JP3799453B2

JP3799453B2 - Internal temperature distribution measuring device and internal temperature distribution measuring method

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Publication number: JP3799453B2
Application number: JP2002068354A
Authority: JP
Inventors: 泰昭永田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003270055A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば鋼材の内部温度分布を非接触で測定する内部温度分布測定装置及び内部温度分布測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、熱間の厚板製造プロセスにおいては、制御圧延の圧下条件や冷却条件をコントロールすることにより、所望の仕様特性を有する厚板を製造している。
【０００３】
このとき、厚板の温度情報は、圧下条件や冷却条件をコントロールする上でとても重要である。従来は、放射温度計などを用いて厚板の表面温度を測定すると共に、シミュレーション等のモデル計算を行って厚板の内部温度を推定することにより、厚板の温度情報を得ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、上述のように、厚板の内部温度については、モデル計算による推定値しか得られないため、実際の内部温度分布との誤差が大きく、所望の仕様特性を有する厚板を製造できない場合があった。特に、板厚が厚くなるほど、板厚中心部の組織や材質制御が問題となる。中心偏析の影響や圧延歪みが板厚中心部に及び難く、また、中心部の温度がとても高いことが、その理由である。したがって、厚板の内部温度について正確な情報が得られれば、より良い制御圧延が可能になる。
【０００５】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、測定対象物の内部温度分布を正確に測定することができる内部温度分布測定装置及び内部温度分布測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定装置であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる超音波発生手段と、前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得するビーム取得手段と、前記ビーム取得手段で取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する周波数変化検出手段と、前記周波数変化検出手段で検出された前記第三レーザビームの周波数変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める演算手段と、を備え、前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、前記演算手段は、前記超音波発生手段が前記各進行方向に前記超音波を発生させる度に当該進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を求めると共に、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出し、その算出した前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求めることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内部温度分布測定装置において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の内部温度分布測定装置において、前記超音波発生手段は、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の内部温度分布測定装置において、前記ビーム取得手段は、前記超音波発生手段によって前記測定対象物の内部に発生された前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記の目的を達成するための請求項５記載の発明は、板状の測定対象物をその厚さ方向に沿って複数の層に区分し、前記測定対象物の表面上の所定位置で前記各層の内部温度を測定する内部温度分布測定方法であって、周波数の異なる第一レーザビーム及び第二レーザビームを、それぞれ所定の入射角度で前記測定対象物の同一位置に照射することにより、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームの干渉を生じさせ、前記測定対象物の内部に、前記測定対象物の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させる第一ステップと、前記超音波が前記測定対象物の底面で反射して再び表面に戻ってきた位置に、第三レーザビームを導くと共に、前記測定対象物の表面で反射した前記第三レーザビームを取得する第二ステップと、前記第二ステップで取得された前記第三レーザビームに基づいて、前記超音波の振動に起因して生じる前記第三レーザビームの周波数の変化を検出する第三ステップと、前記第三ステップで検出された前記第三レーザビームの周波数の変化を表す波形データに基づいて前記超音波が前記測定対象物の内部を伝播した伝播時間を求める第四ステップと、前記超音波の発生時の進行方向を前記層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定された前記各進行方向に前記超音波を順に発生させて、前記第一ステップから前記第四ステップまでを繰り返すことにより、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間を得る第五ステップと、前記各進行方向に発生した前記超音波の伝播時間に基づいて前記各層における前記超音波の音速を算出する第六ステップと、前記第六ステップで算出された前記各層における前記超音波の音速に基づいて前記各層の内部温度を求める第七ステップと、を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の内部温度分布測定方法において、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームは、一のレーザ装置から発生された単一のレーザビームを二つに分岐し、その分岐された一方のレーザビームを音響光学素子に入射させることにより得られたものであることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の内部温度分布測定方法において、前記第一ステップでは、前記第一レーザビーム及び前記第二レーザビームのうち少なくともいずれか一方の入射角度を調整することにより、前記超音波の発生時の進行方向を制御することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項５、６又は７記載の内部温度分布測定方法において、前記第二ステップでは、前記第一ステップにおいて前記測定対象物の内部に発生させた前記超音波のうち縦波の超音波が前記測定対象物の表面に戻ってきた位置に、前記第三レーザビームを導くことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態である内部温度分布測定装置の概略構成図、図２はある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【００１５】
本実施形態の内部温度分布測定装置は、測定対象物の内部の温度分布を非接触で測定するものである。ここで、測定対象物としては、例えば、製鉄所において、熱間プロセスにより製造される板状の鋼材（厚板）を想定している。かかる厚板の表面温度は、通常、７００℃ぐらいである。特に、本実施形態では、厚板をその厚さ方向に沿って複数の層に区分して考え、ある測定位置において各層の平均温度を算出することにより、厚板の内部温度分布を求めることにする。
【００１６】
ところで、よく知られているように、各種の鋼材では、その内部温度とその内部を伝播する縦波の音速との間に密接な関係がある。図２にある鋼材についての内部温度と縦波の音速との関係の一例を示す。図２において、横軸は鋼材の内部温度、縦軸は縦波の音速である。このグラフから、縦波の音速が遅いほど、鋼材の内部温度は高いという傾向があることが分かる。本実施形態の内部温度分布測定装置では、厚板の各層における縦波の速度を求めた後、図２に示すような内部温度と縦波音速との関係を利用して、厚板の内部温度を求めることにする。このとき、厚板の各層における縦波の音速はレーザ超音波法を用いて算出する。
【００１７】
本実施形態の内部温度分布測定装置は、図１に示すように、超音波発生用レーザ１０と、超音波発生部２０と、超音波検出用レーザ３０と、二つの集光レンズ４１，４２と、二つの光ファイバ５１，５２と、ビーム取得部６０と、ファブリ・ペロー干渉計（周波数変化検出手段）７０と、光検出器８０と、コンピュータ（演算手段）９０とを備える。
【００１８】
超音波発生用レーザ１０は、測定対象物２内に超音波を励起させるためのレーザである。超音波発生用レーザ１０としては、例えばＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザなどの高エネルギーパルスレーザを使用する。以下では、この超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームの周波数をｆ_１、その波長をλ_１とする。
【００１９】
超音波発生部２０は、干渉縞走査法を用いて、測定対象物２の内部に、その表面に対して斜めに進行する超音波を発生させるものである。この超音波発生部２０は、ビームスプリッタ２１と、ミラー２２と、音響光学素子２３とを有する。
【００２０】
超音波発生用レーザ１０から発せられたレーザビームは、ビームスプリッタ２１によって、ビームスプリッタ２１で反射される第一レーザビームＬ１と、ビームスプリッタ２１を透過する第二レーザビームＬ２とに分けられる。第一レーザビームＬ１はそのまま測定対象物２の表面に入射する。一方、第二レーザビームＬ２は、ミラー２２で反射された後、音響光学素子２３に入射する。
【００２１】
音響光学素子２３は、音響光学効果（acousto-optic effect）を利用した素子であり、ここでは、周波数シフタとして利用する。音響光学素子２３に適当な周波数の電気信号を与えると、音響光学素子２３の内部に設けられた媒体が超音波振動を行い、弾性歪みや圧力が場所によって変化する。これにより、その媒体には屈折率変動が生じ、外部からの光がこの屈折率の変動領域に入射すると、その光は回折を起こす。このとき、その回折した光は超音波振動に起因するドップラーシフトを受け、一次回折光の周波数は、元の入射光の周波数から超音波の周波数分だけシフトした値となる。したがって、音響光学素子２３から出射される第二レーザビームＬ２の周波数は、元の周波数ｆ_１からシフトする。こうして周波数がシフトした第二レーザビームＬ２は、測定対象物２の表面に入射する。ここで、周波数がシフトした第二レーザビームＬ２の周波数をｆ_２とする。
【００２２】
次に、干渉縞走査法について説明する。図３は干渉縞走査法の原理を説明するための図、図４は本実施形態の内部温度分布測定装置における超音波発生部２０の具体的な構成を説明するための図である。
【００２３】
ここでは、図３に示すように、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１は、測定対象物２の厚さ方向（測定対象物表面の法線方向）に対して角度（入射角度）θをもって測定対象物２に入射するものとする。一方、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２は、第一レーザビームＬ１とは反対側から、測定対象物２の厚さ方向に対して角度（入射角度）θをもって、第一レーザビームＬ１の照射位置と同一の照射位置に入射するものとする。すなわち、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは互いに角度２θをなして測定対象物２上の同じ位置に照射される。また、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２とは、測定対象物２の幅方向に垂直な同一平面内にあるものとする。
【００２４】
このような状況で、ビームスプリッタ２１で反射した第一レーザビームＬ１と音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２とが測定対象物２上の同一位置に照射されると、二つのビームは干渉しあい、光波が強め合うところと弱め合うところが交互に現れる干渉縞を生じる。しかも、二つのレーザビームＬ１，Ｌ２の光周波数がわずかに異なることから、この干渉縞は測定対象物２の表面上を移動する。ここで、干渉縞の移動方向は測定対象物２の圧延方向である。また、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒ、干渉縞の波長λ_ａｃｏは、
Ｖ_Ｒ＝λ_１・（ｆ_２−ｆ_１）／２sinθ
λ_ａｃｏ＝λ_１／２sinθ
で与えられる。
【００２５】
干渉によって生じる干渉縞は熱応力のパターンに対応するので、このパターンに応じた超音波が発生する。この超音波の波長は、干渉縞の波長λ_ａｃｏと同じである。特に、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒを測定対象物２の内部における超音波の音速よりも大きくすることによって、測定対象物２の表面に対して斜めに進行する超音波を発生させることができる。このとき、縦波超音波と横波超音波が同時に発生する。かかる超音波は、測定対象物２の幅方向に垂直な平面内を進行する。本実施形態では、超音波のうち縦波だけを考えることにする。図２に示す内部温度と縦波音速との関係から温度を求める際には、縦波についての情報を得れば十分だからである。
【００２６】
この縦波についてその発生時の進行方向角度（測定対象物２の厚さ方向に対する角度）をφ、そのときの測定対象物２の内部における縦波の音速をＶ_Ｌ０とすると、
φ＝sin^−１（Ｖ_Ｌ０／Ｖ_Ｒ）
という関係がある。したがって、干渉縞の走査速度Ｖ_Ｒ、すなわち、入射角度θあるいは周波数差ｆ_２−ｆ_１を調整することによって、縦波の発生時の進行方向角度φを制御することができる。
【００２７】
尚、横波の発生時における進行方向角度は、上式において、縦波の音速を横波の音速で置き換えた式によって与えられる。
【００２８】
ところで、後に詳述するが、測定対象物２の各層における縦波の音速を求めるには、その縦波の発生時の進行方向角度を層の数と同じ数だけ予め設定しておき、その設定した各進行方向角度に縦波を発生させる度に、各進行方向角度に発生した縦波が測定対象物２の底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を測定する必要がある。このため、縦波の発生時の進行方向角度φを制御する必要があるが、本実施形態では、かかる制御を、レーザビームの入射角度θを調整することによって行うことにする。具体的には、入射角度θの調整を容易に行えるようにするために、超音波発生部２０を、図４に示すような構成としている。
【００２９】
すなわち、ビームスプリッタ２１で反射された第一レーザビームＬ１を測定対象物２の表面に垂直に入射させることにする。また、音響光学素子２３から出射された第二レーザビームＬ２を反射し、測定対象物２に照射するためのミラー２４を設ける。そして、リニアステージ等を用いて、このミラー２４の位置を測定対象物２の圧延方向に沿って移動させることにより、第二レーザビームＬ２の入射角度の制御を行う。ここで、図４では、第二レーザビームＬ２の実際の入射角度は２θであるが、本実施形態では、その半分の角度θのことも入射角度と称することにする。
【００３０】
尚、当然のことではあるが、縦波発生時の進行方向角度φについての制御は、第二レーザビームＬ２の代わりに第一レーザビームＬ１の入射角度を調整することにより、あるいは、第一レーザビームＬ１及び第二レーザビームＬ２の両方の入射角度を調整することにより、行うようにしてもよい。
【００３１】
図５に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度、３０度、４０度、５０度に制御する場合の入射角度θの設定値の一例を示す。この例では、周波数差ｆ_２−ｆ_１を８０ＭＨｚとしている。図５に示すように、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするには入射角度θを０．１４度に設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするには入射角度θを０．２１度に、その発生時の進行方向角度φを４０度にするには入射角度θを０．２６度に設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするには入射角度θを０．３２度に設定すればよい。
【００３２】
この例から分かるように、入射角度θの設定値はとても小さいので、通常は、測定対象物２の表面からある程度遠く離れた位置、例えば４ｍ離れた位置に、ミラー２４を設置することにしている。図５の表に示した「ビーム間隔」とは、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置において測った、第一レーザビームＬ１と第二レーザビームＬ２との間隔のことである。具体的に、縦波の発生時の進行方向角度φを２０度にするにはビーム間隔を９．８ｍｍに設定すればよい。また、縦波の発生時の進行方向角度φを３０度にするにはビーム間隔を１４．４ｍｍに、その発生時の進行方向角度φを４０度にするにはビーム間隔を１８．５ｍｍに設定すればよい。そして、縦波の発生時の進行方向角度φを５０度にするにはビーム間隔を２２．０ｍｍに設定すればよい。
【００３３】
尚、縦波と同時に横波も発生するので、参考として、図５には、その縦波と動じに発生した横波の進行方向角度も示している。縦波と横波の進行方向が異なるのは、測定対象物２の内部における縦波の音速と横波の音速とが相違するからである。
【００３４】
また、縦波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくる位置（検出点位置）は、おおよそ予測することができる。一例として、図６にビーム間隔と縦波の検出点候補位置との関係を示す。ここで、横軸は、測定対象物２の表面から４ｍ離れた高さ位置におけるビーム間隔であり、縦軸は、レーザビームＬ１，Ｌ２の入射位置から圧延方向に沿って測った、縦波の検出点候補位置である。かかる検出点候補位置は、測定対象物２の厚さに依存するので、図６では、例として、測定対象物２の板厚が３０ｍｍ、５０ｍｍである場合を示している。ところで、この図６のグラフは、縦波の進行方向が測定対象物２の内部で一定であると仮定して求めたものである。しかしながら、実際には、測定対象物２の内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではないので、超音波の進行方向は、測定対象物２の内部で変化する。このため、図６のグラフを利用して求めた縦波の検出点候補位置は、実際の検出点位置とは異なる。このような理由から、図６では、検出点位置ではなく、「検出点候補位置」という表現を使っている。本実施形態では、かかる図６に示すようなビーム間隔と検出点候補位置との関係を、実際の縦波の検出点位置を得るための参考として利用する。具体的には、まず、図６のようなグラフを利用して、縦波の検出点候補位置を見い出す。次に、実際に縦波超音波を発生させることにより、その検出点候補位置の周辺領域において、測定対象物２内を伝播してきた縦波の強度を検出する。そして、最も大きな強度位置を、実際の縦波の検出点位置として決定する。
【００３５】
超音波検出用レーザ３０は、超音波発生用レーザ１０からのレーザビームの照射によって測定対象物２内に発生し、測定対象物２内を伝播してきた超音波（縦波）を検出するためのレーザである。超音波検出用レーザ３０としては、単一周波数のレーザビームを発するものを用いる。
【００３６】
超音波検出用レーザ３０から発せられたレーザビーム（第三レーザビーム）Ｌ３は、集光レンズ４１で集光された後、光ファイバ５１に入射する。この光ファイバ５１は、第三レーザビームＬ３をビーム取得部６０に導くものである。
【００３７】
ビーム取得部６０は、第三レーザビームＬ３を所定の検出点位置に導くと共に、測定対象物２の表面で反射・散乱した第三レーザビームＬ３を取得するものであり、図１に示すように、二つの集光レンズ６１，６２と、ハーフミラー６３とを有する。また、このビーム取得部６０は、一体的に構成されており、測定対象物２の圧延方向に沿って移動することができる。
【００３８】
ビーム取得部６０に入射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ６１で集光され、ハーフミラー６３を透過した後、測定対象物２上の所定の検出点位置に照射される。測定対象物２の表面は粗面であるため、かかる第三レーザビームＬ３は測定対象物２の表面においてほぼ等方的に散乱される。このとき、当該検出点位置に、測定対象物２の内部を伝播してきた縦波が戻ってくると、当該検出点位置が超音波振動をする。これにより、測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化する。
【００３９】
測定対象物２の表面で散乱された第三レーザビームＬ３のうち、その一部は、ハーフミラー６３で反射され、集光レンズ６２で集光された後、光ファイバ５２に入射する。この光ファイバ５２は、かかる第三レーザビームＬ３をファブリ・ペロー干渉計７０に導くものである。光ファイバ５２から出射した第三レーザビームＬ３は、集光レンズ４２で集光された後、ファブリ・ペロー干渉計７０に入射する。
【００４０】
ファブリ・ペロー干渉計７０は、超音波振動に起因して生じる第三レーザビームＬ３の周波数変化を検出するものであり、互いに対向する二つの反射ミラー７１，７２を有する。この二つの反射ミラー７１，７２は共振器を構成し、第三レーザビームＬ３を二つの反射ミラー７１，７２の間で多重反射させることによりバンドパスフィルタとして機能する。二つの反射ミラー７１，７２間の距離を調節することにより、この共振器を透過する光の周波数を調節することができる。
【００４１】
ここで、ファブリ・ペロー干渉計７０における共振曲線について説明する。図７はこの共振曲線の一例を示す図である。図７において、横軸は入射する光の周波数ｆを、縦軸はファブリ・ペロー干渉計７０からの出力、すなわちファブリ・ペロー干渉計７０を透過する光の強度Ｉを示している。図７から分かるように、透過光強度Ｉは、特定の周波数において急峻なピークを示すが、ピークの前後では速やかに低下する。このピークを示す周波数は、ファブリ・ペロー干渉計７０の反射ミラー７１，７２間の距離を調節することによって変えることができる。
【００４２】
そこで、図７に示す曲線の傾きが最大となる点（共振曲線動作点）Ａにおける周波数が、ちょうど第三レーザビームＬ３の発振周波数と一致するように反射ミラー７１，７２間の距離が調節されていれば、周波数のわずかな変化±Δｆを、相対的に大きな透過光強度の変化±ΔＩに変換することができる。これにより、ファブリ・ペロー干渉計７０は、測定対象物２の表面の超音波振動に起因するドップラーシフトを受けて周波数が変化した第三レーザビームＬ３が入力したときに、その周波数の変化を透過光強度の変化として出力する。
【００４３】
ファブリ・ペロー干渉計７０から出力された透過光強度は、光検出器８０に送られる。光検出器８０は、透過光強度を電気信号に変換するものである。これにより、超音波振動は、最終的に電気的な信号として捉えられる。光検出器８０からの信号は、コンピュータ９０に送られ、波形データとして記録される。
【００４４】
コンピュータ９０は、かかる波形データに基づいて、縦波が測定対象物２の内部を伝播し、その底面で反射して再び表面に戻ってくるまでの伝播時間を求める。超音波発生用レーザ１０からレーザビームが発せられたタイミングと、かかるレーザビームが測定対象物２に照射するタイミングとは予め分かっている。このため、コンピュータ９０は、光検出器８０から送られた波形データから、周波数変化を検出したタイミングを調べることにより、縦波の伝播時間を求めることができる。
【００４５】
本実施形態では、縦波の発生時の進行方向角度を測定対象物２の層の数と同じ数だけ予め設定しておき、コンピュータ９０は、超音波発生部２０が各進行方向角度に縦波を発生させる度に、当該進行方向に発生した縦波の伝播時間を求める。すなわち、縦波の発生時の進行方向角度を制御して、上記の伝播時間の測定処理を所定回数だけ繰り返す。コンピュータ９０は、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間に基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する。
【００４６】
また、コンピュータ９０は、その算出した各層における縦波の音速に基づいて測定対象物２の各層における内部温度を求める。ここで、コンピュータ９０には、各種の鋼材についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースが構築されている。このため、コンピュータ９０は、そのデータベースを利用して、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を容易に求めることができる。
【００４７】
次に、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間から測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する方法について詳しく説明する。図８及び図９は測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【００４８】
熱間プロセスで製造される厚板の場合、その内部温度は場所によって異なり、超音波の音速も一定ではない。このため、超音波の進行方向は厚板の内部で変化する。本実施形態では、超音波発生部２０によって発生された縦波の伝播領域に対応する測定対象物２の領域においては、縦波の音速が測定対象物２の各層内で一定であると仮定する。この場合、測定対象物２の各層の厚さを小さく設定すればするほど、その仮定した縦波の音速は実際の値に近似する。したがって、各層の厚さを十分小さく設定すれば、内部温度を高い精度で測定することが可能である。
【００４９】
いま、図８及び図９に示すように、測定対象物２である厚板をその厚さ方向に沿って四つの層に区分した場合を考えることにする。これら各層を、厚板の表面側から順番に、第１層、第２層、第３層、第４層と称する。ここで、第ｋ層（ｋ＝１，２，３，４）における厚さをｄ_ｋ、そこでの縦波の平均音速をＶ_ｋとする。そして、縦波の発生時における進行方向角度がφ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）のとき、縦波の伝播時間をｔ_ｊとする。
【００５０】
また、上記の仮定の下では、各層における縦波の進行方向は一定であるので、図９に示すように、縦波は各層の境界面を通過する際に屈折すると考える必要がある。但し、図８では、かかる屈折を省略し、縦波の伝播経路を直線で示している。ここで、図９に示すように、縦波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播したとき、第１層と第２層の境界面における屈折角度をφ_ｊ２、第２層と第３層の境界面における屈折角度をφ_ｊ３、第３層と第４層の境界面における屈折角度をφ_ｊ４とする。
【００５１】
縦波が測定対象物２の第１層を進行方向角度φ_ｊ（ｊ＝１，２，３，４）で伝播した場合、縦波の伝播時間ｔ_ｊは、
ｔ_ｊ＝２［ｄ_１／（Ｖ_１・cosφ_ｊ）＋ｄ_２／（Ｖ_２・cosφ_ｊ２）＋ｄ_３／（Ｖ_３・cosφ_ｊ３）＋ｄ_４／（Ｖ_４・cosφ_ｊ４）］
である。ここで、各境界面においてスネルの法則を適用すると、

と表すことができる。ただし、ｍ＝２，３，４である。したがって、

となる。ここで、ｊ＝１，２，３，４である。
【００５２】
かかる四つの伝播時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４の式において、縦波の発生時の進行方向角度φ_１，φ_２，φ_３，φ_４は干渉縞走査法により既知のパラメータであり、各層の厚さｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４も予め分かっている。したがって、コンピュータ９０は、レーザ超音波法を利用して求めた縦波の伝播時間ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_４を、上記の各式に代入し、四つの縦波音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４を未知数とする非線形連立方程式を解くことにより、各層における縦波の音速Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４を算出することができる。
【００５３】
次に、本実施形態の内部温度分布測定装置において、測定対象物２の内部温度分布を測定する手順について説明する。図１０はその内部温度分布測定装置において測定対象物２の内部温度分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【００５４】
まず、オペレータは、測定対象物２をその厚さ方向に沿って区分する層の数、各層の厚さを設定すると共に、干渉縞走査法により発生させる縦波の進行方向角度を層の数と同数だけ設定する（Ｓ１）。そして、オペレータは、これらの設定値をコンピュータ９０に入力する（Ｓ２）。
【００５５】
次に、オペレータは、ステップＳ１で設定した複数の縦波の進行方向角度のうち、一の進行方向角度を選択する（Ｓ３）。そして、その選択した進行方向角度に縦波が発生するように、超音波発生部２０におけるミラー２４の位置を調節する（Ｓ４）。その後、図６に示すようなビーム位置と検出点候補位置との関係を参考にして、実際に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより、測定対象物２の内部に発生した縦波の実際の検出点位置を検出する。そして、超音波検出用レーザ３０から発せられた第三レーザビームＬ３が当該縦波の検出点位置に照射されるように、ビーム取得部６０の位置を調整する（Ｓ５）。
【００５６】
こうして準備が整うと、次に、超音波発生用レーザ１０からレーザビームを発することにより測定対象物２の内部に縦波を発生させると共に、超音波検出用レーザ３０から第三レーザビームを発する。これにより、ビーム取得部６０及びファブリ・ペロー干渉計７０は、縦波超音波の振動に起因して生じる第三レーザビームの周波数変化を検出する。そして、コンピュータ９０は、その周波数変化を表す波形データに基づいて、縦波の伝播時間を求める（Ｓ６）。この縦波の伝播時間はコンピュータ９０の所定のメモリに記憶される。
【００５７】
Ｓ３からＳ６までの処理は、ステップＳ１において設定したすべての縦波の進行方向角度に対して繰り返される（Ｓ７）。こうして、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間が測定される。
【００５８】
次に、コンピュータ９０は、各進行方向角度に発生した縦波の伝播時間に基づいて、測定対象物２の各層における縦波の音速を算出する（Ｓ８）。その後、コンピュータ９０は、当該測定対象物２についての内部温度と縦波音速との対応関係を示すデータベースを利用し、測定対象物２の各層における縦波の音速から各層の内部温度を求める（Ｓ９）。こうして得られた各層の内部温度は、例えば、コンピュータ９０の画面に表示される。
【００５９】
本実施形態の内部温度分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する縦波超音波を発生させ、かかる縦波を複数の進行方向の各々に発生させたときの縦波の伝播時間を求める。そして、その求めた複数の縦波の伝播時間に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における縦波音速を算出し、その算出した各層における縦波音速に基づいて各層の内部温度を求める。したがって、本実施形態の内部温度分布測定装置では、従来のように測定対象物の内部温度をモデル計算等により推定するのではないので、測定対象物の内部温度を正確に求めることができる。
【００６０】
尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００６１】
上記の実施形態では、縦波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求める場合について説明したが、横波の音速に基づいて測定対象物の内部温度を求めるようにしてもよい。この横波の音速は、上述した縦波の音速を算出する方法と全く同じ方法で算出することができる。また、この場合は、コンピュータに、各種の鋼材についての内部温度と横波の音速との対応関係のデータベースを構築しておく必要がある。
【００６２】
また、上記の実施形態では、測定対象物をその厚さ方向に沿って四つの層に区分して各層の内部温度を測定する場合について説明したが、一般に、測定対象物を四つ以上の複数の層に区分して、各層の内部温度を測定してもよい。特に、区分する層の数が多ければ多いほど、測定対象物の内部における温度分布の測定精度が向上する。このため、かかる測定精度を考慮して、測定対象物を区分する層の数を決定する必要がある。
【００６３】
更に、上記の実施形態では、測定対象物として、熱間プロセスで製造される厚板を用いた場合について説明したが、本発明の内部温度分布測定装置は、かかる厚板以外のどのような物に対しても適用することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の内部温度分布測定装置では、レーザ超音波法及び干渉縞走査法を用いることにより、測定対象物の内部にその表面に対して斜めに進行する超音波を発生させ、かかる超音波を複数の進行方向の各々に発生させたときの超音波の伝播時間を求める。そして、その求めた複数の超音波の伝播時間に基づいて、厚さ方向に沿って予め区分された測定対象物の各層における超音波の音速を算出した後、その算出した各層における超音波の音速に基づいて各層の内部温度を求める。したがって、本発明では、従来のように測定対象物の内部温度をモデル計算等により推定するのではないので、測定対象物の内部温度を正確に求めることができる。
【００６５】
また、本発明の内部温度分布測定方法によれば、上記と同様に、測定対象物の内部温度分布を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である内部温度分布測定装置の概略構成図である。
【図２】ある鋼材についての内部温度と縦波音速との関係を示すグラフである。
【図３】干渉縞走査法の原理を説明するための図である。
【図４】本実施形態の内部温度分布測定装置における超音波発生部の具体的な構成を説明するための図である。
【図５】縦波の発生時の進行方向角度φを制御する場合のレーザビームの入射角度θの設定値の一例を示す図である。
【図６】ビーム間隔と縦波の検出点候補位置との関係を示すグラフである。
【図７】本実施形態の内部温度分布測定装置におけるファブリ・ペロー干渉計の共振曲線の一例を示す図である。
【図８】測定対象物の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図９】測定対象物の各層における縦波の音速を算出する方法を説明するための図である。
【図１０】本実施形態の内部温度分布測定装置において測定対象物の内部温度分布を測定する手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２測定対象物
１０超音波発生用レーザ
２０超音波発生部
２１ビームスプリッタ
２２，２４ミラー
２３音響光学素子
３０超音波検出用レーザ
４１，４２集光レンズ
５１，５２光ファイバ
６０ビーム取得部
６１，６２集光レンズ
６３ハーフミラー
７０ファブリ・ペロー干渉計
７１，７２反射ミラー
８０光検出器
９０コンピュータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal temperature distribution measuring apparatus and an internal temperature distribution measuring method for measuring, for example, an internal temperature distribution of a steel material in a non-contact manner.
[0002]
[Prior art]
In general, in a hot plate manufacturing process, a plate having desired specification characteristics is manufactured by controlling the rolling conditions and cooling conditions of controlled rolling.
[0003]
At this time, the temperature information of the thick plate is very important for controlling the reduction condition and the cooling condition. Conventionally, the temperature information of the thick plate has been obtained by measuring the surface temperature of the thick plate using a radiation thermometer or the like and estimating the internal temperature of the thick plate by performing model calculation such as simulation.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, as for the internal temperature of the thick plate, since only the estimated value by model calculation can be obtained as described above, there is a large error from the actual internal temperature distribution, and a thick plate having desired specification characteristics is manufactured. There were cases where it was not possible. In particular, as the plate thickness increases, the structure and material control of the central portion of the plate thickness become more problematic. This is because the influence of center segregation and rolling distortion hardly reach the center of the plate thickness, and the temperature at the center is very high. Therefore, if accurate information about the internal temperature of the thick plate can be obtained, better controlled rolling becomes possible.
[0005]
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object thereof is to provide an internal temperature distribution measuring apparatus and an internal temperature distribution measuring method capable of accurately measuring the internal temperature distribution of a measurement object. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention as set forth in claim 1 divides a plate-like measurement object into a plurality of layers along its thickness direction, and each of the layers at a predetermined position on the surface of the measurement object. An internal temperature distribution measuring apparatus for measuring an internal temperature of the first object, wherein the first laser beam and the second laser beam having different frequencies are irradiated to the same position of the measurement object at a predetermined incident angle, respectively. Ultrasonic wave generating means for generating interference between the laser beam and the second laser beam to generate an ultrasonic wave traveling obliquely with respect to a surface of the measurement object inside the measurement object; and the ultrasonic wave A beam acquisition means for guiding the third laser beam to a position where it is reflected from the bottom surface of the measurement object and returned to the surface, and acquires the third laser beam reflected from the surface of the measurement object; Said A frequency change detecting means for detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave based on the third laser beam acquired by a beam acquiring means; and the frequency change detecting means. Calculating means for obtaining a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement object based on waveform data representing a frequency change of the third laser beam detected in step (a), and at the time of generation of the ultrasonic wave The traveling direction is set in advance by the same number as the number of the layers, and the computing means generates the ultrasonic wave generated in the traveling direction each time the ultrasonic wave generating means generates the ultrasonic wave in each traveling direction. And calculating the velocity of the ultrasonic wave in each layer based on the propagation time of the ultrasonic wave generated in each traveling direction, and calculating the ultrasonic wave in the calculated layer It is characterized in that to determine the internal temperature of the layers on the basis of the speed of sound.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in the internal temperature distribution measuring device according to the first aspect, the first laser beam and the second laser beam are obtained by dividing a single laser beam generated from one laser device into two. It is obtained by branching and making one of the branched laser beams enter an acoustooptic device.
[0008]
According to a third aspect of the present invention, in the internal temperature distribution measuring apparatus according to the first or second aspect, the ultrasonic wave generating means determines an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam. By adjusting, the advancing direction at the time of generation | occurrence | production of the said ultrasonic wave is controlled, It is characterized by the above-mentioned.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in the internal temperature distribution measuring apparatus according to the first, second, or third aspect, the beam acquisition unit is configured to transmit the ultrasonic wave generated inside the measurement object by the ultrasonic wave generation unit. Among them, the third laser beam is guided to a position where longitudinal ultrasonic waves have returned to the surface of the measurement object.
[0010]
According to a fifth aspect of the invention for achieving the above object, a plate-like measurement object is divided into a plurality of layers along the thickness direction, and the measurement object is formed at a predetermined position on the surface of the measurement object. An internal temperature distribution measuring method for measuring the internal temperature of each layer, wherein the first laser beam and the second laser beam having different frequencies are respectively irradiated to the same position of the measurement object at a predetermined incident angle. A first step of causing interference between the first laser beam and the second laser beam and generating an ultrasonic wave traveling obliquely with respect to a surface of the measurement object inside the measurement object; A second step of guiding the third laser beam to a position where the sound wave is reflected from the bottom surface of the measurement object and returned to the surface, and acquiring the third laser beam reflected from the surface of the measurement object; ,in front Based on the third laser beam acquired in the second step, a third step for detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by the vibration of the ultrasonic wave, and a detection in the third step. A fourth step of obtaining a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement object based on waveform data representing a change in the frequency of the third laser beam, and a traveling direction when the ultrasonic wave is generated. By setting the same number as the number of layers in advance, sequentially generating the ultrasonic waves in the set traveling directions, and repeating the first step to the fourth step, the traveling directions. A fifth step of obtaining a propagation time of the ultrasonic wave generated in the first step, and calculating a sound velocity of the ultrasonic wave in each layer based on the propagation time of the ultrasonic wave generated in the traveling direction. Step a, it is characterized in that it comprises a and a seventh step of obtaining the internal temperature of the layers on the basis of the ultrasonic sound velocity in the respective layers calculated in the sixth step.
[0011]
According to a sixth aspect of the present invention, in the internal temperature distribution measuring method according to the fifth aspect, the first laser beam and the second laser beam are obtained by dividing a single laser beam generated from one laser device into two. It is obtained by branching and making one of the branched laser beams enter an acoustooptic device.
[0012]
According to a seventh aspect of the present invention, in the internal temperature distribution measuring method according to the fifth or sixth aspect, in the first step, an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam is adjusted. By doing so, the traveling direction when the ultrasonic waves are generated is controlled.
[0013]
The invention according to claim 8 is the internal temperature distribution measuring method according to

claim

5, 6 or 7, wherein, in the second step, of the ultrasonic waves generated in the measurement object in the first step. The third laser beam is guided to a position where longitudinal ultrasonic waves have returned to the surface of the measurement object.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal temperature distribution measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between internal temperature and longitudinal wave sound velocity for a steel material.
[0015]
The internal temperature distribution measuring apparatus of this embodiment measures the temperature distribution inside the measurement object in a non-contact manner. Here, as an object to be measured, for example, a steel plate (thick plate) manufactured by a hot process is assumed in an ironworks. The surface temperature of such a thick plate is usually about 700 ° C. In particular, in the present embodiment, the thick plate is divided into a plurality of layers along the thickness direction, and the average temperature of each layer is calculated at a certain measurement position, thereby obtaining the internal temperature distribution of the thick plate. To do.
[0016]
By the way, as is well known, in various steel materials, there is a close relationship between the internal temperature and the sound velocity of longitudinal waves propagating through the inside. An example of the relationship between the internal temperature about the steel material in FIG. 2 and the sound velocity of a longitudinal wave is shown. In FIG. 2, the horizontal axis represents the internal temperature of the steel material, and the vertical axis represents the acoustic velocity of the longitudinal wave. From this graph, it can be seen that the slower the longitudinal wave, the higher the internal temperature of the steel. In the internal temperature distribution measuring apparatus of this embodiment, after obtaining the longitudinal wave velocity in each layer of the thick plate, the internal temperature of the thick plate is utilized by utilizing the relationship between the internal temperature and the longitudinal wave sound velocity as shown in FIG. I will ask for. At this time, the acoustic velocity of the longitudinal wave in each layer of the thick plate is calculated using a laser ultrasonic method.
[0017]
As shown in FIG. 1, the internal temperature distribution measuring apparatus according to the present embodiment includes an ultrasonic wave generation laser 10, an ultrasonic wave generation unit 20, an ultrasonic wave detection laser 30, and two

condenser lenses

41 and 42. , Two optical fibers 51 and 52, a beam acquisition unit 60, a Fabry-Perot interferometer (frequency change detection means) 70, a photodetector 80, and a computer (calculation means) 90.
[0018]
The ultrasonic wave generation laser 10 is a laser for exciting ultrasonic waves in the measurement object 2. Examples of the ultrasonic generation laser 10 include a YAG laser and a CO. ₂ A high energy pulsed laser such as a laser is used. Hereinafter, the frequency of the laser beam emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 is expressed as f. ₁ , The wavelength is λ ₁ And
[0019]
The ultrasonic wave generation unit 20 generates an ultrasonic wave traveling obliquely with respect to the surface inside the measurement object 2 using an interference fringe scanning method. The ultrasonic wave generator 20 includes a beam splitter 21, a mirror 22, and an acoustooptic device 23.
[0020]
The laser beam emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 is divided by the beam splitter 21 into a first laser beam L 1 reflected by the beam splitter 21 and a second laser beam L 2 transmitted through the beam splitter 21. The first laser beam L1 is incident on the surface of the measuring object 2 as it is. On the other hand, the second laser beam L <b> 2 is reflected by the mirror 22 and then enters the acoustooptic device 23.
[0021]
The acousto-optic element 23 is an element that utilizes an acousto-optic effect, and is used here as a frequency shifter. When an electrical signal having an appropriate frequency is applied to the acoustooptic device 23, the medium provided inside the acoustooptic device 23 performs ultrasonic vibration, and the elastic strain and pressure change depending on the location. As a result, the refractive index fluctuates in the medium, and when light from the outside enters the refractive index fluctuation region, the light diffracts. At this time, the diffracted light is subjected to Doppler shift due to ultrasonic vibration, and the frequency of the first-order diffracted light is a value shifted from the original incident light by the ultrasonic frequency. Therefore, the frequency of the second laser beam L2 emitted from the acoustooptic device 23 is the original frequency f. ₁ Shift from. The second laser beam L2 whose frequency is shifted in this way is incident on the surface of the measuring object 2. Here, the frequency of the second laser beam L2 whose frequency is shifted is expressed as f. ₂ And
[0022]
Next, the interference fringe scanning method will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the interference fringe scanning method, and FIG. 4 is a diagram for explaining a specific configuration of the ultrasonic wave generation unit 20 in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment.
[0023]
Here, as shown in FIG. 3, the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 is at an angle (incident angle) θ with respect to the thickness direction of the measurement object 2 (normal direction of the measurement object surface). Is incident on the measurement object 2. On the other hand, the second laser beam L2 emitted from the acoustooptic device 23 has an angle (incident angle) θ with respect to the thickness direction of the measurement object 2 from the side opposite to the first laser beam L1. It is assumed that the light beam enters the same irradiation position as the irradiation position of the beam L1. That is, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are irradiated to the same position on the measurement object 2 at an angle 2θ. Further, it is assumed that the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are in the same plane perpendicular to the width direction of the measurement object 2.
[0024]
In this situation, when the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 and the second laser beam L2 emitted from the acoustooptic device 23 are irradiated to the same position on the measurement object 2, two beams are emitted. Interfere with each other, producing interference fringes in which light waves strengthen and weaken alternately appear. Moreover, since the optical frequencies of the two laser beams L1 and L2 are slightly different, the interference fringes move on the surface of the measurement object 2. Here, the movement direction of the interference fringes is the rolling direction of the measurement object 2. Also, the interference fringe scanning speed V _R , Interference fringe wavelength λ _aco Is
V _R = Λ ₁ ・ (F ₂ -F ₁ ) / 2sinθ
λ _aco = Λ ₁ / 2sinθ
Given in.
[0025]
Since the interference fringes generated by the interference correspond to the pattern of thermal stress, ultrasonic waves corresponding to this pattern are generated. The wavelength of this ultrasonic wave is the wavelength λ of the interference fringes. _aco Is the same. In particular, the interference fringe scanning speed V _R Is made larger than the speed of sound of the ultrasonic wave inside the measurement object 2, the ultrasonic wave traveling obliquely with respect to the surface of the measurement object 2 can be generated. At this time, longitudinal and transverse ultrasonic waves are generated simultaneously. Such ultrasonic waves travel in a plane perpendicular to the width direction of the measuring object 2. In the present embodiment, only the longitudinal wave of the ultrasonic waves is considered. This is because it is sufficient to obtain information about the longitudinal wave when obtaining the temperature from the relationship between the internal temperature and the longitudinal wave sound velocity shown in FIG.
[0026]
The traveling direction angle (the angle with respect to the thickness direction of the measuring object 2) at the time of occurrence of this longitudinal wave is φ, and the sound velocity of the longitudinal wave inside the measuring object 2 at that time is V _L0 Then,
φ = sin ^-1 (V _L0 / V _R )
There is a relationship. Therefore, the scanning speed V of the interference fringes _R That is, the incident angle θ or the frequency difference f ₂ -F ₁ By adjusting this, the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated can be controlled.
[0027]
Note that the traveling direction angle at the time of the generation of the transverse wave is given by the above formula in which the sound speed of the longitudinal wave is replaced with the sound speed of the transverse wave.
[0028]
By the way, as will be described in detail later, in order to obtain the sound velocity of the longitudinal wave in each layer of the measurement object 2, the traveling direction angle at the time of the occurrence of the longitudinal wave is set in advance by the same number as the number of layers. Each time a longitudinal wave is generated at each traveling direction angle, it is necessary to measure the propagation time until the longitudinal wave generated at each traveling direction angle is reflected from the bottom surface of the measuring object 2 and returns to the surface again. . For this reason, it is necessary to control the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated. In the present embodiment, such control is performed by adjusting the incident angle θ of the laser beam. Specifically, the ultrasonic generator 20 is configured as shown in FIG. 4 so that the incident angle θ can be easily adjusted.
[0029]
That is, the first laser beam L1 reflected by the beam splitter 21 is allowed to enter the surface of the measurement object 2 perpendicularly. Further, a mirror 24 for reflecting the second laser beam L2 emitted from the acoustooptic device 23 and irradiating the measurement object 2 is provided. Then, the incident angle of the second laser beam L2 is controlled by moving the position of the mirror 24 along the rolling direction of the measuring object 2 using a linear stage or the like. Here, in FIG. 4, the actual incident angle of the second laser beam L2 is 2θ, but in this embodiment, the half angle θ is also referred to as the incident angle.
[0030]
Of course, the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated is controlled by adjusting the incident angle of the first laser beam L1 instead of the second laser beam L2, or by the first laser. You may make it carry out by adjusting the incident angle of both the beam L1 and the 2nd laser beam L2.
[0031]
FIG. 5 shows an example of the setting value of the incident angle θ when the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated is controlled to 20 degrees, 30 degrees, 40 degrees, and 50 degrees. In this example, the frequency difference f ₂ -F ₁ Is 80 MHz. As shown in FIG. 5, the incident angle θ may be set to 0.14 degrees in order to set the traveling direction angle φ at the time of longitudinal wave generation to 20 degrees. Further, the incident angle θ is set to 0.21 degrees to set the traveling direction angle φ at the time of occurrence of the longitudinal wave to 30 degrees, and the incident angle θ is set to 0.2 degrees to set the traveling direction angle φ at the time of generation of 40 degrees. What is necessary is just to set to 26 degree | times. In order to set the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated to 50 degrees, the incident angle θ may be set to 0.32 degrees.
[0032]
As can be seen from this example, since the setting value of the incident angle θ is very small, the mirror 24 is usually installed at a position far away from the surface of the measurement object 2 to some extent, for example, at a position 4 m away. . The “beam interval” shown in the table of FIG. 5 is an interval between the first laser beam L1 and the second laser beam L2 measured at a height position 4 m away from the surface of the measurement object 2. Specifically, the beam interval may be set to 9.8 mm in order to set the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated to 20 degrees. Also, the beam interval is set to 14.4 mm to set the traveling direction angle φ to 30 degrees when the longitudinal wave is generated, and the beam interval is set to 18.5 mm to set the traveling direction angle φ to 40 degrees when the longitudinal wave is generated. do it. Then, the beam interval may be set to 22.0 mm in order to set the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated to 50 degrees.
[0033]
Since a transverse wave is generated simultaneously with the longitudinal wave, for reference, FIG. 5 also shows the traveling direction angle of the transverse wave generated in conjunction with the longitudinal wave. The traveling directions of the longitudinal wave and the transverse wave are different because the velocity of the longitudinal wave and the velocity of the transverse wave in the measurement object 2 are different.
[0034]
Further, the position (detection point position) where the longitudinal wave propagates through the measurement object 2, is reflected by the bottom surface thereof, and returns to the surface (detection point position) can be roughly predicted. As an example, FIG. 6 shows a relationship between the beam interval and the longitudinal wave detection point candidate position. Here, the horizontal axis is the beam interval at a height position 4 m away from the surface of the measuring object 2, and the vertical axis is the longitudinal wave measured along the rolling direction from the incident position of the laser beams L1 and L2. This is a detection point candidate position. Since such detection point candidate positions depend on the thickness of the measurement object 2, FIG. 6 shows a case where the plate thickness of the measurement object 2 is 30 mm and 50 mm as an example. Incidentally, the graph of FIG. 6 is obtained on the assumption that the traveling direction of the longitudinal wave is constant inside the measuring object 2. However, in practice, the internal temperature of the measurement object 2 varies depending on the location, and the sound speed of the ultrasonic waves is not constant, so that the traveling direction of the ultrasonic waves changes inside the measurement object 2. For this reason, the detection point candidate position of the longitudinal wave obtained using the graph of FIG. 6 is different from the actual detection point position. For this reason, the expression “detection point candidate position” is used in FIG. 6 instead of the detection point position. In the present embodiment, the relationship between the beam interval and the detection point candidate position as shown in FIG. 6 is used as a reference for obtaining the actual longitudinal wave detection point position. Specifically, first, longitudinal wave detection point candidate positions are found using a graph as shown in FIG. Next, by actually generating longitudinal wave ultrasonic waves, the intensity of the longitudinal wave propagating through the measurement object 2 is detected in the peripheral region of the detection point candidate position. The largest intensity position is determined as the actual longitudinal wave detection point position.
[0035]
The ultrasonic detection laser 30 is used to detect ultrasonic waves (longitudinal waves) generated in the measurement object 2 by being irradiated with the laser beam from the ultrasonic wave generation laser 10 and propagating through the measurement object 2. It is a laser. As the ultrasonic detection laser 30, a laser emitting a single frequency laser beam is used.
[0036]
A laser beam (third laser beam) L <b> 3 emitted from the ultrasonic detection laser 30 is collected by the condenser lens 41 and then enters the optical fiber 51. The optical fiber 51 guides the third laser beam L3 to the beam acquisition unit 60.
[0037]
The beam acquisition unit 60 guides the third laser beam L3 to a predetermined detection point position, and acquires the third laser beam L3 reflected and scattered by the surface of the measurement object 2, as shown in FIG. ,

Two condenser lenses

61 and 62, and a half mirror 63. Moreover, this beam acquisition part 60 is comprised integrally, and can move along the rolling direction of the measuring object 2. FIG.
[0038]
The third laser beam L3 incident on the beam acquisition unit 60 is condensed by the condenser lens 61, passes through the half mirror 63, and is irradiated to a predetermined detection point position on the measurement object 2. Since the surface of the measuring object 2 is rough, the third laser beam L3 is scattered almost isotropically on the surface of the measuring object 2. At this time, when the longitudinal wave propagating through the measurement object 2 returns to the detection point position, the detection point position undergoes ultrasonic vibration. As a result, the frequency of the third laser beam L3 scattered on the surface of the measuring object 2 changes due to the Doppler shift caused by the ultrasonic vibration of the surface of the measuring object 2.
[0039]
A part of the third laser beam L 3 scattered on the surface of the measurement object 2 is reflected by the half mirror 63, collected by the condenser lens 62, and then enters the optical fiber 52. The optical fiber 52 guides the third laser beam L3 to the Fabry-Perot interferometer 70. The third laser beam L 3 emitted from the optical fiber 52 is collected by the condenser lens 42 and then enters the Fabry-Perot interferometer 70.
[0040]
The Fabry-Perot interferometer 70 detects a frequency change of the third laser beam L3 caused by the ultrasonic vibration, and has two reflecting mirrors 71 and 72 facing each other. The two reflecting mirrors 71 and 72 constitute a resonator, and function as a band-pass filter by multiple-reflecting the third laser beam L3 between the two reflecting mirrors 71 and 72. By adjusting the distance between the two reflecting mirrors 71 and 72, the frequency of light transmitted through the resonator can be adjusted.
[0041]
Here, a resonance curve in the Fabry-Perot interferometer 70 will be described. FIG. 7 shows an example of this resonance curve. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the frequency f of incident light, and the vertical axis indicates the output from the Fabry-Perot interferometer 70, that is, the intensity I of light transmitted through the Fabry-Perot interferometer 70. As can be seen from FIG. 7, the transmitted light intensity I shows a sharp peak at a specific frequency, but rapidly decreases before and after the peak. The frequency showing this peak can be changed by adjusting the distance between the reflecting mirrors 71 and 72 of the Fabry-Perot interferometer 70.
[0042]
Therefore, the distance between the reflection mirrors 71 and 72 is adjusted so that the frequency at the point (resonance curve operating point) A where the slope of the curve shown in FIG. 7 is maximum coincides with the oscillation frequency of the third laser beam L3. If so, a slight change ± Δf in frequency can be converted into a relatively large change ± ΔI in transmitted light intensity. As a result, the Fabry-Perot interferometer 70 transmits the change in frequency when the third laser beam L3 whose frequency is changed due to Doppler shift caused by ultrasonic vibration of the surface of the measurement object 2 is input. Output as change in light intensity.
[0043]
The transmitted light intensity output from the Fabry-Perot interferometer 70 is sent to the photodetector 80. The photodetector 80 converts the transmitted light intensity into an electrical signal. Thereby, the ultrasonic vibration is finally captured as an electrical signal. A signal from the photodetector 80 is sent to the computer 90 and recorded as waveform data.
[0044]
Based on the waveform data, the computer 90 obtains the propagation time until the longitudinal wave propagates inside the measurement object 2, is reflected at the bottom surface, and returns to the surface again. The timing at which the laser beam is emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 and the timing at which the laser beam is applied to the measurement object 2 are known in advance. For this reason, the computer 90 can obtain the propagation time of the longitudinal wave by examining the timing at which the frequency change is detected from the waveform data sent from the photodetector 80.
[0045]
In the present embodiment, the traveling direction angle when the longitudinal wave is generated is set in advance by the same number as the number of layers of the measurement object 2, and the computer 90 causes the ultrasonic wave generation unit 20 to perform the longitudinal wave in each traveling direction angle. Is generated, the propagation time of the longitudinal wave generated in the traveling direction is obtained. That is, the traveling direction angle when the longitudinal wave is generated is controlled, and the above-described propagation time measurement process is repeated a predetermined number of times. The computer 90 calculates the sound velocity of the longitudinal wave in each layer of the measuring object 2 based on the propagation time of the longitudinal wave generated at each traveling direction angle.
[0046]
Moreover, the computer 90 calculates | requires the internal temperature in each layer of the measuring object 2 based on the calculated sound velocity of the longitudinal wave in each layer. Here, in the computer 90, a database indicating the correspondence relationship between the internal temperature and the longitudinal wave speed of various steel materials is constructed. For this reason, the computer 90 can easily determine the internal temperature of each layer from the acoustic velocity of the longitudinal wave in each layer of the measurement object 2 using the database.
[0047]
Next, a method for calculating the sound velocity of longitudinal waves in each layer of the measurement object 2 from the propagation time of longitudinal waves generated at each traveling direction angle will be described in detail. 8 and 9 are diagrams for explaining a method of calculating the acoustic velocity of the longitudinal wave in each layer of the measurement object 2. FIG.
[0048]
In the case of a plank manufactured by a hot process, the internal temperature varies depending on the location, and the sound speed of the ultrasonic waves is not constant. For this reason, the advancing direction of an ultrasonic wave changes inside a thick board. In the present embodiment, it is assumed that the sound velocity of the longitudinal wave is constant in each layer of the measurement object 2 in the region of the measurement object 2 corresponding to the propagation region of the longitudinal wave generated by the ultrasonic wave generation unit 20. . In this case, as the thickness of each layer of the measurement object 2 is set to be smaller, the assumed sound velocity of the longitudinal wave approximates to an actual value. Therefore, if the thickness of each layer is set sufficiently small, the internal temperature can be measured with high accuracy.
[0049]
Now, as shown in FIGS. 8 and 9, let us consider a case where a thick plate which is the measurement object 2 is divided into four layers along the thickness direction. These layers are referred to as a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer in order from the surface side of the thick plate. Here, the thickness in the k-th layer (k = 1, 2, 3, 4) is defined as d _k , Where V is the average sound velocity of the longitudinal wave _k And And the traveling direction angle when the longitudinal wave is generated is φ _j When (j = 1, 2, 3, 4), the propagation time of the longitudinal wave is t _j And
[0050]
Also, under the above assumption, the traveling direction of the longitudinal wave in each layer is constant, so it is necessary to consider that the longitudinal wave is refracted when passing through the boundary surface of each layer as shown in FIG. However, in FIG. 8, such refraction is omitted, and the propagation path of the longitudinal wave is shown by a straight line. Here, as shown in FIG. 9, the longitudinal wave travels through the first layer of the measuring object 2 in the traveling direction angle φ. _j When propagating at (j = 1, 2, 3, 4), the refraction angle at the interface between the first layer and the second layer is φ _j2 , The refraction angle at the interface between the second layer and the third layer is φ _j3 , The refraction angle at the interface between the third layer and the fourth layer is φ _j4 And
[0051]
Longitudinal wave travels through the first layer of the measuring object 2 and the traveling direction angle φ _j When propagating at (j = 1, 2, 3, 4), longitudinal wave propagation time t _j Is
t _j = 2 [d ₁ / (V ₁ ・ Cosφ _j ) + D ₂ / (V ₂ ・ Cosφ _j2 ) + D ₃ / (V ₃ ・ Cosφ _j3 ) + D ₄ / (V ₄ ・ Cosφ _j4 ]]
It is. Here, applying Snell's law at each interface,

It can be expressed as. However, m = 2, 3, and 4. Therefore,

It becomes. Here, j = 1, 2, 3, and 4.
[0052]
The four propagation times t ₁ , T ₂ , T ₃ , T ₄ In the equation, the traveling direction angle φ when the longitudinal wave is generated ₁ , Φ ₂ , Φ ₃ , Φ ₄ Is a parameter known by the fringe scanning method, and the thickness d of each layer ₁ , D ₂ , D ₃ , D ₄ Is also known in advance. Therefore, the computer 90 calculates the longitudinal wave propagation time t obtained using the laser ultrasonic method. ₁ , T ₂ , T ₃ , T ₄ Is substituted into each of the above equations, and the four longitudinal wave velocities V ₁ , V ₂ , V ₃ , V ₄ By solving nonlinear simultaneous equations with unknowns as the unknown, ₁ , V ₂ , V ₃ , V ₄ Can be calculated.
[0053]
Next, a procedure for measuring the internal temperature distribution of the measuring object 2 in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment will be described. FIG. 10 is a flowchart for explaining a procedure for measuring the internal temperature distribution of the measuring object 2 in the internal temperature distribution measuring apparatus.
[0054]
First, the operator sets the number of layers that divide the measurement object 2 along its thickness direction, the thickness of each layer, and the traveling direction angle of the longitudinal wave generated by the interference fringe scanning method as the number of layers. The same number is set (S1). Then, the operator inputs these set values to the computer 90 (S2).
[0055]
Next, the operator selects one traveling direction angle among the traveling direction angles of the plurality of longitudinal waves set in step S1 (S3). Then, the position of the mirror 24 in the ultrasonic generator 20 is adjusted so that a longitudinal wave is generated at the selected traveling direction angle (S4). Thereafter, with reference to the relationship between the beam position and the detection point candidate position as shown in FIG. 6, the laser beam is actually emitted from the ultrasonic wave generation laser 10, thereby generating a vertical beam generated inside the measurement object 2. The actual detection point position of the wave is detected. Then, the position of the beam acquisition unit 60 is adjusted so that the third laser beam L3 emitted from the ultrasonic detection laser 30 is irradiated to the detection point position of the longitudinal wave (S5).
[0056]
When the preparation is completed in this manner, a laser beam is emitted from the ultrasonic wave generation laser 10 to generate a longitudinal wave inside the measurement object 2 and a third laser beam is emitted from the ultrasonic wave detection laser 30. As a result, the beam acquisition unit 60 and the Fabry-Perot interferometer 70 detect the frequency change of the third laser beam caused by the vibration of the longitudinal ultrasonic wave. Then, the computer 90 obtains the propagation time of the longitudinal wave based on the waveform data representing the frequency change (S6). The propagation time of the longitudinal wave is stored in a predetermined memory of the computer 90.
[0057]
The processing from S3 to S6 is repeated for all longitudinal wave traveling direction angles set in step S1 (S7). Thus, the propagation time of the longitudinal wave generated at each traveling direction angle is measured.
[0058]
Next, the computer 90 calculates the sound velocity of the longitudinal wave in each layer of the measuring object 2 based on the propagation time of the longitudinal wave generated at each traveling direction angle (S8). Thereafter, the computer 90 uses a database indicating the correspondence relationship between the internal temperature and the longitudinal wave sound velocity for the measurement object 2 to obtain the internal temperature of each layer from the sound velocity of the longitudinal wave in each layer of the measurement object 2 (S9). ). The internal temperature of each layer obtained in this way is displayed on the screen of the computer 90, for example.
[0059]
In the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment, by using the laser ultrasonic method and the interference fringe scanning method, longitudinal wave ultrasonic waves traveling obliquely with respect to the surface are generated inside the measurement object, and the vertical wave is generated. A propagation time of a longitudinal wave when a wave is generated in each of a plurality of traveling directions is obtained. Then, based on the propagation time of the plurality of longitudinal waves obtained, the longitudinal wave sound velocity in each layer of the measurement object divided in advance along the thickness direction is calculated, and based on the calculated longitudinal wave sound velocity in each layer Determine the internal temperature of each layer. Therefore, in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment, the internal temperature of the measurement object is not estimated by model calculation or the like as in the prior art, and therefore the internal temperature of the measurement object can be accurately obtained.
[0060]
In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary.
[0061]
In the above embodiment, the case where the internal temperature of the measurement object is obtained based on the sound velocity of the longitudinal wave has been described. However, the internal temperature of the measurement object may be obtained based on the sound velocity of the transverse wave. The sound speed of the transverse wave can be calculated by the same method as the method of calculating the sound speed of the longitudinal wave described above. Moreover, in this case, it is necessary to construct a database of the correspondence relationship between the internal temperature and the sound speed of the transverse wave for various steel materials in the computer.
[0062]
Further, in the above embodiment, the case where the measurement object is divided into four layers along the thickness direction and the internal temperature of each layer is measured has been described. The internal temperature of each layer may be measured by dividing into layers. In particular, as the number of layers to be divided increases, the measurement accuracy of the temperature distribution inside the measurement object improves. For this reason, it is necessary to determine the number of layers that classify the measurement object in consideration of such measurement accuracy.
[0063]
Furthermore, in the above embodiment, the case where a thick plate manufactured by a hot process is used as a measurement object has been described. However, the internal temperature distribution measuring device of the present invention is not limited to such a thick plate. It can also be applied to.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present invention, by using the laser ultrasonic method and the interference fringe scanning method, an ultrasonic wave traveling obliquely with respect to the surface is generated inside the measurement object, and The propagation time of the ultrasonic wave when the ultrasonic wave is generated in each of a plurality of traveling directions is obtained. Then, based on the obtained propagation times of the plurality of ultrasonic waves, after calculating the ultrasonic velocity of sound in each layer of the measurement object previously divided along the thickness direction, the calculated ultrasonic velocity of sound in each layer Based on the above, the internal temperature of each layer is obtained. Therefore, in the present invention, since the internal temperature of the measurement object is not estimated by model calculation or the like as in the prior art, the internal temperature of the measurement object can be accurately obtained.
[0065]
Moreover, according to the internal temperature distribution measuring method of the present invention, the internal temperature distribution of the measurement object can be accurately measured as described above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal temperature distribution measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between internal temperature and longitudinal wave sound velocity for a steel material.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of an interference fringe scanning method;
FIG. 4 is a diagram for explaining a specific configuration of an ultrasonic wave generation unit in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a set value of an incident angle θ of a laser beam when controlling a traveling direction angle φ when a longitudinal wave is generated.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between beam intervals and longitudinal wave detection point candidate positions;
FIG. 7 is a diagram showing an example of a resonance curve of a Fabry-Perot interferometer in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment.
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating a longitudinal wave sound velocity in each layer of a measurement object;
FIG. 9 is a diagram for explaining a method for calculating the acoustic velocity of longitudinal waves in each layer of the measurement object.
FIG. 10 is a flowchart for explaining the procedure for measuring the internal temperature distribution of the measurement object in the internal temperature distribution measuring apparatus of the present embodiment.
[Explanation of symbols]
2 Measurement object
10 Laser for ultrasonic generation
20 Ultrasonic generator
21 Beam splitter
22, 24 mirror
23 Acoustooptic device
30 Laser for ultrasonic detection
41, 42 condenser lens
51,52 Optical fiber
60 Beam acquisition unit
61, 62 condenser lens
63 half mirror
70 Fabry-Perot interferometer
71,72 Reflection mirror
80 photodetectors
90 computers

Claims

An internal temperature distribution measuring device that divides a plate-like measurement object into a plurality of layers along its thickness direction and measures the internal temperature of each layer at a predetermined position on the surface of the measurement object,
By irradiating the first laser beam and the second laser beam having different frequencies to the same position of the measurement object at a predetermined incident angle, interference between the first laser beam and the second laser beam is caused. An ultrasonic generation means for generating an ultrasonic wave traveling obliquely with respect to the surface of the measurement object inside the measurement object;
Beam acquisition that guides the third laser beam to a position where the ultrasonic wave is reflected from the bottom surface of the measurement object and returns to the surface, and acquires the third laser beam reflected from the surface of the measurement object. Means,
Based on the third laser beam acquired by the beam acquisition means, a frequency change detection means for detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by vibration of the ultrasonic wave;
An arithmetic means for obtaining a propagation time during which the ultrasonic wave has propagated inside the measurement object based on waveform data representing a frequency change of the third laser beam detected by the frequency change detection means;
The number of layers is set in advance in the same direction as the number of layers when the ultrasonic waves are generated, and the calculation unit is configured to generate the ultrasonic waves in the respective traveling directions. And calculating the ultrasonic velocity of the ultrasonic wave in each layer based on the propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions. An internal temperature distribution measuring apparatus for obtaining an internal temperature of each layer based on the speed of sound of the ultrasonic wave.

The first laser beam and the second laser beam are obtained by branching a single laser beam generated from one laser device into two and making one of the branched laser beams enter an acoustooptic device. The internal temperature distribution measuring device according to claim 1, which is obtained.

The ultrasonic wave generation unit controls a traveling direction when the ultrasonic wave is generated by adjusting an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam. The internal temperature distribution measuring apparatus according to claim 1 or 2.

The beam acquisition means includes the third laser at a position where longitudinal ultrasonic waves of the ultrasonic waves generated inside the measurement object by the ultrasonic wave generation means have returned to the surface of the measurement object. 4. The internal temperature distribution measuring device according to claim 1, wherein the beam is guided.

An internal temperature distribution measurement method for dividing a plate-like measurement object into a plurality of layers along its thickness direction and measuring the internal temperature of each layer at a predetermined position on the surface of the measurement object,
By irradiating the first laser beam and the second laser beam having different frequencies to the same position of the measurement object at a predetermined incident angle, interference between the first laser beam and the second laser beam is caused. A first step of generating ultrasonic waves traveling obliquely with respect to the surface of the measurement object inside the measurement object;
A second laser beam is guided to the position where the ultrasonic wave is reflected from the bottom surface of the measurement object and returned to the surface, and the third laser beam reflected from the surface of the measurement object is acquired. Steps,
A third step of detecting a change in the frequency of the third laser beam caused by vibration of the ultrasonic wave based on the third laser beam acquired in the second step;
A fourth step of obtaining a propagation time during which the ultrasonic wave propagated inside the measurement object based on waveform data representing a change in frequency of the third laser beam detected in the third step;
The number of traveling directions when the ultrasonic waves are generated is set in advance by the same number as the number of layers, the ultrasonic waves are sequentially generated in the set traveling directions, and the first step to the fourth. A fifth step of obtaining a propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions by repeating the steps;
A sixth step of calculating a speed of sound of the ultrasonic wave in each layer based on a propagation time of the ultrasonic wave generated in each of the traveling directions;
A seventh step for determining the internal temperature of each layer based on the sound velocity of the ultrasonic wave in each layer calculated in the sixth step;
An internal temperature distribution measuring method comprising:

The first laser beam and the second laser beam are obtained by branching a single laser beam generated from one laser device into two and making one of the branched laser beams enter an acoustooptic device. 6. The internal temperature distribution measuring method according to claim 5, wherein the method is obtained.

In the first step, a traveling direction when the ultrasonic wave is generated is controlled by adjusting an incident angle of at least one of the first laser beam and the second laser beam. Item 7. An internal temperature distribution measuring method according to Item 5 or 6.

In the second step, the third laser beam is located at a position where longitudinal ultrasonic waves of the ultrasonic waves generated in the measurement object in the first step have returned to the surface of the measurement object. The internal temperature distribution measuring method according to claim 5, 6 or 7, characterized in that: