JP3819029B2 - 金属材料性物体の物理的パラメータの誘導測定方法および装置およびその方法および装置の使用 - Google Patents

Description

技術分野
導電性のある材料に関連して、例えば金属材料加工の間に誘導測定技術を用いる場合には、誘導干渉が時々発生して、その結果測定結果にかなりの誤差が生じることになる。好ましくは、金属材料のロ−ル加工においては、プロセス工場で、ロ−ル加工しようとしている未加工品のパラメ−タ、例えば厚さ、エッジ位置等を、高い測定精度で連続測定可能にすることが望まれる。本発明は金属製の対象物を誘導測定している間に誘導干渉影響を減少させるための方法、およびその装置に関するものである。
背景技術
金属でできた導電性材料における物理パラメ−タの誘導測定については以前から知られている。誘導測定技術に関していうと、金属対象物までの距離と、その寸法が決定される。この方法はまた材料の電気抵抗を測定し、またシ−トやパイプ壁部の厚さのようなパラメ−タを決定することができる。例えば、米国特許４４７５０８３においては、正弦的な時間変化によって発生される磁場が、距離や、寸法、および電気抵抗を測定するためにどのように用いられるかが記載されている。方形パルス法によって発生される磁場の崩壊を研究することによって、米国特許第５０５９９０２はそのような技術がどのようにして距離や、寸法、電気抵抗、および材料の厚さを決定するために用いられるかを記載している。また米国特許第５２７０６４６からは、複数個の測定コイルを有した測定装置を用いて、ロ−ル加工しようとしている未加工品の周囲に発生した磁場の崩壊を解析することによって、ロ−ル加工される鉄板の巾やエッジ位置をどのようにして決定することができるかがわかる。
使用される評価技術を以下簡単に説明する。１次コイルに対して交流電流あるいは二極性パルスあるいは一方向直流電流を加えることによって磁場が発生される。測定コイルの中に誘起され、かつ崩壊する磁場と関連して発生する不規則な電圧信号を評価することにより、材料の厚さや導電率だけでなく測定コイルと導電性材料との間の距離も決定することができる。前記パラメ−タはサンプル測定によって、即ち、測定を各種の時間間隔に分割することによってほぼ決定することができる。コイルと材料との間の距離は、磁場遮断直後の時間間隔において誘起された電圧の値によってほぼ画定される。
大部分の適用例においては、既知の測定方法がうまく機能する。しかしながら、測定しようとしている対象物が２つの接触面の間に配置されていて、閉じた電気回路を形成している時には問題が生じる。１次コイル中の電流がなくなると、磁場は崩壊し、測定しようとしている対象物内に渦電流を誘起させ、該渦電流が、測定しようとしている対象物の特性に合わせて、崩壊している磁場に影響を与える。崩壊プロセスが測定コイルによって検出され、そこで磁場が電圧を誘起させ、このことから求めているパラメ−タを解析することができる。しかしながら、同じ磁場が上述した回路の中に電流をも誘起する。この電気回路における電流がさらに磁場を発生させ、これが崩壊する磁場と反作用をして、測定コイルに誘起された電圧に誤差を与える。測定コイルの電圧のみを解析すると、情報を有した信号を干渉信号から区別することができなくなる。従って決定しようとしているパラメ−タにかなりの誤差が生じることになる。この問題は、前記接触面が測定コイルに近接して配置され、外部の閉じた電気回路が測定領域とぴったりと取り囲んでいる場合には加速される。
ロ−ル加工しようとする未加工品を機械加工している間、該未加工品はロ−ルと連続的に接触し、該ロ−ルはビ−ムあるいは地面という支持装置を介して互いに連結されている。このようにして外部の閉じた電気回路が形成され、それによってロ−ル加工しようとしている未加工品は回路の中で１つの導電体を形成することになる。既知の測定方法を適用する時には、例えばロ−ル加工しようとしている未加工品の厚さを決定する場合にかなりの誤差が与えられることになる。
発明の概要
本発明の目的は、２つの支持体の間に配置されて、閉じた電気回路を形成する金属製の対象物の物理パラメ−タを画定し、従って上述した欠点をなくすかあるいは少なくとも減少させるための、測定方法および測定装置を提供することにある。本発明によると、測定領域の外側ではあるが、閉じた電気回路に取り囲まれるようにして磁場測定コイルを導入することによって達成され、該閉回路内の電流によって発生される磁場が独立に決定され、求めているパラメ−タを測定する場合の正確度を増加させるために用いられる。
本発明は、例えば上述した特許書類の中で記載されたような既知の誘導測定技術に基づいている。従って、その開始点は、時間変化する磁場を発生させ、かつ測定領域における磁場において測定しようとしている対象物の誘導的な影響を測定する１あるいはそれ以上のコイルであり、また、測定しようとしている対象物の誘導的な影響を望みのパラメ−タに変換する信号処理回路である。金属材料をロ−ル加工している間は、ロ−ル加工しようとする未加工品は、測定領域の両側において２つのロ−ル上に配置されており、前記ロ−ル加工しようとしている未加工品を回路の一部分として、測定領域の周囲で閉じた電気回路が形成される。時間変化する磁場によって該閉回路内に誘起された電流は、１つの磁場測定コイルによって測定することができる。測定しようとしている対象物の磁気特性によって影響されないようにするために、磁場測定コイルは測定しようとしている対象物からある距離を置いて配置しなければならないが、このコイルは閉じた電気回路によって取り囲まれてもいなければならない。磁場測定コイルの電圧を解析することによって、閉回路内の電流によって発生された磁場の大きさを画定することができ、測定に関するその影響を除去することができる。
磁場測定コイルからの処理された信号は、１次測定における干渉磁場の影響と反作用するために用いられる。好ましくは、この目的のためにマイクロコンピュ−タが用いられる。磁場測定コイルに誘起された電圧は、測定コイルにおける電圧に関する干渉磁場の影響に直接比例し、適当に増巾させた後で、信号処理回路へ直接供給される。これらの場合には、上述のように、測定しようとする対象物と、該測定しようとする対象物と接触する２つのロ−ルとからなる電気回路が幾何学的に定常状態であり、金属部分と測定しようとする対象物との間の接触面における電気抵抗も測定プロセスは一定であり、回路内の電流を１回測定するだけで十分である。
【図面の簡単な説明】
本発明について添付図面を参考にしながら、実施例を説明することによって、さらに詳細に説明することにする。
図１は本発明による測定装置を備えたロ−ルミルの一部を示す図である。
図２は本発明による測定と信号処理のための要素図である。
図３は外部の干渉磁場からの影響をなくすための付加ユニットを備えた、エッジ位置測定装置のための要素図である。
図４は干渉影響が、一定の電気特性を有した電気回路によって発生される測定状態の例を示す図である。
好的実施例の説明
図１に示したロ−ルミルは、この場合においてはシ−ト状になったロ−ル加工しようとする未加工品１を有しており、これは第１ロ−ラ２と第２ロ−ラ３との間に位置している。該２つのロ−ラは各々ベアリング装置７によって軸受けされており、これらは図において部分的にしか示されていないベ−ス８に結合されている。前記ロ−ラの間で、かつシ−トの直下において、誘起測定装置４が配置されている。第１ロ−ラと、シ−トと、第２ロ−ラと、ベ−スとによって磁場測定コイル５が包囲されて配置されており、その誘起測定電圧が、前記シ−ル１あるいは測定装置４を介して発生された磁場によって影響を受けないように配置されている。測定は、測定装置の中に収納された１次コイルが磁場を発生させて、これがシ−ト１上に渦電流を誘起することによって行なわれる。１次コイルにおける電流がなくなると、発生していた磁場は崩壊し、それによってシ−トには再び渦電流が誘起され、これらの渦電流が第２磁場を発生させ、これが測定しようとしている対象物における望みのパラメ−タに関する情報を提供する。前記崩壊の過程は測定装置の中に含まれた測定コイルによって検出され、その崩壊している磁場から電圧が誘起される。静止磁場と崩壊磁場とを解析することにより、例えば測定コイルとシ−トとの間の距離や、測定コイル上でのシ−トの重なり具合、およびシ−トの厚さのような物理パラメ−タを決定することができる。
図１に示したようなロ−ルミルにおいては閉じた電気回路が形成されており、この電気回路は、ロ−ル加工しようとする未加工品１と、第１ロ−ラ２およびそのベアリング装置と、ベ−ス８と、第２ロ−ラ３およびそのベアリング装置とが全て導電性があって、互いに他と接続され構成されている。加えられた１次磁場が崩壊すると、渦電流が測定しようとしている対象物に誘起され、これらの渦電流が第２磁場を発生させ、これが測定しようとしている対象物に関する情報を含有している。しかしながら、同時に図１の鎖線によって示されたように、上述したような閉じた回路の中で電流６が崩壊している磁場によって誘起される。もし該回路内に包含される部品どうしの間に短い距離が存在する場合には、かなり電流６が第３磁場を発生させ、これが前述した情報を有した１次磁場および２次磁場に対して反作用をする。測定コイルに誘起された電圧がこれら３つの全ての磁場を崩壊させる結果となり、第３磁場によって乱される。従って、測定コイルにおける信号のみを解析すると、望みのパラメ−タを決定する場合に相当な誤差を与えることになる、このことがそのような長時間に亘って誘起測定システムを用いて測定することの理由の１つであり、これは結果として時々そのような大きな誤差を招くことになり、この方法は不十分なものであると考えられてきた。
磁場測定コイル５が３次磁場を検出するが、しかし１次磁場あるいは２次磁場によって影響を受けないように該測定コイルを配置することによって、測定装置に対して修正信号が供給される。前記磁場測定コイル５は測定領域の縁において、しかしながら、電流６が誘起される閉回路の内側に配置される。磁場測定コイル内に誘起される時間変化する電圧は、望みのパラメ−タを決定する場合に３次磁場によって発生される誤差の値となる。
図２は本発明による測定と信号処理のための装置の要素図である。この図は測定しようとしている細長い対象物１、例えば棒の断面を示しており、それに対してコイル４が非接触的に配置されている。測定領域の両側、即ち、図面より上方および下方におけるそれぞれの平面内において、該対象物と接続された機械部分が存在し、これらの２つの機械部分が該測定領域の外側において導電体９によって電気的に相互連結されていて、従って電気的な閉回路が形成されているものとする。コイル４と測定しようとしている対象物１との間の距離および／あるいは測定しようとしている対象物の電気抵抗を測定するために、該コイル４には駆動回路１０から時間変化する電流が供給される。この電流は時間変化する磁場を増加させ、このことは該コイルが磁場発生のために用いられていない時間周期の間に、該コイル４によって検出される。閉回路内において崩壊している磁場によって誘起された電流６は磁場測定コイル５によって検出される。該測定コイルは、それが磁場上の対象物の通常の外乱のない影響を測定するのではなく、電流６によって発生された干渉磁場の外乱のない磁場に関する影響を検出するように配置されている。コイル４および磁場測定コイル５からの電圧信号は、差動増巾器１１の中で差し引かれる。該増巾器からの出力信号が処理装置１２の中で干渉磁場のために補償され、正しい物理パラメ−タが画定される。
図３は、米国特許第５２７０６４６によるシ−トのエッジ位置測定装置に対して本発明をどのように用いることができるかを示す図である。ここでは、コイルからの信号は、測定しようとしている対象物（Ｍ）の距離、位置（Ｘ_M2）と、傾斜度とを表すために用いられる。しかしながら、この方法は外部の磁場からの干渉に対して非常に敏感で、ロ−ルミルにおいては、外部の電気回路によって生じる干渉磁場によって、明らかな誤差がしばしば発生している。３つのコイル（Ｌ₁）、（Ｌ₂）、（Ｌ₃）には３つの駆動回路１３、１４、１５から電流が供給されており、それへの電源供給はリレ−１７を介して制御回路１６によって制御されており、従って測定しようとしている対象物の周りには時間変化する磁場が発生する。電流の供給がなくなると、コイル（Ｌ₁）、（Ｌ₂）、（Ｌ₃）における磁場が崩壊し、今度は測定コイルとして用いられる該コイル内に、崩壊過程に比例した電圧が誘起される。該コイル（Ｌ₁）、（Ｌ₂）、（Ｌ₃）における電圧は分離ユニット３２内に設けられた参考コイル（Ｌ_R1）、（Ｌ_R2）、（Ｌ_R3）からの電圧と比較されて、分離的な増巾器２１、２２、２３において増巾される。外部の電流ル−プからの干渉磁場は最も外側のコイル（Ｌ₃）にしか影響を与えない。この干渉磁場の影響を減少させるために、付加的な磁場検出コイル（Ｌ₄）が、シ−トによって発生される磁場変化に関連する領域の外側に配置される。該コイル（Ｌ₄）からの信号は増巾器１８において増巾され、積分器１９において積分される。３つの前記増巾器２１、２２、２３からの信号は、３つの対になった積分器２４、２５、２６、２７、２８、２９において積分される。全ての該積分器は制御回路１６によって制御され、積分作用がある時間間隔の中で行なわれるようになっており、それによって積分器２４、２６、２８が第１時間間隔の中で信号を積分し、その他の積分器が第２時間間隔の中で信号を積分するようになっている。
第１時間間隔の間に外側の測定コイル（Ｌ₃）から積分され、かつ積分器２４から得られた信号は、干渉磁場によって発生され、かつコイル（Ｌ₄）によって測定された誤差に関して調節され、該誤差信号は積分器１９から得られて、差動増巾器２０の中で差し引かれる。該差動増巾器２０からの信号と積分器２５、２６、２７、２８、２９からの信号とはアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３０の中でアナログ信号からデジタル信号に変換され、既知の方法によってマイクロプロセッサ−３１の中で処理される。前記差動増巾器２０における引き算は、代わりにマイクロプロセッサ−の中で行ってもよく同じ結果が得られる。その場合には、該差動増巾器２０は省略され、積分器１９からの信号は分離的なＡ／Ｄチャンネルの中でデジタル系に変換され、マイクロプロセッサ−３１の中でひき算が行なわれる。
通常は、第１時間間隔の間で、外部電流ル−プからの干渉磁場を考慮に入れて、信号値を調節すれば十分である。しかしながら、薄いシ−トを測定している時には、測定結果の正確さに関しては、第２時間間隔の間における干渉もまた重要である。このような場合には、図３に示したのと同様にして積分器１０からの積分信号を補償するためのチャンネルを追加すればよい。
図４は干渉影響が一定の電気特性を有した電気回路によって発生される場合の例を示している。多くの場合、シ−ト、棒、管、および類似の製品のような材料が製作される産業プロセスにおいては、測定領域の近くにおける機械部分は該材料と大きな接触圧力の下で接触している。該機械部分は材料を変形させるためのロ−ルであっても、材料を整列させるためのロ−ラであっても、あるいは他の類似の機械要素であってもよい。そのような場合には、上述したようにして形成された電気回路は、測定しようとしている対象物が誘導測定に関して静止している限りは電気的に一定である。図４は平面図で見た水平なシ−ト１のエッジにおける測定装置を示している。コイル４のコネクタ３５に時間変化する電流を供給することによって、測定領域内に磁場が発生される。この場合には、該コイル４は長方形であり、シ−トで覆われていないコイル表面の部分がｄｘで示されている。前記コネクタ３５の間で、測定領域における崩壊する磁場が測定される。例えばロ−ルのような機械部分が、点線２、３に沿って水平シ−ト１と連続的に接触している。これらの点線に沿った接触抵抗はほぼ一定である。ベ−スの形になった電気的な接触路９を介して電気的な閉回路が形成される。測定領域の外側ではあるが該閉回路の内側における磁場測定コイル５がコネクタ３６を介して信号を送り、この信号が干渉磁場の影響を減少するために用いられる。
図４で説明した電流ル−プは定常状態にある。従って上述した測定プロセスより単純な測定プロセスを用いることができる。従って干渉磁場の測定も、プロセスそれ自身の間の連続測定を行なっている間に行なわれる。磁場測定コイル５を用いて、該コイルを横切る各種の位置において該シ−トに係る干渉磁場が測定される。この測定から、シ−トのエッジの位置の関数として、干渉磁場の影響の値が得られる。この値は、その後のプロセス測定の間で測定された値から減少されるべきものである。この操作は、例えば、振巾信号をシ−トのエッジの位置信号に変換する解析ユニットの中で行なわれてもよい。そのような解析ユニットはマイクロコンピュ−タの形態になっていてもよい。前記磁場測定コイル５は、干渉磁場の影響を測定した後は、取り外してもよい。測定された前記減少の操作は、外部電気回路を決定する回路６が、例えば、測定領域の周囲で機械を再構築することによって変化されない限り有効である。
図４に示した場合において、干渉磁場の大きさはシ−トに覆われていないコイル表面の部分に直接依存する。このことは、干渉磁場の大きさの測定が一定のシ−ト位置において行なうだけでよいことを意味している。その後で、他のシ−ト位置における各々の干渉磁場を計算すればよい、というのは覆われている程度が前記一定のシ−ト位置において得られた測定値に対して直接比例するからである。あるいは、干渉磁場の影響は、ある程度覆われた位置において測定された、シ−トのエッジの位置の誤差の値として決定することもできる。他のエッジ位置における誤差が測定誤差に対して直接比例するので、あらゆる他の誤差は計算することができる。このタイプの計算は測定装置の中に含まれたマイクロプロセッサ−によって適当に実行される。コイルが長方形でない場合には、コイルの全表面積に関して、シ−トで覆われていないコイルの表面積に比例して行なわれる。
通常は、干渉磁場を検出する磁場測定コイル５は測定領域の外側に配置される。実際には、このことは、該コイルが測定装置の中に含まれていて、最も近接した測定コイルまでの距離が該測定コイルの直径に等しいかあるいはそれ以上になるように配置されていることを意味している。例えば、測定空間に限度があるようなある種の場合には、実際にそのような位置取りを行なうことは困難であるかもしれない。そのような場合には、磁場測定コイルは測定コイルにより近接して配置してもよいが、その場合には、シ−トのエッジ位置ｄｘに依存した上述の２次磁場によって影響を受けるであろう。該測定コイルからは、信号処理をした後で、主としてシ−トのエッジ位置ｄｘに依存し、また少ないけれども、閉回路によって発生された干渉磁場に依存した信号が得られる。前記磁場測定コイル５からは、信号処理をした後で、主として干渉磁場に依存し、また少ないけれどもシ−トのエッジ位置に依存した信号が得られる。異なったシ−トのエッジ位置において、測定コイルと磁場測定コイルとの信号を測定することによって、２つのコイルからの信号に対する干渉磁場の影響を表にしたりあるいは数学的な関係にして表すことができ、このことからエッジ測定に関する干渉磁場の影響の減少を計算することができる。そのような計算は、好ましくは、測定装置に連結されたマイクロプロセッサ−によって行なうことができる。
本発明はロ−ルミルあるいはエッジ位置測定装置に関連して適用されるものとは限定されず、外部の回路内に誘起される干渉磁場に関して問題が発生するような全ての誘導測定に関して用いることができる。従って、誘導的な距離測定や寸法測定、電気抵抗の測定、およびシ−トの厚さの測定にも適用することができる。その場合の条件は、干渉磁場の測定が望みのパラメ−タの１次測定と同様にして測定されるということである。
本発明はパルス状の磁場を用いた測定だけでなく、他のタイプの時間変位する磁場に対しても適用することができる。

Claims (3)

1. 金属材料でできた対象物（１）の物理パラメ−タを誘導的に測定する方法であって、測定領域の中で、１次コイル（４）から時間変化する磁場が発生され、該磁場は該対象物の中で該時間変化する磁場に影響を与える渦電流を誘起し、該磁場は測定コイル（４）によって検出され、該コイルから望みのパラメ−タに関する情報を有した信号が得られる、その誘導測定方法において、前記対象物が２つの支持体と接触して閉じた電気回路の一部を形成し、磁場測定コイル（５）が前記測定領域の外側に導入されるが、前記電気回路によって取り囲まれ、該磁場測定コイルが前記時間変化する磁場によって電気回路内に誘起された電流（６）を検出し、該電流が前記時間変化する磁場に影響を与える干渉磁場を発生させることによって、前記測定コイルによって検出される信号に誤差を与え、前記磁場測定コイルの出力信号が前記測定コイルの出力信号を補償するようになっていて、前記電気回路内の電流によって発生された誤差が除去されることを特徴とする誘導測定方法。
2. 金属材料でできた対象物（１）の物理パラメ−タを誘導的に測定する装置であって、該対象物に渦電流を誘起する時間変化する磁場を発生させる１次コイル（４）と、前記渦電流によって誘起される時間変化する磁場を検出する測定コイル（４）とを具備し、該測定コイル（４）の出力信号が望みのパラメ−タに関する情報を有している、その測定装置において、前記対象物が２つの支持体と接触して閉じた電気回路の一部を形成し、該装置が磁場測定コイル（５）を有し、該磁場測定コイルが測定領域の外側に配置されるが、しかし前記電気回路によって取り囲まれ、該磁場測定コイルが前記時間変化する磁場によって電気回路内に誘起された電流（６）を検出し、該電流が前記時間変化する磁場に影響を与える干渉磁場を発生させることによって、前記測定コイルによって検出される信号に誤差を与え、前記磁場測定コイルの信号が測定コイルの信号を補償するようになっていて、前記電気回路内の電流によって発生された誤差が除去されることを特徴とする誘導測定装置。
3. 金属材料でできた対象物のパラメータを誘導的に測定する方法であって、
   ａ）一次コイルで、時間変化する磁場を発生させて対象物内に渦電流を誘導するステップであって、前記渦電流は時間変化する磁場に影響を与えるステップと、
   ｂ）測定コイルで、時間変化する磁場上の渦電流の影響を測定するステップと、
   ｃ）測定領域の外側で、前記対象物がその一部を形成する電気回路の内側に、磁場測定コイルを配置するステップと、
   ｄ）磁場測定コイルで、磁場によって前記電気回路内に誘導される電流を検出するステップと、
   ｅ）測定コイルの出力を磁場測定コイルの出力によって補償して電気回路内の電流によって生じる誤差を取り除くステップと、
   を備える方法。

Images