(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続鋳造用モールド内の溶鋼面高さ、溶融パウダ層厚及び粉末パウダ層厚という複数の異なる電気伝導度の層までの距離と厚さとを同時に測定する方法において、
励磁用コイルに、前記溶融パウダ層と前記粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、前記溶鋼の層と前記溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加する工程と、
前記励磁用コイルにより前記各層に発生する渦電流に起因する電圧を、前記励磁用コイルと同一又は異なる検出用コイルで検出する工程と、
前記励磁用コイルで印加した電圧に対する前記検出用コイルで検出した電圧の位相差及び前記検出用コイルで検出した電圧の振幅の絶対値に基づいて、前記周波数毎に検出した電圧のベクトルを算出する工程と、
前記電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、該溶鋼面高さの２次式における係数を前記粉末パウダ層厚と前記溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、前記周波数毎の検出に係る電圧のベクトルから、前記粉末パウダ層厚、前記溶融パウダ層厚及び前記溶鋼面高さを算出する工程と
を有することを特徴とする層厚測定方法。
【請求項２】
連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の電気伝導度及び厚さ範囲に基づき、前記励磁用コイルへの印加電圧の周波数を少なくとも２つ定めることを特徴とする請求項１記載の層厚測定方法。
【請求項３】
前記印加電圧の周波数を１０ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲で定めることを特徴とする請求項２記載の層厚測定方法。
【請求項４】
連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の面に正対する位置に前記励磁用コイル及び前記検出用コイルを設けることを特徴とする請求項１又は２記載の層厚測定方法。
【請求項５】
前記ベクトルの変化パターンに基づいて、周囲環境による検出特性の変化パターンを判断し、前記変化パターンに対応した校正をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の層厚測定方法。
【請求項６】
連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の厚さを渦電流計測方法によって測定する層厚測定システムであって、
励磁用コイルに対して、前記溶融パウダ層と前記粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、前記溶鋼の層と前記溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加させて、各層に発生する渦電流に起因した電圧を検出する渦流センサ部と、
該渦流センサ部が検出した電圧について、前記周波数の電圧との位相差及び振幅の絶対値を算出し、前記複数の周波数毎に検出した電圧のベクトルの成分を出力する測定部と、
前記電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、該溶鋼面高さの２次式における係数を前記粉末パウダ層厚と前記溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、前記周波数毎の検出に係る電圧のベクトルの成分から、前記粉末パウダ層厚、前記溶融パウダ層厚及び前記溶鋼面高さを算出する測定解析部と
を備えたことを特徴とする層厚測定システム。
【請求項７】
連続鋳造用モールド内の溶鋼面高さ、溶融パウダ層厚及び粉末パウダ層厚という複数の異なる電気伝導度の層までの距離と厚さとを同時に測定する方法のプログラムであって、
励磁用コイルに対して、前記溶融パウダ層と前記粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、前記溶鋼の層と前記溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加させて、該印加した電圧の周波数毎に各層に発生する渦電流に起因した電圧を検出し、該検出した電圧の振幅の絶対値及び前記励磁用コイルに印加した電圧との位相差に基づいて電圧のベクトルを算出し、前記電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、該溶鋼面高さの２次式における係数を前記粉末パウダ層厚と前記溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、前記周波数毎の検出に係る電圧のベクトルから、前記粉末パウダ層厚、前記溶融パウダ層厚及び前記溶鋼面高さを算出することをコンピュータに行わせることを特徴とする層厚測定方法のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で１又は複数の層の厚さを測定する層厚測定方法、システム等に関するものである。特に連続鋳造用モールド内の溶鋼上部に存在するパウダ溶融層厚を測定するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼の鋳造過程において、モールド（鋳型）内に溶鋼が流入しているときに、溶鋼上にモールドパウダと呼ばれる粉末を添加する。このモールドパウダの材料は種々ある。その目的は溶鋼の保温、鋳片とモールドとの潤滑、溶鋼内部に取り込まれた非金属介在物の吸着、メニスカス部分付近における溶鋼冷却制御等である。モールドパウダは、モールド内で溶融パウダ層と粉末パウダ層とに分かれる。特に、潤滑、メニスカス部付近での溶鋼冷却については、パウダ溶融層が重要な役割を果たしており、その厚みを制御するため、パウダ溶融層厚を正確に測定する必要がある。また、パウダ溶融層厚が薄い場合には、通常、パウダ溶融層上部に形成される粉末のままのパウダ（以下、粉末パウダという）が溶鋼内に巻き込まれてしまい、非金属介在物となり、これが品質悪化につながる可能性もある。この点からもパウダ溶融層厚の管理が必要とされている。そして、その測定精度は±１ｍｍであることが必要であろうと考えられている。
【０００３】
上述の目的のため、従来からパウダ溶融層厚を測定する方法があるが、その方法は接触式又は非接触式の二つの方法に大別できる。接触式としては、鉄棒部に鋼メッキやアルミメッキを施した検尺捧を溶鋼まで浸漬し、溶損状態の違いからパウダ溶融層厚を測定する方法がある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
一方、非接触式としては、γ線の透過率が溶鋼、溶融パウダ、粉末パウダで異なることを利用した方法（例えば、特許文献２参照）、粉末パウダをガスで吹き飛ばした後、溶融パウダ面と溶網面を測定する方法（例えば、特許文献３参照）、共振型渦流（過電流）レベル計（例えば、特許文献４参照）を２つ周波数で使用し、溶鋼面、パウダ溶融層上面の高さからパウダ溶融層厚を求める方法（例えば、非特許文献１参照）がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−７９８０５号公報
【特許文献２】持開昭６１−４６３６１号公報
【特許文献３】特開平３−１８４６２号公報
【特許文献４】特開昭５９−１８０４０２号公報
【非特許文献１】中森幸雄他「パウダーフィルム厚み計、溶融パウダープール厚計の開発」、製鉄研究、第３２４号、１９８７、ｐ．５１−５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、接触式測定方法では、接触するが故に、接触部における溶鋼の流れが変化し、粉末パウダを巻き込んでしまう。今後、鋳造速度が増加し、溶鋼表面速度が速くなっていくことを考慮すると、巻き込みが増えることも考えられる。また、浸漬部に付着した異物が溶鋼内にてはがれ、非金属介在物となる等、品質上問題がある。
【０００７】
一方、非接触式測定方法においては、γ線を利用した方法では装置が大型化するため、モールドの側面に設置することが困難であり、そのためパウダ溶融層厚を精度良く測定することは難しい。また、ガスで粉末パウダを吹き飛ばす方法では、溶融パウダ層厚が薄い状況で用いると、粉末パウダの巻き込みを助長する可能性もあるし、またその部分から放熱し、溶鋼面上に影響を与えることも考えられる。また、２つの周波数を用いた渦流法においては、粉末パウダ層の厚みの影響を受け、十分な精度が得られないという問題があった。さらに周囲温度の変化にも影響を受けやすい問題もあって、従来、測定精度の限界性能は±２ｍｍとなっていた。
【０００８】
ここで、一般的な渦流法による距離計測において、金属等の導電体までの距離を測定する際には、検出コイルと非金属との相互インダクタンスの変化をインピーダンス測定により計測し、その値を距離に換算する方法が一般的である。そして、金属層と低い導電率の層が二層ある場合、２つの周波数を用いて各層の影響を分離した例はある。
【０００９】
確かに１０ｋＨｚの場合の低導電率体（電気伝導度（導電率）σ＝５０Ｓ／ｍ：おおよその溶融パウダの導電率）の表皮深さは７１０ｍｍである。そのため、例えば５０ｍｍ程度の厚みの低導電率体であればほぼ透過する。また、１００ｋＨｚの場合は表皮深さ２２０ｍｍ、１ＭＨｚの場合は７０ｍｍである。通常の溶融パウダ層の厚さを考えると、溶融パウダ層の減衰は１ＭＨｚ程度の周波数において大きくなる。
【００１０】
したがって、溶融パウダ層厚の測定系を構成する場合、１０ｋＨｚオーダと１ＭＨｚオーダの２種類の周波数を用いれば、その減衰の大きさから二層の影響をそれぞれ分離することは、通常、問題なく行える。ところが１０ｋＨｚと１ＭＨｚのように二桁も異なる周波数で問題なくコイル（検出装置）、処理系装置を設計及び製作することは非常に難しい。例えば、励磁コイルを考えてみると、１０ｋＨｚ程の低周波ではパワーを大きくするために巻き数を増やすなどの工夫がされるが、巻き数が増えすぎると高周波側にてコイルインピーダンスが高くなるため十分電流が流せなくなる。逆に巻き数を減らしてコイルインピーダンスを下げようとすると、低周波側の磁束が少なすぎて（磁界が小さすぎて）安定した計測が不可能になる。
【００１１】
この場合、検出装置として二系統のコイルと電源を用意すれば解決はするものの、そのためにコストを費やす必要があるし、装置が大型化する等、重要な問題が発生する。また、２つの周波数の差を大きくとることが難しい点も問題として挙げられる。
【００１２】
そこで、本発明は鋳片品質に影響を与えない非接触式の測定方法により、安定して精度良くパウダ溶融厚等を測定できる方法、システム等を提供することを目的とする。その際、周囲の温度、湿度等の環境変化の影響を補償できるようにする。そして、できるだけ小型でモールド上に設置できるシステムを構成する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る層厚測定方法は、連続鋳造用モールド内の溶鋼面高さ、溶融パウダ層厚及び粉末パウダ層厚という複数の異なる電気伝導度の層までの距離と厚さとを同時に測定する方法において、励磁用コイルに、溶融パウダ層と粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、溶鋼の層と溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加する工程と、励磁用コイルにより各層に発生する渦電流に起因する電圧を、励磁用コイルと同一又は異なる検出用コイルで検出する工程と、励磁用コイルで印加した電圧に対する検出用コイルで検出した電圧の位相差及び検出用コイルで検出した電圧の振幅の絶対値に基づいて、周波数毎に検出した電圧のベクトルを算出する工程と、電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、溶鋼面高さの２次式における係数を粉末パウダ層厚と溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、周波数毎の検出に係る電圧のベクトルから、粉末パウダ層厚、溶融パウダ層厚及び溶鋼面高さを算出する工程とを有している。
本発明においては、ある周波数の電圧で印加した励磁用コイルに発生した磁界（磁束）により各層に発生する渦電流に基づく電圧を検出コイルで検出し、その検出した電圧に基づいてある周波数の電圧との位相差及び振幅の絶対値について、電圧のベクトルを算出し、測定目的の層厚が変化することによるベクトルの変化パターンを解析しておけば、他の層、環境等の影響を排除し、測定目的となる複数の層の厚さを解析し、測定することができる。ここで、複数の層厚の関係に基づく層厚の算出を行うためには、ｎ層あれば、ｎ／２以上の周波数を用いて検出を行う必要がある。各層の変化により、それぞれの変化パターンがあるため、そのパターンを解析することで、溶融パウダ層厚、溶鋼面高さ及び粉末パウダ層厚について同時に解析、演算によって測定することができる。
【００１４】
また、本発明に係る層厚測定方法は、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の電気伝導度及び厚さ範囲に基づき、励磁用コイルへの印加電圧の周波数を少なくとも２つ定める。
本発明においては、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の層厚を精度よく測定するために溶融パウダ層の電気伝導度及びとり得る厚さに合わせて少なくとも２つの周波数を定める。そのため、電気伝導度の異なる連続鋳造用モールド内の溶鋼による層、溶融パウダ層及び粉末パウダ層のうち、１つの周波数による検出では、主に溶鋼による層と溶融パウダ層との変化に反応させ、もう１つの周波数による検出では、主に溶融パウダ層と粉末パウダ層との変化に反応させるようにすれば、精度のよい解析を行え、溶融パウダ層の層厚を解析、演算によって精度よく測定することができる。また、溶鋼面の高さ、粉末パウダ層厚についても測定することができる。さらに、解析、演算によって層厚の測定精度を高め、検出系装置での検出精度をカバーすることができるので、検出系装置を小型化し、設計、製作負担を軽減することができる。
【００１５】
また、本発明に係る層厚測定方法は、印加電圧の周波数を１０ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲で定める。
本発明においては、検出系であるコイル部分の検出における精度を高めるため、印加電圧の周波数を１０ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲で定める。
【００１６】
また、本発明に係る層厚測定方法は、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の面に正対する位置に励磁用コイル及び検出用コイルを設ける。
本発明においては、より接近させることができるように、溶融パウダ層の面に正対した位置にコイルを設け、検出精度を高めるようにする。
【００２１】
また、本発明に係る層厚測定方法は、ベクトルの変化パターンに基づいて、周囲環境による検出特性の変化パターンを判断し、変化パターンに対応した校正をする。
本発明においては、周囲環境によるコイル等、検出系の特性の変化がベクトルの変化として現れるので、そのパターンを解析することにより、環境に応じた構成を行い、検出精度を高めることができる。
【００２２】
また、本発明に係る層厚測定システムは、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の厚さを渦電流計測方法によって測定する層厚測定システムであって、励磁用コイルに対して、溶融パウダ層と粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、溶鋼の層と溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加させて、各層に発生する渦電流に起因した電圧を検出する渦流センサ部と、渦流センサ部が検出した電圧について、周波数の電圧との位相差及び振幅の絶対値を算出し、複数の周波数毎に検出した電圧のベクトルの成分を出力する測定部と、電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、溶鋼面高さの２次式における係数を粉末パウダ層厚と溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、周波数毎の検出に係る電圧のベクトルの成分から、粉末パウダ層厚、溶融パウダ層厚及び溶鋼面高さを算出する測定解析部とを備えたものである。
本発明においては、渦流センサ部が検出した電圧について、測定部がベクトル成分を算出し、測定解析部がそのベクトルの成分から溶融パウダ層厚を算出するようにしたので、ベクトル成分の変化のパターンにより、他の層による影響を除去した上で溶融パウダ層厚だけを精度よく算出することができる。測定解析系による精度が向上することにより、渦流センサ部での検出精度をカバーすることができるので、検出に用いる周波数の差を大きくすることもなく、装置の小型化を図ることができる。そのため、設計、製作の負担も軽減される。
【００２４】
また、本発明に係る層厚測定方法のプログラムは、連続鋳造用モールド内の溶鋼面高さ、溶融パウダ層厚及び粉末パウダ層厚という複数の異なる電気伝導度の層までの距離と厚さとを同時に測定する方法のプログラムであって、励磁用コイルに対して、溶融パウダ層と粉末パウダ層との間の変化をとらえるための最高周波数と、溶鋼の層と溶融パウダ層との変化をとらえるための最低周波数のオーダが１桁異なる複数の周波数の電圧を印加させて、印加した電圧の周波数毎に各層に発生する渦電流に起因した電圧を検出し、検出した電圧の振幅の絶対値及び励磁用コイルに印加した電圧との位相差に基づいて電圧のベクトルを算出し、電圧のベクトルの成分を溶鋼面高さの２次式で表し、溶鋼面高さの２次式における係数を粉末パウダ層厚と溶鋼パウダ層厚とによる２次式で表した関係式に基づき、周波数毎の検出に係る電圧のベクトルから、粉末パウダ層厚、溶融パウダ層厚及び溶鋼面高さを算出することをコンピュータに行わせるものである。
本発明においては、位相差及び振幅の絶対値に基づいて、周波数毎に検出した電圧のベクトルを算出する。そのベクトルが、各層厚の変化によってどのような変化パターンを示すかをあらかじめ把握しておき、その関係に基づいて層厚をコンピュータに算出させる。各層の変化により、それぞれの変化パターンがあるため、そのパターンを解析することで、他の層の影響を除去した上で層厚を算出することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明によれば、電気伝導度の異なる層の層厚を測定する際に、ある周波数の電圧で印加した励磁用コイルに発生した磁界（磁束）により各層に発生する渦電流に基づく電圧を検出コイルで検出し、その検出した電圧に基づいてある周波数の電圧との位相差及び振幅の絶対値を出力するようにしたので、測定目的の層厚が変化することにより、位相差及び振幅の絶対値で表されるベクトルが変化することを利用し、その変化パターンを解析しておくことで、他の層、環境等の影響を排除した上で測定目的となる層の厚さを解析し、測定することができる。また、複数の層について、それらの層厚を解析演算することもできる。
【００２６】
また、本発明によれば、それを連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の層厚測定に利用することで、溶鋼面高さ及び粉末パウダ層厚の影響を除去した上で、溶融パウダ層厚を解析、演算によって精度よく測定することができ、品質のよい鋼の鋳造を行うことができる。また、溶鋼面高さ及び粉末パウダ層厚についても同一の検出で測定ができるので、便利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本実施の形態では発明の原理について説明する。ここでは励磁コイル（一次コイル）と検出コイル（二次コイル）とを有した渦流計測用センサをモールド上に、溶鋼面、溶融パウダ層及び粉末パウダ層と相対するように設置する。ここで、励磁コイルに印加する電圧の周波数には２種類の周波数を用いるものとする。本実施の形態では、約１００ｋＨｚを低周波側の周波数とし、１桁オーダが離れた約１ＭＨｚを高周波側の周波数として検出を行う。幅広い周波数で問題なく溶融パウダ層厚を測定しようとすると、センサだけで精度を追求するならば約１０ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの範囲で周波数を用いれば最適である。ただ、これだけの範囲をカバーできる装置を設計、製作することは通常、困難であるので、本実施の形態では、溶融パウダ層の電気伝導度、現実的な溶融パウダ層厚等を考慮して考え、低周波側の周波数は約１００ｋＨｚとする。一方、高周波側の周波数については、装置の小型化という観点からは低周波側との差を適度に設定しなければならない。低周波側の周波数が約１００ｋＨｚの場合は、異なる約１〜２ＭＨｚの周波数を高周波側の周波数とすることが望ましい。ここでは、溶鋼面高さ（溶鋼面高さを知ることで、溶鋼の厚さを測定することもできる）、パウダ溶融層厚又は粉末パウダ層厚における３層（溶鋼面高さを含めて）の影響による変化が考えられるので、少なくとも２つの周波数で検出を行う。これは、後述するように、検出された電圧のベクトルの成分を算出するが、層の数（溶鋼面高さを含めて）分のベクトルの変化を解析するため、層の数だけベクトルの成分が必要となるからである。本実施の形態では、２つの周波数で４つのベクトル成分を算出し、３層の層厚を解析演算して測定を行う。ここで、周波数は３種類以上であってもよい。また、層の数によっては１つでよい場合もある。
【００２８】
ここで、通常、検出コイルと溶鋼面までの距離は５０ｍｍ〜１００ｍｍである。溶鋼面などの良導体との距離を測定する場合は、コイルの直径はその距離と同じ値が目安となるため、５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度となる。ただ、本実施の形態では、溶鋼に比べ、電気伝導度の小さい溶融パウダ層を測定することから、電力を増強したり、差動タイプのコイルにする等、感度を上げる必要がある。また、より小型化を図るため、設置距離を小さくできない場合はさらに感度を上げる工夫が必要である。
【００２９】
通常、コイルに磁性体の芯を用いると感度が増す。ただ、逆にインピーダンスが大きくなり、しかも周囲の環境（温度、湿度）による影響も大きく受けることになる。そのため、ここでは空芯、絶縁性の芯又は誘電率等の物性値の分布が小さい芯を用いる方がよい。
【００３０】
また、コイルには必ず共振周波数があるが、その周波数と測定に用いる周波数との関係も重要である。一般的にコイルは共振周波数より低い周波数で用いると、そのコイルのインピーダンスはインダクタンス成分が支配的であり、共振周波数より高い周波数で用いると、キャパシタンス成分が支配的となる。そして、共振周波数ではインピーダンスは非常に大きくなることも重要である。つまりコイルを励磁コイルとして用いるときは、インピーダンスが高い周波数で用いると、コイルに流れる電流が小さくなり、十分に誘導電流（渦電流）を発生させることができないため、共振周波数より離れた周波数で電圧を印加するようにした方がよい。
【００３１】
また、検出コイルとして用いるときも同様で、検出コイルの共振周波数又はその近傍では用いないようにする。検出コイルの場合にはさらに注意する点がある。共振周波数より低い周波数側の検出ではインダクタンス成分が支配的なため、溶鋼面、溶融パウダ層に対しては、相対位置の変化に大きく反応する（感度が良い）が、共振周波数より高い周波数側の検出ではキャパシタンス成分が支配的なため、その変化に対する反応が小さくなる。そのため、低周波側及び高周波側の周波数は検出コイルの共振周波数より低いことが望ましい。ただし、粉末パウダまでの距離を非常に近く設定する場合には、キャパシタンス成分が変化する可能性もあり、共振周波数より高い周波数を用いて粉末パウダ層を測定する場合もある。
【００３２】
このように共振周波数から離れた少なくとも２つの周波数の電圧を励磁コイルに印加して磁界（磁束）を発生させ、溶鋼、パウダ溶融層、パウダ粉末層に作られる誘導電流に基づく電圧の検出を検出コイルで行う。検出コイルにより検出された電圧の印加周波数との位相差及び振幅の絶対値（それに伴うベクトルの成分）は、溶鋼面高さ、パウダ溶融層厚又は粉末パウダ層厚によって定まる。そして、溶鋼面高さ、パウダ溶融層厚又は粉末パウダ層厚のいずれかが変化することでその変化パターンが異なる。さらに変化のパターンは用いられる周波数によっても異なる。
【００３３】
もちろん、渦流計測においては、センサとして使用するコイルの形状、印加する電圧の周波数、測定対象物までの距離、測定対象物の電気伝導度、誘電率などによって振幅の絶対値及び位相差が変化する。そして、測定対象物の電気伝導度は環境によっても異なる。そこで、あらかじめオフラインにて、様々な条件の下において、各周波数における出力変化パターンの測定を行っておき、その解析式を求めておく。また、実際にモールド上で測定する際には、環境（温度、湿度等）に応じてセンサによる検出特性が変化していくが、これについても、変化がパターンとして現れるので、そのパターンに応じて、例えば一定時間毎に校正を行うことにより、精度良いパウダ溶融厚測定が可能となる。そして、実際の測定においては、その環境での溶鋼の電気伝導度、溶融パウダの電気伝導度及び誘電率、粉末パウダの電気伝導度及び誘電率を既知として、溶鋼面までの距離、溶融パウダ層厚、粉末パウダ層厚を解析演算により算出する。
【００３４】
ここで、誘電率については、本実施の形態のように１ＭＨｚ程度までの周波数を用いる場合には結果に対して与える影響が小さい。ただ、５ＭＨｚ又はそれ以上の周波数を用いる場合、測定対象までの距離が近く、電気伝導度が小さい場合には影響をおよぼすことがあるため、測定環境によっては無視できない物性値となるので注意する必要がある。
【００３５】
以上のように本実施の形態によれば、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層の層厚を精度よく測定するため、１００ｋＨｚ及び１ＭＨｚの周波数を励磁コイルに印加し、その誘導電流を検出した電圧の位相差及び振幅の絶対値に基づくベクトル成分が、１００ｋＨｚの周波数による検出では、主に溶鋼による層と溶融パウダ層との変化に反応し、１ＭＨｚの周波数による検出では、主に溶融パウダ層と粉末パウダ層との変化に反応するので、その変化のパターンを解析演算することで溶融パウダ層厚を、解析、演算によって精度よく測定することができる。また、溶鋼面の高さ、粉末パウダ層厚についても測定することができる。さらに、解析、演算によって層厚の測定精度を高め、検出系装置での検出精度をカバーすることができるので、検出系装置を小型化し、設計、製作負担を軽減することができる。
【実施例】
【００３６】
図１は本発明の実施例に係る層厚測定システムを示す構成図である。上述の実施の形態で説明した事項を具体的手段にしたものが本システムである。層厚測定システムは、検出部となる渦流センサ部１００（励磁コイル１、検出コイル２及び３）、発振器４及びパワーアンプ５、測定部となる差動アンプ６及び検波器７並びに測定解析部となる演算装置８で構成される。
【００３７】
モールド内の溶鋼１３上にパウダが散布され、溶融パウダ層１４と粉末パウダ層１５が形成されているが、この粉末パウダ層１５の面に正対して渦流センサ部１００がリフトオフ１０の距離で設置されている。本実施例の渦流センサ部１００は励磁コイル１並びに検出コイル２及び３とで構成される。励磁コイル１には、発振器４からの信号をパワーアンプ５により増幅した波形の電圧が印加される。励磁コイル１への電圧印加により発生した磁束が、粉末パウダ層１５、溶融パウダ層１４、溶鋼１３と交差すると誘導電流が発生する。そして、発生した誘導電流による磁束が検出コイル２及び３に交差すると検出コイル２と３との両端に電圧が発生する。
【００３８】
図２はコイルの周波数とインピーダンスとの関係を表す図である。層厚測定の際には複数の周波数を選択する。励磁コイル１に対する周波数（発信器４からの信号の周波数に基づく）を選択する場合は、ｆ１又はｆ２の領域の周波数を選択する。ｆ０又はその近傍の周波数を選択して用いてもよいが、複数周波数を使用する場合、電気的に工夫したり、別の励磁コイルを用いる等、ｆ０を変化させて複数にしなければならないので、構成及び処理が複雑になる。また、検出コイル２及び３については、ｆ１領域の周波数を検出できることが望ましいが、より高周波域での検出を行わなければならない場合や、高周波域を安定させるように製作できる場合には、ｆ２の領域の周波数を検出するために用いてもよい。ただし、ｆ２の領域は主にキャパシタンス成分に反応するため、変化分はインダクタンス成分の測定に比べ小さくなる可能性があることに気を付ける必要がある。
【００３９】
渦流センサ部１００のコイルの構成に関しては様々な組み合わせがある。例えば、励磁コイルと検出コイルとを同一のコイルで構成するもの、検出コイルを１つで構成するもの、励磁コイルも検出コイルもそれぞれ複数で構成するもの等がある。
【００４０】
差動アンプ６は、検出コイル２と３との両端に発生した電圧の差分をとった信号を出力する。差動アンプ６にて差分を取ると、励磁コイル１による磁束や対象物に影響を受けていない磁束及びノイズ等、検出コイル２及び３において共通に発生する成分を除去することができる。ここで、本実施例では検出コイル２と３との間に発生した電圧の差分をとるが、作動アンプ６を用いずに、複数の検出コイルの端子を逆方向に接続してコイル同士の差分を直接とる方法もある。また、各々の検出コイルの電圧を増幅器等を通して計測した計測値の差分をとる方法もある。
【００４１】
差動アンプ６が出力した信号は検波器７に入力される。検波器７は、移相器７Ａ、乗算器７Ｂ及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）７Ｃで構成される。ここで、検波器７には発振機４からの信号も参照信号（例えばｓｉｎ（正弦）波形）として入力される。検波器７では、移相器７Ａが参照信号を９０°移相した信号（例えばｃｏｓ（余弦）波形。以下移相信号という）を出力する。そして、乗算器７Ｂにおいて、差動アンプ６が出力した信号に参照信号及び移送信号を乗算する。そして、それぞれＬＰＦ７Ｃを介し、発振器４から送信された参照信号と同期（位相差０°）した成分の強度を表す信号と、９０゜の位相差を有する成分の強度を表す信号とを出力する。これらの信号は、通常、それぞれｃｏｓ（コサイン）成分、ｓｉｎ（サイン）成分とよばれる。
【００４２】
ここで、検波器７は、移相器７Ａと乗算器７Ｂ及びＬＰＦ７Ｃを組み合わせて自作することもできるし、市販のロックインアンプを用いてもよい。また、構成も必ずしも上述したものに限らない。また、ここではベクトルの成分となるｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分を検波器７から出力するようにしているが、検出した電圧に対する振幅の絶対値と位相差とを表す信号を検波器７から出力し、後述する演算装置８で、ｓｉｎ成分及びｃｏｓ成分を算出する方法もある。各成分の二乗の和の平方根を計算したものが、振幅（出力）の絶対値となる。
【００４３】
図３は励磁コイル１に印加されている電圧波形と、検出コイル２から出力されている波形を示した図である。励磁コイル１の波形と検出コイル２の波形の位相の差が位相差として表される。また、検出コイル２波形の振幅値が絶対値となる。
【００４４】
演算装置８は、ｓｉｎ成分及びｃｏｓ成分を解析して層厚を算出する。算出した層厚の数値は、例えば表示手段、印刷手段（図示せず）等に表示させたり、印刷させたりする。ここで、演算装置８（本実施例）の主目的は溶融パウダ層厚の算出であるが、後述するように溶鋼面高さ、粉末パウダ層厚も算出することができる。
【００４５】
図４は層厚と方向変化を表す図である。図４（ａ）は１００ｋＨｚの場合、図４（ｂ）は１ＭＨｚの場合を表している。次に層厚の算出処理方法について説明する。低周波側を１００ｋＨｚ、高周波側を１ＭＨｚとし、それぞれについて溶鋼面高さ（Ｌ）、溶融パウダ層厚（Ｗ）、粉末パウダ層厚（Ｐ）として、３つのパラメータのうち、１つだけを変化させ、ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分との値の変化を表示した。図４から考えると、溶鋼面高さＬと溶融パウダ層厚Ｗ、粉末パウダ層厚Ｐとの変化の方向は、１００ｋＨｚで検出すると大きく異なっていることがわかる。一方、１ＭＨｚでも変化の方向は近いものの異なっていることが分かる。溶融パウダ層厚Ｗ、粉末パウダ層厚Ｐでの変化の方向は近いものの、１００ｋＨｚと１ＭＨｚでは変化の方向は異なっており、これらを分析した係数を算出しておくことにより層厚を算出することができる。
【００４６】
例えば、以下のような式にて解析が可能である。Ｐ及びＷの関係を次の１次式で代表する。
Ａ＝Ｃ０・Ｗ＋Ｐ                                                    …（１）
【００４７】
Ｘ（ｃｏｓ成分）、Ｙ（ｓｉｎ成分）を次の２次式（２）、（３）で表す。
Ｘ＝Ｃ１・Ｌ2 ＋Ｃ２・Ｌ＋Ｃ３                                      …（２）
Ｙ＝Ｃ４・Ｌ2 ＋Ｃ５・Ｌ＋Ｃ６                                      …（３）
【００４８】
ここで、定数項Ｃ１〜Ｃ６を次式（４）〜（９）で表す。
Ｃ１＝Ｄ０・Ａ2 ＋Ｄ１・Ａ＋Ｄ２                                    …（４）
Ｃ２＝Ｄ３・Ａ2 ＋Ｄ４・Ａ＋Ｄ５                                    …（５）
Ｃ３＝Ｄ６・Ａ2 ＋Ｄ７・Ａ＋Ｄ８                                    …（６）
Ｃ４＝Ｄ９・Ａ2 ＋Ｄ１０・Ａ＋Ｄ１１                                …（７）
Ｃ５＝Ｄ１２・Ａ2 ＋Ｄ１３・Ａ＋Ｄ１４                              …（８）
Ｃ６＝Ｄ１５・Ａ2 ＋Ｄ１６・Ａ＋Ｄ１７                              …（９）
【００４９】
上述の式において、各式中の定数項Ｃ０〜Ｃ６及びＤ０〜Ｄ１７のうち、独立して求めておく必要があるのはＣ０及びＤ０〜Ｄ１７の１９項である。これらの定数項は、連続鋳造が行われていないオフライン試験にて、Ｌ、Ｐ、Ｗ等をパラメータとして、例えば、一定の条件下での定数項を求めておく。各条件における定数項の値は、例えばデータベース化し、演算装置８内に備えた記憶手段（図示せず）又はネットワーク等で接続された記憶手段に記憶し、定数項を管理しておくこともできる。
【００５０】
ここで、実際に層厚の算出を行っていると、時間変化、温度変化の蓄積などにより、特性が変化し、渦流センサ部１００の検出に微小なずれが生じ、本来の層厚の値と算出された層厚の値とがずれてくる可能性がある。そのような場合には、その特性の変化に応じたパターンがｃｏｓ成分、ｓｉｎ成分にも現れる。そこで、そのパターンの変化に応じて、一定の時間毎に渦流センサ部１００の校正を行うことにより精度を保つ。また、コイルの形状、信号線の特性等を変更した場合は、その変更に合わせて式又は定数項の値も変更する。
【００５１】
また、ここでは、（１）式を１次式で表しているが、例えば二次式としたり、さらに、（２）式、（３）式についても３次式とする等、式による精度の向上を図るように設定を変更することもできる。この場合も、定数項の数もその値も変化するので、それに合わせた定数項を算出しておく必要がある。
【００５２】
図５は２つの方法により求められた溶融パウダ層厚の関係を表す図である。横軸は接触式で実測した溶融パウダ層厚を表す。縦軸は２周波数での渦流計測とベクトル成分による解析を行った本実施例による方法である。０ｍｍ〜１５ｍｍの溶融パウダ厚に対して、計測値のはとんどが±１ｍｍ以内となっている。厚みが小さい場合にその誤差が大きくなる傾向にあるが、これは、高周波側の周波数をさらに高めることができれば、感度はさらに向上する。
【００５３】
温度補償に関しては、温度とベクトルの移動方向との関係をあらかじめ求めておき、コイル周辺の温度に基づいて、演算装置８において補正したり、定数項を決定したりすることで容易に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上述の実施の形態及び実施例においては、連続鋳造用モールド内の溶融パウダ層厚Ｗ、溶鋼面高さＬ、粉末パウダ層厚Ｐを測定、算出することを目的としたが、本発明はこれに限定するものではない。１又は複数の異なる電気伝導度の層の厚さを測定するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例に係る層厚測定システムの構成図である。
【図２】コイルの周波数とインピーダンスの関係を表す図である。
【図３】励磁コイル１に印加されている電圧波形と、検出コイル２から出力されている波形を示した図である。
【図４】層厚と方向変化を表す図である。
【図５】２つの方法により求められた溶融パウダ層厚の関係を表す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…励磁コイル
２、３…検出コイル
４…発振器
５…パワーアンプ
６…差動アンプ
７…検波器
７Ａ…移相器
７Ｂ…乗算器
７Ｃ…ＬＰＦ
８…演算装置
１０…リフトオフ
１３…溶鋼
１４…溶融パウダ層
１５…粉末パウダ層
１００…渦流センサ部
【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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