Brevet FR2589566A1 — publié le 19870507

PROCEDE DE MESURE AU DEFILE ET SANS CONTACT DE L'EPAISSEUR ET DE LA TEMPERATURE DE FEUILLES METALLIQUES MINCES AU MOYEN DE COURANTS DE FOUCAULT L'invention est relative à un procédé de mesure au défilé et sans contact de l'épaisseur et de la température de feuilles métalliques minces au moyen de courants de Foucault. L'homme de l'art connaît l'intérêt de pouvoir mesurer au défilé l'épaisseur de 0 feuilles métalliques sortant d'un laminoir de façon à pouvoir régler les paramètres de laminage dans les limites permettant soit de maintenir cette épaisseur constante ou de la faire varier à volonté saivant les besoins de l'utilisateur. Ce problème se pose en particulier dans le cas du laminage de feuilles minces, notamment en aluminium, dans la gamme d'épaisseurs se situant entre 8 et 2000 pm. En raison de l'accroissement des vitesses de laminage, on a de préférence recours pour effectuer cette mesure à des dispositifs dont l'élément de mesure n'a pas de contact avec la feuille afin de ne pas laisser de marque ni de perturber la mesure par usure progressive de l'élément de mesure. Il en est ainsi, par exemple, des dispositifs à rayonnement ou à courants de Foucault o l'élément de mesure fonctionne à une certaine distance de la feuille. Parmi ces solutions, celle qui met en oeuvre les courants de Foucault a pour avantage d'être simple, d'un coût peu élevé et d'une bonne fiabilité. Son principe est le suivant Une bobine primaire est alimentée sous un signal alternatif par un oscillateur; cette bobine crée donc un champ magnétique alternatif qui induit un courant dans une bobine dite secondaire selon le même principe qu'un transformateur et y développe une tension électrique. Lorsqu'on place une feuille métallique entre les bobines, le champ magnétique créé par la première bobine induit un courant dans la feuille. Ce courant crée à son tour un champ qui s'oppose à celui qui lui a donné naissance. Cela a pour conséquence de faire chuter la tension dans la deuxième bobine. Si l'on place une feuille plus épaisse, les courants induits sont plus importants et la tension chute encore plus dans la bobine secondaire. On peut ainsi mesurer l'épaisseur de la feuille d'aluminium en cours de laminage, sans contact en mesurant la tension développée dans la bobine secondaire. Cependant, ce type de mesure possède un inconvénient majeur: le courant induit est proportionnel au produit or x e (relation établie par Forster) o ' est la conductibilité de la feuille et e son épaisseur. Or, ae dépend non seulement de la composition du métal et de sa structure, mais aussi de sa température. Si en cours de laminage's d'une bande, on peut admettre l'homogénéité du produit, il n'en est pas de même de la température. En effet, il est connu qu'au cours du laminage de feuilles d'aluminium, le paramètre température peut varier de plusieurs dizaines de degrés. Il en résulte qu'un tel procédé appliqué à la mesure d'épaisseur à la sortie d'un laminoir va conduire à des mesures erronées du fait de l'interférence des effets de la température. C'est pourquoi la demanderesse a cherché et trouvé un procédé qui permette de mesurer simultanément l'épaisseur et la conductibilité et donc d'obtenir des valeurs correctes d'épaisseur, quelle que soit la température et/ou de mesurer sans contact la température de la feuille quelle que soit son épaisseur si on suppose constante sa conductibilité. Ce procédé de mesure au défilé et sans contact par courants de Foucault de l'épaisseur (e) en micromètres et de la température (9) en 'C d'une feuille métallique mince est caractérisé en ce que l'on crée d'un même côté de la feuille deux champs magnétiques distincts en appliquant à au plus deux bobines primaires (A1) et (A2) une tension V1 de fréquence N1 et une tension V2 de fréquence N2 de manière à développer respectivement les tensions induites V'I et V'2 dans au plus deux bobines secondaires (B1) et (B2) placées de l'autre côté de la feuille et en regard respectivement de (A1) et (A2), que l'on détermine une tension U1 en volts sur le circuit électrique mettant en jeu V1 et V'I et une tension U2 sur le circuit V2V'2, que l'on calcule les valeurs de e et de E de la manière suivante: 3 2589566 * On établit au préalable d'une part la relation U - K/e+C qui est obtenue en mesurant les tensions Uel créées par un champ de fréquence N1 lorsqu'il traverse des feuilles d'épaisseurs différentes mais ayant une température constante et de même les tensions U92 pour une fréquence N2 et déduit les valeurs des constantes CI1 et C2 correspondant respectivement aux valeurs de C pour les fréquences Ni et N2, sachant qu'on a réglé le O de l'appareil de mesure de tension sur une épaisseur de référence e0 et une température 9o, 10. d'autre part, la relation U - b+a9 qui est obtenue en mesurant les tensions Uel créées par un champ de fréquence Ni lorsqu'il traverse des feuilles ayant des températures différentes mais d'épaisseur constante et de même pour les tensions Ue2, le zéro de l'appareil de mesure de tension étant également réglé pour e0 et Eo et déduit les valeurs de constantes al, a2 et bl, b2, dont les indices 1 et 2 correspondent aux fréquences N1 et N2. - On utilise les valeurs desdites constantes pour déterminer les valeurs d'autres constantes A1, A2, B1, B2 à partir des équations suivantes A1 (bl-Cl)e0, A2 - (b2-C2)e0 BI - ale0, B2 - a2e0 - On introduit les valeurs des constantes A1, B1, C1, A2, B2,C2 et les valeurs des tensions UI et U2 observées sur les feuilles à mesurer dans les formules suivantes e - A1B2 - A2B1-7 / E(U1-Cl)B2.(U2-C2)B -/ et e - /A2(Ui.Cî) - Al(U2-C2) 7 / tBl(U2BC2)-B2(UCl1. Ainsi, l'invention consiste à créer d'un même côté de la feuille deux champs magnétiques distincts de fréquences N1 et N2 comprises de préférence entre 1.102 et 1.105 Hertz. La fréquence utilisée dépend de l'épaisseur de la feuille à mesurer et est d'autant plus faible que l'épaisseur augmente. La gamme retenue ici convient parfaitement à des feuilles d'épaisseur comprise entre 8 et 2000 pm et de préférence entre 8 et 100 lm. Ces champs sont obtenus au moyen d'au plus deux bobines primaires (A1) et (A2) généralement constituées chacune par un fil électrique isolé enroulé autour d'un noyau isolant et dont les extrémités forment les bornes de la bobine. Par l'expression 'au plus deux bobines", il faut comprendre que l'utilisation d'un nombre plus élevé de bobines, tout en étant possible, ne ferait que compliquer le procédé sans apporter d'avantages substantiels. Il y a lieu de décrire maintenant les différentes constructions qu'implique cette expression. Il faut distinguer d'abord le cas o on utilise une seule bobine primaire. Celle-ci est alors reliée à deux sources de courant alternatif de basse tension V1 et V2, ayant respectivement une fréquence Ni et N2. Cette bobine, dont le noyau est généralement perpendiculaire à la feuille est placée de manière que la face inférieure de son carter de protection ne puisse pas entrer en contact avec le dessus de ladite feuille ce qui correspond généralement à une distance comprise entre 10 mm et plusieurs centimètres. Face ià. cette bobine et de l'autre c6té de la feuille est placée de façon à peu près symétrique une bobine secondaire (B) de même constitution que (A) et dont les extrémités du fil développent en raison des phénomènes d'induction, une tension V'I avec une fréquence N1 et une tensions V'2 avec une fréquence N2. Les tensions U1 et U2 dont les indices correspondent respectivement aux fréquences N1 et N2 et que l'on détermine en vue de leur incorporation dans les formules de calcul de l'épaisseur et de laà-température, peuvent être obtenues de deux manières différentes - soit on utilise les valeurs des tensions V'I et V'2 après amplification qui représentent donc U1 et U2, - soit on détecte le déphasage existant d'une part entre Vi et V'i et d'autre part entre V2 et V'2 et l'on transforme les valeurs de déphasage par des moyens électroniques en valeurs de tension qu'on amplifie également et qui donnent Ul et U2. Cependant, se pose un problème, du fait que les courants de fréquence NI et N2 sont superposés. 2589566 Deux solutions peuvent être utilisées: soit en appliquant les tensions V1 et V2 successivement et en mesurant de manière synchrone les tensions V'l et V'2 ou les déphasages VIV'I et V2V'2, soit en appliquant simultanément les tensions V1 et V2 et en envoyant la tension induite V'12 dans des filtres de fréquence de manière à pouvoir séparer les composantes relatives à chaque fréquence et mesurer soit les tensions V'I et V'2 ou les déphasages VlV'I et V2V'2. Il va de soi que dans ce dernier cas, les références de phase sont prises séparément sur chacune des tensions primaires avant leur application simultanée à la bobine primaire de manière à ne pas avoir à les séparer. L'expression "au plus deux bobines" couvre également l'utilisation d'une bobine primaire (A1) alimentée sous une fréquence N1 et d'une bobine primaire (A2) alimentée sous une fréquence N2 disposées concentriquement l'une par rapport à l'autre et faisant face soit à une seule bobine B, soit à deux bobines secondaires (B1) et (B2) disposées également concentriquement. Dans ce cas, les problèmes de superposition des courants se posent également et il y a lieu d'utiliser de filtres de fréquence comme précédemment. Dans cette construction, les mesures de Ul et U2 se font aussi bien à partir des mesures de V'l et V'2 que des mesures de déphasage entre V1 et V'l d'une part et V2 et V'2 d'autre part. Enfin, l'expression "au plus deux bobines" couvre également l'utilisation de deux couples de bobines(A'l)et(B'l)et(A'2)et(B'2)placées en regard l'une de l'autre et o (A'i) est alimei.tée avec un courant de fréquence N1 et (A'2)avec un courant de fréquence N2. Les mesures de U1 et U2 se font de la même façon qu'avec les bobines concentriques mais sans filtrer. Ces couples ne sont pas trop éloignés l'un de l'autre de façon à avoir un ensemble de mesure compact. Elles sont alignées de façon quelconque par rapport à la direction de défilement de la feuille mais de préférence suivant la direction du laminage. Les mesures des tensions U1 et U2 telles qu'elles ont été décrites plus haut permettent de déterminer à tout moment l'épaisseur e en micromètres et la température e en C de feuilles qui défilent et ce sans que les variations de e et O n'interfèrent dans la mesure de chacun de ces paramètres. Pour cela, on utilise des formules dans lesquelles interviennent, outre les valeurs de U1 et de U2 fonction respectivement de chacune des fréquences N1 et N2, et mesurées à partir des feuilles à tester, les valeurs de constantes AI,B1,Cl et A2,B2,C2 relatives également aux fréquences N1 et N2 utilisées. Ces constantes sont elles-mêmes tirées d'équations A -(b - C)e0 et B - ae0 et de relations: U - K/e+C et U - b+ a9 qui ont été préalablement établies à partir de plusieurs mesures de Uel et U62 obtenues sur des feuilles d'épaisseur différente et à température constante et à partir de plusieurs mesures de Uel et Ue2 sur des feuilles de même épaisseur mais à des températures différentes. Dans les deux cas, on règle initialement le O de l'appareil de mesure de tension sur une épaisseur de référence e0 et une température Oo. Il est évident que les valeurs des constantes peuvent être entrées dans la mémoire d'un ordinateur dont le programme permet ensuite de calculer à partir des mesures de U1 et U2 observées pour une feuille quelconque les valeurs des mesures recherchées. L'invention peut être illustrée à l'aide de la planche jointe qui montre de façon schématique les différentes possibilités d'application du procédé selon l'invention. On y voit une feuille (1) se déplaçant horizontalement dans le sens (2) dans l'entrefer des bobines primaire(s)(A) et secondaire(s)(B). A la ou les bobines A, on applique les tensions V1 Je fréquence NI et V2 de fréquence N2 et on développe sur la ou les bobines (B) respectivement les tensions induites soit distinctes V'i et V'2, soit superposées V'12 que l'on envoie vers des filtres de fréquence pour les séparer en V'I et V'2. Les tensions V'l et V'2 ou les déphasages (VlV'i) et (V2V'2) sont envoyés vers des amplificateurs pour donner Ul et U2. Les appareils de filtrage et d'amplification ne sont pas représentés ici. Les figures 1 et 2 sont relatives à l'utilisation d'une seule bobine primaire (A) à laquelle on applique les tensions VI et V2 et d'une seule bobine secondaire développant les tensions induites V'l et V'2. Les tensions U1 et U2 correspondent à V'1 et V'2 sur la figure 1 et aux déphasages (VlV'l) et (V2V'2) sur la figure 2. Les figures 3 et 4 sont relatives à l'utilisation de bobines concentriques primaires (Al) et (A2) et secondaires(BI) et(B2) avec les tensions appliquées V1 et V2 et les tensions développées V'1 et V'2. Les figures 3 et 4 présentent respectivement les mêmes différences que les figures 1 et 2 en ce qui concerne la mesure de U1 et de U2. Les figures 5 et 6 sont relative', à l'utilisation de deux couples de bobines séparées A'l-B'l1 et (A'2-B'2) Sur chacun des couples est appliquée respectivement la tension Vi et V2 qui développe respectivement la tension induite V'* et V'2. Les différences entre les figures 5 et 6 concernent comme plus haut les deux variantes de mesure de U1 et de U2. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples d'application suivants Exemple 1 On a utilisé deux bobines primaires éloignées l'une de l'autre de 3 cm et placées à 14 mm au-dessus de la feuille; à. ces bobines étaient appliquées des tensions V1 et V2 de 30 volts ayant une fréquence N1 -30 kHz, pour la première suivant le sens de défilement de la feuille et N2 - 50 kHz pour la deuxième. De l'autre côté de la feuille étaient placées symétriquement par rapport aux bobines primaires, des bobines secondaires qui développaient des tensions V'I et V'2 de l'ordre d'une dizaine de millivolts que l'on a utilisé comme valeurs de U1 et U2. Chaque couple constitué par une bobine primaire et une bobine secondaire a d'abord été étalonné de la façon suivante: 1. On règle le O de l'appareil de mesure de tension pour 0 24 C et e0 28 pm. 2. On prend des feuilles d'épaisseur différente et on mesure à température constante les valeurs Ue1 et U62; on établit ainsi une courbe U - K/e+C à partir de laquelle on détermine le valeurs KI,Cl et K2,C2. 3. On prend une feuille d'épaisseur constante et on la porte à différentes températures en mesurant à chaque fois les valeurs Uel et Ue2. On établit ainsi une courbe U - b+aO à partir de laquelle on détermine les valeurs al,bl et a2,b2. On a obtenu les résultats suivants: D'o on déduit al 0,0242 C1 - 5,81 et par suite: A1- (bl-cl)e0 B1- al e0 A2- (b2-c2)e0 B2- a2e0 - - bl - 0,5811 a2 - 0,0725 C2 - 14.4 b2 - 1i739 - (0,5811 - 5,81) x 28 - - 146,41 - 0,0242 x 28 - - 0,678 - (1, 739 - 14,4) x 28 - 354,51 0,0725 x 28 - - 2,03 On a ensuite appliqué le procédé de l'invention à la mesure d'une feuille d'aluminium d'épaisseur connue e - 41,33 pm ayant une température 6 23 C. Température constante Epaisseur constante - 21,2C 8 - 24'C eo - 28 pm Ul e U2 e Ul 1 eC U2 Oec volts um volts um volts volts -0,41 25,71.1,2 25,71 -0,11 28,4 -0,14 25,8 -0,22 26,41 -.0,76 26,41 -0,16 30 -0,46 30,4 0,52 30,28 1,15 30,28 -0,22 33,1 -0,73 34,1 0,78 31,78 1,81 31,78 -0,29 36,1 -1,07 38,6 1,96 41,33 4,69 41,33 -0,33 37,8 -1,22 40,3 2,01 41,78 4,80 41,67 -0,38 39,4 -1,53 45,0 -0,40 40,4 -1,66 46,7 -0,49 44,2 -2,08 52,8 -0,56 46,9.2,37 57,0 -0,63 50,2 -2,59 59,7 -0,75 54,8 -2,84 63,2 _ -0,86 59,7.. _ _ _ _ _ - - - - - _ _- -_ _-_ _-_ _ _ __ _ _ t. 9 2589566 Les mesures de tension suivantes ont été relevées U1 - 1,90 volt, U2 - 4,72 volts. Appliquant ces valeurs, ainsi que celles des coefficients A1,B1,C1 et A2, B2,C2 établis plus haut, dans les formules: e - ZAIB2-A2B1I / ZlU1-C1)B2 (U2-C2)B1J et a - /'A2(U1-C1)-A1(U2-C2)_ /I fB1(U2-C2>-B2(U1-Cl)/ : on a trouvé e - 41,40 pm E - 22,8-C soit une précision de mesure de 0,16 % sur l'épaisseur et de 0,87 % sur la température. Exemple 2 On a utilisé une seule bobine primaire (A) et une seule bobine secondaire (B) placées de part et d'autre de la feuille et à 14 mm. A la bobine (A), on a appliqué simultanément des tensions Vl et V2 de 30 volts ayant des fréquences de 30 kHz et de 50 kHz. La bobine (B) a developpé une tension induite V'12 dont on a séparé les composantes V'1 et V'2 au moyen de filtres de fréquence. On a utilisé comme valeur de U1 et U2 les déphasages d'une part entre Vl et V'1 et d'autre part entre V2 et V'2 qui ont été transformées en tension puis amplifiées. Le O de l'appareil de mesure de tension a été réglé pour e0- 41,9 pm et Oo - 24C et effectué les étalonnages suivant les points 2 et 3 de l'exemple 1. On a obtenu les résultats suivants: Température constante Epaisseur constante - 20,0-C O - 20,6'C e - 41,9 pm u1- e U2...e c. C U2. c volts um volts um volts volts -4,18 25,71 -7,65 2571 -0,15 27,7 -0,14 25,7 -3,88 26,41 -7,65 26,41 -0,27 30,2 -0,30 27,7 -2,48 30,28 -5,04 30,28 -0,31 31,9 -0,61 31,3 -2,03 31,78 -4,15 31,78 -0,48 37,2 -0,90 35,0 0,04 41,33 0,09 41,33 -0,66 41,9 -1,07 36,7 -0,81 45,4 -1,52 42,4 0,13 41,67 0,22 41,67 -1,03 51,0 -1,96 47,8 10. -1,53 37,0 -1,14 53,7 -2,24 51,5 -1,36 59,5 -3,02 60,6 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - - - - - - _ _-_ _ _ _ _ __-_ _ On en a déduit les valeurs des constantes A1 - -257,14, A2 - -511,9 B1 - -1,613, B2 - -3,47 C1 - 7,06 C2 - 14,20 On a ensuite appliqué le procédé selon l'invention à une feuille d'aluminium d'épaisseur connue 28,0 lim et ayant une température de 23'C. Les mesures de tensions suivantes ont été relevées Les mesures de tensions suivantes ont été relevées: U1 - - 3,45 volts; U2 - - 6,94 volts En appliquant ces valeurs dans les formules de e et O, on a trouvé: e - 28,08 pm et 0 - 23,56'C soit une précision de 0,3 % sur l'épaisseur et de 2,4 % sur la température. On peut juger de l'intérêt du présent procédé qui trouve son application dans la mesure en continu et sans risque de dégradation par l'instrument de mesure de l'épaisseur et de la température de feuilles d'épaisseur comprise entre 8 et 2000 pm à une température comprise entre 0 et 150'C et notamment de feuilles d'aluminium à la sortie des laminoirs. il 2589566 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure au défilé et sans contact par courants de Foucault de l'épaisseur (e) en micromètres et de la température (Of en C d'une feuille métallique mince, caractérisé en ce que l'on crée d'un même côté de la feuille deux champs magnétiques distincts en appliquant à au plus deux bobines primaires (A1) et (A2) une tension V1 de fréquence N1 et une tension V2 de fréquence N2 de manière à développer respectivement des tensions induites V'I et V'2 dans au plus deux bobines secondaires (B1) et (B2) placées de l'autre côté de la feuille et en regard respectivement de (A1) et (A2), que l'on détermine une tension U1 en volts sur le circuit électrique mettant en jeu V1 et V'I et une tension U2 sur le circuit V2 et V'2, que l'on calcule les valeurs de e et de O de la manière suivante: * on établit au préalable d'une part, la relation U - K/e+C qui est obtenue en mesurant les tensions Uel créées par un champ de fréquence N1 lorsqu'il traverse des feuilles d'épaisseurs différentes mais ayant une température constante et de même les tensions U02 pour une fréquence N2 et déduit les valeurs des constantes CI et C2 correspondant respectivement à deux valeurs de C pour les fréquences NI et N2, sachant qu'on a réglé le O de l'appareil de mesure de tension sur une épaisseur de référence e0 et une température Oo; d'autre part, la relation U - b+aO qui est obtenue en mesurant les tensions Uel créées par un champ de fréquence N1 lorsqu'il traverse des feuilles ayant des températures différentes mais d'épaisseur constante et de même pour les tensions Ue2, le zéro de l'appareil de mesure étant réglé pour e0 et Oo et déduit les valeurs constantes al,a2 et bl,b2 dont les indices 1 et 2 correspondent aux fréquences N1 et N2. - on utilise les valeurs desdites constantes pour déterminer les valeurs d'autres constantes A1,A2, B1,B2 à partir des équations suivantes A1 (bl-Cl)e0 A2 - (b2-C2)e0 B1 - a1e0 B2 - a2e0 - on introduit les valeurs des constantes A1,B1,Cl A2,B2.C2 et les valeurs des tensions U1 et U2 observées sur les feuilles à mesurer dans les formules suivantes: e - / A1B2 - A2B1_7/ / -(U1-C1)B2-(U2-C2)BI_/ et o - _A2(U1-Cl)-Al(U2-C2L7 / CBI(U2-C2)-B2(U1-CI_/, 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tensions U1 et U2 correspondent respectivement à V'1 et V'2. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les tensions U1 et U2 correspondent respectivement aux valeurs de déphasage d'une part entre V1 et V'I, d'autre part entre V2 et V'2 après transformation de ces valeurs en tensions exprimées en volts. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique successivement les tensions V1 et V2 à une seule bobine(A)pour développer successivement les tensions V'1 et V'2 aux bornes d'une seule bobine(B.) - 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique simultanément les tensions V1 et V2 à une seule bobine (A) pour développer aux bornes d'une seule bobine (B) une tension induite V'12 qui est séparée en ses composantes V'I et V'2 à l'aide de filtres de fréquence. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on applique les - tensions V1 et V2 à deux bobines (AIJ et (A2Z concentriques et développe les tensions aux bornes de deux bobines concentriques(BI et(B2) qui sont séparées en leurs composantes V'1 et V'2 à l'aide de filtres de fréquence. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on applique les tensions V1 et V2 aux deux bobines(Al)et A2) concentriques, et développe une tension aux bornes d'une seule bobine(B)que l'on sépare en ses composantes V'i et V'2 à l'aide de filtres de fréquence. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique les tensions V1 et V2 à deux bobines A'I et A'2 séparées l'une de l'autre et 13 2589566 développe les tensions V'1 et V'2 aux bornes de deux bobines (B'1) et(B'2) séparées l'une de l'autre. 9. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fréquences N1 et N2 sont comprises entre 1.102 et 1.105 Hertz. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à des feuilles métalliques d'épaisseur comprise entre 8 et 2000 Vm.