KR20220124087A - 펄스 와전류 시스템을 사용하는 두께 측정 - Google Patents

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KR20220124087A
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스텐 린데르
얄 소벨
안데르스 에이덴발
마르틴 할딘
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에이비비 슈바이쯔 아게
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Abstract

본 개시내용은 송신기 코일(2) 및 수신기 코일(3)을 포함하는 펄스 와전류(PEC) 시스템(10)에 의한 전기 전도성 재료의 물체(1)의 두께(d)의 비접촉 측정의 방법에 관한 것이다. 방법은 송신기 코일의 전류를 턴오프한 후, 수신기 코일에서, 제1 시점, 제2 시점 및 제3 시점에서 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압을 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 시점에 측정된 플럭스를 물체가 존재하지 않을 때 수신기 코일에 의해 픽업된 미리 결정된 총 플럭스와 비교함으로써, 제1 시점에 물체 내에 와전류에 의해 발생되고 수신기 코일에 의해 픽업된 총 자기 플럭스를 계산하는 단계를 또한 포함한다. 방법은 정규화된 와전류 플럭스가 물체와 송신기 및 수신기 코일 사이의 거리와 무관하도록 정규화 인자로서 계산된 총 자기 플럭스를 사용하여, 와전류로부터 발생하고 수신기 코일에 의해 픽업된 측정된 자기 플럭스를 정규화하는 단계를 또한 포함한다. 방법은 제1, 제2 및 제3 시점에서의 측정에 기초하여, 물체의 두께 및 비저항을 결정하는 단계를 또한 포함한다.

Description

펄스 와전류 시스템을 사용하는 두께 측정 {THICKNESS MEASUREMENT USING A PULSED EDDY CURRENT SYSTEM}
본 개시내용은 전자기장 내에 배열된 물체 내에 와전류를 유도하는 변화하는 전자기장을 발생하도록 구성된 송신기, 및 와전류에 의해 발생된 변화하는 전자기장을 검출하도록 구성된 수신기를 포함하는 펄스 와전류(PEC) 시스템에 의한 전기 전도성 재료의 물체의 두께의 비접촉 측정에 관한 것이다.
예를 들어, US 5,059,902에 설명된 바와 같은 PEC는 전기 비저항, 비철 금속 시트의 두께 및 에지 위치와 같은 기계적 양의 측정에 성공적으로 적용되어 왔다.
이 방법은 송신기 코일의 DC 전류를 사용하여 측정 중인 플레이트에 정적 자기장을 생성함으로써 작용한다. 자기장은 이어서 전류를 턴오프함으로써 갑자기 제거되어, 적합한 부하 저항기에 자기 에너지를 축적한다. 전류 차단으로부터 발생하는 제1 펄스가 측정되고, 그 적분이 플레이트와 코일 사이의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다.
송신기 코일의 전류가 감쇠된 후, 인가된 자기장의 급격한 변화에 의해 플레이트 내에 유도된 와전류의 측정을 시작하는 것이 가능하다. 플레이트 내의 와전류의 급격한 감쇠로 인한 자기장의 변화는 플레이트의 비저항과 두께를 추정하기 위해 측정 및 분석될 수 있는 작은 신호를 유도할 수 있다.
와전류 감쇠의 초기 부분은 두께와 무관하고, 플레이트의 비저항의 측정을 얻는 데 사용될 수 있다. 이후 부분은 시트 저항에 의존하고, 따라서 비저항을 두께로 나눈 값에 의존한다. 비저항 및 시트 저항을 계산한 후, 예를 들어 US 6,661,224에 설명된 바와 같이, 플레이트의 두께가 추정될 수 있다.
US 7,701,205는 송신기 코일이 플레이트의 일 측면에 배치되고 수신기 코일이 플레이트의 다른 측면에 배치되어 있는 플레이트 두께의 PEC 측정 방법을 개시하고 있다.
전술된 문헌에 설명된 기술의 잠재적인 결점은, 예를 들어 플레이트와 같은 물체의 양 측면에 코일 시스템이 요구된다는 것이다. PEC 기반 측정 시스템에서 코일 시스템과 물체 사이의 거리는 기본적인 이유로 매우 작아야 하기 때문에(<20 mm), 코일 시스템 사이에 물체를 물리적으로 끼워야 하는 필요성은 일반적인 적용성을 제한한다. 상기 기술이 사용 가능하지 않은 하나의 중요한 예는, 일반적으로 튜브 내에 코일 시스템 중 하나를 갖는 것이 가능하지 않은 튜브 벽 두께의 측정이다. 다른 중요한 예는 압연 중에 넓은 금속 밴드(>1.5 m)의 중간부의 두께의 측정이고, 여기서 두께 측정에서 원하는 정확도에 도달하기 위해 충분히 높은 정밀도를 갖고 2개의 코일 시스템을 서로에 관련하여 일정한 위치에 유지하는 것이 실제로 불가능하다. 이들 측정 용례에 대해 전술된 기술을 사용의 불가능은 지금까지 금속 산업에서 두께 및 비저항 측정을 위한 PEC 기술의 일반적인 적용성에 영향을 미쳤다.
US 5,059,902에는, 물체의 비저항과 두께를 결정하기 위한 일반적인 기술이 설명되어 있다. 이 기술은 상이한 유형의 재료 및 두께를 갖는 일반적인 상황에서 비교적 낮은 정확도로 또는 더 제한된 범위의 재료 및 두께에 대해 더 높은 정확도로, 물체의 두께를 결정하는 데 사용하는 것이 가능하다. 그 이유는 측정된 값과 물리적 파라미터 사이의 모든 관계가 비선형이고 미지의 것인 위치, 비저항 및 두께의 모든 세트에 대해 3개의 측정된 값을 제공하는 US 5,059,902의 방법을 구현하는 것이 다루기 어렵기 때문이다. 3개의 변수 위치, 비저항 및 두께를 결정하도록 측정된 값을 사용하기 위해, 상이한 테스트 플레이트를 갖는 테스트 측정이 관계를 설정하고 관계를 설명하고 이후에 물리적 파라미터를 결정하기 위해 이들 관계를 사용하기 위해 행해져야 한다. 예로서, 물체의 두께가 예를 들어, 0.5 mm로부터 5 mm와 같이 10배만큼 변할 수 있으면, 비저항은 예를 들어, 20 nΩm로부터 200 nΩm와 같이 10배만큼 변할 수 있다. 물리적 파라미터의 원하는 측정 정확도가 현재 금속 산업의 일반적인 정확도 레벨인 0.1%이면, 관계를 설정하기 위한 테스트 측정은 물리적 파라미터 값의 적어도 매 2% 변화에 대해 행해져야 하는데, 이는 물리적 파라미터와 측정 사이의 관계가 매우 비선형적이며 미지의 것이기 때문이다. 그 결과는, 파라미터 비저항 및 두께의 상이한 값을 갖는 대략 14,000회 테스트가 이 예에 대해 수행되어야 하는 것인데, 즉 동일한 수의 테스트 물체, 즉 플레이트가 충분한 정보를 공급하기 위해 생산되어 테스트되어야 한다. 실용적 및 경제적 이유로, 많은 양의 테스트 물체를 처리하는 것이 불가능할 수도 있다. US 5,059,902에 기초하는 작용하는 측정 방법을 생성하기 위해, 더 낮은 정확도를 수용하거나 더 제한된 파라미터 영역 내에서 방법을 사용해야 할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 펄스 와전류 측정에 의해 전기 전도성 재료의 물체(o)의 두께를 결정하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 송신기 코일 및 수신기 코일을 포함하는 PEC 시스템에 의한 전기 전도성 재료의 물체의 두께의 비접촉 측정의 방법이 제공된다. 방법은 미리 결정된 공급 시간 기간 동안, 송신기 코일에 일정한 전류를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 공급된 전류는 물체를 관통하는 전자기장을 발생한다. 방법은 공급 시간 기간 후, 시작 시점(t0) 후에, 공급된 전류를 턴오프하여, 물체 내에 유도 와전류 및 감쇠 자기장을 야기하는 단계를 또한 포함한다. 방법은 수신기 코일에서, 상기 시작 시점(t0)에서 시작하는 미리 결정된 측정 시간 기간 동안, 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압을 측정하는 단계를 또한 포함한다. 전압은 적분에 의해 자기 플럭스로 변환되고, 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 적어도 하나의 이후 시점(t3)에 측정된다. 방법은 제1 시점(t1)에 측정된 플럭스(φplate)를 물체가 존재하지 않을 때 수신기 코일에 의해 픽업된 미리 결정된 총 플럭스(φ0)와 비교함으로써, 제1 시점(t1)에 와전류에 의해 발생되고 수신기 코일에 의해 픽업된 총 자기 플럭스(φ1)를 계산하는 단계를 또한 포함하고, 여기서, 제1 시점(t1)은 물체가 존재하지 않을 때 제1 시점(t1)에서의 자기 플럭스(φ(t1))가 0인 조건을 만족하는 가장 빠른 시간으로 설정된다. 방법은 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00001
)가 물체와 송신기 및 수신기 코일 사이의 거리와 무관하여 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00002
)가 제1 시점(t1)에 0이고 와전류가 소멸된 후의 시간에 1이 되도록 정규화 인자로서 계산된 총 자기 플럭스(φ1)를 사용하여, 와전류로부터 발생하고 수신기 코일에 의해 픽업된 측정된 자기 플럭스(
Figure pat00003
)를 정규화하는 단계를 또한 포함한다. 방법은 실제 시간 t=t1일 때 τ=0 및 와전류가 송신기 코일로부터 이격하여 향하는 물체의 표면에 방금 도달하도록 확산될 때 공급된 전류의 턴오프 후의 시간에 τ=1이 되어, 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00004
)가 τ=0 내지 τ=1의 정규화된 시간 간격 내에서 두께와 무관하고 τ=1 초과의 시간에 물체의 비저항과 무관하도록, 정규화 인자로서 시간 상수(T)를 사용하여 정규화 시간(τ)에 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00005
)를 관련시키는 단계를 또한 포함한다. 방법은 제1, 제2 및 이후 시점에서의 측정에 기초하여, 물체의 두께 및 비저항을 결정하는 단계를 또한 포함하고, 여기서, 제2 시점(t2)은 τ=0 내지 τ=2의 정규화된 시간 간격 내로 설정되고 적어도 하나의 이후 시점(t3)은 τ>2가 되도록 설정된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 컴퓨터 실행 가능 구성요소가 제어기에 포함된 처리 회로에서 실행될 때 PEC 시스템의 실시예의 제어기가 본 개시내용의 방법을 수행하게 하기 위한 컴퓨터 실행 가능 구성요소를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 전도성 재료의 물체의 두께의 비접촉 측정을 위한 PEC 시스템이 제공된다. PEC 시스템은 송신기 코일, 수신기 코일 및 제어기를 포함한다. 제어기는 처리 회로 및 상기 처리 회로에 의해 실행 가능한 명령을 저장하는 저장 장치를 포함하고, 여기서 상기 제어기는 본 개시내용의 방법의 실시예를 수행하도록 동작한다.
본 발명에 따르면, 자기 플럭스를 정규화하고 이를 정규화된 시간에 관련시킴으로써, 물체의 두께 및 비저항은 상이한 시점에 PEC 측정에 의해 명백하게 결정될 수 있다.
임의의 양태의 임의의 특징은 적절한 경우마다, 임의의 다른 양태에 적용될 수도 있다는 점이 주목되어야 한다. 마찬가지로, 임의의 양태의 임의의 장점은 임의의 다른 양태에 적용될 수도 있다. 동봉된 실시예의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 종속항으로부터 뿐만 아니라 도면으로부터 이하의 상세한 개시내용으로부터 명백할 것이다.
일반적으로, 청구범위에 사용된 모든 용어는 본 명세서에서 달리 명시적으로 정의되지 않으면, 관련 기술분야에서의 그 통상적인 의미에 따라 해석되어야 한다. "(단수의) 요소, 장치, 구성요소, 수단, 단계 등"의 모든 언급은 명시적으로 달리 언급되지 않으면, 요소, 장치, 구성요소, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 사례를 언급하는 것으로 개방적으로 해석되어야 한다. 본 명세서에 개시된 임의의 방법의 단계는 명시적으로 언급되지 않으면, 개시된 정확한 순서로 수행되어야 하는 것은 아니다. 본 개시내용의 상이한 특징/구성요소에 대해 "제1", "제2" 등의 사용은 단지 특징/구성요소를 다른 유사한 특징/구성요소와 구별하도록 의도된 것이고, 특징/구성요소에 임의의 순서 또는 계층을 부여하도록 의도된 것은 아니다.
실시예는 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, PEC 시스템의 개략 블록도.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 플레이트를 완전히 관통한 후, 즉 와전류의 영향이 소멸되고 필드의 분포가 플레이트의 존재에 무관한 PEC 시스템의 송신기 코일을 통해 일정한 송신기 전류에 의해 발생된 자기장을 도시하고 있는 도면.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 송신기 전류가 차단된 직후 도 1의 PEC 시스템에서 플레이트 내에 와전류에 의해 발생된 자기장을 도시하고 있는 도면.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 상이한 비저항(ρ) 및 상이한 두께(d)를 갖는 플레이트에 대한 실제 시간(t)의 함수로서 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00006
)를 도시하고 있는 그래프.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, 도 4에서와 동일한 플레이트에 대해, τ=1 내지 τ=10의 정규화된 시간(τ)의 함수로서 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00007
)를 도시하고 있는 그래프.
도 6은 본 발명의 방법의 몇몇 실시예의 개략 흐름도.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른, PEC 시스템의 제어기의 개략 블록도.
실시예는 이제, 특정 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 이하에 더 완전히 설명될 것이다. 그러나, 다수의 상이한 형태의 다른 실시예가 본 개시내용의 범주 내에서 가능하다. 오히려, 이하의 실시예는 본 개시내용이 철저하고 완전할 것이며 본 개시내용의 범주를 통상의 기술자들에게 완전히 전달할 것이도록 예로서 제공된다. 유사한 번호는 설명 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 물체(1), 통상적으로 전기 전도성 재료, 통상적으로 Al과 같은 비철 전기 전도성 재료의 플레이트(또한 시트 금속 또는 금속 스트립이라고 지칭될 수도 있음)의 두께(d)를 측정하기 위해 배열된 PEC 시스템(10)의 실시예를 도시하고 있는데, 물체는 제1(여기서 하부) 측면(4a) 및 제2(여기서 상부) 측면(4b)을 갖는다. 도면에서, 플레이트의 형태의 물체(1)는 도면의 평면에 수직인 종축을 갖는다. 여기서, 물체(1)는 플레이트로서 예시되어 있지만, 몇몇 실시예에서 물체는 다른 형상을 가질 수도 있다.
PEC 시스템(10)은 송신기의 송신기 코일(2) 및 수신기의 수신기 코일(3)을 포함한다. 도면에서, 송신기 코일(2) 및 수신기 코일(3)의 모두는 물체(1)의 동일한 측면 상에 배열되는데, 이는 몇몇 실시예에서 바람직하다. 그러나, 몇몇 다른 실시예에서, 수신기 코일(3)은 송신기 코일(2)과 관련하여 물체(1)의 대향 측면 상에 배열될 수도 있다.
송신기 코일(2)은 전자기장 내에 배열된 물체(1)에 와전류를 유도하는 공급된 전자기장의 급격한 변화를 발생하도록 구성되고, 수신기 코일(3)은, 예를 들어 송신기 코일을 통한 전류가 턴오프될 때 먼저 붕괴 자기장에 의해 그리고 이어서 와전류에 의해 발생된 변화하는 전자기장에 의해 전압이 그 내부에 유도되게 하기 위해 구성된다.
PEC 시스템(10)은 예를 들어, 도면에서 점선에 의해 도시되어 있는 바와 같이, 제어 시그널링을 통해 송신기 및 수신기를 제어하기 위한 제어기(6)를 포함할 수도 있다. 제어기(6)는 또한 이하에 더 설명되는 바와 같이, 물체의 두께(d)를 결정하기 위해 물체(1) 내의 와전류에 의해 수신기 코일(3)에 유도된 전압을 분석하기 위한 회로로 구성될 수도 있다. 제어기는 별도의 디바이스로서 형성되거나, 또는 송신기 및/또는 수신기와 부분적으로 또는 완전히 통합될 수도 있다. 제어기(6)는 예를 들어, 송신기 및 수신기와 별도로 배열된 중앙 제어기 디바이스 및 송신기 및/또는 수신기와 통합된 분산 제어기 디바이스(들)를 포함할 수도 있다.
와전류의 정규화
와전류 측정으로부터 두께(d) 및 비저항(ρ)을 계산하는 것을 가능하게 하기 위해, 이들 전류의 크기를 인지하는 것이 바람직하다. 송신기 전류(ITr)가 턴오프될 때 플레이트(1) 내에 발생되는 와전류의 크기는 송신기 코일(2)의 치수, 송신기 전류(ITr)의 크기 및 코일(2)과 플레이트(1) 사이의 거리(D)에 의존한다. 본 발명에 따른 와전류의 크기를 측정하기 위해, 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 송신기 전류(ITr)에 의해 발생된 총 플럭스(φ0)는 이하에 설명되는 바와 같이 측정된다.
도 2는 송신기 코일(2)을 통해 흐르는 송신기 전류(ITr)에 의해 발생된 자기장(B)(B는 통상적으로 또한 자기장이라 지칭되는 자기 플럭스/필드 밀도를 나타냄)의 단면을 도시하고 있다. 송신기 코일의 단면은, 코일의 턴(turn)이 도면의 평면을 통해 수직으로 통과하는 위치를 상징화하는, 2개의 내부(채워지지 않은) 점으로서 도시되어 있다. 수신기 코일(3)의 단면은 2개의 외부(채워진/흑색) 점으로서 보여진다. 도 2 및 도 3의 예에서, 송신기 코일(2)은 따라서 예를 들어 동심으로 수신기 코일(3) 내에 위치되지만, 본 발명의 다른 실시예에서, 송신기 및 수신기 코일은 그렇지 않으면 서로에 관련하여, 예를 들어 플레이트(1)에 평행한 축을 따라 나란히 위치될 수도 있다. 바람직하게는, 송신기 코일 및 수신기 코일의 모두는 사용시 플레이트의 동일한 측면 상에 위치된다. 필드 라인은 단일 턴을 갖는 원형 송신기 코일(2)에 따르지만, 송신기 및 수신기 코일 중 어느 하나는 용례에 따라 임의의 적합한 형상 및/또는 임의의 수의 턴을 가질 수도 있다.
도 2의 예에서, 와전류의 가능한 영향이 소멸될 때, 일정한(DC) 송신기 전류의 인가 후에 충분히 장시간일 때 자기장의 분포가 도시되어 있다. 이어서, 필드(B)의 분포는 플레이트(1)의 존재와 무관하다.
수신기 코일(3)의 각각의 턴에 의해 픽업된 총 플럭스(φ)는 정의에 의해 수신기 코일(3)의 턴에 의해 둘러싸인 표면(S)에 대한 자기장 밀도(B)의 표면 적분과 같다:
Figure pat00008
수신기 코일(3)의 각각의 턴에 유도된 전압(V)의 크기는 자기 플럭스의 시간 도함수로서 패러데이 법칙에 의해 얻어진다:
Figure pat00009
플레이트(1)가 존재하지 않을 때, 송신기 전류가 차단되자마자 자기장이 빠르게 사라진다. 전류 차단 직전의 시간 t0로부터 전류가 시간 t1에서 전류가 성공적으로 턴오프된 후까지(여기서 플레이트(1)가 존재하지 않으면, φ(t1) = 0, 수신기 코일(3)에 유도된 전압을 적분함으로써, 본 출원인은 표면 적분(상기)에 의해 정의된 바와 같이, 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 총 플럭스(φ0)를 이하의 식에 의해 얻는다:
Figure pat00010
전술된 바와 같이, 플레이트(1)가 존재하지 않으면 제1 시점(t1)은 자기 플럭스(φ(t1))가 0일 때로 설정된다. 그러나, 송신기 코일 내의 전류가 턴오프될 때, 송신기 코일을 통한 전류가 기하급수적으로 감소하고 수학적인 의미에서 0에 도달하지 않을 것이라는 점이 주목되어야 한다. 따라서, 여기서 자기 플럭스(φ(t1))가 0이라는 것은, 플럭스가 검출 임계값 미만, 또는 실질적으로 0으로 무시할 수 있다는 것을 암시한다.
실제로, 송신기 전류는 즉시 턴오프될 수 없다. 요구 시간 t1은 PEC 시스템(10)의 인덕턴스, 커패시턴스 및 임의의 댐핑 저항기의 값에 의존한다. 따라서, 시간 t1은 시스템(10)의 설계 파라미터에 의존하는 상수이다.
플레이트(1)가 존재할 때, 플레이트 내에 유도된 와전류는 송신기 전류(ITr)가 차단되기 직전에 존재했던 자기장(B)을 플레이트 내에 유지하려고 노력한다. 이 경우 시간 t1에서의 자기장은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 된다.
도 3에서 플레이트(1) 위의 자기장(B)은 도 2에서와 동일하다. 이 필드는 플레이트의 와전류 대칭성에 의해 플레이트(1) 아래에 대해 경면 대칭이다. 도 3의 필드(B)는 와전류만에 의해 발생되고, 이들의 크기에 비례한다.
수신기 코일(3)에 의해 픽업되는, 시간 t1에서 와전류에 의해 발생된 플레이트(1)가 존재할 때의 총 플럭스(φ(t1))는 φ1으로서 지정된다. 이제 플레이트(1)의 존재하에서, 시간 t0로부터 t1까지 수신기 코일(3)에 유도된 전압(V)을 다시 적분함으로써, 본 출원인은 이하의 식을 얻는다:
Figure pat00011
이 관계로부터, 본 출원인은 플레이트(1)와 시스템(10)의 코일(2, 3) 사이의 거리(D)에 대한 측정의 의존성을 제거하기 위한 정규화 인자로서 역할을 할 것인 φ1을 얻을 수 있다.
Figure pat00012
플럭스의 정규화
와전류(ec)의 시간 의존성을 측정하기 위해, 적분은 시간 t1에서 시작되고 부가의 시간(t) 동안 적분된다:
Figure pat00013
이 방식으로 측정된 양은 t→t1에 대해 0과 같고, 와전류와 자기 플럭스가 플레이트(1)의 비저항에 의해 소산됨에 따라 시간 경과에 따라 증가한다. 거리(D)에 대한 의존성을 제거하기 위해, 본 출원인은 이를 측정의 시작시에 총 플럭스(φ1)로 정규화한다:
Figure pat00014
이는 0(t=t1의 경우)에서 시작하여 모든 와전류가 소멸된 후에 단위원(unity)(즉, 1)에 도달하는 정규화된 와전류 플럭스를 산출한다.
PEC 측정의 시간 의존성은 이제 이 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00015
)의 견지에서 설명될 것이다.
시간 t1에서, 와전류는 송신기 코일(2)에 가장 가까운 플레이트(1)의 표면(저부 표면(4a), 도 1, 도 2 및 도 3 참조)에 집중된다. 이들 와전류는 이어서 플레이트의 전기 비저항(ρ)의 영향으로 인해 소산되고 확산된다. 초기 시간 동안, 플레이트의 두께(d)로부터의 영향이 없으므로, 시간 의존성은 단지 비저항에만 의존한다. 이후 시간 동안, 시간 의존성은 더 복잡하고 비저항과 두께의 모두에 의존한다.
예로서, 도 4는 3개의 상이한 두께(d), 각각 1.5, 3 및 4.5 mm, 2개의 상이한 비저항(ρ)의 각각, 각각 28 및 56 nΩm의 6개 플레이트(1)에 대한 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00016
)의 시간 의존성을 설명하고 있다.
도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 원점이 t1으로 설정된 10 ㎲ 미만의 시간에 대해, 동일한 비저항의 플레이트에 대응하는 모든 곡선은 일치한다. 해당 시간 범위 동안, 측정은 비저항에만 의존한다. 이어서, 증가하는 시간에, 곡선은 서로로부터 분리된다.
시간의 정규화
수리 물리학에서 문제를 해결할 때, 관련된 상이한 파라미터에 대한 의존성을 단순화하기 위한 수단으로서 정규화된 변수를 도입하는 것이 일반적으로 표준 절차이다. 이후에 알게되는 바와 같이, PEC 기술에 적용되는 이러한 절차는 측정된 샘플로부터 두께 및 비저항을 계산하는 데 사용되는 모델을 캘리브레이팅하는 데 필요한 정보를 공급하는 데 필요한 테스트 물체의 수를 크게 감소시킬 것이다.
이 경우, 송신기 전류(ITr)를 차단함으로써 발생된 와전류의 소산은 3차원 확산 수학식에 의해 설명되고 시간은 문제의 특성 시간 스케일로 정규화될 수 있는데, 즉
Figure pat00017
여기서, T는 확산 속도에 대응하는 시간 상수이고, d는 플레이트의 두께이고, ρ는 플레이트의 비저항이고, μ0은 진공의 투자율이다. 물체(1)의 두께(d) 및 비저항(ρ)이 결정되기 전에, 예를 들어 물체의 제조자에 의해 주어진 바와 같이 물체(1)의 공칭 두께 및 반복적인 방식으로 물체에 대한 PEC 측정값으로부터 추정된 비저항에 기초하여 시간 상수(T)가 추정/계산될 수도 있다. ρ에 대한 제1 가정된 값은 T가 원하는 정밀도로 계산될 수 있을 때까지 계속해서 새로운 T를 추정하기 위해 사용될 수 있는 새로운 ρ의 결정을 야기하는 T에 대한 추정된 값을 제공한다.
특성 시간 스케일은 와전류가 확산되어 송신기 코일(2)로부터 이격하여 향하는 표면(즉, 상부 표면(4b), 도 1, 도 2 및 도 3 참조)에 도달하는 데 소요되는 시간을 설명한다. 이는 또한 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00018
)의 시간 의존성이 그 후에 플레이트(1)의 두께(d)에 의해 영향을 받는 시간이다.
정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00019
)가 정규화된 시간(τ)에 대해 플롯팅되면, 본 출원인은 도 5에 도시되어 있는 더 간단한 관계를 얻고, 여기서 τ는 이하의 식에 의해 정의되고:
Figure pat00020
여기서, t는 송신기 전류가 완전히 턴오프된 후의 실제 시간, 즉 t1이다. 실제 시간 t=t1일 때, 정규화 시간 τ=0이 성립한다. 예를 들어, 2의 τ의 값은, 실제 시간(t)(통상적으로 마이크로초 단위)이 측정된 플레이트(1)의 2개의 시간 상수(T)에 대응하는 것을 암시한다.
도 5에서, 도 4와 동일한 6개의 플레이트(1)와 관련하여, 비저항(ρ)에 대한 의존성은 제거되고, 측정은 두께(d)에만 의존한다. 이 방식으로, 본 출원인은 정규화된 와전류 플럭스의 측정으로부터 비저항 및 두께의 유도를 크게 단순화했다. 이는 두께(d)가 예를 들어, 미리 준비된 표준 또는 캘리브레이션 곡선을 참조하여 명백하게 결정될 수 있다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 인지된 두께 및 상이한 비저항을 갖는 복수의 물체(통상적으로 플레이트)에 대한 오래된 측정값이 일반적으로 관련 기술분야에 알려진 적합한 블랙박스 모델에 입력될 수도 있다.
정규화된 시간의 견지에서 표현하면, 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00021
(τ2))가 플레이트의 비저항에만 의존할 때, 제1 측정이 초기 시간(τ2)에 수행된다. 이것이 충족되게 하기 위해, 정규화된 시간(τ2)은 단위원(즉, 1) 이하여야 한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제2 시점(t2)은 τ=0 내지 τ=2, 바람직하게는 τ=0.8 내지 τ=1의 범위 내로 설정된다.
제2 측정은 이어서 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00022
(τ3))가 플레이트의 두께에만 의존할 때 이후 정규화된 시간(τ3)에서 수행된다. 이 정규화된 시간(τ3)의 값은 수신기 코일(3)에서의 신호 대 노이즈비와 같은, 시스템(10)의 성능을 결정하는 다른 기준에 기초하여 선택될 수 있다. 적어도 2 및/또는 10 미만의 값이 τ3에 대해 적절하다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제3 시점(t3)은 τ=3 내지 τ=10, 바람직하게는 τ=4 내지 τ=7의 정규화된 시간 간격 내로 설정된다.
측정된 신호로부터 두께 및 비저항의 계산을 용이하게 하거나 신호 대 노이즈비를 개선하기 위해, 제3 시점(t3)에서 단일 측정 대신에, 제3 시점에 대해 이 정규화된 시간의 영역 내에서 각각의 이후 시점에 복수의 측정을 수행하는 것이 적절할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 몇몇 실시예에서, (여기서, 적어도 하나의) 제3 시점(t3)에서 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압의 측정은, 예를 들어, 통상적으로 τ=3 내지 τ=10, 바람직하게는 τ=4 내지 τ=7의 정규화된 시간 간격 내에 모두 있는, 제1 이후 시점 및 제2 이후 시점(제2 이후 시점은 제1 이후 시점과는 상이함)과 같은, 이후 시점에서의 2개의 측정을 포함하거나 구성되는 각각의 이후(제3) 시점에서 적어도 2개의 측정(들)을 포함한다.
물체(1)의 두께 측정은 시간에 따라 변화하는 두께를 갖는 물체의 치밀한 샘플을 제공하기 위해 가능한 한 종종 반복될 수도 있다. 이는 예를 들어, 압연기에서 생산된 재료의 두께를 측정할 때의 경우일 것이다. 두께 측정 사이의 간격은 이전 두께 측정(들)과 관련하여 물체 내에 유도된 와전류의 임의의 영향이 이후의 두께 측정(들)을 방해하는 것을 방지하도록 충분히 길어야 한다.
경험은, 공급 시간 기간이 너무 길어 전류가 턴오프될 때 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00023
)가 약 2/3에 도달하면, 속도와 정확도 사이의 적절한 절충이 얻어진다는 것을 보여준다.
이 프로세스에 대한 시간 스케일은, 통상적으로 플레이트인 물체(1)의 소위 시트 비저항에 의해 결정될 수도 있다. 시트 비저항은 물체의 비저항을 그 두께로 나눈 값으로 정의된다. 마이크로초 단위의 적절한 공급 시간은 이어서 ㎛ 단위의 플레이트 두께, 통상적으로 물체(1)의 공칭 두께를 nΩm 단위의 비저항으로 나누고 17을 곱하여 계산될 수 있다.
특성 시간 스케일을 결정하기 위해, 측정될 플레이트의 비저항(ρ) 및 두께(d)의 지식이 편리할 수도 있다. 일반적으로, 플레이트의 공칭 두께는 알려져 있고 비저항이 측정으로부터 얻어질 수도 있고, 이에 의해 정확한 시간 스케일이 반복적인 방식으로 얻어질 수도 있다. 두께 측정은 두께가 미리 알려지지 않으면 반복을 통해 여전히 가능하다.
도 6은 본 발명의 방법의 몇몇 실시예를 도시하고 있는 흐름도이다. 방법은 송신기 코일(2) 및 수신기 코일(3)을 포함하는 PEC 시스템(10)에 의해 전기 전도성 재료의 물체(1)의 두께(d)의 비접촉 측정을 위한 것이다. 방법은 미리 결정된 공급 시간 기간 동안, 송신기 코일(2)에 일정한 전류를 공급하는 단계(S1)를 포함하고, 상기 공급된 전류는 물체(1)를 관통하는 전자기장(B)을 발생한다. 방법은 공급 시간 기간 후, 시작 시점(t0) 후에, 공급된 전류를 턴오프하여, 물체 내에 유도 와전류 및 감쇠 자기장(B)을 야기하는 단계(S2)를 또한 포함한다. 방법은 수신기 코일(3)에서, 상기 시작 시점(t0)에서 시작하는 미리 결정된 측정 시간 기간 동안, 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 적어도 하나의 이후 또는 제3 시점(t3)에 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압을 측정하는 단계(S3)를 또한 포함한다. 방법은 제1 시점(t1)에 측정된 플럭스(φplate)를 물체(1)가 존재하지 않았을 때 수신기 코일에 의해 픽업된 미리 결정된 총 플럭스(φ0)와 비교함으로써, 제1 시점(t1)에 와전류에 의해 발생되고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 총 자기 플럭스(φ1)를 계산하는 단계(S4)를 또한 포함하고, 여기서, 제1 시점(t1)은 물체가 존재하지 않을 때 제1 시점(t1)에서의 자기 플럭스(φ(t1))가 0인 조건을 만족하는 가장 빠른 시간으로 설정된다. 방법은 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00024
)가 물체(1)와 송신기 및 수신기 코일 사이의 거리(D)와 무관하여 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00025
)가 제1 시점(t1)에 0이고 와전류가 소멸된 후의 시간에 1이 되도록 정규화 인자로서 계산된(S4) 총 자기 플럭스(φ1)를 사용하여, 와전류로부터 발생하고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 측정된 자기 플럭스(
Figure pat00026
)를 정규화하는 단계(S5)를 또한 포함한다. 방법은 실제 시간 t=t1일 때 τ=0 및 와전류가 송신기 코일(2)로부터 이격하여 향하는 물체(1)의 표면(4b)에 방금 도달하도록 확산될 때 공급된 전류의 턴오프 후의 시간에 τ=1이 되어, 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00027
)가 τ=0 내지 τ=1의 정규화된 시간 간격 내에서 두께(d)와 무관하고 τ=1 초과의 시간에 물체(1)의 비저항(ρ)과 무관하도록, 정규화 인자로서 시간 상수(T)를 사용하여 정규화 시간(τ)에 정규화된 와전류 플럭스(
Figure pat00028
)를 관련시키는 단계(S6)를 또한 포함한다. 방법은 제1, 제2 및 이후 시점에서의 측정에 기초하여, 물체(1)의 두께(d) 및 비저항(ρ)을 결정하는 단계(S7)를 또한 포함하고, 여기서, 제2 시점(t2)은 τ=0 내지 τ=2의 정규화된 시간 간격 내로 설정되고 적어도 하나의 이후 시점(t3)은 τ>2가 되도록 설정된다.
도 7은 본 개시내용의 제어기(6)의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 제어기(6)는 예를 들어 중앙 처리 유닛(CPU)과 같은, 처리 회로(61)를 포함한다. 처리 회로(61)는 마이크로프로세서(들)의 형태의 하나 또는 복수의 처리 유닛을 포함할 수도 있다. 그러나, 컴퓨팅 능력을 갖는 다른 적합한 디바이스, 예를 들어 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 복합 프로그래머블 논리 소자(CPLD)가 처리 회로(61)에 포함될 수 있다. 처리 회로(61)는 하나 또는 여러 개의 저장 유닛(들), 예를 들어 메모리의 저장 장치(62)에 저장된 하나 또는 여러 개의 컴퓨터 프로그램(들) 또는 소프트웨어(SW)(63)를 실행하도록 구성된다. 저장 유닛은 본 명세서에 설명된 바와 같이, 컴퓨터 실행 가능 구성요소로서 그 위에 저장된 SW(63)와 함께 컴퓨터 프로그램 제품(62)을 형성하는 컴퓨터 판독 가능 수단으로서 간주되고, 예를 들어 랜덤 액세스 메모리(RAM), 플래시 메모리 또는 다른 솔리드 스테이트 메모리, 또는 하드 디스크, 또는 이들의 조합의 형태일 수도 있다. 처리 회로(61)는 또한 필요에 따라, 저장 장치(62)에 데이터를 저장하도록 구성될 수도 있다. 제어기(6)는 본 개시내용의 방법을 수행하도록 구성될 수도 있다.
본 개시내용은 주로 몇몇 실시예를 참조하여 전술되었다. 그러나, 통상의 기술자에 의해 즉시 이해할 수 있는 바와 같이, 상기에 개시된 것들 이외의 다른 실시예가 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 개시내용의 범주 내에서 동등하게 가능하다.

Claims (7)

  1. 송신기 코일(2) 및 수신기 코일(3)을 포함하는 펄스 와전류(PEC) 시스템(10)에 의한 전기 전도성 재료의 물체(1)의 두께(d)의 비접촉 측정의 방법이며,
    미리 결정된 공급 시간 기간 동안, 송신기 코일(2)에 일정한 전류를 공급하는 단계(S1)로서, 상기 공급된 전류는 물체(1)를 관통하는 전자기장(B)을 발생하는, 전류 공급 단계(S1);
    공급 시간 기간 후, 시작 시점(t0) 후에, 공급된 전류를 턴오프하여, 물체 내에 유도 와전류 및 감쇠 자기장(B)을 야기하는 단계(S2);
    수신기 코일(3)에서, 상기 시작 시점(t0)에서 시작하는 미리 결정된 측정 시간 기간 동안, 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 적어도 하나의 이후 시점(t3)에 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압을 측정하는 단계(S3);
    제1 시점(t1)에 측정된 플럭스(φplate)를 물체(1)가 존재하지 않았을 때 수신기 코일에 의해 픽업된 미리 결정된 총 플럭스(φ0)와 비교함으로써, 제1 시점(t1)에 와전류에 의해 발생되고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 총 자기 플럭스(φ1)를 계산하는 단계(S4)로서, 제1 시점(t1)은 물체가 존재하지 않을 때 제1 시점(t1)에서의 자기 플럭스(φ(t1))가 0인 조건을 만족하는 가장 빠른 시간으로 설정되고, φ1은 φ0-φplate로서 계산되는, 계산 단계(S4);
    정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00029
    )가 물체(1)와 송신기 및 수신기 코일(2, 3) 사이의 거리(D)와 무관하여 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00030
    )가 제1 시점(t1)에 0이고 와전류가 소멸된 후의 시간에 1이 되도록 정규화 인자로서 계산된(S4) 총 자기 플럭스(φ1)를 사용하여, 와전류로부터 발생하고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 측정된 자기 플럭스(
    Figure pat00031
    )를 정규화하는 단계(S5);
    실제 시간 t=t1일 때 τ=0 및 와전류가 송신기 코일(2)로부터 이격하여 향하는 물체(1)의 표면에 방금 도달하도록 확산될 때 공급된 전류의 턴오프 후의 시간에 τ=1이 되어, 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00032
    )가 τ=0 내지 τ=1의 정규화된 시간 간격 내에서 두께(d)와 무관하고 τ=1 초과의 시간에 물체(1)의 비저항(ρ)과 무관하도록, 정규화 인자로서 시간 상수(T)를 사용하여 정규화 시간(τ)에 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00033
    )를 관련시키는 단계(S6)로서, 시간 상수(T)는 이하와 같이 계산되고:
    Figure pat00034

    여기서, d는 이전에 추정된 바와 같은 물체의 두께이고, ρ는 이전에 추정된 바와 같은 물체의 비저항이며, μ0은 진공의 투자율인, 관련 단계(S6);
    제1, 제2 및 이후 시점에서의 측정에 기초하여, 물체(1)의 두께(d) 및 비저항(ρ)을 결정하는 단계(S7)로서, 제2 시점(t2)은 τ=0 내지 τ=2의 정규화된 시간 간격 내로 설정되고, 여기서 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00035
    (τ2))는 플레이트의 비저항에만 의존하고, 적어도 하나의 이후 시점(t3)은 τ>2가 되도록 설정되며, 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00036
    (τ3))는 플레이트의 두께에만 의존하는, 결정 단계(S7)를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 시점(t2)은 τ=0.8 내지 τ=1의 범위 내로 설정되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 이후 시점(t3)은 τ=3 내지 τ=10, 예를 들어 τ=4 내지 τ=7의 정규화된 시간 간격 내로 설정되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 물체(1)는 플레이트인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 이후 시점(t3)은 제1 이후 시점 및 제2 이후 시점을 포함하는, 방법.
  6. 컴퓨터 실행 가능 구성요소가 제어기에 포함된 처리 회로(61)에서 실행될 때 PEC 시스템(10)의 제어기(6)가 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 수행하게 하기 위한 컴퓨터 실행 가능 구성요소(63)를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품(62).
  7. 전기 전도성 재료의 물체(1)의 두께(d)의 비접촉 측정을 위한 PEC 시스템(10)이며, PEC 시스템은 송신기 코일(2) 및 수신기 코일(3), 및 제어기(6)를 포함하고, 제어기는:
    처리 회로(61); 및
    상기 처리 회로(61)에 의해 실행 가능한 명령(63)을 저장하는 저장 장치(62)를 포함하고, 여기서 상기 제어기는:
    미리 결정된 공급 시간 기간 동안, 송신기 코일(2)에 일정한 전류를 공급하도록 동작하고, 상기 공급된 전류는 물체(1)를 관통하는 전자기장(B)을 발생하고;
    공급 시간 기간 후, 시작 시점(t0) 후에, 공급된 전류를 턴오프하여, 물체 내에 유도 와전류 및 감쇠 자기장(B)을 야기하도록 동작하고;
    수신기 코일(3)에서, 상기 시작 시점(t0)에서 시작하는 미리 결정된 측정 시간 기간 동안, 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 적어도 하나의 제3 시점(t3)에 감쇠 자기장에 의해 유도된 전압을 측정하도록 동작하고;
    제1 시점(t1)에 측정된 플럭스(φplate)를 물체(1)가 존재하지 않았을 때 수신기 코일에 의해 픽업된 미리 결정된 총 플럭스(φ0)와 비교함으로써, 제1 시점(t1)에 와전류에 의해 발생되고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 총 자기 플럭스(φ1)를 계산하도록 동작하고, 여기서, 제1 시점(t1)은 물체가 존재하지 않을 때 제1 시점(t1)에서의 자기 플럭스(φ(t1))가 0인 조건을 만족하는 가장 빠른 시간으로 설정되고, 여기서, φ1은 φ0-φplate로서 계산되고;
    정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00037
    )가 물체(1)와 송신기 및 수신기 코일(2, 3) 사이의 거리(D)와 무관하여 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00038
    )가 제1 시점(t1)에 0이고 와전류가 소멸된 후의 시간에 1이 되도록 정규화 인자로서 계산된(S4) 총 자기 플럭스(φ1)를 사용하여, 와전류로부터 발생하고 수신기 코일(3)에 의해 픽업된 측정된 자기 플럭스(
    Figure pat00039
    )를 정규화하도록 동작하고;
    실제 시간 t=t1일 때 τ=0 및 와전류가 송신기 코일(2)로부터 이격하여 향하는 물체(1)의 표면에 방금 도달하도록 확산될 때 공급된 전류의 턴오프 후의 시간에 τ=1이 되어, 이에 의해 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00040
    )가 τ=0 내지 τ=1의 정규화된 시간 간격 내에서 두께(d)와 무관하고 τ=1 초과의 시간에 물체(1)의 비저항(ρ)과 무관하도록, 정규화 인자로서 시간 상수(T)를 사용하여 정규화 시간(τ)에 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00041
    )를 관련시키도록 동작하고; 여기서, 시간 상수(T)는 이하와 같이 계산되고:
    Figure pat00042

    여기서, d는 이전에 추정된 바와 같은 물체의 두께이고, ρ는 이전에 추정된 바와 같은 물체의 비저항이며, μ0은 진공의 투자율이고;
    제1, 제2 및 제3 시점에서의 측정에 기초하여, 물체(1)의 두께(d) 및 비저항(ρ)을 결정하도록 동작하고; 제2 시점(t2)은 τ=0 내지 τ=2의 정규화된 시간 간격 내로 설정되고, 여기서 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00043
    (τ2))는 플레이트의 비저항에만 의존하고, 제3 시점(t3)은 τ>2가 되도록 설정되며, 정규화된 와전류 플럭스(
    Figure pat00044
    (τ3))는 플레이트의 두께에만 의존하는, PEC 시스템.
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