NL9400955A - Inrichting en werkwijze voor het contactloos meten aan een staaf uit ferro-magnetisch materiaal. - Google Patents

Description

INRICHTING EN WERKWIJZE VOOR HET CONTACTLOOS METEN AAN EEN STAAF UIT FERRO-MAGNETISCH MATERIAAL

Het bepalen van de kromming of rechtheid van staven is op velerlei technisch terrein van belang, in het bijzonder bij spoorrails of spoorstaven, en lassen tussen dergelijke staven. Bij spoorrails kunnen golvingen in de i rails ontstaan en kan de rails niet precies recht aan elkaar zijn vastgelast, welke beide afwijkingen tot minder comfortabele reizen per trein en verhoogde slijtage van de treinstellen, spoorstaven en met name liggers uit beton voor dergelijke spoorstaven leiden.

) Uit het Europese octrooischrift EP-A-107833,

Europese octrooiaanvrage EP-A-0047558, de Europese octrooiaanvrage EP-A-0140494 en de Europese octrooiaanvrage EP-A-0309847 zijn meetinrichtingen beschreven voor het langs mechanische of optische weg meten aan dergelijke > spoorstaven. Met deze bekende meetinrichtingen is het niet mogelijk een voldoende hoge mate van nauwkeurigheid, bijvoorbeeld met een resolutie van tienden of honderdsten mm te bereiken.

In de Europese octrooischriften EP-A-0309847 en ) EP-A-0388381 zijn inrichtingen en werkwijzen beschreven voor het contactloos met behulp van een magnetische sensor meten langs een spoorstaaf. Hierbij doen zich ook problemen voor, in het bijzonder voor wat betreft de nauwkeurigheid vanwege het mogelijk remanente magnetische veld in een spoorstaaf j alsmede de beweging van de magnetische sensor ten opzichte van de spoorstaaf, daar de sensor op de één of andere wijze op de spoorstaaf dient te worden opgelegd of anderszins op afstand daarvan moet worden gehouden.

De onderhavige uitvinding beoogt een inrichting en ) werkwijze te verschaffen, opdat op handzame wijze nauwkeurige metingen aan staven kunnen worden uitgevoerd.

De onderhavige uitvinding verschaft een inrichting voor het meten van de rechtheid, afwijking van de rechtheid of kromming van een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, zoals een (gedeelte van een) spoorstaaf, welke meetinrichting omvat: - een eerste eindstuk; - een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk, waarbij de eerste en tweede eindstukken over het te meten deel van de staaf worden geplaatst, - een magnetische sensor die tussen het eerste en tweede eindstuk beweegbaar is; en - compensatiemiddelen voor het compenseren van remanent magnetisme in het ferro-magnetisch materiaal van de staaf.

Voorts verschaft de onderhavige uitvinding een inrichting voor het meten van de rechtheid, afwijking van de rechtheid of kromming van een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, zoals een (gedeelte van een) spoorstaaf, welke meetinrichting omvat; - een eerste eindstuk; - een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk, waarbij de eerste en tweede eindstukken over het te meten deel van de staaf worden geplaatst, - een magnetische sensor die tussen het eerste en tweede eindstuk beweegbaar is; en - tweede compensatiemiddelen voor het compenseren van het verschil van de stand van het eerste eindstuk en het tweede eindstuk ten opzichte van de staaf, ofwel voor het compenseren van de beweging van de magnetische sensor tussen het eerste en het tweede eindstuk.

De tweede compensatiemiddelen omvatten bij voorkeur referentiesensoren waarmee wordt gemeten hoe de stand van de inrichting of meetlineaal op de rail is, zodat voor verschil in oplegging van de inrichting kan worden gecompenseerd.

Tevens verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het meten aan een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, waarbij een eerste eindstuk op of nabij de staaf wordt geplaatst, waarbij een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk op of nabij de staaf wordt geplaatst en waarbij een magnetische sensor tussen het eerste en het tweede eindstuk wordt bewogen.

Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden aan de hand van de navolgende beschrijving, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin tonen: fig. 1 een eerste voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2 een gedeeltelijk weggebroken aanzicht in perspectief van de inrichting uit fig. 1; fig. 3 een gedeeltelijk schematisch aanzicht in perspectief van de inrichting uit fig. 1 en 2; fig. 4 detail IV uit fig. 2; fig. 5 detail V uit fig. 1; fig. 6 een blokschema van de werking van de inrichting uit de voorgaande figuren; fig. 7 een stroomdiagram van een voorkeursuitvoeringsvorm van een met de inrichting uit de voorgaande figuren uit te voeren werkwijze; en fig. 8 een stroomdiagram van een tweede voorkeursuitvoeringsvorm van een met de inrichting uit fig. 1-6 uit te voeren werkwijze.

Een meetinrichting 1 (fig. 1, 2, 3) voor het meten van de rechtheid van een railsstaaf R omvat een aan de onderzijde opengewerkte balk 2 die is voorzien van een linker en een rechter eindstuk 3 respectievelijk 4. Tussen het linker eindstuk 3 en het rechter eindstuk 4 zijn drie assen 5, 6 en 7 aangebracht, waarlangs een loopwagen 8 beweegbaar is. De loopwagen 8 is tevens voorzien van een handgreep voor het naar links en naar rechts bewegen van die loopwagen en voor het opheffen van de meetinrichting 1 van de rails R.

De inrichting 1 is bij voorkeur voorzien van bijvoorbeeld kogelvormige oplegelementen 10, 11 en 12 voor het in stabiele toestand op de rails R plaatsen daarvan. De loopwagen 8 is voorzien van een weergeeforgaan 22 (zie ook fig. 5) voor het weergeven van meetresultaten of andere gegevens en een toetsenbord 13 voor het geven van instructies aan de meetinrichting 1. Op niet getoonde wijze is de meetinrichting 1 bij voorkeur tevens voorzien van een data- en/of voedingsaansluiting voor het toe- en afvoeren van data vanuit een moederapparaat zoals een (personal)computer en voor het opladen van een in de meetinrichting 1 aanwezige accumulator of batterij.

Nabij het linker eindstuk 3 zijn een eerste linker referentiesensor 14 en een tweede linker referentiesensor 15 aangebracht, terwijl nabij het rechter eindstuk 5 een eerste rechter referentiesensor 16 en een tweede rechter referentiesensor 17 zijn aangebracht. Aan de meetwagen 8 zijn een zijdelingse meetsensor 18 voor het meten van de zijdelingse rechtheid van de railsstaaf R en een topsensor 19 voor het meten van de rechtheid van de bovenzijde van de railsstaaf R aangebracht, alsmede een referentiesensor 20 die referentiewaarden genereert ten opzichte van een referentiedraad 21 die tussen het linker eindstuk 3 en het rechter eindstuk 4 is gespannen en die vrij loopt van de meetwagen. De assen 5, 6 en 7 waarlangs de meetwagen wordt bewogen, zijn bij voorkeur tenminste enigszins scharnierbaar aan de respectieve eindstukken 3 en 4 aangebracht.

Bij plaatsing van de meetinrichting of meetlineaal 1 op de railsstaaf R wordt door de referentiesensoren 14, 15, 16 en 17 bepaald of de meetinrichting binnen bepaalde toleranties die verband houden met de oplegelementen 10, 11 en 12 op de juiste wijze op de railsstaaf is geplaatst. Indien de meetlineaal binnen de vooraf bepaalde toleranties op juiste wijze op de spoorstaaf R is geplaatst, is tevens de afstand van de assen 5, 6 en 7 tot deze staaf bekend. Doordat tijdens beweging van de meetwagen 8 de referentiesensor 20 telkens de afstand tot de rechtgespannen referentiedraad 21 bepaalt, wordt met behulp van de van deze referentiesensor 20 verkregen meetgegevens gecompenseerd voor bijvoorbeeld doorbuiging vanwege de zwaartekracht e.d.

Ter bepaling van de positie van de meetwagen 8 tussen het linker eindstuk 3 en het rechter eindstuk 4, is daartoe een snaar 31 (fig. 3) gespannen die een in de meetwagen 8 opgenomen potentiometer 32 aandrijft, waarvan het uitgangssignaal een voldoende nauwkeurige maat oplevert van de positie van de meetwagen 8 tussen het linker en rechter eindstuk.

Bij voorkeur heeft tenminste één van de meetsensoren, bijvoorbeeld 19 (zie fig. 4) , de vorm van een meetelement 41 waaromheen een relatief kleine elektromagnetische spoel 42 is aangebracht. De inwendige diameter van de spoel bedraagt bijvoorbeeld ongeveer 15 mm, de uitwendige diameter bijvoorbeeld ongeveer 25 mm en de hoogte bijvoorbeeld ongeveer 8 mm, waarbinnen bijvoorbeeld ongeveer 150 windingen 43 zijn opgenomen. Daar in een spoorstaaf R een de meting verstorende mate van remanent magnetisme aanwezig kan zijn, kan met behulp van de electromagnetische spoel 42 door de magnetische sensor 41 op elke positie langs de spoorstaaf R zowel een meting gedaan worden van het remanente mechanisme als het door de spoel 42 geïnduceerde magnetische veld dat wordt geïnduceerd in het ferro-magnetische materiaal van de spoorstaaf. Alhoewel de grootte van het remanente magnetisme in enige mate afhankelijk is van de afstand tot het ferro-magnetische materiaal, is de afhankelijkheid daarvan veel kleiner dan de afhankelijkheid van het gemeten signaal waarbij magnetisme door de spoel 42 in het ferro-magnetisch materiaal is geïnduceerd, zodat bijvoorbeeld door middel van een iteratief proces de grootte van het stoorveld aan remanent magnetisme nauwkeurig kan worden bepaald, en hiervoor bij de meting naar de rechtheid van de spoorstaaf R kan worden gecompenseerd. Tevens is het mogelijk bij de meting naar de rechtheid de grootte van de bekrachtigingsstroom voor de spoel 42 afhankelijk te maken van het voordien op die lokatie gemeten stoorveld van remanent magnetisme.

De elektronica voor de meetinrichting 1 die op één of meer kaarten in de meetwagen is aangebracht, omvat een centrale verwerkingseenheid 60 (fig. 6) in de vorm van een micro-processor, een ROM(-geheugen) 61, een van een achtergrondbatterij 63 voorzien RAM(-geheugen) 62, een interface of latchorgaan 64 dat met het toetsenbord 13 is verbonden, een adres/databus 65 waarop de eerder genoemde elektronische onderdelen zijn aangesloten, een analoog/digitaal (A/D)-omzetter 66 waarop de variabele uitgang van de potentiometer 32 is aangesloten, alsmede de uitgang van een démultiplexer 67 waarop de via een operationele versterker 68 aangesloten uitgangen van de zeven meetsensoren 14-20 zijn aangesloten. Tevens is op de bus 65 een D/A-omzetter 69 aangesloten die via een multiplexer 70 met de respectieve aansluitingen van de zeven sensoren (sensor 1...sensor 7) zijn aangesloten. Op de busstructuur 65 is voorts een RS232 interface 71 voor seriële communicatie met een niet getoond moederapparaat aangesloten.

Bij het uitvoeren van een meting dient door de gebruiker de meetwagen 8 naar één van de eindstukken, bijvoorbeeld het linker eindstuk 3 te worden bewogen. Door de linker eindsensoren 14 en 15 zal voor de gebruiker in het weergeeforgaan 22 zichtbaar worden gemaakt, dat een meting gestart kan worden. Vervolgens kan de gebruiker de loopwagen in bijvoorbeeld ongeveer twee seconden vanaf het linker eindstuk 3 naar het rechter eindstuk 4 bewegen, waarna in het weergeeforgaan de gemeten curve voor het bovenvlak en het zijvlak van de railsstaaf zal weergeven. Dergelijke meetkrommen kunnen in het geheugen van de elektronica worden opgeslagen en kunnen tevens in meer detail op het weergeeforgaan 22 zichtbaar worden gemaakt.

Bij voorkeur wordt op een bepaalde locatie van de meetwagen 8 telkens in een cyclus voor de zeven sensoren 14-20, telkens voor elke sensor een meting gedaan zonder bekrachtiging van de bij die sensor behorende electromagneet. Hieruit volgt de grootte van het stoorveld op die lokatie van het remanente magnetisme en kan de grootte van de bekrachtigingsstroom voor de elektromagneten van elk van de sensoren 14-17 worden ingesteld, teneinde met compensatie voor dat stoorveld, de afstand tot de spoorstaaf op verschillende locaties te meten. Na een inschakeltijd van circa 1 milliseconde, wordt de grootte van het door de sensoren gemeten magneetveld gemeten, waarvan de resultaten tijdelijk in het RAM worden opgeslagen. Verdere bewerkingen van de meetwaarde kunnen off-line, dat wil zeggen buiten de totale cyclustijd van ongeveer 7 milliseconde worden uitgevoerd, daar deze bewerkingen relatief complex zijn en het daardoor is uitgesloten dat dergelijke bewerkingen binnen een korte cyclustijd kunnen worden uitgevoerd zonder de tijdsvolgorde van de diverse metingen te verstoren.

Volgens in het ROM vastgelegde programmatuur wordt uit de gemeten sensorwaarde, met compensatie voor de meetwaarde van de diverse referentiesensoren en de correctie voor de eventuele afwijking ten opzichte van de referentiedraad berekend, bij voorkeur met behulp van een benaderingspolynoom, ter verhoging van de gevonden meetnauwkeurigheid.

In figuur 7 is de bovenbeschreven meetprocedure op een locatie in een stroomschema weergegeven. Voor de verwijzingsnummers in de figuren dient de volgende tekst te worden gelezen: 70: Begin 71: Stel de multiplexer voor de eerste sensor 1 in.

72: Bepaal de meetwaarde van de desbetreffende sensor bij uitschakeling van de bekrachtigingsstroom van de magneetspoel.

73: Bepaald bij de gemeten waarde van het stoorveld de bijbehorende magneetstroom volgens de tabel uit het ROM.

74: Bekrachtig de desbetreffende stroom met de uit de tabel gevonden stroomwaarden.

75: Wacht één milliseconde na bekrachtiging van de desbetreffende magneetspoel.

76: Registreer de meetwaarde van de desbetreffende meetspoel bij de ingestelde bekrachtigingsstroom.

77: Verhoog het nummer van de sensor met één.

78: Is het nummer van de sensor groter dan 7? 79: Corrigeer voor elke sensor de gemeten waarde bij bekrachtiging van de magneetspoel voor de gemeten waarde zonder bekrachtiging van de magneetspoel.

80: Bepaal de afstand van de rail tot de sensor met behulp van een polynoom benadering.

81: Corrigeer afwijking ten opzichte van de referentiedraad.

82: Bereken de relatieve afstand ten opzichte van de referentiesensoren.

83: Einde

In figuur 8 is de bovenbeschreven procedure voor het uitvoeren van een meting langs de spoorstaaf in een stroomdiagram zichtbaar gemaakt. In het stroomdiagram dient voor de volgende nummers de volgende tekst te worden gelezen: 84: Begin 85: Wacht tot de meetwagen tegen het linker eindstuk nabij de linker referentiesensor is geplaatst.

86: Meet de afstanden ten opzichte van de zeven sensoren.

87: Is de eindpositie nabij de rechter referentiesensor bereikt? 88: Wacht tot volgende positie.

89: Corrigeer sensorwaarden voor het gemeten magnetische stoorveld.

90: Bepaal de afstand van de sensoren.

91: Bepaald de relatieve afstand van de meetsensoren ten opzichte van de referentiesensoren.

92: Corrigeer afwijkingen als gemeten ten opzichte van de referentiedraad.

93: Geef de gemeten curve in het weergeeforgaan weer.

94: Einde

Met bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvorm van de meetinrichting volgens de uitvinding wordt op contactloze wijze aan het oppervlak van een staaf gemeten, terwijl tegelijkertijd aan de bovenzijde en aan de zijkant wordt gemeten. De meetinrichting is gemakkelijk hanteerbaar en kan zowel in een werkplaats als ter plaatse in het vrije veld worden gebruikt. Daartoe is ook de werking zo eenvoudig mogelijk gehouden. Metingen kunnen ter plaatse binnen enkele seconden worden uitgevoerd. Het geheugen is bij voorkeur zodanig gedimensioneerd dat honderd te meten krommen daarin kunnen worden opgeslagen. De gemeten waarden kunnen worden bewerkt met standaard beschikbare programmatuur.

De sensoren zijn ongevoelig voor corrosie op de te meten staaf, en eveneens ongevoelig voor kleine oneffenheden op de te meten staaf daar zij een integrerende werking hebben over een oppervlak van ongeveer 1 cm2. Door de referentiesensoren wordt gecorrigeerd voor ruwheid van de staaf, alsmede voor verandering van de oplegging van de meetlineaal op de staaf tijdens meting. Tevens wordt gecompenseerd voor vervormingen van de meetinrichting en de meetwagen. Doordat correcties en benadering off-line worden uitgevoerd, is uit testen gebleken dat met een snelheid gemeten kan worden van 1 meter per seconde, waarbij per tien milliseconde een meetwaarde wordt verkregen. De magnetische sensoren hebben een zodanige resolutie dat de meting onafhankelijk is van kleine ruwheid van het oppervlak van de staaf, bijvoorbeeld over een oppervlakte van ongeveer 1 cm2.

De geteste meetnauwkeurigheid bedraagt 0,03 millimeter in horizontale richting en 0,05 in verticale richting over de totale meetlengte van ongeveer 1 meter. Het oplossend vermogen bedraagt ten minste 0,01 millimeter, terwijl bij testen is gebleken dat zelfs kleinere waarden worden bereikt.

De gevraagde rechten worden op generlei wijze beperkt door de bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvorm. De strekking van de onderhavige uitvinding wordt bepaald door de navolgende conclusies.

Claims (10)

1. Inrichting voor het meten van de rechtheid, afwijking van de rechtheid of kromming van een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, zoals een (gedeelte van een) spoorstaaf, welke meetinrichting omvat: - een eerste eindstuk; - een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk, waarbij de eerste en tweede eindstukken over het te meten deel van de staaf worden geplaatst, - een magnetische sensor die tussen het eerste en tweede eindstuk beweegbaar is; en - compensatiemiddelen voor het compenseren van remanent magnetisme in het ferro-magnetisch materiaal van de staaf.

2. Inrichting voor het meten van de rechtheid, afwijking van de rechtheid of kromming van een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, zoals een (gedeelte van een) spoorstaaf, welke meetinrichting omvat; - een eerste eindstuk; - een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk, waarbij de eerste en tweede eindstukken over het te meten deel van de staaf worden geplaatst, - een magnetische sensor die tussen het eerste en tweede eindstuk beweegbaar is; en - tweede compensatiemiddelen voor het compenseren van het verschil van de stand van het eerste eindstuk en het tweede eindstuk ten opzichte van de staaf, ofwel voor het compenseren van de beweging van de magnetische sensor tussen het eerste en het tweede eindstuk.

3. Meetinrichting volgens conclusie 1, waarbij de eerste en tweede eindstukken en de magnetische sensor in een huis zijn aangebracht en geleidingsmiddelen tussen het eerste en het tweede eindstuk binnen het huis zijn geplaatst voor het mechanisch geleiden van de beweging van de magnetische sensor, welke geleidingsmiddelen deel uitmaken van de tweede compensatiemiddelen.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij de magnetische sensor in een wagen is aangebracht, die tussen het eerste eindstuk en het tweede eindstuk beweegbaar is.

5. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij een electromagnetische spoel deel uitmaakt van de eerste compensatiemiddelen.

6. Inrichting volgens conclusie 2, 3, 4 of 5, waarbij een referentiedraad deel uitmaakt van de tweede compensatiemiddelen.

7. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij een eerste referentiesensor nabij het eerste eindstuk is aangebracht en een tweede referentiesensor nabij het tweede eindstuk is aangebracht.

8. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, voorzien van een tweede meetsensor die meebeweegbaar is met de eerste magnetische sensor en die dient voor het meten van de rechtheid van een andere zijde van de staaf dan de eerste magnetische sensor.

9. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, voorzien van een microprocesser, een alleen leesbaar geheugen (ROM) en een willekeurig toegankelijk geheugen (RAM).

10. Werkwijze voor het meten aan een staaf uit ferro-magnetisch materiaal, waarbij een eerste eindstuk op of nabij de staaf wordt geplaatst, waarbij een tweede eindstuk op afstand van het eerste eindstuk op of nabij de staaf wordt geplaatst en waarbij een magnetische sensor tussen het eerste en het tweede eindstuk wordt bewogen.