SE456606B - Anordning for metning och/eller provning av dimension och/eller form via avstandsmetning - Google Patents

Description

456 606 Föreliggande uppfinning som baseras på användandet av i provobjek- tet inducerade strömmar med tillhörande magnetfält anger hur dessa här beskrivna och andra härmed sammanhängande problem kan lösas.

Följande beskrivning skall endast ses som en av många tänkbara _utförandeformer på hur uppfinningen kan förverkligas.

Vid sprickdetektering med hjälp av virvelströmsteknik är som bekant lift-off-problematiken en begränsande och störande faktor.

I föreliggande uppfinning utnyttjar man till skillnad däremot lift- offesignalen eller bättre lift-off-vektorn för att mäta avståndet mellan givare och provobjekt. I de svenska patenthandlingarna 8302738-3 och 8400698-U beskrivs, med hjälp av impedansdiagrammen hur givarens impedans pâverkas av lift-off-avståndet (LO), vid s k dynamisk transformering enligt 8400698-0 utnyttjar man LO-signalen för att styra transformeringen och förstärkningen av spricksignalen.

I föreliggande uppfinning använder man flera ytgivare placerade t ex runt en valstrâd såsom visas i figur l, vilka samtidigt mäter avståndet till tråden (1).

Varje givare (2) kan sägas motsvaras av en referenspunkt (RP) vilka är inritade i figur 2.

Figur l visar givare (2) med tillhörande ytgivarspolar (4). Givarna är t ex symmetriskt anordnade kring provobjektet (1) vars tvärsnitt är visat.

Givarna är anslutna till en tillhörande elektronik (3).

Avståndet, mellan givare, eller bättre mellan spole och provobjek- tets yta är markerat med LO.

Om man kompenserar och/eller balanserar givarna när tråd ej finns .närvarande dvs L0=Q0, kommer den signal (V) som, direkt eller indi- rekt, erhålls från givaren som funktion av LO att se ut ungefär som visas i figur 3.

Figur 3 visar alltså den signal (V) som erhålls indirekt från giva- ren som funktion av LO. 3 456 606 Om man som i detta fall kompenserar eller balanserar givaren vid oändligt LO, dvs utan tråd närvarande, kommer LO-funktionskurvan att asymtotiskt närma sig noll vid ökande LO.

Man kan säga att den från givaren härrörande signalen V i figur 3 indirekt motsvarar avståndet LO i figur 1. Genom att konvertera, t ex via funktionsomvandling, funktionen i figur 3 kan man erhålla en linjär funktion enligt figur 4 där LO kan motsvara det verkliga LO-avståndet i figur 2.

Denna linjära funktion är givetvis lättare att utnyttja än den olinjära exponentialfunktionen i figur 3.

Observera dock att funktionen enligt figur 4 ej nödvändigtvis behöver visa avståndet LO mellan givare och provobjekt utan kan om så är lämpligt visa avståndet LO till ett till givaren hö- rande referensläge, kallat referenspunkt (RP).

Givarnas referenspunkter är inritade i figur 2, liksom deras ave stånd LO till provobjektet (1) vars diameter är kallad D. Avstån- det mellan två diametralt belägna referenspunkter är utmärkt med A.

Märk att kurvan i figur 4 utgår från V=0 i referenspunkten RP.

Referenspunkten RP behöver ej vara en punkt i givaren utan kan vara en fiktiv tänkt punkt på avståndet LO från provobjektets yta.

Ett annat sätt att beskriva referenspunkten RP är att RP är den punkt eller liknande vid vilken den delfunktion som beskriver avståndet till provobjektet eller dess yta är lika med noll.

Denna funktion kan representeras av såväl signaler som digitala mätvärden m m.

Referenspunkten refererar alltid till aktuell givare i så màtto att den är en, direkt eller indirekt, funktion av givarens posi- tion/läge. Man kan även säga att referenspunkten är ett tänkt hjälpverktyg som underlättar beräkningen av storhet.

Figur 5 är i sig ett exempel pà vad som avses med referenspunkt då ju D här beräknas utgående från avståndet mellan referens- punkterna RPI och RP2. i 456 606 4 Eftersom figur 4 antages gälla för samtliga givare kan man som i figur 5 kombinera funktionskurvorna för två diametralt placerade givare så att t ex RPl och RP2 ligger på avståndet A från varandra utefter LO-axeln. Om man då erhåller signalen V1 resp V2 från givarna kan man ur kurvorna lätt bestämma motsvarande LO-värden dvs Lül resp L02.

Provobjektets diameter, D, kan därefter beräknas enligt; n = A - (Lol + Loz).

Denna beräkning liksom övriga funktionsomvandlingar, linjärise- ringar m m kan givetvis utföras med såväl hårdvara som mjukvara t ex via programmerbar elektronik typ dator o dyl.

Funktionskurvan enligt figur 3 är känd sedan tidigare för fack- mannen, däremot är; såvitt vi känner till, ej principen enligt figur 5 tidigare känd. Observera även att om linjäriseringen ej skett utan funktionerna skulle vara olinjära som i figur 3, skulle D-värdet variera om provobjektets läge mellan RPI och RP2 varie- rades, vilket naturligtvis är helt oacceptabelt.

Det linjära sambandet mellan LO och signal och/eller mätvärde enligt figur 4 förenklar alltså beräkningen av provobjektets dimensioner väsentligt.

Genom att t ex så som beskrivs i den svenska patenthandlingen 8700472-7 placera ett flertal ytgivare runt provobjektet kan man vid t ex samma tidpunkt mäta diametern D i en mängd ritningar och dimensioner och även få en bild av trädens tvärsnittsprofil, kontur m m. Man kan även om så är lämpligt t ex kombinera givar- spolarna och på så sätt erhålla flera simulerade referenspunkter och därav flera mätmöjligheter.

Som tidigare sagts refererar figur 3 till att givaren kompenserats vid LO =00. Inom ramen för uppfinningen kan dock kompensationen utföras vid annat LO om så är lämpligt.

Med kompensation avses t ex den typ av kompensation inkl balanse- ring som beskrivs i de svenska patenthandlingarna 7507857-6, 7613708-2, 7813344-4, 8302738-3 och 8400698-D och vars terminologi i allt väsentligt även omfattas av aktuell uppfinning. s 456 606 Elektronikdelen (3) i figur 1 kan vara konventionellt uppbyggd vad gäller virvelströmsdelen. Ett bra exempel på hur virvelströmsdelen kan utformas framgår av den svenska patenthandlingen 8400698-0 i vilken figur 3 exakt beskriver ett av många tänkbara exempel på vad pos 3 i figur 1 till en del kan innefatta. 0 Utsignalen från virvelströmsdelen kan sedan t ex signalbehandlas ytterligare via tillhörande analog-digital-omvandlare och dator innefattade i beräkningsdelen (4).

Detta exempel är bra även med hänsyn till att det oftast krävs minst tvâ bärfrekvenser för att möjliggöra en effektiv undertryck- ning av oönskade effekter via s k vektortransformation. De aktuella frekvenserna bör väljas så höga att ströminträngningsdjupet blir begränsat. Detta är även viktigt för_att mätningen ej skall störas för mycket pga trädens hastighet igenom givararrangemanget. Vid låga frekvenser blir svaret/responsen från provobjektet till giva- ren fördröjt pga strömmarnas och/eller magnetfältens induktiva koppling på djupet av provobjektet, vilket ger upphov till en störande eftersläpningseffekt speciellt märkbar vid höga hastig- heter.

För att precisionen i mätningen skall bli hög krävs det att avstån- det (A) mellan referenspunkterna, RP, är så exakt och stabilt som möjligt. För att uppnå detta krävs det ofta att givarna kompenseras direkt innan trädens framände passerar in igenom givararrangemangeb varvid då alla dittillsvarande drifter t ex temperaturberoende lindningsresistanser o dyl elimineras.

Det är därför lämpligt att montera en fotocell för avkänning av tråden direkt före givarna och att denna fotocell ger en kompensa- tionspuls under vilken givarna snabbt kompenseras, varefter t ex efter 10 ms, tråden gär in i det fräscha givararrangemanget.

På detta sätt är anordningens prestanda alltid högsta möjliga, inför mätningen.

Genom att göra givararrangemanget i figur l t ex i två halvor som kan röra sig relativt varandra, kan givarens genomloppskanal varie- ras t ex via automatik. Detta kan vara värdefullt då härigenom givaröppningen tillfälligt kan göras stor så fenor m m i trädens framände ej kilar fast i givaren. 456 606 e Som alternativ till ytgivare kan man även använda s k genomgångs- givare eller kombinationer av ytgivare och genomgângsgivare.

Man kan även förse ytgivarna i figur l med automatiska avstånds- inställningar t ex kulskruvar och motorer, som kan ställa in givarna till förutbestämda LO-avstånd, beroende av t ex föi tillfället ak- tuell tràddimension m m.

Till varje sådan avstândsinställning kan då höra en speciell beräk- ningsfunktion. I datorns minne/program finns då lämpligen ett bibliotek av lämpliga funktioner inkl korrigeringsprogram för aktuella trâddimensioner m m.

Det är oftast fördelaktigt att kunna mäta avståndet (LO) vid rela- tivt stort arbetsområde t ex l-l0 mm. För att möjliggöra detta är idet lämpligt att förse ytgivarna med t ex ferritkärnor som för- stärker magnetflödet mellan givare och provobjekt.

En mycket besvärande komplikation vid den typ av givararrangemang som visas i figur l är att träden i det praktiska fallet kan vib-_ rera kraftigt, vilket är antytt i figuren genom att ett ytterligare läge är streckmarkerat dvs att trädens centrum Pl har förflyttats till P2. För att komma tillrätta med detta problem kan det vara fördelaktigt att givarna avkänns momentant mao vid samma tidpunkt och att aktuella signaler och/eller mätvärden lagras undan i t ex datorminne för beräkning av D mm, vid t ex ett senare tillfälle.

Ett annat problem av största betydelse för mätningen är att kurvan enligt figur 3 endast gäller när provobjektet dvs träden befinner sig mitt för givaren! Detta beror på att den índuktiva kopplingen mellan träd och ytgi- varspole varierar när tråden som i figur 6 förflyttas sträckan S men där avståndet X är konstant. Detta streckade läge motsvaras av den streckade kurvan/funktionen i figur 3. (Dessa kurvor är ej skalenligt ritade varför de skall betraktas som principiella, detta sagt som en parentes).

Resultatet av detta blir att precisionen i mätningen minskar mar- kant, om som i figur 1, trädens centrumläge ändras från t ex Pl till P2. '_ 456 606 Även detta problem kan bemästras genom att man korrigerar mätningen med hjälp av trädens lägesavvikelse från ett normalläge som t ex kan vara Pl i figur l. På detta sätt har dimensionen på tråden även beräknats som funktion av, dvs med hänsynstagande till provobjek- s tets läge t ex centrering relativt givarna.

Ett utmärkt sätt att bestämma trädens läge, är att utnyttja givarna så som beskrivs i det svenska patentet 8101284-1, varigenom givaren kan användas för att både mäta trädens dimension och dess läge, men då utgående från två principiellt olika anordningar/principer.

Inget hindrar heller att man samtidigt använder samma givare för t ex sprickdetektering varvid tillämpningen blir mer heltäckande och sofistikerad till sin natur.

Aktuell uppfinning inkluderar givetvis alla i denna beskrivning omnämnda exemplen inkl kombinationer av dessa.

En ytterligare mätteknisk komplikation inträffar om provobjektet, i detta exempel tråden, innehåller ytsprickor, eller andra defekter.

I figur 2 har som exempel en ytspricka (5) ritats in. Denna yt- spricka stör utbredningen på de på provobjektets yta inducerade virvelströmmarna, vilket i sin tur uppfattas av ytgivarspolen som en impedansförändring. Denna impedansändring kan beskrivas som en vektor, v g se t ex patenthandling 8302738-3, vars riktning oftast i stort sammanfaller med avstàndsriktningen, LO, i givarens ímpedansplan. Härigenom kan givaren fås att tro att provobjektets yta befinner sig längre bort än vad som är det verkliga fallet.

Konsekvensen blir att dimensionsberäkningen störs av sprickan och oftast blir felaktig.

För att komma tillrätta även med detta problem kan man tillgripa s k vektortransformationsteknik baserad på användandet av flera bärfrekvenser. I den svenska patenthandlingen 8700359-6 beskrivs hur en för'detta ändamål utmärkt transformationsanordning kan utformas och användas.

Med hjälp av denna vektortransformation kan man alltså separera bort de variabler/parametrar som stör t ex dimensionsmätningen och därigenom undvika att felaktiga dimensionsvärden presenteras. 456 606 = s Ett annat närbesläktat problem är temperaturpåverkan av olika slag på mätningen. När temperaturen varierar efter kompenseringen änd- ras t ex givarlindningarnas inre resistans, liksom den från det metalliska givarhöljet övertransformerade resistansen. Dessa resi- stansändringar förorsakar olika typer av störande driftef.

Ett sätt att undvika dessa drifter är att temperaturreglera kyl- vattnet till givarna, ett annat är att korrigera mätvärdena utifrân uppmätt temperaturändring. På liknande sätt kan oönskade mäteffek- ter förorsakade av varierande temperatur m m hos provobjektet undertryckas.

Som exempel kan en varierande legeringssammansättning i provobjek- tet ge liknande effekter som en temperaturvariation pga att bägge orsakerna påverkar provobjektets elektriska ledningsförmåga.

Eftersom man oftast känner den aktuella legeringssammansättningen och kan mäta trädens temperatur har man tillgång till de signaler som krävs för att korrigera beräkningsfunktionerna för storhet.

Uppfinningen är avsedd att tillämpas vid dimensionsmätning på varm valstrâd o dyl där prpvobjektet har en temperatur över dess Curie- temperatur. Materialet är då omagnetiskt.

Genom att välja lämpliga bärfrekvenser m m är dock uppfinningen även väl lämpad för mätning/provning av kalla såväl omagnetiska som magnetiska material.

Likaså kan uppfinningen användas för mätning av storhet t ex nivån pà en stâlsmälta m m.

Om man väljer att direkt utifrån den olinjära funktionen enligt figur 3 beräknar LO-avståndet via t ex en matematisk modell/a1go- ritm, är detta att betrakta som en linjärisering då man ju då arbetar med en typ av funktionsomvandling, baserad på minst en reell eller fiktiv referenspunkt.

Detta innebär att även detta innefattas i uppfinningen.

För att en anordning enligt uppfinningen skall bli rätt kalibrerad är det lämpligt att förse den med automatiska kalibreringshjälp- medel och liknande. _ Genom att t ex tillverka olika referensobjekt eller normaler med 9 456 6Û6 varierande storheter kan man inom ramen för uppfinningen automa- tiskt uppdatera de funktionsomvandlingsrutiner m m som användes vid beräkningen av storhet. Referensobjekten ersätter mao prov- objektet under den automatiska kalibreringsproceduren. Vid mer avancerade kalibreringar användes datorprogram för genomförandet av kalibreringsproceduren.

I det praktiska fallet ändras t ex tråddíametern när slutprodukten ändras. Detta medför att de funktioner som t ex via datorprogram styr korrigeringen/kompensationen av t ex centrumavvikelsepàverkan näste finjusteras. Det kan därför vara aktuellt att ha en mindre serie 'norma1er' av olika diameter och att dessa en och en placeras i mätposition i givaren varefter elektroniken inkl dator lagrar undan aktuella mätvärden. Därefter räknar datorn lämpligen själv fram de funktioner som beskriver de olika variablernas påverkan på mätresultatet dvs storhet, och därur t ex även genererar lämpliga och optimala korrigeringsfunktioner. Det är givetvis även möjligt att via mekaniska arrangemang automatiskt föra in kalibrerings- normaler i givaren vid lämpliga tillfällen.

En kalibreringsnormal kan som exempel bestå av en axel som trapp- format är nedsvarvad så den i axiell led har olika diameter.

Materialet i axeln består lämpligen av ett omagnetiskt stål med samma elektriska egenskaper som provobjektet.

Givararrangemanget enligt figur 1 kan med fördel vara fast monterat t ex i ett ledarrör direkt efter valsstol i ett trådvalsverk.

Pga trädens rörelse rör sig då givarna relativt valstrâden.

Uppfinningen innefattar dock även sådana tillämpningar där givarna roterar eller oscillerar runt provobjektet.

Uppfinningen innefattar även alla tänkbara provobjektsformer.

Speciellt i valsverk kan det vara av stor betydelse att mäta vals- tràdens dimension efter respektive reduktionssteg, för att utifrân informationen om trädens diameter, form m m styra och korrigera valsningsprocessen och dess styrparametrar.

En annan intressant tillämpning för uppfinningen är olika typer av planhetsmätning t ex pà plàtband o dyl. 456 606 10 Som framgått av beskrivningen så här långt finns det en mängd parametrar som på olika sätt påverkar det slutliga mätresultatet av storhet.

För att göra detta något mer överskådligt har figur 7 ritats. Fi- gur 7 är att betrakta som en sammanfattande principiell figur som visar de variabler som vanligen ingår i beräkningen av storhet t ex dimension.

Provobjektet (l) omsluts av givararrangemangets (2) ytgivarspolar, som är anslutna till mätelektroniken (3) som i sin tur är ansluten till beräkningsdelen (4) i vilken storhet (ST) beräknas. I princip kan mätelektronik och beräkningsdel vara samma elektronikenhet.

Från mätelektroniken (3) erhålls t ex följande signaler till beräk- ningsdelen: M1, N st Lift-off-funktionsvärden t ex enligt figur 3 M2, Centrumavvikelse inkl riktning G t ex R El M3, Separeringssignal t ex spricka alt diameter M4, Givarläge t ex LO-position mao A Övriga signaler till berâkningsdelen (4) är t ex: Pl, Materialkonstanter t ex nominell diameter, legeríng, resistivitet m m P2, Formkonstanter P3, Givartemperatur t ex kylvattentemperatur P4, Provobjektets temperatur Kl, Processignal, fotocell - framändetràd K2, - “ - , valsningshastighet K3, - “ - , toleransgränser Med hjälp av dessa insignaler beräknas storhet. 456 eos ll Beräkningsenheter (4) kan lämpligen innefatta en mikrodator inkl ev hàrdvarubaserade beräkningsmoduler för snabb beräkning. Genom att kombinera uppfinningen med den i den svenska patenthandlingen 8700472-7 beskrivna anordningen kan med fördel elektronik- (3) och beräkningsdelen (4) vara gemensamma för ett antal givare och/eller givararrangemang.

Några förtydligande exempel.

Med provobjekt avses t ex ämnen, stång, tråd, rör, plåt, flytande metallsmälta etc.

Med givare avses t ex virvelströmsbaserad ytgivare, Hall-element, olika typer av sensorer, etc och kombinationer av dessa.

Med storhet avses t ex dimension, form, läge, profil, temperatur, hastighet, och kombinationer av dessa etc.

Storhet är mao ett víttomspännande begrepp.

Med bärfrekvens avses t ex frekvensen på aktuell virvelström eller i denna ingående frekvenskomposant.

Med LO avses t ex det-som man normalt kallar lifteoff. Exempel på detta framgår av t ex de svenska patenthandlignarna 8400698-0 och 8400861-4.

I övrigt hänvisas till den terminologi med tillhörande beskrivningar som ingår i de i denna beskrivning anförda patenten och patenthand- lingar.

Uppfinningen kan varieras och tillämpas på mångahanda sätt inom ramen för efterföljande patentkrav.

När givaren rör sig avses t ex relativrörelse.

Claims (10)

456 606 '12 _ , PATENTKRAV

1. Anordning för mätning och/eller provning t ex detektering, av prov- objekt (1) t ex valstrâd, med avseende på dimension och/eller form, inne- fattande minst en givare (2) som rör sig på/över t ex längs, provobjekt- ets yta eller del därav, och som via tillhörande elektronik (3) genere- rar och/eller beräknar signaler och/eller mätvärden, som direkt eller indirekt representerar avståndet (LO) mellan givare och provobjektets yta eller del därav, k ä n n e t e c k n a d därav att dessa signal- er och/eller mätvärden, helt eller delvis, och direkt eller indirekt, mätes och/eller beräknas, med hjälp av i/på provobjektet inducerade strömmar t ex virvelströmmar, och att dimension och/eller form, helt eller delvis, automatiskt mätes och/eller beräknas som funktion av minst två av dessa t ex momentant, uppmätta och/eller beräknade signal- er och/eller mätvärden.

2. Anordning enligt föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att signaler_och/eller mätvärden som representerar avstånd (LO) mellan givare och provobjekt, mätes och/eller beräknas utifrân minst ett referensavstånd och/eller referensläge t ex i rummet fix referens- position/punkt som då kan betraktas som tillhörande givaren.

3. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att via givare, direkt eller indirekt, erhållna signaler och/eller mätvärden, behandlas t_ex linjäriseras, funktionsomvandlas etc, så att avståndsinformationen t ex mätvärdet V är i stort proportionellt mot avståndet LO inom givarens L0-arbets- omrâde t ex så att V = LO x k , där k är en konstant.

4. Anordning enligt något eller nâgra av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att s k vektortransformation t ex ba- serad på användandet av minst två bärfrekvenser, användes för separer- ing och/eller undertryckning av påverkan från störande variablerlstor- heter som t ex ytsprickor. °

5. S. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a db därav att mätning och/eller beräkning av stor- het även sker som-funktion av provobjektets läge t ex centrering rela- tivt givarna/givararrangemanget vid respektive mättillfälle. lï» 12 456 606

6. Anordning enligt något eller nâgra av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n avd därav att storhet mätas och/eller beräknas med hjälp av signaler, helt eller delvis, härrörande från minst två vid provobjektet t ek runt valstråd, i stort diametralt belägna givare.

7. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att temperaturkompensering och/eller konstanttemperaturhållning sker med avseende på minst en av följande punkter/variabler, - givarlindnings temperaturvariation/-beroende, - givarhöljets - ” - - " - . - provobjektets - " - - “ - .

8. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att givarnas avstånd (LO) till prov- objektets yta kan ändras via t ex av fotocell styrd, automatik t ex så att valstrådens grövre framände kan passera igenom givararrangemanget varefter givarna omgående återgår till normalläge för dimensionsmätning.

9. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n e t e c k n a d därav att beräkning av storhet sker med hjälp av programmerbar elektronik t ex dator.

10. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav k ä n n ett e c k n a d därav att anordningen ingår i och/eller an- vändes i kombination med annan mät- och/eller kontrollanordning-