SE517293C2 - Förfarande och anordning för induktiv mätning av geometrisk dimension och elektrisk egenskap med motriktade magnetfält - Google Patents

Description

25 30 35 517 293 tjockleken hos plåten och utgör ett primärt mätvärde för tjockleken. Variationer i materialsammansättningen och beläggningar på ytan av materialet påverkar strålnings- absorptionen och minskar därvid noggrannheten hos en sådan utrustning. Vidare kräver strålningen som används i en sådan utrustning att man vidtar hälso- och skyddsåtgärder.

Det är känt att mäta tjockleken hos ett band eller en plåt hos ett elektriskt ledande föremål med elektriska induk- tionsmetoder. En eller flera sändarspolar alstrar ett tidsvarierande magnetfält som kan tränga in i det elek- triskt ledande föremålet och där inducera en ström. Dessa strömmar alstrar i sin tur ett magnetfält som i sin tur inducerar en spänning i en eller flera mottagarspolar och där används den inducerade spänningen, efter någon signal- behandling, som ett mått på tjockleken.

Sådana förfaranden och anordningar bygger ofta på sinus- formigt varierande magnetfält där förändringar i amplitud och förändringar i fas orsakade av föremålet mäts. Båda dessa förändringar påverkas av åtminstone tre parametrar i ett_mätsystem - föremålets position, det elektriska mot- ståndet hos föremålet och tjockleken hos föremålet - och därför blir sådana system, i sin enklaste form, princi- piellt osäkra. Försök har gjorts att lösa detta problem genom att införa mätningar vid olika frekvenser för att - på ett sätt - erhålla ännu flera mätparametrar, men detta har resulterat i att tolkningen av signalen blir avsevärt mer komplicerad och den nödvändiga mätnoggrannheten kan inte uppnås.

Ovannämnda problem har lösts genom att använda ett tids- varierande fält som kännetecknas av att en konstant ström matas till en sändarspole över en viss tidsperiod och såsom beskrivits i US 5059902.

Genom användning av denna teknik mäts en inducerad signal sedan plötsligt stängs av, 10 15 20 25 30 35 517 295 i en mottagarspole under minst tre tidsintervall, en direkt efter strömavstängningen, en direkt efter denna och innan förändringar i magnetfältet har hunnit genomtränga mätföremálet, och slutligen under ett tidsintervall làngt efter strömavstängningen dä förändringar i magnetfältet har hunnit genomtränga mätföremàlet. Med hjälp av àt- minstone dessa tre mätvärden kan föremàlets tjocklek beräknas.

Ovannämnda förfarande har visat sig fungera bra i manga fall, men var och en av dessa tre mätvärden innebär dock en viss grad av osäkerhet. Speciellt när det gäller det tredje mätvärdet eftersom föremàlets hastighet påverkar mätvärdet. Sammantaget betyder detta att noggrannheten i det uppmätta värdet för tjocklek inte alltid är den önskade.

Ett förfarande för att mäta tjockleken pä en plàt visas i US 5 059 902, med hänvisning till figur 14, med hjälp av tvä spolar placerade pà motsatta sidor av plàten. Plåt» tjockleken uppmätts pà detta sätt genom att mäta avståndet mellan en spole respektive yta pà plàten för varje sida under ett tidsintervall som följer omedelbart efter av- stängningen av strömmatningen till spolarna. Skillnaden mellan dessa avstànd spole-till-plàtyta och avstàndet mellan de tvà spolarna är sàledes tjockleken pà plàten.

Under vanliga noggrannhetskrav fungerar denna mätare väl, men med högre krav pä noggrannhet blir de naturliga variationerna i avstànd mellan spolarna, t ex pà grund av temperaturen, ett avsevärt problem som minskar mätarens användbarhet.

Ett sätt att mäta dimensionerna hos stäng och liknande produkter vid tillverkningen har beskrivits i US 6,236,l98 och US 6,l88,2l7. Förfarandena har visat sig användbara för mätning i manga tillverkningsprocesser sàsom t ex 10 15 20 25 30 517 293 varmvalsning, och även här har förfarandena uppvisat begränsningar när kraven pà mätnoggrannhet och stabilitet är mycket höga. Dessa begränsningar uppträder i ett sammanhang där mätnoggrannheten för dessa typer av anordningar bestäms av positioneringnoggrannheten för spolar i anordningen och den därav följande känsligheten för rörelse hos anordningen.

BESKRIVNING AV UPPF INNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att àstadkomma ett förfarande och en anordning för induktiv mätning med hög noggrannhet av fysiska dimensioner sàsom diametern eller tjockleken hos ett elektriskt ledande föremål utan inflytande fràn andra varierande parametrar sàsom före- màlets läge och materialparametrarna för föremålet. För att i praktiken àstadkomma mätning med hög noggrannhet enligt ovan är det en förutsättning att mätvärdet är direkt enkelt beroende av föremälets dimensioner. Vidare utförs mätningen utan pàverkan fràn annat material i närheten av föremålet, sàsom vatten, olja och ytbelägg- ningar. Den geometriska dimensionen àsyftas i en speciell förutbestämd riktning. Sälunda omnämns t ex tjockleken hos en plan plät som en geometrisk dimension vinkelrätt mot plätens plan, och en stängs diameter som en geometrisk dimension vinkelrätt mot stàngens längdaxel.

Detta ästadkoms enligt föreliggande uppfinning med hjälp av ändamålsenligt utformade spolar, sändarspolar, matade med en huvudsakligen konstant ström som alstrar ett mag- netfält i föremàlet. Ett viktigt särdrag i föreliggande uppfinning är att fältet är riktat sà att det har en som i allmänhet är medelkomponent, summan av fältet, vinkelrät mot den önskade mätriktningen. Efter en tid 10 15 20 25 30 35 517 293 tillräckligt lång för att fältet skall ha stabiliserats stängs strömmatningen till spolen av.

På liknande sätt sàsom beskrivits i US 5 059 902 påbörjas mätningen en tid efter det att strömmatningen har stängts av. I US 5 059 902 startas emellertid mätningen direkt vid den tid då strömmatningen stängs av. I föreliggande upp- finning bestäms den starttid efter vilken mätningen på- börjas av den tid det tar för fältet utanför föremålet att avklinga. Efter att fältet utanför föremålet har avklingat påbörjas mätförloppet och integreringen av signalen som utförs under en tid det tar för fältet i mätområdet, fältet som beror pà fältet i föremålets material, att avklinga. En mätsignal som är en integral baserad på en spänning pä grund av avklingning av fältet i föremàlets material utgör grunden för att fastställa en dimension hos föremålet. Såsom vidare beskrivs nedan kan tidsperioden efter avklingningen av fältet utanför föremålet senare delas upp i två tidsintervall fràn vilka mätsignaler mottas vilka tillsammans bildar grunden för fastställande av en dimension hos ett föremål oberoende av andra parametrar.

I det fall att en plåts tjocklek är den önskade geome- triska dimensionen kan en önskvärd utformning av magnet- fältet åstadkommas enligt uppfinningen genom att posi- tionera liknande spolar, sändarspolar, en pà varje sida av plåten pà samma avstånd från plåten och belägna mitt emot varandra med hänsyn till magnetfältet. När dessa spolar matas med en huvudsakligen konstant ström alstras ingen magnetfältskomponent i riktning vinkelrätt mot plåtens plan, mätriktningen, över plåten. I det fall att diametern på en stång eller ett rör är den geometriska dimension som önskas alstras en önskvärt utformning av magnetfältet enligt föreliggande uppfinning genom att omge 10 15 20 25 30 517 293 stángen/röret med en spole sä att stàngen/röret placeras i centrum av spolen.

Minimitiden under vilken strömmatningen bör fortsätta innan den stängs av beror pà föremàlets storlek och pà materialets elektriska motstàndsförmàga. Minimitiden är proportionell mot kvadraten pá dimensionen och omvänt proportionell mot materialets elektriska motstàndsförmága och är exempelvis för en aluminiumplät med en tjocklek 2 mm i storleksordningen 50 u-sekunder. Den tid som bör förflyta fràn strömavstängningen till den tid dä den integrerade mätningen skall börja bör vara sä kort som möjligt men samtidigt innefatta hela tidsförloppet för avklingning av fältet utanför föremålet. Denna tid bestäms huvudsakligen av spolarnas, sändarspolarnas, urladdnings- tid som bestäms av spolarnas induktans och de elektriska komponenter som omger spolarna. Normalt bör denna tid hállas kortare än 1 u-sekund. Den tid under vilken den integrerade mätningen bör fortsätta är tills huvudsakligen alla fältförändringar i mätomràdet har avslutats, dvs till alla markanta magnetfält har försvunnit. Denna tid är av samma storleksordning som den minimitid som strömmatningen bör fortsätta enligt ovan.

Normalt uppmäts förändringarna i fältet med hjälp av den spänning som induceras i en eller flera ändamålsenligt placerade spolar. Den spänning som induceras i en sådan spole är känd att vara proportionell mot dB/dt, föränd- ringen i magnetfältet per tidsenhet och när integralen för tills sluttiden T denna spänning tas frän starttiden T yw Start ger detta Tsrap B IntegralValue = K *I f-i- Txlafl t df=1<*(B, .TIUP _B731ur)= K*(0_BT .fiflfl ) där K är proportionalitetskonstanten och BMm=O 10 15 20 25 30 517 293 där fältet är noll vid T Mm. Detta betyder att värdet pä integralen blir proportionellt mot fältet som, före ström- avstängningen, fanns i föremálet och likasà är ett direkt mätt pà dimensionen hos föremàlet. Om fältet är huvud- sakligen konstant i omradet där föremálet finns, blir värdet pà integralen proportionellt mot dimensionen hos föremålet. Förfarandet enligt föreliggande uppfinning uppfyller ocksa målsättningen att ge en noggrann mätning som ges direkt av ett mätvärde och som är oberoende av allting förutom dimensionen.

Mätspolar för mätning av förändringar i magnetfältet placeras normalt nära sändarspolarna och symmetriskt i förhållande till dessa, detta bortsett fràn att en sàdan placering är nödvändig vid användning av förfarandet enligt uppfinningen. Mätspolar och sändarspolar kan till och med vara samma spolar men använda för olika funktioner under olika tidsperioder av mätningen. Vidare kan mät- ningen vara direkt uppmätt med lämpliga tekniker och i enlighet med ovannämnda formel ge det avsedda resultatet för förfarandet.

Vid förfarandet enligt uppfinningen kan föremålet röra sig relativt det föredragna läget utan att det förorsakar stora mätfel. Vid större rörelser eller när de nog- grannaste mätningar önskas kan en annan utföringsform av uppfinningen vara att föredra. Enligt den andra utförings- formen kan värden mätas, vilka liksom de summerade för- ändringarna enligt ovan i de tvà mottagarspolarna enligt uppfinningen, också kan utgöra en skillnad mellan värden fràn de tvà mottagarspolarna, och denna skillnad är ett mätt pä föremàlets läge. 10 15 20 25 30 517 293 Vid användning av förfarandet för mätning av material med högt elektriskt motstånd kan en annan föredragen ut- föringsform användas. Enligt denna tilläggs en annan mätning, såväl som de enligt ovan, den integrerade indu- till cerade spänningen från mätspolarna från tiden TM" tiden Tåm, en ytterligare integrerad spänning från tiden TM" till tiden T@W efter en bråkdel av den integrerade spänningen från Tš till T1 Denna bråkdel har till m" smp - syfte att kompensera för avklingníngen av fältet utanför föremålet, vilken avklingning inte är idealt snabb och under tiden för avklingníngen förekommer en viss diffusion utåt av fältet i materialet, vilken diffusion inte uppmäts. Bråkdelen kan vara en i efterhand empiriskt fastställd och konstant bråkdel eller en mer komplicerad, matematiskt fastställd bråkdel beroende av de båda ovan- nämnda mätvärdena.

Föreliggande uppfinning kan med fördel användas i de fall när såväl en noggrann mätning av en dimension som en mät- ning av elektriska egenskaper, såsom elektriskt motstånd och/eller magnetisk permeabilitet, önskas. Mätningen ut- förs enligt ovan med integration av tvà inducerade till tiden T Stop ' den den första från tiden T spänningar, mn andra från tiden T till tiden TÅ I det fall det Start Smp ' elektriska motståndet är relativt lågt, är det inte nöd- vändigt för kompensation av mätningen av dimensionen och mätvärdet för den integrerade introducerade signalen från Ik lü H till Yïmm kan användas för beräkning av det elektriska motståndet, vilket är proportionellt mot kvadraten på in- tegralvärdet. 10 15 20 25 30 35 517 293 FIGURBESKRIVNING Föreliggande uppfinning skall närmare beskrivs med hän- visning till bifogade ritningar.

Figur 1 visar schematiskt en principskiss av en mät- anordning enligt uppfinningen.

Figur 2 visar ett schematiskt diagram över signal i förhållande till tid, vilket beskriver tidsintervall under vilka mätning äger rum enligt uppfinningen.

Figur 3 visar en utföringsform enligt uppfinningen för mätning av en elektrisk egenskap.

Figur 4 visar ett annat diagram över signal i förhållande till tid för mätning av en elektrisk egenskap enligt upp- finningen.

Figur 5 visar en utföringsform för mätning av en dimension hos en stång enligt uppfinningen.

Figur 6 visar en utföringsform för mätning av tva dimen- sioner hos ett föremål samtidigt enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I figur l visas en principskiss för mätning av en tjock- leksdimension hos en plàt och elektriska egenskaper hos materialet i pláten enligt föreliggande uppfinning. Denna innefattar ett mätföremàl i form av en plàt 6, sändarspo- lar 3a och 3b, där ett litet “a' i fortsättningen hänför sig till ena sidan av plàten och 'b' hänför sig till den andra sidan av plàten. Bada sändarspolarna matas under en första mätperiod med en i huvudsak konstant ström frán en strömkälla 4 via en transistor 2 som styrs av en styrsig- nal Scl fràn en styrkrets l. Under denna period med ström- matning leder transistorn konstant ström till de anslutna sändarspolarna 3a, 3b och vidare till jord vid Gnd. Direkt efter denna strömmatningsperiod stängs strömmen till 10 15 20 25 30 517 293 10 sändarspolarna 3a, 3b av genom att avbryta strömmen i transistorn. Motstànden Sa och 5b över sändarspolarna 3a, 3b har funktionen att urladda magnetfältet som finns i sändarspolarna 3a, 3b vid strömavstängningen och utför den funktionen under en tid som, pà sätt och vis, är av stor- leksordningen spolarnas induktans delat med motstàndet.

Sändarspolarna 3a och 3b är placerade i huvudsak pà samma avstànd frán pláten 6 och har samma storlek. I den illu- strerade anordningen är spolarna 3a och 3b anordnade så 7a och 7b, sà att summan av fältet i mitten av plàten 6, medelkom- att fälten som genereras, riktas mot varandra ponenten, inte har nagon komponent vinkelrätt mot plátens 6 plan. Hela storleken pà magnetfältet som är inneslutet i plàten, materialfältet, är därför beroende av plátens 6 tjocklek.

Relativt mätomràdet, det område som pâverkas av sàväl fältet frán sändarspolarna 3a, 3b som det inducerade fenomen som ástadkoms i pláten 6, är tvà mottagarspolar 8a respektive 8b anordnade för detektering av förändringar i fältet i mätomrádet via spänningen som induceras i dessa mottagarspolar 8a, 8b. Dessa mottagarspolar 8a, 8b har samma storlek och är placerade pà samma avstånd fràn pláten 6 och sammankopplade pà sä sätt att spänningen i báda mottagarspolarna 8a, 8b, inducerad genom en ändring i fältet, summeras. Över mottagarspolarna 8a, 8b är urladd- ningsmotstànd 9a och 9b anslutna, vilka pà samma sätt som för sändarspolarna 3a, 3b bestämmer urladdningstiden. Den i mottagarspolarna 8a, 8b inducerade spänningen förstärks i en förstärkare 10, ur vilken den tidsvarierande signalen S2 bildas, vilken därefter integreras i en integrator ll under ett tidsintervall som styrs av en styrsignal Sc2 fràn styrkretsen l. Efter fullbordad integrering S3 sänds 10 15 20 25 30 517 293 ll signalen till en “Sample-and-hold”-krets 12 vilken tar signalvärdet efter fullbordad integrering i föregáende krets. Det signalvärde S4 som erhàlls fràn denna krets är ett stabilt signalvärde, relativt tidsvarians, som kan användas som primärt mätvärde för tjockleken hos plàten 6.

Figur 2 beskriver tidsstyrningen och signaler i en anordning i figur 1 enligt den illustrerade uppfinningen såsom ett diagram över en spänningssignal jämfört med tid.

Den översta signalen i figur 2 visar spänningen S1 över sändarspolarna 3a och 3b jämfört med tid. Styrsignalen Scl till transistorn 2 är hög fràn tiden 71 till tiden T2 och kopplar därför om transistors sà att ström flyter genom sändarspolarna 3a, 3b under den tiden. Spänningen S1 över sändarspolarna 3a, 3b blir därför hög under denna tid.

Fràn tiden 72 till tiden T6 är styrsignalen Scl lág och transistors 2 stängs av sà att ingen ström flyter genom sändarspolarna 3a, 3b och spänningen S1 över sändar- spolarna 3a, 3b blir därför 0. Efter tiden T6 upprepas förloppet. Under tiden Il till tiden T2 skapas magnet- fälten 7a, 7b och fär samma styrka. Vid tiden T2 stängs strömmatningen till sändarspolarna 3a, 3b plötsligt av sà att magnetfälten kraftigt förändras. Mottagarspolen 8a kommer att detektera denna ändring sà att en inducerad spänning över spolen är proportionell mot ändringen i magnetfältet över spolen, dvs S2=KC*Éå dt där B är det tidsvarierande magnetfältet över spolen, I är tiden och Kf är en proportionalitetskonstant beroende av spolens storlek och utformning, av antalet varv i spolen och av förstärkningen om förstärkaren är 10. K är således 10 15 20 25 30 517 295 12 bara beroende av fasta variabler och varierar inte med variationer i mätföremàlet, plàten 6.

Sàsom beskrivits i samband med US 5 059 902 beskrivs förloppet med en plötsligt avstängd strömmatning till en spole, som befinner sig i närheten av ett elektriskt ledande föremàl genom avklingning av tvà tänkta fältavklingningar, en första avklingning av fältet utanför föremàlet och en andra avklingning av fältet i materialet.

Det finns därför en möjlighet att göra åtskillnad mellan avklingningen av var och en av dessa fält medelst den signalförändring som iakttas i en mätspole, vilket framgår av diagrammet över spänning i förhållande till tid för signalen S2, det andra diagrammet fràn toppen. Mellan tiderna T2 och T3 erhàlls en avklingning av fältet utanför föremálet, vilket sker snabbt och ger upphov till en stor förändring av spänningen i signalen under denna tid.

Intervallet börjar när strömmen till den fältgenererande spolen stängs av, T2, och slutar när fältet i spolarna, främst sändarspolen, avklingar vid T3, Enligt en känd beskrivning kan denna avklingning fastställas med ut- trycket: I = [o *e-L/RÜ där I är momentanströmvärdet genom spolen 10 är strömmen genom spolen före avstängning L är spolens induktans R är spolens urladdningsmotstànd (5) Ft är tiden efter strömavstängningen. 10 15 20 25 30 517 295 13 När I är i storleksordningen, eller mindre än, 1% av Q kan man säga att fältet har avklingat. Detta gäller om av- klingningstiden enligt det ovanstående för en mottagar- spole väljs ungefär lika med eller större än avkling- ningstiden för sändarspolen, vilket är att föredra men inte ett nödvändigt villkor.

Tiden T2 till T3, förändring har avklingat, skall hållas så kort som möjligt som är den tid under vilken denna stora för ett gott mätresultat och kan påverkas av valet av mot- stand Sa, 5b, 8a och 8b enligt figur 1. Det är i allmänhet så att ju högre dessa motstånd är, desto snabbare avkling- ar signalen S2. Vanligtvis är det värt att bemöda sig om att hälla denna tid kortare än l u-sekund, vilket vid en spole på typiskt diametern 50 mm och typiskt 10 varv betyder att motståndet typiskt bör vara av storleks- ordningen 100 ohm till 1000 ohm.

När signalen från den första snabbt avklingande delen som är relaterad till fältet utanför föremålet som har av- klingat, följer långsamma förändringar i magnetfälten som är relaterade till avklingningen av materialfälten. I Eftersom förändringarna här är långsamma är spänningarna som kommer att induceras i mottagarspolarna 8a, 8b under tiden T3 till T4 små, vilket framgår av diagrammet för signalen S2. Vid tiden T4 har förändringarna helt upphört och signalen S2 är då 0.

I diagrammet över spänningssignalen i förhållande till tiden för signalen S3, signalen efter integrering i inte- greringskretsen 11 enligt figur 1, tredje diagrammet ovanifràn i figur 2, visas den integrerade signalen.

Integratorn ll är anordnad så att den nollställs med hjälp 10 15 20 25 30 517 293 14 av styrsignalen Sc2 fram till tiden T3 och pàbörjar där- efter integrering av signalen S2. Vid tiden T4 har för- ändringen av S2 upphört, varför S3 visar ett konstant värde. Den mätning som erhállits fràn den tidpunkten är en direkt mätning av storleken pà det fält som fanns i pläten 6 och är därvid ett direkt mätt pà tjockleken hos plåten 6. Detta màtt pà integralen vid tiden T4 är följaktligen tagen med hjälp av en konventionell “Sample-and-hold”- krets 12 styrd av styrsignalen Sc3. Signalen S4 är där en utsignal som är direkt proportionell mot plàtens tjocklek.

Utföringsformen enligt figur l och figur 2 är pà intet sätt begränsad men anses àskàdliggöra ett förfarande enligt uppfinningen. Likaså kan sändar- och givarspolar positioneras pá mànga sätt, sà länge som villkoret upp- fylls att fälten som matas av sändarspolarna möts i mitten av pláten så att summan av fälten i fältriktningen genom plåten, i mätplanet, blir noll tvärs plàten. Vanligtvis betyder detta att fälten möts i mitten av plàten och att fältet i fältriktningen vinkelrätt mot plàtens plan blir noll. För mottagarspolarna betyder det att de skall vara huvudsakligen lika och vara belägna sà att de detekterar fältförändringar i plàten. Mottagarspolar och sändarspolar kan vara samma spole och när speciella krav ställs kan fler än tvá mottagarspolar användas.

Mottagarspolarna kan även ersättas av ett direkt fält- mätande instrument, men med den följden att signalen inte integreras i en integrator utan signalvärden avläses när de uppträder i tiden. en uppbyggd eller programmerad logikkrets eller en pà nàgot annat känt Styrkretsen 1 kan vara en programmerad dator, sätt uppbyggd styrkrets. Den krets som stänger av ström- 10 15 20 25 30 517 293 15 mätningen visas i figur l som en transistor 2 men kan vara vilken typ av elektrisk krets som helst som har förmåga att plötsligt stänga av strömmatningen till spolen.

Kretsarna pà den mottagande sidan är inte begränsade förutom till att utföra huvuduppgiften att fà ett inte- grerat värde pá spänningarna som induceras i mottagar- spolarna mellan tvä förutbestämda tider.

Vid utföringsformen enligt ovan har strömmen matats genom sändarspolarna 3a, 3b i en given riktning. Vilken riktning det är fràgan om har ingen praktisk betydelse för före- liggande uppfinning och det kan till och med vara fördel- aktigt att anordna strömmatningen sä att den, under en period frán tiden T1 till tiden T2 enligt figur 2, har en speciell riktning för att därefter, när förloppet upprepas efter tiden T6, mata ström i motsatt riktning genom spolen. Mottagningskanalen i detta fall màste vara anordnad sà att den kan växelvis ändra polariteten pá den alstrade signalen för att ge ett konstant värde, relativt tidsvariansen, för primärsignalen.

En annan utföringsform av föreliggande uppfinning visas i figur 3. Denna utföringsform har syftet att lösa samma mätproblem som utföringsformen enligt figur 1, men med den skillnaden att denna utföringsform kan användas när plátens läge varierar i mätomràdet, och när plàten har högt elektriskt motstånd. Den kan även användas när plàten är mycket tjock och förhindrar pà så sätt rörelser hos tidsvarierande signaler frán ena sidan plàten till den andra. Den kan även användas för samtidig mätning av tjocklek hos en plàt och den elektriska resistiviteten hos materialet i plàten. 10 15 20 25 30 517 293 16 Vid utföringsformen enligt figur 3 matas sändarspolarna 3a, 3b pà varje sida av plàten 6 av separata men samtidigt styrda transistorer, 2a respektive 2b. Transistorerna 2a, 2b styrs därvid med samma styrsignal, Scl fràn styrkretsen l men matade med konstant ström fràn oberoende ström- källor, 4a respektive 4b. Styrsignalen Scl och därmed signalföljden i spolarna i denna utföringsform har i princip samma tidsföljd som tidsföljden enligt figur 1, men signalerna behandlas i separata signalkanaler, med början med förstärkarna l0a respektive lOb, vilka i detta fall kan vara en förstärkare med differentiella ingångar. lOb fortsätter till l2b, för mätning av tjocklek pà samma sätt som kanalerna ll och Signalerna fràn dessa förstärkare lOa, en första delkanal lla, 12a respektive llb, anordnad 12 enligt figur 1 och i princip styrda med samma styr- signaler Sc2 och Sc3, samtidigt som en annan delkanal är anordnad för att mäta det integrerade signalvärdet under ett första tidsintervall under den totala tiden T3 till tiden T4, som börjar med T3 och slutar med tiden T30, vilket visas i diagrammet över spänning i förhållande till 'tid i figur 4. StyrsignaleniSc4 fràn styrenheten l styr integratorerna, l3a respektive l3b, pà sà sätt att inte- gratorerna sätts till noll fram till tiden T3 enligt figur 2, varefter integrationen fortsätter att ga fram mot tiden T30, tiden T5 sätts integratorerna till noll. Resultaten fràn efter vilken integrationsvärdet hàlls konstant. Vid ovanstående integration lagras med hjälp av “Sample-and- hold”-kretsar, 14a respektive l4b.

S5a, sänds till en gemensam beräkningskrets 15.

Resultaten frän de fyra signalkanalerna, S5b, S6a och S6b, beräkningskrets 15 summeras resultaten S5a och S5b och I denna blir pá samma sätt enligt figur 1 en primär mätning av 10 15 20 25 30 517 293 17 tjocklek hos plattan 6. Skillnaden mellan båda dessa signaler, S5a-S5b, beräknas vidare och blir ett mått på plåtens 6 läge i mätområdet. Denna mätning kan delvis användas för att mäta läget hos plåten och delvis användas för att rätta primärmätningen av tjockleken hos plåten med avseende på fel beroende av avvikelser i plåtens läge. I det enklaste fallet görs detta delvis genom att subtrahera kvadraten på skillnaden i signal S5a-S5b från summan av signalerna S5a+S5b enligt uttrycket: Ny primär mätning =(S5a+S5b)-Cl*(S5a-S5b)2 där Cl därvid är en konstant som kan beräknas eller mätas genom prov med plåtar av olika tjocklek. Denna metod kan också användas för att korrigera för fel på grund av av- vikelser i plåtens läge med de utföringsformer som har två sändarspolar.

I det fall att resistiviteten i plåten är hög eller i det fall att det är svårt att i praktiken åstadkomma en till- räckligt kort avklingningstid för fältet utanför föremålet så att tiden T2 till T3 enligt figur 2 blir relativt lång kan signalerna S6a och S6b användas för att korrigera fel i de primära tjocklekssignalerna av det skälet att av- klingningen av materialsignalen hade börjat vid en tid- punkt tidigare än T3. Signalvärdena hos S6a respektive S6b kan ses som ett uttryck för avklingningen vid tidpunkten T3 och till och med tidpunkter innan dess och kan därför användas för att beräkna detta fel. I det enklaste fallet är avklingningen som äger rum före tiden T3 proportionell mot den avklingning som ägde rum alldeles efter T3 och som mäts mellan tiderna T3 och T30 enligt figur 4, därför att: Korrigerad primärsignal S5amur=S5a+C2*S6a Korrigerad primärsignal S5bmnr=S5b+C2*S6b 10 15 20 25 30 517 293 18 där C2 är en konstant som kan bestämmas genom beräkning eller genom mätningar med plàtar med känt elektriskt mot- stånd.

I det fall dä plàten är mycket tjock kan det ibland vara svàrt att láta tidsintervallet T3 till T4 vara till- räckligt lángt sá att fältet frán föremålet kan avklinga helt och hallet, förändras. Ett langt tidsintervall leder till lànga eller sà att signalen S2 inte längre mättider så att mätningen inte kan upprepas tillräckligt ofta. Detta kan i sin tur leda till ökad störning eller oljud vid mätningen. I sádana fall kan tidsintervallet till T4 väljas före den tid dá fältet frán föremålet har avklingat fullständigt och därför kan uppmätta signaler korrigeras enligt: Korrigerad primärsignal S5amHr=S5a-S5a*Fu(S6a/S5a) Korrigerad primärsignal S5bmr=S5b-S5b*Fu(S6b/S5b) Funktionen Fu är en entydig korrektionsfunktion med ett värde beroende enbart pà förhållandet mellan värdena hos integralen mellan T3 och T3O och mellan T3 respektive T4.

Funktionen kan bestämmas genom att genomföra mätningar med plàtar av känd tjocklek och känd elektrisk resistivitet.

Alternativt kan det bestämmas genom att matematiskt lösa problemet med kända grundläggande differentialekvationer förutsatt att fältstyrkan före strömavstängningen är konstant över plåten och att fältet plötsligt avstängs.

Av de integrerade värdena mellan tidpunkterna T3 och T30 kan också den elektriska resistiviteten mätas. Därvid kan mätningar av tjocklek och elektrisk resistivitet erhållas samtidigt. I det enklaste fallet kan kvadraten pà de integrerade mätvärdena mellan T3 och T30 tas som primär- 10 15 20 25 30 517 293 19 mätning för elektrisk resistivitet hos materialet i före- målet.

I figur 5 visas en anordning enligt föreliggande upp- finning för mätning av dimensioner hos en stång, ett rör eller tråd. Föremàlet 6 är i detta fall en stång med cylindrisk geometri där mätning av diametern eftersträvas och sändarspolen 3 omsluter föremålet cirkulärsymmetriskt.

I motsats till anordningen enligt figur 1 gör den enklare geometrin i detta fall så att mätning kan utföras enligt uppfinningen med bara en sändarspole 3. Med den visade formen av sändarspole uppfylls villkoret att fältkom- ponenten i mätningsriktningen blir O över föremålet. På samma sätt kan mätning i detta fall utföras med mottagar- spolen 8. I allmänhet utförs mätning pá samma sätt som enligt figur 1. På samma sätt blir integralen hos fält- ändringen också ett mått pá fältet som lagras i föremålet under tiden för strömmatningen och signalen 3 och därmed utgångssignalen S4 från “Sample-and-hold”-kretsen 12 blir ett direkt mått på stången 6 eller dess diameter.

I figur 6 visas en anordning enligt föreliggande upp- finning för mätning av dimensionen hos ett föremål som har begränsad utsträckning i alla riktningar. Föremàlet 6 kan tänkas vara en bricka, ett mynt eller liknande, för vilket det önskas mätas en storleksdimension i mer än en rikt- ning, i detta fall illustrerad såsom tjocklek och diame- ter. Anordningen består av tvà sändarspolar 3a och 3b anordnade relativt föremålet 6 och matade med ström på samma sätt som vid anordningen enligt figur 1. Symmetriskt i relation till sändarspolarna 3a, 3b och till föremålet 6 och anordnade på samma sätt som i figur l finns tvà mot- tagarspolar 8a och 8b med en signalkammare ansluten till en förstärkare 10, integrator ll och ”sample-and-hold”- 10 15 20 25 30 517 293 20 krets 12 för alstring av en mätsignal S5. Dessutom finns det tvà ytterligare mottagarspolar l3a och l3b med en signalkanal ansluten till en förstärkare 15, integrator 16 och ”sample-and-hold”-krets 17, styrda pá samma sätt som ovannämnda signalkanal, för alstring av en mätsignal S6. 8b liksom l3a, l3b har olika storlek sà att det mindre mottagarspolparet 8a, 8b i typ- Paren mottagarspolar 8a, fallet har en storlek nagot mindre än föremälet 6 och det större mottagarspolparet l3a, l3b i typfallet har en storlek något större än föremålet 6. Bàda mätsignalerna S5 och S6 behandlas i en beräkningsenhet 18, t ex en mikro- dator, pà sà sätt att dimensionerna för tjocklek och diameter erhàlls. Detta àstadkoms i princip genom att använda mätsignalen S5 som är beroende av bade tjocklek och diameter, men starkare beroende av tjocklek, och mätsignalen S6 som är beroende av bàde tjocklek och diameter, men starkare beroende av diameter. Pá sà sätt kan, efter beräkning eller mätningar med föremàl av olika tjocklek och diameter, beräkningsregler för beräkning av tjocklek och diameter härledda fràn mätsignalvärden pà S5 * och S6 formuleras och användas i beräkningsenheten 18.

Anordningen enligt figur 6 är pà intet sätt begränsad till den utföringsform som beskrivs i samband med figurerna, förutom att det är lätt att inse att mätningsförfarandet för dimensionerna hos ett föremàl enligt föreliggande upp- finning, i de fall där mer än en dimension önskas, kan kombineras med ett flertal spolar och ett flertal mätkana- ler för att uppnà ett flertal dimensioner.

Uppfinningen enligt föregående beskrivning har sin främsta användning vid mätning av ett föremàl som inte är särskilt sàsom mycket tjock plàt och är den tid det tar tills änd- stort. För stora föremàl, stäng med stor diameter, 10 15 20 25 30 517 293 21 ringar i magnetfältet har upphört, tiden T4 enligt figur 2, alldeles för lång för att vara praktiskt hanterbar. Den långa tiden i dessa fall betyder att mätningen inte kan upprepas tillräckligt ofta, och på grund av detta ökar störningsnivån i mätningen, vilket i sin tur i dessa fall leder till en försämrad mätprecision. Vad som i dessa fall skulle betraktas som ett stort föremål är också beroende av elektrisk resistivitet. En aluminiumplät med en tjock- lek av storleksordningen 10 mm kan exempelvis betraktas som tjock. I de fall då mätningen utförs på såväl normala som tjocka plåtar, eller motsvarande tjocka stänger, kan en mätare med god funktionalitet konstrueras genom använd- ning av den utföringsform som beskrivits för normal plåt- tjocklek, och genom användning av förfarandet som beskrivs i US 5 059 902 för mätning av avståndet mellan spolar och plåtyta. Vid en alternativ utföringsform av uppfinningen görs detta enklast genom att ändra styrningen av integra- torn Sc2 i figur 1 eller motsvarande integrator(er) i de andra figurerna, så att de innefattar tidsintervallet T2 till T3 enligt figur 2 och de andra motsvarande figurerna.

Vid en annan alternativ utföringsform av uppfinningen kan ett tjockt föremål samtidigt ha den elektriska resistivi- teten hos materialet i föremålet mätt i kombination med förfarandet enligt US 5 059 902. Likaså kan, i en ytter- ligare utföringsform, ett föremål som är tjockt i en dimension samtidigt mätas i en annan dimension genom att välja mer än ett par spolar (8a, 8b, l3a, l3b), och dimensionera och placera varje par av spolar relativt olika dimensioner hos föremålet, såsom tjocklek och dia- meter, som samtidigt skall mätas.

Det ligger inom ramen för patentkraven att ett elektriskt ledande föremål 6, för vilken mätningar av dimensioner såsom tjocklek liksom elektriska egenskaper kan mätas 517 293 22 enligt föreliggande uppfinning, kan utgöras inte bara av metaller såsom koppar, aluminium och mässing osv, samt legeringar därav, utan också av icke-metaller, kombina- tioner och vilket annat material som helst med förmàga att reagera pá ett inducerat magnetfält.

Claims (19)

pm 15 20 25 30 517 293 23 PATENTKRKV

1. l. Förfarande för beröringsfri mätning av en geometrisk dimension, samt en elektriskt egenskap, hos ett elektriskt ledande föremål (6) baserat på elektromagnetisk induktion och ett tidsvarierande magnetfält, vid vilket förfarande en huvudsakligen konstant ström matas till åtminstone två sändarspolar (3) så att ett elektromagnetiskt fält genom- tränger föremålet (6), och därefter stänger av ström- matningen till sändarspolarna (3), avkänner en spänning inducerad i åtminstone en mottagarspole (8) till följd av ett avklingande magnetfält och integrerar nämnda avkända spänning under en tidsperiod i ett intervall som följer på avstängningen av strömmatningen, kännetecknat av att nämnda förfarande innefattar följande steg: - alstring av motriktade magnetfält genom nämnda minst två sändarspolar anordnade på var sin sida av nämnda föremål (6) så att nämnda elektromagnetiska fält som genomtränger nämnda föremål (6) är väsentligen vinkelrätt mot en mätriktning hos nämnda geometriska dimension, P mätning av den spänning som induceras i nämnda åtminstone en mottagarspole (8) från en första tid (T3) efter en avklingning av ett magnetfält utanför nämnda föremål (6) (S), - integrering av den första signalen (S) från den första som en första signal tiden (T3) efter avklingningen av magnetfältet utanför nämnda föremål (6) fram till en punkt vid vilken fältet i materialet huvudsakligen har avklingat till noll (T4, 75, T6), - beräkning ur den integrerade signalen av ett värde på och nämnda geometriska dimension och nämnda elektriska 10 15 20 25 30 517 293 24 egenskap hos nämnda föremàl (6) fràn den första signalen (S).

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att värdet pà nämnda geometriska dimension beräknas, varvid nämnda värde är proportionellt mot integralen av den första signalen (S).

3. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att tjockleken eller diametern pà nämnda föremàl (6) mäts genom integrering av den första signalen (S) under tiden för avklingning av det magnetfält som har genomträngt nämnda föremàl (6).

4. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av ett ytterligare steg innefattande mätning av den elektriska resistiviteten hos nämnda föremàl (6) genom samtidig mätning av en spänning som induceras i nämnda åtminstone en spole (8) frán den första tiden (T3) efter avklingning av ett magnetfält utanför nämnda föremål (6) till en andra tid (T30) kort efter den första tiden (T3) samt beräkning av ett värde pà elektrisk resistivitet ur denna spänning som en andra signal (S6).

5. Förfarande enligt patentkrav 4, kännetecknat av att den andra signalen (S6) integreras under tidsintervallet fràn den första tiden (T3) efter avklingningen av ett magnet- fält utanför nämnda föremål (6) till den andra tiden (T30) kort efter den första tiden (T3), vilken integral är ett mätt pà nämnda föremàls (6) elektriska resistivitet.

6. Förfarande enligt patentkrav 5, kännetecknat av att en kvadrat pà integralen hos den andra signalen_(S6) beräk- 10 15 20 25 30 517 293 25 nas, vilken är proportionell mot nämnda föremàls (6) elek- triska resistivitet.

7. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att motriktade magnetfält alstras så att magnetfält som induceras av varje spole möts huvudsakligen i mitten av nämnda föremàl (6), och sä att summan av de magnetfält som genomtränger nämnda föremál (6) är en magnetisk komponent väsentligen i en riktning vinkelrätt mot mätriktningen.

8. Förfarande enligt patentkrav 7, kännetecknat av - mätning av spänningen som induceras i nämnda àtminstone tvà mottagarspolar (8) fràn den första tiden (T3) efter avklingning av ett magnetfält utanför nämnda föremäl (6) till den andra tiden (T30) kort efter den första tiden (T3), - beräkning av korrigerade primärsignaler S5am"=S5a+c2*S6a och S5bm“=S5b+c2*S6b där S5amH och s5bm“ är de korrigerade signalerna fràn de tvà spolarna, S5mS5hS6@S6b är resultat fràn fyra signalkanaler, och C2 är en konstant som därvid korrigerar fel i mätningen av nämnda geometriska dimension pà grund av avklingning av materialfältet före den första tiden (T3).

9. Förfarande enligt patentkrav 7, kânnetecknat av följande steg: - en bràkdel av integralen av signalen under intervallet fràn den första tiden (T3) efter avklingning av ett mag- netfält utanför nämnda föremäl (6) till den andra tiden (T30) adderas till den ursprungliga första mätsignalen (S). 10 15 20 25 30 517 293 26

10. Förfarande enligt patentkrav 7, kännetecknat av följande steg: - beräkning av en korrigerad primärsignal S5aknn=S5a-S5a*Fu(S6a/S5a) och S5bk_m=S5b-S5b*Fu(S6b/S5b), där S&LS5hS6mS6b är resultat av de fyra signalkanalerna och Fu är en funktion beroende endast av förhållandet mellan värdena pà integralen mellan; den första tiden (T3) och den andra tiden (T30), och mellan den första tiden (T3) och en tredje tid till avklingningen av materialfältet (T4), som ett förfarande för beräkning av ett värde pà den tredje tiden (T4) när avklingningen av materialfältet äger rum under ett làngt tidsintervall.

11. ll. Förfarande enligt patentkrav 4, kännetecknat av följande steg: - användning av mer än ett par mottagarspolar (8a, 8b, l3a, l3b), - val av storleken pá spolarna i relation till olika geometriska dimensioner hos nämnda föremàl (6) sà att mer än en geometrisk dimension, såsom tjocklek och diameter, ~-kan beräknas ur signalerna som mottas i mer än ett par mottagarspolar (8a, 8b, l3a, l3b).

12. Förfarande enligt nagot av patentkrav 1-ll, kännetecknat av att nämnda föremål (6) innefattar en metall eller metallegering.

13. Förfarande enligt nàgot av patentkrav 1-ll, kännetecknat av att nämnda föremål (6) innefattar en icke- metall. 10 15 20 25 30 517 293 27

14. Förfarande enligt något av patentkrav 1-ll, kännetecknat av att nämnda föremål (6) innefattar en kombination av olika metaller och/eller metallegeringar.

15. Förfarande enligt patentkrav 4, kânnetecknat av följande ytterligare steg: - beräkning av ett första värde ur den första signalen (S) under ett tidsintervall mellan tiden för avstängning av (T2) avstånd mellan en sändarspole (3) och en yta hos föremålet (6), - beräkning ur det första värdet och ett avstånd mellan strömmatningen och den första tiden (T3) såsom ett sändarspolarna (3a, 3b) av nämnda geometriska dimension hos föremålet (6).

16. Förfarande enligt patentkrav 15, kännetecknat av följande ytterligare steg: - anordnande av mer än ett par mottagarspolar (8a, 8b, l3a, l3b), - val av storleken pà spolarna i förhållande till olika geometriska dimensioner hos nämnda föremål (6) så att mer än en geometrisk dimension såsom tjocklek och diameter kan beräknas ur signaler som mottas i mer än ett par mottagar- spolar (8a, 8b, l3a, l3b).

17. Förfarande enligt patentkrav ll, kännetecknat av följande ytterligare steg: - beräkning av ett första värde ur den första signalen (S) under ett tidsintervall mellan tiden för avstängning av (T2) (T3) avstånd mellan en sändarspole (3) och en yta hos föremålet (6), strömmatningen och den första tiden såsom ett 10 15 20 517 293 28 - beräkning ur det första värdet och ett avstànd mellan sändarspolarna (3a, 3b) av nämnda geometriska dimension hos föremålet (6).

18. Förfarande enligt patentkrav 17, kännetecknat av följande ytterligare steg: - beräkning av ett värde pà kvadraten av den andra sig- nalen (S6) fràn den första tiden (T3) till den andra tiden (T30) kort efter den första tiden (T3) sà att ett värde proportionellt mot den elektriska resistiviteten hos nämnda föremål (6) ástadkoms.

19. Anordning och system för utförande av ett förfarande för beröringsfri mätning av en geometrisk dimension, samt en elektriskt egenskap, hos ett elektriskt ledande föremál (6) enligt nágot av patentkrav 1-18, innefattande àtmin- stone tvà sändarspolar (3a, 3b) anordnade pá var sin sida om nämnda föremál (6) för att alstra motriktade elektro- magnetiska fält sà att nämnda elektromagnetiska fält som genomtränger nämnda föremàl (6) är väsentligen vinkelrätt mot en mätriktning hos nämnda geometriska dimension.