JPS6345539B2

JPS6345539B2 -

Info

Publication number: JPS6345539B2
Application number: JP55170183A
Authority: JP
Inventors: Jiimusu Muurii Aanesuto
Original assignee: Electricity Council
Current assignee: Electricity Council
Priority date: 1980-12-02
Filing date: 1980-12-02
Publication date: 1988-09-09
Also published as: JPS5797442A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、移動している金属ストリツプと物理
的に接触することなく、連続的に移動している金
属ストリツプの物理的性質を測定するための方法
と装置に関するものである。

以下の記載から明らかになるように、本発明の
技術は、本質的には、固体内の音波の速度を測定
することである。この速度は物質のヤング率に関
係している。したがつて、この方法はヤング率の
測定のために用いることができる。けれども、物
質の他の物理的性質の中には、ヤング率の知識か
ら決定できるものがもつと広く存在している。特
に、ヤング率は温度と共に変わり、そしてヤング
率の決定はその物質の温度の決定を可能にする。
本発明により、金属ストリツプに物理的に接触す
ることなく、このストリツプが進行方向に対して
横の方向に運動していても、ヤング率のようなパ
ラメータを決定することができる、移動している
金属ストリツプに関する測定のための方法と装置
がえられる。金属の熱処理の場合に、例えば、連
続した長いストリツプ状物質の熱処理の場合に、
処理中のストリツプのヤング率の非接触測定は、
このストリツプの焼なましの状態を決定すること
を可能にする。本発明の技術により、この物質が
熱処理を受ける時、金属ストリツプ物質の焼なま
しの状態を監視することが可能となる。

本発明の１つの特徴により、連続的に移動して
いるストリツプ金属の物理的性質を表すパラメー
タを決定する方法は、超音波周波数をもちこのス
トリツプの表面上の１つの位置近くで音響衝撃波
を発生することと、このストリツプの物質内を衝
撃波による横波が伝播する伝播速度を測定するこ
ととの段階を有し、前記伝播速度の測定が、この
ストリツプ上の第２位置と第３位置の伝播時間が
前記第２位置および第３位置のおのおのに対しス
トリツプの両面の近くであるがそれとは接触して
いない２つのマイクロホンを用いて前記第２位置
および第３位置のおのおのに音響衝撃波が到達す
る時刻を測定し、そしてこれらの第２位置および
第３位置にある２つのマイクロホンへの音波の平
均到達時刻の間の差を決定することにより決定さ
れることを特徴とする。この横波伝播速度Ｖは次
の式によつて与えられる。

ここで、Ｅはヤング率、σはポアソン比、ρは
相対密度である。

大低の物質に対して、測定の行なわれる条件の
範囲にわたつて、ポアソン比と相対密度は一定で
あると考えることができる。したがつて、伝播速
度はヤング率の平方根に比例する。ヤング率は温
度によつて変わる。したがつて、他の条件が同じ
ならば、伝播速度の測定からその物質の温度を決
定することができる。通常、与えられた装置に対
し、伝播速度と温度との間の関係は実験的に決定
することができ、それにより、この測定装置を校
正することができる。

この技術により、処理中の金属ストリツプの物
質的パラメータの測定が可能となる。このような
ストリツプでは、１つの表面の近くで生じた衝撃
波はストリツプの幅にわたり、長さに沿つて伝播
するであろう。離れた点に衝撃波が到達する時刻
をマイクロホンにより決定することは容易にでき
る。実際上、ストリツプはその面に対し横方向に
運動するから、２つのマイクロホンがストリツプ
の両面の近くに配置され、それでもしストリツプ
が１つのマイクロホンに近づくように運動するな
らば、他のマイクロホンからは遠ざかることにな
る。２つのマイクロホンに衝撃波が到達する平均
時刻は、もしストリツプが２つのマイクロホンの
間の中央に存在したままであるときの平均到達時
刻を与える。このようなマイクロホンの対がある
距離だけ離れて２組用いられ、それにより２組の
対の間の伝播速度を決定することができる。この
ことは、衝撃波発生器とストリツプの間の距離が
変わることによる誤差といつたようなありうる誤
差を除去する。

衝撃波は超音波周波数をもつており、そして速
い立上り時間、例えば、約２マイクロ秒の立上り
時間をもつた持続時間の短いパルスによつてつく
られることが便利である。このような衝撃波は検
査される物質の近くに置かれた電気火花によつて
つくることができる。衝撃波は超音波エネルギの
持続時間の短いパルスで構成されることが望まし
い。この電気火花は規則正しい繰返しパルスを生
ずるように構成されると便利である。

本発明の別の特徴により、連続的に移動してい
る金属ストリツプの物理的性質を表すパラメータ
を決定するための装置は、ストリツプの１つの表
面の近くの１つの位置において超音波周波数をも
つた衝撃波を発生するための衝撃波発生器と、こ
うして生じた衝撃波のストリツプ内の伝播速度を
測定するための装置とを有し、この伝播速度を測
定するための前記装置が、ある距離だけ離れた第
２位置および第３位置のおのおのにおいてストリ
ツプの近くでストリツプの両側に置かれた２つの
音響信号受信器と、検査されるストリツプの第２
位置と第３位置との間の音響波信号の伝播速度を
決定するために第２位置にある２つの受信器に衝
撃波が受信される平均時刻と第３位置にある２つ
の受信器に衝撃波が受信される平均時刻との差に
応答する装置とを有することを特徴とする。

前記記載のように、衝撃波発生器は持続時間の
短い圧力パルス信号を火花放電で生ずるように構
成された電気回路から成ることが望ましい。この
パルス信号は短い立上り時間をもつており、した
がつて、超音波エネルギをもつている。物質の選
定された領域に衝撃波を向けるために、この物質
と衝撃波発生器との間にコリメータを備えること
ができる。

受信器はこの物質の表面近くのマイクロホンで
あることができる。このマイクロホンは指向性マ
イクロホンであることが望ましい。例えば、パラ
ボラ反射体の焦点の位置に小さな超音波受信器を
置くか、または、物質と各マイクロホンとの間に
適当なコリメータを備えることが望ましい。

以下の記載では図面を参照しよう。

第１図において、高温度の移動している金属ス
トリツプ１０の側面図が示されている。この高温
度の金属ストリツプは、例えば、焼なましのよう
な熱処理工程を受けた薄板状のストリツプであ
る。このストリツプの近くに電気火花ギヤツプ１
１があつて、この火花ギヤツプは電源１２から電
力の供給を繰返し受けて一連の音響インパルスを
生じ、そしてこの音響インパルスが１３の位置で
ストリツプに当たる。この音響インパルスの繰返
し周波数は、例えば、50Hzである。この火花ギヤ
ツプでの火花放電の立上り時間は非常に短く、例
えば、２マイクロ秒であり、そしてこの火花放電
はそのエネルギの大部分を100KHz領域の超音波
信号として生ずる。コリメータ１４が備えられて
いて、超音波インパルスがストリツプに当たると
きの面積を限定する。もしこのようなコリメータ
１４が必要ならば、それは開口部１６をそれぞれ
有する一連の板１５の形をとるのが便利である。
これらの開口部は整合していて、それが衝撃波の
要求された経路を形成する。点１３から離れた位
置Ｘにおいて、このストリツプの両側の面に向か
う方向に、指向性マイクロホン２０，２１の第１
の対が備えられる。点Ｘからこのストリツプに沿
つてある距離だけはなれた位置Ｙに、マイクロホ
ン２２，２３の第２の対がまたこのストリツプの
両面に向かう方向に備えられる。これらのマイク
ロホン２０乃至２３は火花放電により生じた
100KHz付近の超音波周波数を感ずるように設計
されている。これらのマイクロホンは後で詳細に
記載される同調受信器およびデータ処理装置２５
に接続される。これらの装置はＸにおけるインパ
ルスの受信の平均時間（２つのマイクロホン２
０，２１での受信時刻の平均）と、Ｙにおける同
じインパルスの受信の平均時刻（マイクロホン２
２，２３での受信時刻の平均）との差を決定す
る。これらの平均時刻の間の差は衝撃波がＸから
Ｙまで伝播するのに要する時間間隔である。物質
内の音波の速度は前述の如くヤング率、ポアソン
比及び相対密度に依存し、本発明による測定の行
われる範囲においてはポアソン比と相対密度は一
定とみなされるので、音波速度はヤング率に依存
する。一方ヤング率は物質温度に依存するので、
音波速度はその音波の伝播する物質の温度に依存
すると言える。従つて、受信器およびデータ処理
装置の温度はストリツプのＸとＹの間を音波が伝
播する速度を現すので、これをＸとＹの間のスト
リツプの温度に換算することは容易である。も
し、この金属ストリツプが焼きなまし中であれ
ば、ＸとＹとの間の音波伝播速度からそのストリ
ツプのヤング率が求められ、これから焼きなまし
温度を求めることができる。従つて、受信器およ
びデータ処理装置２５の出力はこのストリツプが
受けた焼なまし工程の全体検査として用いること
ができる。

受信マイクロホン対２０，２１および２２，２
３を用いることにより、そして各対内の２つのマ
イクロホンをストリツプの両側の面の近くに配置
してそして対内の２つのマイクロホンに衝撃波が
受信される時刻を平均することにより、この装置
は、ストリツプの横方向の運動があつても、すな
わち、ストリツプが対内の１つのマイクロホンに
向つて運動しそして他のマイクロホンから離れて
運動することがあつても、満足に機能することが
できる。したがつて、高速度で移動する金属スト
リツプでこのストリツプの面に垂直な方向に振動
しているストリツプの温度または他の物理的性質
の非接触監視をする時、この形の検査装置を用い
ることができる。

ストリツプの一局部からの音波を確実に受信す
るために、指向性マイクロホンを用いることが望
ましい。マイクロホンおよび受信器は必要な周波
数で選択的に動作するように構成することがで
き、そして雑音を除去するために高域フイルタを
備えることが望ましい。この必要な周波数として
は、例えば、超音波放射を受信するための周波数
である。

装置２５は第２図にさらに詳細に示されてい
る。４つのマイクロホン２０，２１，２２，２３
からの入力はそれぞれ４つの同調した増幅器３
０，３１，３２，３３に供給され、そしてこれら
の増幅器は100KHz付近の信号を増幅および波
し、そして検知された出力を供給する。これらの
出力はそれぞれの閾値比較器３４，３５，３６，
３７を通る。これらの閾値比較器は主として雑音
である信号の低レベル部分をカツトする。火花ギ
ヤツプからの信号は、発生器１２からの電気パル
スとして、本質的には波形発生器であるトリガ回
路３８に供給される。このトリガ回路からの出力
は、遅延回路３９を通つた後、クロツク４２から
のクロツクパルスを数える電子タイマ４１をスタ
ートするために、線路４０に第１出力を供給す
る。遅延回路３９からの出力は、比較器からタイ
マ４１に出力を通すために、ゲート４３，４４，
４５，４６を開くのにまた用いられる。これらの
ゲートはそれぞれに関係した遅延回路４７，４
８，４９，５０を有している。これらの各種の遅
延回路はデジタルカウンタであることが便利であ
り、そしてこれらは火花ギヤツプに電力が供給さ
れてから適当な時間後にゲートを開く。これはマ
イクロホンが受信する可能性のある偽の信号がタ
イマに妨害を与えるのを少なくするためである。
ゲートを通つて受信された信号は線路５１，５
２，５３，５４によりタイマ４１に供給される。
タイマ４１は４つのマイクロホンのおのおのにお
ける（火花放電の時刻から測られた）到着時刻を
決定し、そしてこれらの出力を（マイクロホン２
０，２１，２２，２３にそれぞれ対応した）４つ
の線路５７，５８，５９，６０にデジタル形式で
供給する。線路５７，５８上の出力は加算器６１
に供給され、そして線路５９，６０上の出力は別
の加算器６２に供給される。加算器６１で加算さ
れた出力が、減算器６３において、加算器６２で
加算された出力から減算され、それによりマイク
ロホン２０，２１の位置からマイクロホン２２，
２３の位置まで音波が伝播するのに要する平均時
間が与えられる。この平均時間はプログラムされ
た計算器６４に供給される。このプログラムされ
た計算器は線路６５，６６，６７にそれぞれｍ、
σ、ρの入力を有しており、そして決定されたヤ
ング率Ｅが表示器６８に表示される。

ストリツプの機械的運動により音波が発生する
ことがあるが、しかし、このような音波は低周波
信号であり、波された周波数領域の外側にあ
る。これまで記載してきた装置はストリツプの横
方向の運動によるマイクロホンからの距離の変化
を補償する。第３図はストリツプの瞬間位置１１
０を示している。この図では、ストリツプの横方
向の変位が誇張されて示されている。信号が火花
ギヤツプからマイクロホンまで伝播するのに要す
る時間が前記記載の回路によつて測定される。信
号は火花ギヤツプ１１からマイクロホン２０乃至
２３まで伝播する。測定された時間はマイクロ秒
の程度であり、信号の速度はストリツプの速度よ
りずつと大きいから、測定のさいには、ストリツ
プは停止しているように考えてよい。次の信号が
再び測定される（次のd.c.パルス）までに約20ミ
リ秒が経過するので、ストリツプは引続く信号パ
ルスの間に位置を変えるが、その移動速度は小さ
いので、１つのパルスの持続時間内ではその移動
速度は何の効果ももたない。すべての測定は１つ
のパルス内で行なわれるので、ストリツプの運動
は無視することができる。

４つのマイクロホン２０，２１，２２，２３
が、測定の瞬間に、ストリツプからそれぞれ距離
ａ、ｂ、ｃ、ｄにあるとする。火花ギヤツプはス
トリツプから距離S₁の位置にあり、また火花ギヤ
ツプと最も近いマイクロホンとの距離をS₂とし、
そしてマイクロホン２０，２１，２２，２３は距
離ｍだけ離れているとする。火花信号がマイクロ
ホン２０に到達するのに時間t_aを要し、マイクロ
ホン２１に到達するのにt_bを要し、マイクロホン
２２に到達するのにt_cを要し、そしてマイクロホ
ン２３に到達するのにt_dを要するとする。する
と、時間t_a内に信号は距離（S₁＋S₂＋ａ）を伝播
し、そして時間t_b内に距離（S₁＋S₂＋ｂ）を伝播
し、等である。したがつて、時間（t_a＋t_b）は２
（s₁＋S₂）＋（ａ＋ｂ）に比例する。

同様に、信号は時間t_c内に距離（S₁＋S₂＋ｍ＋
ｃ）を伝播して２３に到達する。したがつて、
（t_c＋t_d）は２（S₁＋S₂＋ｍ）＋（ｃ＋ｄ）に比例す
る。（t_c＋t_d）から（t_a＋t_d）を引算することによ
り、時間（t_c＋t_d）−（t_a＋t_b）内に伝播する全距離
として｛２（S₁＋S₂＋ｍ）−２（S₁＋S₂）−（ａ＋ｂ）＋
（ｃ＋ｄ）｝がえられる。マイクロホンの位置は（ａ＋ｂ）が
（ｃ＋ｄ）と同じ距離であるように固定されてい
る。したがつて、伝播した全距離は単に2mであ
る、すなわち、固定されたマイクロホン間の距離
の２倍であり、そしてストリツプの運動に無関係
である。

タイマ４１は４つの時間信号t_a，t_b，t_c，t_dを与
える。これらの時間信号は次に引算されて（t_c＋
t_d）−（t_a＋t_b）が計算される。こうしてえられた
時間Ｔは、Ｖをストリツプ内の超音波の音速とし
て、マイクロホン間の距離ｍとの間にＶ＝2m／Ｔの関係がある。この式との式とからヤング率がえられる。ここで、Ｅはヤ
ング率、σはポアソン比、ρはストリツプの密度
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は移動している金属ストリツプの物理的
性質を表すパラメータの１つの決定法の概略図、
第２図は第１図に示された方法を実施するのに用
いられる装置の部分詳細図、第３図は説明図を示
す。１１，１２……衝撃波発生器、２０，２１，２
２，２３，２５……伝播速度測定装置、２０，２
１，２２，２３……音響信号受信器、６３，６４
……平均時刻差決定装置、１１……電気火花ギヤ
ツプ、１４……コリメータ、４１，４２……カウ
ンタ、４３，４４，４５，４６……ゲート回路、
３９，４７，４８，４９，５０……遅延回路。

Claims

【特許請求の範囲】１金属ストリツプの表面上の第１の位置に近接
した位置で超音波周波数を含む音響衝撃波を発生
する段階と、前記ストリツプを介して前記衝撃波
が伝播する速度を測定する段階とを含む、連続的
に移動する金属ストリツプの物理的性質を示すパ
ラメータを決定する方法において、前記ストリツプ上の第２位置と第３位置のそれ
ぞれの位置に、該ストリツプの両面に近接するが
接触しないように２つのマイクロホンを配置して
前記第２位置および第３位置のそれぞれに前記音
響衝撃波が到着する時間を測定する段階と、前記
第２位置および第３位置における前記マイクロホ
ンに前記衝撃波の到着する平均到着時間の差を求
める段階とを有することを特徴とする、前記金属
ストリツプの物理的性質を表すパラメータを決定
する方法。２特許請求の範囲第１項において、前記音響衝
撃波が火花放電によつて発生することを特徴とす
る前記方法。３連続して移動する金属ストリツプの表面に近
接した第１の位置に設けられて、超音波周波数を
含む衝撃波を発生するための衝撃波発生器と、前
記ストリツプ内での前記衝撃波の伝播速度を測定
する装置とを備えた金属ストリツプの物理的性質
を表すパラメータを決定する装置にして、前記衝撃波伝播速度測定装置が、前記ストリツ
プに近接するが接触しないように、その両側の面
に対向し、かつある距離隔離した第２および第３
の位置のそれぞれに設けられた各２つの音響信号
受信器と、前記第２位置にある２つの前記受信器
に前記衝撃波が到達する平均時間と前記第３位置
にある２つの前記受信器に前記衝撃波が到達する
平均時間との差に基づいて前記ストリツプ内の前
記第２位置と第３位置との間の音響波信号の伝播
速度を求める装置とを有することを特徴とする前
記金属ストリツプの物理的性質を表すパラメータ
を決定するための装置。４特許請求の範囲第３項において、前記衝撃波
発生器が短い持続時間のパルス信号を生ずるため
の電気火花を発生する装置で構成されることを特
徴とする前記金属ストリツプの物理的性質を表す
パラメータを決定するための装置。５特許請求の範囲第４項において、前記衝撃波
発生器が短い持続時間の繰返しパルス信号を生ず
る繰返し火花を発生をするように構成されること
を特徴とする前記金属ストリツプの物理的性質を
表すパラメータを決定するための装置。６特許請求の範囲第３項乃至第５項において、
前記衝撃波を前記物質の選定された表面領域に向
けて進めるために前記衝撃波発生器と前記物質と
の間にコリメータを有することを特徴とする前記
金属ストリツプの物理的性質を表すパラメータを
決定するための装置。７特許請求の範囲第３項乃至第６項において、
前記受信器が前記物質の表面近くに配置されたマ
イクロホンであることを特徴とする前記金属スト
リツプの物理的性質を表すパラメータを決定する
ための装置。８特許請求の範囲第７項において、前記マイク
ロホンが指向性マイクロホンであることを特徴と
する前記金属ストリツプの物理的性質を表すパラ
メータを決定するための装置。９特許請求の範囲第７項において、前記物質と
前記マイクロホンとの間にコリメータが備えられ
ることを特徴とする前記金属ストリツプの物理的
性質を表すパラメータを決定するための装置。１０特許請求の範囲第３項乃至第９項におい
て、前記衝撃波発生器の動作開始を基準として前
記各マイクロホンに信号が受信されるまでの時間
を測定するためのカウンタを有することを特徴と
する前記金属ストリツプの物理的性質を表すパラ
メータを決定するための装置。１１特許請求の範囲第１０項において、前記カ
ウンタへの信号の供給を制御するためのゲート回
路が設けられ、前記衝撃波発生器の動作開始から
所定の時間の後に前記ゲート回路を開くための遅
延回路を有することとを特徴とする前記金属スト
リツプの物理的性質を表すパラメータを決定する
ための装置。