DE69618623T2

DE69618623T2 - Induktive vorrichtung zur bestimmung der lage und der abmessungen von messobjekten aus elektrisch leitfähigem material

Info

Publication number: DE69618623T2
Application number: DE69618623T
Authority: DE
Inventors: Sten Linder
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: US6188217B1; SE9503584L; EP0876581A1; SE505763C2; EP0876581B1; SE9503584D0; ES2168513T3; DE69618623D1; ATE209333T1; WO1997014014A1; JPH11513497A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf elektromagnetischer Induktion beruhende Meßvorrichtung zur kontaktlosen Erfassung der Abmessungen von Rohren, Stangen, Trägern, etc. aus elektrisch leitfähigem Material. Die Erfindung kann auch für Messungen an Produkten genutzt werden, die aus Graphit, elektrisch leitfähiger Keramik oder ähnlichem hergestellt sind.
Die Meßvorrichtung kann bei der Herstellung der vorstehend erwähnten Produkte für eine ununterbrochene Überwachung während des Herstellungsverfahrens in geeigneter Weise verwendet werden. Die Meßvorrichtung kann ebenfalls Teil eines Sensors in einer Vorrichtung zur Steuerung der Endabmessung gewalzter Produkte sein. Dies führt zu einer Verringerung der Ausschußrate, etc..
Die Meßvorrichtung basiert auf dem, in der Anmeldung "Inductive measurement of measures and positions of objects of electrically conductive material" EP-A-0 876 580 beschriebenen Meßprinzip, welche gleichzeitig hiermit eingereicht wurde.
Ein bekanntes Verfahren zur kontaktlosen Messung der Lagen und verschiedener Abmessungen bzw. Maße, derart wie Höhe und Breite von Rohren, Stangen, Trägern oder derartigen Produkten, ist die Verwendung optischer Verfahren, die auf Schattierung oder Spiegelung von Strahlen oder auf einer Auswertung von Bildern, die mit einer Videokamera aufgenommen wurden, beruhen.
Die Umgebung bei vielen Herstellungsverfahren, die vor allem Verschmutzung und häufig hohe Temperaturen mit sich bringt, verschlechtert die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit einer derartigen Vorrichtung.
Es ist vorbekannt die Abmessungen und Lage eines elektrisch leitfähigen Meßgegenstandes mittels induktiver Verfahren zu messen. In diesem Fall wird eine Sendespule verwendet, die ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, das Ströme in dem leitfähigen Meßgegenstand induziert. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld, welches wiederum eine Spannung in einer Empfängerspule induziert, wobei diese Spannung unter anderem von der Form, der Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des Meßgegenstandes, ebenso wie von den geometrischen Bedingungen abhängig ist. Unter bestimmten Bedingungen können aus dieser Spannung geometrische Abmessungen, derart wie Abstand und Lage des Meßgegenstandes berechnet werden. Zur Erzeugung eines zeitlich variierenden Magnetfeldes können sinusförmige Ströme in der Sendespule verwendet werden, wie in der US 4475083 beschrieben, oder ein konstanter Strom kann verwendet werden, der plötzlich unterbrochen wird, derart wie in der US 5059902 beschrieben. Das letztere Verfahren ist unter messtechnischen Gesichtspunkten robuster und erleichtert die Trennung verschiedener Eigenschaften des Meßgegenstandes. Ein Problem dieser Meßvorrichtungen ist jedoch die Erfassung bzw. Bestimmung der Abmessungen des Meßgegenstandes, wenn dessen Lage verändert wird.
Die US 5270646 offenbart ein Verfahren zur Anordnung von Spulen, um eine Messung der Breite eines Streifens zu erhalten. Jedoch kann die Technik nur für einen Streifen mit relativ begrenzter Breite genutzt werden. Ferner wird für eine korrekte Wirkungsweise vorausgesetzt, daß der Rand des Streifens im wesentlichen eben ist. Bei vielen Anwendungen, hauptsächlich wenn große Abstände zwischen dem Streifen und den Meßspulen vorliegen, ist die Genauigkeit nicht ausreichend, was durch Schwierigkeiten bei der korrekten Kompensation der Abstandsvariationen bedingt wird.
Vorrichtungen des Stands der Technik zur induktiven Messung des Abstands, der Dicke und der Abmessungen, welche hiervon abgeleitet wurden, elektrisch leitfähiger Gegenstände weisen als Gemeinsamkeit auf, daß die Sende- und Empfängerspulen mit derselben Symmetrieachse angeordnet sind oder auf verschiedenen Seiten des Meßgegenstandes angeordnet sind. Ebenfalls tritt auf, daß die selbe Spule als Sende- und Empfängerspule genutzt wird. Das Magnetfeld, das von der Sendespule erzeugt wird, wird dann im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßgegenstandes an dem Meßpunkt verlaufen oder weist zumindest eine große Komponente zur Oberfläche des Meßgegenstandes hin auf. Dies hat in dem Meßgegenstand Ströme und Magnetfelder in unterschiedlichen Tiefen zur Folge, die zu dem Meßsignal beitragen, welches somit sowohl materialabhängig, als auch abhängig von der Dicke und Form des Meßgegenstandes in einem relativ großen Bereich um den Ort bzw. die Anordnung ist, an dem die Messung stattfindet.
Die Erfindung umfaßt eine U-förmige Struktur, auf die im folgenden als "U-Sensor" Bezug genommen wird, mit zwei Schenkeln und einem dazwischen angeordneten Halteteil. Während einer Messung wird der Meßgegenstand soweit als möglich zentral in der inneren Öffnung des U-Sensors angeordnet. Das Meßprinzip basiert darauf, daß mindestens eine Sendespule und eine Empfängerspule in dem U-Sensor befestigt sind. Diese sind in einer derartigen Weise in Bezug zueinander anzuordnen, daß das durch die Sendespule erzeugte Magnetfeld im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Meßgegenstands an einem vorgestellten bzw. konzipierten Meßbereich ist. Die Empfängerspule wird derart angeordnet, daß eine vorgestellte Feldlinie, die von der Sendespule ausgeht, den Meßbereich an einem Meßpunkt berührt und daß die Feldlinie in ihrer Ausdehnung die Empfängerspule erreicht. Dies wird durch eine im wesentlichen symmetrische Anordnung der Spulen in Bezug auf den fraglichen Meßpunkt erreicht, wobei die Sendespule, der Meßpunkt und die Empfängerspule soweit als möglich auf ein und demselben Kreisbogen liegen und wobei der Kreisbogen in Bezug auf den Meßbereich nach außen gekrümmt ist.
In der US 5059902 wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Versorgung einer Sendespule beschrieben. Sie beschreibt die Versorgung mit einem konstanten Strom, welcher eine ausreichende Dauer aufweist, daß das Magnetfeld als quasi-statisch betrachtet werden kann.
Die Spannung, die in der Empfängerspule als Funktion der Zeit induziert wird, nachdem der konstante Strom in der Sendespule zu einer Zeit t1 unterbrochen worden ist, umfaßt
- einen kurzen Spannungspuls S1, der bis zu einer Zeit t2 schnell abnimmt und der von dem schnell abnehmenden Magnetfeld in der Luft zwischen den Spulen und dem Meßgegenstand induziert wird, und
- einen Spannungspuls S2, der von der Zeit t2 an erheblich langsamer abnimmt und der in Zusammenhang mit dem Magnetfeld in dem Meßgegenstand steht, das aufgrund des Skineffekts (Stromdiffusion) langsam abnimmt.
Auf Basis der vorstehend erwähnten, symmetrischen Anordnung der Spulen in Bezug auf den Meßbereich und der Anordnung der Spulen und des Meßpunkts auf demselben vorstehend erwähnten Kreisbogen, kann die Lage des Meßbereichs auf einer verlängerten Linie zwischen dem Zentrum des Kreisbogens und dem Meßpunkt erfaßt werden. Die Lage oder der Abstand von einem festgelegten Referenzpunkt auf der Linie, beispielsweise vom Zentrum des Bogens, wird als eine Linearkombination des Integrals des Spannungspulses S1 zwischen t1 und t2 und des Integrals des Spannungspulses S2 zwischen t2 und t3 erfaßt bzw. bestimmt, wobei t3 wie folgt bestimmt ist:
M = a· S1·dt = b· S2·dt
Die Zeit t3 wird vorzugsweise derart gewählt, daß t3 - t2 in der gleichen Größenordnung wie die Zeitdifferenz t2 - t1 ist und wobei nach Eichung mit Meßgegenständen, die aus Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sind, die Koeffizienten a und b derart gewählt sind, daß der Unterschied in M zwischen den Materialien so gering wie möglich wird. Wenn die Zeitdifferenz t3 - t2 gleich 2 (t2 - t1) gewählt wird, werden a und b im wesentlichen gleich sein und es besteht kein Bedarf eine Eichung gemäß dem Vorstehenden durchzuführen.
Um in der Lage zu sein, mehrere, unterschiedliche Abmessungen des Meßgegenstandes, beispielsweise Höhe und Breite, zu messen, werden mehrere zugeordnete Sende- und Empfängerspulen erfindungsgemäß um den Meßgegenstand herum angeordnet. Der Zufuhrstrom der Sendespulen wird dann normalerweise zu verschiedenen Zeiten unterbrochen, damit keine gegenseitige Beeinflussung erfolgt.
Ein Vorteil eines erfindungsgemäßen Sensors ist, daß er auf Abweichungen von der zentralen Anordnung des Meßgegenstands gemäß dem Vorstehenden nicht besonders empfindlich ist. Dies bedeutet, daß der Sensor relevante Abmessungen der Änderung der Lage des Meßbereichs bereitstellt, wenn die Änderung kleiner als 10-30% des Abstands zwischen dem Meßbereich und irgendeiner der Spulen ist.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen U-Sensors.
Fig. 2 zeigt die in einer Empfängerspule induzierte Spannung, wenn die Zufuhrspannung der Sendespule unterbrochen wird.
Fig. 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsformen des U-Sensors.
Fig. 5 zeigt die, in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Einheiten im Prinzip.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen U-Sensors wird in Fig. 1 gezeigt, welche die zwei Schenkel 1 und 2 des U-Sensors, ebenso wie ein dazwischen angeordnetes Halteteil 3 zeigt. Wie erwähnt wird der Meßgegenstand 4 soweit als möglich zentral in der inneren Öffnung des U-Sensors angeordnet und mit der bevorzugten Ausführungsform wird beabsichtigt die vier Abmessungen oder Abstände des Meßgegenstands in Bezug auf gegebene Referenzen zu erfassen.
Ausgehend von einem, in der inneren Öffnung des Sensors zentral angeordnetem x-y Koordinatensystem entsprechen zwei der Abmessungen den oberen, MÖ, beziehungsweise den unteren, MU, y-Koordinaten des Meßgegenstands für den jeweiligen Meßbereich. In einer entsprechenden Weise entsprechen die zwei anderen Meßbereiche den linken, MV, beziehungsweise den rechten, MH, x-Koordinaten des Meßgegenstands. Aus diesen vier Abmessungen kann die Lage des Meßgegenstands in der Öffnung, ebenso wie dessen Breite und Höhe berechnet werden.
Die zugeordnete Sendespule 5, die ein tangentiales Feld 5a zu dem Meßgegenstand erzeugt, und eine Empfängerspule 6 müssen sich in dem Schenkel 1 befinden, um den Meßbereich abdecken und die Abmessung MV erfassen zu können. In entsprechender Weise müssen sich die zugeordnete Sendespule 7, die ein tangentiales Feld 7a zu dem Meßgegenstand erzeugt, und die Empfängerspule 8 zur Erfassung von MH in dem Schenkel 2 befinden.
Die zugeordnete Sendespule 9 muß in dem Schenkel 1 und die Empfängerspule 10 in Schenkel 2 sein, um ein tangentiales Magnetfeld 9a zu dem Meßgegenstand zur Erfassung von MÖ erzielen zu können. Das Entsprechende gilt für die Erfassung von MU, wobei die Sendespule 11, die ein tangentiales Feld 11a zu dem Meßgegenstand erzeugt und die Empfängerspule 12 jeweils in einem jeweiligen Schenkel angeordnet sein müssen.
Im Prinzip ist es nicht von Bedeutung, welche der zugeordneten Spulen als Sende- oder als Empfängerspule arbeitet. Aus einem rein praktischen Gesichtspunkt können die Messungen der verschiedenen Abmessungen in mehreren verschiedenen Weisen durchgeführt werden. Eine allgemeine Anforderung ist jedoch, daß eine ganze Meßsequenz in einer derart kurzen Zeit ausgeführt werden muß, daß nicht angenommen werden kann, daß eine Lageveränderung des Meßgegenstands in der Öffnung des U-Sensors während der Meßsequenz erfolgt ist. Die Meßsequenz kann derart angepaßt werden, daß ein Erfassen der, in den Empfängerspulen induzierten Spannung für jede Spule in Folge nacheinander durchgeführt wird. Ein anderes Verfahren innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung ist, daß die Zufuhrströme für zwei Sendespulen, beispielsweise zur Erfassung von MÖ und MU gleichzeitig unterbrochen werden und daß eine Messung der induzierten Spannung in den jeweiligen Empfängerspulen gleichzeitig durchgeführt wird.
Die Bewertung der verschieden Abmessungen wird gemäß dem in der Zusammenfassung der Erfindung beschriebenen Verfahren durchgeführt. Fig. 2 zeigt die in einer Empfängerspule induzierte Spannung, die aus den Spannungspulsen S1 und S2 besteht.
Bei einem Zugang zu den Abmessungen MV und MH gemäß Fig. 1, beispielsweise basierend auf dem Zentrum c1 von diesem Kreisbogen 56, der in Bezug zu den Spulen 5, 6 und dem Meßbereich MV steht und auf dem Zentrum c2 von diesem Kreisbogen 78, der in Bezug zu den Spulen 7, 8 und MH steht, als Referenzpunkten, und zu dem Abstand A zwischen diesen Zentren, so kann die Breite D1 der Meßgegenstände gemäß
D1 = A - (MV + MH)
erfaßt werden.
Auf der Basis gegebener Referenzpunkte für MÖ und MU und des Abstands zwischen diesen, kann ebenfalls die Höhe D2 des Meßgegenstands in einer entsprechenden Weise erfaßt werden.
Die seitliche Lage des Meßgegenstands in Bezug auf den Mittelpunkt auf der Linie zwischen den gegebenen Referenzpunkten kann folglich erfaßt werden als
SL = MV - MH
und in einer entsprechenden Weise kann ebenfalls die vertikale Lage HL erfaßt werden.
Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung können hinsichtlich der Anzahl der Sendespulen, der Empfängerspulen und deren wechselseitiger Anordnung mehrere unterschiedliche Ausführungsformen verwendet werden. Beispiele hierfür sind in der EP-A-876 580 "Inductive measurement of measures and positions of objects of electrically conductive material" beschrieben, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde.
Eine Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann in geeigneter Weise verwendet werden, falls erwünscht ist, mehr Information über die Gestalt des Meßgegenstands zu erhalten, als das, was von dem U-Sensor gemäß Fig. 1 abgelesen werden kann. Hier werden die Empfängerspulen 6 und 8 gemäß Fig. 1 durch zwei benachbarte Spulen 6a, 6b beziehungsweise 8a, 8b ersetzt, die auf jeweiligen Seiten der jeweiligen Kreisbögen angeordnet sind. In einer entsprechenden Weise, werden die Empfängerspulen 10 und 12 durch die benachbarten Spulen 10a, 10b beziehungsweise 12a, 12b ersetzt. Die Zentrumslinien der Spulen verlaufen im wesentlichen parallel zueinander und parallel zu den vorstehend erwähnten Symmetrielinien. Die Summe der in den Empfängerspulen 6a und 6b induzierten Spannungen stellt Information über die Abmessung MV bereit, in gleicher Weise wie die Empfängerspule 6 gemäß Fig. 1. In einer entsprechenden Weise stellt
- die Summe, der in den Empfängerspulen 8a und 8b induzierten Spannungen Information über die Abmessung MÖ bereit, und
- die Summe, der in den Empfängerspulen 10a und 10b induzierten Spannungen Information über die Abmessung MH bereit, und
- die Summe, der in den Empfängerspulen 12a und 12b induzierten Spannungen Information über die Abmessung MU bereit.
Der Vorteil der geteilten Empfängerspulen ist, daß durch Untersuchung der Beziehung zwischen der, in den Empfängerspulen 6a, 6b beziehungsweise 8a, 8b, 10a, 10b beziehungsweise 12a, 12b induzierten Spannung, eine Abmessung der Gestalt des Meßgegenstands erhalten werden kann.
Wenn der Meßgegenstand eine begrenzte Exzentrizität aufweist, so kann eine Ausführungsform gemäß Fig. 4 verwendet werden. Eine Sendespule 5 erzeugt ein Magnetfeld, das Feldlinien bereitstellt, die zu beiden, den Abmessungen MV und MU entsprechenden Meßbereichen parallel verlaufen. Dies bedeutet, daß Spannungen in der Empfängerspule 6 und einer Empfängerspule 13 induziert werden, wenn der Zufuhrstrom zu der Sendespule unterbrochen wird. In entsprechender Weise erzeugt eine Sendespule 14 Feldlinien, die zu beiden, den Abmessungen MH und MÖ entsprechenden Meßbereichen, parallel verlaufen. Eine Spannung wird dann in den selben Empfängerspulen 6 und 13 induziert, wenn der Zufuhrstrom in der Sendespule 14 unterbrochen wird.
Ein Meßverfahren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches umfaßt Erzeugung eines Zufuhrstroms zu den Sendespulen, Messung und Bewertung der, in den Empfängerspulen induzierten Spannung, wird durch herkömmliche Verfahren ausgeführt, wobei es sich um Analog-, Digital- oder eine Kombination von Digital- und Analogtechnik handeln kann. Beispielsweise wird die Erzeugung des Zufuhrstroms und die Integration der induzierten Spannungen ausgeführt, indem Analog-Elektronik verwendet wird, während die Bewertung der integrierten Signale in Bezug auf die Abmessungen und Lage des Meßgegenstands mit der Hilfe von Digitaltechnik in einem Mikroprozessor durchgeführt wird. Folglich sind, damit eine erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert, im Prinzip, gemäß Fig. 5, zusätzlich zu Sende- und Empfängerspulen, eine Magnetisierungseinheit 15 zur Magnetisierung der Sendespule und eine Berechnungseinheit 16 erforderlich.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material, welche umfaßt, mindestens ein Paar zugeordneter Spulen, bestehend aus einer Sendespule (5, 7, 9, 11) zur Erzeugung eines zeitlich variierenden Magnetfelds am Gegenstand (1) und einer Empfängerspule (6, 8, 10, 12), in der eine Spannung induziert wird, die abhängig ist von der Anordnung der Sendespule, der Empfängerspule und eines zu messenden Bereichs (MV, MH, MÖ, MU) des Gegenstands (1), jeweils in Bezug zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine U-förmige Struktur mit zwei Schenkeln (1, 2) und einem dazwischen angeordneten Halteteil (3) umfaßt, und daß die Sende- und Empfängerspulen an den Schenkeln der U-förmigen Struktur befestigt sind, und daß der zu messende Gegenstand (I) dafür vorgesehen ist, zentral in der Öffnung der U-förmigen Struktur angeordnet zu werden, wobei die Sende- und Empfängerspulen derart angeordnet werden, daß das Magnetfeld im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes (1) verläuft.

2. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine integrierte Magnetisierungseinheit (15) umfaßt, die in die Sendespule einen konstanten Strom von einer derartigen Dauer liefert, daß das Magnetfeld als quasi-stationär angesehen werden kann, und daß das zeitlich variierende Magnetfeld auftritt, wenn der konstante Strom unterbrochen wird.

3. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule in der U- förmigen Struktur derart angeordnet ist, daß durch die Sendespule erzeugte Feldlinien (5a, 7a, 9a, 11a) sich parallel mit dem zu messenden Bereich (MV, MH, MÖ, MU) des Meß- Gegenstands (1) erstrecken.

4. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule eines zugeordneten Paars von Spulen derart in der U-förmigen Struktur angeordnet ist, daß die sich mit dem zu messenden Bereich parallel erstreckenden und durch die Sendespule erzeugten Feldlinien die Empfängerspule durchdringen.

5. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zugeordneten Paar von Spulen die Sendespule und die Empfängerspule in einer im wesentlichen symmetrischen Weise auf verschiedenen Seiten einer, sich senkrecht aus dem zu messenden Bereich erstreckenden Symmetrielinie (x, y) angeordnet sind, und daß die Sendespule, der zu messende Bereich und die Empfängerspule im wesentlichen auf ein und demselben Kreisbogen (56, 78) angeordnet sind, der von dem zu messenden Bereich nach außen hingewandt ist, wobei das Zentrum (c1, c2) auf der Symmetrielinie liegt.

6. Vorrichtung zur Erfassung der Abmessungen und Lage eines Gegenstands (1) aus elektrisch leitfähigem Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine integrierte Berechnungseinheit (16) umfaßt, welche die in der Empfängerspule induzierte Spannung, in Verbindung mit dem Strom in der Sendespule, der zu der Zeit t1 unterbrochen wird, als Eingabesignal erhält, wobei die Spannung aus einem Spannungspuls S1 für eine Zeit t1-t2 und einem langsam abnehmenden Spannungspuls S2 besteht, der zur Zeit t2 startet, und daß die Berechnungseinheit angepaßt ist, um ein Maß M der Lage des Gegenstands (1) auf einer Symmetrielinie (x, y) senkrecht zu dem zu messenden Bereich (5) des Gegenstandes (1) gemäß

M = a· S1·dt = b· S2·dt

zu berechnen.