DE2015920A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften eines bewegten ferromagnetischen Materials - Google Patents

Description

Patentanwälte ■

Dipl. -Ing. VK Bey er .

Dipl,-Wirtach.-Ing.B.Jochem · /U I Oa ZU

6 Prankfurt am Main ' l'reih.err-vom-Stein-StraQe 18

Ford-Werke
Aktiengesellschaft

5 Köln / Bhein
Ottoplatz 2

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften eines bewegten ferromagnetischen Materiales

Priorität der US-Patentanmeldung Ser.No. 815 046 vom 3. April 1969

Die Erfindung "betrifft, ein Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften eines bewegten, ferromagnetischen Materiales sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines Stahlbandes während der verschiedenen Stationen seiner Herstellung und vor der Aufwicklung des Bandes, zu rollen ist besonders wichtig für die Produktion von qualitativ hochwertigen Fahrzeugen, Apparaten und anderen Produkten. Die- während der Herstellung ermittelten mechanischen Eigenschaften, können die nachfolgenden Verfahrenstufen der Herstellung des Stahlbandes beeinflussen und so dazu beitragen, daß ein in· seiner Qualität auf seiner

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ganzen Länge gleichbleibende Produkt entsteht. Von ebensolcher Wichtigkeit ist die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften vor dem Aufwickeln des Bandes zu einer Rolle, da dadurch die Eigenschaftswerte des Produktes dem Abnehmer gleich mitgeteilt werden können.

Bisher wurde die Oberfiächenhärte des Stahlbandes zur Bestimmung der Zugfestigkeit und Streckgrenze herangezogen. Diese Überflächenhärte konnte aber nicht ohne Unterbrechen der Bandbewegung durch diesen Vorgang bestimmt werden, wobei die Härtezahlen nur ungenau mit dem mechanischen Eigenschaften, wie der Zugfestigkeit und der Streckgrenze übereinstimmten. Schneilabortests an vom Anfang, der Mitte und dem Ende einea jeden Bleches herausgeschnittenen kleinen Prüfstücken wurden ebenfalls zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Blechs herangezogen. In den meisten Fällen war das Stahlband aber bereits fertig gewalzt und auf dem Wege zum Abnehmer, bevor die Ergebnisse dieser Testee vorlagen.

Durch messen der magnetischen Eigenschaften von Prüfstücken und Verwendung dieser magnetischen Daten zur Ermittlung der mechansichen Eigenschaften des Bleches machten die Laborergebnisse schneller verfügbar. Durch die Probenahme wurde aber die Blechherstellung gestört und die geringe Anzahl dieser Proben ergab nur einen ungenauen Anhalt der mechanischen Blecheigenschaften.

Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufzuzeigen, mit denen die Zugfestigkeit und weitere mechanische Eigenschaften eines bewegten ferromagnetischen Hateriales, wie beispielsweise eines Stahlbandes, StahiBtreifens, einer Stahlstange oder Stahlplatten noch während des Herstellungsprozeßes dieser Materialien fortlaufend und genau bestimmt werden.

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Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Verfahrensmerkmale: Magnetisierung des Materiales bis zum magnetischen Sättigung, Umkehrung der.Magnetisierung zwischen zwei Werten der aufgewendeten Magnetisierungsenergie, wobei beide Werte mit entgegengesetztem Vorzeichen annähernd zahlenmäßig gleich sind,, berechnen der Magnetisierungsänderung gleich einem halben der gemessenen Änderung, wobei der berechnete Wert der Energieänderung entspricht, die zum Anbau des remanenten Magnetismus im Material aufgewendet werden muß, messen der aufgewendeten Magnetisierungsenergie, um die durch einen der Werte der Magne.t isierungs energie erzeugte Magnetisierungsänaerung mit der berechneten Änderung abzugleichen, wobei die gemessene Magnetisierungsenergie der Koerzitivkraft des Materials entspricht, berechnen der mechanischen Eigenschaften des Materials aus der gemessenen Magnetisierungsenergie.

Die Meßdaten der mechanischen Eigenschaftan sind sofort verfügbar und können zur Steuerung des nachfolgenden Prozeßablaufes sowie zur wahlweisen Veränderung der jeweils gewünschten Eigenschaften eines jeden Materialteiles herangezogen werden.

Das Verfahren besteht aus einem Durchlaufen des Materiales durch-eine Spule, durch die das Material eine bestimmte Magnetisierung, in der Regel bis zur Sättigung zuerst in einer Richtung und anschließend in der anderen Richtung, erfährt und dem Kessen des Kraftflußwechsels, welcherdurch Passieren von einem Magnetisierungswert zu dem entgegengesetzten erzeugt wird. Dieser Flußwechsel wird halbiert, um den Flußwechsel zu erhalten, welcher notwendig ist, um die Magnetisierung von einem Wert auf null zu verringern (Symmetrie der Hysteresisschleife um die X-Achse). Das magnetische Feld, welches notwendig ist um die Magnetisierung auf den halben Wert zu bringen,

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ist dann dadurch ermittelt. Der halbe Wert dieses ermittelten Feldes ist proportional zur Koerzitivkraft des Materiales und ein genaues Maß für die mechanischen Eigenschaften des Materials. Die nachfolgenden Materialsegmente werden in gleicher Weise überwacht, sobald diese Segmente durch die Meßspule laufen. In der BeschreibuTfc und den nachfolgenden Ansprüchen ist der Ausdurck "Intensität der Magnetisierung" oder Magnetisierung gleich cam Zuwachs oder der Verdrehung der Elementarmagnete i;r. ;;>.terial. Die Ausdrücke "Magnetisierungsenergie" ο?.er "angelegtes Feld" beziehen sich auf ein außerhalb 01'i.eugwtfc magnetisches Kraftfeld, dem das Material ausgesetzt wird. Der Ausdruck "magnetische Sättigung, bezieht Bich auf die Sättigungspunkte der Hystereeisscbleife des E]echmateriales eine Vergrößerung der Magneticlerungsenergie von diesen Punkten ab könnte zu einer geringfügigen Vergrößerung der Magnetisierung in einigen Materialien führen, wobei aber Hysteresisschleife nichts desto weniger einen annähernd gleichen Anschnitt auf der Magnetisierungsachse aufweist, sobald-sich die Magnetisierungsenergie umkehrt,

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gleichstrom- sowie Wechselstromaggregate Verwendung finden. Ein Gleichstromaggregat weist eine das sich bewegende Material umgebende Sättigungsspule auf, durch die die Magnetisierung bis zur Mat e:?ialsätt igung erfolgt, unterhalb dieser Sättigungsspule befindet sich eine das Band gleichfalls umschließende Koerzitivspule, die weiterhin zwei kleinere Meßspulen umgibt, von denen eine ebenfalls das Materialband umschließt. Diese Meßspulen messen die Magnetisierungsabweichungen eines jeden Bandsegmentes von einem berechneten Nullwert. Die' Signale von den Meßspulen verstellen den Gleichstrom in der Koerzitivspule. -um dadu.ro:.' die Magnetisierung auf dem berechneten Nullwert au na 'ea. Der Stromfluß in der Koerzitivspule ist

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proportional zur Koerzitivkraft im Material und wird zur Berechnung der mechanischen BandexgensGhaften herangezogen.

Die !Festlegung des berechneten lullwertes erfolgt im gleichstromsystem durch periodische Eichung« Dia .Sichung "beginnt mit einem Abschalten des Stromes in der Koerzitivspule. Sobald das Material aus der Sättigungsspule austritt, sinkt die Magnetisierung in ihm auf den Wert der Remanenz. Die Meßspulen geben ein Signal erst dann, wenn sich die Magnetisierung im Material ändert und sich der remanente Wert eingestellt hat. Um magne- & tische Sättigung in Gegenrichtung im Band au. erhalten, ™ wird die Stromrichtung in der Sättigungsspule geändert. Das von den Meßspulen erzeugte Signal ist proportional der KraftfluSänderung,· die durch den Übergang von einem remantenten Magnetismus zum anderen entsteht. Der Betrieb wird danach durch Anlegen der Spannung an. die Koerzitivspule zum.Erhalt der Magnetisierung am neu'berechneten Nullwert wieder aufgenommen»

Im ,Gleichstromaggregat sauS die Koerzitivspule genügend weit unterhalb der Sättigungsspule angeordnet sein, um zu verhindern, daß das feld der letzteren die Messungen in der Koerzitivspule beeinflusst. Weiterhin muß M das Band zwischen diesen beiden Spulen schwingungsfrei geführt sein.

Beim Wechselstromaggregat ist nur eine kompakte äußere Spule vorgesehen, die als Sättigungs- und als Koerzitivspule dient. Diese Außenspule umgibt das Materialband und zwei Meßspulen, deren eine das Band ebenfalls umschließt. Der Wechselstrom in der äußeren Spule magnetisiert dann das Bandmaterial in beiden Richtungen bis zur -jeweiligen Sättigung* Die Meßspulen messen den mag-"

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nefcisc'a<?,-:i ?li5» d it dann entsteht, wenn die Magnetisierung von der Sättigung- eines Vorzeichens zur Sättigung mit anderen Vorzeichen erfolgt. Biese Flußänderung wird halbiert und das Ergebnis elektronisch gespeichert. Sobald die durch den Wechsel des angelegten Feldes gegenüber art?, ersten Sättigungspunkt erzeugte Kraftflußänderung gleich is gespeicherten Wert ist, mit der elektronische Kreis den Stromfluß in der AuSenspule. Dieser Strom ist der Koerzitivkraft proportional und •5ur Berechnung der mechanischen Eigenscliften geeignet. Die Gesamtflußänderung wird wieder während des zweiten Halbzyklus der Hysteresesschleife gemessen und die Hälf- M. te gespeichert,

Sobald das Material den ersten Halbsyklus der Hysteresesschleife durchlaufen hat, wird eine weitere Messung der Koerzitivkraft auf der Basis der aeu berechneten Magnetflußänderung vorgenommen«

Bei beider Systemen, dem Gleichstrom- wie auch dem WechselstroT-sjstemj verläuft das magnetische Feld in Richtung der Bewegimgsachse des Materials. Die mit den Meßspulen gemessenen Magnetisierungswerte ergeben einen Durchschnittswert für einen Materialsegment quer zu seiner Dicke. Die mechanische Eigenschaften aller ge-™ walzten Profile einschließlich Stangen, Streifen und Blechen eines ferromagnetischen Materials bei einer Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur können durch dieses Verfahren kontionierlich und ohne Störung der Materialherstellung gemessen werden. Änderungen des Materialquerschnitts beeinflußen das System während einer Messung der Koerzitivkraft nicht; sie können aber zu Ungenauigkeiten führen, wenn die Veränderungen während der Bestimmung der Null-Magnetisierung auftreten. Meist sind derartige Veränderungen aber gering und können unberücksichtigt bleiben. In anderen können

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sie durch Messung des Materialquerschnitts und Abänderung der Meßspulensignale kompensiert werden.

Eine digitale elektronische Schaltung erhöht die Meßgenauigkeit, insbesondere beim Gleichstromsystem. Derartige typische Kreise wandeln die.Spannung der Meßspulen in eine proportionale Frequenz um und zählen die Frequenzwechsel zu einer digitalen Zahl zusammen, welche dann die zeitintegrierte Spannung darstellt und somit als Maß der Magnetisierungsänderung dient. Gleichzeitig wird eine einer Hälfte der Magnetisierungsänderung entsprechende digitalen Zahl erzeugt. Ein digitaler Abgleich der Zahlen löst einen . Jj Prüfstrom aus, der augenblicklich das angelegte Feld ~

mißt, welches der Koerzitivkraft des Materials entspricht. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die perspektivische Darstellung eines

Gleichstromgerätes mit einem durchlaufenden Stahlstreifen, einer Sättigungsspule und einer darunterliegenden Koerzitivspule, welch letztere zwei Meßspulen umschließt, ,

Fig* Z eine schematische Darstellung der Magnetisierung des Streifens längs seines Y/eges durch das Gleichstromgerät,

Fig. 3 ein Wechselstromgerät in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 die Endansicht einer Koerzitivspule eines Gleichstromgerätes mit den Windungsanschlüßen der Meßspulen, wie sie in gleicher

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Weise auch bei dem Wechselstromgerät aufgeführt sind,

Fig. 5 eine Hystereses-Schleife eines Stahles, welcher hier lediglich der Illustration dient und bei der der Schleifenbauch auf der X-Achse stark verbreitert gezeichnet ist (bei den meisten Stellen mit geringen Kohlenstoff gehalten ist der horizontale Abstand von der Y-Achse zu den Punkten ZO bzw. 32 ca. hundertmal größer als der Ab-

▲ stand von der Y-Achse zu den Punkten 35

und 37),

Pig. 6 eine graphische Darstellung einer bevorzugten Spannungskurve an der äußeren Spule im Wechselstromgerät,

Fig. 7 das Blockdiagram eines digitalen Elektronikkreises, wie er im Wechselstromsystem

zum messen, berechnen, abgleichen und be-

der Werte
gutachten des angelegten Feldes und der

Magnetisierung verwendet wird.

In Fig. 1 ist ein bewegtes Stahlband 10 dargestellt, welches als heißes Band direkt auf dem Beiztank, als kalt gewalztes Material oder als Material einer anderen Verfahrensstufe ausgebildet sein kann und in Richtung des Pfeiles 12 bewegt wird. Eine aus einem flachen Ober- und Unterteil und halbkreisförmigen Enden bestehenden elektrische Spule 40, die in herkömmlicher Y/eise elektrische Wicklungen trägt, ist an einem festen Standort derart montiert, daß sie das Stahlband 10 umschließt. Diese Spule 14 ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, von einer bestimmten Länge, die so groß sein muß, daß

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das durch die Spannung In der Spule induzierte netische Feld groß genug ist,,_um eine abgesättigte _:

Magnetisierung an allen Querschnittspunkten des Stahlbandes au gewährleisten* Me Spulezdänge hängt somit von verschiedenen Paktoren ab, zu denen unter ;nderen die notwendige Feldstärke und die Iransport-, .schwindigkeit des Bandes IO gehören.

Ein Xoerzitivspulensatz 16 ist unter einem bestimmten Abstand unterhalb der Spule 14- angeordnet, Dieser Spulezisatz 16 besteht aus einer großen Koerzitivspule 18, welche das Band 10 und ein paar Meßspulen 20 und J

22 umgibt. Auch die Koerzitivspule 18 und die Meßspulen '" 20, 22 sind flach ausgebildet und besitzen jeweils ein ebenes Ober- und Unterteil sowie halbkreisförmig gebogene Seiten» Die Meßspule 22 umschließt, das Band 10. Zur Erreichung einer größt möglichen leßgenauigkelt sind die leßspulen an einer Stelle innerhalb der Koerzitivspule 18 angeordnet, wo ein von der Koersitivgpule erzeugtes Feld relativ flach ist»

Die Meßspulen 20 und 22 aind miteinander verbunden, so daß die kombinierten Spulen kein Signal in einem angelegten magnetischen Feld, erzeugen. Dies wird erreicht durch -Verbinden indentischer Spulen in umgekehrt em 7er- fj hältnis. Ein loser Leiter 24 der Spule 20 ist ebenso aus dem Spulensatz herausgeführt wie ein weiterer freier Leiter 26 der Spule 22, Ein Meßleiter 28 kann mit dem dis Meßspulen verbindenden Leiter verbunden und ebenfalls aus dem Spulensatz herausgeführt sein.

Die kombinierten Spulen 20 und 22 erzeugen ein Signal·, sobald Wechsel in dem die Spulen "d'urchdringenden mägnetischen Fluß auftreten. Befindet sich kein ferromagBetisches Material in einer der Spülen, dann wird durch

die Gegfc/wickJUrs der Spulen jedes durch einen Flußwechsel in beiden Spulen" erzeugte Signal aufgehoben, so daß auch bei auftretenden magnetischen Geldwechseln kein Signal zwischen den Leitern 24 und 26 meßbar is⁴:. Befindet aicL dagegen ein ferromagnetisches Material :,n der Spule 22„ dann ist das zwischen den Leitern 24. und 26 erzeugte Signal ausschließlich proportional den Wechseln der Magnetisierung im Material. Das durch die Spule 20 erzeugte und zwischen den Leitern 24 und 28 meßbare Signal ist proportional zu len Wechseln dirch die Spule 18 erzeugten magnetischen ?eldes und kann zur MeBung des "magnetischen Feldes anstatt von Messungen der Spannung in der Spule 18 herangezogen werden.

Tn der in der Fig. 5 aargestellten Hysteresiaschleife für weichen Stahl ist dsr positive Sättigungspunkt mit 30 und der negative Sättigungspunkt mit 32 bezeichnet. Die Werte der Felds&rke H sind auf der X-Achse und die Werte der die Magnetisierung im Stahl 4ΌζM sind auf der Y-Achse aufgetragen.

Hat die Magnetisierungskraft des angelegten Feldes einmal die Magnetisierung bis zum Sättigungspunkt 30 erreicht, und wird sie danach auf null reduziert, dann sinkt die Magnetisierung bis auf den remanenten Magnetisierungspunkt 34, Sin negatives magnetisches Feld ist dann notwendig, um die Magnetisierung am Punkt 35 auf null zu bringen, wobei die Größe des negativen magnetischen Feldes am Punkt 35 der Koerzitivkraft des Stahls entspricht. Ein normaler geglühter Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt erfordert eine Magnetisierungskraft von ungefähr 687 Örsted um den Sättigungspunkt zu erreichen und besitzt eine Koerzitivkraft von. ca. 5 örsted. Da praktisch alle Hysteresesschleifen symetrisch um den Achsenabsclinitt aufgebaut sind, ist der negative rema-

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nente Magnetismus am Punkt 36 im allgemeinen von gleichem Größenwert wie die der positive remanente Magnetismus am Funkt 34 und der Funkt 35 angezeigten Koerzitivkraft gleich groß wie die durch den Punkt 37 festgelegte positve Koerzitivkraft»

Das Eichen des Gleichstromgerätes erfolgt in folgender Weise: Sobald ein Stahlstreifen die Sättigungsspule 14 durchläuft, wird eine Entspannung an die Spulenwindungen gelegt, die ausreicht, um eine Magnetisierung des Bandes bis zum Sättigungspunkt 30 zu be- * wirken. Sobald das Band aus der Spule 14 auftritt, ■ sinkt die Magnetisierung bis- auf den remanenten Wert des Punktes 34· An die Spule 16 wird keine Spannung angelegt, so daß das Band beim Durchtritt durch die Meßspule 22 seinen remanenten Magnetismus behält. Bei einer konstanten remanenten Magnetisierung und einem gleichbleibenden Bandquerschnitt sind das zwischen den Leitern 24 und 26 Meßbare Signal gegen null.

Danach wird der Stromfluß in-der Sättigungsspule 14 umgekehrt und das Band bis zu seinem negativen Sättigungspunkt 32 magnetisiert. Das aus der Spule 14 austretende Band weist dann eine Magnetisierung ent-_ sprechend dem Punkt 36 auf. Sobald dieser Teil des M

Bandes die Meßspulen passiert, wird ein zeitintegriertes Spannungssignal zwischen den Leitern 24 und 26 erzeugt, welches proportional zum Magnetisierungswechsel ist, der durch den Y-Abstand zwischen den Punkten 34 und in Pig. 5 gekennzeichnet ist. Dieses Signal wird elektronisch halbiert und der sich ergebende halbe Wert ist der zum beseitigen der Magnetisierungim Band notwen-~ ige Fluß .■■■■■

Ist dieser berechnete Hullwert ermittelt, dann wird eine Fo 7971/2.4.1970 009842/1284 -.

elektrische Spannung an die Spule 18 gelegt, um ein zweckmäßiges zeitintgriertes Spannungssignal zwischen den Leitern 24 und 26 zu erzeugen. Sobald ein derartiges Signal erzeugt iat, ist auch die Magnetisierung auf den vorher berechneten Nullwert gebracht. Entweder die an die Koerzitivspule 18 zulegende Spannung oder das zwischen den Leitern 24 und 28 erzeugte Signal ist proportional zum erzeugten magnetischen Feld. Entweder die eine oder die andere kann zum empirischen ermitteln der mechanischen Eigenschaften des Materials, wie beispielsweise der Zugfestigkeit oder die Streckgrenze herangezogen werden.

Falls das Band 10 durch den Spulensatz 16 weiter bewegt wird, wird zwischen den Leitern 24 und 26 immer dann ein Signal entstehen, sobald die Magnetisierung im Band von dem vorbestimmten Wert abweicht. Dieses Signal gelangt in eine herkömmliche Vorrichtung zur Steuerung der Spannung der Koerzitivapule 18, durch welche die Magnetisierung auf den vorbestimmten Wert zurück gebracht wird. Die Überwachung der an der Spule 18 liegenden Spannung (oder des zwischen den Leitern 24 und 28 erzeugten Signales) ergibt einen Wert, welcher α kontinuierlich der Koerzitivkraft und durch diese den mechansichen Eigenschaften des Bandes 10 entspricht. Um die Wirkung· von verschiedenen äußeren Einflüßen auszuschalten, wird die Eichung vorteilhafterweise periodisch wie oben beschrieben wiederholt.

In dem 7/echs el stromgerät nach Fig. 3 umgibt eine kombinierte Sättigungs- und Koerzitivspule 18a das Band 10a. Zwei Meßspulen 20a und 22a befinden sich innerhalb der Spule 18a, wobei die Spule 22a ebenfalls das Band 10a umschließt. Die Meßspulen 20a und 22a sind entgegengewickelt und miteinander wie oben beschrieben gekoppelt.

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Wie aus Fig. 7 herv.org.eh-b, führt ein Leiter der Spule 18a über einen Widerstand 60 zu einem Wechselstromgenerator 62. Der andere Leiter der Spule 1:8a ist geerdet. Von jeder Seite des Widerstandes 60 führen Leiter 64 und 66 über einen Verstärker 67 zu einem bibolaren Muster- und Haltegleichrichter' 68.

Die Leiter 24 und 26 der Meßspulen sind mit einem Frequenzwandler 70 verbunden. Die Abgangsleitung des Wandlers 70 führt zu einem binären Auf- Zuschalter 76 und einem binären Flip-flop-72. Der Flipflc-psehalter 72 wie- ^ derum ist verbunden mit einem Pol eines Doppel schalt er (| 74, welcher den Flipflop 72 mit einem vom zwei binären Schalter 78 und 80 verbündet. Der S halter 76 ist über einen digitalen Gleichheitsprüfer 82 mit dem Muster- und Haltegleichrichter 86 verbunden. Die Abgänge der Schalter 78 und 80 sind über einen weiteren Doppelschalter 84 mit dem Komparator 82 verbunden. Die Schalter 74 und 84 werden gleichlaufend betrieben, so <daß wenn der Flipflopsehalter 72 mit dem Schalter IS ver- * bunden ist, der Zählschalter'"80 am Glelchheitsprüfer 82 liegt. . ,

Ein Spannungsabgleicher 86 verbindet die Leiter 24 und ^ 28 mit einem paar von Rückkreisen 88 und 90. Diese '

Rückkreise 88 und 90 wiederum sind verbunden mit dem Zählschalter 76 und einem Zählschalter 92. Der Abgang dieses Zählschalters 92 wirkt auf die !PoXe' der Schalter 74 und 84.

Das Wechselstromsystem gemäß der Fig. 3, 4, 5 und 7 wird in folgender Weise betrieben: Der Generator 62 liefert eine Alternierende Spannung an die Spule 18a., welche ausreicht, um die magnetische Sättigung des Bandes TOa bis zu den Sättigungspunkten 30 und 32 herbeizuführen. Die Frequenz der alternierenden Spannung ist

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so ausreichend gering, daß die Magnetisierung im Band der Hysteresisschleife ohne merkbare Verluste folgen kann. Für die meisten Stahlbänder und Streifenmaterialien ist eine Frequenz von eins bis zehn wechseln pro Sekunde ausreichend. Der Widerstand 60 erzeugt ein Spannungsabfall proportional zum Stromfluß in der Spule 18a und die Leiter 64 und 66 sowie der Verstärker 67 liefern ein dem momentaren Spannungsabfall im Gleichrichter 68 entsprechendes Signal.

Das erzeugte Feld wechselt vom Punkt 30 in Pig. 5 zu Punkt 32 und die zeitintergrierte zwischen den Leitern 24 und 26 ist proportional dem Magnetisierungswechsel, welcher durch den Abstand zwieohen den Punkten 40 und 42 in Fig. 5 dargestellt ist. Der Konverter 70 erzeugt eine der Spannung proportiale Frequenz und der Zählsehalter 76 somiert die Anzahl der Impulse im Abgang des Konverters 70 über eine für den Wechsel notwendige Zeitspanne. Gleichzeitig diffidiert der Flipflopschalter 72 die Anzahl der vom Konverter 72 erzeugten Impulse durch zwei und der Zählschalter 78 somiert die Anzahl der Impulse des Flipflopschalters. Sobald das angelegte Feld den Sättigungspunkt 32 erreicht, bindet der Zählschalter 76 eine die den Abstand zwischen den Punkten 40 und 42 der Fig. 5 entsprechende binäre Zahl. Der Zählschalter 78 erhält dann eine der Hälfte dieeer Distonz entsprechende binäre Zahl.

Sobald das anglegte Feld den negativen -Sättigungspunkt 32 übersteigt, kehrt sich die zwischen den Leitern 24 und 28 erzeugte Spannung um. Der Gleichheitsprüfer 86 aktiviert den Rücksteller 90, welcher den Zählschalter 76 anweist, mit der Rückzahlung zu· beginnen und auch die Schaltpole 74 und 84 an die entsprechenden Zählschalter 80 und 78 anlegt. Der Zählschalter 76 beginnt die Impulse

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vom Koverter entsprechend der Bewegung vom Punkt 42 zu subtraieren. Der Zählschalter 8Ö beginnt jeden anderen Impuls vom Konverter 70 zu zählen und die Summe im Zählachalter 78 wird zum Gleichheitsprüfer 82 geleitet.

Wenn das anglegte Feld von dem negativen Sättigungspunkt 32 zu dem Punkt 37 gewechselt hat, dann ist der Abgang des Zählschalters 76 gleich der Summe im Zählschalter 78. Der Gleichheitsprüfer 82 mißt diesen Punkt und entriegelt den Kreis .68, welcher gleichzeitig den momentanen Stromfluß in der Spule 18a mißt. Dieser Stromfluß ist proportional zum erzeugten Feld, welches der Koerzitivkraft des Bandes 10a, ausgedrückt durch den Punkt 37, entspricht. Der Kreis 68 speichert den Meßwert. Das angelegte Feld steigt bis zum positiver*· Sättigungspunkt 30. Nach passieren dieses Punktes 30 betätigt der Gleichheitsprüfer 86 die Rückführung 88, welche den Zahlschalter 76 anweist, mit dem Aufwärts-,zählen zu beginnen und welche auch den Zählschalter 92 über die Schaltpole 74 und 84 betätigt. Sobald sich das erzeugte Feld bis zum Punkt 35 verringert hat, ist der Wert im Zählschalter 76gleich dem Wert im binären Zählschalter 80. Der Gleichheitsprüfer 82 wiederum schaltet den Gleichrichter 68 ein, welcher den momentanen Stromfluß in der Spule 18a mißt. Dieser Stromfluß ist proportional der dem Punkt 35 entsprechenden Koerzitivkraft. Der Kreis 68 berechnet die nummerische Summe der Koerzitivkräfte gemäß der Punkte 37 und 35 und diese Summe wird in empirisch ermittelten Formeln zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften des Bandes VOa verwendet. Duch die Verwendung der nummerischen Summe der positiven und negativen Koerzitivkräfte wird die Wirkung von verschiedenen unechten Feldern eleminiert, durch die die Hysteresesschleife nach rechts oder links

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verschoben werden können.

Das erzeugte Feld und die Magnetisierung bewegt sich entlang der Hystereseaschlaife der Fig. 5 und die Berechnungen des Nullwertes plus der Messungen der Koerzitivkraft werden während jedes Halbzyklus der Hysteresesschleife durchgeführt. Auf diese Weise ist der berechnete Nullwert stets auf der Höhe und die Messungen der Koerzitivkraft können an den Sekmenten des Bandes 10a vorgenommen werden. Der Abstand dieser Meßsegmente hängt natürlich von der Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes 10a und von der Frequenz des alternierenden Stromflußes ab. Bei einer Banddurchlaufgeschwindigkeit von 366 Meter/min, und einer Frequenz von einem Zyklus pro Sekunde- sind die Segmente, an denen die Koerzitivkraft gemessen wird, ca. 3 Meter voneinander entfernt.

Eine größere Genauigkeit der Koerzitivkraftmessungen bei einer angemessenen Frequenz wird durch einen Stromfluß Wellenform nach Fig. 6 erreicht. Diese Schwingungsform wurde gewählt, um einen relativen schmaleren Bereich der Llagnetisierungswechseln im Band zu erzeugen als die durch die Punkte 35 und 37 gekennzeichnete Magnetisierung, wo die Messungen des angelegten Feldes vorgenommen werden, In dieser Figur kennzeichnen die Nummern 30-und 32- die zum Erreichender Sättigungspunkte 30 und 32 in Fig. 5 notwendige Spannung in der Spule 18a. Die Spannung sinkt rapide von ihrem Wert am Punkt 30- gegen null, flacht dann ab bis die Magnetisierung den Punkt unterschritten hat (in Fig. 6 durch 35- gekennzeichnet) und fällt danach wieder steil zum Punkt 32- ab. Die Spannung steigt danach vom lunkt 32- steil an, flacht sich am Annäherungspunkt 37- ab und steigt danach steil zum positiven Sättigunspunkt 30-. Diese Schwingungsform ver-

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ringert die Wirkung von verschiedenen Fehlern in der Meßzeit an den gemessenen Werten und erlaubt eine zweckmäßig schnelle zyklen Folge. Weitere Verbesserungen der Meßgenauigkeit können durch eine weitergehende Reduzierung des Wechselbereiches der Magnetisierung erreicht werden falls die Magnetisierung die Punkte 35 und 37 passiert. Die Schwingungsform kann symetrisch sein, falls die abgeflachten Teile genügend weit sind um die Punkte 35-und 37- zu umfassen.

k üJine zusätzliche Meßgenauigkeit'kann durch die Ver- \

Wendung von vier einzelnen Muster- und Haltekreisen im Gleichrichter 68 erreicht werden. Diese einzelnen Kreise sind zu zwei Sätzen mit zwei in Serie gekoppelten Kreisen in jedem Satz verbunden. Jeder Satz überwacht das Signal vom Verstärker'37 während einer Hälfte der Hysteresesschleife, wobei der erste Kreis in einem satz lediglich den Wert im zweiten Kreis erhöht.

Falls gewünscht kann der Zählschalter 92 betätigt werden, um den berechneten Nul'lwert eines jeden vollen Zyklus oder bei geringerer Frequenz eher als bei einem Halbzyklus ermitteln. .cJin weiterer Gleichrichter mit j

einer binären lesezählschalter 76_J:ann vorgesehen und — ein Prüfkreis mit dem Zählschalter 76 zur Überwachung der Rückzählung der Summe im Zählschalter zum Nullpunkt nach Erreichen des Punktes 32 verbunden sein. Ein derartiger Prüfkreis wird dazu verwendet, um sicher zu gehen, daß die volle Hysteresesschleife durchlaufen wird.

Die von den Meßspulen ermittelten.Magnetisierungswerte an den Sättigungspunkten gelten als Meßwert für die Banddicke. Diese Werte können im Gleichstromgerät durch Instalieren eines Satzes von Meßspulen ermittelt wer-

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den, die entsprechend den Spulen 20 und 22 in den Sättigungsspule 14 angeordnet werden. Im Wechselstromsystem kann die Dicke mit den vorhandenen Einrichtungen einfach durch messen des zeitintergrierten Spannungssignales zwischen den Spulen 20a und 22a, welches beim Durchlaufen der Sättigungspunkte erzeugt wird, gemessen werden.

Die statistische Auswertung der vorbestimmten V/erte der Zugfestigkeit, die auf der Koerzitivkraft basierend durch obiges Verfahren ermittelt worden sind, verglichen mit den mechanisch gemessenen Zugfestigkeiten von Heißbandstählen (SAE 1006-1020), die eine Nennzugfestigkeit von ca. 45000 bis 50000 pse. besitzen, zeigt, daß die Standartabweichungen geringer als 1700 psi. sind, und daß sie sich somit in den gebräuchlichsten Toleranzen halten. Durch Abgleichen, Härteversuche, den elektrischen Widerstand oder die magnetische Remanenz wird eine Standartabweichung von ca. 3500 psi. erreicht. Die gleichzeitig durch die Koerzitivkräfte ermittelte untere Streckgrenze des Stahles ergibt Abweichungen von weniger als 2000 psi.

Somit zeigt die Efindung ein Verfahren und ein Mechanismus zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines bewegten Stahlstreifens oder anderer ferromagnetischer Materialien auf, ohne die Förderbewegung des Bandes zu unterbrechen oder die Bandoberfläche anzugreifen. Das Verfahren kann im Y/echselstrom-oder Gleichstromgeräten angewandt werden. Die Zugfestigkeit und die Streckgrenze eines Stahles von geringem Kohlenstoffgehalt wird mit relativ hoher Genauigkeit ermittelt. Darüber hinaus kann auch* 'die Banddicke mit dem erfindungsgemäßen Gerät fortlaufend überwacht werden.

/Ansprüche

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Claims (16)

Ansprüche /Λ ' ■

1. j Verfahren zum Bestimmen der mechanischen Eigenschaften ^-^ eines bewegten ferromagnetischen Materiales, gekennzeichnet durch die Verfahrensachritte:

Magnetisieren des Materiales bis zur magnetischen Sättigung,

Umkehren der Magnetisierung bis zur entgegengesetzten magnetischen Sättigung,

Kessen der Magnetisierungsänderung zwischen zwei Werten ^ der aufgewendeten Magnetisierurigsenergie, wobei beide ™ Werte mit entgegengesetztem Vorzeichen annähernd zahlenmäßig gleich sind,

Berechnen der Magnetisierungsänderung gleich einem halben der gemessenen Änderung, wobei der berechnete Wert der Energieänderung entspricht, die zum Anbau des remaneten Magnetismus im Material aufgewendet werden muß, Massen der aufgewendeten Magnetisierungsenergie, um die , durch einen der Werte der liagnetl si erungs energie erzeugte Magnetisierungsänderung mit der berechneten Änderung abzugleichen, wobei die gemessene Magnetisierungsenergie der Koerzitivkraft des Materials entspricht, Berechnen der mechanischen Eigenschaften des Materials aus m der gemessenen Magnetisierungsenergie. ""

2. Verfahren nach Anspruch T, d a d u r c h g e -

k e η η ζ ei ohne t, daß die Magnetisierungsänderung zwischen den entgegengesetzten Sättigungspunkten(30, 32) des Materials gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet

durch die Messung der Kagnetisierungsänderung beim

• " - eine

Durchlaufen des Materials durch eine bestimmte Materiallänge umschließende Meßspule £0)und die Bestimmung eines

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durch die Meßspule(20) während eines Magnetisierungswechsele erzeugten zeitintegrierten Spannungssignals.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Beseitigung der Wirkung des angelegten, von der Meßspule(20) erzeugten Feldes durch Koppelung dieser Meßspule(20)mit einer zweiten, gegengewickelten Spule(22} wobei letztere so angeordnet ist, daß sie ein dem Signal der ersten Spule(20)entsprechendes Spannungssignal erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Verringerung der Änderung der Magnetisierungsenergie, sobald die Magnetisierungskraft die gemessene Magnetisierungsenergie durchläuft.

6. Verfahren nach Anspruch 5. .gekennzeichnet durch die Sättigung des Sättigungsmagnetismus des Materiales und die Vorherbestimmung des Materialquerschnittes mittels der Sättigungsmagnetisierung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Umwandlung des durch den gemessenen Magnetisierungswechsel erzeugten magnetischen Flußes in ein Frequenzsignal und durch digitales Zählen der Frequenzimpulse zum Erhalt einer der gemessenen Magnetisierungänderung entsprechenden digitalen Zahl.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein digitales Zahlen einer Hälfte der Frequenzimpulse zum Erhalt einer der berechneten Magnetisierung entsprechenden digitalen Zahl und ein Vergleichen dieser digitalen Zahl zur Bestimmung des V/ertes, an dem die aufgebrachte Magnetisierungsenergie gleich der Koerzitivkraft des Materials ist.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, g. ekennzeich,- · net durch Speicherung der Koerzitivkraft des einen Magnetzuges, durch nummerisches Zusammenzählen der Koerzitivkraft des entgegengesetzten Magnetisierungszuges und durch Verwendung derSumme , der Koerzitivkräfte zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften des Materials.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Umkehrung der Magnetisierungsenergie nacheinander erfolgt, ge-

kennzeichnet durch eine Reduzierung der ursprünglich angelegten Magnetisierungsenergie bis m auf null und eine Stabilisierung des remanenten Magnetismus im Material sowie eine anschließende Magnetisierung des Materials bis zur entgegengesetzten magnetischen Sättigung, eine Verringerung der Magnetisierungsenergie auf null und eine Stabilisierung des nun entgegengesetzten remanenten Magnetismus im Material sowie ein Messen der Magnetisierungsdifferenz zwischen den beiden remanenten Werten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Sättigungsmagnetisierung des sich bewegenden Materials oberhalb der Meßstelle der Magnetisierungsenergie erfolgt. %

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e η η zeichnet durch eine ein bestimmtes Materialstück(10) umschließende elektrische Spule(I4)zur. Magnetisierung dieser Materiallänge bis zur magnetischen Sättigung, elektrische Spulenelemente(I8)zrr. Umkehr des angelegten magnetischen Feldes und zur. Magnetisierung des Materials bis zur entgegengesetzten Sättigung·, Meßspulen(20, 22)

* zur Messung der Magnetisierungswechsel im Material, wobei die Magnetisierungswechsel zwischen zwei Werten zah-

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lenmäßig annähernd gleich und mit verschiedenen Vorzeichen versehen sind; Rechenelementen zum Berechnen der Magnetisierungsänderung, die aufgebracht werden muß, um die Magnetisierung von einem dieser Werte auf null zu bringen und Meßgliedern zum messen des magnetischen Feldes, durch welches der remanente Magnetismus auf null verringert wird, wobei die Größe dieses magnetischen Feldes als proportionaler Meßwert der mechanischen Materialeigenschaften dient.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein innerhalb des elektrischen Spulenelementes ( 18) angeordnet es Meßspulenpaar(20, 22\ von dem eine erste Spule(22)ein kürzeres Materialstück umschließt als das Spulenelement(18)und die zweite Spule (20)derart angeordnet ist, daß ein angelegtes magnetisches Feld im wesentlichen die gleichen Signale in beiden Spulen(20, 22)erzeugt, wobei die beiden Meßspulen(20, 22) entgegengesetzt gewickelt und miteinander verbunden sind, so daß ein quer zu den kombinierten Meßspulen(20, 22)erzeugtes Spannungssignal unabhängig von dem angelegten magnetischen Feld und'proportional der Magnetisierungsänderung in dem y_Onder ersten Meßspule(22)um-BchlQ%_ren . Materialstück ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Wandlerelemente(70)zum Umsetzen der Spannungssignale des Meßspulenpaares(20, 22)in eine der Spannungsgröße proportionale Frequenz und digitale Zählelemente(76, 78, 80) zum zählen der zeitintigrierten Spannung ssignale der Meßspulen(20, 22) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch digitale Zählelemente(70)zum Erhalt einer der einen Hälfte der digitalen Zahl der Zähleiernen-

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te(78, 80)proportionalen digitalen Zahl, einen digitalen Gleichheitsprüfer(82)zur Erzeugung eines Signals, sobald die beiden digitalen Zahlen gleich groß sind, sowie Prüfelemente(68)zum Kessen des angelegten magnetischen Feldes, sobald ein Signal vom Gleichheitselement (82) gesendet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Zählelement ein Auf- Zuzähler ( 76 )iet und ein Spannungsabgleicher (86 ) mit der zweiten Heßspule (22)verbunden ist, welcher ein Signal erzeugt, sobald sich das'Vorzeichen des angelegten Feldes in der Meßspule(22) ändert, wobei dieses Signal die Zählrichtung des Auf- Zuzählers (76)umkehrt.

17· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalelemente aus einem Paar digitaler Zähler (78, 80)und digitaler Schalter (74, 84)bestehen, die den Eingang des einen Zählers mit dem Wandler(70) und den Ausgang des anderen Zählers mit dem Gleichheiteprüf er (82) verbinden, wobei die Schal-

ter(74, 84) die Eingangs- und Ausgangeverbindungen wechseln, sobald ein Signal im Gleichheitsprüfer(82)erzeugt wird. '

18* Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß das Prtifelement(68) das ▼on den elektrischen Spulen (14, 18 )erzeugte magnetische Feld durch messen der Spannung in diesen Spulen bestimmt. .

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