JPH07507631A - スロット寸法形状設定用磁気的測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スロット寸法形状設定用磁気的測定方法および装置本発明の目的は、スロットの 寸法および形状（断面図）を設定するための請求の範囲第１項記載の磁気的測定 方法である。

本発明の目的は、スロットの寸法および形状を設定するための装置でもある。

この測定方法は、スロットを通過する材料織物の厚さおよび特に断面形状を測定 するのに適用することかできる。特別の適用として、就中、製紙機のヘッドボッ クスの噴出口（薄片）の連続測定にこの測定方法を用いることができる。

スロットの寸法および断面形状は、渦電流に基づく周知の方法で測定することか できる。

このスロットは、図１におけるスロットの下縁５のような導電性縁によって下限 か決まるものとする。スロットの上縁に取付けたコイルのインダクタンスの変化 を］０Ｏｋｌｌｚ程度の高い周波数で測定する。そのコイルに並列にキャパシタ ンスを接続して共振回路を形成すれば、その回路の共振周波数の変化を測定する 。かかるインダクタンスもしくは共振周波数の変化は、コイルの導電性下縁から の距離に比例している。この測定方法の弱点は、スロットを囲む他の導電性構造 体に誘起する渦電流に対する感度である。例えば、製紙機の噴出口に近接して、 実際に渦電流方法の適用を全く妨げる遮蔽板が設（すられる。

スロットの寸法および断面形状は、永久磁石によっても測定することかできる。

この方法の一例として、図１に示す解答の下縁ｌには、相互間に特定の距離をお いて永久磁石を取付ける。その永久磁石か作る磁界は、スロットの上縁２に取付 けた磁束旧によって測定する。永久磁石に基づく測定方法には二つの本質的な弱 １、ｉ、かある。永久磁石の磁化は温度に依存することか知られている。この測 定方法を正確、安定にするためには、永久磁石の温度を安定化し、あるいは、測 定結果における磁化の変化に対し、磁化を測定して補償しなければならない。そ のうえに、永久磁石の磁界で動作する場合には、周囲環境によって生ずる妨害か 問題となる。例えば、磁束計の近傍に余分の永久磁石を設けると所望信号を歪ま せる。

非磁性で特に移動中の材料織物の厚さを測定する方法（フィンランド特許第７３ ８３１号公報）も知られている。この測定方法では、材料織物が、磁性体棒を接 続して移動中の非磁性材円筒に触れながら移動する。その織物の反対側では、磁 性体棒によって生した磁界をその織物に触れた磁性感応センサによって測定する 。ごの測定方法の弱点は、非磁性材円筒内の磁性体棒の温度、機械的圧力等の変 化によって変化する磁気特性に対する出力信号の依存性である。これに加えて、 １個の静止磁束計によっては、材料織物の断面形状を測定し得ない。

スロットの断面形状は、例えばつぎのようにして超音波により測定することがで きる。そのスロットの両側に超音波の送信器と受信機とを配置する。超音波は、 スロット内の媒質中を伝搬する。スロット内の伝搬時間を測定することにより、 スロット内の媒質中における超音波の伝搬速度が判っておれば、各超音波センサ 毎にスロットの寸法が得られる。超音波の伝搬は媒質の特性に依存している。

例えば、媒質の温度、圧力等の変化は補償しなければならず、これは、この測定 方法の明白な弱点である。

スロットは、光学的方法によっても観察することができる。しかしながら、この 測定方法の弱点は、媒質の光学的特性に対する光の伝搬の依存性である。さらに 、産業的環境において先学センサが汚されることは重大な問題である。

本発明の目的は、従来技術の解決すべき問題を解決する全く新たな方法および装 置を提供することにある。

本発明は、磁気的測定方法においては、スロットの少なくとも一部の要素内に固 定した電流銅線に低い周波数の交流電流を供給する、ということに基づくもので ある。この交流電流によって生した磁界のスロットの寸法に反比例した強度は、 スロットの同し側および反対側の要素の少なくとも一方に取付けた磁束計により 位相ロックした状態で測定される。

交流電流の周波数を低くして、スロットの導電性部分もしくは周囲構造に渦電流 か余り誘起しないようにするのが本発明の本質的な特徴である。一方、λ流電流 の周波数は、環境の磁気的妨害か測定を妨げないように十分に高く選定する。

特に、本発明による測定方法の特徴は、請求範囲第１項の特徴部分に強調しであ る。

一方、本発明による測定装置の特徴は、請求範囲第１３項の特徴部分に強調しで ある。

本発明による解決は、幾多の利点を有している。

非磁性で、良導電性でもない、例えば気体や液体のような材料かスロットを通過 している場合には、本発明測定方法は、その材料の流れに何らの妨害も起こさな い。そのお返しに、かかる材料もしくはその流れは、いずれもの磁場にも変化を 起こさない。したかって、この媒質の温度、圧力、密度、導電性その他の特性の 変化は、この測定方法に何ら影響しない。スロット内で反射される超音波により スロットの断面形状を測定する場合には、スロット内の媒質の温度、圧力、密度 なとの変化か測定結果に影響する。同様に、光学的測定においては、スロット内 の媒質の屈折率や透過度などの特性か測定結果を歪ませる。磁気的測定方法にお いては、光学的センサが汚れるような問題は生しない。

スロットか不銹鋼や耐酸鋼のような導電性材料からなっていると、かかる鋼構造 体内に誘起する渦電流か磁束計に何ら有意の信号を生しない程度に低い周波数の 交流７１ｉｆｌｊを使用することかできる。例えば、図１に描いた構造体がすべ て耐酸鋼で作られておれば、本発明測定方法における交流電流の周波数は、出力 信号に何ら有色の寄与をしない１００乃至５００Ｈｚにもすることかできる。

１：Ｊ、’Ｆに図面を参昭して実施例につき本発明の詳細な説明する。

図１は、本発明による測定装置の一例を示す側断面図である。

図２は、図１の装置に接続する誤差修正・較正装置を示す側断面図である。

図３は、５１算例に用いる変数を示す線図である。

本発明の一実施例を図１に示す。縦長のスロット（図１における製紙機のヘラ１ −十ノク７の噴出口薄片）の下縁５には、下縁５とともに動いて曲がる導線ｌを 取付けである。低い周波数の交流電流を電流導線Ｉに供給する。その周波数はほ ぼ１００Ｏ１ｌｚ以下である。この交流電流によって生ずる磁界は、スロットの 上縁２の適当な位置（図においては製ｗ１．磯の噴出］」の先端縁）に取付けた センサ・スロット１２によって測定し、そのセンサ・ユニットには磁界センサを 備える。

スロットの−ｊ法かあるＣｊて変化すると、センサ６で測定した磁界か同し点で 変化オる。センサ１２は、締付はブロック７により制御体３に取付ける。この場 合、下側の締付はブロック７は、噴出口の先端縁２である。制御体５は、距離ｄ を制御するたの枠体４に対して移動可能である。

長い電流導線によって発生する磁界は、っぎの（１）式により概略計算すること ができる。

Ｂ＝μ。／（２π）ｉ／ｒ　（１） ここに、μ。は真空の透磁率であり、ｌは導線中の電流の大きさであり、ｒは導 線からの距離である。この（１）式および図１がら、距離ｄ（スロットの寸法） の増大に伴って磁界が減少することが判る。

スロットに近接した強磁性体もしくは弱磁性体は、電流導線が形成した磁界を歪 ませる。この歪みか一定の大きさであれば、測定方法の較正に際してその歪みを 考慮すれば何ら問題を生しない。強磁性体の透磁率は、機械的ストレスや温度変 化なとの故に時間的に変化するおそれがある。

図２には、透磁率の変化を如何にして補償するかを示しである。その原理は、強 磁性体の透磁率の変化を測定することであり、っぎのようにして実施する。

スロットに近接した磁性体９は、製紙機の噴出口の傍らで回転するブレストロー ルのように周期的に運動する。この磁性体９は、磁束計６に周期的妨害信号を起 こさせる。この妨害信号の効果は、交流電流の印加および測定値の検出が周期的 妨害信号に同期しておれば、測定結果から消去される。磁性体９の運動、振動あ るいは回転は、例えば分離した磁束計１４やタコメータのような他のセンサによ って測定することかできる。

製紙機のプレスロールのような磁性体の運動は、っぎのようにして測定する。

磁束計１４を備えたセンサ・ユニット１３および同じブロックｌｏに取付けた電 流導線ＩＩを強磁性体９から一定距離に配置する。この電流導線１１は、測定す べきスロットの領域内に磁界を設ける電流導線ｌの一部とすることができる。

電流導ｌ１１１のこの部分は、スロットを測定する磁束計に何ら有意の磁界を起 こさせないことを考慮すべきである。磁束計１４の出力の変化から強磁性体の透 磁率および動きの効果を算出することができる。

製紙機の噴出口に近接して、導電性の多くは強磁鋼からなる回転プレスト・口− ルを配置する。このブレストロールは、本発明測定方法を適用する場合に考慮す べきつぎの２現象を起こす。

ｌ）　磁界内で動く金属のような良導電体は、その磁界を歪ませる。したがって 、製紙機もしくは製板機の回転ブレストロールは、その回転速度に比例した磁界 歪みを起こす。しかしながら、回転か起こした磁界歪みは、磁界センサの出力信 号をブレストロールの回転速度の関数として測定することにより、較正段階で考 慮することかできる。ブレストロールの回転は、ブレストロールの半径に平行で ＩＩ流流線線中電直に垂直の磁界成分を測定する磁束計によって測定することか できる。

２）　ブレストロールは、相対透磁率か典型的には２００〜１０００の磁性体か らなっているので、磁界歪みを起こす。この磁界歪みの効果は、測定方法の較正 過程で考慮に入れる。噴出口の下縁は、較正過程では曲がらないが、製紙機の運 転中には曲げられる。したかつて、噴出口か拡がり、電流導線［か磁性体のブレ ストロールに近つく。噴出口か拡がると、センサの位置の磁界か減少するか、電 流導ＩＩがブレストロールに近つくと、今度は、ブレストロールの磁化の故に、 磁界は強くなろうとする。かかる２現象により相反する効果が生ずるが、特に、 噴出口の変化から生した信号変化は、ブレストロールの磁化から生じた効果より つねに大きい。較正過程においては、噴出口の下縁をブレストロールに対して動 かし難い。かかる現象はｚ１算時に考慮することかできる。ブレストロールの透 磁率か極めて高く（μ、〉１０００）、使用する周波数か低い（ｆ＜１Ｈｚ）場 合には、磁界は、（１）式の替わりに、つぎの（２）式によって算出する。

Ｂ＝＃ｏ　／　（２ｒ）ｉ　（１／ｒ＋１／　（ｒ−１−２ｅ））　（２）ここ に、ｅはブレストロールの表面からの電流導線の距離である。噴出口の下縁か曲 がると、電流導線と磁束Ｎ］との距離ｒか増大し、同時に、電流導線とブレスト ロールの表面との距離ｅか減少する。他の磁束計１５は、磁束計６から一定距離 にあるセンサユニット１２内に配置する。磁束計６および１５の出力信号から、 未知の変数ｒおよびｅを計算することができる。

測定周波数か極めて高い（ｆ＞１ｏｏｋｌ（ｚ）と、ブレストロールに誘起した 渦１を流か磁場に影響する。この場合、磁場は、（１）式および（２）式の替わ りに、ブレストロールの透磁率の如何に拘わりなく、つぎの（３）式から算出す る。

Ｂ−ｕ。／　（２π）ｉ　Ｃ１／ｒ−１／　（ｒ＋２ｅ））　（３）（２）式お よび（３）式からは、＋１／（ｒ＋２ｅ）の項と一１／（ｒ＋２ｅ）の項とか相 殺されて、磁界に対するブレストロールの効果か消滅する周波数ｆ。

か存在することが判る。典型的には、この周波数はｆ、＜１０００Ｈｚである。

測定周波数をこのように選定すると、ブレストロールの振動が測定結果に影響し ない。磁束計の出力信号を種々異なる励磁周波数で試験するようにして測定周波 数ｆ６を見付ける。測定周波数としては、電流導線に近接した強磁性体の振動乃 至運動によって磁束計６の出力信号に生じた妨害が最小となる周波数ｆ６を選定 する。有利なことに、強磁性体の運動は、電流導！　（１）中の電流および強磁 性体の運動に垂直な磁界成分を測定する磁界センサによって測定する。

磁界センサ６．１４．１５としては、磁気抵抗トランスデユーサ、ホール・イン ダクションコイル・トランスデユーサ、あるいは、いわゆるフラックスゲート・ トランスデユーサを利用することかできる。

スロットに近接した導電体に誘起した渦電流によって生ずる磁場の変化は、その 渦電流の磁気的信号を測定することにより補償することかできる。渦電流によっ て生した磁界を測定することにより、測定信号自体における変化の効果が補償さ れる。

スロットの断面形状の計算を、図３を参照して以下に説明する。

本発明の測定方法によれば、図１および図２による本発明の実施例について噴出 口の断面形状を計算することかできる。各磁束計の領域におけるスロットの平均 寸法は、いわゆる反面問題を解くことによって明確に設定することができる。

ビオ・サブアール法によれば、電流導線によっである点に形成した磁場は、電ｌ ン導線全体に亘り、ある方法で加重した積分である。電流導線によって生じた磁 場について適切な数学的モデルを構成することにより、その電流導線の位置およ び形状を、そのモデルの境界内において明確に設定することができる。磁界が空 間の＋１点のみについて知られている場合には、Ｗｌ電流導線位置の設定にはｎ 個の自由なパラメータのみを用いることができる。図３の定義に従って問題を検 討する。電流導線はｎ個の断片に分割するが、その距離は未知のパラメータであ る。

この反面問題を解くと、まず、その磁界によって形成した磁界用モデルが構成さ れる。このモデルは、この測定装置の較正過程における測定結果に適合している 。この測定装置を実際に用いた場合には、このモデルにより、スロットの断面形 状を磁界の直から算出する。

直接問題のモデル ある長さの電流導線によって生じた磁界をこのモデルとして採り上げる。

ビオ・サブアール法によれば、つぎの（４）式が容易に得られる。

Ｂ、（χ＝０．ｙ＋＋ｙ２＋２）　＝ ＝　１（４τ）　ｉ　Ｉ’Ｙｚ（’／２２＋　ｚ２）”ｎ−ｙ＋（ｙｚ”　＋　 ｚ”）−”］／ｚ　（４）’ＲＥ　ａ　？ｉＫ　ｎ全体によって生じた磁界が長 さの異なる断片によって生じた磁界群を合算することによって得られる。

長さ】の電流導線における噴出口の平均寸法をＺ、とし、（４）式に基づいて問 題の解決に直接に対応するモデルは、つぎの（５）式のように書かれる。

Ｂ＋　（ｚ＋、ｚｔ、、、、、ｚｅ）　＝ａ（ｚｈ）ΣｌＴ、ｌ　（５）ここに 、集計はＴ＠充導線の全長に亘って行なわれ、関数Ｔｋｌはつぎの（６）式のよ うに表わされる。

この（６）式において、ｒは測定結果に適応させた自由パラメータである。（６ ）式における他の定数は、図３から明らかになる。関数ａ　（Ｚｈ　）により、 このモデルは、較正点において測定結果に十分に整合するようになっている。磁 束計によって測定した信号は、その真下の電流導線の長さから大部分が較正点Ｚ □とＺ　ｒ　１＋１との間にあるＺｋによって取出されているので、関数群は、 例えば線形近似により、つぎの（７）式のようにして計算することができる。

ａ（Ｚｍ）＝　［ａｍ＋（ａｗ＋＋−Ｚｈ）＋ａｍ＋＋＋（Ｚｈ−Ｚｈ＋）］　 ／（Ｚｍ＋＋＋−Ｚｈ＋）　（７）較正手続およびモデルの適応 較正の手続はつぎのとおりである。

磁束計にの出力信号Ｍ１．および噴出口の寸法Ｚ＋１を測定する。モデルのパラ メータｒをつぎのようにして見出す。まず、条件として、関数ａ　（Ｚｋ）が一 定値＝ａであると仮定し、最小乗算法により、測定結果に最もよく適合した（５ ）式のモデルを見出す。一般に、このモデルは、測定結果がノイズを含み、ある いは、例えば近接した強磁性体の故に磁界が歪むなどするので、測定結果に完全 に適合したものとはならない。このようにして得た値ｒを（５）式に代入すると ともに、パラメータａｈ＋を計算すると、このモデルによって与えられた値Ｂ□ は、すべての測定点におよびｊにおける測定結果ＭｋＩと一つになり、つぎの（ ８）式が得られる。

ａ＋＋＝Ｍｈ／Σ：Ｔｈ＋（ｚｍ＝ｚｈ＋）、　（８）モデルによる反面問題の 解決 磁束計の出力信号Ｍ、から噴出口の未知の寸法ｚ１を計算すべきであり、その寸 法は、つぎの一群の式（９）を肝くことによって得られる。

Ｂｈ　（Ｚｌ、Ｚ２．、、、、Ｚ、）　Ｍｋ＝Ｏ，ｋ＝１．、、、Ｎ、　（９） 零値を見出すべきベキトル関数Ｅ　（Ｚ）＝Ｂ、（Ｚ、、Ｚ、、・・・、Ｚｓ） Ｍ−を用いることとするか、その古典的方法は、例えばニュートンのアルゴリズ ムによる、つきの（１０）式で表わすような反復である。

Ｚ”’＝Ｚ″−［δＦ（Ｚ″′）／δｚ］　−’　Ｆ　（Ｚ）、　（１０）ここ に、δＦ（Ｚ”）／δＺは、対角線状に加重したマトリックスであり、そのδ成 分は、Ｚ、：ｎ：ｒδＦ（Ｚ”）／δ２）、、＝δＢ、／δＺｌに関するモデル ３の部分導関数である。（５）式においては電流導線の全長に亘る効果が磁束ｉ ｔの出力信号に及ぶのであるから、上述した反復の最終結果は、反面問題の正確 な解決となる。マトリックスδＦ（Ｚ”）／δＺの大きさは磁束計の個数Ｎに等 しい。したがって、この７トリノクスは、反復周期毎に積重ねるとともに反転し なければならない。計算の回数はＮ３に比例するので、このようにして実施する アルゴリズムは、Ｎが大きい場合には敏感ではなくなる。実際には、電流導線の 直近の部分の効果のみを４虜すれば足りるのであるから、計算の回数は本質的に 低減される。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．スロットの寸法によって決まる磁場を判定して例えば製紙機の噴出孔（薄片 ）の切口を測定するスロット寸法形状設定方法において、−スロットの少なくと も一方の縁に取付けた電流導体に交流用流を供給して磁場を形成し、 −前記スロットの少なくとも一方の縁（２，５）に取付けた少なくとも１個の磁 束計により前記磁場を測定し、 −当該磁場測定を前記交流電流に位相ロックし、−前記スロットの寸法（ｄ）お よび形状を前記磁場の測定値から算出することを特徴とするスロット寸法形状設 定用磁気的測定方法。
2. ２．前記電流導線を前記スロットの一方の縁（２または５）に取付けるとともに 前記磁束計（６）を少なくとも対向縁に取付けたことを特徴とする第１項記載の 磁気的測定方法。
3. ３．前記スロットの寸法（ｄ）および形状を反面問題解決方法によって算出する ことを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
4. ４．前記スロットに近接した礎性体（９）によって生じた前記磁場の変化を当該 磁性体の透磁率の測定によって補償するとともに、磁場変化の影響を前記透磁率 測定値の変化によって測定信号から補償することを特徴とする第１項記載の磁気 的測定方法。
5. ５．前記スロットに近接した導電体に誘起した渦電流によって生じた前記磁場の 変化を当該渦電流の磁性信号の測定によって補償するとともに、当該渦電流によ って生じた磁場の測定値によって実際の変化の影響を補償することを特徴とする 第１項記載の磁気的測定方法。
6. ６．前記スロットに近接した導電体（９）の周期的運動、回転もしくは振動によ って生じた磁気的妨害を、当該導電体（９）の運動、回転もしくは振動から生じ た信号の変化を、測定および交流電流の供給を当該磁気的妨害に同期させること によって測定結果から消去することを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
7. ７．電流導線（１）に近接した磁性体もしくは電流導体（９）の連動もしくは回 転を測定してそれにより起こる信号変化を考慮することを特徴とする第１項記載 の磁気的測定方法。
8. ８．前記磁性体もしくは前記電流導体の運動を、電流導線（１）中の電流および 当該磁性体もしくは前記電流導体の連動に垂直の磁界成分を測定する磁界センサ によって測定することを特徴とする第７項記載の磁気的測定方法。
9. ９．前記磁束計（６）から所定距離離隔した他の磁束計（１５）により磁界を測 定することを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
10. １０．前記スロットに近接した磁性体もしくは電流導体の前記電流導線（１）に 対する距離（ｅ）の変化を考慮して前記磁束計（６，１５）の信号から前記スロ ットの寸法（ｄ）を算出することを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
11. １１．測定周波数もしくは交流電流の周波数を、前記スロットに近接した前記磁 性体もしくは前記電流導体の振動および距離の変化が測定結果に影響しないよう に選定することを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
12. １２．測定周波数もしくは交流電流の周波数を、磁束計の出力信号が交流電流の 異なった周波数で試験されるように選定するとともに、前記磁性体もしくは前記 電流導体の振動もしくは運動によって生ずる磁束計（６）の出力信号の妨害が最 小となるように選定することを特徴とする第１項記載の磁気的測定方法。
13. １３．スロットの寸法形状によって決まる磁界を磁界センサを利用して測定する スロット寸法形状設定装置において、 −スロットの少なくとも一方の縁に取付けた電流導線（１）に交流電流を供給し て磁界を発生させ、 −礎界強度の測定値がスロットの寸法形状によって決まるように磁界測定を供給 交流電流に位相ロックする手段を備え、さらに、−磁界測定値から前記スロット の寸法形状を算出する手段を備えたことを特徴とするスロット寸法形状設定用磁 気的測定装置。
14. １４．電流導線（１）を前記スロットの一方の縁（２または５）に取付けるとと もに、磁束計（６）を前記スロットの少なくとも対向縁に取付けたことを特徴と する第１３項記載の磁気的測定装置。
15. １５．前記スロットに近接した磁性体もしくは導電体（９）によって生じた磁界 の変化を、当該導電体（９）によって生ずる磁界を当該参照センサ（１４）によ り測定するとともに前記導電体による測定結果自体の影響を補償することによっ て補償する少なくとも１個の参照センサ（１４）を備えたことを特徴とする第１ ３項記載の磁気的測定装置。
16. １６．前記電流導線（１）に近接した磁性体もしくは導電体の運動もしくは回転 を測定する手段を設けて、前記電流導線中の電流および導電体（９）の運動に垂 直の磁界成分を測定する少なくとも１個の磁界センサを有利に備えたことを特徴 とする第１３項記載の磁気的測定装置。
17. １７．前記磁束計（６）から所定距離離隔した他の磁束計（１５）を備えたこと を特徴とする第１３項記載の磁気的測定装置。
18. １８．前記電流導線（１）の近接した磁性体もしくは導電体に対する距離（ｅ） および磁性体もしくは導電体の連動を考慮して前記磁束計（６，１５）の出力信 号から前記スロットの寸法（ｄ）を算出する手段を備えたことを特徴とする第１ ３項記載の磁気的測定装置。