JPS586403A - 形状検出装置 - 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】 本発明は、圧延材等の被検材の形状を検出する形状検出
装置に関する。

圧延機によ）忙圧延される（または圧延された）圧延材
の形状の定義は、例えば第１図に示す如く、圧延材を定
盤の上に定置した場合、形状が悪いと圧延材が波打つが
、この波打ちの程度を定量的に把握したものと考えられ
る。此の波打ちの程度を定量的に把握する方法として２
つの方法が採られている。

その第１は急峻度形状と呼ばれるもので、これをσで表
わすと、次のように示される。・σ＝ｈ／ｌ・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（１）即ち波の高さ
ｈと波のピッチｔの比で表現する。

第２の方法は伸び串形状と呼ばれるもので、鋼板の波打
ちの形を正弦波で近似し、波のピンチｔの間に存在する
鋼板の長さ、ｔ′　とｔの差Δｌとｔの比で示すもので
ある。これをλで表わすと次のようになる。

第１図のＡＢ間にある鋼板の長さｔ′は高さｈ１周期ｔ
の正弦波で近似して線積分を行うと求められ゛、 となる。従って（１）及び（３）式より急峻度形状と伸
び串形状の関係は次式で表わされる。

σ−ＴｆＵ　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・　（４）（４）式の関係は第２図に示され
る。

形状変化が発生する基本的原因は、圧延材の伸び率が飯
山方向で一様でないことである。勿論圧延材の飯山方向
の伸び率は一様であることが望ましいが、入側板厚の飯
山方向のばらつき、作業ロールの撓み、熱膨張などが主
たる要因で発生する。

飯山方向の伸び率が一様でないと、熱間圧延材の出側板
厚の如く、圧延材に張力が生じていない場合は第１図に
示す如く波打ち状態を示す。然し圧延形状を最も重視す
る冷間圧、延材に於ては、圧延機の出側に設置された巻
取機にて、圧延材に大きな張力を加えて巻取る為、圧延
中は波打ち状態は目には見えない。（もつとも非常に大
きな伸び率差のある場合は目に見える。）従って飯山方
向の伸び率差に起因する形状（板の波打ち現象）を定量
的に測定しようとする場合、形状が目に見える場合（主
として熱間圧延材）、圧延材にかかる張力によって目に
見えない場合（主として冷間圧延材）によって従来から
形状の検出法がへっている。さて従来技術としての形状
検出器は、各種各様の原理、方法によって形状検出が試
みられ、各々特定された応用分野に於て相当の効果を表
わしているが、残念ながら満足すべき状態ではない。

熱間圧延材に応用されている技術としては、波打ってい
る鋼板の巾方向に棒状光線をあて、鋼板上での波打ちに
起因して発生する棒′状投射光の縞模様をテレビカメラ
で撮像し分析する方法がある。

非接触形であり、熱間材の如く赤熱された鋼材から離れ
た所での測定が可能だが、分解能及び撮像結果の処理及
び張力のある冷間材への適用が難かしい点に難点がある
。

冷間圧延材に適用されている技術としては、大別して３
種類ある。第３図に示す如く圧延材３４がロール３１．
３１’　、３２．３２’にて圧延され巻取機３３にて一
定張力下で巻取られている状態を考える。圧延材の伸び
率が一様である場合、飯山方向に仮想的に分割されたス
トリップＳ１〜Ｓ、にかかる張力ｔ、〜ｔｌ、は一様で
あるが、伸な び率が撃て形状が悪化している場合、各仮想分割ストリ
ップにかかつている張力即ち内部応力は異なっている。

従来技術の第１の種類は、飯山方向の内部応力差を直接
測定して形状を測るもので、飯山方向の内部応力分布を
測定する為に、飯山方向にｎ分割したロールを圧延材に
直接接触させ、各分割ロールに荷重計を設け、圧延材を
分割ロールを介して一定角度曲げることにより、圧延材
の長手方向にかかつている張力分布の垂直成分を作り出
し、これを荷重計にて測定して仮想分割ストリップにか
かつている張力を垂力成分と圧延材の曲げ角度より演算
する方式のものである。本方式は現在、最も多く用いら
れているが、その欠点は接触式である為、アルミ材、ス
テンレス材の如く表面疵を極度に嫌う材料には不適切な
ること、荷重計が一般に高価な為、分割数が増える程高
価になること、更に圧延材にかかつている張力を測定し
ている為、熱間圧延材の如く、無張力のものには無効で
ある。

第２の種類は、磁性体に内部応力が加わった場合、透磁
率が変化する原理を用いたものである。

即ち飯山方向の張力分布を透磁率分布として捉えて測定
するもので、磁励コイルによってコイルのコアと、ギャ
ップ、圧延材を介して磁気の閉路を作り、検出コイルに
よって磁束°変化を検出しようとするものである。即ち
鋼板の張力分布が変化すると透磁率分布が変り、結果と
して励磁４束の磁気インピーダンスが変化し、磁束密度
の分布が変化する。これを検出コイルにて検出するもの
である。本方式は、非接触であると云う点で秀れている
が、測定の原理から磁性体を用いており、非接触方式の
最大の利点を生かすべき、アルミ材やステンレス材等の
非磁性体に適用が出来ないこと、文透磁率の小さくなる
（一定となる）熱間圧延材にも適用が難かしく適用範囲
が、限定される。更に軟！冷間材に於ても、飯山方向の
透磁率が圧延履歴によって若干異なっており、これが雑
音として測定精度に影響する点でも欠点がある。

第３の従来技術は、張力のかかつている圧延材に、張力
方向と直角（上下方向）に外力を加えた場合、その変位
量は圧延材にかかつている張力の量と逆比例すると云う
力学の法則を用いたもので、その変位を電気的な静電容
量の変化として捉え、電気的に測定しようとするもので
ある。本方式では圧延材を静電容量を構成する一極とな
し、その対極にｎ個に分割された飯山方向に分布する電
極を設ける。此の場合の誘電体は空、気であり、張力に
逆比例した圧延材の変位を与える為、一定周期で変化す
る外力を上下方向に加え、検出された静電容量の変化を
、周期尚に゛変化する外力周波数゛との相関を取って統
計処理することによって、耐ノイズ性を高めている。与
えるべき外力としては、一般的に電磁石が用いられるが
、非磁性体に対しては機械的外力を与える方法が提案さ
れている。

本方式の欠点は、圧延材と対向する電極との間の静電容
量を測定する場合、圧延材に乗ってくる冷却水や潤滑油
が誘電体の誘電率を変えて雑音となること、これを除去
する為のエアーバージ装置等を必要とすること、分割電
極の表面を清浄に保っておかないと雑音が発生して誤差
となる為、保守が大′変なること、更に相関統計処理演
算が複雑なる□こと等の問題があるが、非接触形であり
、磁性体、非磁性体を問わず使える等優れた特性を持っ
ていることは確かである。

本発明の目的は、前項で説明した各種の従来技術の欠点
を補い、非接触形で、磁性体、非磁性体を問わず適用出
来る形状検出装置を提供しようとするものである。。

本発明に於ては、飯山方向に分割設置されたｎ個の渦流
変位検出器を設け、この信号を利用して形状を検出する
。渦流変位検出器は、渦流探傷器として、鋼材等の表面
疵の検出に実用化されている。渦流探傷器の場合、渦流
検出コイルと被探傷材との間隙差の変化はリフトオフ信
号と呼ばれ、検出ノイ〆となる為、コイルと被探傷材間
々隙は厳密に一定に保たれる。これに対して本発明は、
被検材と渦流検出コイル間の間隙差に゛よるリフトオフ
信号を積極的に形状検出に利用するものである。前に説
明した如く圧延材の形状変化は、飯山方向の伸び率分布
の不均一に起因しており、伸び率の不均一は、冷間材の
如く圧延材に張力のかかつている場合、圧延材にかかつ
ている張力分布が飯山方向で不均一であることを示し、
これに直角方向（上下方向）に外力を加えると、伸び率
の小さい所、従って内部張力の大きい所では、外力に対
する上下方向のス）　ＩＪツブの偏位が小さく、一方伸
び率の大きい所では偏位置が大きい。此の外力を加える
方法として、従来技術第３の如５く周期的外力を加える
ことは、相関統計処理が複雑な上、応答性が悪く連続測
定が出来ない欠点があるので、本発明では鋼板の飯山方
向に例えば圧力空気を噴射して常に外力を加えたままと
する。圧力空気の噴射法には飯山方向に一様に加える方
法と、ｎ個設置された渦電流検出器と１対１に対応させ
てスポット的に噴射する２つの方法があるが、スポット
噴射の方が、隣接検出器への相互干渉が少なくて好まし
い。また、熱延材のように圧延材に張力がかからない場
合には、直角方向の外力は不要である。

発明の一実施例を説明する前に、渦流変位検出器につい
て若干説明を加える。本発明に使用される渦流変位検出
器の原理は周知であるが、測定原理を第４図に示す。４
１は励磁コイルであり、通常ｌＫＨ２〜Ｉ　ＭＨ２程度
の正弦波にて励磁される。４５は磁束を示す。４２は検
出コイルであり、励磁コイルの励振により、金属板であ
る圧延材４３に渦電流４４が発生し、この影響で励磁コ
イル４１と検出コイル４２の相互インダクタンスが変化
することにより、検出コイルの出力に影響を受ける。此
の変化はコイルと金属板の距離の関数であり、距離が近
付く程出力が大きくなる。例えば巻数１００ターンの励
磁／検出コイルで、励磁側に１００ＫＨ２，ＩＯＶ　を
印加すると、０．１＋＋＋ｍ程度の距離の変化をＳ／Ｎ
比１０以上で検出可能である。然し通常は更にＳ／Ｎ比
を向上させる為、第５図に示す如く、励磁及び検出コイ
ル５１及び５２を２個ずつ設け、図の如くブリッジ形に
結合し、不平衡電圧を取り出す如く構成される。あるい
は図には示さないが、２個の検出コイルを差動接続して
変化の差分を取り出す方法が用いられている。第５図に
於て、Ｍｒは一定の相互インダクタンス、Ｍは渦電流に
よって変化する相互インダクタンスである。此の両者よ
り、整流器５３によって整流した出力を加え合わして出
力ｔ。＝１１−ｔ２　　となりｔｌ　が一定であるから
渦電流による変化分だけを取り出すことが出来る。

一般に励磁コイルと検出コイルの相互インダクタンスＭ
は次式で与えられる。

Ｍ＝ｖ’τａ　ｎ、　−ｎ、　４ｒｃＹ　・１０−’（
Ｈ：）　−（５）Ａ：励磁コイルの半径（Ｃｒｎ） ａ：検出コイルの半径（ｃｒｎ） ｎＩ：励磁コイル巻数 ｎ２：検出コイル巻数 ｙ：ａ／Ａとｘ　／Ａの関数 Ｘ：コイルと金属板の距離（ｃｒｎ） 相互インダクタンスＭと距離Ｘは計算例を第８図に示す
如く線形ではないが、距離が大きくなる程急速に小さく
なることがわかる。更に渦流変位検出器の特性を分析す
ると、周知の如く渦流の浸透深さδは、 で示される如く、励磁周波数ｆ、透磁率μ、電導度ρの
影響を受けることがわかる。然し圧延材の電導塵ρ及び
透磁率μは殆ど一定であシ、圧延履歴に影響される透磁
率の変化も実測では飯山方向で高々１〜２％である。従
って鋼板に十分な外力を加えて間隙Ｘを変えることによ
って精度良く応力分布を検出することが出来る。

第６図は本発明の一実施例を示す。圧延材２は圧延中の
振動を出来るだけ防止する為、左右の一組のピンチロー
ルによって押えられていることが望ましい。但しこれは
本発明の必要な構成要件では必ずしもない。鋼板形状を
測定する渦流変位検出器３は図に示す如く飯山方向にｎ
個設置される。

保守及び取付法の簡便さの為、ｎ個を一体として構成さ
れている。説明の簡略化の為に図示していないが、検出
器群全体を飯山方向に駆動、引き出せるスキャニング装
置や、上下方向の間隙調整機構のあることが望ましい。

鋼板と検出器の間隙は通常５〜１０震に調整され、非接
触形である。各検出器はブリッジ形又は差動形の渦流変
位検出器を内蔵し、正弦波発振器６により、励磁コイル
が励磁される。正弦波発振器６の励振周波数は通常１０
ＫＨ２〜Ｉ　ＭＨＺが用いられる。一方圧延材２には通
常内部応力（張力）がかかつていて、伸び率の巾方向の
不均一に起因する形状不良は現われてこないので、これ
を顕在化させる為、圧延材の上方より圧縮空気ヘッダー
４を介して鋼板を下方向に変位させる外力を与える。圧
縮空気の加え方は、飯山方向に一様に加えると板金体が
下方に沈んで伸び率差による内部応力差に応じた変位が
顕著に出てこない場合もあるので、検出器ｎ個に対応し
てｎ個の圧縮空気の吹出口を設け、検出器の真上に噴出
してローカルな変位を与える構造とする。

空気圧はバルブ５によって調整可能な構造とし、空気圧
は５〜２０Ｋｙ／ｍｍ”の力を持ち各噴出面は直径５〜
１０ｍの円状とする。此のように圧縮空気を噴出するこ
とにより、圧延材の各部位は内部応力に応じて、下方に
ローカルな変位を起し、各検出器３は、検出コイルによ
って間隙の変化を検出する。

検出信号は、励磁コイルと検出コイルの相互インダクタ
ンスの変化の形として現われ、出力電圧の位相及び振巾
が変化する（後述第７図）。検出コイルによって検出さ
れた信号は演算装置１００に加えられる。この信号は、
通常歪みが発生し傷信号などの高調渡分を含んでいる。

これは、次に説明する位相積分回路８の積分値に影響す
る為、その前段に設けられるフィルター回路７を介して
高調波成分を除去する。フィルター回路７を通った検出
信号は、位相積分回路８によって相互インダクタンスの
変化による信号の位相及び振巾変化が検出される。此の
原理説明を第７図に示す。検出信号は第６図のフィルタ
ー回路７によって励磁周波数と等しい正弦波信号になっ
ている。形状がフラットで正常な場合、（４）のように
検出信号の正弦波を０°〜１８０°積分したものをＸ軸
に取り、９０゜〜２７０°積分したものをＹ軸に取ると
、■のようにＸ軸は振巾Ａ、Ｙ軸は０となる。此の状態
を正常状態として、形状変化によって、検出器３と圧延
材２の間隙が変ると相互インダクタンスが変る為、（Ｃ
’ｌ、（Ｄｉに示すように、検出信号の位相が変化する
。従って同じタイミングにて積分している場合、位相か
び変化するとＸ成分は小さくなり、Ｙ成分が出て来て間
隙の変化を振巾Ａ及び位相θによって判定が出来る。第
６図の位相回転回路９は、必ずしも必要ないが、経験に
よると、間隙変化による位相の変り方と、他の外乱要因
（例えば透磁率の変化）による位相の変り方は、違いが
あることがわかっている。そして、或調整状態で、間隙
のみ変化させると、同一位相で（位相は殆ど変らず）振
巾のみ変化する。従って位相回転回路によって予め相回
転させておき、Ｙ出力０．Ｘ出力Ａの如く合わせておく
と、間隙変化は殆どＸ出力の振巾変化となってあられれ
、Ｘ出力のみにて間隙変化を測定出来る利点がある上、
他の雑音による変化を除去出来る。

以上の信号処理によシ各検出器毎ｎ個の信号σ１〜σ。

が求められるが、形状は中方向の伸び率の相対的な違い
によって発生するため、これらの信号の相対的な関係を
求める必要がある。このためには、それらの信号の基準
となる値を求める必要があるが、こ＼では平均値回路１
０がその平均値σ。を演算することにより求めてい°る
。そして、この平均値σ。を用いて、各信号σ１〜σ。

と平均値σ７との差Δσ１〜Δσ。を減算器１１にて夫
々演算する。このΔσ１〜Δσ７が実際の形状に対応す
る信号であり、演算装置１００から出力される。この形
状検出信号ΔＪ工〜Δσゎは、圧延材２の形状を良好に
制御するために利用される。演算装置１００は、ここで
はアナログ回路で実現した例を示したが、この演算装置
１００の全部または２部をディジタル演算装置で実現す
ることもできる。むしろ、渦流変位検出器１０のチャン
ネル数（ｎ）が大になればなる程、ディジタル演算装置
を利用した方が、簡単でコスト的にも有利である。この
ディジタル演算装置としては、市販されているマイクロ
コンピュータが使用できる。

上述の実施例では、被検材に張力がかかつている場合、
すなわち冷間圧延機で圧延される圧延材の形状検出につ
いて説明したが、本発明は被検材に張力がかかつていな
い場合、例えば熱間圧延機で圧延される圧延材の形状検
出についても同様に適用できる。この場合には、張力が
かかつていないので形状変化は顕在化しており、第６図
に示される如き外力を加える装置（圧縮空気ヘッダー４
およびパルプ５）は不要である。ただ、熱間圧延機での
圧延においては、被検材である圧延材が高温であるだめ
、渦流変位検出器は高温に耐えるものでなくてはならな
い。しかし、最近の渦流変位検出器には、水冷などの冷
却装置が付加されており、また検出フィル自体も耐熱性
のものが開発されているので、この点に対する心配はな
い。

以上説明したように、本１発明によれば、非接触形で、
磁性体、非磁性体を問わず適用できる新規でかつ有用な
形状検出装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は形状を説明するだめの図、第２図は急峻度形状
と伸び串形状の関係を示す図、第３図は形状検出の適用
される対象例を示す図、第４図と第５図は渦流変位検出
器の原理を説明するための図、第６図は本発明の一実施
例を示す図、第７図■〜■は形状の変化による信号の状
態を示す図、第８図は相互インダクタンスと距離との関
係を示す図である。 ２・・・圧延材、３・・・渦流変位検出器、４・・・圧
縮空気へラダー、５・・・バルブ、６・・・正弦波発振
器、１００３２′ 第　４　　口 ５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、走行する被検材の形状を検出するものにおいて、該
   被検材の横断方向に被検材に近接してｎ個（ｎ≧２）の
   渦流変位検出器と、該ｎ個の変位検出器の変位量を入力
   し前記被検材の形状を演算する演算装置とを設けたこと
   を特徴とする形状検出装置。