SE506154C2 - Förfarande och anordning för induktiv mätning av mått och läge hos objekt av elektriskt ledande material - Google Patents

Description

506 154 10 15 20 25 30 35 2 strömmar alstrar ett magnetfält som i sin tur i en mottagar- spole inducerar en spänning som bl a är beroende av mät- objektets form, ledningsförmåga, magnetisk permeabilitet och de geometriska förhållandena. Ur denna spänning kan under vissa villkor geometriska mått som avstånd och läge hos mätobjektet beräknas. För alstringen av ett tidsvarierande magnetfält kan sinusformade strömmar i sändarspolen använ- såsom beskrivs i US 4475083, eller så kan en konstant såsom beskrives i US 5059902, användas. Den sistnämnda metoden är mättekniskt robustare das, ström som plötsligt bryts, och underlättar separering av olika egenskaper hos mätobjek- tet. 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 plàt kan åstadkommas. Tekniken kan dock endast användas för plåt med relativt begränsad tjocklek.

Vidare förutsätts för korrekt funktion att plàtkanten i huvudsak är plan. För många tillämpningar är noggrannheten ej tillräcklig, främst vid stora avstànd mellan plåt och mätspolar, beroende på 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 pá var sin sida av mätobjektet. Det förekommer även användning av samma spole som sändar- och mottagarspole. Det av sändarspolen 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 beroende av mätobjektets tjocklek och form i ett relativt stort omrâde runt det stället där man vill mäta.

BNSDOCID* 10 15 20 25 30 35 506 ïš1-54 3 REDoGöRELsE FÖR UPPFINN INGEN Uppfinningen bygger på att, som visas i Fig. 1, placera ett mätobjekt 1, en sändarspole 2 och en mottagarspole 3 i för- hållande till varandra på ett sådant sätt, att det av såå? darspolen alstrade magnetfältet 4 vid ett mätomráde 5, sam definieras som området kring en tänkt mätpunkt 6, huvudsàk- ligen är parallellt med mätobjektets yta vid mätomrádet,š§ eller för mätobjekt med krökt yta parallellt med ett tangen- tialplan 7 i mätpunkten 6. Mätanordningen blir då som käns- ligast för förflyttningar i riktningen av en linje 8, naån angett som x-riktning eller x-linje, vinkelrätt mot tangåfi- tialplanet i mätpunkten. Mottagarspolen skall placeras s att en tänkt fältlinje 4, tangerar mätområdet och i sin förlängning när mottagar- af som symboliserar magnetfältet- spolen. Detta uppnås genom en i huvudsak symmetrisk places ring av spolarna i förhållande till det aktuella mätomrâdšt och där sändarspolen, mätomrâdet och mottagarspolen ligger på en och samma cirkelbàge och där cirkelbàgen vid mätom§§ rådet är krökt utåt. En närmare specificering av spolarnåå placering kommer att redovisas av bifogade figurer och, beskrivning av utföringsformer. Uppfinningen fungerar ävh vid mindre avvikelser frán en placering enligt ovan. Måtåf ningar med en anordning av spolarna enligt uppfinningen blir känsliga för mätobjektets rörelse vinkelrätt mot magnetfäí- tet vid mätområdet, dvs i x-riktningen, medan mätningarna? pâverkas endast marginellt av mätobjektets rörelser parallellt med magnetfältet, nedan angett som y-riktningar eller y-linje. Q? 1- De strömar som induceras i mätobjektet på grund av det med mätomrádet parallella magnetfältet koncentreras till mätom- rådet. Detta innebär att den spänning som induceras i mot tagarspolen huvudsakligen är betingad av magnetfältet i omrâdet och mottagarspolens läge. Därvid kommer mätobjektets form och läge utanför mätomràdet att ha en försumbar inver- kan pà mätningens resultat. få BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 506 154 4 En liten ändring av mätomrádets läge i x-riktningen resul- terar i en linjär ändring av den i mottagarspolen inducerade spänningen. Däremot är den i mottagarspolen inducerade spänningen stationär med avseende på små ändringar av mätom- rådets läge i y-riktningen. Detta innebär att mätsignalen är känslig för små lägesändringar vinkelrätt mot mätområdets yta men påverkas endast marginellt av små lägesändringar parallellt med mätomràdet. Lägesändringar vinkelrätt mot mätobjektets yta kan således mätas selektivt.

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. Magnetfältet som alstras när denna ström bryts har samma form som det kvasistationära fältet, men motsatt riktning. Därmed är fältet efter brytningen av strömmen fortsatt parallellt med mätomràdet. Vid matning av primärspolen med sinusformad växelström varierar fältets riktning vid mätomràdet under en period av växelspänningen.

För en korrekt mätning måste fältets riktning vid mätomràdet vara parallellt i medel under en period vilket är svårt att uppfylla.

Den inducerade spänningen i mottagarspolen som funktion av tiden efter det att den konstanta strömmen i sändarspolen har brutits består av en kortvarig och snabbt avtagande spänningspuls som induceras av det snabbt minskande magnet- fältet i luften mellan spolarna och mätobjektet och en be- tydligt långsammare avtagande spänningspuls som hänför sig till magnetfältet inom mätobjektet som avtar långsamt på grund av skineffekten (strömdiffusion). Den snabba spänn- ingspulsen direkt efter att sändarspolens matningsspänning har stängts av är väsentligen oberoende av mätobjektets elektriska ledningsförmàga och magnetiska permeabilitet och är huvudsakligen en funktion av magnetfältets geometri utan- för mätobjektet och resistansen i mätkretsen. Den snabba BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 sosÄàs4 5 spänningssignalen är i praktiken materialoberoende så länge dess varaktighet är kort jämförd med tiden för strömdiffu- sionen i mätområdet. Den inducerade spänningen kan utvär-å deras som ett mått på mätobjektets läge relativt spolarna.

Läget av mätobjektets mätområde på en linje vinkelrätt mçfi _ .m dess yta kan då beräknas.

Genomför man en mätning med en motsvarande uppsättning av* sändarspole och mottagarspole för mätning av läget hos ett mätomráde hos mätobjektet med en mätpunkt på x-linjens förlängning genom mätobjektet och med ett tangentialplan parallellt med tangentialplanet 7, kan man genom kombinäfiion av resultaten från de båda mätningarna bestämma längden i x-riktning mellan de båda tangentialplanen. Båda mätningarna kan göras samtidigt eller i snabb följd efter varandra;~~* 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- spolarnas matningsström bryts då normalt vid olika tidpunkt- er för att mätningarna inte skall påverka varandra. lf En mätanordning enligt uppfinningen är, vid användning av konstant matningsström genom sändarspolen som bryts eftenfien tid som är tillräcklig för skapandet av ett kvasistatiskt, magnetfält i luften, inom vida gränser oberoende av mät-_ objetets materialegenskaper såsom ledningsförmåga och per- meabilitet. Materialegenskaperna skulle påverka en liknafiåe induktiv mätning med sinusformad växelström. Eftersom varje spolsystem endast påverkas av mätobjektets yta inom ett litet mätområde oberoende av hela mätobjektets form kanf*F uppfinningen lätt anpassas till en stor mångfald av mät- objekt. Kravet på ett magnetfält i huvudsak parallellt med mätobjektets yta i mätomràdet kan åstadkommas på många olika sätt och tillåter således stor flexibilitet i placeringenflav spolarna. ^ BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 506 154 RITNINGSFÖRTECKNING Pig. 1 visar mätprincipen enligt uppfinningen.

Pig. 2 visar en principskiss av en mätanordning enligt upp- finningen.

Fig. 3 visar strömmen genom en sändarspole och den inducerade spänningen i en mottagarspole för ett mätförlopp.

Fig. 4 visar en mätanordning med tvâ ortogonala mottagarspo- lar.

Fig. 5 visar en mätanordning med två huvudsakligen parallella mottagarspolar.

Fig. 6 visar ett exempel för mätning av läge och mätt hos ett mätobjekt med två spolsystem enligt uppfinningen.

Fig. 7 visar principiellt de i en anordning enligt uppfinn- ingen ingående enheterna.

BESKRIVNING Av UTFÖRINGSFORMER I Fig. 2 visas en principskiss av en mätanordning för mät- ning av mätomràdets läge enligt uppfinningen. Den innefattar ett mätobjekt 1, en sändarspole 2 och en mottagarspole 3 som är anordnade på sådant sätt, att en tänkt magnetisk fält- linje 4 som utgår från sändarspolen 2 tangerar mätomràdet 5 och når mottagarspolen 3. Fältlinjen representerar det kvasistatiska magnetfältet som uppnås efter inkoppling av matning till sändarspolen med en konstant ström för en tid som är lång jämfört med tiden för diffusionen av ström och magnetfält i mätomràdet. En mätpunkt 6 inom mätomràdet tangeras av ett tangentialplan 7 i y-riktningen. Den under redogörelsen för uppfinningen omtalade x-linjen kommer nedan BNSDOCID: 10 15 20 25 30 35 506 354 7 av angivna skäl att omtalas som en symmetrilinje 8 vinkeíë rätt mot tangentialplanet i mätpunkten. Sändarspolen ochifl mottagarspolen placeras i huvudsak symmetriskt pà var si v sida av mätpunkten på ett sådant sätt, att spolarna och så mätpunkten huvudsakligen ligger på en och samma cirkelbågö 9 med ett centrum 10 utanför mätobjektet på symmetrilinjenëß.

Cirkelbàgens centrum väljs lämpligen som origo för avstånds- mätningar i x-riktningen, dvs längs symmetrilinjen. Spolar- nas axellinjer lla och llb genom spolarna justeras för opti- malt mätresultat. I en föredragen orientering av sândarsggle 2 tangerar spolens axellinje lla cirkelbàgen 9. I en likääw ledes föredragen placering av mätobjektet och mätområdet är vinkeln l2a mellan symmetrilinjen 8 och en linje från *ÉZ centrum 10 till sändarspolen lika med vinkeln l2b mellanff symmetrilinjen 8 och en linje från centrum till mottaga:-? .~. t spolen.

Att en mätanordning enligt uppfinningen inte är specielltf känslig för avvikelser från den föredragna placeringen enligt ovan innebär att anordningen ger relevanta mått'pä? ändring av mätomràdets läge om ändringen är mindre än 10-QO % av avståndet mellan mätomràdet och någon av spolarnaië in I Fig. 3 visas schematiskt strömmen I i sändarspolen ochëàen i mottagarspolen inducerade spänningen U som funktion avïï tiden t. Strömmen genom sändarspolen är konstant till tidë punkten tl, där den bryts. Strömmens varaktighet har då M* varit längre än tiden för magnetfältets inträngning i '“¿, mätobjektets material inom mätomràdet så att magnetfältet är kvasistatiskt. Efter att strömmen genom sändarspolen har , brutits, inducerar det avtagande magnetfältet i luften runt mätobjektet en spänningspuls S1 i mottagarspolen av kortïë varaktighet mellan tidpunkterna tl och t2. Därefter inducp- rar magnetfältet som diffunderar ut ur mätobjektet en mycket mindre och mera långsamt avtagande spänningspuls S2. Ett 1 mått på mätomrádets x-läge på symmetrilinjen 8 enligt Figï 2, eller mätomrádets avstånd fràn en given referenspunktšš BNSDOCID: 506 10 15 20 25 30 35 154 8 exempelvis ovannämnda cirkelbáges centrum 10, kan sedan härledas genom en linearkombination av integralen av spänningspulsen S1 mellan tl och t2 och integralen av den delen av spänningspulsen S2 som ligger mellan t2 och t3 enligt Fig. 2. Tidpunkten t3 väljes företrädesvis så att t3-t2 är av samma storleksordning som tidsdifferensen t2-tl.

Linearkombinationen M som således kan ge ett mått pà mätobjektets x-läge kan uttryckas som 12 13 Mw-jsrdwb-jsz-a: ll 12 där koefficienterna a och b väljs efter kalibrering med mät- objekt tillverkade av material med olika elektrisk lednings- förmåga 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.

I stället för en mottagarspole kan, i alternativa utförings- former, tvâ mottagarspolar användas. Fig. 4 visar två mot- tagarspolar 3a och 3b med gemensam mittpunkt 13 på cirkel- bâgen 9 och mittlinjer llb och llc vinkelräta mot varandra.

Den ena spolens mittlinje skall i en föredragen utförings- form med tvâ mottagarspolar vara riktad mot mätomrâdet. I Pig. 4 är detta spole 3a med mittlinjen llb riktad mot mät- punkten. Förhållandet mellan mätsignalerna från dessa två spolar är inom vida gränser huvudsakligen endast beroende av mätomràdets läge i x-riktningen.

Ytterligare en utföringsform med två mottagarspolar 3 och 4 visas i Fig. 5. Spolarna är här placerade på var sin sida av cirkelbågen 9 och med huvudsakligen parallella mittlinjer llb och llc parallella med symmetrilinjen 8.

I Fig. 6 visas ett exempel på hur man genom kombination av tvâ mätanordningar med två par samhörande sändar- och mot- BNSDOCID. 10 15 20 25 30 506 f“154 9 tagarspolar enligt uppfinningen kan bestämma dels tvà mått hos mätobjektet, dels mätobjektets läge och dels längden D på symmetrilinjen 8 hos mätobjektet i x~axelns riktning._: Fig. 6 erhålls genom spegling av Pig. 2 runt en linje 14¿» parallell med tangentialplanet 7. Alla speglade detaljerni Fig. 2 är försedda med ', exempelvis är 3' den speglade_nm mottagarspolen. Genom två mätningar enligt uppfinningen fås avstánden M1 och M2 från två referenspunkter, exempelvis-Q cirkelbågarnas centra 10 och 10', till mätområdenas mät-vf punkter 6 och 6'. Längden D kan då beräknas ur avståndet A mellan cirkelbàgarnas centra och avstànden M1 och M2 mellan mittpunkterna enligt J$ D = A _ (M1 + M2).

Differensen M1 - M2 ger information om mätobjektets place~ ring på linjen mellan cirkelbágarnas centra. »g En mätprocess med en anordning enligt uppfinningen som inne- fattar alstring av matningsströmmen till sändarspolarna,¿1 mätning och utvärdering av den över mottagarspolarna induce- rade 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- in analog elektronik medan utvärderingen av de integrerade ei signaler med avseende på mätobjektets mått och läge sker.med hjälp av digital teknik i en mikroprocessor. För att en an- ordning enligt uppfinningen skall fungera krävs sáledes~fiá enligt Fig.7 principiellt förutom sändar- och mottagarspolar en magnetiseringsenhet (15) för magnetisering av sändarf@¿ spolen och en beräkningsenhet (16). **¥ BNSDOCID:

Claims (10)

506 154 10 PATENTKRAV

1. Förfarande för beröringsfri mätning av mätt och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) och där förfarandet baseras pá elektromagnetisk induktion och ett tidsvarierande magnetfält, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att magnetfältets fältlinjer (4) alstras av åtminstone en sändarspole (2) som placeras så att fältlinjerna förlöper huvudsakligen parallellt med ett mätomràde (5) och tangerar en mätpunkt (6) hos mätobjektet och att åtminstone en mot- tagarspole (3) genomflödas av de med mätområdet huvudsak- ligen parallella fältlinjerna varvid i mottagarspolen induceras en spänning (S1, S2) som medger att mätobjektets mått och läge kan bestämmas.

2. Förfarande enligt patentkrav 1 för beröringsfri mätning av mätt och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) och som k ä n n e t e c k n a s av att det tidsvarierande magnetfältet alstras då en konstant ström i sändarspolen (2), med sådan varaktighet att magnetfältet kan betraktas som kvasistationärt, bryts.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 och 2 för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mät- objekt, och där den spänning (S1, S2) som induceras i mot- tagarspolen i samband med att strömmen i sändarspolen bryts vid en tidpunkt tl består av en spänningspuls S1 under en tid tl-t2 och en långsamt avtagande spänningspuls S2 med början vid tiden t2 och att förfarandet k ä n n e - t e c k n a s av att ett mått M på mätobjektets läge på en symmetrilinje (x) vinkelrätt mot ett tangentialplan (7) i mätpunkten (6) i mätomrádet (5) hos mätobjektet bestäms enligt M=a-:íS1~dt+b-TS2-dt n Q BNsoomo: 5G6 §i54 11 där tidpunkten 1:3 företrädesvis väljs så at: tiden cs-iz av samma storleksordning som tiden t2-tl och där koefficien- terna a och b väljs efter kalibrering med mätobjekt tillver- kade av material med olika elektrisk ledningsförmàga så att skillnade i M mellan materialen blir så liten som möjligti'

4. Anordning för att genomföra förfarandet enligt pateätÉ¿ krav 1 för beröringsfri mätning av mätt och läge hos ettPï# elektriskt ledande mätobjekt (1), och att anordningen innëß fattar åtminstone av ett par samhörande spolar bestående åv en sändarspole (2) och en mottagarspole (3) och där sänääšï spolen alstrar ett tidsvarierande magnetfält och att anord- ningen är k ä n n e t e c k n a d av att sändarspolen äïl placerad så i förhållande till en mätpunkt (6) i ett mätom* råde (5) hos mätobjektet att fältlinjer (4) som utgår från sändarspolen i huvudsak är parallella med ett tangentialpïan ,, -zgfi (7) i mätpunkten.

5. Anordning för beröringsfri mätning av mått och lägevii ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav Û; k ä n n e t e c k n a d av att sändarspolen (2) och motfte tagarspolen (3) är anordnade i huvudsak symmetriskt på vag mätpunkt och mottagarspole huvudsakligen ligger på en ochfï samma från mätpunkten utàtvänd cirkelbâge (9) med centrumëf (10) pá symmetrilinjen.

6. Anordning för beröringsfri mätning av mätt och lägeïfiäš ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav Qhmä k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar"efiåš integrerad magnetiseringsenhet (15) som avger en konstanthn ström i såndarspolen, med sådan varaktighet att magnetfälfiët kan betraktas som kvasistationärt, och att det tidsvarieeåš rande magnetfältet uppstår då den konstanta strömmen brytï; i, .i ' .Ar BNSDOCID: 506 154 12

7. 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 anordningen innefattar en integrerad beräkningsenhet (16) som har den, i samband med att strömmen i sändarspolen bryts vid en tidpunkt tl, i mot- tagarspolen inducerade spänningen, bestående av en spänn- ingspuls 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 mätt M pá mätobjektets läge på en symmetrilinje (x) vinkelrätt mot ett tangentialplan (7) i en mätpunkt (6) i ett mätområde (5) hos mätobjektet enligt 12 ß M=a-j's1-a:+b-js2~¿: :l :2 där tidpunkten t3 företrädesvis väljs så att tiden t3-t2 är av samma storleksordning som tiden t2-tl och där koefficien- terna a och b väljs efter kalibrering med mätobjekt tillver- kade av material med olika elektrisk ledningsförmåga så att skillnaden i M mellan materialen blir så liten som möjligt.

8. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 4 och 5, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar 2 mottagarspolar (3a, 3b) med gemensam mittpunkt (13) på cir- kelbágen (9) och mittlinjer llb och llc vinkelräta mot var- andra och där den ena spolens mittlinje är riktad mot en mätpunkt (6) i ett mätområde (5) hos mätobjektet.

9. Anordning för beröringsfri mätning av mätt och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 4 och 5, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar 2 mottagarspolar (3, 4) med mittpunkter l3b och l3c på var sin sida av cirkelbàgen (9) och med huvudsakligen parallella mittlinjer llb och llc parallella med en symmetrilinje (8) BNSDOCID: 506 154 13 vinkelrätt mot ett tangentialplan (7) i en mätpunkt (6) i¿” ett mätomrâde (5) hos mätobjektet. äg

10. Anordning för beröringsfri mätning av mått och läge hos ett elektriskt ledande mätobjekt (1) enligt patentkrav 4 och 5, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar två par samhörande sändar- och mottagarspolar (2, 3 och _ 2', 3') placerade med gemensam symmetrilinje (8) för bestäm- ning av màtten M1 och M2 för mätobjektets tvâ utàtvända måt- punkter (6, 6') på symmetrilinjen. M BNSDOCID: