SE505763C2 - Induktiv anordning för bestämning av mått och läge hos mätobjekt av elektriskt ledande material - Google Patents

Description

20 25 30 35 505 763 2 Miljön i många tillverkningsprocesser, med framför allt nedsmutsning och ofta höga temperaturer, försämrar tillför- litligheten och noggrannheten hos sådan utrustning.

Det är tidigare känt att mäta mått och läge hos ett elekt- riskt ledande mätobjekt med induktiva metoder. Man använder då en sändarspole som alstrar ett tidsvarierande magnetfält som inducerar strömmar i det ledande mätobjektet. Dessa strömmar alstrar ett magnetfält som i sin tur i en mottagar- spole inducerar en spänning som bl a är beroende av mät- objektets form, ledningsförmàga, magnetisk permeabilitet och de geometriska förhållandena. Ur denna spänning kan under vissa villkor geometriska mått som avstånd och läge hos objektet beräknas. För alstringen av ett tidsvarierande magnetfält kan sinusformade strömmar i sändarspolen använ- såsom beskrivs i US 4475083, ström som plötsligt bryts, såsom beskrives i US 5059902, das, eller så kan en konstant användas. Den sistnämnda metoden är mättekniskt robustare och underlättar separering av olika egenskaper hos mät- objektet. Ett problem med dessa mätanordningar är dock att bestämma måtten hos mätobjektet då dess position ändras.

I US 5270646 visas ett sätt att arrangera spolar så att mät- ning av bredd hos en plåt kan åstadkommas. Tekniken kan dock endast användas för plåt med relativt begränsad tjocklek.

Vidare förutsätts för korrekt funktion att plåtkanten i huvudsak är plan. För många tillämpningar är noggrannheten ej tillräcklig, främst vid stora avstånd mellan plåt och mätspolar, beroende pà svårigheter att korrekt kompensera för avstàndsvariationer.

Gemensamt för kända anordningar för induktiv mätning av avstånd, tjocklek och därur härledda mått på elektriskt ledande föremål är, att sändar- och mottagarspole är anord- nade med samma symmetriaxel eller befinner sig på var sin sida av mätobjektet. Det förekommer även användning av samma spole som sändar- och mottagarspole. Det av sändarspolen 10 15 20 25 30 35 505 763 3 alstrade magnetfältet blir då huvudsakligen vinkelrätt mot mätobjektets yta i mätpunkten eller har åtminstone en stor komponent mot mätobjektets yta. Detta leder till att ström- mar och magnetfält från olika djup in i mätobjektet bidrar till mätsignalen som således blir både materialberoende och beronde av mätobjektets tjocklek och form i ett relativt stort område runt det stället där man vill mäta.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen består av en U-formad konstruktion, nedan omtalad som en "U-givare" med två skänklar och en mellan dessa sammanhàllande del. Vid mätning placeras mätobjektet i möjligaste mán centralt i U-givarens inre öppning. Mätprin- cipen baseras pà att åtminstone en sändarspole och en mot- tagarspole är fixerade i U-givaren. Dessa skall placeras i förhållande till varandra pá ett sådant sätt att det av sän- darspolen alstrade magnetfältet huvudsakligen är parallellt med mätobjektets yta vid ett tilltänkt mätområde. Mottagar- spolen skall placeras så att en tänkt fältlinje som härrör från sändarspolen tangerar mätområdet i en mätpunkt och att fältlinjen i sin förlängning när mottagarspolen. Detta uppnås genom en i huvudsak symmetrisk placering av spolarna i förhållande till den aktuella mätpunkten och där sändar- spolen, mätpunkten och mottagarspolen i möjligaste mån lig- ger pà en och samma cirkelbåge och där cirkelbågen relativt mätområdet är krökt utåt.

Ett fördelaktigt sätt att mata en sändarspole beskrivs i US 5059902. Där beskrivs matning med en konstant ström som har tillräcklig varaktighet för att magnetfältet ska kunna anses som kvasistatiskt.

Den inducerade spänningen i mottagarspolen som funktion av tiden efter det att den konstanta strömmen i sändarspolen har brutits, vid en tidpunkt tl, består dels av 10 15 20 25 30 35 505 763 4 - en kortvarig och fram till en tidpunkt t2 snabbt avtagande spänningspuls S1 som induceras av det snabbt minskande magnetfältet i luften mellan spolarna och mätobjektet och - en från tidpunkten t2 betydligt långsammare avtagande spänningspuls S2 som hänför sig till magnetfältet inom mätobjektet som avtar långsamt på grund av skineffekten.

Med utgångspunkt från ovan anförda symmetriska placering av spolarna relativt mätomràdet och spolarnas och mätpunktens belägenhet på samma ovan nämda cirkelbàge, kan mätomràdets läge på en förlängd linje mellan cirkelbàgens centrum och mätpunkten bestämmas. Läget eller avståndet från en fast referenspunkt på linjen, exempelvis cirkelbâgens centrum, bestäms som en linearkombination av integralen av spännings- pulsen S1 mellan tl och t2 och integralen av spänningspulsen S2 mellan t2 och t3, där t3 bestäms enligt nedan: M=a-ïS1-dt+b-ïS2-dt tl :2 Tidpunkten t3 väljes företrädesvis så att t3-t2 är av samma storleksordning som tidsskillnaden t2-tl och där koeffi- cienterna a och b väljs efter kalibrering med mätobjekt tillverkade av material med olika elektrisk ledningsförmâga så att skillnaden i M mellan materialen blir så liten som möjligt. Om tidsdifferensen t3-t2 väljs lika med 2(t2-tl) så blir i huvudsak a och b lika stora och en kalibrering enligt ovan behöver ej göras.

För att kunna mäta flera olika mått på mätobjektet, exempel- vis höjd och bredd, placeras flera samhörande sändar- och mottagarspolar enligt uppfinningen runt mätobjektet. Sändar- spelarnas matningsström bryts då normalt vid olika tidpunkt- er för att inte påverka varandra.

En fördel med en givare enligt uppfinningen är att den inte är speciellt känslig för avvikelser från den centrala place- 10 15 20 25 30 35 505 763 5 ringen av mätobjektet enligt ovan. Detta innebär att givaren ger relevanta mått på ändring av mätområdets läge om änd- ringen är mindre än 10-30 % av avståndet mellan mätomràdet och någon av spolarna.

RITNINGSFÖRTI-:CKNING Fig. 1 visar en föredragen utföringsform av en “U-givare" enligt uppfinningen.

Pig. 2 visar den i en mottagarspole inducerade spänningen då sändarspolens matningsström bryts.

Fig. 3 och 4 visar alternativa utföringsformer av U-givaren.

Fig. 5 visar principiellt de i en anordning enligt uppfinn- ingen ingående enheterna.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER En föredragen utföringsform av en U-givare enligt uppfinn- ingen framgår av Fig. 1 som visar U-givarens två skänklar 1 och 2 samt en mellan dessa sammanhållande del 3. Som omtalat placeras i möjligaste män mätobjektet 4 centralt i U-giva- rens inre öppning och avsikten med den föredragna utförings- formen är att bestämma fyra mått eller avstånd hos mät- objektet relativt givna referenser.

Om man utgår från ett x-y-koordinatsystem centralt placerat i givarens inre öppning, motsvarar två av måtten mät- objektets övre, MÖ, respektive mätobjektets undre, MU, y- koordinater för respektive mätomràde. Pâ motsvarande sätt motsvarar de två andra mätområdena mätobjektets vänstra, MV, respektive mätobjektets högra, MH, x-koordinater. Ur dessa 10 15 20 25 30 35 505 763 6 fyra mått kan mätobjekets läge i öppningen, bredd och höjd beräknas.

För att kunna täcka mätomràdet och bestämma måttet MV måste således samhörande sändarspole 5, som alstrar ett tangen- tiellt fält Sa till mätobjektet, och mottagarspole 6 finnas i skänkeln 1. På motsvarande sätt mäste samhörande sändar- spole 7, som alstrar ett tangentiellt fält 7a till mät- objektet, och mottagarspole 8 för bestämning av MH finnas i skänkeln 2.

För att kunna åstadkomma ett tangentiellt magnetfält 9a till mätobjektet för bestämning av MÖ mäste samhörande sändar- spole 9 finnas i skänkel 1 och mottagarspole 10 i skänkel 2.

Motsvarande gäller för bestämning av MU där sändarspole 11, som alstrar ett tangentiellt fält lla till mätobjektet, och mottagarspole 12 mäste finnas i var sin skänkel.

Det spelar i princip ingen roll vilken av samhörande spolar som fungerar som sändar- eller mottagarspole. Rent praktiskt kan mätningarna av de olika måtten utföras på ett flertal olika sätt. Ett generellt krav är dock att en hel mätsekvens måste utföras pá så kort tid att mätobjektet inte kan anses ha ändrat läge i U-givarens öppning under mätsekvensen. Mät- sekvensen kan vara anordnad så att avkänning av den i mot- tagarspolarna inducerade spänningen sker för varje spole i följd efter varandra. Ett annat sätt inom ramen för uppfinn- ingen är att matningsströmmen för tvà sändarspolar, exempel- vis för bestämning av MÖ och MU, bryts samtidigt, och att mätning den inducerade spänningen i respektive mottagar- spolar sker samtidigt.

Utvärderingen av de olika måtten sker enligt den i redogör- elsen för uppfinningen beskrivna metoden. I Fig. 2 visas den i en mottagarspole inducerade spänningen bestående av spänn- ingspulserna S1 och S2. 10 15 20 25 30 35 505 765 7 Med tillgång till måtten MV och MB enligt Fig. 1, exempelvis baserade på centrum cl för den cirkelbåge 56 som hänför sig till spolarna 5, 6 och mätomràdet MV och centrum c2 för den cirkelbåge 78 som hänför sig till spolarna 7, 8 och MM som referenspunkter, och avståndet A mellan dessa centra, kan mätobjektets bredd D1 bestämmas enligt Dl = A - (MV + MH) Med utgångspunkt från givna referenspunkter för MÖ och MU och avståndet mellan dessa kan på motsvarande sätt även mätobjektets höjd D2 bestämmas.

Mätobjektets sidoläge relativt mittpunkten på linjen mellan de givna referenspunkterna kan således bestämmas till SL = MV - MB och på motsvarande sätt kan även höjdläget HL bestämmas.

Inom ramen för uppfinningen kan ett flertal olika utförings- former vad beträffar antal sändarspolar, mottagarspolar och deras inbördes placering förekomma. Exempel på detta finns redovisat i den samtidigt inlämnade ansökan "Induktiv mätning av mått och läge hos objekt av elektriskt ledande material", SE . . . . . . . ..

Om man önskar få mera information om formen på mätobjektet än det som kan utläsas av U-givaren enligt Fig. l kan en utföringsform enligt Fig. 3 lämpligen komma till användning.

Här har mottagarspolarna 6 och 8 enligt Fig. 1 ersatts av två näraliggande spolar 6a och 6b respektive 8a och 8b placerade pà var sin sida av respektive cirkelbâgar. På motsvarande sätt har mottagarspolarna 10 och 12 ersatts av näraliggande spolar lOa och l0b respektive 12a och l2b.

Spolarnas mittlinjer är huvudsakligen parallella med varandra och parallella med ovan nämnda symmetrilinjer. 10 15 20 25 30 35 505 765 8 Summan av de inducerade spänningarna i mottagarspolarna 6a och Gb ger på samma sätt som mottagarspole 6 enligt Pig. 1 information om måttet MV. På motsvarande sätt ger -summan av de inducerade spänningarna i mottagarspolarna 8a och 8b information om måttet MÖ och -summan av de inducerade spänningarna i mottagerspolarna l0a och l0b information om måttet MH och -summan av de inducerade spänningarna i mottagarspolarna l2a och l2b information om måttet MU.

Fördelen med de delade mottagarspolarna är att man genom att studera förhållandet mellan den inducerade spänningen i mottagarspole 6a och 6b, respektive 8a och 8b, l0a och l0b samt l2a och 12b kan få ett mått på formen hos mätobjektet.

Om mätobjektet har en begränsad excentricitet kan en utför- ingsform enligt Fig. 4 komma till användning. En sändarspole 5 alstrar ett magnetfält som ger fältlinjer parallella med båda mätomrâdena motsvarande måtten MV och MU. Detta innebär att det induceras spänningar i mottagarspole 6 och en mot- tagarspole 13 då matningsströmmen till sändarspolen bryts.

På motsvarande sätt alstrar en sändarspole 14 fältlinjer som är parallella med båda mätomrâdena motsvarande måtten MH och MÖ. Därvid induceras en spänning i samma mottagarspolar 6 och 13 då matningsströmmen i sändarspole 14 bryts.

En mätprocess med en anordning enligt uppfinningen som inne- fattar alstring av matningsström till sändarspolarna, mät- ning och utvärdering av den över mottagarspolarna inducerade spänningen genomförs med konventionella metoder som kan vara analoga, digitala eller en kombination av digital och analog teknik. Exempelvis kan matningströmmens alstring och de inducerade spänningarnas integration genomföras med analog elektronik medan utvärderingen av de integrerade signaler med avseende på mätobjektets mått och läge sker med hjälp av digital teknik i en mikroprocessor. För att en anordning enligt uppfinningen skall fungera krävs således enligt Fig.5 Asos 763 9 principiellt förutom sändar- och mottagarspolar en magneti- seringsenhet (15) för magnetisering av sändarspolen øch en beräkningsenhet (16).

Claims (8)

sus 763 m PATENTKRAV

1. Anordning för bestämning av mått och läge hos ett mätobjekt (l) av elektriskt ledande material innefattande åtminstone ett par samhörande spolar bestående av en sändarspole (5, 7, 9, ll) för alstring av ett tidsvarierande magnetfält vid mätobjektet och en mottagarspole (6, 8, 10, 12) i vilken induceras en spänning betingad av sändarspolens, mottagarspolens och ett mätomràdes (MV, MH, MÖ, MU) hos mätobjektet placering relativt varandra, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen består av en U-formad konstruktion, U-givare, med tvâ skänklar(1,2) och en mellan dessa sammanhàllande del (3), och att sändar- och mottagarspolarna är fixerade i U-givarens skänklar och att mätobjektet är avsett att befinna sig centralt i U - givarens öppning.

2. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att anordnigen innefattar en integrerad magnetiseringsenhet (15) som avger en konstant ström i sändarspolen, med sådan varaktighet att magnetfältet kan betraktas som kvasistationärt, och att det tidsvarierande magnetfältet uppstår då den konstanta strömmen bryts.

3. Anordning för bestämning av mått och läge hos mätobjekt (1) av elektriskt ledande material enligt patenkrav l k ä n n e t e c k n a d av att sändarspolen är så placerad i U - givaren att fältlinjer (Sa, 7a, 9a, lla) alstrade av sändarspolen förlöper parallellt med mätomrádet (MV, MH, MÖ, MU) hos mätobjektet.

4. Anordning för bestämning av mått och läge hos mätobjekt (1) av elektriskt ledande material enligt patenkrav 1 505 763 k ä n n e t e c k n a d av att mottagarspolen hos ett samhörande par av spolar är så placerad i U - givaren att de med mätomràdet förlöpande parallella fältlinjer alstrade av sändarspolen kommer att genomflöda mottagarspolen.

5. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att hos ett samhörande par av spolar är sändarspolen och mottagarspolen anordnade i huvudsak symmetriskt på var sin sida av en symmetrilinje (x, y) vinkelrätt utgående fràn mätomràdet och att sändarspole, mätomráde och mottagarspole huvudsakligen ligger pà en och samma från mätomràdet utàtvänd cirkelbáge (56, 78) med centrum (cl, c2) på symmetrilinjen.

6. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d av att anordnigen innefattar en integrerad beräkningsenhet (16) som har den, i samband med att strömmen i sändarspolen bryts vid en tidpunkt tl, i mottagarspolen inducerade spänningen, bestående av en spänningspuls S1 under en tid tl-t2 och en långsamt avtagande spänningspuls S2 med början vid tiden t2, som insignal, och att beräkningsenheten är anordnad att beräkna ett mått M på mätobjektets läge pá en symmetrilinje (x, y) vinkelrätt mot mätomràdet (5) hos mätobjektet enligt 12 13 M=a-_[s1-m+b-js2-a» 11 :2 där tidpunkten t3 företrädesvis väljs så att tiden t3 - t2 är av samma storleksordning som tiden t2 - tl och där koefficienterna a och b väljs efter kalibrering med mätobjekt tillverkade av material med olik elektrisk ledningsförmåga så att skillnaden i M mellan materialen blir så liten som möjlig. 505 765 '2

7. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen för varje par av samhörande sändar- och mottagarspolar innefattar 2 mottagarspolar (6a och 6b, 8a och 8b, 10a och l0b, 12a och 12b) placerade på var sin sida av tillhörande cirkelbàge och med i huvudsak parallella mittlinjer parallella med symmetrilinjen.

8. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att en sändarspole (S) är placerad så att de fältlinjer som emanerar från sändarspolen kan förlöpa parallellt med mer än ett mätomráde (MV, MU).