(57)【要約】【課題】外部磁界中の導電体の流速を、外部磁界の影響や温度ドリフトの影響およびリフトオフ変動の影響を低減して、測定することができる流速測定方法と装置を提供すること。【解決手段】移動する導電体の表面に相対する位置から導電体表面に垂直に励磁磁界を印加して、該表面および導電体の移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を、該励磁磁界が対称となる、該導電体の移動方向に並んだ２点で別々に感磁素子で電気的に検出し、さらに前記２点と比べて、導電体面からさらに離れたもう一対の２点で前記２点と同じく別々の感磁素子で平行磁界を検出できるようにし、これら二つの和信号の差から当該導電体の流速を算出する流速測定方法および装置。【選択図】        図１
2004317474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する導電性流体の表面に垂直に流速測定用の励磁磁界を印加して、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を感磁素子で電気的に検出し、該電気信号から前記導電性流体の流速を算出する流速測定方法において、
前記感磁素子が、前記導電性流体の表面からの距離が異なる位置に配した少なくとも２個の感磁素子で構成され、該各感磁素子の磁界信号の差分を演算して磁界信号とし、該磁界信号から前記導電性流体の流速を算出することを特徴とする非接触流速測定方法。
【請求項２】
移動する導電性流体の表面に相対する位置から前記導電性流体の表面に垂直に流速測定用の励磁磁界を印加して、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を、前記励磁磁界の分布が対称でかつ、前記導電性流体の移動方向に並んだ２点で別々の感磁素子で電気的に検出し、前記導電性流体の流速が零のときに２点それぞれで検出される電圧信号を加算した和信号が零になるように調整しておき、さらに前記２点と比べて前記導電性流体表面から垂直方向にさらに離れた位置で、前記２点と同じく別々の感磁素子で平行磁界を検出できるようにし、前記導電性流体の流速が零のときに和信号が零になるように調整するとともに、これら二つの和信号の差分信号から前記導電性流体の流速を算出することを特徴とする非接触流速測定方法。
【請求項３】
前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体体の表面に対してほぼ垂直な単一または２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分の検出点と測定面との距離を算出し、該距離算出値をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする請求項１または２記載の非接触流速測定方法。
【請求項４】
前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体の表面に対してほぼ垂直な単一または２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の平均的な電気抵抗率を検出して、該電気抵抗率をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする請求項１または２記載の非接触流速測定方法。
【請求項５】
前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体の表面に対してほぼ垂直な２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分の検出点と測定面との距離および導電性流体の平均的な電気抵抗率を検出して、該距離算出値および該電気抵抗率をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする請求項１または２記載の非接触流速測定方法。
【請求項６】
移動する導電性流体の表面に、垂直に流速測定用の励磁磁界を印加する励磁手段と、前記励磁手段から発生する磁界の中心軸に直交し、かつ前記導電性流体の移動方向に平行な方向で、前記中心軸に対称な位置にそれぞれ配した２つの感磁素子より成り前記導電性流体の移動方向に平行な磁界を検出する第１の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段と同一の構成を有し第１の磁界検出手段の位置よりも前記導電性流体の表面から離れた位置に配した第２の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段の２つの感磁素子の出力を加算する第１の加算手段と、第２の磁界検出手段の２つの感磁素子の出力を加算する第２の加算手段と、第１の加算手段の出力から第２の加算手段の出力を減算する減算手段を有し、前記減算手段の出力から前記移動する導電性流体の速度を測定することを特徴とする非接触流速測定装置。
【請求項７】
前記移動する導電性流体の表面に垂直に印加する流速測定用の励磁磁界の周波数が０．５Ｈｚから５Ｈｚの間にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触流速測定方法。
【請求項８】
前記励磁手段による励磁磁界の周波数が０．５Ｈｚから５Ｈｚの間にあることを特徴とする請求項６記載の非接触流速測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触流速測定方法および装置に関し、特に金属の連続鋳造設備の鋳型内および鋳型下における溶融金属流の流速および容器内の導電性流体の流速を非接触測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、連続鋳造設備においては図２に示すように、溶鋼１１はタンディッシュ１０から浸漬ノズル１２を介して鋳型１６へ注入されて連続的に固化される。鋳型内に注入された溶鋼は上向き１４または下向き１３の溶鋼流となる。鋳型内の溶鋼流の左右のバランスが崩れると、鋳片中の介在物が増加したりして製品欠陥の一因になる。鋳型内の溶鋼流を安定化させるために、鋳型内の溶鋼流速を連続的に測定することが望まれている。
【０００３】
一方、パイプ内を流れる導電性流体の流速計測方法の一つとして、電磁流量計が広く使用されている。導電性流体の流れと直角方向の磁界をパイプ外部から印加して、流れと磁界の両方に対して直角方向に発生する起電力を、パイプ内壁に一対の電極を設けて導電性流体に接触させて測定する。すなわち、このタイプの電磁流量計は、”磁界中を導電体が動くと導電体内に電圧が発生する”という、ファラデーの電磁誘導の法則を利用するものである。この際、磁界としては直流磁界、交流磁界またはパルス磁界が測定目的により利用されている。
【０００４】
溶鋼の流速測定方法としても、溶鋼の流れる方向と直角方向に磁界を印加する電磁気的方法が開示されている。溶鋼の温度は千数百度以上の高温であり、通常の電磁流量計のような電極による起電圧測定といった接触式方法は、電極の耐熱性や消耗が問題となり長期測定には不向きである。このため非接触式の流速測定方法が知られていて、その検出原理を図３（ａ）で説明する。磁界Ｂｉｎ中で導電体９が動くと、導電体中に起電力Ｅｖ＝ｖ×Ｂｉｎが発生する。そして起電力Ｅｖにより導電体中に誘導電流Ｊｖが流れる。誘導電流Ｊｖの周りには誘導磁界Ｂｖが新たに生じる。すなわち、Ｂｖ∝ｖ×Ｂｉｎなる関係があるので、Ｂｖを導電体の外側において感磁素子で測定することによって、導電体の速度ｖの変動を検知することができる。
このとき、誘導電流Ｊｖの大きさは、電流の流れる経路の電気抵抗値をＲとするとＪｖ＝Ｅｖ／Ｒとなる。すなわち、誘導磁界は電気抵抗値に反比例する。
【０００５】
ここで、導電体外から印加する励磁磁界が交流である場合には図３（ｂ）に示すように、導電体中に−ｄＢｉｎ／ｄｔに比例する渦電流Ｊｅが発生し、その周りに渦電流磁界Ｂｅが生じる。渦電流磁界Ｂｅは励磁磁界Ｂｉｎの周波数に比例して大きくなり、印加磁界Ｂｉｎを打ち消す方向に働く。つまり、励磁周波数が大きくなると導電体中への磁界浸透深さ（表皮深さ）が小さくなり、導電体中のＢｉｎが小さくなるので流速による誘導磁界Ｂｖが小さくなって、流速測定がむずかしくなる。
【０００６】
このような非接触な電磁的流速測定方法として、特許文献１が開示されている。図８に流速測定子を示して説明する。移動する導電体９の表面に対して中心軸が垂直になるように巻いた励磁コイル１を配置し、その励磁コイル１と導電体表面との間にボビンに同じ向きに同じ回数巻いた２つの検出コイル（Ｘ１、Ｘ２）６を巻いたものを、その中心軸が導電体表面および導電体の移動方向とに平行で、かつ２つの検出コイル６の中点が励磁コイルの中心軸上にくるように配置する。励磁コイル１に電流を流して導電体中に磁界Ｂｉｎを発生させて、検出コイル６で誘導磁界Ｂｖを検出して流速を測定する。コイルＸ１とＸ２の検出電圧を加算した和信号を演算して、流速が零のときに零になるように調節する。この和信号を流速信号電圧とする。
【０００７】
ここで、Ｘ１コイルおよびＸ２コイルと導電体との距離（リフトオフ）が変化するとコイルＸ１、Ｘ２の検出電圧が変化する。前記特許文献１に、励磁コイル１の上下に励磁コイルと同軸に巻いた２つのコイル（Ｚ１、Ｚ２）４、５を配置し、その検出電圧の差電圧をもとにリフトオフを検出し、事前に測定しておいたリフトオフ対速度感度特性をもとにして流速測定値を補正する方法が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１０４０３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、連続鋳造設備では商用電源ノイズ磁界があるうえに、鋳片品質の向上を目的とした電磁力攪拌などのために１０００ガウスにもおよぶ強力な交流磁界を用いられることが多い。溶鋼流速による誘導磁界Ｂｖはこれら外乱磁界よりも何桁も小さいために、実際の鋳造設備における流速磁界Ｂｖの高精度な検出はむずかしかった。
加えて、実際の溶鋼自由表面は波打っており、表面形状が時間的に変動する。その波立ちが大きいときには渦電流磁界が時間的に大きく変動してノイズとして検出される。また、図９に示すように導電率の大きな鋳造用鋳型の壁越しや凝固シェル越しに溶鋼流速を測定するときには鋳造壁内の渦電流が大きくなり励磁磁界が減衰するほか、測定子が鋳造壁に正対していない時には流速誘導磁界に外乱となって重畳する。
また、測定子は検出感度を上げるためにできるだけ溶鋼表面近くに設置する方が良いが、空気等で内部を強制冷却したとしても溶鋼からの輻射熱などで、測定子内部は少なくとも数十度以上の温度上昇がある。そのために、検出コイルの寸法変化や電気抵抗の温度変化など測定子自体の物理的変化のために流速信号電圧に変化すなわち温度ドリフトが生じる。
さらに、溶鋼の電気抵抗は一般に構成元素の組成比や温度によって変動するために、測定した誘導電圧すなわち磁界強度から溶鋼流速を長期間にわたって高精度に推定するのがむずかしかった。これも測定時の温度ドリフトと言える。溶鋼流速誘導磁界と比べて大きな外乱磁界下で、渦電流磁界の影響を小さくして温度ドリフトの影響を受けずに安定測定できることが課題であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の（１）は、移動する導電性流体の表面に垂直に流速測定用の励磁磁界を印加して、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を感磁素子で電気的に検出し、該電気信号から前記導電性流体の流速を算出する流速測定方法において、前記感磁素子が、前記導電性流体の表面からの距離が異なる位置に配した少なくとも２個の感磁素子で構成され、該各感磁素子の磁界信号の差分を演算して磁界信号とし、該磁界信号から前記導電性流体の流速を算出することを特徴とする非接触流速測定方法である。
【００１１】
本発明の（２）は、移動する導電性流体の表面に相対する位置から前記導電性流体の表面に垂直に流速測定用の励磁磁界を印加して、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を、前記励磁磁界の分布が対称でかつ、前記導電性流体の移動方向に並んだ２点で別々の感磁素子で電気的に検出し、前記導電性流体の流速が零のときに２点それぞれで検出される電圧信号を加算した和信号が零になるように調整しておき、さらに前記２点と比べて前記導電性流体表面から垂直方向にさらに離れた位置で、前記２点と同じく別々の感磁素子で平行磁界を検出できるようにし、前記導電性流体の流速が零のときに和信号が零になるように調整するとともに、これら二つの和信号の差分信号から前記導電性流体の流速を算出することを特徴とする非接触流速測定方法である。
【００１２】
本発明の（３）は、前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体体の表面に対してほぼ垂直な単一または２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分の検出点と測定面との距離を算出し、該距離算出値をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする（１）または（２）記載の非接触流速測定方法である。
本発明の（４）は、前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体体の表面に対してほぼ垂直な単一または２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の平均的な電気抵抗率を検出して、該電気抵抗率をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする請求項（１）または（２）記載の非接触流速測定方法である。
本発明の（５）は、前記流速測定用の励磁磁界に加えて新たに導電性流体体の表面に対してほぼ垂直な２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界で励磁し、前記導電性流体表面に対して垂直方向の交流磁界成分を、表面に垂直な方向で前記励磁磁界の発生源に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき、前記導電性流体の表面および移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分の検出点と測定面との距離および導電性流体の平均的な電気抵抗率を検出して、該距離算出値および該電気抵抗率をもとに前記算出した流速測定値を補正することを特徴とする請求項（１）または（２）記載の非接触流速測定方法である。
【００１３】
本発明の（６）は、移動する導電性流体の表面に垂直に流速測定用の励磁磁界を印加する励磁手段と、前記励磁手段から発生する磁界の中心軸に直交し、かつ前記導電性流体の移動方向に平行な方向で、前記中心軸に対称な位置にそれぞれ配した２つの感磁素子より成り前記導電性流体の移動方向に平行な磁界を検出する第１の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段と同一の構成を有し第１の磁界検出手段の位置よりも前記導電性流体の表面から離れた位置に配した第２の磁界検出手段と、第１の磁界検出手段の２つの感磁素子の出力を加算する第１の加算手段と、第２の磁界検出手段の２つの感磁素子の出力を加算する第２の加算手段と、第１の加算手段の出力から第２の加算手段の出力を減算する減算手段を有し、前記減算手段の出力から前記移動する導電性流体の速度を測定することを特徴とする非接触流速測定装置である。
本発明の（７）または（８）は前記流速測定用の励磁磁界の周波数が０．５Ｈｚ〜５Ｈｚの間にして、渦電流磁界Ｂｅを小さくして相対的に流速誘導磁界Ｂｖを大きくすることにより、波立ちが大きいときや鋳造鋳型の壁越しや凝固シェル越しに高精度に溶鋼流速を測定できることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本流速測定方法の実施形態の一例を図１を用いて説明する。電気絶縁性材質の丸パイプ２の外周に励磁コイル１を巻き、その中心軸が被測定物である導電体９の表面（測定面）に対して垂直になるように配置し励磁磁界発生源とする。励磁コイル１と測定面との間には、流速測定用の感磁素子として同一の電気絶縁性材質の棒に同一回数巻いた流速検出コイル（Ｘ１、Ｘ２）６を、導電体の移動方向および測定面とその中心軸が平行になるように配置する。このときＸ１コイルとＸ２コイルの中間点が励磁コイル１の中心軸上になるようにする。Ｘ１コイルとＸ２コイルで構成される流速検出コイルを検出モジュール１とする。
【００１５】
さらに、Ｘ１コイルやＸ２コイルと同一径の棒に同じ回数巻き、間隔がＸ１コイルとＸ２と同じにした一対の検出コイル（Ｘ３、Ｘ４）７で構成される検出モジュール２を、検出モジュール１と同様の要領で配置する。ただし、検出モジュール２と測定面との間隔がモジュール１と測定面の間隔よりも十分大きくなるようにする。たとえば、励磁コイル１を挟んで検出モジュール１と検出モジュール２が対称位置になるようにする。
【００１６】
励磁コイル１に一定振幅の交流電流を流して、励磁コイルの中心軸上において磁界の方向が測定面と直角になるように設置する。こうして図３に示すように、導電体内部に流速とほぼ直角に励磁磁界Ｂｉｎを印加する。このとき導電体９の流速ｖと励磁磁界Ｂｉｎそれぞれに直角に起電力Ｅｖが生じて、流速誘導電流Ｊｖが流れる。その結果、Ｂｖ∝ｖ×Ｂｉｎの関係が成り立つ誘導磁界が発生する。誘導磁界Ｂｖを前記検出モジュール１で検出する。
【００１７】
ところで図３（ｂ）に示すように、導電体内には励磁磁界Ｂｉｎに電磁誘導されて渦電流Ｊｅが流れて、励磁磁界を打ち消す方向に渦電流磁界Ｂｅが発生する。渦電流Ｊｅは−ｄＢｉｎ／ｄｔに比例するので、励磁磁界の周波数ｆに比例して大きくなる。渦電流によって導電体内部ではＢｉｎは弱められて磁界が内部に深く浸透しにくくなるとともに、Ｂｉｎの位相が遅れる。溶鋼流速の測定のためには励磁磁界が数十ｍｍ導電体中に浸透する必要があるので、励磁磁界の周波数は数十Ｈｚ以下でなければならない。
【００１８】
検出モジュール１には、励磁磁界Ｂｉｎ、渦電流磁界Ｂｅそして流速誘導磁界Ｂｖが鎖交するが、コイルの中心軸方向の磁界成分だけがコイルの出力電圧に寄与する。図１からＸ１コイルとＸ２コイルそれぞれの位置では、（励磁磁界Ｂｉｎ＋渦電流磁界Ｂｅ）のＸ１、Ｘ２コイル中心軸方向の磁界成分は大きさが同じで向きが反対である。一方、Ｂｖの大きさと向きはほぼ同じである。Ｘ１コイルとＸ２コイルの検出電圧の和をとると、（励磁磁界Ｂｉｎ＋渦電流磁界Ｂｅ）の寄与は相殺されて、流速誘導磁界Ｂｖの和のみが検出できる。ここで、実際の検出コイルの製作においては巻数やボビン径を同一にしても、製作誤差のためにＸ１コイルとＸ２コイルの検出電圧を全く同じにすることはむずかしいので、前記の和をとるときには、バランスをとるためにＸ１コイルとＸ２コイルの検出電圧の相対的な大きさを調整する必要がある。
一方、検出モジュール２についても（Ｂｉｎ＋Ｂｅ）の検出電圧が相殺できる議論は検出モジュール１と全く同じである。ただし、Ｂｖについては測定面からの距離が大きいために実質的には検出しない。
【００１９】
さて実際の連続鋳造設備では図２に示したように、電磁力攪拌等１７のために強力な交流磁界Ｂｓを用いられることが多い。そのために前記検出モジュールには流速誘導電圧と比べて大きな誘導起電圧が現れて、流速誘導電圧測定が困難になることがある。検出モジュール１とモジュール２には同程度の大きさのＢｓ誘導電圧が検出されるので、図４に示すように減算回路２１で引き算することによって、ほとんど相殺することができる。実際のモジュールでは、モジュール１とモジュール２の磁界検出感度を完全に同じにすることはむずかしいので、差分をとるまえに相対的な大きさを調整してもよい。
【００２０】
また、モジュール１とモジュール２の出力電圧の差分をとることによって、流速検出電圧の温度ドリフトを低減することができる。溶鋼に対向した測定子内の温度は強制空冷しても少なくとも数十度以上室温よりの高くなり、測定子の微小な形状変化やコイルの電気抵抗の温度変化によって、各検出モジュールの出力電圧は温度ドリフトする。しかしながら、モジュール１とモジュール２の位置での温度差は小さいので実質的に同一形状のモジュール１と２の出力電圧の差分をとることによって、温度ドリフトを問題ない程度に低減することができる。この時、流速信号に相当する出力電圧も減算されるが、測定面に近いモジュール１の信号強度に比べてモジュール２の信号強度が小さいので、その影響は小さい。
【００２１】
図１に示した検出コイルＺ１とＺ２は前記特許文献１に開示されているものと同様のコイルで、測定子と測定面との間隔（リフトオフ）を検出するために用いる。検出コイルＺ１は励磁コイルと同軸に測定面側に配置し、検出コイルＺ２は励磁コイルと同軸にかつ励磁コイルの反対側にＺ１コイルと対称な位置に配置する。
【００２２】
励磁コイルに流速測定用の低周波数ｆ０の励磁電流に加えて第２の高周波数ｆ１の励磁電流を流して、二つの周波数の磁界を導電体に印加する。そして検出コイルＺ１とＺ２それぞれに誘導される電圧の差分をとった後に、周波数ｆ０とｆ１の周波数成分電圧Ｖ０とＶ１をロックイン＝アンプで位相検波して検出する。Ｖ０とＶ１からリフトオフを理論モデルから回帰計算で求める方法を以下で説明する。
【００２３】
図１に示した励磁コイル１と検出コイル（Ｚ１）４および導電体で構成される系の理論モデルの解として、たとえば土門斉、川島捷宏（”磁性導体上に置かれた有限長ソレノイドによる渦流探傷法の解析”、非破壊検査、２３巻、３号、１３７頁（１９７２））によって導かれた解析解を用いることができる。測定子のリフトオフｈまたは導電体の導電率σは、これらを未知数として、前記の周波数成分電圧測定値Ｖ０とＶ１をもとに回帰計算を行って算出することができる。詳細な回帰計算による算出手続きの説明は本発明者によって特開２０００−９４１４号公報に開示されている。リフトオフまたは導電率があまり変動しないときには、変動の小さな方を推定値される一定値にして、変動の大きな方のみを回帰計算で求めればよい。また、測定周波数点をさらに増やすことによってリフトオフや導電率の算出値の信頼性を向上させることができる。
【００２４】
図４には距離検出回路として単一周波数の位相検波用にロックイン＝アンプ２６を一台だけ示してあるが、周波数を増やすと周波数の数の台数分のロックイン＝アンプで各周波数成分の誘導電圧の位相検波をする。励磁周波数が３つ以上にすると位相検波回路が著しく複雑になり、装置が高価でかつ操作が面倒になる。ロックイン＝アンプ一台で時分割して位相検波することも可能であるが、測定に長時間を要して操作が面倒であることは変わらない。図５に示すように、減算器２４の差分検出電圧をＡ／Ｄ変換器３１によってコンピュータ３２に取り込んで、ディジタル演算によって各周波数の信号電圧成分の位相検波を行って、流速測定値を補正する方法は簡便でかつ操作性に優れる。
実際に測定子のリフトオフ変化の補正を行うには、予め低融点金属流および低速運動する非磁性ステンレス板を用いて、リフトオフの変化に対する流速電圧信号の校正曲線を作成しておく。実際の測定時には流速電圧信号測定値をもとにして、前記リフトオフ算出値を用いて校正曲線を用いて補正された流速信号電圧を決定する。
被測定物の導電体の材質変化や温度変化にともなう電気抵抗値の変化を補正するには、リフトオフ変化の補正と同様に校正曲線を予め実験的に作成しておいても良い。また簡便な方法としては、前記したように流速により発生する誘導磁界は導電体の電気抵抗値に反比例の関係にあるので、予め電気抵抗率Ｒ０のわかった低融点金属流で流速と流速電圧信号との比例係数Ｋを実験的に求めておき、前記電気抵抗算出率Ｒ１をＲ０で除算して得られる補正係数および比例係数Ｋを流速信号電圧に掛けて流速を算出しても良い。
さらに、測定子のリフトオフ変化と導電体の電気抵抗値変化の補正を同時に行うには、上記のリフトオフ補正と電気抵抗率補正を組み合わせる。
【００２５】
ところで、流速測定用の低周波数励磁電流の周波数ｆ０は表皮深さが数十ｍｍ以上である１００Ｈｚ以下が良い。しかし、鋳造鋳型壁越しの流速測定時や溶鋼表面の波立ちが大きい時には、鋳造鋳型壁中の渦電流による励磁磁界の遮蔽や波の中の渦電流により発生するノイズ磁界を低減するために、周波数ｆ０を０．５〜５Ｈｚにする。これより低周波数では、コイルで流速磁界をする時には検出電圧が非常に小さくなり、また検出信号を位相検波するときの時定数が１分以上に必要で、測定装置の応答速度が遅くなり実時間測定の点で問題がある。一方高周波数側では渦電流磁界が大きくなり、ノイズが流速検出信号に重畳しやすくなる。
なお、上記では流速測定用感磁素子としてコイルを用いて説明したが、ホール素子など小形の感磁素子でも良い。
【００２６】
【実施例】
本発明の実施例を示す。図６に示す形態の測定コイルを製作した。外径４５ｍｍのガラスエポキシ製パイプに外径１ｍｍのポリエステル被覆銅線を５００回巻いて励磁コイルとした。Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４コイルはそれぞれ外径５ｍｍのガラスエポキシ棒に０．１ｍｍ径のポリエステル被覆銅線１０００回巻いて製作した。Ｚ１コイルとＺ２コイルは励磁コイルと同じパイプに０．１ｍｍ径のポリエステル被覆銅線を１００回巻いて製作した。なお、コイル一式は内径１０５ｍｍの窒化ケイ素製円筒ケースに収納して測定子とし、高温での使用時には乾燥空気で強制空冷した。
【００２７】
励磁磁界の周波数は流速測定用には５５Ｈｚ、リフトオフ測定用には５５Ｈｚと５ｋＨｚとした。図５の多重周波数励磁回路として二周波数励磁回路を製作した。Ａｇｉｌｅｎｔ３３２５０Ａ任意波形発生器で５５Ｈｚと５ｋＨｚの二周波数正弦波多重波形を生成し、この電圧波形を電圧電流変換回路で二周波数多重励磁電流を生成して励磁コイルに流した。励磁電流値についてはＺ１、Ｚ２コイルの検出電圧の大きさをそれぞれの周波数で同程度にすることとコイルの発熱を抑えることを考慮して、５５Ｈｚについては２Ａｒｍｓ、５ｋＨｚについては０．１Ａｒｍｓとした。
【００２８】
流速検出回路については、図７に示した加算器を製作した。Ｘ１コイルとＸ２コイル（Ｘ３とＸ４）の検出電圧を初段アンプ３３，３４で５倍増幅したのちにＯＰアンプで加算した。なお、Ｘ２コイル（Ｘ４）の検出電圧は流速が零のときに和信号のオフセット電圧が零になるように、増幅率を半固定抵抗器３５で０．５倍増減できるようにした。検出モジュール１（Ｘ１＋Ｘ２）と検出モジュール２（Ｘ３＋Ｘ４）のそれぞれの和信号の差分信号を差動アンプで構成した減算器２１で求めた。当減算器の増幅率は１０倍とした。その後、５５Ｈｚを中心周波数とする二次のバンドパス＝フィルター２２を通し、２位相ロックイン＝アンプ２３で位相検波して５５Ｈｚ周波数成分の信号電圧を得た。２位相ロックイン＝アンプ２３は、励磁磁界と同位相成分（ＣＯＳ成分）と９０度成分（ＳＩＮ成分）の信号電圧を出力する。磁界検出コイルでＢｖ磁界を電磁誘導により検出しているため、本実施例のように５５Ｈｚの低周波数の励磁磁界の場合には流速信号は主としてＳＩＮ成分に現れる。なお、励磁周波数の高くなるほど導電体内に電磁誘導される渦電流のために、導電体中のＢｉｎの位相が遅れるので、ＣＯＳ成分により大きく流速信号が現れる。
【００２９】
測定子が電磁力攪拌装置等の強磁界発生装置の近くに設置されているときには、検出モジュール１と検出モジュール２は同じ程度の大きさの磁界を外乱として検出する。上記減算器２１で両方の検出モジュールの検出電圧の差分をとることにより外乱磁界の検出電圧は大幅に相殺される。当該外乱磁界強度は一般には位置によって多少変化するが、磁界発生装置の直近でない限り磁界強度の位置変化は緩やかであり、差分信号に含まれる外乱磁界の影響を低減することができる。さらに、後続する２位相ロックイン＝アンプによって外乱磁界の影響をほぼ完全に除去することができる。
【００３０】
また、流速信号電圧の温度ドリフトも同様に低減することができる。測定子内部の温度が変化してコイル寸法やコイルの電気抵抗値などが微小変化する結果、検出モジュール１と検出モジュール２それぞれの出力電圧が温度変化して、同程度に温度ドリフトする。両モジュールの出力電圧の差分をとることにより、測定子が熱により劣化するほど高温にならない限り、流速信号電圧から温度ドリフトの影響を問題ないレベルに低減することができる。
【００３１】
リフトオフ補正器の説明をする。Ｚ１コイルとＺ２の検出電圧の差分電圧を図５に示した減算器２４で得る。減算器は図７に示した加算器と同様の構成であるが、ＯＰアンプによる加算回路を差動増幅回路にしたものである。測定子の近くに導電体がない状態で、差分電圧が零になるように初段アンプの増幅率を調整する。差分信号と二周波数多重電流信号を参照信号として分解能１６ビットの同時サンプリングＡ／Ｄ変換器３１でコンピュータ３２にディジタル信号として取り込んだ。また、流速検出回路からの流速信号電圧もコンピュータに取り込んだ。
【００３２】
リフトオフおよび導電体の導電率の算出するために、まずＺコイルの差分電圧信号と二周波数多重電流信号から、ＦＦＴまたはＦｏｕｒｉｅｒ変換によりディジタル演算によって位相検波して、差分電圧信号と励磁電流値の５５Ｈｚと５ｋＨｚの周波数成分を計算した。この計算値からＺコイルの差分電圧信号を励磁電流信号で割り算して、各周波数のＺコイルのインダクタンス測定値Ｌｅを得た。
【００３３】
本実施例のような導電体に対向したプローブ形コイルのインダクタンスの理論モデル解析的解は、文献（”磁性導体上に置かれた有限長ソレノイドによる渦流探傷法の解析”、非破壊検査、２３巻、３号、１３７頁（１９７２））に報告されている。ＺコイルのインダクタンスＬｍはコイルの巻数Ｎや形状数値のほか励磁電流周波数ｆ、リフトオフｈおよび導電体の導電率σの関数Ｌｍ（ｆ；ｈ、σ）として表される。上記の各周波数のインダクタンス測定値Ｌｅをもとにして、理論モデル解Ｌｍを用いて回帰計算をして、リフトオフと導電率を算出することができる。理論モデル解は特殊関数の積分を含んでいて解析的に解くことはむずかしいので数値計算が必要である。
上記の流速電圧信号測定値から導電体の流速を求めるには、予め低融点金属流および低速運動する各種の導電率が異なる金属板を用いて、導電率およびリフトオフの変化に対する、流速電圧信号の校正曲線を作成しておく。実測定時に流速電圧信号測定値をもとにして、リフトオフと導電率の上記算出値を用いて校正曲線を用いて補正された流速信号電圧を決定する。
【００３４】
本実施例では二周波数多重励磁を説明したが、凝固シェル越し測定など被測定導電体と測定子の間に別の導電体が存在するときにはさらに周波数を増やして励磁する。
【００３５】
本実施例の測定子の流速検出感度、リフトオフ測定性能を調べるために、ＳＵＳ３１６ステンレス円板（直半径３５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）を水平に置き中心軸の周りに回転運動させて、半径２５０ｍｍで周速を検出した。リフトオフを２０〜５０ｍｍの間で変えて測定した。２０ｃｍ／ｓｅｃの移動速度に対して減算器出力電圧は数ｍＶ程度電圧であった。Ｚ１、Ｚ２コイルの検出電圧からのリフトオフの回帰計算による算出値はノギスによる実測値と５％以内の誤差で一致した。
【００３６】
外乱磁界の低減効果を調べるために、直径２５０ｍｍのボビンに銅線を５００回巻いたソレノイドコイルで周波数５０Ｈｚで３００ガウスの交流磁界を発生させて、測定子に印加した。ソレノイドコイルの中心軸が測定子内の励磁コイルの中心軸と一致するときには実質的には完全に外乱磁界の影響を流速誘導信号から除去することができた。なお、商用電源ノイズは実質的には全く問題にならないレベルであった。
【００３７】
温度ドリフト低減効果を検証するために、恒温槽で測定子を１００℃に加熱した後に取り出して自然空冷して、流速検出電圧の時間変化を記録した。なお、各コイルの温度を熱電対でモニターした。室温近くにおいては減算器出力電圧換算値で０．１ｍＶ／１０ｄｅｇ以下であった。なお、検出モジュールそれぞれの温度ドリフトは減算器と同じ増幅率で換算して数ｍＶ／１０ｄｅｇ以上であり、本発明の温度ドリフト効果を実証することができた。
【００３８】
さらに、０．５〜５Ｈｚの低周波数測定の実施例として図１のＸ１〜Ｘ４コイルの代わりにホール素子を用いた例を示す。個々のホール素子は磁界検出感度がほぼ同じものを選択して用いた。図７の初段アンプの増幅率はホール素子の感度を考慮して５０倍とした。その他の信号処理装置は前に説明したものを用いて、模擬試験をした。鋳造鋳型の壁越しの流速測定を擬して、前記と同様にＳＵＳ３１６ステンレス円板（半径３５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）の上側に２ｍｍの隙間で厚さ５ｍｍの銅合金板を覆い、その上で半径２５０ｍｍの位置に測定子を銅合金板から２０ｍｍ離して設置して、ステンレス円板の周速を測定した。銅合金板が在るときとない時のリフトオフ補正をしていない流速信号電圧を図１０に示す。ｆ０周波数が５Ｈｚ以下では銅合金板による信号電圧の減少は比較的小さく、言い換えれば渦電流の影響が小さくて流速信号が相対的に大きくなり高精度測定が可能である。周波数が０．５Ｈｚ以下ではロックイン＝アンプによる位相検波の時定数が１分以上必要であり、溶鋼流の実時間測定ができない。一方５Ｈｚよりも高いと渦電流ノイズが大きくなるとともに、銅合金板によるシールド効果が大きくなって信号電圧が激減し高精度測定が難しい。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように本発明によって、移動する導電体の表面に相対する位置から導電体表面に垂直に励磁磁界を印加して、該表面および導電体の移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分を、該励磁磁界が対称となる、該導電体の移動方向に並んだ２点で別々に感磁素子で電気的に検出し、導電体の流速が零のときに２点それぞれで検出される検出信号を加算した和信号が零になるように調整する。さらに前記２点と比べて、導電体面からさらに離れたもう一対の２点で前記２点と同じく別々の感磁素子で平行磁界を検出できるようにし、該導電体の流速が零のときに和信号が零になるように調整する。これら二つの和信号の差から当該導電体の流速を算出することにより、測定子に大きな外乱磁界は印加されていてもその影響をほとんど相殺して導電体の流速誘導磁界を検出することができる。
また、温度ドリフトについても、前記各一対の感磁素子の温度ドリフトを相殺することにより、流速検出信号の温度ドリフトを低減することができる。
【００４０】
さらに本発明により、前記励磁磁界に加えて新たに導電体の表面に対してほぼ垂直な単一または２周波数以上の正弦波を重畳した交流磁界を励磁し、該測定面に対して垂直方向の交流磁界成分を、測定面に垂直な方向に並んで該励磁磁界に対して対称となる２点でそれぞれ検出し、その検出した２点の磁界信号の差分信号に基づき該導電体表面と導電体の移動方向とほぼ平行な方向の磁界成分の検出点と導電体表面との距離を算出し、該距離算出値をもとに前記算出した流速測定値を補正することにより、測定子と被測定体である導電体との距離が時間変動しても流速測定ができる。
または導電体の電気抵抗率を算出し、導電体の構成元素の組成比や温度の変動による誘導電圧すなわち磁界強度の変動を、前記算出した導電体の電気抵抗率を用いて補正することにより、溶鋼流速を長期間にわたって高精度に推定することができる。
また、本発明により、０．５〜５Ｈｚの流速測定用周波数で励磁することによって、溶鋼が波高く流れるときの表面直下の流速や鋳造鋳型壁越しに流れる溶鋼の流速を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定子の構成図。
【図２】溶鋼の連続鋳造の説明図。
【図３】励磁磁界による流速磁界の誘導と渦電流磁界の説明図。
【図４】本発明の測定装置構成例の図。
【図５】本発明の多重周波数励磁のときの測定装置構成例の図。
【図６】実施例の測定子構造図。
【図７】実施例の加算器の構成図。
【図８】従来の流速測定子の図。
【図９】鋳型の壁越し測定の配置図。
【図１０】ステンレス円板の回転周速の測定信号電圧。
【符号の説明】
１  励磁コイル                    ２  丸パイプ
３  丸棒                          ４  検出コイルＺ１
５  検出コイルＺ２                ６  検出コイルＸ１
７  検出コイルＸ２                ８  励磁磁界
９  導電体                      １０  タンディッシュ
１１  溶鋼                        １２  浸漬ノズル
１３  下降流                      １４  上昇流
１５  パウダー                    １６  鋳型
１７  電磁力攪拌用電磁石          １８  凝固シェル
１９  加算器                      ２０  加算器
２１  減算器                      ２２  バンドパス＝フィルタ
２３  ロックイン＝アンプ          ２４  減算器
２５  バンドパス＝フィルタ        ２６  ロックイン＝アンプ
２７  発振器                      ２８  定電流アンプ
２９  任意波形発生器              ３０  電圧電流変換回路
３１  同時サンプリングＡ／Ｄ変換器
３２  コンピュータ                ３３  初段アンプ
３４  初段アンプ                  ３５  半固定抵抗器
３６  測定子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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