JPH11513496A - 導電性材料の物体の寸法および位置の誘導測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電磁誘導に基づいた導電性材料の物体の寸法および位置の非接触測定方法および装置。本方法は、測定物体の測定領域（５）において送信機コイルから発生される時変磁界（４）が測定領域の表面に実質的に平行となり、測定領域に接触する想定磁界線がその延長において受信機コイルに達するように受信機コイルが配置されるように、測定物体（１）、送信機コイル（２）および受信機コイル（３）を配置することに基づいている。受信機コイル内に誘起される電圧に基づいて、所与の基準点に対する測定領域の寸法および位置を計算することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 導電性材料の物体の寸法および位置の誘導測定方法および装置 技術分野 本発明は電磁誘導に基づいた導電性材料の物体の寸法および位置の非接触測定 方法および装置に関する。 本発明は管、棒もしくは桁等の金属製品の製造時にそれらの製品の寸法および 位置を測定したい場合に使用することができる。また、本発明は黒鉛、導電性セ ラミック、等で出来た製品の測定に使用することもできる。 背景技術 管、棒、桁等の製品の位置および、高さおよび幅等の、さまざまな寸法の一つ の周知の非接触測定方法はビームのシェーディングや反射に基づいた光学的方法 を使用するか、あるいはビデオカメラで撮像した画像を処理することである。 とりわけ、汚染および時には高温を伴う多くの製造工程の環境では、このよう な装置の信頼度および精度が劣化する。 導電性測定物体の寸法および位置を誘導方法により測定することが従来知られ ている。その場合、導電性物体内に電流を誘起する時変磁界を発生する送信機コ イルが使用される。これらの電流により磁界が発生され、それにより受信機コイ ル内に電圧が誘起され、この電圧は幾何学的条件だけでなく、とりわけ、測定物 体の形状、導電率、および透磁率によって決まる。この電圧から、ある条件の元 で、測定物体の距離および位置等の幾何学的寸法を計算することができる。時変 磁界を発生するために、米国特許第４４７５０８３号に開示されているように送 信機コイル内の正弦波電流を使用することができ、あるいは米国特許第５０５９ ９０２号に開示されているように突然ブレークされる定電流を使用することがで きる。後者の方法は測定技術の観点からよりロバストであり、測定物体のさまざ まな属性の分離が容易になる。しかしながら、これらの測定装置の一つの問題点 は位置が変化する時の測定物体の寸法を求めることである。 米国特許第５２７０６４６号には帯板の幅を測定するためのコイルの配置方法 が開示されている。しかしながら、この技術は比較的限定された幅の帯板にしか 使用できない。さらに、正しく機能するには帯板のエッジが実質的に平面である と仮定される。距離の変動を正しく補償するのが困難であるために、本質的に帯 板と測定コイルとの間の距離が大きくなる場合には、多くの応用にとって精度は 十分ではない。 導電性物体の距離、厚さおよびそこから引き出される寸法の従来の誘導測定装 置に共通していることは、送信機および受信機コイルが同じ対称軸に関連して配 置されるすなわち測定物体の異なる側に配置されることである。また、同じコイ ルが送信機および受信機コイルとして使用されることもある。したがって、送信 機コイルから発生される磁界は測定点において測定物体の表面に実質的に直角と なるか、あるいは少なくとも測定物体の表面に向かう大きい成分を有することに なる。その結果、測定物体内のさまざまな深さからの電流および磁界が測定信号 に寄与し、測定信号は材料に依存すると共に測定を行う位置周りの比較的大きい 領域における測定物体の厚さおよび形状に依存するようになる。 発明の要約 図１に示すように、本発明は想定測定点６周りの領域として規定される測定領 域５において送信機コイルから発生される磁界４が測定領域における測定物体の 表面に実質的に平行である、あるいは、曲面を有する測定物体に対しては測定点 ６における接平面７に平行であるような関係に、測定物体１、送信機コイル２、 および受信機コイル３を互いに配置することに基づいている。したがって、測定 点における接平面に直角な、ｘ方向すなわちｘ線として以下に示す、線８の方向 の動きに測定装置は最も敏感となる。受信機コイルは磁界を象徴する想定磁界線 ４が測定領域に接触しその延長が受信機コイルに達するように配置される。それ は、問題とする測定領域に関してコイルを実質的に対称に配置し、送信機コイル 、測定領域、および受信機コイルが同じ一つの円弧上に配置され円弧は測定領域 において外向きに湾曲されることにより達成される。コイルの位置のより詳細な 規定は添付図および下記の実施例の説明に示される。本発明は前記した位置から 幾分逸脱する場合にも機能する。本発明に従ったコイルの配置による測定は測定 領域における磁界に直角な、すなわち、ｘ方向の測定物体の動きに敏感であり、 以 下にｙ方向すなわちｙ線として示す磁界に平行な測定物体の動きによる影響は僅 かである。 測定領域に平行な磁界により測定物体内に誘起される電流は測定領域に集中す る。それは受信機コイルに誘起される電圧が実質的に測定領域内の磁界と受信機 コイルの位置によって決まることを意味する。それに関して、測定物体の形状お よび測定領域外のその位置が測定結果に及ぼす影響は無視できる。 測定領域の位置のｘ方向の小さな変化により、受信機コイル内に誘起される電 圧の線型変化が生じる。一方、受信機コイル内に誘起される電圧は測定領域の位 置のｙ方向の小さな変化に対しては変動しない。それは測定信号は測定領域の表 面に直角な位置の小さな変化には敏感であるが、測定領域に平行な位置の小さな 変化による影響は僅かにすぎないことを意味する。したがって、測定物体の表面 に直角な位置の変化を選択的に測定することができる。 米国特許第５０５９９０２号には送信機コイルの有利な給電方法が記載されて いる。それには、磁界を準静止と見なすのに十分な持続時間を有する定電流の供 給が記載されている。この電流の遮断時に発生される磁界は準静止磁界と同じ形 状であるが、反対方向である。このようにして、電流の遮断後に磁界は測定領域 に平行であり続ける。１次コイルに正弦波交流を供給すると、測定領域における 磁界の方向は交流電圧の一周期中に変動する。正しい測定のためには、測定領域 における磁界の方向は、平均として、一周期の間平行でなければならず、それを 達成するのは困難である。 送信機コイルの定電流が遮断された後で時間の関数として受信機コイル内に誘 起される電圧は、コイルと測定物体との間の空気中で迅速に減少する磁界により 誘起される短く迅速に減衰する電圧パルス、および表皮効果（電流拡散）により 緩やかに減少する測定物体内の磁界に関連するより緩やかに減衰する電圧パルス を含んでいる。送信機コイルの供給電圧を閉じた直後の高速電圧パルスは本質的 に測定物体の導電率や透磁率には無関係であり、実質的に測定物体の外側の磁界 のジオメトリおよび測定回路の抵抗の関数である。高速電圧信号は、その持続時 間が測定領域内の電流拡散時間に較べて短い限り、実際上材料には無関係である 。誘起電圧はコイルに対する測定物体の位置の寸法として評価することができる 。 次に、測定物体の表面に直角な線上の測定領域の位置を計算することができる。 測定物体を通るｘ線の延長上に測定点があり接平面７に平行な接平面を有する 測定物体の測定領域の位置を測定するための対応する１組の送信機コイルおよび 受信機コイルにより測定を実施する場合には、２つの測定値の結果を組み合わせ て２つの接平面間のｘ方向の長さを求めることができる。両方の測定を同時に行 ったり、互いに迅速に連続して行うことができる。 測定物体の複数の異なる寸法、例えば高さおよび幅、を測定できるようにする ために、本発明に従った複数の関連する送信機および受信機コイルが測定物体の 周りに配置される。次に、測定値が互いに影響を及ぼさないようにするために、 送信機コイルの供給電流は通常異なる時間に遮断される。 本発明に従った測定装置は、空中に準静止磁界を生成するのに十分な時間後に 遮断される送信機コイルを通る定供給電流を使用する時は、導電率や透磁率等の 測定物体の材料特性に広い範囲内で無関係である。材料特性は正弦波交流電流に よる同様な誘導測定に影響を及ぼす。各コイルシステムは、測定物体全体の形状 に無関係に、小さな測定範囲内の測定物体の表面の影響しか受けないため、本発 明は広範な測定物体に容易に適合させることができる。磁界が測定領域内の測定 物体の表面に実質的に平行であるという必要条件は、複数の異なる方法で満たす ことができしたがってコイルの位置の柔軟性が非常に高くなる。 図面の簡単な説明 図１は本発明に従った測定原理を示す。 図２は本発明に従った測定装置の原理を示す。 図３は測定動作について送信機コイルを流れる電流および受信機コイルに誘起 される電圧を示す。 図４は２個の直交受信機コイルを有する測定装置を示す。 図５は２個の実質的に平行な受信機コイルを有する測定装置を示す。 図６は本発明に従った２個のコイルシステムを有する測定物体の位置および寸 法測定の例を示す。 図７は本発明に従った装置に含まれるユニットの原理を示す。 好ましい実施例の説明 図２は本発明に従った測定領域の位置を測定する測定装置の原理を示す。それ は測定物体１、送信機コイル２および受信機コイル３を含み、それは送信機コイ ル２から延在する想定磁界線４が測定領域５に接触して受信機コイル３へ達する ように配置されている。磁界線は電流拡散時間および測定領域内の磁界に較べて 長い時間送信機コイルへ定電流を供給接続した後で達成される準静止磁界を表す 。測定領域内の測定点７はｙ方向において接平面７と接触する。発明の要約で述 べたｘ線は、前記した理由により、以下測定点において接平面に直角な対称線８ として引用される。送信機コイルおよび受信機コイルは測定点の異なる側に実質 的に対称的に配置され、コイルおよび測定点が対称線８上の測定物体の外側に中 心１０を有する一つの同じ円弧９上に実質的に存在するようにされる。円弧の中 心はｘ方向、すなわち、対称線に沿った距離測定座標の原点として適切に選定さ れる。コイルを通るコイルの軸線１１ａ，１１ｂは最適測定結果が得られるよう に調整される。送信機コイル２の好ましい方位において、コイルの軸線１１ａは 円弧９に接触する。測定物体と測定領域の同様な好ましい配置において、対称線 ８と中心１０から送信機コイルへの直線との間の角度１２ａは対称線８と中心か ら受信機コイルへの直線との間の角度１２ｂに等しい。 本発明に従った測定装置は前記した好ましい位置からの逸脱に特に敏感ではな いという事実は、測定領域と任意のコイルとの間の距離の１０〜３０％よりも変 化が小さければ本装置により測定領域の位置変化の関連する寸法が提供されるこ とを意味する。 図３に送信機コイルの電流Ｉと受信機コイルに誘起される電圧Ｕを時間ｔの関 数として示す。送信機コイルを流れる電流は時間ｔ１まで一定であり、そこで遮 断される。電流の持続時間は測定領域内の測定物体の材料中への磁界の浸透時間 よりも長くなっており、磁界は準静止となるようにされている。送信機コイルを 流れる電流が遮断された後で、測定物体周りの空中の減少する磁界により時間ｔ １およびｔ２間の持続時間の短い電圧パルスＳ１が受信機コイル内に誘起される 。その後、測定物体から放散する磁界によりより小さくより緩やかに減少する電 圧パルスＳ２が誘起される。次に、図２に従った対称線８上の測定領域のｘ位置 もしくは所与の基準点、例えば前記した円弧の中心１０、からの測定領域の距離 の 寸法が図２に従ったｔ１およびｔ２間の電圧パルスＳ１の積分と電圧パルスＳ２ のｔ２およびｔ３間の部分の積分との線型結合により引き出すことができる。好 ましくは、時間ｔ３はｔ３−ｔ２が時間差ｔ２−ｔ１と同程度の大きさとなるよ うに選択される。測定物体のｘ位置の寸法を与えることができる線型結合Ｍは次 式で表すことができる。 ここに、係数ａおよびｂは、材料間のＭの違いができるだけ小さくなるように導 電率の異なる材料でできた測定物体により校正を行った後で選択される。時間差 ｔ３−ｔ２が２（ｔ２−ｔ１）に等しく選択されておれば、ａおよびｂは実質的 に等しく前記した校正は行う必要がない。 別の実施例では、１個の受信機コイルではなく２個の受信機コイルを使用する ことができる。円弧９上に共通中心点１３を有し互いに直角な中心線１１ｂ，１ １ｃを有する２個の受信機コイル３ａ，３ｂを図４に示す。２個の受信機コイル を有する好ましい実施例では、一方のコイルの中心線は測定領域へ向けられてい なければならない。図４では、それはコイル３ａであり中心線１１ｂは測定点へ 向けられている。これら２個のコイルからの測定信号間の関係は、広範な範囲内 で、実質的にｘ方向の測定領域の位置だけで決まる。 ２個のコイル３，４を有するもう一つの実施例を図５に示す。ここでは、コイ ルは円弧９の異なる側に配置されており、対称線８に平行な実質的に平行な中心 線１１ｂ，１１ｃを有している。 本発明に従って２個の測定装置を関連する２対の送信機および受信機コイルと 組み合わせることにより、測定物体の２つの寸法、測定物体の位置、およびｘ軸 方向の測定物体の対称線８の長さＤ、をどのようにして求めることができるかの 例を図６に示す。図６は接平面７に平行な線１４上に図２を反映させて得られる 。図２の反映される要点には全て’が付され、例えば３’は反映された受信機コ イルである。本発明に従った２つの測定値により、２つの基準点、例えば円弧の 中心１０，１０’から測定領域の測定点６，６’までの距離Ｍ１，Ｍ２が得られ る。 次に、円弧の中心間距離Ａおよび中点間距離Ｍ１，Ｍ２から距離Ｄを次のように 計算することができる。 Ｄ＝Ａ−（Ｍ１＋Ｍ２） 距離Ｍ１−Ｍ２は円弧中心間の線上の測定物体の配置に関する情報を提供する。 送信機コイルへの供給電流の発生、受信機コイル両端間に誘起される電圧の測 定および評価を含む本発明に従った装置による測定操作は、アナログ、デジタル もしくはデジタルおよびアナログ技術の組合せとすることができる従来の方法に より実施される。例えば、供給電流の発生および誘起電圧の積分はアナログエレ クトロニクスにより実施され、測定物体の寸法および位置に関する積分信号の評 価はマイクロプロセッサによりデジタル技術で実施される。したがって、本発明 に従った装置が機能するには、原則として、送信機および受信機コイルの他に、 送信機コイルを磁化させる磁化ユニット１５および計算ユニット１６が必要であ る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定方法であって、測 定は電磁誘導および時変磁界に基づいており、該方法は、磁界の磁界線（４）が 測定領域（５）に実質的に平行に延在して測定物体の測定点（６）に接触するよ うに配置された少なくとも１個の送信機コイル（２）により発生され、かつ少な くとも１個のコイル（３）が測定領域に実質的に平行な磁界線により横切され、 それにより受信機コイル内に電圧（Ｓ１，Ｓ２）が誘起されて測定物体の寸法お よび位置を求めることができる、ことを特徴とする非接触測定方法。 ２． 請求項１記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定方 法であって、磁界を準静止と見なすことができるような持続時間の、送信機コイ ル（２）内の定電流が遮断される時に時変磁界が発生されることを特徴とする方 法。 ３． 請求項１もしくは２記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非 接触測定方法であって、時間ｔ１において遮断される送信機コイル内の電流に関 連して受信機コイル内に誘起される電圧（Ｓ１，Ｓ２）は、時間ｔ１−ｔ２の電 圧パルスＳ１と時間ｔ２で開始される緩やかに減少する電圧パルスＳ２からなり 、該方法は測定物体の測定領域（５）内の測定点（６）における接平面（７）に 直角な対称線（ｘ）上の測定物体の位置の寸法が次式に従って求められ、 ここに、好ましくは時間ｔ３−ｔ２が時間ｔ２−ｔ１と同程度となるように時間 ｔ３が選定され、材料間のＭの違いができるだけ小さくなるように導電率の異な る材料でできた測定物体により校正を行った後で係数ａおよびｂが選定される、 ことを特徴とする方法。 ４． 請求項１記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定方 法を実施する装置であって、該装置は送信機コイル（２）および受信機コイル（ ３）からなる少なくとも一対の関連するコイルを含み、送信機コイルは時変磁 界を発生し、該装置は、送信機コイルから延在する磁界線（４）が測定点におい て接平面（７）に実質的に平行となるように、測定物体の測定領域（５）内の測 定点（６）に関して送信機コイルが配置される、ことを特徴とする装置。 ５． 請求項４記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定装 置であって、送信機コイル（２）および受信機コイル（３）は測定点（６）にお いて接平面（７）から直角に延在する対称線（８）の異なる側に実質的に対称的 に配置されており、送信機コイル、測定点および受信機コイルは対称線上に中心 （１０）を有し、測定点から外向きに湾曲する一つの同じ円弧（９）上に実質的 に配置されている、ことを特徴とする装置。 ６． 請求項４記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定装 置であって、該装置は、磁界を準静止と見なすことができるような持続時間の定 電流を送信機コイル内へ送る一体型磁化ユニット（１５）を含み、定電流が遮断 される時に時変磁界が生じることを特徴とする装置。 ７． 請求項４記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接触測定装 置であって、該装置は、時間ｔ１において遮断される送信機コイル内の電流に関 連して受信機コイル内に誘起される電圧であって、時間ｔ１−ｔ２の電圧パルス Ｓ１と時間ｔ２で開始される緩やかに減少する電圧パルスＳ２からなる電圧を入 力信号として有する一体型計算ユニット（１６）を含み、計算ユニットは測定物 体の測定領域（５）内の測定点（６）における接平面（７）に直角な対称線（ｘ ）上の測定物体の位置の寸法Ｍがを次式に従って計算するようにされており、 ここに、好ましくは時間ｔ３−ｔ２が時間ｔ２−ｔ１と同程度となるように時間 ｔ３が選定され、材料間のＭの違いができるだけ小さくなるように導電率の異な る材料でできた測定物体により校正を行った後で係数ａおよびｂが選定される、 ことを特徴とする装置。 ８． 請求項４および５記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接 触測定装置であって、該装置は円弧（９）上の共通中点（１２）および互いに直 角な中心線（１１ｂ），（１１ｃ）を有する２個の受信機コイル（３ａ，３ｂ） を含み、一方のコイルの中心線は測定物体の測定領域（５）内の測定点（６）へ 向けられている、ことを特徴とする装置。 ９． 請求項４および５記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非接 触測定装置であって、該装置は円弧（９）上の異なる側に中点（１３ａ），（１ ３ｂ）があり測定物体の測定領域（５）内の測定点（６）において接平面（７） に直角な対称線（８）に平行な実質的に平行な中心線（１１ｂ），（１１ｃ）を 有する２個の受信機コイル（３，４）を含む、ことを特徴とする装置。 １０． 請求項４および５記載の導電性測定物体（１）の寸法および位置の非 接触測定装置であって、該装置は対称線上の測定物体の２つの外向きに対向する 測定点（６，６’）について寸法（Ｍ１）および（Ｍ２）を求めるための共通対 称線（８）に関連して配置された２対の関連する受信機および送信機コイル（２ ，３および２’，３’）を含む、ことを特徴とする装置。