DE2228679B1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Querschnittes von Draht - Google Patents

Description

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor- quenz unabhängig von den elektrischen und magne-

richtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu tischen Eigenschaften des zu prüfenden Materials be-

gestalten, daß ohne weiteres auch mit hoher Geschwin- stimmen, dann muß die Frequenz gemäß (2) so hoch

digkeit durchlaufender Draht einer Querschnitts- ...,. , , _n real · ,.< ,,.. . . ,

messung unterworfen werden kann, und zwar unab- 5 gewählt werden, daß ^ _eff in (1) vernachlässigt werden

hängig von der geometrischen Form, und zwar auch kann. Zum Beispiel muß man für Stahldraht mit einer

dann, wenn erhebliche Lageänderungen des Drahtes Temperatur oberhalb des Curie-Punktes (/i_rei = 1) im

bei der Messung zugelassen werden müssen. Durchmesserbereich 4 bis 12 mm zur Ausschaltung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch des Einflusses der elektrischen Leitfähigkeit Frequen-

gelöst, daß das Verhältnis Länge zu Durchmesser der io zen im Bereich 1 bis 30 MHz wählen,

aus einem Spulenkörper aus Keramikrohr und darauf Die Durchlaufspule bzw. der Schwingkreis müssen

aufgewickelten Windungen aus Kupferfolie mit zylin- so dimensioniert sein, daß eine Auslenkung des Drahtes

drischen Spulenenden bestehenden Spule größer als 1,5 oder Stabes aus der Spulenmitte keinen Einfluß auf die

ist und daß dabei das Produkt aus Gesamtinduktivität Meßgröße — Resonanzfrequenz — hat.

und Gesamtkapazität der Spule bei Lageänderungen 15 Der Durchmesser der Spulen bei der Vorrichtung

des zu messenden Drahtes konstant ist. ergibt sich aus den Möglichkeiten der mechanischen

Das erste Merkmal macht eine Aussage über den Führung der Drähte und Stäbe. Um beim Walzen von

Aufbau der Spule, das zweite Merkmal macht eine Draht einen störungsfreien Betrieb sicherzustellen,

Aussage über die Dimensionierung von Spule und müssen sämtliche Durchlauföffnungen, also auch der

Schwingkreis. Bei der verhältnismäßig kurzen Spule so Innendurchmesser der Spule, mindestens doppelt so

der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit inhomogenem groß sein wie der Außendurchmesser des Drahtes. Da

Feld entstehen ein kapazitiver und ein induktiver man an den Enden der Spulen Bereiche einer inhomo-

Lageeffekt, die sich weitgehend kompensieren, wie im gener Feldverteilung erhält, müssen für ein hinreichend

einzelnen noch weiter erläutert wird. homogenes Feld entweder Spulen gewählt werden,

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrich- 25 deren Länge große Vielfache der Durchmesser beträgt tung beruht auf der Induktion von Wirbelströmen in oder die Felder kürzerer Spulen mit Hilfe von Zusatzeinem metallischen Leiter, der hierzu eine wechsel- wicklungen korrigiert werden. Würde man versuchen, stromdurchflossene zylindrische Spule durchläuft. Für auf diese Weise derart homogene Felder zu erzeugen, einen kreisrunden unendlich langen paramagnetischen daß die Induktivität der Spule nicht von der Lage des Stab läßt sich diese Wirbelstrominduktion exakt be- 30 Drahtes darin abhängt, dann würde man zu Induktivischreiben. Bei hinreichend hohen Frequenzen ist nach täten gelangen, die für den vorgenannten Frequenzder Theorie die Ausbildung der Wirbelströme unab- bereich von 1 bis 20 MHz viel zu groß sind. Die Lösung hängig von der elektrischen Leitfähigkeit und der der Aufgabe ist daher nur möglich, wenn es gelingt, magnetischen Permeabilität des Stabes oder Drahtes. kürzere Spulen zu verwenden, deren Induktivitäten für Die Beeinflussung der Induktivität der erregenden 35 Schwingkreise im vorgenannten Frequenzbereich geSpule durch den Stab ist dann nur vom Füllgrad ab- eignet sind. Die Felder derartiger Spulen sind aber hängig. Auch die Lage des zylindrischen Stabes hat nicht mehr homogen.

keinen Einfluß auf die Wirbelstromausbildung, solange Die Lageabhängigkeit wäre aber auch bei langen

das Feld in der Spule als homogen betrachtet werden Spulen und homogenen Feldern nicht zu vermeiden,

kann und die Achsen von Draht und Spule gleiche 4° da sich zwischen den Windungen der Spule und dem

Richtung aufweisen. durchlaufenden Draht eine parasitäre Kapazität ein-

Wählt man die Spule als Induktivität eines Schwing- stellt, die von der Lage des Drahtes abhängt und die

kreises und die Frequenz des Schwingkreises als die Impedanz der Spule beeinflußt. Die Größe und die

Meßgröße, dann ergibt die Theorie die nachfolgende Änderung dieser Kapazität mit der Lage wird noch

Beziehung zwischen der Veränderung der Meßgröße 45 verstärkt durch die Dielektrizitätskonstante des Spulen-

— Frequenz — und der Zielgröße — Querschnitt körpers, der bei hohen Frequenzen aus nichtleitendem

bzw. Füllfaktor. Material und bei hohen Temperaturen des Prüfgutes

1 aus keramischem Werkstoff gefertigt sein muß. Diese

_ = (1) Kapazität hat ein Minimum bei Lage des Drahtes im

' L · C { 1 4- - · ^reaM ^⁰ Zentrum der Spule und weicht bei Verlagerungen zur

y ⁷I Ί M eff j Mantelfläche hin vom Mittelwert erheblich ab.

_ . ,„,.,. Überraschenderweise hat sich bei Versuchen ge-

w₀ = Resonanzfrequenz des Schwingkreises, _{zei t> daß man bei sehr kurzen s len mit in}_

L = Induktivität der leeren Spule, homogenen Feldern den vorgenannten kapazi-

C — Kapazität, _{55 t}j_ven L_ag_eeffekt durch den induktiven weit-

η = Fullgrad der Spule. _{gehend koni}p_ensi_{eren kann}, und zwar derart,

μ/Ή ist ein komplexer Parameter, von dem nur der daß das Produkt der Gesamtkapazität und Ge-

Realteil in die Resonanzfrequenz eingeht. μ_βα ist eine samtinduktivität und damit die Resonanzfrequenz

Funktion der dimensionslosen Größe des Schwingkreises nahezu unabhängig von der

-, „ χ 2 n\ ^5o Lage des Stabes in der Spule konstant bleiben.

Diese Beseitigung des Lageeffektes soll an Hand

mit ,«eff -> ο für a -> 00, von F i g. 2 erläutert werden. F i g. 2 zeigt weiter unten

f _ Freauenz beschriebene Kurven über dem Aufenthaltsbereich

0 = elektrische Leitfähigkeit ^{(in Millimetern}) eines Drahtes im Spulenkörper. Im

= relative Permeabilität ' ^{6s oberen} Bildteil ist gezeigt, welche Änderungen der

r_D = Radius des Stabes in der Spule. Induktivität sich aus den Auslenkungen des Drahtes

ergeben. Es wurde festgestellt, daß die absoluten In-

WiIl man den Querschnitt über die Resonanzfre- duktivitätsänderungen für Spulen mit einem Verhältnis

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Länge zu Durchmesser größer als 1,5 mit gleichem außen umströmt. Da die Windungen direkt auf den

Füllfaktor nahezu konstant sind. _ Spulenkörper aufgebracht werden, ist eine gute Wärme-

Im mittleren Teil der F i g. 2 sind die Änderungen abfuhr in radialer Richtung gewährleistet. Wegen der

der parasitären Kapazität für verschiedene Spulen- im Wasser entstehenden elektrischen Verluste darf die

längen dargestellt. Man erkennt, daß die kapazitiven 5 Dicke der Kühlwasserschicht nur einige Millimeter

Änderungen proportional mit der Spulenlänge an- betragen. Dies wird durch einen äußeren Mantel aus

steigen. isolierendem Material erreicht, zwischen dem und der

Da der induktive und der kapazitive Effekt gegen- Spule das Kühlwasser fließt. Querschnittsmessungen läufig sind, läßt sich Forderung L-C- const, für lassen sich nach der Wirbelstrommethode bei hohen einen bestimmten Schwingkreis durch Wahl einer ge- ίο Frequenzen — d. h. unter Ausschaltung des Eineigneten Spulenlänge erfüllen. flusses der elektrischen Leitfähigkeit — nur dann

Im unteren Bildteil wird gezeigt, daß für die 7,5 cm durchführen, wenn die Durchlauf spulen in der belange Spule im Aufenthaltsbereich des Drahtes eine schriebenen Weise dimensioniert werden,
optimale Lagekorrektur erfolgt. Sowohl längere als Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer auch kürzere Spulen ergeben große Meßfehler bei 15 lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeich-Lageänderungen des Drahtes. Wegen der geringen nung erläutert; es zeigt

Windungszahl ist es bei der vorgegebenen Spulenlänge F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zur kontinu-

von z. B. 7,5 cm notwendig, an Stelle von Draht ein ierlichen Messung des Querschnittes von Draht,

Cu-Band für die Wicklungen zu verwenden. Die Breite F i g. 2 Kurven, die die Beseitigung des Lageeffektes

des Bandes ist dabei kleiner bzw. gleich der Steigung 20 nach der Erfindung verdeutlichen,

der Windungen. Dadurch wird eine Feldverzerrung, Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 durchläuft der

bedingt durch um die Windungen umlaufende Feld- Draht 1 die auf den Spulenkörper 2 gewickelte Spule 3.

linien weitgehend vermieden. Dadurch, daß die Spulen- Diese bildet mit dem Kondensator 4 einen Teil des

enden zylinderförmig und nicht schraubenförmig aus- Oszillators 5. Der Schwingfrequenz des Oszillators 5

laufen, bleibt die vorher beschriebene Kapazität 25 ist eindeutig der Querschnitt des Prüfgutes 1 zugeord-

zwischen Draht und Spule rotationssymmetrisch. net. Der Zähler 6 mißt über vorwählbare Zeitintervalle

Da die Eindringtiefe der Wechselströme in Kupfer von 1 ms aufwärts die Frequenz des Oszillators 5. Je

im gewählten Frequenzbereich nur einige Hundertstel nach Zeitintervall und Durchlaufgeschwindigkeit wird

Millimeter beträgt, kann statt eines Bandes eine Folie dabei über verschiedene Längen der mittlere Quer-

von —50 μηι Dicke verwendet werden. 30 schnitt bestimmt. Zum Beispiel beträgt die Länge bei

Bei der Querschnittsmessung an heißem Walzdraht 10 ms und 30 m/s 30 cm. Der Digital-Analog-Wandmuß die Durchlaufspule gekühlt werden, um ihre ler 7 wandelt das digitale Meßergebnis in eine prothermische Ausdehnung vernachlässigbar klein zu portionale Spannung um, die vom Registriergerät 8 halten. Hierzu bietet sich Wasser an, das die Spule aufgezeichnet oder angezeigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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Dickenmessung an Platten mit Hilfe von Tastspulen

Patentanspruch: ' (vgl· Feingerätetechnik, 1963, Heft 6, S. 287 bis 290),

aber auch für Abstandsmessungen (vgl. Industriean-

Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des zeiger Essen vom 24. 4.1962, S. 99 bis 101), endlich Querschnittes von Draht, bestehend aus einer 5 für Oberflächenprüfungen (vgl. Metall, 1957, Heft 10, wechselstromdurchflossenen Spule, durch die der S. 837 bis 846, und Zeitschrift für Metallkunde, 1952, zu messende Draht hindurchgeführt wird, einem S. 163 bis 171). Hier arbeitet man zumeist im kHz-BeKondensator, der mit der Spule einen Schwingkreis reich; im übrigen haben all diese bekannten Maßnahmit einer Eigenfrequenz bildet, die so hoch liegt, men die Probleme um die Gestaltung von Vorrichdaß im Draht induzierte Wirbelströme praktisch io tungen der eingangs beschriebenen Gattung nicht unabhängig sind von der elektrischen Leitfähigkeit beeinflußt.

und der magnetischen Permeabilität des Drahtes, Bei der Herstellung und bei der Verarbeitung von und daran angeschlossenen Zählern, Wandlern Draht und Stäben aus metallischen Werkstoffen und Registriergeräten, dadurch gekenn- werden bis heute in der Regel die Durchmesser und die zeichnet, daß das Verhältnis Länge zu Durch- 15 geometrische Form des Querschnittes — z. B. ToIemesser der aus einem Spulenkörper (2) aus Kera- ranzen für die Unrundheit bei Rundwalzdraht — vormikrohr und darauf aufgewickelten Windungen (3) geschrieben. Es kommt aber in der Praxis häufig zuaus Kupferfolie mit zylindrischen Spulenenden be- sätzlich oder ausschließlich auf den Querschnitt unabstehenden Spule (3) größer als 1,5 ist und daß dabei hängig von der geometrischen Form an. Für die das Produkt aus Gesamtinduktivität und Gesamt- 20 Messung an kleinen Proben sind die Wägung und kapazität der Spule (3) bei Lageänderungen des zu Längenmessungen dafür die in der Praxis üblichen messenden Drahtes (1) konstant ist. Verfahren. In modernen Fertigungsanlagen ist die

Entnahme repräsentativer Proben jedoch nicht oder nur unter großen Einschränkungen möglich. Zum Bei-

25 spiel müssen Messungen am durchlaufenden Walzgut

bei Geschwindigkeiten bis zu 60 m/s ausgeführt werden, wobei die beschriebenen Auslenkungen zugelassen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur werden müssen. Darüber hinaus liegen die Temperakontinuierlichen Messung des Querschnittes von türen häufig sehr hoch, bei Stahlwalzdraht beispiels-Draht, bestehend aus einer wechselstromdurchflossenen 30 weise zum Zeitpunkt der Messung bei rund 1000° C. Spule, durch die der zu messende Draht hindurchge- Für Messungen unter diesen Bedingungen sind bisher führt wird, einem Kondensator, der mit der Spule einen nur Verfahren für Durchmesser in einer bestimmten Schwingkreis mit einer Eigenfrequenz bildet, die so Richtung, z. B. die sogenannten Schattenverfahren, in hoch liegt, daß im Draht induzierte Wirbelströme der Praxis üblich. Durch Abtastung mittels eines Laserpraktisch unabhängig sind von der elektrischen Leit- 35 Strahles oder Bewegung eines Bildes über einen opfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des tischen Spalt wird dabei die Ausdehnung in Meßrich-Drahtes, und daran angeschlossenen Zählern, Wand- tung entweder des durch Fremdlicht erzeugten lern und Registriergeräten. Schattens oder der leuchtenden Fläche festgestellt. Draht bezeichnet im Rahmen der Erfindung auch Dreht man die Meßachse in der Ebene senkrecht zum Stäbe aus metallischen Werkstoffen, sowohl mit 40 Stab- und Drahtquerschnitt, so erhält man bei Abrundem als auch mit unrundem Querschnitt, und um- weichungen von der kreisrunden Querschnittsform die faßt sowohl Walzdraht als auch gezogenen Draht. Die Durchmesser in den verschiedensten Richtungen und angesprochene Eigenfrequenz des Schwingkreises liegt damit bei hinreichend vielen Meßrichtungen den im allgemeinen und insbesondere bei Walzdraht im Querschnitt. Es sind sowohl Verfahren und Vorrich-MHz-Bereich. 45 tungen mit wenigen festen Meßachsen — meistens Bei bekannten Vorrichtungen der beschriebenen zwei senkrecht zueinander stehenden — als auch mit Gattung (vgl. deutsche Offenlegungsschrift 2 020 749, kontinuierlich rotierender Meßachse bekannt. All französische Patentschrift 1 505 716) sind das Verhält- diese Geräte befinden sich aber noch in der Erprobung, nis von Länge zu Durchmesser der Spule einerseits, Sie sind verhältnismäßig aufwendig und kompliziert der Aufbau der Spule und die Auslegung des Schwing- 50 und zur Ermittlung von Querschnitten gar nicht kreises andererseits nicht spezifiziert. Arbeitet man konzipiert.

ohne weiteres mit solchen Vorrichtungen, so beein- Zur Ermittlung von Querschnitten unabhängig von flüssen Lageänderungen des zu messenden Drahtes das der geometrischen Form wurde ein im Prinzip und im Meßergebnis im Sinne von statistischen Ungenauig- Vergleich zu den optischen Verfahren einfaches Verkeiten störend und zumeist so stark störend, daß die 55 fahren vorgeschlagen, bei dem die am Draht gestreute Messungen unmöglich sind. Wie die Spule im einzelnen y-Strahlung als Meßgröße ausgenutzt wird. Die Energie aufgebaut ist ist nicht spezifiziert, wenn auch kera- der Primärstrahlung wird so gewählt, daß die Wechselmische Einbettung vorgeschlagen ist. Zu brauchbaren wirkung mit dem Metalldraht oder Stab vorwiegend Meßergebnissen kommt man bei den bekannten Vor- nach dem Compton-Effekt erfolgt. Dieses Verfahren richtungen ohne weiteres nur dann, wenn der durch- 60 erfüllt alle zu stellenden Forderungen einschließlich der laufende Draht sehr eng geführt wird, was nicht Anpassung an die Betriebsverhältnisse und die Bemöglich ist, wenn es sich z. B. um mit hoher Geschwin- triebssicherheit, solange kiene hohe zeitliche Auflösung digkeit durchlaufenden Walzdraht handelt. Erhebliche und damit Auflösung in Längsrichtung des Stabes oder Auslenkungen von z. B. =F 5 mm sind in der Praxis Drahtes erforderlich ist. Es ist darüber hinaus nur bis unvermeidbar. — Im übrigen kennt man induktive 65 zu solchen Durchmessern anwendbar, bei denen die Meßvorrichtungen mit Durchlauf spulen für andere Absorption der Primärstrahlung durch die zur Messung Zwecke, so zur Feststellung örtlich begrenzter Felder ausgenutzte Comptonstreuung oder andere Effekte (vgl. französische Patentschrift 1 470 386/92 982), zur nicht zu groß ist.