seiner Lags zum Meesfeld bei den bekannten Yerfateara zusätzliche Peiilar auf· Dies kann 8.B. bei

' der Messung ä®T -won der Polschurafom abhängigen Luftspalt induktion ©to© ggQBB® Bedeutung ssin_s hingegen ist die gesamte Geometrie das Meessbjektes für di© elektrische Messung dort sehr wichtige w.o die Stärke des swischen Sswei Körpern bestehen-

' den magnetisches !'©Idas ale Mass für daran Abstand dienen soll·

So stellt sich s»B_e die Aufgabe, die Banddicke von Walzgut in Walzwerken exakt' zu Hessen und 'konstant zu halten, als recht schwierig dar_o Mir die Lösung dieser Aufgabe sind im wesentlichen zwei praktisch angewendete ¥erfahr@n bekannt geworden, 'und zwar das d@r 33as.ddlckenm©ssung hinter Sem Walzspalt, also ausserhalb de® Walggerüstss, und ias ä®%· Walsskraftme'ssung und.-regelung im Gerüst ο -Während ^©dooh das esrete Iferfahreii wegen der räumlichen Trennung iron Mess ort imiS St@ll®rt (als Hauptstellgrösse wird b©i i©r BaaMi@k©5a2?eg©Iiaig ^«saeist die Walzkraft der Anstollraig TssT^eiitet) iafoigQ ü©^ isiT/srmeldbaren Totzeit für eins genau® Spaltweitea-=» bzw«, Bisk©nregelung nicht geeignet ist? haftea &®t zweiton Method©_f bei der die Walzkraft konstant ■gehalten wird,, verschiedene andere Fachteile an· Da bei diesem Verfahren die. Spaltwait.e, ä„h_e die Position der beiden Arbeitswalzen, nur indirekt gemessen und geregelt wird, leclnnen eine Eeihe von Stö*rg?Hs@en₉ wie Walzgsseliwiadigkeit, Walzenexzentrizität, lagarspiol usw_a, nicht erfasst und eliminiert werden·

Es ;vurda deshalb @izi@ optiseht Messcsinrlehtung vorgQSohlagen, die-sich im w®s©atli©h©n oiaes StrafeX@afetod®ls _t sweiei" Objektive, versehi^äsae?'Spiegel, vmä @ia@r Wslstnnachbildung C als

vm (kern Ah&imnä 4®r beid©a Wslssn im

eoa©triseh direkt zu b©stimm@a_o Obseaoa mloh nib iio®©^ !lQ*lfe©i© dia Walsspeltweite ia Wegeinheiten-m©©seat- lässt ₈ ist Si© liu^iehtuiag. aus betriebs

SAD

die exaktö längen- o&er Abstandsmessung zweier Körper, z.B. ftia? die Messung des Achsabstand®© bsw» der Spaltweite von Arbeitsw&izen in Kalt- und Wamwalzwerktia, war deshalb die Aufgab© gestellt« ein Verfahren und elzi@ Anordnung zu entwickeln» die die genannten Nachteile vermeiden und genauere Ergebnisse sstt -liefern vermögen.

Irflßdungsgemäse wird die Aufgabe, Längen mittels induktiver Polder und magnetfeldabhäsigiger Halbleitersonden zu dessen, . dadaureh gelöst, das© eine in eine elektrische Brüekenanordnuag geschaltete Messende in ein praktisch homogenes magnetisches PeId eines konstant freaderragten ersten Magnetkreises gehalten wird, und die von der Grosse eines Messluftspaltes feldstärkeabhängige, in absoluten Widerstands- oder Stromwert©n dargestellte Längemiegsgrösee mit den absoluten Widerstands UÜ.&W Stromwerten einer Vergleiohssonde, in einem zweiten Magnetkreis mit veränderbares* Brregtratrom und konstantem Iiuft-B^sIt auseerhalb der Messstrscke, verglichen wird, wobei der Esregerstrom des f©ggl®iehskreises als Mngenbezugswert dient·

Ausserdem bezieht sich öle Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung des genannten Kessverfahrene, die dadurch gekennaeichnet iet, dass zwei gleiche, in einer Brüokenanordnung geschaltete Magnetfeldsonden durch einen !Träger gehalten und in der Messstrecke symmetrisch zur Messrichtung berührungslos geführt sind, um Fehlereinflüsse infolge relativer einseitiger oder dynamisch wechselnder Lageverschiebungen des Sondenträgers bezüglich der ruhenden oder sich drehenden, die Messstrecke begrenzenden Körper quer zur und in Richtung der Messachse zu kompensieren.

Bas erfindungsgeiaässe Messverfahren bietet, im Gegensatz zu bekannten Verfahren, den Vorteil, dass die Kenntnis von Kennlinie, femperaturkoeffizient und Dicke der verwendeten. Messmittel (halbleitende Feldsonden u.dgl.) nicht erforderlich ist.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll das erfindungsgeraässe \ Kessverfahren und die Anordnung zu dessen Durchführung, in Ver-

ΐ * bindung iait Zeichnungen näher erläutert werden.

BAD ORiGiNAL

Es zeigt

Fig, 1 zwei Messkörper, deren Abstand voneinander

gemessen werden soll?
Fig. 2 die schematische Ausführung zweier Messkreise in Brückenschaltung;

Fig. 3 die praktische Ausführung eines Sondenträgers; < Fig. 4 den Seitenversatz von zwei rotierenden MesskörpernJ Fig. 5 die Ausführung einer federnden Doppelgabelf Fig. 6 die Ausführung eines Doppelmessfeldes und die Anordnung einer Temperatürsonde?

Fig. 7 die sohematische Ausführung eines Regelkreises} Fig. 8 die Ausführung einer Einrichtung zum Messen

von Bändern, Drähten usw.;
Fig. 9 die Prinzipschaltung für eine Stromfehlerkompensation.

Das Beispiel Fig. 1 zeigt zwei rotationssymmetrische Körper, deren kleinster lichter Abstand in radialer Richtung durch die Messstrecke L gekennzeichnet ist. Im besonderen sind bei dieser Anordnung die über die Wellen 2 und 5 und deren Lager miteinander verbundenen Walzen 1 und 4 durch das kraftschliessende Gestell 7 oder aber zumindest durch einen aus nicht-ferromagnetischem Material bestehenden Zwischenring 3 oder 6 magnetisch voneinander isoliert.

Im Ausführungsbeispiel Fig. 2 ist das Verfahren der induktiven Abstandsmessung dargestellt. Zwischen den Walzen oder Messringen 1 und 4 sind zwei Feldsonden 10· und 10" so zu radialen Symmetrieachse angeordnet, dass eine in der Bildebene auftretende kleine seitliche Verschiebung ΔΧ (s.auch Fig. 4) der Sonden senkrecht zur Achse ausgemittelt wird und praktisch ohne Einfluss auf die Messgenauigkeit bleibt. Die Einspeisung des Magnetflusses 11 erfolgt in dem gezeigten Beispiel unsymmetriecl über den durch.die mit konstantem Strom gespeiste Feldwicklung 9 erregten Magnetanker 8, dessen Polschuhe 8· und 8' · sich mit kleinstem Restluftspalt der Kontur der Messkörper anpassen. ■ Dank des vernachlässigbaren magnetischen Widerstandes der Eisenwege und der Restluftspalte 1-8· und 4-8" ist der durch

BAD

konstanten Erregerstrom erzeugte magnetische Fluss 11 in dem ersten Magnetkreis mit ausreichender Genauigkeit eine Funktion des lichten Y/alzenabStandes L. Die im Luftspalt der Messstrecke auftretende jeweilige Induktion wird mit Hilfe der Feldsonden 10' und 10'' in einem Brückenzweig der Brücke 13 als Widerstandswert dargestellt. In bekannter Weise wird dieser Sondenwiderstand mit dem Widerstand eines gleichartigen Sondenpaares 12· und 12'', das in einem ausserhalb der Längenmeasstrecke L installierten zweiten Messkreisfmit dem Joch 15, der Erregerwicklung 16 und dem Magnetfluss 14 angeordnet ist, verglichen und ein Differenzwert bzw» -strom von dem Galvanometer 25 angezeigt. Bei dieser Anordnung kann der Messwert L dadurch bestimmt werden, dass die Brücke mittels des veränderbaren im Längenmass geeichten Erregerstromes i-,g des Vergleichs-Messkreises auf KuIl abgeglichen wird.

Ein Ausführungsbeispiel des in Fig. 2 schematiseh skizzierten berührungslosen Sondenträgers im ersten Messkreis zeigt Fig. Aus Gründen der optimalen Feldverteilung bei vorgegebenem Stellbereich (max L - min L) kann beispielsweise das Sondenpaar 10' und 10^I! jeweils in ein zylindrisch ausgebildetes Polpaar mit dem Abstand I eingebettet werden; während die kegelförmigen Gegenseiten der derart speziell geformten Pole 18'/l8^!' und 19'/19V zu dem veränderbaren Luftspalt der Waisen 1 und 4 gerichtet sind. Die Sonden und Pole werden dabei insgesamt von einem magnetisch nichtleitenden Träger 17 in der radialen Symmetrieachse gehalten. *

In Fig. 4 ist schematiseh der,beispielsweise unter dem Einfluss äusserer Kräfte auftretende Versatz 4X--der Walzen 1 und 4 in der senkrecht zur radialen Achse stehenden Symmetrieachse dargestellt. Dieser in der Praxis beim Umkehrwalzen wechselseitig vorkommende statische Seitenversatz der radialen Symmetrieachsen 20 und 21 kann so gross werden, dass die z.B. aus Platzgründen vor und hinter dem Walzspalt angeordneten Sonden den Messfehler nicht mehr exakt auszumitteln vermögen. Es ist deshalb von Vorteil, den Sondenträger in zweckmassiger Weise zwangsläufig symmetrisch zur radialen Messachse zu führen.

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In Fig. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die in weiten Grenzen (jedoch mindestens für den ganzen Walzenstellbereich) den Sondenträger 17 auf die radiale Symmetrieachse (20) der Walzen 1 und 4» und ausserdem im Mitt8nbereich In-Richtung der Messgrösse L, also berührungslos, unabhängig von der Einwirkung äusserer Kräfte auf die Walzen, fixiert. Die den Träger 17 haltenden, durch geeignete Formgeto«ung und Dimensionierung federnden vier Gabelarme 23,werden unter gewisser mechanischer Vorspannung mit Hilfe der praktisch gleichartig reibungsarmen Rollen 22 so auf die Walzen gesetzt, dass unabhängig von äusseren Kräften die Summe aller inneren Momente bei exakter Achsensymmetrie des Sondenträgers gleich Null ist.

Eine Variante der Messanordnung ist acheraatisch in Fig. β dargestellt. Bei diesem Beispiel wird eine vorteilhafte symmetrische Aufteilung der Felderregung 9' und 9'¹ für die Magnet flüsseΦ* und φν, gezeigt. Ferner ist, für den Fall einer räumlichen oder klimatischen Trennung von Mess- und Vergleichskreie eine in den Sondenträger 17 eingebaute Temperatursonde 24 vorgesehen, die einen von der Körpertemperatur des Sondenträgers des Messkreises abhängigen Widerstandswert hat. Diese als Widerstand wirkende Sonde 24 wird in bekannter Weise in einer Brückenschaltung mit einer nicht näher dargestellten Temperatursonde im Vergleichsmesskreis 14/l5/l6 (Fig. 2) verglichen und eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Magnetmesskreisen durch eine geeignete Einrichtung ausgeglichen.

Die Messung eines Abstandes sowie die Regelung auf einen vorgegebenen Längenwert ist in Figo 7 schematisch angegeben. Der zwischen den Walzen 1 und 4 einzuregelnde Luftspalt bzw. die durch den konstanten Erregerstrom i, erzeugte Luft spalt induktion wird mit der Sonde 10 als Istwert gemessen und mittels / einer Brückenschaltung 13 mit dem gleichartigen Sollwert des vom variablen Strom i^ (^s) erregten Vergleichsmesskreises 12/15/16 verglichen. Dabei liegt die Sonde 12 im Magnetfeld des konstanten, mit dem Potentiometer 28 als Sollwertgeber einstellbaren Erregerstromes i_M· Bei Nullabgleich der Brücke 13 ist bei gleicher Kennlinie der Sonden 10 und 12 folglich B₃.

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und weiter i-r= f ( L ). Bei einer Aenderung der Messlänge L bzw. der Induktion B₁- wirkt die im Galvanometerzweig auftretende Differenzspannung über einen Verstärker 26 so auf ein z.B. aus hydraulischem Steuerventil und Zylinder bestehendes Stellglied 27 für den Walzenabstand ein, dass der Induktions-Istwert dem Induktions-Sollwert nachgeführt wird und somit die Ist-Länge (Spaltweite) der Soll-Länge entspricht.

Die am Beispiel einer WalZenabstandsmessung dargestellte Erfindung ist nicht auf diesen Fall beschränkt, sie kann ebenso vorteilhaft auch für die direkte oder indirekte Messung ferromagnetischer und nicht-ferromagnetischer Körper vielfältiger Form eingesetzt werden. So zeigt Pig. 8 eine Einrichtung, mit deren Hilfe Bänder, Drähte u.dgl. kontinuierlich exakt gemessen werden können. Im Interesse einer einfachen und wirtschaftlichen Ausführung des Gerätes sind hier die beiden Messkreise L (31 bis 36) und M (41 bis 46) so angeordnet, dass durch die gemeinsame metallisch© jedoch nicht ferromagnetische Grundplatte 29 eine für die Messgenauigkeit bedeutungsvolle Tempera turdifferenz nicht auftreten kann.

Im einzelnen besteht der Dickenmesskreis L aus dem Magnetjoch 31'/3"L"> dem Anker 32 mit übt Erregerspule 33 und der Messstrecke 34'-34"-35V Der im Jochteil 31⁹ fest eingepresste Magnetpol 35 wiöct dabei mit dem magnetisch nichtleitenden Trägerstück 37 (aus Messing, Kunststoff α.dgl.) der Messonde 10, dem festen Polkopf 34' und dem beweglichen, in der magnetisch leitenden Gleitbuchse 30 eingesetzten ferromagnetischen Taststift 34· · so zusemiaen, dass die Feldstärke im Sondenspalt 35/34' des Trägers 37 durch die Dicke eines zwischen die Pole 34'/34" befindlichen nicht-ferromagnetischen Prüflinge P bestimmt wird. Hierbei wird der für die Messung des Prüflings erorderliche Kontaktdruck durch die magnetische Anzugskraft des beweglich geführten Polstiftes 34" aufgebracht.

Die Messung der Prüflingsdicke erfolgt durch Vergleich der Feldstärken mittels einer Brückenschaltung, die aus dem Dickenmesskreis L und dem Vergleichsmesskreis M (mit dem Jochpaar 41*/41" »^de:tt Anker 42, der Erregerspule 43, dem Polpaar 44/45 und der Sonde 12) besteht.

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Neu und fortschrittlich ist bei diesem Gerät nach Fig. 8 überdies die fehlerkompensierende Reihenschaltung der Felderregung Aus dem Prinzipschaltbild Fig. 9" ist ersichtlich, dass die Erregerspulen 33 und 43 der beiden Messkreise L und M elektrisch in Reihe geschaltet sind» so dass bei der gewählten Brückenmethode auf die normalerweise unerlässliche Stabilipsierung der Erregerströme verzichtet.werden kann. Dank dieser Schaltanordnung werden durch Speisespannungs- oder Temperaturschwankungen .verursachte Stromänderungen in den Erregerspulen hinsichtlich des Brückengleichgewichtes vollständig kompensiert. Die optimale Anpassung der Felderregung AW-. des Vergleichsmesskreises M (Sollwert) an die Erregung AW^. des Dickenmesskreises L (Istwert) wird mit den Windungsanzapfungen 45'# 43'· usw. der Erregerspule 43 mit Hilfe des Sollwertwählers 50 vorgenommen.

Zwecks Feinregelung des mittels der Windungs-Grobstufen eingestellten Soliwertes ist der Brückenwiderstand 51 veränderbar ausgeführt, und zwar soweit, wie eine Unsymmetrie der Brückenwiderstände keine die Messgenauigkeit beeinträchtigende Verschiebung der Arbeitspunkte auf den Kennlinien der Halbleitersonden verursacht. ·

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Claims (7)

1. Pat entansprüche

   !.Messverfahren zur Bestimmung von Längen mittels induktiver Felder und magnetfeldabhängiger Halbleitersonden, dadurch gekennzeichnet, dass eine in eine elektrische Brückenanordnung 13 geschaltete Messende 10 in ein praktisch homogenes magnetisches Feld 11 eines konstant fremderregten ersten Magnetkreises gehalten wird, und die von der &rösse eines Messluftspaltes L feldstärkeabhängige, in absoluten Widerstands- oder Stromwerten dargestellte Längenmessgrösse mit den absoluten Widerstands- oder Stromwerten einer Vergleichssonde 12, in einem zweiten Magnetkreis mit veränderbarem Erregerstrom und

   - konstantem Luftspalt ausserhalb der Messstrecke L, verglichen wird, wobei der Erregerstrom des Vergleichskreises 14/l5/l6 als Längenbezugswert dient.
2. 2.Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Länge der Messstrecke L abhängige Induktion 11 an der konstant erregten Messonde 10 und die von der veränderbaren Erregung i,, bei konstantem Luftspalt ah der Vergleichssonde 12 erzeugte Induktion 14 mittels innerhalb der Messstrecke L angeordneter Polpaare 18'/18" (19'/lS") auf einen der Kennlinie der Sonden 10 und 12 angepassten Wert transformiert und der Abstand ■€ der die Sonden einschliessenden Pole 18'/1S konstant gehalten wird«
3. 3.Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Magnetkreis"14/15/16 der Vergleichssonde 12 mit Hilfe einer Temperaturregeleinrichtung auf die von einem Fühler 24 im Magnetkreis der Messonde 10 festgestellte Temperatur nachgeführt wird,
4. 4.Verfahren nach Patentanspruch 1, daurch gekennzeichnet, dass . bei einem konstanten, entsprechend einem Längen-Sollwert eingestellten Erregerstrom im Magnetkreis 14/15/ΐβ der Vergleichssonde 12, eine im Galvanometerzweig 25 einer Messbrücke 13 infolge einer Differenz in den die beiden Sonden 10, .12 enthaltenden Brückenzweigen auftretende Spannung als Stellsignal (26) für eine mechanische Nachführung 27 des einen von zwei die

   Neue Unierlagen <Art7_S1A*_2N,, _w»j^,^ _0R]G,_NAL

   - ίο -

   Längenmegsstreeke begrenzenden Körpern 1,4 auf den.Längen-Sollwert verwendet wird. "
5. 5.Verfahren nach Patentansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Heihensehaltung der durch einen nicht stabilisierten Erregerstrom gespeisten Feldspulen 33,34 für die Magnetkreise L und M der Mess- (10) und der Vergleichs- (12) Sonde der Längensollwert mittels Anzapfungen 43',43" usw. an der Feldspule 43 der Vergleichssonde 12 in groben Stufen und durch einen veränderbaren ohmschen Brückenwiäerstand. 51 im Peinbereich stufenlos eingestellt wird.
6. Ö.Anordnung zur Durchführung des Messverfahrens nach Patentanspruch l_f dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleiche, in einer Brückenanordnung geschaltete Magnetfeldsonden 10' und 10" durch einen Träger 17 gehalten und in der Messstrecke symmetrisch zur Messrichtung berührungslos geführt sind, um Fehlereinflüsse infolge relativer einseitiger oder dynamisch wechselnder lageverschiebungen des Soadenträgers bezüglich der ruhenden oder sieh drehenden, die Messstrecke begrenzenden Körper I₈4 quer- zur und in Richtung der Messachse zu kompensieren-»· - "
7. 7.Anordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine in ihrem Schwerpunkt die Messonde 10 tragende Doppelgabel 23 ein die Messstrecke L bestimmendes Walzenpaar 1,4 federnd umfasst,

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   BAD OR1G«NAL

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