使用脉冲涡流系统的厚度测量的制作方法

1.本公开涉及借助脉冲涡流(pec)系统对导电材料的物体的厚度进行非接触测量，该pec系统包括：发射器，被配置成产生变化的电磁场，该变化的电磁场在被布置在其内的物体中感应产生涡流；以及接收器，被配置成检测由涡流产生的变化的电磁场。


背景技术：

2.pec(例如，如us 5,059,902中所述)已成功应用于诸如电阻率、有色金属板厚度和边缘位置之类机械量的测量。
3.该方法的工作原理是在发射器线圈中使用dc电流而在被测板中产生静态磁场。然后，通过关断电流突然移除磁场，将磁能存储在合适的负载电阻器中。测量由电流切断产生的第一脉冲，并且其积分可以用于确定板与线圈之间的距离。
4.在发射器线圈中的电流已经衰减后，可以开始测量由施加的磁场的突然变化而在板中感应产生的涡流。由板中涡流的快速衰减而引起的磁场变化可以感应产生小信号，可以对该小信号进行测量和分析以推导出板的电阻率和厚度。
5.涡流最早衰减的部分与厚度无关，并且可以用于衡量板的电阻率。后面的部分取决于薄层电阻，因此它取决于电阻率除以厚度。在计算电阻率和薄层电阻之后，可以推导出板的厚度，例如，如us 6,661,224中所述。
6.us 7,701,205公开了一种测量板厚度的pec方法，其中发射器线圈被放置在板的一侧并且接收器线圈被放置在板的另一侧。
7.上述文献所述技术的一个潜在缺点是物体两侧都需要线圈系统，例如板。由于基于pec的测量系统中线圈系统与物体之间的距离出于根本原因必须非常小(《20mm)，因此需要将物体以物理方式安装在线圈系统之间限制了一般适用性。以上技术不可用的一个重要示例是管壁厚度的测量，其中通常不可能使其中一个线圈系统位于管内。另一个重要示例是轧制过程期间宽金属带(》1.5m)中间厚度的测量，其中实际上不可能以足以在厚度测量中达到所需准确度的高精度，以将两个线圈系统保持在相对于彼此的恒定位置上。到目前为止，无法将上述技术用于这些测量应用已经影响了pec技术在金属行业中用于厚度和电阻率测量的一般适用性。
8.在us 5,059,902中，描述了一种确定物体的电阻率和厚度的通用技术。这项技术能够用于确定物体的厚度，无论是对于具有不同类型材料和厚度但准确度相对较低的一般情况，还是对于对材料和厚度范围限制更多且准确度更高的一般情况。这是因为实施us 5,059,902的方法是不实用的，该方法为每组位置、电阻率和厚度给出三个测量值，其中测量值与物理参数之间的所有关系都是非线性的且未知的。为了使用测量值来确定位置、电阻率和厚度这三个变量，必须使用不同的测试板进行测试测量以建立关系并对其进行描述，然后使用它们来确定物理参数。作为示例，如果物体的厚度可以变化10倍，举例来说从0.5mm到5mm，则电阻率可以变化10倍，举例来说从20nωm到200nωm。如果物理参数所需的测量准确度为0.1％，即当今金属行业的正常准确度等级，则必须至少对物理参数值的每
2％的变化进行测试测量来建立关系，这是因为物理参数与测量之间的关系是强非线性的且未知的。这样的结果是，对于该示例，必须执行大约14000次电阻率和厚度参数具有不同值的测试，这意味着必须生产和测试相同数量的测试物体、板以提供足够的信息。出于实际的和经济的原因，可能无法处理那么大量的测试对象。要基于us 5,059,902创建有效的测量方法，必须接受较低的准确度，或者在更加受限的参数区域内使用该方法。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种改进的借助脉冲涡流测量来确定导电材料的物体o的厚度的方式。
10.根据本发明的一方面，提供了一种借助pec系统对导电材料的物体的厚度进行非接触测量的方法，该pec系统包括发射器线圈和接收器线圈。该方法包括：在预定供应时间段期间，向发射器线圈供应恒定电流，所供应的电流产生穿透物体的电磁场。该方法还包括：在供应时间段之后，在开始时间点t0之后，关断所供应的电流，从而产生衰减磁场并在物体中产生感应涡流。该方法还包括：在接收器线圈处，在从所述开始时间点t0开始的预定测量时间段期间，测量衰减磁场感应产生的电压。电压通过积分转换为磁通量，并在第一时间点t1、第二时间点t2和至少一个稍后的时间点t3处进行测量。该方法还包括：通过将在第一时间点t1处测量的通量φ
plate
与不存在物体时由接收器线圈拾取的预定总通量φ0进行比较，计算由涡流在第一时间点t1处产生并由接收器线圈拾取的总磁通量φ1，其中第一时间点t1设置成满足不存在物体时第一时间点t1的磁通量φ(t1)为零的规定的最早时间。该方法还包括：使用计算的总磁通量φ1作为归一化因子，对由涡流产生并由接收器线圈拾取的所测量的磁通量φ
ec
进行归一化，使得归一化的涡流通量与物体与发射器线圈和接收器线圈之间的距离无关，由此归一化的涡流通量在第一时间点t1处为零并在涡流消失后的某个时间为1。该方法还包括：使用时间常数t作为归一化因子，将归一化的涡流通量与归一化时间τ相关联，使得当实际时间t＝t1时τ＝0，并且当涡流已扩散到刚刚到达物体的背离发射器线圈的表面时，在关断供应的电流之后的某个时间时τ＝1，由此归一化的涡流通量与从τ＝0到τ＝1的归一化时间间隔内的厚度无关，并且与物体在高于τ＝1的时间的电阻率无关。该方法还包括：基于在第一时间点、第二时间点和稍后的时间点处的测量结果，确定物体的厚度和电阻率，其中第二时间点t2设置成处于从τ＝0到τ＝2的归一化时间间隔内，并且至少一个稍后的时间点t3设置成使得τ》2。
11.根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机程序产品，其包括计算机可执行部件，当计算机可执行部件在包括在控制器中的处理电路上运行时，该计算机可执行部件用于使pec系统的控制器执行本公开的方法。
12.根据本发明的另一个方面，提供了一种用于非接触测量导电材料的物体的厚度的pec系统。该pec系统包括发射器线圈、接收器线圈和控制器。该控制器包括处理电路和存储可由所述处理电路执行的指令的存储装置，由此所述控制器可操作用于执行本公开的方法的实施例。
13.根据本发明，通过对磁通量进行归一化并将其与归一化时间相关联，物体的厚度和电阻率可以通过不同时间点的pec测量明确确定。
14.应当注意，在适当的情况下，任何方面的任何特征都可以应用于任何其他方面。同样，任何方面的任何优点都可以应用于任何其他方面。从以下详细公开、所附从属权利要求以及附图中，所附实施例的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
15.通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语均应根据其在技术领域中的普通含义进行解释。除非另有明确说明，否则所有对“一(a)/一个(an)/所述元件、设备、部件、器件、步骤等”的引用均应公开解释为指代元件、设备、部件、器件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照公开的确切顺序执行。为本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等只是为了将特征/部件与其他类似特征/部件区分开来，而不是为这些特征/部件赋予任何顺序或层次结构。
附图说明
16.将参考附图通过示例的方式对实施例进行描述，其中：
17.图1是根据本发明的一些实施例的pec系统的示意性框图。
18.图2示出了根据本发明的一些实施例的由恒定的发射器电流穿过pec系统的发射器线圈产生的磁场，在磁场完全穿透板后，即涡流无关已经消失并且磁场的分布与板的存在无关。
19.图3示出了根据本发明的一些实施例的在发射器电流被切断后不久在图1的pec系统中由板中的涡流产生的磁场。
20.图4是显示了根据本发明的一些实施例的对于具有不同电阻率(ρ)和不同厚度(d)的板的归一化的涡流通量作为实际时间(t)的函数的曲线图。
21.图5是显示了根据本发明的一些实施例的对于与图4中相同的板，从τ＝1到τ＝10的归一化的涡流通量作为归一化时间(τ)的函数的曲线图。
22.图6是本发明方法的一些实施例的示意性流程图。
23.图7是根据本发明的一些实施例的pec系统的控制器的示意性框图。
具体实施方式
24.现在将在下文中参考示出了某些实施例的附图对实施例进行更全面地描述。然而，在本公开的范围内可能有许多不同形式的其他实施例。确切而言，通过示例的方式提供以下实施例是为了使本公开彻底和完整，并且向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个说明书中相同的数字表示相同的元素。
25.图1示出了布置成用于测量物体1的厚度d的pec系统10的一个实施例，物体1通常是导电材料的板(也可以称为金属片或金属条)，该导电材料通常诸如al之类的有色金属导电材料，该物体具有第一(此处为下)侧4a和第二(此处为上)侧4b。在图中，板状物体1具有垂直于图的平面的纵轴。在本文中，物体1被例示为板，但是在一些实施例中该物体可以具有其他形状。
26.pec系统10包括发射器的发射器线圈2和接收器的接收器线圈3。在图中，发射器线圈2和接收器线圈3都布置在物体1的同一侧，这在一些实施例中是优选的。然而，在一些其他实施例中，接收器线圈3可以相对于发射器线圈2布置在物体1的相对侧。
27.发射器线圈2配置成产生所提供的电磁场的突然变化，这在布置在电磁场内的物体1中感应产生涡流，并且接收器线圈3配置成允许通过变化的电磁场在其中感应产生电压，该变化的电磁场例如首先是在关断穿过发射器线圈的电流时由崩溃的磁场产生，然后是由涡流产生。
28.pec系统10可以包括控制器6，其用于经由例如如图中虚线所示的控制信令控制发射器和接收器。控制器6还可以配置有用于分析由物体1中的涡流在接收器线圈3中感应产生的电压以确定物体的厚度d的电路，如下文所进一步描述的。该控制器可以形成为单独的装置，或者与发射器和/或接收器部分或完全集成。控制器6可以例如包括与发射器和接收器分开布置的中央控制器装置以及与发射器和/或接收器集成的一个或多个分布式控制器装置。
29.涡流的归一化
30.为了能够从涡流的测量结果中计算厚度d和电阻率ρ，需要知道这些电流的大小。当关断发射器电流i
tr
时，板1中产生的涡流大小取决于发射器线圈2的尺寸、发射器电流i
tr
的大小以及线圈2与板1之间的距离d。为了根据本发明测量涡流大小，测量由接收器线圈3拾取的由发射器电流i
tr
产生的总通量φ0，如下文所解释。
31.图2显示了流经发射器线圈2的由发射器电流i
tr
产生的磁场b(b表示磁通量/场密度，通常也称为磁场)的横截面。发射器线圈的横截面被示出为两个内部(未填充的)点，表示线圈的一匝垂直穿过图的平面的位置。接收器线圈3的横截面被视为两个外部(填充的/黑色)点。在图2和3的示例中，发射器线圈2因此例如同心地位于接收器线圈3内，但在本发明的其他实施例中，发射器线圈和接收器线圈可以以其他方式相对于彼此定位，例如沿平行于板1的轴并排定位。优选地，发射器线圈和接收器线圈在使用时都位于板的同一侧。场线与具有单匝的圆形发射器线圈2一致，但是根据应用的不同，发射器线圈和接收器线圈中的任意一个可以具有任何合适的形状和/或任何匝数。
32.在图2的示例中，磁场分布被显示为在施加恒定的(dc)发射器电流后经过足够长时间的磁场分布，此时涡流的可能影响已经消失。那么，场b的分布与板1的存在无关。
33.接收器线圈3的每一匝所拾取的总通量φ根据定义等于接收器线圈3的匝所环绕的表面s上的磁场密度b的表面积分：
[0034][0035]
在接收器线圈3的每一匝中感应产生的电压v的大小通过法拉第定律获得为磁通量的时间导数：
[0036][0037]
当不存在板1时，一旦已切断发射器电流，磁场就会迅速消失。通过求从紧接在切断电流前的时间t0直到电流在时间t1成功关断后在接收器线圈3中感应产生的电压的积分，其中如果不存在板1，则φ(t1)＝0，通过以下方式获得如表面积分(上述)所定义的由接收器线圈3拾取的总通量φ0：
[0038][0039]
如上所述，第一时间点t1设置为如果不存在板1，则磁通量φ(t1)为零。然而，应当注意，当关断发射器线圈中的电流时，穿过发射器线圈的电流会呈指数下降，并且在数学意义上不会达到零。因此，这里的磁通量φ(t1)为零意指通量可以忽略不计、低于检测阈值或基本上为零。
[0040]
实际上，发射器电流无法立即关断。所需时间t1取决于pec系统10的电感、电容以及任何阻尼电阻器的值。因此，时间t1是一个取决于系统10的设计参数的常数。
[0041]
当存在板1时，板中感应产生的涡流努力维持板中的磁场b，该磁场b在发射器电流i
tr
被切断之前直接存在。在这种情况下，时间t1的磁场变为如图3所示。
[0042]
图3中板1上方的磁场b与图2相同。通过板中涡流的对称性，该场被镜像到板1下方。图3中的场b仅由涡流产生，并且与涡流大小成比例。
[0043]
当存在板1时，由接收器线圈3拾取的由涡流在时间t1产生的总通量φ(t1)被指定为φ1。通过再次求从时间t0到t1在接收器线圈3种感应产生的电压v的积分，但现在在存在板1的情况下，得到：
[0044][0045]
从这一关系可以得到φ1，其将作为归一化因子来消除测量结果对系统10的板1与线圈2和线圈3之间的距离d的依赖性：
[0046]
φ1＝φ
0-φ
plate
。
[0047]
通量的归一化
[0048]
为了测量涡流(ec)的时间依赖性，在时间t1开始积分并在另外的时间t内进行积分：
[0049][0050]
以这种方式测量的量在t
→
t1时为零，并且随着涡流和磁通量被板1的电阻率耗散而随时间增加。为了消除对距离d的依赖性，将其归一化为测量开始时的总通量φ1：
[0051][0052]
这会产生归一化的涡流通量，其从零开始(对于t＝t1)并在所有涡流消失后达到一(即1)。
[0053]
现在将根据这一个归一化的涡流通量对pec测量结果的时间依赖性进行描述。
[0054]
在时间t1，涡流集中到板1的最靠近发射器线圈2的表面(图2和3中的底面4a，见图1)。然后，由于板的电阻率ρ的影响，涡流会消散并散开。对于早期时间，板的厚度d没有影响，因此时间依赖性仅取决于电阻率。对于之后时间，时间依赖性更加复杂并且取决于电阻率和厚度。
[0055]
作为示例，图4描述了具有三种不同厚度d(分别为1.5mm、3mm和4.5mm)的六个板1
的归一化的涡流通量的时间依赖性，每个板分别具有两个不同的电阻率ρ，即，28nωm和56nωm。
[0056]
如在图4中可见，对于原点设置在t1时的10μs以下的时间，对应于具有相同电阻率的板的所有曲线重合。在该时间范围内，测量结果仅取决于电阻率。然后，随着时间的增加，曲线彼此分离。
[0057]
时间的归一化
[0058]
在解决数学物理中的问题时，标准程序通常是引入归一化变量作为一种手段来简化对所涉及的不同参数的依赖性。如将看到的，这种应用于pec技术的程序将大大减少提供用来校准用于从被测样本计算厚度和电阻率的模型所需的信息所需的测试物体。
[0059]
在这种情况下，切断发射器电流i
tr
产生的涡流的耗散可以通过三维扩散方程进行描述，并且可以将时间归一化为问题的特征时间尺度，即
[0060][0061]
其中t是对应于扩散速率的时间常数，d是板的厚度，ρ是板的电阻率，并且μ0是真空磁导率。在已经确定物体1的厚度d和电阻率ρ之前，可以基于物体1的例如如由物体制造商给出的标称厚度来估计/计算时间常数t，以及从对物体的pec测量结果以迭代方式估计的电阻率。ρ的第一个假设值给出了t的估计值，这从而确定新的ρ，而新的ρ又可以用于估计新的t，依此类推，直到可以以期望的精度计算t。
[0062]
特征时间尺度描述了涡流扩散并到达背离发射器线圈2的表面(即图2和3中的顶表面4b，见图1)所花费的时间。这也是在此之后归一化的涡流通量的时间依赖性受板1的厚度d影响的时间。
[0063]
如果将归一化的涡流通量与归一化时间τ作图，则得到一个更简单的关系，如图5所示，其中τ定义如下：
[0064][0065]
其中t是完全关断发射器电流后的实时时间，即，t1。于是，当实际时间t＝t1时，归一化时间τ＝0。τ的值、例如2表示实际时间t(通常以微秒为单位)对应于被测板1的两个时间常数t。
[0066]
在图5中，对于与图4相同的六个板1，消除了对电阻率ρ的依赖性，并且测量结果仅取决于厚度d。通过这种方式大大简化了从归一化的涡流通量的测量结果中对电阻率和厚度的推导。这表明可以例如参考预先准备的标准或校准曲线明确确定厚度d。举例来说，可以将具有已知厚度和不同电阻率的多个物体(通常是板)的旧测量结果输入到本领域中公知的合适的黑箱模型中。
[0067]
以归一化时间表示，第一次测量在早期时间τ2执行，此时归一化的涡流通量(τ2)仅取决于板的电阻率。为了实现这一点，归一化时间τ2应小于，或在一的数量级(即1)上。在本发明的一些实施例中，第二时间点t2设置成处于τ＝0到τ＝2、优选τ＝0.8到τ＝1的范围内。
[0068]
然后，在之后的归一化时间τ3执行第二次测量，此时归一化的涡流通量(τ3)仅取决于板的厚度。该归一化时间τ3的值可以基于确定系统10的性能的其他标准、诸如接收器线圈3处的信噪比进行选择。至少2和/或小于10的值适用于τ3。在本发明的一些实施例中，第三时间点t3设置成处于从τ＝3到τ＝10、优选从τ＝4到τ＝7的归一化时间间隔内。
[0069]
为了便于从测量的信号计算厚度和电阻率，或为了提高信噪比，可以适当地针对第三时间点在该归一化时间区域内的各个之后时间点执行多次测量，而不是仅在第三时间点t3处进行一次测量。因此，在本发明的一些实施例中，在(本文中为至少一个)第三时间点t3由衰减磁场感应产生的电压的测量包括在相应的之后(第三)时间点的至少两次测量，例如包括在之后时间点的两次测量或由其组成，该之后时间点诸如第一个之后时间点和第二个之后时间点(第二个之后时间点与第一个之后时间点不同)，通常两者都在从τ＝3到τ＝10、优选地从τ＝4到τ＝7的标准化时间间隔内。
[0070]
可以尽可能频繁地重复物体1的厚度测量，以便给出具有随时间变化的厚度的物体的密集样本。例如，这将是在测量轧机生产的材料的厚度时的情况。厚度测量之间的间隔应该长到足以防止与先前的一次或多次厚度测量相关的物体中感应产生的涡流的任何影响干扰之后的一次或多次厚度测量。
[0071]
经验表明，如果供应时间段长到当关断电流时归一化的涡流通量已达到约三分之二，则在速度与准确度之间获得适当的平衡。
[0072]
该过程的时间尺度可以通过物体1(通常是板)的所谓薄层电阻率确定。薄层电阻率定义为物体的电阻率除以其厚度。那么，以微秒为单位的合适供应时间可以计算为板厚度，通常是物体1的以μm为单位的标称厚度除以以nωm为单位的电阻率并乘以17。
[0073]
为了确定特征时间尺度，了解待测板的电阻率ρ和厚度d可能便于此。通常，板的标称厚度是已知的并且可以从测量结果中获得电阻率，由此可以以迭代方式获得正确的时间尺度。如果厚度事先未知，通过迭代仍然可以进行厚度测量。
[0074]
图6是示出了本发明方法的一些实施例的流程图。该方法用于通过pec系统10对导电材料的物体1的厚度d进行非接触测量，该pec系统包括发射器线圈2和接收器线圈3。该方法包括：在预定供应时间段期间，向发射器线圈2供应s1恒定电流，所供应的电流产生穿透物体1的电磁场b。该方法还包括：在供应时间段之后，在开始时间点t0之后，关断s2供应的电流，从而产生衰减磁场b并在物体中产生感应涡流。该方法还包括：在接收器线圈3处，在从所述开始时间点t0开始的预定测量时间段期间，测量s3衰减磁场在第一时间点t1、第二时间点t2和至少一个之后或第三时间点t3处感应产生的电压。该方法还包括：通过将在第一时间点t1处测量的通量φ
plate
与不存在物体时由接收器线圈3拾取的预定总通量φ0进行比较，计算s4由涡流在第一时间点t1处产生并由接收器线圈拾取的总磁通量φ1，其中第一时间点t1设置成满足不存在物体时第一时间点t1的磁通量φ(t1)为零的规定的最早时间。该方法还包括：使用计算s4的总磁通量φ1作为归一化因子，对由涡流产生并由接收器线圈3拾取的所测量的磁通量φ
ec
进行归一化s5，使得归一化的涡流通量与物体1与发射器线圈和接收器线圈之间的距离d无关，由此归一化的涡流通量在第一时间点t1处为零并在涡流消失后的某个时间为1。该方法还包括：使用时间常数t作为归一化因子，将归一化的涡流通量与归一化时间τ相关联s6，使得当实际时间t＝t1时τ＝0，并且当涡流已扩散到刚
刚到达物体1的背离发射器线圈2的表面4b时，在关断供应的电流之后的某个时间时τ＝1，由此归一化的涡流通量与从τ＝0到τ＝1的归一化时间间隔内的厚度d无关，并且与物1体在高于τ＝1的时间的电阻率ρ无关。该方法还包括：基于在第一、第二和较晚时间点处的测量结果，确定s7物体1的厚度d和电阻率ρ，其中第二时间点t2设置成处于从τ＝0到τ＝2的归一化时间间隔内，并且至少一个较晚时间点t3设置成使得τ》2。
[0075]
图7示意性地示出了本公开的控制器6的实施例。控制器6包括处理电路61，例如中央处理单元(cpu)。处理电路61可以包括一个或多个微处理器形式的一个或多个处理单元。然而，处理电路61中可以包括具有计算能力的其他合适设备，例如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或复杂可编程逻辑器件(cpld)。处理电路61配置成运行存储在一个或多个存储单元、例如存储器的存储装置62中的一个或数个计算机程序或软件(sw)63。存储单元被视为计算机可读器件，与作为如本文所讨论的计算机可执行部件存储在其上的sw 63一起形成计算机程序产品62，并且可以是例如随机存取存储器(ram)、闪存或其他固态存储器、或硬盘，或者其组合的形式。处理电路61还可以配置成根据需要将数据存储在存储装置62中。控制器6可以配置成执行本公开的方法。
[0076]
以上主要参考几个实施例对本公开进行了描述。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如所附权利要求定义的本公开的范围内，除了以上公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。