JP2004117361A - 管圧延機における管の壁厚測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

　　【課題】レーザー超音波方式を使用した、管圧延機における管の壁厚測定方法および装置において、圧延機の厳しい環境条件のもとでも、また測定対象物で繰り返される反射条件のもとでも、管壁厚の安定した確実な検出を保証できるようにする。
　　【解決手段】方法においては、ミラー（６，７）を所定の間隔（ａ）で安定に制御するため、フォトダイオード（９）によって測定した信号を、管（１）の製造プロセスに由来する信号（１１）および／または反射した超音波信号の測定プロセスに由来する信号（１１）に依存して変化させて制御器（１０）に供給する。フォトダイオード（９）は増幅器（１５）と接続しており、フォトダイオード（９）によって測定した信号の変化を、増幅器（１５）の増幅値を変化させることによって行なう。
　　【選択図】図１

Description

　本発明は、励起レーザーにより管の表面に超音波インパルスを与え、管の表面で反射した超音波信号を照射レーザーと干渉計とを用いて検出し、次の評価ユニットで評価するようにした、レーザー超音波方式を使用して管圧延機において管の壁厚を測定する方法であって、干渉計が２つのミラーを有し、これらミラーがリニアアクチュエータにより互いに相対的に所定の間隔で位置決め可能であり、ミラーの前記間隔を制御するため、フォトダイオードがミラーを透過した光を測定し、且つフォトダイオードによって測定された信号を、リニアアクチュエータに作用する制御器へ直接または間接的に送るようにした前記方法、およびこの方法を実施するための装置に関するものである。

　技術の多くの分野では、鋼から成る管が必要であり、この種の管を製造することのできる方法としては、たとえば、筒状に成形した母材を、軸線方向に位置固定した穿孔機を使用してクロスオーバー圧延機で成形して管状の中空ブロックを形成させるような方法がある。筒状に成形した母材を継ぎ目なしの管に成形するため、母材を穿孔機を介して圧延する。この種の方法はたとえば特許文献１から知られている。

　継ぎ目なしの鋼管をストレッチ圧延する場合、および絞り圧延、サイジング圧延する場合、加工対象である管をして、管の搬送方向に直列に複数個の圧延スタンドが配置されている圧延機を通過させる。それぞれの圧延スタンドにはロールが支持されており、これらのロールは圧延過程で管のそれぞれ所定の周部分と接触する。個々の圧延スタンドでは、管がほぼその全周にわたってロールと接触するように複数個の（たとえば３個の）ロールが協働する。したがって管は圧延されて縮径し、その際正確な形状へもたらされる。

　管は圧延後理想的な形状を持つ必要がある。すなわち、外周の筒状輪郭と内周の筒状輪郭とは２つの同心の円を形成する必要がある。しかし実際には常に完成管には公差があるため、外周の円形輪郭に対し内周の円形輪郭はある程度偏心している。

　管を製造する際の重要な品質パラメータは壁厚であり、壁厚は製造プロセスで測定され、監視される。管の壁厚を測定するために、超音波測定方法が知られている。インパルス・エコー方式による超音波壁厚測定法は、超音波インパルスの作動時間を測定することで壁厚を検出する。

　この場合、たとえば特許文献２および特許文献３に記載されているような方法では、励起レーザーを使用する。励起レーザーは管の表面に超音波インパルスを入射させる。超音波インパルスは管の溝の方向に伝播し、内壁で反射する。外壁表面で戻ってくる信号は、照射レーザーを管表面に対し指向させることにより検知される。反射した信号は干渉計に送られ、この場合共焦点のファブリ・ペロー干渉計が使用される。評価ユニットは、入射した超音波信号と反射した超音波信号との時間間隔、或いは発生したエコー列の２つのエコーの時間間隔を検出し、これから、管内での音速は既知なので、壁厚を算出することができる。

　ファブリ・ペロー干渉計は２つのミラーを有しており、これらのミラーは圧電型リニアアクチュエータを用いて互いに相対的に所定の間隔で位置決めされる。この場合重要なことは、両ミラーの間隔を正確に（ナノメータの範囲で）調整して、確実な測定を行なえるようにすることである（これは、光の強度と周波数との関係を示す曲線の「急傾斜」部分で行なう必要がある）。このため、前記特許文献２の公知の解決法によれば、２つのフォトダイオードを用いて、干渉計に入射した光と干渉計を透過した光とが測定され、両光の強度の比率を基にして、閉じた制御回路内の前記圧電型リニアアクチュエータを付勢させる。

　しかしながら、この方法によれば、管圧延機の厳しい環境条件では、管の壁厚の確実な測定を行えないことが明らかになった。また、ファブリ・ペロー干渉計だけでは安定に作動するには十分でない。むしろ、制御装置の受光部分全体の改善が必要である。

欧州特許公開第０９４０１９３Ａ２号公報 米国特許第５１３７３６１号明細書 ＷＯ００／６３６４１

　本発明の課題は、レーザー超音波方式を使用した、管圧延機における管の壁厚測定方法および装置において、圧延機の厳しい環境条件のもとでも、また測定対象物で繰り返される反射条件のもとでも、管壁厚の安定した確実な検出を保証できるようにすることである。

　本発明は、上記課題を解決するため、方法によれば、ミラーを所定の間隔で安定に制御するため、フォトダイオードによって測定した信号を、管の製造プロセスに由来する信号および／または反射した超音波信号の測定プロセスに由来する信号に依存して変化させて制御器に供給すること、フォトダイオードが増幅器と接続しており、フォトダイオードによって測定した信号の変化を、増幅器の増幅値を変化させることによって行なうことを特徴とするものである。

　フォトダイオードによって発生して制御器に送られる信号の変化とは、干渉計の作動を不安定にさせる外乱の影響を受けないように信号を所定のアルゴリズムに従って変調させることである。

　有利には、フォトダイオードによって測定した信号を、干渉計に入射した光を測定する他のフォトダイオードの信号に依存して変化させて制御器にし、両フォトダイオードが、該フォトダイオードによって測定した信号を増幅させる増幅器とそれぞれ接続しており、増幅器の増幅値を、両フォトダイオードの少なくとも一方の信号に依存して、制御器を備えた他の制御回路において少なくとも１つの所定の基準入力量に従って制御するのがよい。

　このようにして、ミラーの適正な間隔を正確に調整することによって干渉計の最適な作動点が維持され、管表面の反射特性が変動してもこれは維持される。
　この場合、増幅器の増幅値を、制御回路に設けた第２のフォトダイオードの信号に依存して、所定の基準入力量に従って制御するのが有利である。

　他の有利な構成によれば、フォトダイオードによって測定した信号を、管で測定した温度に依存して変化させて制御器に（外乱として）供給する。
　増幅器の少なくとも一方の増幅値を外乱に依存して制御し、外乱が少なくとも１つの和形成器を介して少なくとも１つの増幅器に作用するのが有利である。この場合、外乱は管で測定した温度である。この温度は高温計を用いて測定することができる。

　優れた制御結果を得るためには、本発明の他の構成にしたがって、リニアアクチュエータに作用する制御器を高パワー制御器として構成するのが有利である。この場合特にＰＩＤ制御器が考えられる。増幅器に作用する制御器も高パワー制御器として構成されていてよい。したがって、増幅器に作用する制御器としてＰＩＤ制御器も可能である。また、増幅器に作用する制御器を緩速に作動させてもよい。この場合、この制御器をＰＩ制御器として構成するのが有利である。

　さらに、制御プロセスに必要な基準入力量を簡単に求めることができるように、本発明によれば、制御回路の少なくとも１つの基準入力量の検出を、制御作動を開始する前に機能経過を段階的にスキャンすることにより行う。

　干渉計としては、特にファブリ・ペロー干渉計が優れている。リニアアクチュエータとしては少なくとも１つの圧電運動要素を使用する。これにより高精度の位置決めを行なえるからである。制御装置を効率的に構成するため、増幅器が対数特性曲線を備えているのが有利である。使用する制御器をデジタル制御器として構成するのが有利である。デジタル制御器では、差分方程式によって制御アルゴリズムが形成される。

　本発明に従って提案された制御技術的処置に加えて、干渉計を空気伝播音振動または固体伝播音振動から保護する処置をもとると、特に有利である。
　上記方法を実施するための装置は、励起レーザーと照射レーザーと干渉計と下流側の評価ユニットとを備えたレーザー超音波測定装置を有し、この場合干渉計は、リニアアクチュエータにより互いに相対的に所定の間隔で位置決め可能な２つのミラーを有し、さらに、ミラーの間隔を制御するための制御装置であって、ミラーを透過した光を測定するフォトダイオードと、フォトダイオードから送られてくる信号に基づいてリニアアクチュエータに作用する制御器とを備えた前記制御装置が設けられている。この場合、本発明は、管の製造プロセスから送られてくる信号を検知して制御器に送る手段が設けられ、該手段が管に支配的な温度を測定するための高温計であることを特徴としている。

　干渉計の安定な作動点を確保するため、本発明によれば、干渉計に入射した光を測定する他のフォトダイオードが設けられていること、両フォトダイオードが、該フォトダイオードによって測定した信号を増幅させる増幅器とそれぞれ接続していること、増幅器の増幅値を、フォトダイオードの信号に依存して制御器により所定の値に制御する制御回路が設けられている。

　この構成に加えて、またはこの構成の代わりに、管表面の変化する反射特性を検出するため、管に支配的な温度を検出する高温計を利用してもよい。

　増幅器が、外乱量を増幅器に割り込ませるための和形成器と接続しているのが有利である。さらに、制御器が管に支配的な温度を検出する高温計と接続していてもよい。

　増幅器は対数特性曲線を有していてよい。

　さらに、特に効率的な制御を可能にするため、他の構成によれば、両フォトダイオードによって測定した信号の差を決定して、その差を制御器に供給する差形成器が設けられている。

　固定伝播音振動および／または空気伝播音振動に対し干渉計を最適に保護できるよう保証するため、他の構成によれば、干渉計は緩衝性の担持体上に配置されている。担持体の下面には特殊な防振足または緩衝要素が配置されている（この場合、特に、ＨｉＦｉ技術から知られているストリング技術を使用してもよい）。さらに、干渉計は、緩衝のために、少なくとも十分にすべての側で閉じている容器内に配置されていてよい。容器は木から成っているのが有利である。

　容器はその内面に板状の緩衝要素を備えていてよい。緩衝要素は中程度密度の繊維から成っているのが有利である。最後に、板状の緩衝要素と容器の内面との間に発泡物質が配置されていると、干渉挙動は最適になる。

　総じて、本発明によれば、管圧延機において管の壁厚を測定するための測定装置は高度な安定性を特徴としているので、圧延機の厳しい環境条件下でも、測定品質に対する外乱のネガティブな影響がなくなる。本発明による測定装置はその構成を比較的簡単に変更可能であるので、測定装置を低コストに製造できる。

　次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
　まず、ファブリ・ペロー干渉計を使用して、レーザー超音波方法により管の壁厚を測定する方法の原理を簡単に述べておく。

　図５はこの種の測定原理の概略図である。圧延した管１の壁厚Ｄを測定するものとする。使用するレーザー超音波壁厚測定装置２０は、古典的な超音波作用時間測定原理を考慮したものである。管１の材料内での音速ｃは既知であるので、超音波インパルスが管１の壁を２回通過する時間から、求める壁厚Ｄがわかる。ほぼ１０００℃範囲の温度Ｔで熱い壁の壁厚を測定する際の超音波のカップリングには、測定ヘッド自身が管１に対し熱的に安定な間隔で留まることができるような無接触光学的方法が励起側にも検出側にも必要である。

　赤外線範囲の高エネルギー光パルスは管表面で吸収される。この種の光パルスは、たとえば管壁のほうへ指向するフラッシュランプポンピング型Nd : YAGレーザー２（励起レーザー）で発生させる。Nd : YAGレーザー２は、１０ｎｓ以下のパルス時間で１０６４ｎｍの波長を持つことができる。レーザー２から管表面にもたらされるエネルギーは管壁によって吸収され、一部は非常に薄い表面層を蒸発させる（ｎｍ範囲の材料融蝕）。蒸発インパルスにより管１はインパルスを受けるので、管１内には、管表面に対し垂直に管壁内へ伝播する超音波インパルスが発生する。超音波インパルスは管内表面で反射して管外表面へ戻り、新たに反射するなどして、管壁内には、振幅が減少した超音波エコー列が生じる。

　反射した超音波インパルスは、管外表面に（超微小範囲に）振動を生じさせる。この振動は第２のレーザー３（照射レーザー）によりドップラー効果を利用して無接触に検出することができる。このレーザー３はＣＷ−レーザー(Continuous Wave Laser)であり、たとえば周波数が２倍のダイオードポンピング型Nd : YAGレーザーであり、５３２ｎｍの波長で作動し、励起の点に指向している。光の周波数に比べて低振動数の超音波振動により、材料表面で反射した光の周波数変調が生じる。

　反射した光円錐（いまや超音波信号の「キャリア」である）は、パワー大の集光レンズと光導波路２７とを介して光分析器、すなわち復調器に送られる。この場合共焦点のファブリ・ペロー干渉計４を使用する。その出力信号にはすでに超音波エコー列が含まれている。

　超音波エコー列のその後の増幅、濾波、信号評価は通常の電子評価ユニットを用いて行なうことができる。電子評価ユニットの出力信号は、音速ｃと測定した時間インターバルとの積から決定される管１の壁厚Ｄを表わしている。

　ファブリ・ペロー干渉計４（その概略を図４に図示した）では、光導波路２７によって供給される光が分析される。光の周波数ｆから、共振の結果、図６に概略的に図示したような強度分布が生じる。壁厚測定にとって最適な作動点Ａは、測定を強度曲線の「急傾斜部分」で行うときに得られる。このためには、光に対し半透過性に構成されている、干渉計４の両ミラー６と７（図４を参照）を、互いに所定の間隔ａで位置決めしなければならない。図６からわかるように、強度目標値として、最大強度Ｉ_ｍａｘの半分の値を採用することができる。というのは、この値だと、強度曲線の勾配が最も急傾斜になるからである。この作動点Ａを維持し、よって干渉計の共振条件を永久的に満たすためには、両ミラー６，７をナノメータの範囲で互いに正確に位置決めする必要がある。これを実現するため、圧電性結晶の形態のリニアアクチュエータ８を使用する。このリニアアクチュエータ８を用いて正確な間隔設定が可能である。

　図１は、圧延機において管壁厚を測定するための装置の概略構成図であり、特に制御技術に係わる装置が図示してある。管１は圧延機の圧延材排出側を通過するように矢印方向に搬送される。この個所で、図５に図示した原理に従って壁厚測定を行なう。励起レーザー２は管１の表面に超音波インパルスを生じさせ、その反射インパルスが照射レーザー３によって受容され、光導波路２７を介してファブリ・ペロー干渉計４へ送られる。この干渉計４の両ミラー６と７は所定の間隔ａで配置され、間隔ａは圧電性位置調整要素の形態のリニアアクチュエータ８を介して調整される。干渉計４の出力信号は評価ユニット５で評価され、すなわち評価ユニット５において、放出された超音波インパルスと反射した超音波インパルスとの作用時間差から、或いは、発生したエコー列の２つのエコーの時間間隔から、管１の壁厚Ｄが決定される。

　壁厚測定装置を作動させる前に、図６からわかるように、まず強度スペクトルＩと光の周波数ｆとの関係を記録する。これにより最大強度スペクトルＩ_ｍａｘとその半値とが求められるので、作動点Ａにおける強度Ｉが確定する。

　この値は、図１に概略的に示した制御装置２１で目標値として設定される（目標値設定部２８は基準入力値Ｆ_Ｔを設定する）。制御装置２１は制御器１０を有しており、制御器１０はＰＩＤ制御器として実施されている。制御器１０はリニアアクチュエータ８を制御し、リニアアクチュエータ８は両ミラー６と７を所定の間隔ａで位置決めする。干渉計４を通過した光はフォトダイオード９によって測定される。フォトダイオード９は増幅器１５と接続している。フォトダイオード９によって測定された信号は低域フィルタ２９を介して差形成器３２に達し、よってフィードバック信号として制御装置２１に達する。差形成器３２は所定の基準入力値Ｆ_Ｔからこの信号を差し引いて、その差を制御器１０へ送る。

　測定装置全体が外乱の影響を比較的受けないので、適当な制御アルゴリズムを使用すると、ファブリ・ペロー干渉計４は安定な作動点Ａ（図６を参照）で保持される。

　フォトダイオード９によって測定された光信号は電気信号に変換されて、高域フィルタ３３を介して評価ユニット５へ送られる。

　ビームスプリッター３４は、光導波路２７によって伝送されてきた光の一部を第２のフォトダイオード１３へ誘導する。第２のフォトダイオード１３は増幅器１４と接続している。フォトダイオード９の増幅器１５もフォトダイオード１３の増幅器１４もそれぞれの増幅値Ｖ_Ｄ１またはＶ_Ｄ２に関し調整可能である。これら増幅値を制御するため、増幅器１４と１５は、閉じた制御回路１６に設けた制御器１７と接続している。閉じた制御回路１６には予め基準入力値Ｆ_Ｒが与えらる。この基準入力値Ｆ_Ｒは制御器１７に達する。制御器１７は高速作動するハイダイナミックＰＩＤ制御器として実施されている。制御器１７の前にして増幅器１４または１５の後には和形成器３７または３８が設けられている。この和形成器３７または３８を介して外乱量ｚを供給することができる。外乱量とは、レーザー超音波測定装置の測定部位における管１の温度Ｔである。温度Ｔは図示していない高温計を介して（たとえば単色高温計または二色高温計（商高温計）を介して）測定できる。

　制御器１７は増幅器１４，１５に作用して、その増幅値Ｖ_Ｄ１またはＶ_Ｄ２を、総じて測定装置全体が安定な挙動を示すように調整する。制御器１７は低域フィルタ１２（エイリアシングフィルタ）と差形成器１８とを介してフォトダイオード１３の作用を受ける。差形成器１８で基準入力値Ｆ_Ｒから測定値を差し引く。

　管１で測定した温度を外乱量ｚとして割り込ませることができるので、図１の測定装置は、測定プロセスから送られてくる信号１１を、フォトダイオード９によって検出された信号を変化させて制御装置２１に、特に制御器１０に供給するための量として援用することに基づいている。

　すなわち図１の側定装置は、２つのループからなる制御回路として構成されており、第１の制御ループ２１において干渉計４が最適に設定され、第２の制御ループ１６において増幅器１４，１５の増幅値がフォトダイオード９，１３に追従せしめられるので、これらは最適な作動点Aにある。

　制御器１７が増幅器１４と１５を調整するので、制御装置２１に対するカップリングが行なわれる。すなわち両制御回路または制御装置１６と２１は、２つのカップリング制御ループであり、この場合制御装置２１はファブリ・ペロー干渉計４の付近で外乱を補正し、制御回路１６は異なった反射率に基づいて外乱を補正する。

　このような構成により、管表面の反射特性の相違によって生じる強度変動を補正することができる。

　壁厚測定装置を作動開始する前の基準入力量F（F_Ｔ，Ｆ_Ｒ）の検知は、「スキャンモード」で行うことができる。この場合周波数の変化を走査して、干渉計４内での強度を検出し、記憶する。これにより、最適な作動点Aに対し必要な半強度ピークの値F_Ｔが提供される。フォトダイオード１３を備えた制御回路１６に対する基準入力値Ｆ_Ｒは、干渉計４の前でデカップリングされる光強度の時間平均値である。

　製造プロセスから送られてくる信号１１は、高温計によって測定した管１の温度でもある。この場合高温計は、制御回路１６内の制御要素である低域フィルタ１２、第２のフォトダイオード１３、増幅器１４および／または差形成器１８に加えて、或いはこれらの制御要素に代えて使用することができる。すなわち管の温度、一般的にいえば外乱は、干渉計の両ミラーの正確な間隔制御を保証するために直接利用することができる。したがって、外乱はミラー間隔制御用の制御回路に直接送られるので、干渉計は最適な作動点で特に安定に作動する。

　図２は、本発明による壁厚測定装置の図１に対する変形実施形態である。図１の実施形態と異なるのは以下の配置構成である。光導波路２７からファブリ・ペロー干渉計４に供給される光信号は、ビームスプリッター３４によって分割される。すなわち光線の一部は干渉計４を透過するように送られ、残りの部分は第２のフォトダイオード１３へ送られる。第１のフォトダイオード９によって測定された信号を標準化するために使用される信号１１は、この実施形態でも測定プロセスから送られてくる信号から成っている。第２のフォトダイオード１３は測定した信号を低域フィルタ３１を介して演算要素３０へ送る。これはフォトダイオード９によって測定された信号の場合と同様である。演算要素３０では、第１および第２のフォトダイオード９と１３の入力信号をベースとして出力信号の演算を行なう。この出力信号は差形成器３２へ送られる。このように、フォトダイオード１３によって測定された光（参照光線）を用いて、干渉計を通過した光（フォトダイオード９で測定した光）の強度の標準化を行なう。

　両フォトダイオード９，１３はそれぞれ対数特性曲線を持った増幅器１４，１５と接続している。厳しい環境条件でも干渉計４の作動点Aの安定性を向上させるため、本変形実施形態でも、第２の制御回路１６を介して増幅器１４と１５の増幅値Ｖ_Ｄ１またはＶ_Ｄ２を制御する。すなわち、干渉計４を外乱に適合させるために増幅器の増幅値を変更制御させる。このため第２の制御回路１６はＰＩ制御器の形態の制御器１７を有し、制御器１７は演算要素３５を制御する。演算要素３５においては、該演算要素にファイルされているアルゴリズムを用いて、増幅器１４と１５の増幅値Ｖ_Ｄ１，Ｖ_Ｄ２に対する目標値を求める。これらの目標値はそれぞれの増幅器１４，１５へ送られる。低域フィルタ３６を介して入力信号を得る制御回路１６は、増幅器１４，１５の増幅値の実測値をも監視する。この場合、演算要素３５にファイルされているアルゴリズムを用いて、増幅値の絶対量を変更させることもできれば、両増幅値相互の比率を制御することもできる。

　制御装置２１が高パワーのＰＩＤ制御器１０を備えているのに対し、制御回路１６のためには、制御装置２１の制御速度に比べてこの制御回路１６の制御速度を緩慢にさせるＰＩ制御器１７が設けられている。すなわち、干渉計４を通過した光のずれは高速に補正されて目標値へもたらされるのに対し、増幅器１４と１５の増幅値Ｖ_Ｄ１とＶ_Ｄ２は比較的緩慢に補正される（ここでは管ごとに反応すれば十分である）。

　図２の測定層の目的も、干渉計の出口における強度レベルを十分高くさせ、「半伝送ピークレベル」（１／２Ｉ_ｍａｘ）を維持することである。
　制御出力量は、強度曲線の「エッジ」の作動点Aが失われることがないよう対応的に制限するのが有利である。

　図３は、本発明による制御技術装置の他の変形実施形態の概略図である。この変形実施形態では、伝送信号の参照信号への標準化は、図２の実施形態の場合と同様に、伝送信号と参照信号との差が制御入力量を形成する。さらに、たとえば高温計によって測定することのできる外乱zも制御対象になる。

　このため差形成器１９が設けられている。差形成器１９は第１のフォトダイオード９から来る信号を受信し、この信号から、第２のフォトダイオード１３から来る信号を差し引く。差は差形成器３２を介して制御器１０に送られる。

　フォトダイオード９によって測定される光信号の変動（光レベル変化）を高速補正するため、高パワーのＰＩＤ制御器１０を用いる。対応的に増幅器１４と１５の増幅値Ｖ_Ｄ１とＶ_Ｄ２の緩速制御、或いはこれら増幅値相互の比率の緩速制御は、ＰＩ制御器１７を備えた緩速作動の制御回路１６で行なう。

　図３の実施形態によれば、補助的に、外乱量ｚを制御にアドオンさせるとができる。外乱量ｚは、増幅器１４と１５を制御するときに和形成器３７と３８を介して考慮する。この外乱量ｚは、高温計を介して検出される管１の温度Ｔである。

　図４は、干渉計４の空気伝播音振動または固体伝播音振動をさらに緩衝させるための処置の概略図である。このため干渉計４は、高緩衝材から成っている担持体２２上にある。担持体２２は、木から製造されている容器２４の底に特殊な防振足２３によって設置されている。木は特に振動を吸収するために適している。振動に対する緩衝能をさらに向上させるため、木から成っている容器２４の内壁は板状の緩衝要素２５を備えている。緩衝要素２５は、特に振動の吸収に適した中程度密度の繊維から成っている。容器２４の内壁と板状の緩衝要素２５との間には、システム全体に最適な緩衝能を付与するために発泡材２６が射出成形されている。

　上記処置により、制御技術的にも機械的にも、管圧延機周辺の厳しい環境下でも、また測定物の表面の光学的性質が変化しても干渉計４が安定に作動し、管１の壁厚測定が確実に行なわれるように保証されている。

本発明による管圧延機における管の壁厚測定装置の概略構成図であり、特に制御装置の概略構成図である。 図１の制御システムの変形実施形態の概略構成図である。 図１または図２の制御システムの変形実施形態の概略構成図である。 使用する干渉計の振動緩衝ハウジングの概略図である。 管の壁厚測定原理の説明図である。 干渉計で測定した光の強度と周波数との関係を示すグラフである。

符号の説明

　１　　　　　　　　　管
　２　　　　　　　　　励起レーザー
　３　　　　　　　　　照射レーザー
　４　　　　　　　　　ファブリ・ペロー干渉計
　５　　　　　　　　　評価ユニット
　６　　　　　　　　　ミラー
　７　　　　　　　　　ミラー
　８　　　　　　　　　リニアアクチュエータ（圧電アクチュエータ）
　９　　　　　　　　　第１のフォトダイオード（アバランシュダイオード）
　１０　　　　　　　　制御器
　１１　　　　　　　　製造プロセス及び/または測定プロセスから来る信号
　１２　　　　　　　　低域フィルタ
　１３　　　　　　　　第２のフォトダイオード（アバランシュダイオード）
　１４　　　　　　　　増幅器
　１５　　　　　　　　増幅器
　１６　　　　　　　　制御装置
　１７　　　　　　　　制御器
　１８　　　　　　　　差形成器
　１９　　　　　　　　差形成器
　２０　　　　　　　　レーザー超音波測定装置
　２１　　　　　　　　制御装置
　２２　　　　　　　　担持体
　２３　　　　　　　　防振足
　２４　　　　　　　　容器
　２５　　　　　　　　板状の緩衝要素
　２６　　　　　　　　発泡材
　２７　　　　　　　　光導波路
　２８　　　　　　　　目標値設定器
　２９　　　　　　　　低域フィルタ
　３０　　　　　　　　演算要素
　３１　　　　　　　　低域フィルタ
　３２　　　　　　　　差形成器
　３３　　　　　　　　高域フィルタ
　３４　　　　　　　　ビームスプリッタ−
　３５　　　　　　　　演算要素
　３６　　　　　　　　低域フィルタ
　３７　　　　　　　　和形成器
　３８　　　　　　　　和形成器
　ａ　　　　　　　　　ミラーの間隔
　Ｔ　　　　　　　　　温度
　ｚ　　　　　　　　　外乱量
　Ｄ　　　　　　　　　管の壁厚
　ｃ　　　　　　　　　音速
　Ａ　　　　　　　　　作動点
　Ｉ_ｍａｘ　　　　　　　最大強度
　ｆ　　　　　　　　　周波数
　Ｖ_Ｄ１　　　　　　　　増幅値
　Ｖ_Ｄ２　　　　　　　　増幅値
　Ｆ　　　　　　　　　入力基準値
　Ｆ_Ｔ　　　　　　　　　入力基準値
　Ｆ_Ｒ　　　　　　　　　入力基準値

Claims (26)

1. 励起レーザー（２）により管（１）の表面に超音波インパルスを与え、管（１）の表面で反射した超音波信号を照射レーザー（３）と干渉計（４）とを用いて検出し、次の評価ユニット（５）で評価するようにした、レーザー超音波方式を使用して管圧延機において管（１）の壁厚（Ｄ）を測定する方法であって、
   　干渉計（４）が２つのミラー（６，７）を有し、これらミラー（６，７）がリニアアクチュエータ（８）により互いに相対的に所定の間隔（ａ）で位置決め可能であり、
   　ミラー（６，７）の前記間隔（ａ）を制御するため、フォトダイオード（９）がミラー（６，７）を透過した光を測定し、且つフォトダイオード（９）によって測定された信号を、リニアアクチュエータ（８）に作用する制御器（１０）へ直接または間接的に送るようにした前記方法において、
   　ミラー（６，７）を所定の間隔（ａ）で安定に制御するため、フォトダイオード（９）によって測定した信号を、管（１）の製造プロセスに由来する信号（１１）および／または反射した超音波信号の測定プロセスに由来する信号（１１）に依存して変化させて制御器（１０）に供給すること、
   　フォトダイオード（９）が増幅器（１５）と接続しており、フォトダイオード（９）によって測定した信号の変化を、増幅器（１５）の増幅値を変化させることによって行なうこと、
   を特徴とする方法。
2. フォトダイオード（９）によって測定した信号を、干渉計（４）に入射した光を測定する他のフォトダイオード（１３）の信号に依存して変化させて制御器（１０）に供給すること、
   　両フォトダイオード（９，１３）が、該フォトダイオード（９，１３）によって測定した信号を増幅させる増幅器（１４，１５）とそれぞれ接続していること、
   　増幅器（１４，１５）の増幅値を、両フォトダイオード（９，１３）の少なくとも一方の信号に依存して、制御器（１７）を備えた他の制御回路（１６）において少なくとも１つの所定の基準入力量（Ｆ_Ｔ，Ｆ_Ｒ）に従って制御すること、
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 増幅器（１４，１５）の増幅値を、制御回路（１６）に設けた第２のフォトダイオード（１３）の信号に依存して、所定の基準入力量（Ｆ_Ｒ）に従って制御することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. フォトダイオード（９）によって測定した信号を、管（１）で測定した温度（Ｔ）に依存して変化させて制御器（１０）に供給することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 増幅器（１４，１５）の少なくとも一方の増幅値を外乱（ｚ）に依存して制御し、外乱（ｚ）が少なくとも１つの和形成器（３７，３８）を介して少なくとも１つの増幅器（１４，１５）に作用することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 外乱（ｚ）が管（１）で測定した温度（Ｔ）であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 管（１）に支配的な温度（Ｔ）を高温計を用いて測定することを特徴とする、請求項４から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. リニアアクチュエータ（８）に作用する制御器（１０）がハイダイナミック制御器として構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. リニアアクチュエータ（８）に作用する制御器（１０）がＰＩＤ制御器として構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 増幅器（１４，１５）に作用する制御器（１７）がハイダイナミック制御器として構成されていることを特徴とする、請求項２から９までのいずれか一つに記載の方法。
11. 増幅器（１４，１５）に作用する制御器（１７）がＰＩＤ制御器として構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 増幅器（１４，１５）に作用する制御器（１７）がＰＩ制御器として構成されていることを特徴とする、請求項２から９までのいずれか一つに記載の方法。
13. 制御回路（１６，２１）の少なくとも１つの基準入力量（Ｆ_Ｔ，Ｆ_Ｒ）の検出を、制御作動を開始する前に機能経過を段階的にスキャンすることにより行うことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一つに記載の方法。
14. 管圧延機において管（１）の壁厚（Ｄ）を測定するための装置、特に請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置であって、
    　励起レーザー（２）と、照射レーザー（３）と、干渉計（４）と、下流側の評価ユニット（５）とを備えたレーザー超音波測定装置（２０）であって、干渉計（４）が、リニアアクチュエータ（８）により互いに相対的に所定の間隔（ａ）で位置決め可能な２つのミラー（６，７）を有している前記レーザー超音波測定装置（２０）と、
    　ミラー（６，７）の間隔（ａ）を制御するための制御装置（２１）であって、ミラー（６，７）を透過した光を測定するフォトダイオード（９）と、フォトダイオード（９）から送られてくる信号に基づいてリニアアクチュエータ（８）に作用する制御器（１０）とを有する前記制御装置（２１）と、
    を備えた前記装置において、
    　管（１）の製造プロセスから送られてくる信号（１１）を検知して制御器（１０）に送る手段が設けられ、該手段が管（１）に支配的な温度（Ｔ）を測定するための高温計であること、
    を特徴とする装置。
15. 管圧延機において管（１）の壁厚（Ｄ）を測定するための装置、特に請求項１から１３までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置であって、
    　励起レーザー（２）と、照射レーザー（３）と、干渉計（４）と、下流側の評価ユニット（５）とを備えたレーザー超音波測定装置（２０）であって、干渉計（４）が、リニアアクチュエータ（８）により互いに相対的に所定の間隔（ａ）で位置決め可能な２つのミラー（６，７）を有している前記レーザー超音波測定装置（２０）と、
    　ミラー（６，７）の間隔（ａ）を制御するための制御装置（２１）であって、ミラー（６，７）を透過した光を測定するフォトダイオード（９）と、フォトダイオード（９）から送られてくる信号に基づいてリニアアクチュエータ（８）に作用する制御器（１０）とを備えた前記制御装置（２１）と、
    を備えた前記装置において、
    　干渉計（４）に入射した光を測定する他のフォトダイオード（１３）が設けられていること、
    　両フォトダイオード（９，１３）が、該フォトダイオード（９，１３）によって測定した信号を増幅させる増幅器（１４，１５）とそれぞれ接続していること、
    　増幅器（１４，１５）の増幅値を、フォトダイオード（９，１３）の信号に依存して制御器（１７）により所定の値に制御する制御回路（１６）が設けられていること、
    を特徴とする装置。
16. 増幅器（１４，１５）が、外乱量（ｚ）を増幅器（１４，１５）に割り込ませるための和形成器（３７，３８）と接続していることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 制御器（１０，１７）が、管（１）に支配的な温度（Ｔ）を検出する高温計と接続していることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
18. 増幅器（１４，１５）が対数特性曲線を有していることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
19. 両フォトダイオード（９，１３）によって測定した信号の差を決定して、その差を制御器（１０）に供給する差形成器（１９）が設けられていることを特徴とする、請求項１５から１８までのいずれか一つに記載の装置。
20. 干渉計（４）が固定伝播音振動および／または空気伝播音振動に対し緩衝させる担持体（２２）上に配置されていることを特徴とする、請求項１４から１９までのいずれか一つに記載の装置。
21. 担持体（２２）の下面に防振足（２３）が配置されていることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
22. 干渉計（４）がすべての側で閉じている容器（２４）内に配置されていることを特徴とする、請求項２０または２２に記載の装置。
23. 容器（２４）が木から成っていることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. 容器（２４）がその内面に板状の緩衝要素（２５）を備えていることを特徴とする、請求項２２または２３に記載の装置。
25. 緩衝要素（２５）が中程度密度の繊維から成っていることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
26. 板状の緩衝要素（２５）と容器（２４）の内面との間に発泡材が配置されていることを特徴とする、請求項２４または２５に記載の装置。

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