JPS6013203A - キユリ−温度を超える温度にある肉厚の金属材料の厚さを非接触状態で測定するための測定装置 - 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】 本発明はキュリ一温度を超える温度にある導体の壁に適
用してその肉厚を非接触状態で測定するための測定装置
に関する。この測定装置の代表的な応用は熱間ロールミ
ルを去る板または管の（約１０ｃｒｎまでの〕厚さを測
定することである。

この秒の測定は現在のところ次の方法によって行なわれ
ている。

ａ）　γ線またはＸ線の放射線写真； ｂ）超音波電磁変換器を使用する音響的測定装置。

これらの系は次のように要約しうる種々の欠点をもって
いる。

ａ）γ線の場合には、寸法、コスト、心理的な諸問題お
よび適切刃数射線遮蔽の必要性。Ｘ線の場合には寸法、
コスト、低い正確付、および適切な放射線遮蔽の必要性
。

ｂ）超音波型、磁変換系の複紳、性；測定感度がセンサ
と壁との間の距離に非常に依存するという事実；および
センサを壁に非常に接近して配置することの必要性（実
際には１ｗ＋ｎ以下の距離〕。

本発明の目的はキュリ一温度を超える温度にある導体の
壁の厚さを非接触状態で測定するための測定装置を提供
することにある。

本発明によれば、この目的は検査すべき壁に近づくよう
に製造しうる磁極片をもつ磁石コアと該コアの本体に巻
きつけた電線コイルとによって構成されるセンサと、該
コイルに交流電流を供給する部材と、該コイルのインピ
ーダンスを測定する部材と、このインピーダンスの測定
値から測定下にある壁の厚さをめる処理装いとを備えて
成る測定装置によって達成される。

測定すべき壁の合金がキュリ一温度を超える温度にある
ならば肉厚の大きなものの厚さを測定することができる
。

この物理的条件はこの物質がもはや強磁性の状態にはな
く（また強磁性４４−１もしくは沈慶゛物をも含まず）
、その代シに反磁性″！た１常磁性の状態にあることを
意味する０強磁性（鉄磁性〕の不在は磁場の磁力線を材
料中に浸透させることを可能にする。高温は、合金がう
す巻き電流効果による磁場エネルギーの消散を限定する
に十分に高い電気抵抗をもち、従って交流ｌｉＢ場の良
好な浸透を保証することを意味する。

本発明の特徴は添付の図面を参照して説明する以下の実
施例によって更に明らかになるであろう。

第１図は本発明によるセンサの基本図を示すものである
０第２図は厚さの測定を受ける壁と組み合せたセンサの
同等の磁石回路を示すものである。

第３図、第４図および第５図はコイルを供給し、そのイ
ンピーダンスを測定し、そしてその測定値を処理するの
に好適な３種の可能力回路配列の実例のダイヤグラムで
ある０第６図は本発明による測定装置用の異なった種類
のセンサの基本図を示すものである。

第７図は本発明による測定装置用のセンサにコイルを数
句けるための異なった態様を示すものである。

第１図は強磁性コアＮＣＣ型のもの〕によって構成され
るセンサＳを示し、その磁極片は測定すべき導体壁Ｐに
面していてそこから短い距離をおいて配置されている０
強磁性コアＮの中心にはコイルＢがまきつけられており
、このコイルに正弦波交流電流■が供給され、そしてこ
のコイルはインピーダンスＺをもっている。

上記の組立体は第２図の同等の磁石回路に相当し、この
回路は強磁性コアＮに相当する枝１、コアＮと壁Ｐとの
間の磁束の空りの通路に相当する枝２、および壁Ｐの空
気の下流中の通路に相当する枝３から成る。この回路モ
デルにおいて、壁ＰＦｉ空気の厚さに比べて薄く、従っ
て無視しうる。他方、Ｐの材料はキュリ一温度よシも高
い温度にあり、空気の磁気浸透率およびこの材料の磁気
浸透率はほぼ等しく（μ、ｚ１〕、従って壁の存在は磁
場の線の束の分布を変えない。

これら３本の枝は次のように異なった磁気抵抗値によっ
て特徴づけられる： 枝１には抵抗Ｒ１があるが、これはコアＮを構成する鉄
磁性物質の高い浸透性のために他の２本の枝に比べて無
視しうる大きさである。

枝２には抵抗Ｒ２があり、これは壁Ｐの空気の上流によ
って決定される。

枝３には抵抗′Ｒ３があシ、これは壁Ｐの下流にあって
壁Ｐと自制の空気によって決定される。

コイルＢの巻き数ｎは枝１に結合するが、１巻きｐは導
体壁Ｐを表わす第３の枝と結合するものと考えられ、そ
の構成物質の抵抗に比例する抵抗γをもつ。

この種の状態において、コイルＢに正弦波交流を流工（
角周波数ω）を供給すると次の起磁力（ｆ、ｍ、ｍＪが
生ずる。

ｆ、　ｍ＋ｍ、　＝　ｎ　Ｉ 枝１において次の磁束がこれに対応する。

φ１＝φ２＋φ３ （ここにφ２およびφ３は枝２および枝３にそれぞれ存
在する磁束によって与えられる寄与を表わす。）φ２け
抵抗Ｒ２のみを考えることによって計算できる０すガわ
ぢ、 φｚ　＝　ｎ　Ｉ／Ｒ２ 磁束φ３も導体壁Ｐ中に（従って巻きｐ中に〕誘導され
る電流Ｉｐに依存する０す々わち、 φｇ＝（ｎＩ　ＩＰ）／Ｒ３ 電流Ｉｐそれ自体は時間についてのφ３の誘導関数に及
びＭＡＰによって与えられる抵抗γに依存する。ベクト
ル表示を使用して、Ｉｐ　＝　ｊωφ３／γ　となり、
これから上記の式を使用して次式かえられる。

コイルＢを横切って適用される電圧■は従って次式から
計算できる。

従ってコイルＢのインピーダンス２け次式によって与え
られる。

上記式（１）において、次のパラメータを導入した。

ここに、αは壁Ｐの磁気通路の上流の抵抗とコアの外部
の抵抗との比に、従ってセンサと壁との間の距離に、依
存する。Ｌは導体壁の不在の際のコイルＢのインダクタ
ンスに等しく、セしてτは壁によって与えられる抵抗の
逆数に比例する、従って壁の厚さに比例する常数である
。

上記（１）の関係式は、以下に述べるようにセンサと壁
との距離のパラメータを導入することによって、コイル
Ｂのインピーダンス２の測定から壁Ｐの必要な厚さを得
ることを可能にする。

とが可能である。

［Ａ）　たとえば静電容量の、光学的な、マイクロ波の
、またはその他のセンサによりセンサと壁との間の距離
の独立した４１１１定を行なうことによって、壁Ｐの厚
さをコイルＢのインピーダンスについての次の構成パラ
メータの１つを測る仁とによって測定することができる
。

ａ）　コイルインピーダンスのモジュラスｂ）コイルイ
ンピーダンスの実在部 Ｃ〕　コイルインピーダンスの仮想部の係数パラメータ
に＝ωτは壁Ｐを辿る磁場の浸透の係数である。Ｋの値
が小さいほど、浸透度は大きい。この点に関して、浸透
が良好であるためには、第３の枝のインピーダンスω／
Ｒａは同等の巻きの抵抗γよシも小さくなければならな
い。

１〈　γ　および、従って に＝　ωτ　〈　１ この関係はτの値が小さいほど満足される。τ＝しγＲ
３なので、γは大きいことが必要であシ、この条件は熱
間ロールミルの出口での厚さの測定の場合のように材料
が高温であるときに満足される。

第１次近似を導入することによって、インピーダンス実
在部け（Ｋ（１の場合）゛、 ２、　＝αω２τＬ（５） となυ、壁Ｐの存在に非常に強い依存性（１／ｒ）をも
つ。

式（２）、（３）、（４）、（５）のそれぞれから、Ｌ
の値は知られそしてＲ２およびＲ３の値は見出されたの
で、センサと壁との間の距離の知識から及び理論計算と
理論まｆｃは実験の起点の表とを使用して、（’２Ｐの
平均の抵抗は知られているので〕γの値をめて壁Ｐの厚
さを測定することができる。

この方法は理論的計算をもとにして、あるいはよシ好都
合には実験結果から行なうこともできる。

ＣＢ）　コイルＢのインピーダンスについて同時測定を
行なう。これらの測定は前述の如く実在部と仮想部とを
与えるものである。

これらの測定は次の方法で処理することができる。

（ａ）　これらの測定値を厚さについてのお↓びセンサ
と壁との間の距離についての対応する値を与える実験衣
と比較することによる方法； （ｂ）　’／ｒに依存し、Ｒ２／　（Ｒ２＋　Ｒ３）な
る比には従つてセンサと壁との間の距離には無関係な次
式を計算することによる方法。

〔ＣＤ　導体壁Ｐが不在のときにコイル１ｔ３ｆ：横切
って存在する電圧信号ｊωＬＩを壁が存在するときに測
定した電圧から差引き、そして合成信号とコイルに供給
した電流との間の位相差θを測定する。

この位相差は次式によって与えられる０この式から そして上記の式から、ひとたびセンサど壁との間の距離
が知られるならば、壁Ｐの厚さの必要値を推論すること
ができる。

ＣＤ）　ｖ個のコイルのインピーダンスの測定を種々の
周波数において行ガう。この点に関して、低周波数での
磁場は厚さに対してよυ敏感であるが、これに対して高
周波数での磁場は、高周波数で導体に浸透する磁束を限
定する表層効果の結果として、センサと壁との間の距離
に対してより敏感である。厚さの測定およびセンサと壁
との間の距離は好適な数学的手法により又は表を使用し
て得ることができる０ 前記パラグラフ囚、ＣＢ）およびＣＤ）において説明し
た方法を使用するために、第３図に示す回路配列を使用
することができる。然し第３図は非限定的々実施例とし
てここに示すものである。第３図において、角周波数ω
の正弦波交流電流を発生する発電機ＧがセンサコイルＢ
に霜、流Ｉを供給し、基準電圧Ｖ　ｒｉｆは位相シフタ
ーにより９０°だけシフトしてｖ＋ｒｉｆとなる。後者
のインピーダンスを示すコイルＢを横切る電圧■は基準
電圧■ｒｉｆおよびＶ’ｒｉｆによってそれぞれ導かれ
る２個の同期検出器ＲＳ　１およびＲ８２によって整流
され、これらの相対出力は処理器ＥＬに供給される。こ
の処理器は前記の提案され７′、一方法によシ壁Ｐの厚
さの値を決定しうるようになっている。種々の周波数に
おける測定が必要な峻２合、処理器ＥＬけ周波数制御信
号ＣＦによって正弦波交流電流Ｇの周波数を制御するこ
とができる。

前記パラグラフＣにおいて述べた方法の場゛ｉ合、第４
図の回路配列を使用するのが適９メである。Ｒ５４図に
おいて、二重の正弦波交流発電機ＧＤが２つの同圧１１
流■をセンサコイルＢに、および壁が存在しないときの
コイルと同じ係数をもつ誘導子りに、供給する。差動増
幅器ＡＤによってえられる２つの合成電圧信号…１の差
違は次いで発′ｌｔ機ＧＤによって与メ、られる基準信
号ｖｒｉｆと、位相に関して、比較される。この位相比
較は位相比較器兼処理器ＣＥによって行なわれ、これに
よって壁Ｐの厚さかえられる０方法人を使用するとき、
およびインピーダンス２のモジュラス値のみを使用する
ことを望むとき、第５図に示す更に簡単力回路配列を使
用することができる。第５図において、角周波数ωをも
つ正弦波交流型１流を発生する発電機Ｇは電流工をセン
サコイルＢに送る０コイルＢのインピーダンスの指椋と
なるコイルＢを横切る電圧は、Ｒ８によって電流されて
、４ｔｐの厚さを測定しうる処理器ＥＬに供給される。

励磁系およびインダクタンヌの両者として作動する単一
コイル（そのインピーダンスの変化を測定する）によっ
て朴）成させる代りに、センサは信号／ノイズの比およ
び安定性を改良するために及び電気回路を簡単にするた
めに、センサはこれとは異なって構成させることができ
る。

第６Ｖはこのようなセンサの基本Ｍを示すものである。

励磁コイルＢおよび２個の測定コイルＢ１およびＢｘ　
（これらはホイートストン橋に接続されている）がコア
に巻きつけられている。電位差計Ｐは測定ずべき入力が
存在しないときにホイートストン橋をゼロにすることが
できる。

第７図は実験的に試験を行なった且つ最適の性能を与え
る異なったコイル組立体の図を示すものである。コアは
り型をしておシ、励磁コイルＢは垂直の中心の枝に巻き
つけられ、２つの枝コイルＢ１およびＲ２はｑ型の隣接
する水平枝に巻きつけられている。

すべての場合に、使用するセンサが如何なる形式のもの
であれ、センサは冷却して測定すべき材料に付随する火
炎および煙霧から保睦すべきである。以上の記述は平坦
な壁の測定に関してなされているけれども、同様の方法
を使用し２て管の厚さを測定することもその管が静止状
態にあるか移動状態にあるかにかかわりなく可能である
。

同じ正弦波交流発電櫓によって供給される２つの向き合
ったセンサを使用することによって、およびこれらの向
き合ったセンサの２つのコイル間のインピーダンスの変
化を＄ｌｌｉ定するための装置を使用することによって
、上記の管の偏心を測定することも可能である。

２個より多いセンサによる厚さの測定によって、管の偏
心を推定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるセンサの基本図を示すものである
。 第２図は厚さの測定を受ける壁と組み合せたセンサの同
等の磁石回路を示すものである。 第３しＪ、第４図および第５図はコイルを供給し、その
インピーダンスを測定し、そしてその測定値を処理する
のに好適な３ｓの可能な回路配列の実例のダイヤグラム
である０第６図は本発明による測定装置用の異なったｆ
ｌＩ類のセンサの基本Ｍを示すものである。 第７図は本発明による測定装置用のセンサにコイルを取
付けるための異方った態様を示すものである□図中にお
いて； Ｂ、Ｂｌ、Ｂ２・・・励磁コイル；　Ｎ・・・強磁性コ
ア；Ｐ・・・検査すべき材料の壁；　Ｉ・・・電流；Ｓ
・・・センサ；　１・・・コアＮに相当する枝；２・・
・コアＮと壁Ｐとの間の磁束の空気の通路に相当する枝
；３・・・壁Ｐ中の通路に相当する枝；　Ｇ・・・正弦
波発電機；Ｖ、　Ｖ　ｒｉｆ、　Ｖ’ｒｉｆ　・・・電
圧；Ｒ８，Ｒ３１、Ｒ８２・・・同期検出器；　ＥＬ・
・・処理器；ＧＤ・・・二重正弦波発電機；ＣＥ・・・
位相比較器兼処理器；ＡＤ・・・差動増幅器；　Ｌ・・
−誘導子っ手続補正書（方式） 昭和５９年７月１３日 特許庁長官　志　賀　字　殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第１２２１４１号 ２、発明の名称 キュリ一温度ケ超える温度にある肉厚の金属材料の厚さ
を非接触状態で測定するための測定装置３、補正をする
者 事件との関係　特許出騨人 （外１名） ６、補正の自答 ３１−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、キュリ一温度を越える温度にある材料の厚さを非接
   触状態で測定するための測定装置であって；検査すべき
   壁に近づくように製造しうる磁極片をもつ磁石コアと該
   コアの本体に巻きつけｆｃ％、紗コイルとによって構成
   されるセンサと、該コイルに正弦波交流電流を供給する
   部材と、該コイルのインピーダンスを測定する部材と、
   このインピーダンスの測定値から測定下にある壁の厚さ
   を得る処理装置とを備えて成る測定装置。 ２、該コアが強磁性材料もしくは非磁性材料のいづれか
   で、あるいは空気で作られている特許請求の範囲第１項
   記載の測定装置。 ３、正弦波交流電流を供給する部材がコイルに正弦波交
   流電流を与えうる且つ基準電圧を与えうる正弦波交流発
   電機から成り、インピーダンスを測定する部月が基準電
   圧にょシ及び該基準電圧に対して９０’の角度で位相シ
   フトする電圧によりそれぞれコイルを枦切って発生ずる
   電圧を整流しうる２個の同期検出器がら成シ、これらの
   検出器の出力を処理装置に供給して壁の厚さを割算する
   ように匁した特許請求の範囲 ４、正弦波交流電流を供給する部材がコイルに正弦波交
   流電流を与えうる且っ壁が存在しないときの係数に等し
   い係数をもつ訪導子用の等電流を与えうる二ｌ．正弦波
   交流発電機から成り、インピーダンスを６川定する部材
   が２つの合成電圧の曲の差をめうる差動増幅器とこの差
   と発電機によって与えられる基準電圧との間の位相比較
   を行ないうる位相比較器とから成る屯許錆求の篩間第１
   項記載の測定装置。 ５．正弦波交流電流を供給する部材がコイルへ供給する
   正弦波交流電流を与えうる正弦波交流発電機から成り、
   インピーダンスを測定する部材がコイルを横切って発生
   する電圧を整流しうる検出器から成り、検出器の出力を
   処理器に供給して壁の厚さを計り、するようにガした特
   許請求の範囲第１功記載の測定装置。 ６、正弦波交流発電機の周波数を検査すべき材料の厚み
   の関数として変化しうるようになした特許請求の範囲第
   ３項〜第５功のいづれかに記載の沖１定装置。 ７、冷却を行なって、測定材料をとりまく火炎および煙
   霧から保護するようになした特訂詞求の師、間第１項記
   載の測定装置。 ８、磁石コアもしくはコイルがＣ形、Ｅ形、エロテーシ
   ョン形、す型、■型などの任意の形体のものである特許
   請求の範囲第１項記載の測定装置。 ９、別々の又は自動変圧器の形体の１本またはそれ以上
   の巻き糾１を備える特許請求の範囲第１頓記薪の測定装
   置。 １０、センサを励磁コイルと、ホイートストン橋の２枝
   を構成する２個の２次測定コイルによって構成させる判
   許請求の範囲第９功記載の測定装置１゜ １１．２個の測定コイルを自動変圧器のタップによって
   励磁コイルから得る特許請求の範囲第１項〜第１０項に
   記載の測定装置。 １２、コアがｑ型であシ、そして励磁コイルをこのＬ／
   型の中心核に数句け、２個のブリッジコイルをこのｑ型
   の隣接する垂直枝にル伺けて成る特許請求の範囲第１項
   〜第１８項に訃：載の測定装置。 １３、厚さの信号をコイルの横切る電圧のモジュラスか
   らおよび／または実在部および／または仮想部から得る
   ようになし、然も該電圧を電流制御された発電機によっ
   て供給させるようになした特許請求の範囲第１項記載の
   測定装置０１４、　ｌ　ｍｓ以下の短い時間で測定を行
   ないうるようになした特許請求の範囲第１項記載の測定
   装置。 １５、測定装置自体と測定を受ける材料の壁との間の距
   離を測定しうるようになした判許請求の範１２Ｉｌ第１
   項〜第１３項に記載の測定装置。 １６、センサと壁との距離に依存する信号を第１の周波
   数と同時の又は非同時の１つ又はそれ以上の高周波数の
   使用によって得るように力した特許請求の範囲第１５項
   記載の測定装置。 １７、センサと壁との距離を厚さの値と一緒に、インダ
   クタンスの三要素すなわちインダクタンスのモジュラス
   、実在部および仮想部から推定する特Ｆ＋４ｆｌ求のｌ
   ｌ１ｉ″Ｉ囲第１５項記載の測定装置。 １８、センサと壁との距離を、静電容量の、光学的な、
   マイクロ波の、又はうす巻き電流の、別のセンサによっ
   て独立に測定する特Ｉｆ；ｆｉ’ｊ求の岬間第１項記飴
   の測定装（Ｂ。 １９、キュリー渦度を超える温度の且つセンサに対して
   静止している妙・まｆＣ，け移動している鉄材料の管の
   厚さを測定するために使用する特許請求の範囲第１項〜
   第１８項に記載のがり定装筒っ ２０、鉄材料の管のまわシに移動状態で又は静止状態で
   １つ又はそれ以上のセンサを配捕−することによって該
   管の偏心を測定しうるようになした特許ｉをの岬１！］
   ：ｉ第１９項記載の測定装置。 ２１、同一の正弦波交流発電機によって供給されるセン
   サを向き合わせることによって、および向き合わせたセ
   ンサの２つのコイルの間のインピーダンスの差の変化を
   測定する／こめの部材を使用することによって該管の偏
   心を測定するようになした特許請求の範囲第２０項に記
   載の測定装置。 ２２．キュリ一温度を超える温度の且つセンサに対して
   静止しているかまたは移動している鉄枦の厚さを測定す
   るために使用する特許請求の範囲第１項〜家、１８項に
   記載の測定装置。 ２３、キュリ一温度を超える温度の鉄板に面している１
   個またはそれ以上のセンサがこの鉄板の検断プロフィル
   および／または平坦性を測定しうるようになっている特
   許請求の範囲第２２項記載の測定装置。 冴、キュリ一温度を超える温度の且っセンサに対して静
   止しているかまたは移動している鉄の枠の直径を測定す
   るために使用する特許請求の範囲第１項〜第１８項に記
   載の測定装置。 ２５、キュリ一温度を超える温度の鉄材料が反磁性およ
   び／または常磁性の種類のものである特許請求の範囲第
   １項〜２６、センサが発振回路の誘導部分であって、そ
   の自己周波数変化を測定して壁の厚さを推定するように
   なした厚さ測定装ぼ。