JPS6031009A - 鋳片凝固厚み測定装置 - 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、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（以下シェル厚計という）に関
するものである。

従来この種の装置として第１図に示すものがあった。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、Ｈは増幅器、（Ｉυはゲート回路、
（１３は透過時間測定回路、　（１３は表面温度計、ぐ
４は鋳片全厚み測定器、（１鴫は凝固厚み演算回路、　
ｏｎは出力回路である。一方、第２図はこのシェル厚計
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ｃｌ■
は増幅器ＨＫ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
っ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αη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、うず電流舖を発生させる。との
うず電流０秒はさらにフレミングの左手の法則により矢
印Ｑ？）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α１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
よっ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（イ）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）Ｋ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ａ１によって増幅され、ゲート回路収りによっ
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θ罎に送られる。このゲート回路（Ｉη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ａ邊では
ゲート回路ａυ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−面か
らその裏面の他面までに伝搬するに要する時間ｔをめそ
の結果が凝固厚み演算回路（ｌ！９に送られる。

さて、今、鋳片内に未凝固部が残っているとし。

すでに凝固している部分の厚さをｄ二ｄ１＋ｄ２とすれ
ば未凝固部の厚さはＤ−４のはずであるから凝固部を超
音波が伝搬する速度をｖ６．未凝固部を超音波が伝搬す
る速度をｖｌとすれば鋳片全体を超音波が透過する透過
時間ｔは ｄ、　Ｄ　−（１ １＝　−＋　− ＢＶ７ であらねされる。一般にｖ８は鋼種によって決まる鋳片
の凝固温度と表面温度計α罎によって測定された表面温
度から平均又は加重平均等によって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ｖｌ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ってめられ
た値が使用される。従って凝固厚み演算回路α９の入力
として前記透過時間を以外に全厚み測定器α→からの厚
み情報りと９表面温度計０９からの表面温度情報と鋼種
によっ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Ｖ７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（１ｆ９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ェル厚計
では、透過時間測定回路αつにおいて鋳片（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ってくるため、これが透過時間測定
の際の誤差の大きな要因となっていた。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
の誤差要因となっていた。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ェル厚計における
欠点となっていた。

本発明はシェ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
のシェ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、α呻は増幅器、０９はゲート回路、
Ｈは透過時間測定回路、Ｑ４は補正回路、０１は表面温
度計、θ引ま鋳片全厚み測定器、０１は凝固厚み演算回
路、　（Ｘ＊は出力回路である。第４図は透過時間群１
定回路ａ３および補正回路Ｃ３の回路構成を示す図であ
る。第４図において（ハ）はＡ／Ｄ変換回路、Ｑ４は波
形記憶回路、（ハ）はピーク点検出回路、（ハ）は第−
零クロス点検出回路、（財）は第二零りロス点検出回路
、（ハ）は第三零りロス点検出回路、翰は超音波発生点
検出回路、（至）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、　（３
３）は係数設定器ｔ　（”）は補正値演算回路、　（３
５）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（６６）とゲート回路（１０か
らの受信信号（６７）はまずＡ／Ｄ変換回路（ハ）に入
力され、タイミング制御回路（６２）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Ｑ４に記憶される。波形記憶回路Ｑ４ではタイ
ミング制御回路（５２）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っている。こ
のＡ　／　Ｄ変換回路（ハ）と波形記憶回路ｔ２４）は
パルス出力タイミング信号（６６）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（６６）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−は波形記憶回路Ｑ４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（６７）は
パルス出力タイミング信号（６６）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
行われるようになっているため鋳片（７）を透過してき
た超音波を電磁超音波受信器（２）によって検出され、
増幅器ＯＩ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０４）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Ｑ４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−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であるが実際には時
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（５７）
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−へ又受信信号（５７）はピーク点
検出回路（ハ）へと渡される。

超音波発生点検出回路（至）はパルス出力タイミング信
号（６６）の立上り点を検出することにより電磁超音波
発生器（１１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ｔａを知ることができる。

時刻１ａ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（６９）を設け（９） 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ｔ１をめたり、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１ａ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（ハ）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（６７）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ｔｐを検出する。このとき受信信号（３７
）の波形によっては、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（ハ）は時系列にデータを記憶
するようになっており、又データのサンプリングもタイ
ミング制御回路（３２）によってあらかじめ定められた
既知のタイミングにて（１０） 行われているため波形記憶回路（ハ）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１ａ時刻ｔｐ
は容易に知ることができる。

さて時刻ｔｐがピーク点検出回路（至）により検出され
ると、この情報はタイミング制御回路（６２）に入力さ
れタイミング制御回路（６２）は時刻ｔｐに対応する波
形記憶回路（財）上の位置からＪｌ［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−零クロス
点検出回路（イ）および第二零クロス点検出回路（５）
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（６７）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
ｔ０を検出する。又第−零クロス点検出回路（ハ）は時
刻ｔ。からさらに時間を順にさかのぼって続み出される
受信信号（６７）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ｔｂを検出する。時刻ｔ。およ
び時刻ｔｂが検出されるとタイミング制御回路（３２）
は今度は時刻ｔｐに対応する波形記憶回路Ｑ４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（１１） 三零クロス点検出回路（ハ）へ渡す。第三零クロス点検
出回路（至）は時間を順に下る方向へ続み出される受信
信号（６７）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ｔｄを検出する。

以上述べたようにして検出された時刻ｔａ　ｖ　ｔｂｅ
”（！ｓｔｄの情報のちう時刻ｔｂ及びｔｄは波長演算
回路（至）に渡され差λ＝ｔｄ−ｔｂが計算され一方時
刻１ａ、　１ｏは透過時間演算回路（３１）に渡され、
差１０＝　１０−１．が計算される。λは受信信号（３
７）における波長をあられすデータと考えることができ
る。さらにこのようにしてめられたλは補正値演算回路
（６４）に入力されこの回路（３４）では係数設定器（
３３）によっ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（６１）によって計算さ
れたｔ。および補正値演算回路（３４）によって計算さ
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＝ｔｏ−△ｔが計算されもこ
の値が透過時間情報（１２） （３Ｂ）として凝固厚み演算回路θ啼に渡され、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（財）が検出
した時刻ｔ。を超音波透過時間ｔを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絡線（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。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。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
（１３） 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ｔａ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。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（６７）の立上り時刻ｔｔと考
えなければならない。この時刻ｔ１．では受信信号（３
７）の振幅は小さくノイズに埋れた状態になっているの
でこの部分から時刻ｔｔを定めるのはほとんど不可能で
ある。従って時刻ｔ。から補正値△ｔを差し引くことに
よって時刻ｔｔ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９時刻ｔｔは時刻上〇の二つ前の零ク
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）の内部の状態によって波形が異って
くるためシェル厚計の各部の定数が全く同じであっても
常に一定とは限らず鋳片（７）に依存する量である。従
って補正値△ｔ（１４） はこの波長λの関数としてめるのが理にかなっている。

事実シェ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っているから鋳片（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
９表面の状態および電磁超音波発生器（１）又は電磁流
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（６７）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ったがこの回路の一部又は全部を
アナログ回路によって置き換えた（１５） す、あるいはコンピューターを用いてソフトウェアに置
き換えたりすることは無論可能であり、またそれによっ
て本発明の趣旨は何は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めこれらの時刻
の組み合わせによって波長λ及び受信基準時刻ｔｏをめ
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１（、を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
の組み合わせによって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
とりシェ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
ック図、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部（１６） 流側の構成を示す図、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ック図、第５
図は本発明装置によっ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、θ１は増幅器、ａυはゲート回路、　Ｑ
３は透過時間測定回路、　ＱＪは表面温度計、　（１４
は鋳片全厚み測定器、　＋１４９は凝固厚み演算回路、
　ｆｌ［９は出力回路。 （２）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
である。 代理人大岩増雄 （１７）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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−゛　面
   から他面まで伝搬するに要する時間ｔをめる時間測定回
   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って測定された時間ｔ、前記全厚
   み測定器によって測定された全厚みり、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Ｖ
   ／とから凝固部厚み改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って受信された受信信号の波長λを
   測定し、このλの関数として得られた補正値△ｔにより
   前記時間ｔを補正する補正回路を前記時間測定回路と前
   記演算回路の間に設けたことを特徴とする鋳片凝固厚み
   測定装置。