SE504541C2 - Förfarande och anordning för induktiv mätning av fysikaliska storheter hos ett objekt av metalliskt material jämte användning av förfarandet och anordningen - Google Patents

Description

iso4 541 2 10 15 20 25 30 35 Den utvärderingsteknik som används kan i korthet beskrivas på följande sätt. Ett magnetiserande fält alstras med hjälp av en drivspole som kan matas med växelström eller en pulsad bipolär eller enkelriktad likström.

Genom utvärdering av den hos en mätspole inducerade aperiodiska spänningssignalen som uppstår i samband med det avklingande magnet- fältet kan avståndet mellan mätspolen och det elektriskt ledande mate- rialet bestämmas såväl som tjocklek och elektrisk ledningsförmåga hos materialet. Storheterna kan i huvudsak bestämmas genom samplad mät- ning, dvs att dela mätningen i olika tidsluckor. Avståndet mellan spolen och materialet bestäms huvudsakligen av storleken på den inducerade spänningen i en tidslucka omedelbart efter det att magnetfältet stängts av.

I det flesta tillämpningar fungerar de kända mätmetoderna tillfredsstäl- lande. Problem uppstår emellertid då mätföremålet är upplagt mellan två kontaktytor så att en sluten elektrisk krets bildas. Då strömmen i drivspo- len bryts uppstår ett avklingande magnetfält som i mätobjektet inducerar virvelströmmar, vilka på ett för mätobjektet karaktäristiskt sätt påverkar det avklingande magnetfältet. Avklingningsförloppet avkänns med mät- spolen, i vilken magnetfältet inducerar en spänning, ur vilken de sökta storheterna kan analyseras. Samma magnetfält inducerar emellertid även en ström i ovannämnda strömkrets. Strömmen i denna elektriska krets orsakar i sin tur ett magnetfält som motverkar det avklingande magnet- fältet och således tillför ett fel i den inducerade spänningen i mätspolen.

Genom analys av enbart spänningen i mätspolen kan den informations- bärande signalen inte särskiljas från den störande signalen. Detta kan leda till stora fel hos de storheter som skall bestämmas. Problemet accentueras då kontaktytorna är belägna nära mätspolen så att den yttre slutna elektriska kretsen tätt omsluter mätområdet.

Hos ett valsämne under bearbetning står ämnet i kontinuerlig kontakt med valsarna, vilka i sin tur är förbundna med varandra via bärande balksystem eller jord. En yttre sluten elektrisk krets uppkommer på detta sätt, varvid valsämnet utgör en av ledarna i kretsen. Vid tillämpning av den kända mätmetoden kan därvid stora fel erhållas vid bestämning av exempelvis tjockleken hos valsämnet. lO 15 20 25 30 35 3 504 5 41 REDoGöRELsE FÖR UPPPINNNGEN Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma ett mätförfarande och en mätanordning för bestämning av fysikaliska storheter hos ett metalliskt föremål upplagt mellan två upplag så att en sluten elektrisk krets bildas, varvid ovan nämnda olägenheter elimineras eller i vart fall reduceras.

Detta åstadkommes enligt uppfinningen av att en fältmätspole införes utanför mätområdet men omsluten av den slutna elektriska kretsen, så att det av strömmen i den slutna kretsen orsakade magnetfältet kan bestäm- mas separat och användas för att öka noggrannheten vid mätningen av de sökta storheterna.

Uppfinningen är baserad på känd induktiv mätteknik såsom den är beskriven i exempelvis ovan nämnda patentskrifter. Man utgår således från en eller flera spolar som genererar ett tidsvarierande magnetiskt fält och som mäter mätobjektets induktiva inverkan på magnetfältet i ett mätområde, samt signalbehandlingskretsar som omvandlar mätobjektets induktiva inverkan till eftersökt storhet. Vid valsning av ett metalliskt material där valsämnet är upplagt på två valsar på ömse sidor om mät- området bildas kring mätområdet en sluten elektrisk krets med valsämnet som en del av kretsen. Den i den slutna kretsen av det tidsvarierande magnetfältet inducerade strömmen kan därvid mätas med en fältmät- spole. För att inte påverkas av mätobjektets magnetiska egenskaper måste fältmätspolen placeras på avstånd från mätobjektet men omsluten av den slutna elektriska kretsen. Genom analys av spänningen i fältmätspolen kan storleken på det av strömmen i den slutna kretsen genererade magnetfältet bestämmas och dess inverkan på mätningen elimineras.

En bearbetad signal från fältmätspolen används för att motverka inverkan av det magnetiska störfältet på den primära mätningen. Företrädesvis används härför en mikrodator. Ofta står den i fältmätspolen inducerade spänningen i direkt proportion till det störande magnetfältets inverkan på spänningen i mätspolen och kan, efter lämplig förstärkning, direkt tillfö- ras signalbehandlingskretsarna. I de fall den elektriska krets som enligt ovan utgörs av mätobjektet och de båda valsarna i kontakt med mätobjek- tet är geometriskt konstant och resistansen i kontaktytorna mellan metall- delarna och mätobjektet likaledes är konstant under mätförloppet, är det tillräckligt att mäta strömmen i kretsen endast vid ett tillfälle. 504 541 4 10 15 20 25 30 35 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade figurer, där figur 1 visar en del av ett valsverk med en mätanordning enligt uppfin- ningen, figur 2 visar ett principschema för mätning och Signalbehandling enligt uppfinningen, figur 3 visar ett principschema för en kantlägesmätare med tillfogad enhet för eliminering av inverkan från ett yttre störande magnetfält, och figur 4 visar ett exempel på en mätsituation där störinverkan genereras av en elektrisk krets med konstanta elektriska egenskaper.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Det i figur 1 visade valsverket innefattar ett valsämne 1, som i förevaran- de fall har formen av en plåt, vilken är upplagd mellan en första vals 2 och en andra vals 3. Båda valsarna är lagrade i var sitt lagerfäste 7, vilka är förbundna vid ett i figuren endast delvis visat fundament 8. Mellan val- sarna och strax under plåten är placerad en induktiv mätanordning 4. Om- sluten av första valsen, plåten, andra valsen och fundamentet är anordnad en fältmätspole 5, vilken är placerad så att dess inducerade mätspänning inte påverkas av det genom plåten 1 eller mätanordningen 4 genererade magnetfältet.

Mätningen går så till att en i mätanordningen innefattad drivspole genere- rar ett magnetfält som inducerar virvelströmmar i plåten 1. Då strömmen i drivspolen bryts avklingar det genererade magnetfältet, varvid i plåten ånyo induceras virvelströmmar, vilka genererar ett sekundärt magnetfält som ger information om de sökta storheterna i mätobjektet. Avkling- 10 15 20 25 30 35 s 504 541 ningsförloppet detekteras med en i mätanordningen innefattad mätspole, ivilken induceras en spänning från det avklingande magnetfältet. Genom analys av det stationära och det avklingande magnetfältet kan fysikaliska storheter såsom exempelvis avstånd mellan mätspole och plåt, plåtens täckningsgrad över mätspolen och plåtens tjocklek bestämmas.

Vid valsverk kan såsom i figur 1 uppkomma en sluten elektrisk krets ge- nom att valsämnet 1, den första valsen 2 och dess lagerfäste, fundamentet 8 samt den andra valsen 3 och dess lagerfäste, som alla är elektriskt ledan- de, står i förbindelse med varandra. Då det pålagda primära magnetfältet avklingar induceras i mätobjektet virvelströmmar, som genererar ett sekundärt magnetfält som innehåller information om mätobjektet. Sam- tidigt induceras emellertid av det avklingande magnetfältet även en ström 6, visad med streckprikade linjer i figur 1, i den ovan beskrivna slutna kretsen. Strömmen 6, som vid korta avstånd mellan de i kretsen ingående delarna kan bli betydande, genererar ett tertiärt magnetfält, som motverkar de informationsbärande primära och sekundära magnetfälten. Den i mät- spolen inducerade spänningen blir därvid resultatet av avklingningen hos samtliga tre magnetfält och är således störd av det tertiära magnetfältet. En analys av enbart signalen i mätspolen kan därför ge stora fel i bestäm- ningen av de sökta storheterna. Detta är en av anledningarna till att man under lång tid har utfört mätningar med induktiva mätsystem men ibland fått så stora fel att metoden ansetts otillfredsställande.

Genom att placera fältmätspolen 5 så att den avkänner det tertiära magnet- fältet men inte påverkas av de primära eller sekundära magnetfälten kan en korrigerande signal tillföras mätanordningen. Fältmätspolen 5 placeras i mätområdets utkant, men innanför den slutna krets, i vilken strömmen 6 induceras. Den i fältmätspolen inducerade tidsvarierande spänningen utgör ett värde på storleken av det fel som det tertiära magnetfältet orsakar vid bestämningen av de sökta storheterna.

I figur 2 visas en principskiss för en anordning för mätning och signalbe- handling enligt uppfinningen. Figuren avser att visa ett tvärsnitt av ett långsträckt mätobjekt 1, exempelvis en stång, mot vilken beröringsfritt är anordnad en spole 4. Det förutsätts att på vardera sida om mätområdet, dvs i ett plan över respektive under figuren, finns en maskindel i kontakt med objektet och att dessa båda maskindelar är elektriskt sammanslutna 504 541 6 10 15 20 25 30 35 med en elektrisk ledare 9 utanför mätområdet, så att en sluten elektrisk krets bildas. För att mäta avståndet mellan spolen 4 och mätobjektet 1 och/ eller mätobjektets elektriska resistivitet matas spolen 4 med en tids- varierande ström från en drivkrets 10. Strömmen ger upphov till ett tidsvarierat magnetiskt fält, vilket kan avkännas i spelen 4 under tids- perioder då spolen inte används för att generera magnetfältet. Den av det avklingande magnetfältet i den slutna kretsen inducerade strömmen 6 avkännes med en fältmätspole 5. Denna är placerad så att den ej avkänner objektets normala, ostörda, inverkan på magnetfältet men väl det av strömmen 6 genererade störande magnetfältets inverkan på det ostörda magnetfältet. Spänningssignalerna från spolen 4 och från fältmätspolen 5 subtraheras i en differentialförstärkare 11. Den ur förstärkaren utgående signalen är därmed kompenserad för det störande magnetfältet och de korrekta fysikaliska storhetena kan bestämmas i en behandlingsenhet 12.

I figur 3 visas hur uppfinningen kan användas vid kantlägesmäming av plåt enligt US 5270646. Här utnyttjas signaler från tre spolar att uttrycka avstånd, läge XM; och lutning hos ett mätobjekt M. Metoden är emellertid mycket känslig för störningar från yttre magnetfält och vid valsverk upp- kommer ofta påtagliga fel på grund av ett magnetiskt störfält som orsakas av en yttre elektrisk krets. Tre spolar L], Lz och L3 matas med ström från tre drivkretsar 13, 14 och 15, vars kraftförsörjning styrs av en styrkrets 16 via ett relä 17, så att ett tidsvarierat magnetiskt fält alstras kring mätobjek- tet. Då mätningen upphör avklingar magnetfältet och inducerar i spolarna Ll, Lz och L3, som nu används som mätspolar, en spänning som är propor- tionell mot avklingningsförloppet. Spänningarna i spolarna LI, Lz och L3 jämföres med referensvärden från tre referensspolar Lm, LR; och LR3, vil- ka är monterade i en separat enhet 32, och förstärks i var sin förstärkare 21, 22 och 23. Ett magnetiskt störfält från en yttre strömslinga påverkar endast den yttersta spolen L3_ För att reducera inverkan av detta störfält har ytter- ligare en fältavkännade spole L4 placerats utanför det område som berörs av de förändringar i magnetfältet som plåten ger upphov till. Signalen från spolen L4 förstärks i en förstärkare 18 och integreras i en integrator 19.

Signalema från de fyra förstärkarna 21, 22 och 23 integreras i tre par inte- gratorer 24, 25, 26, 27, 28 och 29. Samtliga integratorer styrs av styrkretsen 16 så att integrationen kan ske i tidsluckor, varvid intergratorerna 24, 26 och 28 integrerar signalen under en första tidslucka och övriga under en andra tidslucka. 10 15 20 25 30 35 7 504 541 Den från den yttre mätspolen L3 under den första tidsluckan integrerade signalen, som erhålls från integratorn 24, justeras för fel orsakat av det magnetiska störfältet, mätt med spole L4, vars signal erhålls från inte- gratorn 19, genom subtraktion i en differansförstärkare 20. Signalen från differensförstärkaren 20 och signalerna från integratorerna 25, 26, 27, 28 och 29 omvandlas från analog till digital form i en AD-omvandlare 30 och behandlas i en mikroprocessor 31 enligt den kända metoden. Subtrak- tionen i den differentiella förstärkaren 20 kan, med samma slutresultat, istället göras i mikroprocessorn. Därvid utgår den differentiella förstär- karen 20 och signalen från integratorn 19 omvandlas till digital form i en separat AD-kanal, varefter subtraktion sker i mikroprocessorn 31.

Normalt är det tillräckligt att justera signalvärden, med hänsyn till störfält från yttre strömslinga, under en första tidslucka. Vid mätning på tunn plåt kan dock störning även under en andra tidslucka vara av betydelse för mätresultatets riktighet. Därvid kan på samma sätt som visas i figur 3 en kanal för kompensation av den integrerade signalen från integratorn 10 tillfogas.

Figur 4 visar ett exempel där störinverkan genereras av en elektrisk krets med konstanta elektriska egenskaper. I många fall i industriella processer där material såsom plåt, stång, rör och liknade produkter tillverkas anlig- ger maskindelar i närheten av mätområdet med högt tryck mot materialet.

Maskindelarna kan vara valsar för deformation av materialet, rullar för riktning av materialet eller andra liknade maskinelement. I sådana fall blir den enligt tidigare bildade elektriska kretsen elektriskt konstant så länge mätobjektet ligger stilla i förhållande till den induktiva mätningen.

Ifigur 4 visas mätning vid kanten av en horisontell plåt 1 i en plan vy. Ett magnetiskt fält genereras i mätorrirådet medelst en spole 4 genom mat- ning av en tidsvarierande ström över spolens anslutning 35. Spolen 4 är i detta fall rektangulär och den andel av spolens yta som ej är täckt av plåt är betecknad dx. Över anslutningen 35 mäts det avklingande magnetfältet i mätområdet. Maskindelar, till exempel valsar, är i kontinuerlig kontakt med den horisontella plåten 1 utefter de i figuren streckmarkerade lin- jerna 2 och 3. Kontaktresistansen utefter dessa linjer är i huvudsak kon- stant. En sluten elektrisk krets uppkommer via en elektrisk kontaktväg 9, som kan utgöras av ett fundament. En fältmätspole 5 utanför mätområdet, 504 541 s 10 15 20 25 30 35 men innanför den slutna kretsen lämnar via en anslutning 36 en signal, som används för reducering av störfältets inverkan.

Den elektriska strömslingan beskriven i figur 4 är konstant. Detta gör det möjligt att använda ett enklare mätförfarande än det tidigare beskrivna.

Mätningen av det störande magnetfältet utföres därvid under en tids- period som föregår den kontinuerliga mätningen under själva processen.

Med fältmätspolen 5 mäts det magnetiska störfältet med plåten i olika lägen över spolen. Ur denna mätning erhålls ett värde på det störande magnetfältes inverkan som funktion av plåtkantens läge. Detta värde skall reduceras från mätvärdet vid den efterföljande processmätningen. Denna operation kan exempelvis göras i den analysenhet som omvandlar signal- amplitud till läge hos plåtkanten. En sådan analysenhet kan utgöras av en mikrodator. Fältmätspolen 5 kan efter mätningen av störfältets inverkan demonteras. Den uppmätta reduceringen gäller så länge den väg 6 som definierar den yttre elektriska kretsen ej ändras, exempelvis genom om- byggnad av maskinen kring mätområdet.

I det fall som visas i figur 4 är störfältets storlek direkt beroende av den del av spolens yta som ej är täckt av plåt. Detta medför att en uppmätning av störfältets storlek endast behöver göras vid ett bestämt plåtläge. Därefter kan varje störfält vid andra plåtlägen beräknas, eftersom täckningsgraden står i direkt proportion till det erhållna mätvärdet vid det bestämda plåt- läget. Alternativt kan störfältets inverkan bestämmas såsom ett värde på det fel av läget hos plåtens kant som uppmäts vid en viss täckningsgrad.

Genom att fel vid andra kantlägen står i direkt proportion till det upp- mätta felet kan varje annat fel beräknas. Denna typ av beräkningar görs lämpligen i en i mätsystemet innefattad mikrodator. I det fall spolen ej är rektangulär görs beräkningen i proportion till den yta av spolen som ej är täckt av plåt i förhållande till spolens hela yta.

Normalt placeras den störfältsavkännade fältmätspolen 5 utanför mät- området. I praktiken innebär detta att den är innefattad i mätanordningen och placerad så att avståndet till närmaste mätspole är lika med eller större än diametern hos mätspolen. I vissa fall, till exempel då mätutrymmet är begränsat, kan det vara svårt att praktiskt åstadkomma en sådan placering.

I sådana fall kan fältmätspolen placeras närmare mätspolen, men kommer därvid att påverkas av det ovan nämnda sekundära magnetfältet, vilket är 10 15 20 9 504 541 beroende av plåtens kantläge dx. Från mätspolen erhålls, efter signalbe- handling, en signal som i första hand är beroende av plåtkantens läge dx men i mindre grad även av det av den slutna kretsen alstrade magnetiska störfältet. Från fältmätspolen 5 erhålls, efter Signalbehandling, en signal som i första hand är beroende av störfältet men i mindre grad av plåtkan- tens läge. Genom uppmätning av mätspolens och fältmätspolens signaler vid olika lägen hos plåtkanten kan störfältets inverkan på signalerna från de båda spolarna anges i tabeller eller matematiska relationer ur vilka reduceringen av störfältets inverka på kantmätningen kan beräknas. En sådan beräkning utförs företrädesvis av en till mätsystemet ansluten mikrodator.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad att appliceras i samband med valsverk, eller kantlägesmätare utan kan användas i samband med all induktiv mätning när problem med ett inducerat störfält i en yttre krets föreligger. Den kan således tillämpas även vid induktiv avstånds- och dimensionsmätning, vid mätning av elektrisk resistivitet och vid mätning av plåttjocklek. Förutsättningen är då att störfältet mätes på samma sätt som den primära mätningen av eftersökt storhet.

Uppfinningen är inte begränsad till mätning enbart med pulserade mag- netiska fält, utan gäller även för andra typer av tidsvarierande magnetfält.

Claims (3)

1. 5 Û 4 5 4 1 1o PATENTKRAV l. Förfarande vid induktiv mätning av fysikaliska storheter hos ett objekt (1) av metalliskt material, varvid i ett mätområde genereras ett från en drivspole (4) alstrat tidsvarierande magnetfält, vilket i objektet indu- cerar virvelströmmar som påverkar det tidsvarierande magnetfältet, vil- ket detekteras av en mätspole (4), ur vilken erhålls en signal som bär på information om de sökta storheterna, k än n eteckn at av att en fält- mätspole (5) införes utanför mätområdet men omsluten av en vid mät- området uppkommen elektrisk krets, så att fältmätspolen avkänner en i den elektriska kretsen av det tidsvarierande magnetfältet inducerad ström (6), vilken genom alstrande av ett störande magnetfält som påverkar det tidsvarierande magnetfältet tillför ett fel i den av mätspolen detekterade signalen, varvid fältmätspolens utsignal anordnas att kompensera mät- spolens utsignal så att det av strömmen i den elektriska kretsen orsakade felet elimineras.

2. Anordning för induktiv mätning av fysikaliska storheter hos ett objekt (1) av metalliskt material, innefattande en drivspole (4), vilken alstrar ett tidsvarierande magnetfält som inducerar virvelströmmar i objektet, och en mätspole (4), vilken detekterar det av virvelströmmarna påverkade tidsvarierande magnetfältet, varvid mätspolens (4) utsignal bär på information om de sökta storheterna, k än n e t e ckn a d av att anord- ningen innefattar en fältmätspole (5), vilken är placerad utanför mätom- rådet men omsluten av en vid mätområdet uppkommen elektrisk krets, så att fältmätspolen avkänner en i den elektriska kretsen av det tidsvarie- rande magnetfältet inducerad ström (6), vilken genom alstrande av ett störande magnetfält som påverkar det tidsvarierande magnetfältet tillför ett fel i den av mätspolen detekterade signalen, varvid fältmätspolens signal är anordnad att kompensera mätspolens signal för eliminering av det av strömmen i den elektriska kretsen orsakade felet.

3. Användning av ett förfarande eller en anordning enligt något av föregående patentkrav vid valsverk.