JPH0236162B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁超音波を用いて連続鋳造におけ
る鋳片の凝固厚みを測定する装置（以下シエル厚
計という）に関するものである。

従来この種の装置として第１図に示すものがあ
つた。図において１は電磁超音波発生器、２は電
磁超音波受信器、７は鋳片、８はパルス発生回
路、９は励磁電源、１０は増幅器、１１はゲート
回路、１２は透過時間測定回路、１３は表面温度
計、１４は鋳片全厚み測定器、１５は凝固厚み演
算回路、１６は出力回路である。一方、第２図は
このシエル厚計における電磁超音波発生、および
受信の原理を示す図である。この図において３は
電磁超音波発生コイル、４は電磁超音波検出コイ
ル、５は磁界を発生させるための励磁コイル、６
は磁気回路を形成するための磁心である。ここで
検出コイル４の出力２１は増幅器１０に接続され
ている。

次に動作について説明する。パルス発生回路８
によつてパルス信号を通電された発生コイル３は
コイルのまわりに矢印１７のようにパルス磁界を
発生し、このパルス磁界はレンツの法則により厚
みＤの鋳片７の表面に起電力を誘起し、うず電流
１８を発生させる。このうず電流１８はさらにフ
レミングの左手の法則により矢印１７のパルス磁
界との相互作用によるパルス電磁力を発生させこ
れが鋳片７の表面に超音波振動を起させる。以上
が電磁超音波発生の原理である。次に鋳片７の表
面で発生した電磁超音波は鋳片７の中を矢印１９
の向きに進行し、他面に達すると鋳片７の表面に
振動を発生させる。この振動と、励磁電源９によ
つて励磁された励磁コイル５が作る磁界との相互
作用により鋳片７の表面に起電力が発生する。こ
れはフレミングの右手の法則によるものである。
この起電力は鋳片７の表面にうず電流２０を発生
しこのうず電流の作る磁界がレンツの法則によ
り、検出コイル４に起電力を誘起し、この起電力
信号が受信信号として増幅器１０によつて増幅さ
れ、ゲート回路１１によつて時間軸上の必要な部
分が取り出され、透過時間測定回路１３に送られ
る。このゲート回路１１では通常パルス発生回路
のパルス出力タイミング信号を基準にして時間ゲ
ートが作成される。次に透過時間測定回路１２で
はゲート回路１１から入力された受信信号とパル
ス出力タイミング信号の時間差から超音波が鋳片
７の一面からその裏面の他面までに伝搬するに要
する時間ｔを求めその結果が凝固厚み演算回路１
５に送られる。

さて、今、鋳片内に未凝固部が残つていると
し、すでに凝固している部分の厚さをｄ＝d₁＋d₂
とすれば未凝固部の厚さはＤ−ｄのはずであるか
ら凝固部を超音波が伝搬する速度をV_s、未凝固
部を超音波が伝搬する速度をV_lとすれば鋳片全体
を超音波が透過する透過時間ｔは ｔ＝ｄ／V_s＋Ｄ−ｄ／V_l であらわされる。一般にV_sは鋼種によつて決ま
る鋳片の凝固温度と表面温度計１３によつて測定
された表面温度から平均又は加重平均等によつて
求めた凝固部の平均温度により超音波伝搬速度の
温度依存特性から算出され、又V_lは未凝固部が過
冷却状態にあると考えられることからこの状態で
の超音波伝搬速度を実験によつて求められた値が
使用される。従つて凝固厚み演算回路１５の入力
として前記透過時間ｔ以外に全厚み測定器１４か
らの厚み情報Ｄと、表面温度計１３からの表面温
度情報と鋼種によつて決まる鋳片の凝固温度値と
未凝固部の超音波伝搬速度V_lが得られれば前記の
関係式から凝固厚みｄが算出できるわけである。
算出された凝固厚みｄは出力回路１６により表示
又は記録される。

ところで以上のように構成されている従来のシ
エル厚計では、透過時間測定回路１２において鋳
片７を伝搬してきた超音波が鋳片表面に達した時
刻を受信信号情報から判定する有効な手段がな
く、単に判定しきい値を設定し受信信号がこのし
きい値を越えた時刻を超音波到達時刻とみなす等
の方法がとられてきた。ところがこの方法によれ
ば超音波パルスが鋳片７を伝搬するとき、鋳片７
のもつ超音波に対する伝達関数の影響を受け、受
信信号の波形が鋳片７の内部状態により異なつて
くるため、これが透過時間測定の際の誤差の大き
な要因となつていた。さらに、一般に電磁超音波
受信器２の受信効率が悪い上に原理上誘導ノイズ
を受けやすいため受信信号のＳ／Ｎが悪く、受信
信号にノイズ成分が重畳し、これが透過時間計測
の際の誤差要因となつていた。これらの誤差は、
直接鋳片凝固厚みｄの測定精度を悪くするためシ
エル厚計における欠点となつていた。

本発明はシエル厚計のこれらの欠点をとり除く
ため、透過時間計測回路を改良しかつ透過時間の
補正回路を設けることを特徴とし、透過時間測定
精度を向上して高精度のシエル厚計を提供するた
めになされたものである。

第３図はこの発明の一実施例を示す図である。
第３図において１は電磁超音波発生器、２は電磁
超音波受信器、７は鋳片、８はパルス発生回路、
９は励磁電源、１０は増幅器、１１はゲート回
路、１２は透過時間測定回路、２２は補正回路、
１３は表面温度計、１４は鋳片全厚み測定器、１
５は凝固厚み演算回路、１６は出力回路である。
第４図は透過時間測定回路１２および補正回路２
２の回路構成を示す図である。第４図において２
３はＡ／Ｄ変換回路、２４は波形記憶回路、２５
はピーク点検出回路、２６は第一零クロス点検出
回路、２７は第二零クロス点検出回路、２８は第
三零クロス点検出回路、２９は超音波発生点検出
回路、３０は波長演算回路、３１は透過時間演算
回路、３２はタイミング制御回路、３３は係数設
定器、３４は補正値演算回路、３５は補正演算回
路である。

次に第３図および第４図に示す本発明の一実施
例についてその動作を説明する。パルス発生回路
８からのパルス出力タイミング信号３６とゲート
回路１１からの受信信号３７はまずＡ／Ｄ変換回
路２３に入力され、タイミング制御回路３２の指
示するタイミングにてサンプリングされデジタル
値に変換されて波形記憶回路２４に記憶される。
波形記憶回路２４ではタイミング制御回路３２の
指示するタイミングにて前記デジタル値を時系列
で記憶されるようになつている。このＡ／Ｄ変換
回路２３と波形記憶回路２４はパルス出力タイミ
ング信号３６が入力される前からタイミング制御
回路３２の指示により動作しているためパルス出
力タイミング信号３６が入力される直前の状態も
記憶することが可能であり、超音波発生点検出回
路２９は波形記憶回路２４に記憶されたパルス出
力タイミング信号３６の挙動からこの信号の入力
時刻を正確に検出することができる。一方受信信
号３７はパルス出力タイミング信号３６が入力さ
れた後も、タイミング制御回路３２の指示するタ
イミングでＡ／Ｄ変換および記憶があらかじめ定
められた時間続けて行われるようになつているた
め鋳片７を透過してきた超音波を電磁超音波受信
器２によつて検出され、増幅器１０及びゲート回
路１１を経てきた受信信号の挙動の全体を波形記
憶回路２４に収めることが可能である。第５図は
以上のようにして波形記憶回路２４に収められた
パルス出力タイミング信号３６と受信信号３７の
一例を示したものである。第５図ではアナログ波
形として示してあるが実際には時系列に並んだデ
ジタル値として記憶されている。すなわち図中時
刻t₁からt₂までの時間がｎ個に分割され、パルス
出力タイミング信号３６と受信信号３７はそれぞ
れｎ個の時系列に並んだデジタルデータとして得
られているわけである。

さてこのようにして記憶されたデータは時刻t₂
が過ぎて必要なデータの記憶が終了すると次にタ
イミング制御回路３２の指示により順に続み出さ
れ、続み出されたデータのうちパルス出力タイミ
ング信号３６は超音波発生点検出回路２９へ又受
信信号３７はピーク点検出回路２５へと渡され
る。超音波発生点検出回路２９はパルス出力タイ
ミング信号３６の立上り点を検出することにより
電磁超音波発生器１の電磁超音波発生コイル４に
パルス信号が通電開始された時刻t_aを知ることが
できる。時刻t_aは原理上鋳片７に電磁超音波が発
生開始した時刻と同一であると考えて差し支えな
い。パルス出力タイミング信号３６の立上り点を
検出する方法として本実施例では判定しきい値３
９を設けパルス出力タイミング信号３６がこの判
定しきい値を越える時刻を検出し、この時刻から
あらかじめ定められた補正値を差し引く方法を採
用した。これはこの信号３６が純然たる電気信号
であり、再現性に優れ、ノイズの影響による波形
の乱れも少ないからである。当然のことながら判
定しきい値３９を越える時刻における信号３６の
接線を外そうして時刻t_aを求めたり、またある一
定の区間にて直線回帰あるいは正弦波回帰等の統
計的手法を使用して時刻t_aの検出精度を向上した
りすることも可能である。

一方、ピーク点検出回路２５はタイミング制御
回路３２の指示により続み出された受信信号３７
の正のデータの中から最も大きい値を探し、その
データが記憶された時刻t_pを検出する。このとき
受信信号３７の波形によつては、負のデータの最
大値が探されることもある。波形記憶回路２４は
時系列にデータを記憶するようになつており、又
データのサンプリングもタイミング制御回路３２
によつてあらかじめ定められた既知のタイミング
にて行われているため波形記憶回路２４に記憶さ
れているデータの位置を知ることにより前記の時
刻t_a時刻t_pは容易に知ることができる。

さて時刻t_pがピーク点検出回路２５により検出
されると、この情報はタイミング制御回路３２に
入力されタイミング制御回路３２は時刻t_pに対応
する波形記憶回路２４上の位置から順に時間をさ
かのぼる方向へデータを続み出し、このデータを
第一零クロス点検出回路２６および第二零クロス
点検出回路２７へ渡す。第二零クロス点検出回路
２７は時間を順にさかのぼる方向へ続み出される
受信信号３７のデータの中から最初にデータの極
性が正から負へかわる時刻t_cを検出する。又第一
零クロス点検出回路２６は時刻t_cからさらに時間
を順にさかのぼつて続み出される受信信号３７の
データの中から最初にデータの極性が負から正に
かわる時刻t_bを検出する。時刻t_cおよび時刻t_bが
検出されるとタイミング制御回路３２は今度は時
刻t_pに対応する波形記憶回路２４上の位置から順
に時間を下る方向へデータを続み出し、このデー
タを第三零クロス点検出回路２８へ渡す。第三零
クロス点検出回路２８は時間を順に下る方向へ続
み出される受信信号３７のデータの中から最初に
データの極性が正から負へかわる時刻t_dを検出す
る。

以上述べたようにして検出された時刻t_a、t_b、
t_c、t_dの情報のちう時刻t_b及びt_dは波長演算回路３
０に渡され差λ＝t_d−t_bが計算され一方時刻t_a、t_c
は透過時間演算回路３１に渡され、差t₀＝t_c−t_a
が計算される。λは受信信号３７における波長を
あらわすデータと考えることができる。さらにこ
のようにして求められたλは補正値演算回路３４
に入力されこの回路３４では係数設定器３３によ
つてわたされた係数値を使用して補正値△ｔを計
算する。本実施例では係数値としてａおよびｂを
使用してλに関する一次式△ｔ＝aλ＋ｂを補正
値とするものとした。透過時間演算回路３１によ
つて計算されたt₀および補正値演算回路３４によ
つて計算された△ｔは補正演算回路３５に渡さ
れ、この回路３５において両者の差ｔ＝t₀−△ｔ
が計算される。この値が透過時間情報３８として
凝固厚み演算回路１５に渡され、凝固厚み演算に
使用されるわけである。

さて本実施例では第二零クロス点検出回路２７
が検出した時刻t_cを超音波透過時間ｔを求める際
の基準時刻としたがこれはこの時刻が受信信号の
包終線４０のピークに最も近い零クロス点である
からである。零クロス点とは信号波形の極性が変
化する点をいう。時刻t_cでは受信信号の変化が最
も大きい時刻と考えられるから振幅方向の値の挙
動から時間軸方向の情報を抽出するとき最も誤差
の少い部分である。例えばあらかじめ定められた
判定レベルを設定し、この判定レベルを信号が横
切る時刻を求めようとするとき信号に重畳したノ
イズ成分による振幅値の変位やしきい値判定を行
う素子等の確度や分解能に起因する時刻への影響
が最も少なくなるのが時刻t_c近傍と考えられる。
又しきい値判定する場合は受信信号の最大振幅値
が常に一定である場合を除いて判定レベル値と最
大振幅値との関係をある一定の条件に保つ必要が
ある。その点零クロス点は受信信号の最大振幅と
は無関係に時刻を判定できるので好都合である。
もちろん前述の時刻t_aの場合と同様統計的手法等
を併用してさらに精度を上げることも可能であ
る。このように受信信号の得られた時刻を定める
のに最も誤差の少い時刻t_cではあるが実際に超音
波が鋳片表面に到達した時刻は受信信号３７の立
上り時刻t_tと考えなければならない。この時刻t_t
では受信信号３７の振幅は小さくノイズに埋れた
状態になつているのでこの部分から時刻t_tを定め
るのはほとんど不可能である。従つて時刻t_cから
補正値△ｔを差し引くことによつて時刻t_tを算出
せざるを得ない。

さて第５図ｂのような受信信号の場合△ｔは波
長λと同程度と考えられる。何故ならば各零クロ
ス点の間隔はほぼ一定であり、時刻t_tは時刻t_cの
二つ前の零クロス点と考えることができるからで
ある。波長λは前述のように鋳片７の内部の状態
によつて波形が異つてくるためシエル厚計の各部
の定数が全く同じであつても常に一定とは限らず
鋳片７に依存する量である。従つて補正値△ｔは
この波長λの関数として求めるのが理にかなつて
いる。事実シエル厚計の各部の定数を一定にして
厚み及び音速が既知である種々の材料にて補正値
△ｔと波長λに一定の相関関係のあることが確認
された。この相関関係は直線近似してほぼ差し支
えないため本実施例では一次近似式を使用するこ
ととしたが、精度を向上するためにより高度な近
似式を使用することも可能であるのは言うまでも
ないことである。

この発明は以上のようになつているから鋳片７
の内部の状態による波長の変化や、やはり鋳片７
の内部、表面の状態および電磁超音波発生器１又
は電磁施音波受信器２と鋳片７との位置関係など
に起因する受信信号３７の振幅の変化、さらに受
信信号に重畳したノイズの影響をうけにくいきわ
めて精度の高い透過時間測定ができ、高精度の鋳
片凝固厚み測定を行うことが可能である。

なお本実施例ではデジタル化されたデータを扱
うデジタル回路により説明を行つたがこの回路の
一部又は全部をアナログ回路によつて置き換えた
り、あるいはコンピユーターを用いてソフトウエ
アに置き換えたりすることは無論可能であり、ま
たそれによつて本発明の趣旨は何ほども損われる
ものではない。又本実施例では三つの零クロス点
を使用して透過時間を算出したが二つ又は四つ以
上の零クロス点を求めこれらの時刻の組み合わせ
によつて波長λ及び受信基準時刻t₀を求め補正演
算することも可能である。さらに、波長λ及び受
信基準時刻t₀を求めるのに本実施例のように零ク
ロス点を使用せずピーク点やピークの半値点など
の時刻情報の組み合わせによつて求めることも可
能である。

又本発明によりなる透過時間測定回路及び補正
回路はひとりシエル厚計のみならず超音波の伝搬
時間の測定値を利用した他の装置例えば肉厚計、
温度計等にも応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の鋳片凝固厚み測定装置の構成を
示すブロツク図、第２図は電磁超音波発生および
受信の原理を示す図、第３図は本発明装置の一実
施例の構成を示す図、第４図は本発明装置の透過
時間測定回路及び補正回路の回路構成を示すブロ
ツク図、第５図は本発明装置によつて得られるパ
ルス出力タイミング信号と受信信号の一例を示す
図である。 図中、１は電磁超音波発生器、２は電磁超音波
受信器、７は鋳片、８はパルス発生回路、９は励
磁電源、１０は増幅器、１１はゲート回路、１２
は透過時間測定回路、１３は表面温度計、１４は
鋳片全厚み測定器、１５は凝固厚み演算回路、１
６は出力回路、２２は補正回路である。図中、同
一あるいは相当部分には同一符号を付して示して
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 連続鋳造される鋳片の一面に装置され、かつ
   高周波パルス電流を通電されるコイルを備えて上
   記鋳片表面に超音波を発生させる電磁超音波発生
   器と、上記鋳片の他面に設置されて前記超音波を
   受信する検出コイルを備えた電磁超音波受信器
   と、上記の超音波発生器および受信器の超音波発
   生、受信のタイミングから前記鋳片を超音波が前
   記一面から他面まで伝搬するに要する時間ｔを求
   める時間測定回路と、前記鋳片の全厚みＤを測定
   する全厚み測定器と、前記時間測定回路によつて
   測定された時間ｔ、前記全厚み測定器によつて測
   定された全厚みＤ、前記鋳片の厚みｄの凝固部を
   超音波が伝搬する速度Vs、および前記鋳片の厚
   みＤ−ｄの未凝固部を超音波が伝搬する速度Vl
   とから凝固部厚みｄを算出する演算回路とからな
   ることを特徴とする鋳片凝固厚み測定装置におい
   て、前記電磁超音波受信器によつて受信された受
   信信号の中のピーク点の時刻を求めるピーク点検
   出回路と前記電磁超音波受信器によつて受信され
   た受信信号の極性が変わる零クロス点を検出する
   零クロス点検出回路と前記零クロス点検出回路が
   検出する前記ピーク点検出回路の与えるピーク点
   時刻の直前又は直後の２つ以上の零クロス点から
   前記受信信号の波長λを演算する波長演算回路
   と、前記波長λからあらかじめ与えられた演算式
   により補正値Δtを求め、その補正値Δtを用いて
   前記時間ｔを補正するとともにその補正された時
   間を前記演算回路に出力する補正回路とを設けた
   ことを特徴とする鋳片凝固厚み測定装置。