DE2228679C2 - Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Querschnittes von Draht - Google Patents

Description

Per Urtindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu gestalten, daß ohne weiteres uuch mit hoher Geschwindigkcii durchlaufender Draht einer Quersehnittsniessung unterworfen werden kann, und zwar unabhängiy <·>" 'i^er geometrischen Form, und /war auch dann, wenn erhebliche Lageänderungen des Drahtes bei der Messung zugelassen werden müssen.

Diesi Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß das Verhältnis Länge zu Durchmesser der aus einem Spulenkörper aus Keramikrohr und darauf aufgewickelten Windungen aus Kupferfolie mit zylindrischen Spulenenden bestehenden Spule größer nls 1,5 ist und daß dabei das Produkt aus Gesamtinduktivität und Ci-samtkapazität der Spule bei Lageänderungen des .Ui messenden Drahtes konstant ist.

Da- erste Merkmal macht eine Aussage über den Auf'ruiü der Spule, das zweite Merkmal macht eine Aus-Jt'c über die Dimensionierung von Spule und Sclnv./igkreis. Bei der verhältnismäßig kurzen Spule der ·. -ündungsgemäßen Vorrichtung mit inhomogenem Feld entstehen ein kapazitiver und ein induktiver Lag' -ii'ckt, die sich weitgehend kompensieren, wie im ein/.wHien noch weiter erläutert wird.

I;·..· Arbeitsweise der erfindungsgemäüen Vorriehtuni· heruhl auf der Induktion von Wirbelströmen in eiiK-:;i metallischen Leiter, der hierzu eine w-chselsirc'iiniurchflossene zylindrische Spule durchläuft. Für einen kreisrunden unendlich langen paramagnetischen St.::· i.il.'t sich diese Wirbelstrominduktion exakt beschreiben. Bei hinreichend hohen Frequenzen isi nach der ιT.eorie die Ausbildung der Wirbelströme unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des Stabes oder Drahtes. Die Beeinflussung der Induktivität der erregenden Spuk durch den Stab ist dann nur vom Füllgrad abhängig. Auch die Lage des zylindrischen Stabes hat keinen Einfluß auf die Wirbelsiromausbildung, solange das Feld in der Spule als homogen betrachtet werden kann und die Achsen von Draht und Spule gleiche Richtung aufweisen.

Wühlt man die Spule als Induktivität eines Schwingkreises und die Frequenz des Schwingkreises als die Meßgröße, dann ergibt die Theorie die nachfolgende Beziehung /wischen der Veränderung der Meßgröße

Frequenz und der Zielgröße — Querschnitt bzw. Füllfaklor.

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H_n Resonanzfrequenz des Schwingkreises,

/. Induktivität der leeren Spule,

C Kapazität,

ι/ Füllgrad der Spule.

///•fr ist ein komplexer Parameter, von dem nur der Realteil in die Resonanzfrequenz eingeht. /i,._lt ist eine Funktion der dimcnsionsloscn Größe

a 2 Il f · ff/t₀/i_T,,\ n,² (2)

mit //,.rr ■ ο für a -> co,

f Frequenz,

() elektrische Leitfähigkeil,

//i,.i relative Permeabilität,

/;, Radius des Stabes in der Spule.

Will man den Querschnitt über die Resonanzfre-

50

55

⁶°

65 qz unabhängig von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zu prüfenden Materials bestimmen, dann muß die Frequenz gemäß (2) so hoch

gewählt werden, daß//"'¹ in (1) vernachlässigt werden

kann. Zum Beispiet muß man für Stahldraht mit einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes (//_roi — 1) im Durchmesserbereich 4 bis I2rnm zur Ausschaltung des Einflusses der elektrischen Leitfähigkeit Frequenzen im Bereich 1 bis 30 MHz wählen.

Die Durchlaufspule bzw. der Schwingkreis müssen so dimensioniert sein, daß eine Auslenkung des Drahtes oder Stabes aus der Spulenmitte keinen Einfluß auf die Meßgröße — Resonanzfrequenz — hat.

Der Durchmesser der Spulen bei der Vorrichtung ergibt sich aus den Möglichkeiten der mechanischen Führung der Drähte und Stäbe. Um beim Walzen von Draht einen störungsfreien Betrieb sicherzustellen, müssen sämtliche Durchlauföffnungen, also auch der innendurchmesser der Spule, mindestens doppelt so groß sein wie der Außendurchmesser des Drahtes. Da man an den Enden der Spulen Bereiche einer inhomogener Feldverteilung erhält, müssen für ein hinreichend homogenes Feld entweder Spulen gewählt werden, deren Länge große Vielfache der Durchmesser beträgt oder die Felder kürzerer Spulen mit Hilfe von ZusatzwicUungen korrigiert werden. Würde man versuchen, auf diese Weise derart homogene Felder zu erzeugen, daß die Induktivität der Spule nicht von der Lage des Drahtes darin abhängt, dann würde man zu Induktivitäten gelangen, die für den vor genannten Frequenzbereich von 1 bis 20 MHz viel zu groß sind. Die Lösung der Aufgabe ist daher nur möglich, wenn es gelingt, kürzere Spulen zu verwenden, deren Induktivitäten für Schwingkreise im vorgenannten Frequenzbereich geeignet sind. Die Felder derartiger Spulen sind aber nicht mehr homogen.

Die Lageabhängigkeit wäre aber auch bei langen Spulen und homogenen Feldern nicht zu vermeiden, da sich zwischen den Windungen der Spüle und dem durchlaufenden Draht eine parasitäre Kapazität einstellt, die von der Lage des Drahtes abhängt und die Impedanz der Spule beeinflußt. Die Größe und die Änderung dieser Kapazität mit der Lage win) noch verstärkt durch die Dielektrizitätskonstante den Spulenkörpers, der bei hohen Frequenzen au* nichtleitendem Material und bei hohen Temperaturen des Prüfgutes aus keramischem Werkstoff gefertigt sein muß. Diese Kapazität hat ein Minimum bei Lage des Drahtes im Zentrum der Spule und weicht bei Verlagerungen zur Mantelfläche hin vom Mittelwert erheblich ab.

Überraschenderweise hat sich bei Versuchen gezeigt, daß man bei sehr kurzen Spulen mit inhomogenen Feldern den vorgenannten kapazitivcn i agecffekt durch den induktiven weitgehend kompensieren kann, und zwar derart, daß das Produkt der Gesamtkapa/itäl und Gesamtinduktivität und damit die Resonanzfrequenz, des Schwingkreises nahezu unabhängig von der Lage des Stabes in der Spule konstant bleiben. Diese Beseitigung des Lageeffekles soll an Hand von F i g. 2 erläutert werden. F i g. 2 zeigt weiter unten beschriebene Kurven über dem Aufcnlhaltsbcrcich (in Millimetern) eines Drahtes im Spulenkörper. Im oberen Bildteil ist gezeigt, welche Änderungen der Induktivität sich aus den Auslcnkungcn des Drahtes ergeben. Ls wurde festgestellt, daß die absoluten Induktivitälsänderungcn für Spulen mit einem Verhiilini"·

Länge zu Durchmesser größer als 1,5 mit gleichem Rillfaktor nahezu konstant sind.

Im mittleren Teil der F i g. 2 sind die Änderungen der parasitären Kapazität für verschiedene Spulcnlängen dargestellt. Man erkennt, daß die kapazitiven Änderungen proportional mit der Spulcnlänge ansteigen.

Da der induktive und der kapazitive Effekt gegenläufig sind, läßt sich Forderung L ■ € - const, für einen bestimmten Schwingkreis durch Wahl einer geeigneten Spulenlängc erfüllen.

Im unteren Bildteil wird gezeigt, daß für die 7,5 an lange Spule im Aufenlhallsbcrcich de:; Drahtes eine optimale Lagekorrektur erfolgt. Sowohl längere als auch kürzere Spulen ergeben große MeUfehler bei Lageänderungen des Drahtes. Wegen der geringen Windungszahl ist es bei der vorgegebenen Spulenlängc von z. B. 7,5 cm notwendig, an Stelle von Draht ein Cu-Band für die Wicklungen zu verwenden. Die Breite des Bandes ist dabei kleiner bzw. gleich der Steigung der Windungen. Dadurch wird eine Feldvcrzcrrung, bedingt durch um die Windungen umlaufende Feldlinien weitgehend vermieden. Dadurch, daß die Spulcnenden zylinderförmig und nicht schraubenförmig auslaufen, bleibt die vorher beschriebene Kapazität zwischen Draht und Spule rotationssymmetrisch.

Da die Eindringtiefe der Wechselströme in Kupfer im gewählten Frequenzbereich nur einige Hundertstel Millimeter beträgt, kann statt eines Bandes eine Folie von 50μηι Dicke verwendet werden.

Bei der Querschnittsmessung an heißem Walzdruht muß die Durchlaufspulc gekühlt werden, um ihre thermische Ausdehnung vernachlässigbar klein zu halten. Hierzu bietet sich Wasser an, das die Spule außen umströmt. Da die Windungen direkt auf den Spulenkörper aufgebracht werden, ist eine gute Wärmeabfuhr in radialer Richtung gewährleistet. Wegen der im Wasser entstehenden elektrischen Verluste darf die Dicke der Kühlwasserschicht nur einige Millimeter betragen. Dies wird durch einen äußeren Mantel aus isolierendem Material erreicht, zwischen dem und der Spule das Kühlwasser fließt. Querschniltsmessungcn lassen sich nach der Wirbclstrommelhode bei hohen

ίο Frequenzen — d. h. unter Ausschaltung des Lin-

flusses der elektrischen Leitfähigkeit nur dann

durchrühren, wenn die Durchlaufspulcn in der beschriebenen Weise dimensioniert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Querschnittes von Draht.
F i g. 2 Kurven, die die Beseitigung des Lageeffekte.

nach der Erfindung verdeutlichen.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 durchläuft der Draht I die auf den Spulenkörper 2 gewickelte Spule 3 Diese bildet mit dem Kondensator 4 einen Teil des Oszillators 5. Der Schwingfrequenz des Oszillators 5 ist eindeutig der Querschnitt des Prüfgutes I zugeordnet. Der ZählT 6 mißt über vorwähibare Zeitintervall■· von I ms aufwärts die Frequenz des Oszillators 5. Je nach Zeitintervall und Durchlaufgcschwindigkeit wii\i dabei über verschiedene Längen der mittlere Quer schnitt bestimmt. Zum Beispiel beträgt die Länge K' IO ms und 30 m/s 30 cm. Der Digilal-Analop-Wa"·.;-lcr 7 wandelt das digitale Meßergebnis in eine pr" portionalc Spannung um, die vom Rcgistricrgenii Ϊ aufgezeichnet oder angezeigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Dickenmessung an Planen mit Hufe von Tastspulen

Patentanspruch: (vgl. Feingerätetechnik, 1963, Heft 6, S. 287 bis 2'JD),

aber auch für Abslaitdsinessungen (vgl. industncmi-

Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des zeiger Essen vom 24.4. 062, 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 kllz-Be-Kondensator, 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 VorriL-hdaß im Draht induzierte Wirbeiströme praktisch ία 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 ProdukJ aus Gesamtinduktivität und Gesamt- 20 Messung an kleinen Proben sind die Wägung und kapazität dei 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 spie! 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 Temperakontmmerlichen Messung des Querschnittes von türen häufig sehr hoch, bei Stahlwalzdraht beispiels-Draht, bestehend aus einer wechselstromdurchflossenen 30 weise zum Zeitpunkt der Messung bei rund WOO C. Spule, durch die der zu messende Draht hindurchge- Für Messuncen unter diesen Bedingungen sind bisher fuhrt wird, einem Kondensator, de* mit der Spule einen nur Verfahren für Durchmesser in einer bestimmten Schwingkreis mit einer Eigenfrequenz bildet, die so R ich tune, ζ. B. die sogenannten Schattenverfahren, in hoch hegt, daß im Draht induz,.-rte Wirbelströme der Praxis üblich. Durch Abtastung mittels eines Laserpraktisch unabhängig sind von der elektrischen Leit- 35 Strahles oder Bewegung eines Bildes über einen opfahigkeit 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 .ern und Registriergeräten. Schattens oder der leuchtenden Fläche festgestellt.

Draht bezeichnet im Rahmen der Erfindung auch Dreht man die Meßachse in der Ebene senkrecht zum Stabe aus metallischen Werkstoffen, sowohl mit 40 Stab- und Drahlquerschnitt, 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- 0 · κΤ° ^{45 Um}8^{en 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 franzosische Patentschrift 1 505 716) sind das Verhält- diese Geräte befinden sich aber noch in der Erprobung nis von Lange 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 «-ar nicht kreises andererseits nicht spezifiziert. Arbeitet man konzipiert.

ohne weiteres mit solchen Vorrichtungen, so beein- Zur Ermittlung von Querschnitten unabhängig von

nüssen Lageanderungen des zu messenden Drahtes das der geometrischen Form wurde ein im Prinzip und im McLcrgebnis im Sinne von statistischen Ungcnatiig- 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 aulgebaut ist ist nicht spezifiziert, wenn auch kera- der Primärstrahlung wird so gewählt, daß die Wechsclmiscnc Einbettung vorgeschlagen ist. Zu brauchbaren wirkung mit dem Metalldraht oder Stab vorwiegend Mel.iergebni.ssen 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 lautende Draht sehr eng geführt wird, was nicht Anpassung an die Betriebsverhältnisse und die Bemogl.ch ist, wenn es sich z. B. um mit hoher Gcschwin- tricbssicherheit, solange kicne hohe zeitliche Auflösung d.gkeit durchlaufenden Walzdraht handelt. Erhebliche und damit Auflösung in Längsrichtung des Stabes oder Auslenkung™ von z. B. | 5 mm sind in der Praxis Drahtes erforderlich ist. Es ist darüber hinaus nur bis unvermeidbar. — Im übrigen kennt man induktive C₅ zu solchen Durchmessern anwendbar, bei denen die Meßvorrichtungen mit Durchlaufspulcn für andere Absorption der Primärstrahlung durch die zur Mcssun« /wecke, so zur Feststellung örtlich begrenzter Felder ausgenutzte Complonstrcuung oder andere Effekte (vgl. französische Patentschrift I 470 386/92 982), zur nicht zu groß ist.