SE451886B - Sett och anordning for beroringsfri metning av storheter hos eller i anslutning till elektriskt ledande material - Google Patents

Description

451 886 förändringen relativt det pålagda fältet eller spänningen blir liten, varvid en noggrann mätning blir svår att upp- nå. Vidare är det vid denna typ av mätning mycket svårt att skilja inverkan av variationer hos två eller flera olika storheter åt. I det fall en eller flera separata detekteringsspolar användes överkommer man visserligen i viss utsträckning problemet med att förändringen endast utgör en liten del av grundsignalen. I stället medför det geometriska anordnandet av spolarna ett problem, som ofta leder till detekteringsonoggrannhet. Vidare är det även i detta fall svårt att skilja mellan inverkan från variationer hos två storheter samtidigt, och omöjligt att skilja mellan variationer hos tre storheter samtidigt, då endast två para- metrar, fas och amplitud, kan mätas.

I litteraturen finns även spolanordningar beskrivna, som genererar ett sinusformigt fält enligt ovan, där man genom speciell geometrisk utformning av spolarna får en ökad känslighet för en storhet och en minskad för en annan.

Därigenom uppnås en viss separation mellan olika storheter, men anordningarna blir komplicerade och känsliga för varia- tioner i geometrin.

Kraftiga likmagnetfält har tidigare utnyttjats i samband med mätningar av elektriskt ledande materials magne- tiska egenskaper. Det kraftiga likmagnetfältets uppgift har då varit att förändra materialets magnetiska egenskaper, dvs. att magnetisera resp. avmagnetisera mätobjektet, var- för metoden ej fungerar på omagnetiskt material.

I de svenska patentansökningarna 76057603, 7605759, 7605761 och 77104818 beskrives system och spolkonfigura- tioner för elektromagnetisk mätning av storheter enligt ovan i samband med flytande, elektriskt ledande material av hög temperatur. Fastän de beskrivna mätsystemen i prak- tiken visat sig fungera bra finns det ett stort antal applikationer där noggrannheten och möjligheten att obe- roende av varandra mäta ett antal varierande storheter ej är tillfyllest. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att Y" ”M 4 5__1 p 8,86." åstadkomma ett nytt sätt och en ny anordning för storhets- mätning av det inledningsvis nämnda slaget, som ej är be- häftade med nämnda nackdelar hos kända system och dessutom medger helt nya applikationer.

Detta mål uppnås genom att det inledningsvis angivna sättet enligt föreliggande uppfinning karakteriseras av att det elektromagnetiska fältet alstras med hjälp av en genom minst en fältgenererande spole flytande konstant ström, att strömmatningen till spolen avbrytes sedan fältet trängt in i det elektriskt ledande materialet i för den avsedda mätningen erforderlig utsträckning, och att därefter den spänning som till följd av det avklingande magnetfältet induceras i minst en i fältet anordnad avkänningsspole detekteras och utnyttjas för bestämning av önskade stor- heter.

Det föredrages därvid att man som avkänningsspole utnyttjar den fältgenererande spolen.

Storheterna bestämmes lämpligen genom analys av den inducerade spänningens tidsförlopp. övriga kännetecken för sättet och det karakteristiska för en anordning för genomförande av sättet framgår av tillhörande patentkrav.

Den tid magnetfältet skall genereras beror av vilken storhet som önskas uppmätt och vilket material det gäller, såsom kommer att beskrivas närmare i samband med beskriv- ningen av figurerna.

Det har visat sig att, betraktat som en första approximation, den spänning som induceras i spolen efter avstängning av den magnetfältsgenererande strömmen upp- kommer på grund av att det magnetfält som trängt in i materialet under strömmens närvaro endast långsamt diffun- derar ut ur materialet efter avstängning. Den i spolen I inducerade spänningen uppkommer därvid till följd av det utdiffunderande magnetfältets förändring med tiden. Stor- leken hos denna tidsförändring och därmed den i spolen genererade spänningen bestäms vid olika tider entydigt av ovan nämnda storheter, så att storleken vid korta tider, 451 886 dvs. tider kort efter det magnetfältet stängts av, be- stämmes av materialets dimension eller avståndet till materialet, medan storleksförändringen med tiden vid medellånga tider bestämmes av storheten elektrisk led- ningsförmåga och vid långa tider av storheten material- tjocklek. Hur detta kan användas i praktiskt bruk beskri- 5 ves närmare nedan i samband med figurerna.

Uppfinningen kommer nedan att beskrivas mer i detalj i samband med några som exempel valda, icke be- gränsande utföringsformer under hänvisning till bifogade ritningar. På dessa har i de olika figurerna lika eller varandra motsvarande delar utmärkts med samma hänvisnings- beteckningar. _Fig. 1 visar schematiskt principen för en anordning enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar spänningen över den gemensamma genere- rings- och avkänningsspolen i fig.1 amlefunktion av tiden.

Fig. 3 är ett schematiskt blockschema över en första utföringsform av en anordning enligt föreliggande uppfin- ning.

Fig. 4A och 4B är tvâ diagram som visar spänningspulser som utnyttjas i schemat enligt fig. 3.

Fig. 5A-C illustrerar tidsförändringar i inducerad spänning som förändringar av olika storheter ger upphov till.

Fig. 6 är ett schematiskt blockschema över en andra utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 7 är tre diagram som visar spänningspulser som utnyttjas i schemat enligt fig. 6.

Fig. 8 är ett schematiskt blockschema över en tredje utföringsform av en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 9 är ett schematiskt blockschema över en fjärde utföringsform av en anordning enligt uppfinningen. 'b Fig. 10 är en schematisk vertikal sektionsvy, som visar ett arrangemang enligt uppfinningen för detektering av tjockleken av en plåt.

Fig. 11 är en schematisk vertikal sektionsvy, som 451 886 visar ett arrangemang enligt uppfinningen för mätning av avstånd och elektrisk ledningsförmåga hos en vid konti- nuerlig gjutning utdragen metallsträng. I Fig. 12 är en schematisk vertikal sektionsvy, som visar ett arrangemang enligt uppfinningen för mätning av väggtjocklek genom avståndsmätning till en metallsmälta.

Fig. 13 är en schematisk vertikal sektionsvy, som visar ett arrangemang enligt uppfinningen för mätning av dimension.

Fig. 14 är en schematisk vertikal sektionsvy, som visar ett arrangemang enligt uppfinningen för mätning av tjockleken hos en plåt.

Fig. 15 är kurvor över inducerad spänning som funktion av avstånd vid arrangemanget i fig. 14.

Fig. 16 är en schematisk vertikal sektionsvy, som visar ett arrangemang enligt uppfinningen för mätning av avstånd till ett material genom en elektriskt ledande vägg.

I fig. 1 visas schematiskt en spole 1 anordnad ovan- för ett elektriskt ledande material 2 och fig. 2 är ett schematiskt diagram illustrerande det spännings/tidsförlopp som utnyttjas enligt uppfinningen. Dessa figurer är främst avsedda att illustrera uppfinningens funktionssätt och i det följande beskrivas de olika tidsfaserna steg för steg.

Vid tiden a lägges en spänning över spolens 1 anslut- ningar 3, så att en konstant ström flyter genom spolen 1.

Denna spänning illustreras i fig. 2 medelst en horisontell linje mellan tidpunkterna a och b. Det magnetfält som ska- pas av strömmen genom spolen 1 utbreder sig med tiden, via en diffusionsliknande process, in i det elektriskt ledande materialet 2. Efter en viss tid har magnetfältet helt ut- brett sig i materialet, så att i huvudsak ingen mer föränd- ring av magnetfältsstyrkan sker i materialet. Denna tid är beroende av materialets elektriska ledningsförmåga och av spolstorleken, så att vid hög elektrisk ledningsförmåga samt vid stor spolstorlek tiden blir lång och vice versa.

Den tid som skall förflyta innan magnetfältet avstänges 451 886 beror på vilken storhet som skall mätas. När det gäller dimension eller avstånd väljes förhållandevis korta tider, vilket även är fallet vid mätning av tjockleken hos tunna material. Vid mätning av elektrisk lednings- förmåga och tjockleken hos tjocka material användes för- hållandevis långa tider.

Det har visat sig ändamålsenligt att vid beskriv- ningen av uppfinningen använda en bild av naturen, enligt vilken det magnetfält som omger en strömmatad spole kan betraktas som uppdelat i tvâ fält vid närvaro av ett elektriskt ledande material, nämligen ett i luften kring spolen och ett som sträcker sig igenom det elektriskt ledande materialet, vilka fält vid avstängning av den magnetfältsgenererande strömmen urladdas över spolen och då inducerar en motspänning i denna. vid tiden b enligt diagrammet i fig. 2 avstänges matningsspänningen över spolen 1 och det magnetfält som finns upplagrat i luften kring spolen respektive i det elektriskt ledande materialet urladdas genom spolen 1 och inducerar där en motspänning, som uttages vid anslutning- arna 4. Spänningen blir därför kort efter avstängningen negativ. Det magnetfält som finns upplagrat i luften om- kring spolen 1 urladdas mycket snabbt, under en tid typiskt kring 0,3-3 mikrosekunder, och ger upphov till en stor negativ spänning under denna tidsperiod, dvs. mellan tiden b och tiden d med en maximal negativ signal vid tiden c.

Under den följande tidsperioden från tiden d till tiden e kommer det magnetfält som finns upplagrat i det ledande materialet att mer långsamt urladdas över spolen och i denna ge upphov till en mindre negativ signal, som emeller- tid varar under längre tid. Det har visat sig ändamåls- enligt att göra betraktelsen, att magnetfältet med tiden diffunderar ut ur det elektriskt ledande materialet och urladdas över spolen, för att vid tiden e vara helt ut- diffunderat.

Tiden för magnetfältets utdiffusion, dvs. tiden från b till e, är av samma storleksordning som tiden för 451 886 att-lagra in magnetfältet vid genereringen, dvs. från a till b, och alltså beroende på samma sätt av materialets elektriska ledningsförmâga och spolens storlek. Som exem- pel kan nämnas att denna tid för en god elektrisk ledare, såsom koppar, och för spolstorlekar (diameter) kring 20 mm är 0,5-2 millisekunder och för spolstorlekar kring 50 mm är den 1,5-5 millisekunder. För en dålig elektrisk ledare, såsom varmt stål, och för spolstorlekar kring 20 mm är motsvarande tid 0,05-0,3 millisekunder och för spolstorlekar kring 50 mm är den 0,f5-0,7 millisekunder.

Om man närmar materialet 2 till spolen 1 så minskar den del av magnetfältet som befinner sig i luften kring spolen, medan den del av magnetfältet vilken befinner sig i det elektriskt ledande materialet ökar. Därför minskar spänningen mellan b och d samtidigt som den i motsvarande grad ökar mellan d och e.

Om man i stället använder ett material med högre elektrisk ledningsförmåga, som ligger på samma avstånd från spolen 1 som i fig. 1, så förändras ej spänningen mellan b och d, då fältandelen i luft ej förändras. På grund av den större elektriska ledningsförmågan sker emellertid utdiffusionen av magnetfältet ur materialet långsammare, varvid spännings/tidsförloppet ändras, så att spänningen vid d blir lägre men tiden e inträffar i motsvarande grad senare.

Den i fig. 3 illustrerade anordningen innefattar en spole 71 motsvarande spolen 1 i fig. 1. Denna spole matas under en tid a till b, se fig. 4A, med spänning från ett block 6, som innefattar en konstant spänningskälla 61 och en lämplig strömbrytare t.ex. en transistor 62. Denna styrs från en tidkrets 5 i enlighet med diagrammet i fig. 4A. Ett motstånd 72 tjänar som urladdningsmotstånd och dess storlek ger tiden b till d enligt diagrammet i fig. 2. önskas denna tid till 4 mikrosekunder, vilket har be- funnits vara ett lämpligt värde vid mätning på metaller med normal ledningsförmåga, bör detta motstånd vara av storleksordningen 100 ohm, dock beroende av spolens elek- 451 886 triska värden. Spänningen över spolen mätes efter för- stärkning i en förstärkningskrets 79, vilken utföres i enlighet med känd teknik. Spänningen behandlas sedan i en krets 8, vilken i sina väsentliga delar innefattar en strömbrytare 81, som under den tid mätning ej skall ske är öppen och under den tid mätning skall ske sluter signalledningen. Strömbrytaren 81, vilken t.ex. kan ut- göras av en s.k. analog switch, styrs av tidskretsen 5 i enlighet med diagrammet i fig. 4B, dvs. så att en spänning avges mellan de tider, e1-e2, mätning skall ske.

Under den tid mätning sker, dvs. när strömbrytaren 81 är tillslagen, bildas ett medelvärde av signalen, antingen med utnyttjande av ett RC-filter innefattande ett motstånd 82 och en kondensator 83, eller genom integrering under tiden e1 till e2. Spänningen under tiden e1 till e2 kan sedan mätas som en likspänning med en voltmeter 9, eller användas för ytterligare signalbehandling.

Nedan kommer under hänvisning till diagrammen i fig. SA-C sättet för mätning av de tre storheterna avstånd (dimension), elektrisk ledningsförmâga och väggtjocklek att beskrivas. Diagram 5A illustrerar förändringar av indu- cerad spänning vid förändring av avstånd (dimension), diagram 5B illustrerar förändringar vid förändring av den elektriska ledningsförmågan, och fig. SC illustrerar för- ändringar vid förändring av väggtjocklek.

I fig. SA illustrerar den heldragna kurvan i spännings/tidsdiagrammet för perioden efter det att mat- ningsspänningen avstängts förhållandena i ett tänkt normal- tillstånd, då ett ledande material befinner sig på ett visst avstånd från en spole, och den streckade kurvan förhållandena då materialet befinner avstånd från spolen. Under tidsfasen sig på ett mindre b till d urladdas magnetfältet i luften omkring spolen och då denna magnet- fältsdel minskar när spolen befinner sig närmare materia- let minskar även spänningen under denna tid. Under tids- fasen d till e urladdas den magnetfältsdel som befinner sig i det ledande materialet, vilken del ökar i motsva- 4s1 agg rande grad som fältet i luften minskar när materialet befinner sig närmare spolen. Integralen av spänning mellan tiden b och tiden d och integralen mellan tiden d och tiden e utgör två oberoende mått på avståndet mellan spolen och materialet. Vidare är summan av förändringarna hos dessa båda integraler lika med O, vilket kan användas för kontroll av mätningens riktighet. Dessa båda integra- lers värden är i huvudsak oberoende av variationer i andra storheter, varför en möjlighet att mäta avstånd (dimension) oberoende av andra varierande storheter er- hålles. Vidare ges möjlighet till en mycket exakt och säker mätning på grund av möjligheten att utföra två oberoende mätningar samtidigt och att kontrollera att summan av förändringar av de båda integralerna blir 0, dvs. summan av integralerna skall vara konstant.

Tiden för fasen b till d är enligt tidigare av storleksordningen 0,3-3 mikrosekunder men är beroende av spolens elektriska data och urladdningsmotståndet. Tiden d till e är av storleksordningen 2 millisekunder för en god elektrisk ledare och 0,2 millisekunder för en dåligt elektriskt ledande metall.

I fig. 5B illustrerar den heldragna kurvan i spännings/tidsdiagrammet förloppet vid mätning på ett material med en viss elektrisk ledningsförmåga och den streckade kurvan förloppet vid mätning på ett material på samma avstånd men med sämre elektrisk ledningsförmåga.

Tidsfasen b till d påverkas enligt ovan ej av den föränd- rade ledningsförmågan, men magnetfältet diffunderar fortare ut ur materialet. Därvid kommer en större del av magnet- fältet att diffundera ut ur materialet under tidsfasen d till f, vilket innebär att magnetfältet försvinner på kortare tid, varvid tidpunkten e, då magnetfältet i mate- rialet praktiskt taget är slut, inträffar tidigare. Där- för blir värdet av integralen från d till f större och från f till e mindre när ledningsförmâgan minskar och vice versa. Värdet av integralen från d till f såväl som av integralen från f till e utgör således mått på materia- 451 886 10 lets elektriska ledningsförmåga, samtidigt som summan av förändringarna i integralerna är O.

Den elektriska ledningsförmågan kan således mätas oberoende av andra storheter utgående från förhållandet mellan de ovan nämnda integralerna eller genom att be- stämma värdet av någon av dessa eller båda och kompensera för avstândsvariationer med användande av det mätvärde som erhålles i enlighet med fig. 5A. Härigenom skapas en möjlighet för mätning av elektrisk ledningsförmåga oberoende av andra varierande storheter, vilken mätning kan ske mycket noggrant till följd av tillgången till två oberoende mätvärden, samt med stor tillförlitlighet pga. möjligheten att kontrollera att summan av integralerna är konstant.

Tiden för perioden d till f beror av spolstorlek (diameter) och av ledningsförmågan hos mätobjektet men som exempel kan nämnas 1 millisekund för koppar vid spol- . storleken 40 mm.

I fig. 5C representerar den heldragna kurvan i spännings/tidsdiagrammet en mätning på ett material i form av en tjock vägg (t.ex. en plåt) och den streckade kurvan en mätning på en tunnare vägg. Det har därvid visat sig att båda väggarna under hela tiden fram till tiden g har samma spännings/tidskarakteristik; Därefter ger den tunnare väggen en större spänning fram till tiden h och sedan en mindre spänning fram till tiden e än den tjockare väggen. Även detta kan förstås med bilden ovan, då den tjockare väggen medför en längre väg och därmed även längre tid för magnetfältsdiffusion än den tunnare. Integralen från g till h kan användas som ett mått på materialets tjocklek, då ett tunnare material ger ett större värde än ett tjockare. Integralen från h till e är ytterligare ett mått på materialets tjocklek, då ett tunnare material här ger ett lägre värde än ett tjockare. Summan av dessa båda integraler är konstant och kan även i detta fall användas för kontroll av mätningen.

Tiderna g och h beror av materialets tjocklek och 4s1jss6 11 dess elektriska ledningsförmåga. Som exempel kan nämnas att g är av storleksordningen 0,5 millisekund och h av storleksordningen 1 millisekund för 4'mm tjock kopparplåt.

Enligt ovan skapas således ett sätt att mäta vägg- tjocklek oberoende av andra varierande storheter genom att förhållandet mellan de båda ovan nämnda integralerna är oberoende av variationer i elektrisk ledningsförmåga och avstånd mellan material och spole. Vidare kan även endast värdet av den ena eller båda av dessa integraler bestämmas och det beroende som då fås från andra storheter kan avlägsnas, då dessa är kända från de bestämningar som kan göras i enlighet med fig. 5A och SB.

Metoden kan även utnyttjas genom att spännings/ tidsförloppet delas upp i olika tider enligt ovan, spänningarna integreras under dessa tider, resultaten analyseras och värdet på de olika storheter som avses beräknas med hjälp av den generella bild som givits ovan.

I fig. 6 visas ett schematiskt blockschema över en andra utföringsform av uppfinningen, enligt vilken både en positiv och en negativ spänning användes för magnetfälts- genereringen. Därvid genereras en positiv ström över spolen 71 med hjälp av en genereringskrets 63, vilken styrs från styrkretsen 5 av en styrspänning som tillföres via en led- ning 53 och vilkens tidsförlopp framgår av diagrammet överst i fig. 7. En motsvarande negativ genereringskrets 64 styrs via en ledning 54, vilken förmedlar styrspänning för utgivande av negativ ström under en period, då den positiva sidan ej är aktiv och då mätning ej försiggår.

Ett exempel på ett sådant tidsförlopp visas i det mittersta diagrammet i fig. 7. Detta kommer att innebära att spänningen vid spolens 71 ena sida kommer att vara positiv-O-negativ-O. 72 är som tidigare ett urladdningsmotstånd och signalen förstärkas som tidigare i en förstärkningskrets 79.

Som tidigare innehåller signalbehandlingskretsen 8 en brytare 81, som styrs av styrkretsen 5 via en signal- ledning 55, vilken endast tillför spänning under den tid mätning skall företagas. Ett exempel på ett sådant förlopp 451 886 12' visas i diagrammet nederst i fig. 7. Signalen tillföres därefter en integrator 82, som integrerar signalen under mätfasen. Därefter ändras växelvis polariteten för signa- len, så att den positiva och den negativa signalmätningen får olika polaritet. Detta uppnås genom att en differen- tiell förstärkare 85 via motstånd 83 tillföres signalen vid såväl den positiva som den negativa förstärkaringången.

En krets 84 vid respektive ingång lägger växelvis ingångarna på jord, styrt av tidkretsen 5 via signalledningarna 53 och 54. Förstärkaren 85 utför även en medelvärdesbildning. På detta sätt åstadkommas att den spänning som mätes av mät- kretsen 9 under den positiva perioden är negativ och under den negativa perioden likaledes är negativ, eller vice versa, varvid signalerna under de båda faserna kan adderas.

Förloppet som illustreras i diagrammen i fig. 7 kan sedan upprepas ett godtyckligt antal gånger och ett medelvärde bildas.

I fig. 8 visas en tredje utföringsform av en anord- ning enligt uppfinningen. Här användes två seriekopplade spolar 71 och 73, vilka enligt tidigare matas från en gene- reringskrets 6, som styrs av en tidsstyrkrets 5. Två lika stora urladdningsmotstånd 72 är inkopplade över spolarna.

Mittpunkten på spolarna och mittpunkten mellan motstânden är anslutna till var sin ingång hos en differentiell för- stärkare 79. Från denna ledes signalen till en signalbe- handlingskrets 8 och mätes i en krets 9 i enlighet med tidigare beskrivning. Anordningen enligt fig. 8 är spe- ciellt lämpad att användas då skillnader mellan två stor- heter är av intresse, t.ex. då man önskar jämföra en stor- het med en känd referensstorhet eller önskar mäta skillna- den mellan två mätstorheter. Spolen 71 placeras därvid vid det ena mätstället och spolen 73 vid det andra mätstället.

Om förhållandena är helt lika vid de båda mätställena, så uppvisar spännings/tidsförloppet en spänning som under hela tidsförloppet är 0, medan om en avvikelse förekommer vid det ena mätstället så visas endast denna i spännings/ tidsförloppet. 45Tll355 . 13' Med hänvisning till fig. 5 innebär detta att endast avvikelsen mellan den heldragna kurvan och den streckade kurvan i varje diagram kommer att visas. Den relativa signalförändringen blir därmed mycket stor och förstärk- ningsfel i kretsarna elimineras.

En annan väsentlig fördel som uppnås vid använd- -ning av anordningen enligt fig. 8 är att följande problem elimineras. Spännings/tidsförloppet uppvisar en stor spänning vid korta tider men en mycket liten spänning vid långa tider, Förstärkningen måste anpassas till den högsta spänningen vid de korta tiderna, så att förstärkningsstegen då ej går i mättnad. Därvid blir förstärkningen vid de långa tiderna för liten och instabilitet kan uppkomma. Med hjälp av anordningen enligt fig. 8 elimineras detta problem, exempelvis i samband med tjockleksmätning, till följd av att endast differensen mellan en referensstorhet och en mätstorhet detekteras.

I fig. 9 visas en fjärde utföringsform av en anord- ning enligt uppfinningen, varvid genereringskretsen 6, spo- len 71 och urladdningsmotståndet 72 är enligt tidigare be- skrivning. Styrkretsen 5 styr dock här ej endast en signal- behandlingskrets utan i detta fall fyra signalbehandlings- kretsar 86, 87, 88 och 89, vilka alla är inställda på olika tider. En krets 91 mottar de olika mätvärdena och analyse- rar dessa och beräknar värdet på önskade storheter. Utfö- ringsformen enligt fig. 9, eventuellt i kombination med någon av tidigare beskrivna kretsar, är avsedd att användas när flera storheter skall mätas oberoende av varandra.

I det följande kommer några, icke begränsande, till- lämpningar för sättet och anordningen enligt uppfinningen att beskrivas med hänvisning till fig. 10-16.

Fig. 10 avser mätning av plåttjocklek. Därvid är två spolar 10 och 11 anordnade ovanför två plåtar eller plåtsektioner 20 och 21, vilkas tjocklek önskas mätas. Det kan gälla en plåt, hos vilken man önskar mäta tjockleks- differenser mellan dess båda sidor, eller en plåt och en referensplåt med den önskade tjockleken. Mätningen sker 451 886 '14 här differentiellt och i enlighet med fig. 8. Om övriga storheter kan hållas konstanta under mätningen kan en an- ordning enligt fig. 3 eller 6 användas. Om detta ej är fallet skall en anordning enligt fig. 9 användas. I figuren betecknar 72 det tidigare omnämnda urladdningsmotståndet, 6 matningskretsen och 79 förstärkningskretsen.

Differensen i tjocklek hos de två plåtarna eller plâtsektionerna 20 och 21 bestäms i det enklaste fallet, då övriga storheter såsom avstånd och elektrisk lednings- förmåga, är konstanta, utgående från förhållandet mellan de integrerade värdena av de inducerade spänningarna under tiden från g till h eller från h till e i enlighet med fig. SC, eller båda. Tiden g är typiskt fören god ledare som t.ex. koppar av storleksordningen 1 millisekund för en 5 mm tjock plåt och 0,4 millisekund för en 3 mm tjock plåt.

För en dålig ledare som varmt stål är den storleksordningen 0,1 millisekund för en 10 mm tjock plåt. I fig. SC är tiden g-h av storleksordningen 50% av g och tiden e bestäms av storleken hos spolen.

Om stora variationer i storheterna avstånd och elek- trisk ledningsförmâga förekommer samtidigt som en noggrann mätning av tjocklek önskas, eller en kännedom om dessa storheter önskas samtidigt, är det lämpligt att använda en anordning enligt fig. 9. Avståndet mätes då med en kanal i tiden nära efter avstängningen av genereringsström- men, elektriska ledningsförmâgan med en senare kanal, var- vid kompensation sker för variationer i avstånd, och tjock- leken slutligen med en kanal i tiden lämplig för tjockleks- mätning enligt ovan, varvid kompensation sker för varia- tioner i avstånd och elektrisk ledningsförmâga.

I fig. 11 visas uppfinningens användning i samband med kontinuerlig gjutning av metall. Vid sådan gjutning ihälles en flytande metall 23 i en vattenkyld kopparform 22, varvid de yttersta delarna av smältan stelnar till ett skal 21, som innesluter metallsmältan 20. Skalet innehållande smältan dras kontinuerligt ut ur formen under vattenbegjut- ning, så att skalet tillväxer i tjocklek. Det är härvid av 451 886 15 stort intresse att kunna kontrollera denna process, bl.a. att kontrollera att skalet inte buktar ut under trycket från smältan. Vidare önskar man kännedom om vilken tempe- ratur skalet har och hur tjockt det är samt kontroll av att alla sidor håller samma temperatur.

Allt detta kan uppnås vid tillämpning av uppfin- ningen, varvid två spolar 10 och 11 placeras på var sin sida av metallsträngen och matas från en tidigare beskriven genereringskrets 6. En förstärkare 79 är inkopplad för att mäta differentiellt mellan mittpunkten på spolarna och mitt- punkten på tillhörande urladdningsmotstånd 72 och en ytter- ligare förstärkare 78 är ansluten mellan mittpunkten av motstânden och ena sidan av spolparet. Om i ett visst ögon- blick spänningen över spolen 10 är A och samtidigt spän- ningen över spolen 11 är B så mäter förstärkaren 79 A - (A + B)/2 = B/2 - A/2, dvs. halva differensen över spolarna. Samtidigt mäter förstärkaren 78 spänningen över spolen 11, dvs. B. Efter signalbehandling kan skillnaden mellan spänningen över förstärkaren 78 och dubbla spänningen över förstärkaren 79 bestämmas för erhållande av spänningen över spolen 10. På detta sätt kan i varje ögonblick spän- ningen över de bâda spolarna mätas separat samt ett mycket noggrant värde på differensen mellan de båda spolarna fås.

Med arrangemanget enligt fig. 11 kan nu alla de processtekniskt intressanta storheterna mätas ytterst nog- grant. Avståndet, mätt i enlighet med diskussionen av fig. 5A, ger vid fast montering av spolarna den eventuella ut- buktningen av skalet. Genom att studera signalen efter förstärkaren 79 kan man se om någon sida buktar ut mer än den andra. Den elektriska ledningsförmågan kan mätas abso- lut och ger då indirekt temperaturen, eftersom vid dessa höga temperaturer ledningsförmâgan ofta är en direkt funk- tion av temperaturen. Ledningsförmågan kan mätas differen- tiellt och ger då temperaturolikheter och därmed olikheter i kylningen av de båda sidorna. Då skalet 21 och den smälta metallen ofta har mycket olika elektrisk ledningsförmåga kan även skalets tjocklek mätas med utnyttjande av väsent- 451 886 16 ligen samma princip som tidigare diskuterats i samband med väggtjocklek. Detta kan företrädesvis göras så att olikheter i väggtjocklek mätes via förstärkaren 79.

Fig. 12 visar en tillämpning i samband med behand- ling av smält metall, där 20 är en metallsmälta i en be- hållare av eldfast material 21 med en yttervägg 22 av plåt, företrädesvis stålplât. En spole 1 av tidigare an- givet slag är placerad mellan plåten 22 och det eldfasta materialet 21 och anslutes till genererings- och mätkretsar i enlighet med tidigare beskrivning. I ett processkärl i enlighet med fig. 12 har man ofta intresse av att känna den eldfasta väggens 21 tjocklek och att känna metallsmäl- tans elektriska ledningsförmåga, då denna i sin tur kan ge smältans legeringssammansättning. I detta fall utgör stål- plåten 22 ett problem, då dess temperatur i allmänhet ej är stabil eller känd och dess temperaturvariationer inver- kar på mätsignalerna. Detta är speciellt kritiskt eftersom denna stålplât av praktiska skäl ligger nära spolen 1, var- vid den starkt pâverkar spännings/tidsförloppet och därigenom kraftigt inverkar på mätningen. I U Genom att använda en anordning enligt fig. 9 och där- vid inställa tiderna för de olika mätkanalerna på ett lämp- ligt sätt kan dock inflytandet av stålplåten överkommas.

Grunden till denna möjlighet ligger i att en stålplât, som är ett ferromagnetiskt material, har ett helt annat spännings/tidsförlopp än en normal metall. De mättider som normalt borde användas i detta fall för mätning av avstånd och elektrisk ledningsförmåga enligt fig. 5A och fig. 5B utökas här genom att tidsförloppet enligt fig. 5B mellan d och f och/eller mellan f och e uppdelas i två delar, varvid den ytterligare information som erhålles användes för att i en mikrodator eller på annat sätt kompensera för inverkan från stålplâten. Ett ytterligare sätt är att så- som angivits tidigare kontrollera ledningsförmågemätningen genom att summera mätningarna från d till f och från f till e, då dessa i ett ostört system skall vara lika med 0.

På grund av stålplâten kommer detta dock ej att gälla här, 451 886 _ 17' men avvikelsen från 0 kan användas för att kompensera de övriga mätningarna.

De ovan beskrivna tillämpningarna har alla utnytt- jat en konfiguration i vilken en spole har sin symmetri~ axel riktad vinkelrätt mot ett mätplan. Det är uppenbart att sättet och anordningarna enligt uppfinningen även är användbart i samband med andra geometrier, t.ex. i den cylindriska geometri som visas i fig. 13. Här går mät- objektet 2, som kan vara en stång, ett rör eller liknande, igenom spolen 1, dvs. parallellt med spolens symmetriaxel. Även i detta fall kan samma storheter som tidigare mätas, dvs. avstånd eller här mer adekvat dimension, elektrisk ledningsförmåga och t.ex. tjocklek hos en rörvägg.

I fig. 14 visas ett alternativt sätt att mäta tjock- leken hos en plåt genom att mäta från två sidor. Två serie- kopplade spolar 10 och 11 är belägna på varsin sida av den plåt 2 som skall uppmätas. Spelarna matas enligt tidigare från en genereringskrets 6 och urladdas över ett motstånd 72. Spänningen mätes med en förstärkare 79 och behandlas vidare enligt tidigare beskrivning. Anordningen fungerar så att vardera spole mäter avståndet till plåten 2, spole 10 avståndet a2 och spole 11 avståndet a1. Då spolarna är seriekopplade kommer dessa båda avstånd att adderas och om det kända avståndet mellan spolarna är a3 så blir tjockleken T = a3 - a1 - a2.

Om plåten ändrar plats i spalten mellan spolarna så minskar a1 och ökar a2 lika mycket eller vice versa, varvid uttrycket för tjocklek enligt ovan blir oförändrat.

Spänningarna som representerar avstånden a1 och a2 ändras ej linjärt med avståndet, så när t.ex. a1 ökar så ändrar sig tillhörande signal lika mycket som när a2 minskar.

Detta för med sig att spänningen mätt med förstärkarkret- sen 79 blir linjärt beroende av avstånden a1 och a2 och således av plåtens tjocklek.

Spänningarnas olinearitet vid olika avstånd fram- går av diagrammet i fig. 15. Här är 32 spänningslavstånds- kurvan för tiden b till d enligt fig. 5A och 31 spännings/ 451 886 18 avståndskurvan för tiden d till e enligt samma figur. Nu kan en linjär kurva 33 erhållas genom att respektive värde enligt kurva 31 minskas med en konstant gånger motsvarande värde enligt kurva 32. Praktiskt fås alltså ett signalvärde representerande plåtens 2 tjocklek genom att mäta spänningen efter förstärkaren 79 vid två olika tider medelst en anord- ning enligt fig. 9 och att subtrahera en del av spänningen mätt under den tidiga tiden från spänningen mätt under den senare tiden.

I fig. 16 illustreras hur sättet enligt uppfinningen kan användas för mätning av ett materials avstånd och egen- skaper trots att materialet 20 är beläget på andra sidan av en vägg 21 av elektriskt ledande material. En spole 1 an- ordnas på tidigare beskrivet sätt och mellan denna och mate- rialet 20 finns en metallisk vägg 21 och ett tomrum 22. När avståndet mellan väggen 21 och materialet 20 varierar för- ändras spännings/tidsförloppet ej i sin tidigare del utan endast efter längre tider. Därför kommer de bilder som an- vänts tidigare att behöva omformas något för detta mätfall.

Avståndet till materialet 20 mätes här genom att välja en mättid som är längre än den tid magnetfältet kräver för att diffundera genom plåten 21, dvs. tiden där mätningen skall påbörjas skall vara längre än värdet för tjockleken i mm av den täckande plåten i kvadrat multiplicerat med den elektriska ledningsförmågan hos samma plåt och dividerat med 109.

En annan väsentlig användning av uppfinningen är i det fall det elektriskt ledande materialets materialegen- skaper varierar från ytan och inåt. Sådan variation kan bero på att temperaturen i materialet är ojämn, t.ex. om ytan kyls kraftigt eller kan bero på att legeringshalten är olika vid ytan jämfört med längre in i materialet, t.ex. beroende på segring vid stelning. Variationer av denna typ kan vid materialbehandling vara av intresse att mäta, men detta är ytterst svårt med den teknik som finns idag. Enligt föreliggande uppfinning kan man mäta detta genom att t.ex. i enlighet med fig. SB mäta ledningsför- 451 886 19 mågan som förhållandet mellan integralerna av spänningarna mellan tiderna d till f och f till e. På detta sätt fås medelledningsförmågan från ytan och in i materialet. Tidi- gare har även påpekats att summan av de integrerade värden från d till f och f till e skall vara konstant. Det stämmer ej i detta fall utan i stället blir värdet av denna summa ett uttryck för olik fördelning av ledningsförmåga och kan användas för att mäta gradienten i ledningsförmåga.

Den elektriska ledningsförmågan beror främst av materialsammansättning och temperatur men kan även bero av om inhomogeniteter finns i materialet, såsom sprickor och icke ledande partiklar, t.ex. slagger. Detta gör att sättet och anordningen enligt uppfinningen även kan använ- das för denna typ av felaktigheter.

I det fall det elektriskt ledande materialet är magnetiskt förändras bilden av spännings/tidsförloppet så att ovanstående ej längre är giltigt. Spännings/tidsför- loppen kan dock fortfarande studeras och ge viss empirisk kunskap om materialets form och egenskaper. Det har dock visat sig att för svagt magnetiska material, där den magne- tiska permeabiliteten är mindre än 10, kan metoden i huvud- sak användas på samma sätt som för icke magnetiska mate- rial.

Ovan beskrivna utföringsformer och tillämpningar .får endast ses som icke begränsande exemplifieringar av uppfinningen vilken kan varieras i flera avseenden inom ramen för patentkraven. Således kan antalet och placeringen av de tidpunkter vid vilka eller mellan vilka den inducera- de spänningen analyseras väljas enligt önskan och behov med hänsyn till den aktuella tillämpningen.

Claims (15)

451 886 zob Patentkrav

1. Sätt vid beröringsfri mätning av storheter hos eller i anslutning till ett elektriskt ledande material i fast eller flytande form, såsom avståndet till det ledande materialet, dimensioner hos en materialet inne- fattande kropp, eller materialets elektriska ledningsför- måga eller temperatur, varvid man bringar ett elektro- magnetiskt fält att åtminstone delvis tränga in i det elektriskt ledande materialet, k ä n n e t e c k n a t av att det elektromagnetiska fältet alstras med hjälp av en genom minst en fältgenererande spole flytande konstant ström, att strömmatningen till spolen avbrytes sedan fäl- tet trängt in i det elektriskt ledande materialet i för den avsedda mätningen erforderlig utsträckning, och att därefter den spänning som till följd av det avklingande magnetfältet induceras i minst en i fältet anordnad av- känningsspole detekteras och utnyttjas för bestämning av önskade storheter.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att man som avkänningsspole utnyttjar den fältgenererande spolen.

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda storheter bestämmes genom analys av den indu- cerade spänningens tidsvariation.

4. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a t av att bestämning av storheter som bestäms utgående från avståndet till det ledande materialet sker genom ana- lys av den i avkänningsspolen till följd av avklingningen -av den del av magnetfältet som ej trängt in i det ledande materialet inducerade spänningen.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda i avkänningsspolen till följd av avklingningen av den ej inträngande magnetfältsdelen inducerade spänning integreras och jämföres med referensvärden för bestämning av avståndet mellan den fältgenererande spolen och det 451 886 21_ ledande materialet .

6. , Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a_t' av att bestämning av egenskaper hos det ledande materialet eller tjockleken av en detta innefattande kropp sker genom analys av den i avkänningsspolen till följd av avklingningen av den del av magnetfältet som trängt in i det ledande materialet inducerade spänningen efter det att den magnetfältsdel som ej trängt in i det ledande materialet väsentligen_helt avklingat.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att bestämningen av den elektriska ledningsförmâgan och/ eller temperaturen hos det ledande materialet sker genom att nämnda i avkänningsspolen inducerade spänning inte- greras över en bestämd tid sedan den ej inträngande magnet- fältsdelen väsentligen helt avklingat och jämföres med kända referensvärden och/eller med värdet för integralen av nämnda spänning över en annan bestämd tid efter det att den ej inträngande magnetfältsdelen väsentligen helt avklingat.

8. Sätt enligt något av krav 1-3, k ä n n e t e c k- n a t av att vid bestämning av tjockleken hos en relativt tunn kropp av det ledande materialet bringas magnetfältet att tränga helt igenom nämnda kropp och bestäms sedan tjockleken hos kroppen genom analys av den i avkännings- spolen till följd av avklingningen av den del av magnet- fältet som trängt helt igenom kroppen inducerade spänningen.

9. Sätt enligt något av krav 1-8 för bestämning av skillnaden hos en storhet vid två olika mätställen, exem- pelvis i samband med avstånds- eller tjockleksmätningar, k ä n n e t e c k n a t av att man utnyttjar två iden- tiska, seriekopplade spolar för såväl fältgenereringen som den följande avkänningen av de avklingande magnet- fälten, att båda spolarna matas med samma konstanta ström, och att differensen mellan de i spolarna inducerade spän- ningarna detekteras.

10. Sätt enligt något av krav 1-9, k ä n n e t e c k- n a t av att den i avkänningsspolen eller -spolarna in- 4-51 886 22 ducerade spänningens tidsförlopp analyseras i flera separata mätkanaler för väsentligen samtidig bestämning av olika storheter.

11. Anordning för beröringsfri mätning av storheter hos eller i anslutning till ett elektriskt ledande mahæfial i fast eller flytande form, såsom avståndet till det ledande materialet, dimensioner hos en materialet innefattande kropp, eller materialets elektriska ledningsförmåga eller tempera- tur, med utnyttjande av organ för att bringa ett elektro- magnetiskt fält att åtminstone delvis tränga in i det elektriskt ledande materialet, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar organ för matning av minst en fält- genererande spole (1; 10, 11; 71, 73) med en konstant ström, organ (5,6) för att avbryta strömmatningen till spolen sedan fältet trängt in i det elektriskt ledande materialet (2; 20, 21) i för den avsedda mätningen erforderlig utsträckning, och organ (8, 9; 86-89, 91) för att därefter detektera den spänning som till följd av det avklingande magnetfältet in- duceras i minst en i fältet anordnad avkänningsspole (1; 10, 11; 71, 73) och baserat pâ den detekterade spänningen bestämma önskade storheter.

12. Anordning enligt krav 11, k ä n n e t e c k n a d _a v att avkänningsspolen (1; 10, 11; 71, 73) är identisk med den fältgenererande spolen.

13. Anordning enligt krav 11 eller 12, k ä n n e - t e c k n a d a v organ (8, 9; 86-89, 91) för analys av den detekterade spänningens tidsvariation.

14.' Anordning enligt något av krav 11-13, k ä n n e - t e c k n a d a v att den innefattar flera separata mätkanaler (86-89) för analys av den i avkänningsspolen (71) eller -spolarna inducerade spänningens tidsförlopp för väsentligen samtidig bestämning av olika storheter.

15. Anordning enligt något av krav 11 - 14 för bestämning av skillnaden hos en storhet vid två olika mätställen, exempelvis i samband med avstånds- eller tjockleksmätningar, k ä n n e t e c k n a d a v att den innefattar två iden- tiska, seriekopplade spolar (10, 11; 71, 73) för såväl fält- 451 886 A23 ¶ genereringen som den följande avkänningen av de_avklingande magnetfälten, organ (6) för matning av spelarna med samma konstanta ström, och organ (8,9, 78,79) för detektering av differensen mellan de i spelarna inducerade spänningarna.