DE3788429T2

DE3788429T2 - Verfahren und gerät zur messung von grössen bezüglich elektrisch leitender materialien.

Info

Publication number: DE3788429T2
Application number: DE87906798T
Authority: DE
Inventors: Sten Linder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-10-10
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2007-10-10
Also published as: WO1988002842A1; FI891597A; JPH02500215A; EP0349528A1; US5059902A; AU608784B2; EP0349528B1; FI891597A0; SE451886B; JPH0778489B2; AU8100987A; SE8604315D0; DE3788429D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Messung einer Zustandsgröße in Verbindung mit einem in fester oder flüssiger Form vorliegenden elektrisch leitenden Material, bei dem ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, um das Material zu durchdringen, wobei das elektromagnetische Feld mit Hilfe eines durch mindestens eine Erregerwicklung fließenden konstanten Stromes erzeugt wird, die Stromversorgung der wenigstens einen Wicklung unterbrochen wird, nachdem das Magnetfeld das elektrisch leitende Material in einer Tiefe durchdrungen hat, die durch den zu messenden Parameter bestimmt wird; die Spannung, die in mindestens einer Abtastspule induziert und in dem Magnetfeld um das leitende Material infolge der Abnahme des Magnetfeldes entsteht, erfaßt wird, und diese gemessene Spannung zur Bestimmung der Größe des Parameters benutzt wird.
Das elektrisch leitende Material sollte zumindest im wesentlich nicht magnetisch sein, beispielsweise ein Metallblock oder -strang während des Walzvorganges, eine Metallstange während des Ziehvorganges, ein bearbeitetes Metallprodukt während des Vorgangs der Objektprüfung und Materialprüfung, ein Metallschmelzenblöckchen in einem fortschreitenden Gußvorgang oder eine Metallschmelze während eines Verhüttungsprozesses. Das elektrisch leitende Material ist nicht auf Metalle beschränkt, sondern kann andere Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit beinhalten, wie Graphit oder eine auf eine hohe Temperatur erhitzte Metallmischung.
Es ist bekannt, ein Magnetfeld zu benutzen, um die Beträge von Größen oder parametrischen Werten der vorstehenden Art in Verbindung mit elektrisch leitendem Material zu messen.
Diesbezüglich ist es herkömmliche Praxis, in der Nähe des elektrisch leitenden Materials ein sinusförmig wechselndes Magnetfeld zu erzeugen und den Einfluß des Materials auf das Magnetfeld in Form eines induzierten Wechsels entweder in der Spule, die das Magnetfeld erzeugt, oder in einer oder mehreren unterschiedlichen Abtastspulen, zu erfassen.
Wenn nur eine Spule verwendet wird, wird die Amplitude und/oder der Phasenwechsel gegenüber der Spule detektiert oder erfaßt. Das heißt, dadurch, daß der Wechsel in Bezug auf das angelegte Feld oder die angelegte Spannung klein sein wird, ist es schwierig, genaue Messungen zu erhalten. Weiterhin ist es mit diesem Meßverfahren sehr schwierig, den durch Veränderungen in zwei oder mehr voneinander unterschiedlichen Größen hervorgerufenen Einfluß zu unterscheiden. Die Verwendung einer oder mehrerer unterschiedlicher Abtastspulen wird das Problem, daß der induzierte Wechsel nur einen kleinen Teil des Grundsignals darstellt, in einem sicheren Umfang überwinden. Auch in diesem Fall ist die Schwierigkeit aufgetreten, den durch gleichzeitige Veränderungen von zwei Größen hervorgerufenen Einfluß zu unterscheiden, während es unmöglich ist, zwischen Veränderungen von drei Größen zur selben Zeit zu unterscheiden, da nur zwei Parameter, Phase und Amplitude, gemessen werden können.
In der Literatur sind Spulenanordnungen beschrieben, die in Übereinstimmung mit dem Vorbeschriebenen ein sinusförmiges Feld erzeugen und die geometrisch in einer besonderen Weise geformt sind, um eine ansteigende Empfindlichkeit oder Reaktion zu einer Größe und eine abklingende Empfindlichkeit oder Reaktion zu der anderen Größe zu erhalten. Dies verschafft für einige Grade Abgrenzung zwischen den unterschiedlichen Größen, aber die Anordnungen sind kompliziert und reagieren empfindlich auf Geometrieänderungen.
Kräftige Gleichstrom-Magnetfelder wurden in Verbindung mit der Messung der magnetischen Eigenschaften eines elektrisch leitenden Materials benutzt. Der Zweck dieser kräftigen Gleichstrom-Magnetfelder ist, die magnetischen Eigenschaften des Materials zu ändern, beispielsweise den zu messenden Gegenstand zu magnetisieren und zu entmagnetisieren. Deshalb wird dieses Verfahren mit nicht-magnetischen Materialien nicht funktionieren.
Die schwedischen Patentanmeldungen 76057603, 7605759, 7605761 und 77104818 zeigen Systeme und Spulenkonfigurationen für elektro-magnetische Meßgrößen gemäß dem Vorstehenden in Verbindung mit flüssigen, auf hohe Temperaturen erhitzte, elektrisch leitenden Materialien. Obgleich die in diesen Unterlagen beschriebenen Meßsysteme in der Praxis als gut funktionierend empfunden werden, verbleibt eine große Anzahl von Anwendungen oder Gebieten, in denen die Ansprüche an Exaktheit und die Möglichkeit der Messung einer Anzahl von voneinander unabhängigen, variierenden Größen nicht befriedigend sind.
Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zum Messen der Größenwerte oder von parametrischen Werten der vorstehenden Art zu schaffen, das nicht mit den Nachteilen bekannter Systeme behaftet ist und das es gestattet, völlig neue Anwendungen vorzunehmen.
Die GB-A-151 383 offenbart ein Verfahren zum kontaktlosen Messen der Härte von Eisenmetallen durch Messen der Größe der magnetischen Kraftlinien, die in einem Probestück nach Entfernen von der Magnetisierspule verbleiben. Dennoch bleibt die Messung abhängig von der Entfernung zu der Probe und auch von der Leitfähigkeit des Materials.
In einer Hinsicht löst die vorstehende Erfindung diese Aufgabe bei einem Verfahren der im Oberbegriff beschriebenen Art, durch die Erfassung der in der Abtastspule induzierten Spannung während einer sehr kurzen Anfangszeitspanne (b-d), die mit der Unterbrechung des Versorgungsstromes beginnt und endet, wenn sich das Magnetfeld in dem Raum zwischen der Abtastspule und dem leitenden Material abgebaut hat, wobei die induzierte Spannung während dieser Anfangszeitspanne (b-d) durch das Abklingen des Magnetfeldes in dem Raum zwischen der Abtastspule und dem leitenden Material erzeugt wird, ohne Einfluß von dem Abklingen des Magnetfeldes, das das leitende Material durchdrungen hat, und Vergleichen der erfaßten Spannung während dieser Anfangszeitperiode mit Referenzwerten, um den Abstand der Abtastspule zu dem leitenden Material zu bestimmen.
Andere Aspekte und charakteristische Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Verfahrensansprüchen gegeben.
Die Zeitdauer, während der das Magnetfeld erzeugt wird, hängt von der zu messenden Größe und der Natur des betreffenden Materials ab und wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es wurde herausgefunden und als eine erste Näherung in Betracht gezogen, daß der Grund, warum die Spannung in der Spule induziert wird, wenn die Versorgung mit felderzeugendem Strom unterbrochen wird, in der langsamen Abklingzeit des Magnetfeldes, das das Material infolge des Stromes durchdrungen hat, liegt. Die in der Spule induzierte Spannung erscheint deshalb als Ergebnis des Wechsels im Magnetfeld, das in das Material eindringt und mit der Zeit abklingt. Das Ausmaß dieser Zeitänderung und damit die in der Spule erzeugte Spannung ist zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten deutlich abhängig von den vorgenannten zu messenden Größen oder Werten, so daß das Ausmaß der Änderungen, die über kurze Zeitspannen stattfinden, die Abmessungen des Materials oder die Entfernung des Materials von einem gegebenen Punkt oder eine Längenabmessung bestimmen, wobei das Ausmaß der Änderungen, die über Zeitspannen durchschnittlicher Länge stattfinden, die elektrische Leitfähigkeit des Materials bestimmt und das Ausmaß der Änderung, die über eine lange Zeitspanne stattfindet, die Materialdicke bestimmt. Die folgende Beschreibung offenbart unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wie dies zu einer praktischen Verwendung eingesetzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme zu einer Anzahl von beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen benannt sind, eingehender erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der prinzipiellen Arbeitsweise des Meßsystems gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Spannung an der zur Felderzeugung und Spannungsabtastung dienenden Spule nach Figur 1 als eine Funktion über der Zeit darstellt.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4A und 4B zeigen Diagramme, die die in Fig. 3 verwendeten Spannungsimpulse schematisch darstellen.
Fig. 5A-5C zeigen die Änderung der induzierten Spannung/Zeit, die infolge der Änderung in unterschiedlichen Größen entstehen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung.
Fig. 7 zeigt drei Diagramme, die die in Fig. 6 verwendeten Spannungsimpulse darstellen.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Meßanordnung gemäß der Erfindung.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.
Fig. 10 zeigt eine schematische, senkrechte Teilansicht, die eine Meßanordnung gemäß der Erfindung darstellt, die benutzt wird, um die Dicke einer Metallplatte zu bestimmen.
Fig. 11 ist eine schematische, senkrechte Teilansicht, die die Verwendung einer erfindungsgemäßen Meßanordnung darstellt zu Zwecken der Abstandsmessung und zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines Metallgußteils, das beispielsweise in einem Stranggußverfahren gebildet wurde.
Fig. 12 ist eine schematische, senkrechte Teilansicht einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, die verwendet wird, um Wandstärken durch Messen des Abstandes einer Metallschmelze von einem gegebenen Punkt zu messen.
Fig. 13 ist eine schematische, senkrechte Teilansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zum Messen von Abmessungen vorgesehen ist.
Fig. 14 ist eine schematische, senkrechte Teilansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung, die zum Messen von Plattendicken verwendet wird.
Fig. 15 ist eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung der mittleren Wandstärke eines Rohres und der Exzentrizität des Rohres.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Spule 1, die über einem elektrisch leitenden Material 2 angeordnet ist, und Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das schematisch die Spannungs/Zeitverlaufsbeziehung darstellt, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet wird. Diese Figuren sind in erster Linie dazu gedacht, die Art und Weise darzustellen, in der die Erfindung arbeitet und die verschiedenen Zeitphasen werden jede getrennt im Folgenden, Schritt für Schritt, beschrieben.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird zu einer Zeit a eine Spannung über die Anschlüsse 3 der Spule 1 angelegt, so daß ein Konstantstrom durch die Spule 1 fließt. Diese Spannung ist in Fig. 2 durch eine horizontal gezeichnete Linie zwischen den Punkten a und b dargestellt. Das durch den durch die Spule 1 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld breitet sich mit der Zeit in dem elektrisch leitenden Material 2 über einen diffusionsähnlichen Vorgang aus. Nachdem eine bestimmte Zeitspanne abgelaufen ist, wird das Magnetfeld das Material infolge der Ausbreitung vollständig durchdrungen haben, so daß im wesentlichen keine weiteren Änderungen in der Magnetfeldstärke im Material auftreten werden.
Dieser Zeitverlauf ist abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des zu messenden Materials 2 und ebenso von der Größe der Spule, so daß, wenn das Material hochleitfähiges Material und die Spule groß ist, der Zeitverlauf lang ist, während wenn das Material eine geringe Leitfähigkeit hat und die Spule klein ist, der Zeitverlauf kurz sein wird. Die Zeitdauer, die notwendigerweise verstreichen muß, bevor die Versorgungsspannung ausgeschaltet wird, um zu bewirken, daß das Magnetfeld zusammenbricht, hängt von der einzelnen zu messenden Größe oder Parameter ab. Wenn diese Größe zu Längenabmessungen oder Abständen gehört, werden relativ kurze Zeitverläufe gewählt, was ebenfalls dann der Fall ist, wenn die Dicke von dünnem Material gemessen wird. Relativ lange Zeitverläufe sind vorzusehen, wenn die elektrische Leitfähigkeit und die Dicke von dickem Material gemessen wird.
Zum Zweck der deutlichen Beschreibung der Erfindung, so daß sie schnell verstehbar ist, wird als vorteilhaft angesehen, hier ein natürliches Bild zu benutzen, in dem das Magnetfeld, das eine erregte Spule umgibt, in Gegenwart eines elektrisch leitenden Materials als in zwei Felder geteilt angesehen werden kann, nämlich einem Feld in der Luft um die Spule herum und einem Feld, das sich durch das elektrisch leitende Material erstreckt, wobei die Felder, wenn der das Magnetfeld erzeugende Strom ausgeschaltet wird, abklingen oder über der Spule zusammenfallen und hierin eine Spannung induzieren. Die in der Darstellung nach Fig. 2 gezeigte Zeit b ist die Zeit, zu der die Versorgungsspannung an der Spule 1 ausgeschaltet wird und die Magnetfelder, die in der Luft um die Spule herum bzw. in dem elektrisch leitenden Material vorhandenen sind, zusammenfallen, in der Spule 1 abklingen und hierin eine Gegenspannung induzieren, die an den Anschlüssen 4 abnehmbar ist (Fig. 1). Dadurch wird die Spannung kurz nach Unterbrechen des Versorgungsstromes oder der Versorgungsspannung negativ. Das um die Spule 1 in der Luft vorhandene Magnetfeld fällt sehr plötzlich zusammen, über eine typische Zeitspanne von 0,3 bis 3 Mikrosekunden, und führt während dieser Zeitspanne zu einem Anstieg auf eine hohe negative Spannung, beispielsweise zwischen der Zeit b und der Zeit d, mit einem maximalen negativen Signal zur Zeit c. Während der folgenden Zeitspanne von Zeit d zu Zeit e klingt das im leitenden Material vorhandene Magnetfeld über der Spule 1 langsamer ab und erzeugt hierin ein weniger negatives Signal, das dennoch über eine lange Zeitspanne besteht. Für den vorbeschriebenen Zweck hat es sich als sachdienlich herausgestellt, anzunehmen, daß das Magnetfeld mit der Zeit aus dem elektrisch leitenden Material streut und sich entlädt oder in der Spule abklingt, so daß es das Material zur Zeit e vollständig verlassen hat.
Die Zeit, die benötigt wird, bis das Magnetfeld vollständig aus dem Material gestreut ist, d. h. der Zeitverlauf vom Zeitpunkt b bis zum Zeitpunkt e ist von derselben Größe wie die Zeit, die benötigt wird, bis das Magnetfeld vom Zeitpunkt seiner Erzeugung in das Material eindringt, d. h. vom Zeitpunkt a bis zum Zeitpunkt b, und ist dadurch ebenfalls abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials und der Größe der Spule. Beispielhaft kann erwähnt werden, daß die Zeit, die benötigt wird, eine vollständige Entladung oder Abklingen im Falle von höchstleitfähigem Material, wie Kupfer, und Spulengrößen (Durchmessern) im Bereich von 20 mm zu bewirken, reicht von 0,5 bis 2 Millisekunden, und für Spulengrößen im Bereich von 50 mm von 1,5 bis 5 Millisekunden. Im Falle von Materialien mit schlechten Leitfähigkeiten, beispielsweise heißem Stahl, und Spulengrößen um 20 mm beträgt die zugehörige Zeit o,es bis 0,3 Millisekunden, und für Spulengrößen um 50 mm von 0,15 bis 0,7 Millisekunden.
Wenn das Material 2 näher an die Spule 1 herangebracht wird, wird der Anteil des Magnetfeldes, das sich in der Luft um die Spule herum befindet, kleiner, wobei der Anteil des Feldes, das sich im elektrisch leitenden Material befindet, größer wird. Folglich fällt die Spannung zwischen b und d und steigt auf ein entsprechendes Ausmaß zwischen d und e an.
Wird statt dessen hochleitfähiges Material verwendet, das in demselben Abstand von der Spule liegt wie in Fig. 1, ändert sich die Spannung zwischen b und d nicht, da sich der Anteil des Feldes in der Luft nicht ändert. Wegen der höheren elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten Materials erfolgt die Streuung des Magnetfeldes aus dem Material langsamer, wodurch der Spannungs/Zeitverlauf sich so ändert, daß die Spannung zur Zeit d niedriger ist als zur Zeit e, die zu einem korrespondierenden späteren Zeitpunkt auftritt.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung beinhaltet eine Spule 71, die ähnlich zur Spule 1 in Fig. 1 ist. Diese Spule wird über eine Zeitspanne von a bis b mit Strom versorgt, vgl. Fig. 4A, mit Spannung aus einem Block 6, der eine konstante Spannungsquelle 61 und einen geeigneten Ausschalter, beispielsweise einen Transistor 62, beinhaltet. Der Transistor wird in Übereinstimmung mit dem Diagramm 4A durch eine Zeitschaltung 5 gesteuert. Ein Widerstand 72 dient als Entladungswiderstand in der Größenordnung, die durch die Zeitspanne b in der Darstellung gemäß Fig. 2 vorgegeben ist. Wenn eine Zeitspanne von 4 Mikrosekunden gewünscht ist, die als geeigneter Wert empfunden wurde, wenn Metalle von normaler elektrischer Leitfähigkeit gemessen werden, sollte dieser Widerstand im Bereich von 100 Ohm liegen, obwohl das von den elektrischen Werten der Spule abhängt. Die Spannung in der Spule wird nach Verstärkung in einer Verstärkerschaltung 79 gemäß bekannter Technik gemessen. Die Spannung wird dann in einem Schaltkreis 8 verarbeitet, der im wesentlichen einen Ausschalter 81 aufweist, der während der Periode öffnet, wenn keine Messungen zu machen sind, und der die Signalübertragungsleitung schließt, wenn Messungen zu machen sind. Der Schalter 81 kann beispielsweise ein sogenannter Analogschalter sein und wird in Übereinstimmung mit der Darstellung gemäß Fig. 4B durch die Zeitschaltung 5 gesteuert, d. h., daß eine Spannung erzeugt wird zwischen den Zeitspannen e1-e2, während derer Messungen zu machen sind. Während der Zeit, zu der Messungen stattfinden, d. h. wenn der Schalter 81 aktiviert, d. h. eingeschaltet ist, wird ein Mittelwert des Signals gebildet, entweder durch Verwendung eines Kondensator-Widerstand-Filters, der aus einem Widerstand 82 und einem Kondensator 83 besteht, oder durch Integration während der Zeitspanne e1-e2. Die Spannung während der Zeitspanne e1-e2 kann dann als Gleichspannung mit einem Voltmeter 9 gemessen oder für eine weitere Signalverarbeitung benutzt werden.
Das Verfahren zum Messen der drei Größen, Abstand (Längenabmessung), elektrische Leitfähigkeit und Wandstärke wird nachfolgend mit Bezug auf die Diagramme der Fig. 5A-C beschrieben. Das Diagramm 5A zeigt die Änderungen der induzierten Spannung mit Änderungen des Abstandes (oder der Längenabmessungen), das Diagramm 5B zeigt die Änderungen der induzierten Spannung mit Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit und Fig. 5C zeigt Änderungen der induzierten Spannung bei Änderungen der Wandstärke.
In Fig. 5A zeigt die durchgezogene Kurve im Spannungs/- Zeitverlauf-Diagramm für die Periode, die der Zeit folgt, zu der die Spannungsversorgung ausgeschaltet wird, zu in einem gedachten normalen Zustand vorherrschenden Bedingungen, wenn das leitende Material in einem gegebenen Abstand von der Spule angeordnet ist, während die unterbrochene Kurve die vorherrschenden Bedingungen zeigt, wenn das Material in einem kürzeren Abstand zur Spule angeordnet ist. Während der Zeitspanne d bis e entlädt sich das Magnetfeld in der Luft um die Spule, und da dieser Anteil des Magnetfeldes kleiner wird, wenn die Spule näher zum Material angeordnet wird, wird sich die Spannung während dieser Zeitspanne ebenfalls erniedrigen. Der Anteil des Magnetfeldes, der sich in dem leitenden Material befindet, wird während der Zeitspanne d bis e abklingen, dieser Teil dem Feldes wird in demselben Ausmaß ansteigen wie das Luft-Feld abfällt, wenn das Material näher an der Spule angeordnet wird. Das Integral der zwischen der Zeit b und der Zeit d vorherrschenden Spannung und das Integral der zwischen der Zeit d und der Zeit e vorherrschenden Spannung bilden voneinander unabhängige Messungen des Abstandes zwischen der Spule und dem Material. Außerdem ist die Summe der Veränderungen dieser beiden Integrale gleich Null, was als Wahrheitsüberprüfung für die Messung benutzt werden kann. Die Werte dieser beiden Integrale sind im wesentlichen unabhängig von Veränderungen in anderen Größen, dadurch ist die Möglichkeit zur Messung des Abstands (oder Längenabmessungen) unabhängig von anderen sich ändernden Größen gegeben. Außerdem ist es möglich, äußerst genaue und zuverlässige Messungen zu erhalten infolge der Möglichkeit, zwei voneinander unabhängige Meßverfahren zu ein- und derselben Zeit auszuführen und zu prüfen, daß die Summe der Veränderungen der beiden Integrale Null ist, d. h. die Summe der Integrale muß konstant sein.
Gemäß dem Vorstehenden heißt die Zeitspanne von b bis d im Bereich von 0,3-3 Mikrosekunden, abhängig von den elektrischen Daten der Spule und des Entladungswiderstandes. Die Zeitspanne d bis e liegt im Bereich von 2 Millisekunden für den Fall, daß das Material eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und im Bereich von 0,2 Millisekunden für ein Material mit schlechter Leitfähigkeit.
In Fig. 5B zeigt die durchgezogene Kurve des Spannungs/- Zeitdiagramms den eintretenden Ablauf, wenn ein Material mit einer gegebenen elektrischen Leitfähigkeit gemessen wird, und die unterbrochene Kurve zeigt den eintretenden Ablauf, wenn ein Material gemessen wird, das ein schlechterer Elektrizitätsleiter ist als das vorherige Material und das im selben Abstand von der Spule angeordnet ist wie das vorherige Material. Wie im Vorstehenden ausgeführt, wird die Zeitspanne b bis d nicht durch die Änderung in der Leitfähigkeit berührt, sondern das Magnetfeld wird während der Zeitspanne d bis f aus dem Material von geringerer Leitfähigkeit schneller steuern. Ein großer Teil des Magnetfeldes wird damit während der Zeitspanne d bis f aus dem Material streuen, was heißt, daß das Magnetfeld innerhalb eines kürzeren Zeitraumes verschwindet und daß der Zeitpunkt e eher eintritt, wenn praktisch keine magnetische Feldenergie mehr im Material verbleibt. Folglich wird der Wert des Integrals von d nach f größer und von f nach c kleiner, wenn die elektrische Leitfähigkeit abnimmt und umgekehrt. Der Wert des Integrals von d nach f und der Wert des Integrals von f nach e bilden deshalb Messungen der elektrischen Leitfähigkeit des Materials, während zur selben Zeit die Summe der Veränderungen in den Integralen Null ist.
Die elektrische Leitfähigkeit kann deshalb unabhängig von anderen Größen auf der Basis Abhängigkeit zwischen den oben genannten zwei Integralen gemessen werden oder durch Bestimmung des Wertes eines oder beider Intergrale und Ersetzen für Veränderungen im Abstand mit Hilfe des Meßwertes, der in Übereinstimmung mit Fig. 5A erhalten wurde. Dies erlaubt es, die elektrische Leitfähigkeit unabhängig von anderen sich ändernden Größen zu messen. Außerdem können die Messungen mit großer Exaktheit als Ergebnis der zur Verfügungstellung von zwei unabhängigen Meßwerten durchgeführt werden und außerdem mit einer hohen Zuverlässigkeit infolge der Möglichkeit der Prüfung, daß die Summe der Integrale konstant ist.
Der Zeitverlauf von Zeit d nach Zeit f ist abhängig von der Größe (Durchmesser) der Spule und von der elektrischen Leitfähigkeit des zu messenden Gegenstandes, aber ein Zeitverlauf von 1 Millisekunde kann beispielhaft für den Fall von Kupfer und einer Spulengröße von 40 mm erwähnt werden.
In Fig. 5C stellt die durchgezogene Kurve des Spannungs/Zeitdiagramms die an einem dickwandigen Material (beispielsweise einer Metallplatte) durchgeführte Messung dar, während die unterbrochene Kurve die Messung an einer dünneren Wand darstellt. Es wurde herausgefunden, daß die beiden Wände gleichbleibend dieselbe Spannungs/Zeitcharakteristik bis zum Zeitpunkt g haben. Im Vergleich mit der dickeren Wand erzeugt die dünnere Wand bis zum Zeitpunkt h eine höhere Spannung und dann bis zum Zeitpunkt e eine geringere Spannung. Das ist auch aus dem vorherbeschriebenen Bild ersichtlich, da die dickere Wand einen längeren Streupfad hat als die dünnere Wand und damit eine längere magnetische Feldstreuungszeit darstellt. Das Integral von der Zeit g nach der Zeit h kann als Messung der Dicke des Materials verwendet werden, da ein dünneres Material einen größeren Wert ergibt als ein dickeres Material. Das Integral von der Zeit h nach einer Zeit e ist eine weitere Messung der Dicke des Materials, da in diesem Fall das dünnere Material einen geringeren Wert ergibt als das dickere Material. Die Summe dieser beiden Integrale ist konstant und kann verwendet werden, um die Messung auch in diesem Fall zu überprüfen.
Die Zeiten g und h sind abhängig von der Dicke des Materials und seiner elektrischen Leitfähigkeit. Es kann beispielhaft erwähnt werden, daß im Falle einer 4 mm dicken Kupferplatte die Zeit g im Bereich von 0,5 Millisekunden und die Zeit h im Bereich von 1 Millisekunde liegt.
Dadurch wird ein Verfahren zur Messung der Wandstärke unabhängig von der Veränderung anderer Größen zur Verfügung gestellt, da das Verhältnis zwischen den vorbeschriebenen zwei Integralen unabhängig von Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit und im Abstand zwischen dem Material und der Spule ist. Weiterhin kann allein der Wert einer der beiden Integrale bestimmt werden und die dann erhaltene Abhängigkeit von anderen Größen beseitigt werden, da diese Größen aus den in Verbindung mit Fig. 5A und 5B bestimmten Werten bekannt sind.
Das Verfahren kann ebenfalls ausgeführt werden durch die Schritte der Unterteilung des Spannungs/Zeitverlaufs in unterschiedliche Zeitspannen in Übereinstimmung mit dem Vorbeschriebenen, Integrieren der Spannungen während dieser Zeitspannen, Analysieren der Ergebnisse und Errechnen der verschiedenen betroffenen Größen mit Hilfe des generellen Bildes, das in dem Vorbeschriebenen gegeben wurde.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, gemäß dessen sowohl eine positive als auch eine negative Spannung verwendet wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen. In diesem Fall wird die positive Spannung über die Spule 71 mit Hilfe einer Generatorschaltung 63 erzeugt, die von der Steuerschaltung 5 durch eine Steuerspannung erzeugt wird, die in einem Leiter 53 anliegt und deren Phasenzeit im oberen Diagramm von Fig. 7 dargestellt ist. Eine zugehörige, eine negative Spannung erzeugende Schaltung 64 wird über einen Leiter 54 gesteuert, der eine Steuerspannung zur Verfügung stellt, um Negativstrom während einer Periode, in der die positive Seite inaktiv ist und in der keine Messung gemacht wird, zu erzeugen. Ein Beispiel einer solchen Phasenzeit ist durch das mittlere Diagramm der Fig. 7 gezeigt. Das soll heißen, daß die Spannung auf einer Seite der Spule positiv-0-negativ-0 sein wird. Wie bezüglich des früheren Ausführungsbeispiels bezeichnet die Bezugsziffer 72 einen Entladungswiderstand und das Signal wird auch in diesem Fall in einem Verstärkerkreis 79 verstärkt.
Ähnlich wie in dem früher beschriebenen Ausführungsbeispiel beinhaltet auch die Signalverarbeitungsschaltung 8 dieses Ausführungsbeispieles einen Schalter 81, der durch die Steuerschaltung 5 über einen Signalleiter 55 gesteuert wird, der nur während der Zeit, in der eine Messung erfolgen soll, Spannung zur Verfügung stellt. Ein Beispiel einer solchen Phasenzeit ist in dem unteren Diagramm der Fig. 7 gezeigt. Das Signal wird dann an einen Integrator 82 gesendet, der das Signal während der Meßphase integriert. Die Polarität des Signals wird dann alternierend gewechselt, so daß die positive und die negative Signalmessung aus unterschiedlichen Polaritäten erhalten wird. Dies wird durch Anlegen des Signals über den Widerstand 83 an sowohl den positiven als auch den negativen Verstärkungseingang eines Differentialverstärkers 85 erreicht. Ein besonderer, mit beiden Eingängen verbundener Kreis 84 verbindet den Eingang alternierend zur Erde, gesteuert durch die Zeitsteuerung 5 über die Signalleiter 53 und 54. Der Verstärker 85 erzeugt außerdem einen Mittelwert. Dadurch, daß die durch die Meßschaltung 9 gemessene Spannung während der positiven Periode negativ und auch während der negativen Periode negativ ist oder umgekehrt, ist es möglich, die während der beiden Phasen erhaltenen Signale zu addieren. Der in den Diagrammen der Fig. 7 dargestellte Ablauf kann in jeder gewünschten Anzahl von Malen wiederholt und ein Mittelwert gebildet werden.
Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel benutzt zwei seriengesteuerte Spulen 71 und 73, die, wie zuvor, von einer Generatorschaltung 6 gespeist und von einer Zeitsteuerschaltung 5 gesteuert werden. Zwei gleich große Entladungswiderstände sind über die Spulen verbunden. Der Mittelpunkt auf den Spulen und der Mittelpunkt zwischen den Widerständen ist jeweils mit einem besonderen Eingang eines Differentialverstärkers 79 verbunden. Das Verstärkerausgangssignal wird an eine Signalverarbeitungsschaltung 8 gesendet und in einer Schaltung 9, gemäß dem Voranstehenden, gemessen. Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ist insbesondere dann geeignet, wenn Unterschiede zwischen zwei Größen von Interesse sind, d. h. wenn es gewünscht ist, eine Größe mit einer bekannten Referenzgröße zu vergleichen oder wenn gewünscht ist, die Differenz zwischen den Meßwerten zu messen. In diesem Fall wird die Spule 71 an dem einen Meßpunkt und die Spule 78 an dem anderen Meßpunkt angeordnet. Wenn die Verhältnisse an beiden Meßpunkten völlig identisch sind, wird die Spannungs/Zeitkurve während der ganzen Phasenzeit eine Nullspannung zeigen, wo hingegen, sollte eine Abweichung an einem der Meßpunkte auftreten, nur diese Abweichung in der Spannungs/Zeitkurve gezeigt wird.
Unter Bezug auf Fig. 5 heißt das, daß nur die Abweichung zwischen der durchgezogenen Kurve und der gestrichelten Kurve in jedem Diagramm gezeigt wird. Die relative Änderung des Signals wird dadurch sehr groß und Verstärkungsfehler in den Schaltungen eliminiert.
Ein weiterer erreichter wichtiger Vorteil bei Benutzung des in Fig. 8 dargestellten Systems ist die Ausschaltung der folgenden Probleme. Die Spannungs/Zeitkurve zeigt eine hohe Spannung während kurzer Zeitspannen, aber eine sehr niedrige Spannung während längerer Zeitspannen. Es ist notwendig, die Verstärkung an die höchste Spannung während der kurzen Zeitspannen anzupassen, um nicht die Verstärkerstufen zu sättigen. Die Verstärkung während der längeren Zeitspannen wird damit zu gering sein und Instabilität könnte entstehen. Dieses Problem taucht nicht auf, wenn die in Fig. 8 dargestellte Anordnung benutzt wird, d. h. wenn eine Dicke gemessen wird, weil nur die Differenz zwischen einer Referenzgröße und einer Meßgröße erfaßt oder detektiert wird.
Fig. 9 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung, bei dem die Generatorschaltung 6, die Spule 71 und der Entladungswiderstand 72 ähnlich sind zu denen aus den früheren Ausführungsbeispielen. Dennoch steuert die Steuerschaltung 5 bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur eine Signalverarbeitungsschaltung, sondern vier solcher Schaltungen 86, 88 und 89, die alle voneinander unterschiedliche Einstellungen haben. Die unterschiedlichen Meßwerte werden von einer Schaltung 91 empfangen, die diese Werte analysiert und die Werte der gewünschten Größen errechnet. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9, ggfs. in Kombination mit einem der vorstehend beschriebenen Schaltungen, ist zur Verwendung vorgesehen, mehrere Größen oder Parameter unabhängig voneinander zu messen.
Nicht einschränkende Anwendungsgebiete für das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung wird nun unter Bezug auf die Fig. 10 bis 16 beschrieben.
Fig. 10 stellt die Messung einer plattendicke dar. Die in diesem Fall verwendete erfindungsgemäße Anordnung weist zwei Spulen 10 und 11 auf, von denen jede über einer geeigneten Metallplatte oder Metallplattenabschnitt 20 und 21, deren Dicken zu messen sind, angeordnet ist. Die interessierenden Platten oder Plattenabschnitte können Platten oder Plattenabschnitte sein, bei denen gewünscht ist, Dickenunterschiede zwischen ihren beiden Seiten zu messen oder eine Platte und eine Referenzplatte der gewünschten Dicke. In diesem Fall werden die Messungen unterschiedlich und gemäß Fig. 8 ausgeführt. Wenn die verbleibenden Größen während des Meßvorganges konstant gehalten werden können, kann die Meßanordnung gemäß Fig. 3 oder Fig. 6 verwendet werden. Falls die Größen nicht konstant gehalten werden können, muß die Meßanordnung gemäß Fig. 9 benutzt werden. Bezugsziffer 72 in Fig. 10 bezeichnet den zuvorgenannten Entladungswiderstand, Bezugsziffer 6 die Versorgungsschaltung und Bezugsziffer 79 die Verstärkerschaltung.
Der Unterschied in der Dicke der beiden Metallplatten oder Plattenabschnitte 20 und 21 wird im einfachsten Fall, wenn die verbleibenden Größen, wie Abstand und elektrische Leitfähigkeit, konstant sind, ausgehend von dem Verhältnis zwischen den integrierten Werten der induzierten Spannungen während der Zeitspannen von Zeit g nach Zeit h oder von Zeit h nach Zeit e oder beiden, in Übereinstimmung mit Fig. 5C, bestimmt. Die Zeit g ist für einen guten Leiter wie Kupfer typisch und liegt im Bereich von einer Millisekunde bei einer 5 mm dicken Kupferplatte und bei 0,4 Millisekunden bei einer 3 mm dicken Platte. Für den Fall eines schlechten Leiters, wie eine heiße Stahlplatte, wird die Zeit g im Bereich von 0,1 Millisekunde bei einer 10 mm dicken Platte liegen. In Fig. 5C liegt die Zeit g-h im Bereich von 50% der Zeit g und Zeit e wird bestimmt durch die Größe der Spule.
Wenn große Veränderungen im Größenabstand und der elektrischen Leitfähigkeit zur selben Zeit festgestellt werden wie exakte Dickenmessungen gewünscht sind, oder wenn die Kenntnis dieser Größen zu ein- und derselben Zeit gewünscht ist, wird vorzugsweise eine Meßanordnung gemäß Fig. 9 verwendet. In diesem Fall wird der Abstand mit einem Kanal in der Zeitspanne gemessen, die sich an die Zeit anschließt, zu der die Versorgung der Stromerzeugung unterbrochen wurde, und die elektrische Leitfähigkeit wird mit einem späteren Kanal gemessen, wodurch eine Kompensation der Veränderungen des Abstandes bewirkt wird, und abschließend wird die Dicke mit einem Kanal gemessen während einer für die Dickenmessung geeigneten Zeit, in Übereinstimmung mit dem Vorstehenden, während des Kompensierens der Veränderungen im Abstand und elektrischen Leitfähigkeit.
Fig. 11 zeigt eine erfindungsgemäße Meßanordnung zur Verwendung bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Metallgegenstandes 20. Der Metallgegenstand 20 kann sein: ein Metallstrangguß nach dem Gußvorgang, ein Metallstreifen während des Glühvorgangs, eine Metalltafel oder -strang während des Walzvorgangs oder ein ähnlicher Metallgegenstand. Durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit eines Metallgegenstandes ist es möglich, wichtige Informationen bezüglich der Temperatur, Härte und inneren Strukturen des Objekts zusammen mit ähnlichen Faktoren zu erhalten, die nachfolgend dazu genutzt werden können, um Vorangegangenes und/oder anschließende Vorgänge zu kontrollieren. In diesem Zusammenhang ist es oftmals von Interesse sowohl die elektrische Leitfähigkeit als Mittelwert als auch Veränderungen in der elektrischen Leitfähigkeit an unterschiedlichen Punkten, zum Beispiel auf verschiedenen Seiten eines Metallstrangs, zu erfassen.
Gemäß der Erfindung kann dies geschehen durch Anordnung einer geeigneten Spule 10 und 11 auf jeder Seite des gestreckten zu messenden Metallgegenstands, z. B. des besagten Metallstrangs, Stranggusses usw., und Versorgen der Spulen durch eine Generatorschaltung 6 der vorbeschriebenen Art. In der Schaltung ist ein Verstärker 79 vorgesehen zum unterschiedlichen Messen zwischen dem Mittelpunkt der Spulen und dem Mittelpunkt der geeignet zugeordneten Entladungswiderstände 72, und ein weiterer Verstärker 78 ist zwischen den Mittelpunkt der Widerstände und einer Seite des Spulenpaares geschaltet.
Wenn die Spannung in der Spule 10 zu einem bestimmten Augenblick A ist und die Spannung in der Spule 11 zur selben Zeit B ist, wird der Verstärker 79 messen: A-(A+B)/2 = B/2 - A/2, d. h. die Hälfte des Spannungsunterschieds in den Spulen. Der Verstärker 78 mißt die Spannung in der Spule 11, d. h. B, zur selben Zeit. Infolge der Verarbeitung des Signals (der Signale) kann der Unterschied zwischen der am Verstärker 78 anliegenden Spannung und der zweimal am Verstärker 79 anliegenden Spannung bestimmt werden, um die Spannung in der Spule 10 zu erhalten. Dies gestattet es, die Spannung in den beiden Spulen zu jedem festgelegten Augenblick getrennt voneinander zu messen und einen äußerst exakten Wert des Unterschieds zwischen den beiden Spulen zu erhalten.
Die in Fig. 11 dargestellte Meßanordnung gestattet es daher, interessierende Größen im technischen Prozeß zu messen. Durch Messen von Abständen oder Längenabmessungen gemäß den mit Bezug auf Fig. 5A diskutierten Prinzipien und Verwendung stationärer Spulen ist es möglich, sowohl die Lage als auch Längenabmessung des Materials zu bestimmen. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials kann a) absolut, d. h. mit dem Verstärker 78 gemäß Fig. 5B, und b) differenziell gemäß dem Vorstehenden und Fig. 5B gemessen werden. Wenn diese Information mit der Kenntnis über das Verhältnis zwischen elektrischer Leitfähigkeit und der gewünschten Größe (Temperatur, Härte usw.) kombiniert wird, kann sie benutzt werden, um den betreffenden Prozeß zu steuern.
Fig. 12 zeigt eine erfindungsgemäße Meßanordnung, die zum Messen von Größen in einer Metallschmelze benutzt wird. Bezugsziffer 20 in Fig. 12 bezeichnet eine Metallschmelze, die in einem Behälter enthalten ist, der eine innere Wand aus feuerfestem Material 21 und eine äußere Wand 22 aus einer Metallplatte, vorzugsweise Stahlplatte, die von der inneren Wand 21 beabstandet ist, aufweist. Eine Spule 1 der vorbeschriebenen Art ist in dem Zwischenraum zwischen der Metallplatte 22 und dem feuerfesten Material 21 angeordnet und mit den Generator- und Meßschaltungen in Übereinstimmung mit dem Vorstehenden verbunden. Im Falle von Verhüttungsbehältern der in Fig. 12 dargestellten Art ist es oftmals notwendig, die Dicke der feuerfesten Wand 21 und die elektrische Leitfähigkeit der Metallschmelze zu kennen, weil die letztere Größe auf die Legierungszusammensetzung der Schmelze hindeutet. Die vorhandene Stahlplatte 22 läßt in Fällen wie diesem ein Problem entstehen, da die Plattentemperatur nicht stabil bleibt oder nicht bekannt ist, und Veränderungen in der Temperatur die Meßsignale beeinflussen. Das ist insbesondere dann kritisch, wenn aus praktischen Gründen die Stahlplatte dicht bei der Spule 1 angeordnet ist, wodurch die Platte das Spannungs/Zeitverlauf- Verhältnis wesentlich beeinflußt und damit die Exaktheit der gemachten Messungen höchst schädlich berührt.
Der durch die Stahlplatte hervorgerufene Einfluß kann durch Verwendung einer Meßanordnung gemäß Fig. 9 und geeignete Anpassung der Zeiten an die verschiedenen Meßkanäle ausgeschaltet werden. Der Hauptgrund, warum dies möglich ist, ist, daß das Spannungs/Zeitverlauf-Verhältnis der Stahlplatte völlig unterschiedlich zu dem Spannungs/Zeitverlauf-Verhältnis von Standardmetall ist. Die in diesem Fall normalerweise verwendeten Meßzeiten zum Messen des Abstandes (Längenabmessungen) und der elektrischen Leitfähigkeit gemäß den Fig. 5A und 5B sind erweitert durch Unterteilung des Zeitverlaufs zwischen d und f gemäß Fig. 5B und/oder zwischen f und e in zwei Teile, wobei die zusätzlich erhaltene Information verwendet wird, um den durch die Stahlplatte hervorgerufenen Einfluß zu kompensieren, z. B. in einem Mikroprozessor oder durch andere Einrichtungen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze überwacht werden durch Summieren der Meßergebnisse, die während der die Zeit d nach der Zeit f und von der Zeit f nach der Zeit e überdeckenden Zeitspannen erhalten wurden, da diese in einem ungestörten System gleich Null sein müssen. Doch aufgrund der Stahlplatte wird das im vorliegenden Fall nicht gebraucht. Dennoch kann jede Abweichung von Null benutzt werden, um andere auszuführende Messungen auszugleichen.
Die in Fig. 12 dargestellte Anordnung kann modifiziert werden durch Anordnen der Spule 1 über der Oberfläche der Schmelze, so daß es möglich wird, den Abstand der Spule von der Oberfläche und damit das Niveau der Oberfläche in dem Behälter zu einer bestimmten Zeit zu bestimmen.
In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine Spulenanordnung benutzt, bei der die Symmetrieachse einer Spule sich im rechten Winkel zur Meßebene erstreckt. Es ist selbstverständlich, daß das Verfahren und das Meßsystem gemäß der Erfindung auch mit anderen Geometrien ausgeführt werden kann, z. B. mit der in Fig. 13 dargestellten zylindrischen Geometrie. In diesem Fall hat der zu messende Gegenstand die Form einer Stange, eines Rohres oder ähnliches, das sich durch die Spule 1 parallel mit der Symmetrieachse der Spule erstreckt. Die beschriebenen Größen bezüglich des Abstandes, oder mehr entsprechend Längenabmessungen, der elektrischen Leitfähigkeit und beispielsweise die Wandstärke eines Rohres oder einer Röhre können in diesem Fall ebenfalls gemessen werden.
Fig. 14 zeigt eine alternative Anordnung, um die Dicke einer Metalltafel von zwei entgegengesetzten Seiten zu messen. Die Anordnung nach diesem Ausführungsbeispiel weist zwei in Reihe geschaltete Spulen 10 und 11 auf, die je auf einer Seite der zu messenden Metallplatte angeordnet sind. Ähnlich zu den früher beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Spulen von einer Generatorschaltung 6 versorgt und über einen Widerstand 72 entladen. Die Spannung wird mit einer Verstärkerschaltung 79 gemessen und gemäß dem Vorstehenden weiterverarbeitet. Bei dieser Anordnung dient jede Spule als Meßwerkzeug für den Abstand von einem festgelegten Punkt auf der Spule zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Platte 2, d. h. Spule 10 ist Meßwerkzeug des dargestellten Abstands a2 und die Spule 11 des dargestellten Abstands a1. Da die Spulen in Reihe geschaltet sind, werden die beiden Abstände a2 und a1 aufsummiert, und da der erfaßte Abstand zwischen den Spulen a3 ist, ist die Dicke T der Platte gleich a3 - a1 - a2.
Sollte eine Lageänderung der Platte 2 im Zwischenraum zwischen den Spulen erfolgen, wird der Abstand a1 entweder kürzer oder größer und der Abstand a2 wird sich entsprechend ändern, wodurch der obige Ausdruck bezüglich der Plattendicke unverändert bleibt. Die Spannungen, die die Abstände a1 und a2 wiedergeben, ändern sich nicht linear mit dem Abstand, so daß, wenn z. B. a1 ansteigt, sich das zugehörige Signal in demselben Ausmaß ändert als wenn a2 abklingt. Folglich ist die Spannungsmessung durch die Verstärkerschaltung 79 linear abhängig von den Abständen a1 und a2 und damit von der Dicke der Platte.
Fig. 15 zeigt schematisch, wie das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, um die mittlere Wandstärke eines Rohres oder einer Röhre und die Exzentrizität der Rohrwand zu messen. In diesem Fall werden drei Spulen 10, 11 und 12 symmetrisch um das Rohr oder die Röhre 20 mit unregelmäßiger Wandstärke herum in einem konstanten radialen Abstand von dem Rohr angeordnet. Wenn die Rohrwand im wesentlichen unbeweglich entlang der Längsmittelachse des Rohres ist, kann der konstante Abstand durch Halten der Spulen in einer festen Lage eingehalten werden. Falls das Rohr andererseits während seines Herstellungsprozesses seitlich bewegt wird, werden die Spulen geschickterweise auf einem Räderfahrzeug angeordnet, das auf dem Rohr fährt.
Durch Verwendung von drei Schaltungen gemäß Fig. 3 oder Fig. 5 und Verbinden jeder Schaltung zu einer entsprechenden Spule 10, 11 und 12 und Anwenden der mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Prinzipien ist es möglich, die Dicke des Teiles der Rohrwand zu messen, das sich vor der entsprechenden Spule befindet. Die Summe dieser Dicken dividiert durch drei ergibt die mittlere Dicke der Rohrwand, wobei die Differenz zwischen den mit Hilfe der drei Spulen gemessenen Dicken eine Messung für die Exzentrizität der Rohrwandung ergibt.
Ein anderes wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in den Fällen, wo sich die Materialcharakteristika oder Eigenschaften des zu messenden elektrisch leitenden Materials von der äußeren Oberfläche(n) zu dem Materialinneren ändern. Solche Änderungen können sich aufgrund von Veränderungen der Temperatur durch das Material ergeben, beispielsweise in den Fällen, wo die Oberfläche(n) gründlich gekühlt wird (werden) oder wo der Anteil der Legierungssubstanzen an der Oberfläche(n) des Materials unterschiedlich zum Anteil dieser Substanzen unterhalb der Oberfläche ist, beispielsweise infolge Seigerung des Verfestigungsvorganges. Änderungen dieser Art können in Materialverarbeitungsverfahren von Interesse sein, obgleich es mit Hilfe heutiger Technologie äußerst schwierig ist, das Ausmaß dieser Veränderungen zu messen. Die vorliegende Erfindung gestattet das Ausmaß dieser Veränderungen sehr einfach zu messen durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit des Materials als das Verhältnis zwischen den Integralen der Spannungen, die zwischen den Zeitspannen von Zeit d nach Zeit f und Zeit f nach Zeit e, gemäß Fig. 5B, anliegen. Dieses Verfahren verschafft einen Mittelwert der elektrischen Leitfähigkeit des Materials von der Oberfläche dieses Materials und dessen Inneren. Es wurde vorstehend erwähnt, daß die Summe der integrierten Werte von Zeit d nach Zeit f und von Zeit f nach Zeit e konstant sein soll. Dies erfolgt in diesem speziellen Fall nicht, da der Wert der Summe der integrierten Werte statt dessen ein Ausdruck für die unterschiedliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit ist und benutzt werden kann, um den Leitfähigkeitsgradienten zu messen.
Obschon die elektrische Leitfähigkeit des Materials in erster Linie von seiner Zusammensetzung und seiner Temperatur abhängt, kann die Leitfähigkeit ebenso abhängig sein von den Inhomogenitäten des Materials, wie Risse und dem Vorhandensein nicht leitender Partikel, wie Schlacken. Das gestattet dem erfindungsgemäßen Verfahren und Meßanordnung, zum Aufdecken des Vorhandenseins solcher Fehler eingesetzt zu werden, beispielsweise in zerstörungsfreier Prüfung dieses Materials.
Wenn das elektrisch leitende Material magnetisch ist, ist das Bild des Verhältnisses von Spannung/Zeitverlauf, das vorstehend verwendet wurde, nicht länger anwendbar. Dies Spannungs/Zeitverlauf-Verhältnis kann dennoch betrachtet werden, um sich einige empirische Kenntnisse bezüglich der Abmessungsparameter des Gegenstands und seiner Eigenschaften zu verschaffen. Trotz dessen hat sich dennoch herausgestellt, daß, wenn das Material nur leicht magnetisch ist, beispielsweise wenn die magnetische Permeabilität < 10 ist, das Verfahren grundsätzlich in derselben Weise wie bei nicht-magnetischem Material verwendet werden kann.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Verfahren zur Anwendung sind nicht einschränkend und wurden einzig angegeben, um die Erfindung wie in den Ansprüchen 1 bis 11 eingegrenzt, beispielhaft zu belegen. Folglich ist es selbstverständlich, daß Veränderungen nur innerhalb des Umfangs der Ansprüche 1 bis 11 möglich sind.

Claims

1. Verfahren zur kontaktlosen Messung einer Zustandsgröße in Verbindung mit einem in fester oder flüssiger Form vorliegenden elektrisch leitenden Material (2; 20, 21), bei dem ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, um das Material zu durchdringen, wobei das elektromagnetische Feld mit Hilfe eines durch mindestens eine Erregerwicklung (1; 10, 11; 71, 73) fließenden konstanten Stromes erzeugt wird, die Stromversorgung der wenigstens einen Wicklung unterbrochen wird, nachdem das Magnetfeld das elektrisch leitende Material in einer Tiefe durchdrungen hat, die durch den zu messenden Parameter bestimmt wird, die Spannung, die in mindestens einer Abtastspule (1; 10, 11; 71, 73) induziert und in dem Magnetfeld um das leitende Material infolge der Abnahme des Magnetfeldes entsteht, erfaßt wird und diese gemessene Spannung zur Bestimmung der Größe des Parameters benutzt wird, gekennzeichnet durch Erfassung der in der Abtastspule (1; 10, 11; 71, 73) induzierten Spannung während einer sehr kurzen Anfangszeitspanne (b-d), die mit der Unterbrechung des Versorgungsstromes beginnt und endet, wenn sich das Magnetfeld in dem Raum zwischen der Abtastspule und dem leitenden Material (2; 20, 21) sich abgebaut hat, wobei die induzierte Spannung während dieser Anfangszeitspanne (b-d) durch das Abklingen des Magnetfeldes in dem Raum zwischen der Abtastspule und dem leitenden Material, ohne Einfluß von dem Abklingen des Magnetfeldes, das das leitende Material durchdrungen hat, erzeugt wird, und Vergleichen der erfaßten Spannung während dieser Anfangszeitperiode mit Referenzwerten, um den Abstand der Abtastspule zu dem leitenden Material zu bestimmen.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Anfangszeitspanne (b-d) im Bereich von Mikrosekunden liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Integrieren der erfaßten Zeit über der Anfangszeitspanne (b-d) und Vergleichen des Integralwertes mit Referenzwerten, um den Abstand zwischen der Abtastspule und dem leitenden Material zu bestimmten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Erfassen der in der Abtastspule (1; 10, 11; 71, 73) induzierten Spannung auch während einer zweiten Zeitspanne (d-f), die am Ende der sehr kurzen Anfangszeitspanne (b-d) beginnt und vor einem Zeitpunkt (f) endet, nach dem ein Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstandes des elektrisch leitenden Materials aus dem Abklingen der in der Abtastspule induzierten Spannung resultiert, so daß die induzierte Spannung während dieser zweiten Zeitspanne (d-f) erzeugt wird durch das Abklingen des das leitende Material durchdrungenen Magnetfeld, und Vergleichen der während der zweiten Zeitspanne erfaßten Spannung mit einem Referenzwert, um die Leitfähigkeit des leitenden Materials zu bestimmen, Benutzen des aus der während der sehr kurzen Anfangszeitspanne (b-d) induzierten Spannung erhaltenen Abstandsmaßes, um die Abhängigkeit des Abstands zu eliminieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Integration der erfaßten Spannung über die zweite Zeitspanne (d-f) und Vergleichen des Integralwertes mit einem Referenzwert, um die Leitfähigkeit des leitenden Materials (2; 20, 21) zu bestimmen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch getrenntes Erfassen der induzierten Spannung während zweier aufeinander folgender Zeitspannen, die beidseitig zum Endpunkt (f) der zweiten Zeitspanne (d-f) liegen, und Vergleichen dieser Spannungen während der Bestimmung der Leitfähigkeit des leitenden Materials.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch Erfassen auch der in der Abtastspule (1; 10,11; 71, 73) induzierten Spannung, die aus dem Abklingen des Magnetfeldes herrührt, das den Körper des leitenden Materials (2; 20, 21) vollständig durchdrungen hat, wobei das Erfassen zu einem Zeitpunkt (g), nach dem eine Abnahme der Dicke des leitenden Materials zu einem Anstieg der in der Abtastspule induzierten Spannung führt, und das Erfassen zu einem Zeitpunkt (h) endet, nach dem eine Abnahme der Dicke des leitenden Materials zu einer Abnahme der induzierten Spannung führt, und Vergleichen der erfaßten Spannungen mit Referenzwerten, um die Dicke des Körpers des leitenden Materials zu bestimmen, Verwenden des Abstandes und der Leitfähigkeit, die aus den induzierten Spannungen während der sehr kurzen Anfangs Zeitspanne (b-d) und der zweiten Zeitspanne (d-f) herrührt, um die Abhängigkeit vom Abstand und der Leitfähigkeit zu eliminieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Integrieren der erfaßten Spannung, die durch das Abklingen des Magnetfeldes, das den Körper (2; 20, 21) des leitenden Materials vollständig durchdrungen hat, induziert wurde und Vergleichen des Integralwertes mit Referenzwerten, um die Dicke des leitenden Materials zu bestimmen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch getrenntes Erfassen der induzierten Spannung während zweier aufeinander folgender Zeitspannen, die beidseitig zum Endpunkt (h) der Erfassungsspanne nach Anspruch 7 liegen, und Vergleichen dieser Spannungen während der Bestimmung der Dicke des Körpers des leitenden Materials.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Benutzen der Erregerwicklung als Spannungsabtastspule.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Unterschiede in der Größe eines gegebenen Parameters an mehreren voneinander unterschiedlichen Meßpunkten, gekennzeichnet durch Benutzen einer Mehrzahl von einander identischen in Reihe geschalteten Spulen (10, 11; 71, 73), um sowohl das Magnetfeld zu erzeugen als auch das spätere Abklingen dieses Feldes zu erfassen; durch Versorgen aller Spulen mit demselben Konstantstrom; und durch Erfassen der Unterschiede zwischen den in den Spulen induzierten Spannungen.