专利名称:一种测量设置在金属物件上的金属层的厚度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量设置在例如金属片或者金属条带的金属物件上的金属层的厚度的方法和装置。例如，本发明适用于测量由不同类型的铝合金制成的金属层和金属物件的厚度。
现有技术
如今在金属物件的生产当中，比如金属片和金属条带，生产具有多层不同金属或者金属合金的物件是比较普遍的。金属合金物件可以使用例如与该物件不同的其他合金的薄膜或者层来保护它。比如，某种特定合金的铝板可以使用具有良好抗腐蚀性的其他合金的表面层来镀覆。在生产这种物件时，从生产两个厚的金属片开始，将它们放在一起然后将这个叠放的金属片在滚轧机中滚轧成所需要的厚度。这种生产方法的问题是不同的金属片在形变时可能有不同的流动(floating)特性因此在滚轧时两个金属片的压缩会不同。相应地这种金属片的生产商有测量金属层的厚度的需要。此外为了理解在滚轧处理中发生的材料的变化，对于测量层电阻率是有兴趣的。
滚轧机包括至少两个滚筒和一个用来控制滚筒之间的间隙从而控制生产的物件的厚度的厚度控制系统。为了控制厚度，在滚轧后，也就是说在物件经过滚轮之后，在条带上至少一个点处测量物件的厚度。这个测量值连同物件厚度的期望值被用作厚度控制的输入。
目的和
发明内容
本发明的目的是提供一种测量设置在金属物件上的金属层的厚度的方法。
该目的通过权利要求
1中定义的方法来实现。
这个方法包括如下步骤在靠近金属层的附近产生磁场，产生磁场变化使得在金属层的表面产生感生电流，在比感生电流传播通过金属层所需的时间长的时间期间测量由感生电流引起的金属层外的磁场变化，基于层的厚度和磁场变化的测量值之间的数学关系来确定层的厚度。
具有不同成分的金属和金属合金具有不同的电阻率。本发明利用以下事实感生电流随时间透入材料的深度取决于材料的电阻率以及金属层具有与金属物件不同的电阻率。根据本发明，靠近金属层产生一个随时间变化的磁场。随时间变化的磁场在该层的表面感生出电流。感生电流传播通过该层并进入到金属物件中。这个感生电流产生出第二磁场。第二磁场随时间的变化在感生电流传播通过金属层和进入金属物件时在金属层的外部被测量。第二磁场的变化使用线圈来恰当地测量。因此磁场的变化通过测量线圈上的电压来测量。
穿过线圈的磁场的大小取决于感生电流的透入深度。因此电磁场在感生电流传播通过金属时减弱。在感生出电流的时间点之后的确定时间里透入深度是和透入的材料的电阻率的平方根成正比的。相应地，在感生电流经过金属层和金属物件的边界的时间点，测量的电压(也就是电磁场的变化)存在变化。通过使用磁场变化、传播时间和所传播材料的
4电阻率之间已知的数学关系，以及感生电流的透入深度、传播时间和所传播材料的电阻率之间已知的数学关系，可以推导出层的厚度和磁场变化的测量值之间的关系。根据本发明， 该关系可以用来确定层的厚度。
本发明使得可以自动确定设置在金属物件上的金属层的厚度。此外本发明使得可以与金属层或者金属物件无接触地确定层的厚度。因此根据本发明所采用的方法适用于生产包括设置在金属片或者金属条带上的金属层的产品，比如用于控制层的厚度。
尽管可以使用不同类型的磁场变化，但是以阶跃函数来产生这种变化是比较适合的，在阶跃函数中磁场突然地变化到一个与其以前数值相当不同的值。磁场可以降低到一个显著低的值，或者磁场可以增加到一个显著高的值。例如该变化通过突然使磁场降低到零来产生。这种阶跃函数很容易产生而且方便层的厚度的计算。
根据本发明的一个实施例，方法包括检测何时磁场变化的测量值从具有与层相同的电阻率的均质物件中磁场变化的期望值偏离，和以此为基础，估算感生电流传播通过层并到达金属层和金属物件之间的边界所用的时间，以及基于层的厚度和感生电流到达金属层和金属物件之间的边界所用时间之间的数学关系确定层的厚度。
通过检测磁场的测量值何时从具有与层相同的电阻率的物件中磁场变化的期望值偏离，可以确定感生电流传播通过该层并到达金属层和金属物件的边界所需的时间，从而相应地确定感生电流在电流穿过层和物件之间的边界的时间点上的透入深度。确定层的厚度作为在电流穿过层和物件之间的边界的时间点的透入深度。
根据本发明的一个实施例，方法包括对所测量的磁场变化进行积分，和根据层的厚度与所测量的磁场变化值的积分之间的数学关系来确定层的厚度。本实施例利用透入深度与所测量的磁场变化的积分之间成正比的事实。对所测量值进行积分是有利的，因为其提供了稳定的测量值并且方便对测量的理解。
根据本发明的一个实施例，方法包括确定何时所测量的磁场变化的积分与时间的平方根之间的关系偏离线性关系，亦即电流穿过边界的时间点，并且以此为基础估算感生电流到达金属层和金属物件之间的边界所用的时间。本实施例利用以下事实在金属层的表面感生出电流后磁场变化的积分与时间的平方根之间存在线性关系，并且该线性关系取决于传播材料的电阻率。
透入深度与所测量的磁场变化的积分成正比。相应的，层的厚度与在感生电流穿过金属层和金属物件之间的边界的时间点处所测量的磁场变化的积分成正比。通过从感生出电流的时间点对所测量电压进行积分，获得磁场和其随时间的变化。如果积分的电压相对于时间的平方根用图表示出来，只要感生电流传播通过金属层将得到一条基本上的直线。直线的斜率与层的电阻率成正比。当感生电流已经透入该层以至于感生电流到达金属层和金属物件之间的边界并且开始透入物件时，图示中的直线的斜率将变化。
在感生电流已经传播通过物件材料中的一部分一段时间之后，再次得到一条基本上的直线，但是其具有不同的斜率。该直线的斜率与物件材料的电阻率成正比。相应地，在电流穿过层与物件之间的边界时，在测量电压的积分中有可检测到的变化，也就是磁场变化。这个变化使得可以确定在电流穿过金属层与金属物件之间边界的时间点处所测量的磁场变化的积分。基于在电流穿过金属层与金属物件之间边界的时间点处所测量的磁场变化的积分和预先确定的常量来计算层的厚度。[0018]根据本发明的一个实施例，方法包括确定所测量的磁场变化的积分和时间的平方根之间的关系偏离线性关系的时间点，亦即电流穿过边界的时间点，和以此为基础确定所测量的磁场变化在电流穿过边界时的积分。根据本实施例通过检测所测量的磁场变化的积分与时间的平方根之间的关系偏离线性关系的时间点来检测磁场变化的测量值何时从均质物件的磁场变化的期望值偏离。本实施例的优点在于容易检测测量值何时从线性关系偏
1 O
根据本发明的一个实施例，方法包括确定当所测量的磁场变化的积分与时间的平方根之间的关系偏离线性关系时的积分值(Iu (t δ))并且基于此估计正比于所确定的积分值的层的厚度。
根据本发明的一个实施例，方法包括在电流已经在金属层的表面感生出来之后并且在磁场变化要传播通过金属层之前，相对于时间的平方根绘图来计算所测量的磁场变化的积分的直线，当电流已经在金属层的表面感生出来之后并且磁场变化已经传播通过金属层之后，相对于时间的平方根绘图来计算所测量的磁场变化的积分的直线，和确定在电流穿过金属层和金属物件之间的边界的时间点时所测量的磁场变化的积分，作为在磁场变化已经传播通过金属层之前磁场变化的积分的直线与在磁场变化已经传播通过金属层之后磁场变化的积分的直线之间的交叉点。
根据本发明的一个实施例，方法包括基于在磁场变化已经传播通过金属层之前所测量的磁场变化来确定金属层的电阻率。在一些应用中存在确定层的电阻率和/或者物件电阻率的愿望。根据本发明的一个实施例，方法包括在磁场变化已经传播通过金属层之后基于所测量磁场变化确定金属物件的电阻率。由于所测量的电压与电阻率的平方根成正比这个事实，可以使用用于确定层的厚度的相同的测量值来确定层和物件的电阻率。另外，有利的是，确定层和物件的电阻率并且用所测量的电阻率方便了层的厚度的计算。
根据本发明的一个实施例，方法包括对所测量的磁场变化进行积分，检测经积分的测量值何时偏离具有和层相同的电阻率的物件的磁场变化的期望的积分值，和以此为基础，确定在电流穿过边界的时间点处所测量的磁场变化的积分，以及基于所测量的磁场变化在电流穿过金属层和金属物件之间的边界时的积分来确定层的厚度。
本发明另外的目的是提供用于测量设置在金属物件之上的金属层的厚度的装置。
这样的装置包括第一设备，其被布置用于在靠近金属层的附近产生磁场，并产生磁场变化使得在金属层的表面感生出电流；第二设备，其被布置用于测量在比电流传播通过金属层所用的时间长的时间期间由感生电流所引起的金属层外磁场变化；和计算单元， 其被配置用于接收所测量的磁场变化以及基于层的厚度和磁场变化的测量值之间的数学关系来确定层的厚度。
本发明现在将通过描述本发明的不同实施例以及参考附图进行进一步的说明。
图1示出根据本发明的用于测量在金属物件上的金属层的厚度的装置的一个示例。
图2示出根据本发明的用于测量在金属物件上的金属层的厚度的装置的另一示例。[0028]图3示出当产生磁场变化时通过发送线圈的电流的一个示例。
图4示出由于所产生的磁场变化在接收线圈上产生的电压。
图5示出相比较于和层具有相同电阻率的均质物件的电压的期望值，用于具有不同于物件的电阻率的电阻率的层的接收线圈上所测量的电压的示例。
图6示出由于所产生的磁场变化在金属层表面所感生的电流。
图7示出向着层和物件之间的边界移动的感生电流。
图8示出穿过层和物件之间的边界并移动通过物件的感生电流。
图9示出用于测量在金属物件上的金属层的厚度的装置的另一实施例。
图10示出相比较于具有和层相同的电阻率的均质物件的电压的积分的期望值， 用于具有和层不同的电阻率的物件的接收线圈上所测量的电压的积分的示例。
本发明优选实施例的具体描述
图1示出根据本发明的一个实施例的用于测量在金属物件1上的金属层2的厚度的装置。物件1由金属或者金属合金制成并且其上设置有电阻率和物件的电阻率不同的金属或合金层2。该层的厚度相比于物件的厚度较薄。例如，该层的厚度在0. Imm至Imm之间。物件1，例如是一张薄片，并且该层可以设置在这个片的一面或者双面上。层2的厚度 d待测量。
这个装置包括第一设备和电流供应装置7，第一设备被布置用于产生磁场并且定位于靠近金属层。第一设备包括线圈4，下文称作发送线圈，电流供应装置7用于向发送线圈4提供电流。第一设备被布置用于产生磁场和磁场的突然变化使得在层2的表面感生出电流。磁场变化的产生通过提供给发送线圈4中的电流变化而产生。装置还包括第二设备， 其被布置用于测量由感生电流所引起的在金属层外部的磁场变化。第二设备包括线圈5和测量仪器8，线圈5下文称作接收线圈，测量仪器8用于测量接收线圈上的电压。线圈4和 5布置在物件的与层2相同的面上。
这个装置还包括计算单元9，其被配置用来接收接收线圈5上所测量的电压以及基于来自测量仪器8的测量值来确定层的厚度。将测量值和取得测量值的时间点一起存储。因此，从产生变化开始直到取得测量值之间的时间可以计算。
图2示出根据本发明的用于测量在金属物件上的金属层的厚度的装置的另一示例。装置包括控制电路12，其被布置用于控制提供给发送线圈4电流。控制电路12连接到晶体管14的基极，晶体管14连接到发送线圈4。发送线圈4的相对端连接到地。晶体管 14被布置用于提供通过发送线圈到地的恒定的电流。另外晶体管14被布置用于实现电流从一个级别到另一级别的快速转变，比如切断电流。晶体管通过控制电路12来控制，其最好是数字式的。可替选地，可以在控制电路和发送线圈之间布置多于一个的晶体管。装置还包括布置于发送线圈4之上的放电电阻器16。在电流流过放电电阻器16的短时间内该晶体管立即关断。电路的完整衰减时间由电阻器16来确定。用于测量接收线圈5上的电压测量仪器包括微分放大器17和AD转换器19。来自AD转换器19的输出被传送到计算单元19。
布置发送线圈4和接收线圈5靠近层2并且优选地是使其中心轴线6朝向垂直于层的表面。在优选的实施例中发送线圈4被布置使得发送线圈的中心轴线与接收线圈的中心轴线同轴。然而，只要接收线圈感测由层和物件所引起的磁场随时间的变化，发送线圈和接收线圈也可以使用其他位置。发送线圈4和层2之间的距离取决于测量状况。小的测量距离提供好的测量结果，但是另外一方面由于带有层的物件是运动的，所以很难保持一个小的距离。这意味着在实际中测量距离在3到30mm之间是合适的。
发送线圈4的大小和匝数也取决于测量状况，使得当测量较薄层时线圈的电感应该较小和当测量较厚层时线圈的电感应该较大。这意味着在实际中当测量较薄层时线圈的匝数从几匝到大约10匝，当测量较厚层时线圈的匝数多达其十倍。接收线圈的匝数大体上是与发送线圈的匝数一样多。第二设备可以包括一个或多个接收线圈用来实现特定效果。 例如，可以用多个线圈来布置接收线圈5以实现装置独立于层间距。在另一实施例中同一线圈可以用作发送线圈和接收线圈。
图3示出在发送线圈4中的电流的示例。在一段时间内恒定电流馈送通过发送线圈4，该段时间足够在发送线圈周围产生的磁场透过层2和至少物件1的一部分，且该磁场变得稳定。之后，在起始时间tl，电流突然从一个值变化到另外一个值。在图2所示的示例中，这个变化通过突然切断通过发送线圈的电流来产生。电流在时间tl处被切断。由于发送线圈的电感和放电电阻器的电阻的作用，发送线圈内的电流并不立即切断。在时间点t2 上发送线圈中的电流降低到零。
图4示出由于图3中所示产生的磁场变化而引起的接收线圈5上的测量电压。如图中所示在时间tl和t2之间存在测量电压的峰值。在时间t2之前的测量电压不用于确定层的厚度。在时间点t2时不再通过发送线圈产生任何磁场，因为没有电流流经发送线圈。 然而，磁场的变化在层2的表面感生出了电流。该电流将被也将包围接收线圈5的磁场包围。接收线圈处磁场的强度取决于在层中所感生的电流大小以及电流和接收线圈之间的距
权利要求
1.一种用于测量设置在金属物件(1)上的金属层( 厚度的方法，其中所述金属层的电阻率(Pl)不同于金属物件的电阻率(P 2)，并且所述方法包括在靠近所述金属层的附近产生磁场，使所述磁场产生变化使得在所述金属层的表面感生出电流，在比电流传播通过所述金属层所用的时间长的时间期间测量由感生电流所引起的在所述金属层外的磁场变化，基于所述层的厚度和所述磁场变化的测量值之间的数学关系确定所述层的厚度(d)。
2.根据权利要求
1所述的方法，其中以阶跃函数产生所述变化，在所述阶跃函数中，所述磁场突然变化到与其以前值显著不同的数值。
3.根据前述权利要求
之一所述的方法，其中通过突然使所述磁场降低到零来产生所述变化。
4.根据前述权利要求
之一所述的方法，其中通过测量靠近所述层( 定位的线圈(5) 上的电压来测量所述磁场变化。
5.根据前述权利要求
之一所述的方法，其中所述方法包括检测何时所述磁场变化的测量值偏离具有与所述层相同的电阻率的均质物件中磁场变化的期望值，以及以此为基础估算所述感生电流传播通过所述层并到达所述金属层和所述金属物件之间的边界所用的时间，并基于所述层的厚度和所述感生电流到达所述金属层和所述金属物件之间边界所用的时间之间的数学关系来确定所述层的厚度(d)。
6.根据前述权利要求
之一所述的方法，其中所述方法包括对所测量的磁场变化进行积分，和基于所述层的厚度和所测量的磁场变化值的积分之间的数学关系确定所述层的厚度。
7.根据权利要求
5和6所述的方法，其中所述方法包括当所测量的磁场变化的积分与时间的平方根之间的关系偏离线性关系时确定积分值(Iu(t δ))以及基于此估算与所确定的积分值成正比的所述层的厚度。
8.根据权利要求
5和6所述的方法，其中所述方法包括确定所测量的磁场变化的积分与所述时间的平方根之间的关系偏离线性关系的时间点(t δ )，亦即所述电流经过所述边界的时间点，和基于此估算所述感生电流到达所述金属层和所述金属物件之间的边界所用的时间。
9.根据前述述权利要求
之一所述的方法，其中所述方法包括在所述磁场变化传播通过所述金属层之前基于所测量的磁场变化确定所述金属层的电阻率。
10.一个用于测量设置于金属物件(1)上的金属层(2)的厚度的装置，其中所述金属层的电阻率(Pl)不同于所述金属物件的电阻率(P 2)，其特征在于所述装置包括第一设备G，7)，其被设置用于在靠近所述金属层的附近产生磁场，和产生磁场变化使得在所述金属层的表面感生出电流，第二设备(5，8)，其被设置用于在比所述电流传播通过所述金属层的时间长的时间期间测量由感生电流所引起的在所述金属层外的磁场变化，以及计算单元(9)，其被配置用于接收所测量的磁场变化以及基于所述层的厚度和所测量的磁场变化值之间的数学关系确定所述层的厚度(d)。
11.根据权利要求
10所述的装置，其中所述第一设备包括提供有时变电流的线圈(4)并且所述第一设备被布置用于通过突然改变提供给所述线圈的电流来产生所述变化。
12.根据权利要求
10或11所述的装置，其中所述第二设备包括线圈(5)，并且所述第二设备被布置用于通过测量所述线圈上的电压来测量穿过所述线圈的磁场变化。
13.根据权利要求
10至12之一所述的装置，其中所述计算单元(9)被配置用于检测何时所述磁场变化的测量值偏离具有与所述层相同的电阻率的均质物件中磁场变化的期望值，以及以此为基础估算所述感生电流传播通过所述层并到达所述金属层和所述金属物件之间的边界所用的时间，并基于所述层的厚度与所述感生电流到达所述金属层和所述金属物件之间的边界所用时间之间的数学关系来确定所述层的厚度(d)。
14.根据权利要求
10至13之一所述的装置，其中所述装置包括积分器(17)，其被布置用于对所测量的磁场变化进行积分，并且所述计算单元(9)被配置用于接收所测量的磁场变化的积分，和基于所述层的厚度和所测量的磁场变化值的积分之间的数学关系确定所述层的厚度(d)。
15.根据权利要求
10至14之一所述的装置，其中所述计算单元(9)被配置用于在所述磁场变化传播通过所述金属层之前基于所测量的磁场变化确定所述金属层的电阻率。
专利摘要
本发明涉及一种用于测量设置在金属物件(1)上的金属层的厚度(2)的方法和装置。金属层的电阻率(p1)不同于金属物件的电阻率(p2)。该装置包括第一设备(4，7)，其被布置用于在靠近金属层附近产生磁场，并产生磁场变化使得在金属层的表面感生出电流；第二装置(5，8)，其被布置用于在比感生电流传播通过金属层的时间长的时间期间测量由感生电流引起的在金属层外的磁场变化；以及计算单元(9)，其被配置用于接收所测量的磁场变化并基于层的厚度和所测量的磁场变化值之间的数学关系来确定层的厚度(d)。
文档编号GKCN102356296SQ200980158128
公开日2012年2月15日 申请日期2009年3月17日
发明者伦纳特·特格尔, 斯滕·林德 申请人:Abb公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan