(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である導電性流体に対して、非接触に配置したコア(5)の励磁コイル(4)に低周波発振器(1)と高周波発振器(2)からの２つの交流電流が印加されることで生じた低周波磁場と高周波磁場が導電性流体(30)に入射することにより、前記励磁コイル(4)で発生した低周波磁場を妨げる方向に生じた磁束が鎖交することにより発生する渦電流成分電圧(es)と、前記励磁コイル(4)からの低周波磁場と測定対象である導電性流体(30)が相対移動することにより生じた速度成分電圧(ev)とを検出するための検知コイル(6)を有する流速検出器ヘッド(15)を用いて前記導電性流体(30)の流速(V)を得るようにした非接触流速検出方法において、前記検知コイル(6)により起電圧ｅ（速度成分電圧ｅｖ＋渦電流成分電圧ｅｓ＋ギャップ分電圧ｅｏ＋誤差分△ｅｓよりなる）を測定し、前記起電圧(e)のうち、渦電流成分電圧(es)は位相整流により分離されて出力され、ギャップ分電圧(eo)は高周波磁界の整流で除去し、前記渦電流成分電圧(es)のうちの前記誤差分(△es)を、△ｅｓ＝α・ｅｓと定め、前記αは前記導電性流体(30)の湯面(18)と前記検知コイル(6)間のギャップ(20)を予め得た予知ギャップ(20A)の関数として求めた値を用い、除去することにより、前記導電性流体(30)の前記流速(V)を得ることを特徴とする非接触流速検出方法。
【請求項２】
前記予知ギャップ(20A)は、前記導電性流体(30)が静止している状態で測定することを特徴とする請求項１記載の非接触流速検出方法。
【請求項３】
測定対象である導電性流体(30)に対して、非接触に配置したコア(5)の励磁コイル(4)に低周波発振器(1)と高周波発振器(2)からの２つの交流電流が印加されることで生じた低周波磁場と高周波磁場が導電性流体(30)に入射することにより、前記励磁コイル(4)で発生した低周波磁場を妨げる方向に生じた磁束が鎖交することにより発生する渦電流成分電圧(es)と、前記励磁コイル(4)からの低周波磁場と測定対象である導電性流体(30)が相対移動することにより生じた速度成分電圧(ev)とを検出するための検知コイル(6)を有する流速検出器ヘッド(15)を用いて前記導電性流体(30)の流速(V)を得るようにした非接触流速検出装置において、前記検知コイル(6)からの検知電圧に対して低周波フィルタ(7b)を経た後に位相整流を行うことにより渦電流成分電圧と速度成分電圧とを分離するための位相整流回路(9a,9b)と、前記検知コイル(6)で検知され高周波フィルタ(7a)を介して得られたギャップ分電圧(eo)の値を基に導電性流体(30)とのギャップを求め、このギャップ変化に伴う速度成分電圧(ev)及び渦電流成分電圧(es)の変化を補正するため、前記位相整流回路(9a,9b)で取り出した速度成分電圧(ev)と渦電流成分電圧(es)を補正するためのギャップ補正回路(10a,10b)と、前記ギャップ補正回路(10a,10b)に接続された演算回路(16)とを備え、前記ギャップ補正回路(10a,10b)を介して出力された速度成分電圧(ev)から渦電流成分電圧(es)の誤差分△ｅｓを、△ｅｓ＝α・ｅｓと定め、前記αは前記導電性流体(30)の湯面(18)と前記検知コイル(6)間の間隔を予め得た予知ギャップ(20A)の関数として求めた値を用いて除去し、前記演算回路(16)から前記導電性流体(30)の流速(V)を得るように構成したことを特徴とする非接触流速検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触流速検出方法及び装置に関し、特に、金属の連続鋳造設備の自由表面下の導電性流体の流速の誤成分を、予め検出した湯面と検知コイル間の予知ギャップの関数として求めた値を用いて除去することにより高精度な流速を得るための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平９−３３５５４号公報にも開示されているように、溶融金属の連続鋳造設備用に提案されている非接触流速検出器について図８に基づき説明する。
従来の非接触流速検出器は、測定対象の導電性流体３０に低周波磁場φ０を印加するための前記励磁コイル４を湯面１８に対して非接触に配置し、その周辺に励磁コイル４と導電性流体３０との作用によって生じる磁場を検出する検知コイル６から構成される。
この際、低周波発振器１及び高周波発振器２からの低周波及び高周波が増幅器３を介して励磁コイル４に印加され、励磁コイル４からの低周波磁場φ０が導電性流体３０に入射することにより、導電性流体３０には、渦電流が形成される。また導電性流体３０がある速度で移動している場合には、低周波磁場φ０と速度との作用によって生じる誘導電流が形成される。したがって、励磁コイル４の周辺に配置された検知コイル６には誘導電流によって生じた速度成分磁束φｖと速度とは関係のない渦電流によって生じた渦電流磁束φｓとが検出される。この２つの磁束φｓと、φｖが検知コイル６を貫くことにより、検知コイル６には渦電流成分電圧ｅｓと速度成分電圧ｅｖとが検出された起電圧として出力される。
ここでこの２つの成分は位相が互いに９０゜異なるため、高周波フィルタ７ａと低周波フィルタ７ｂを介して整流回路８と位相整流回路９ｂにより、検出された起電圧６ａから、速度成分電圧と渦電流成分電圧とに分離し、ギャップ補正回路１０ｂを経て速度成分電圧からなる流速Ｖを取り出す方法を採用していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、位相整流回路を介してのみ起電圧から分離し速度成分電圧を取り出す方法であり、この方法では完全に速度成分電圧と渦電流成分電圧とを分離することができず、速度成分電圧には渦電流成分電圧が残留した状態で出力されていた。この速度成分電圧に残留する渦電流成分電圧起因の成分を単に残留成分△ｅｓとする。また、この渦電流成分電圧は流速検出器ヘッドと導電性流体の湯面間とで存在する傾きや、導電性流体の湯面形状、例えば流動によって生じるうねりや波立ちにより変動することがある。
これは傾きや波立ちによって、検知コイル面内で導電性流体との距離（ギャップ）のずれが生じ、それに伴い検知コイルを貫く渦電流成分磁場が変化し、その結果、渦電流成分電圧が変動することになる。上述したように、この渦電流成分電圧は位相整流しても速度成分電圧に残留するため、導電性流体が静止した状態においても、見かけ上、速度成分電圧ｅｖ（＝△ｅｓ）が生じていることになる。そのため、残留成分△ｅｓにより流速に関わらず、湯面形状に応じて見かけ上、速度成分電圧ｅｖが変化するため流速検出の測定精度の低下（図９で示される）を招く原因となり、特に自由表面下での測定を困難にする原因となっていた。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、金属の連続鋳造設備の自由表面下の導電性流体の流速の誤差分を、予め検出した湯面と検知コイル間の予知ギャップの関数として求めた値を用いて除去することにより高精度な流速を得るようにした非接触流速検出方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による非接触流速検出方法は、測定対象である導電性流体に対して、非接触に配置したコアの励磁コイルに低周波発振器と高周波発振器からの２つの交流電流が印加されることで生じた低周波磁場と高周波磁場が導電性流体に入射することにより、前記励磁コイルで発生した低周波磁場を妨げる方向に生じた磁束が鎖交することにより発生する渦電流成分電圧ｅｓと、前記励磁コイルからの低周波磁場と測定対象である導電性流体が相対移動することにより生じた速度成分電圧ｅｖとを検出するための検知コイルを有する流速検出器ヘッドを用いて前記導電性流体の流速を得るようにした非接触流速検出方法において、前記検知コイルにより起電圧（速度成分電圧ｅｖ＋渦電流成分電圧ｅｓ＋ギャップ分電圧ｅｏ＋誤差分△ｅｓよりなる）を測定し、前記起電圧のうち、渦電流成分電圧ｅｓは位相整流により分離されて出力され、ギャップ分電圧ｅｏは高周波磁界の整流で除去し、前記渦電流成分電圧ｅｓのうちの前記誤差分△ｅｓを、△ｅｓ＝α・ｅｓと定め、前記αは前記導電性流体の湯面と前記検知コイル間のギャップを予め得た予知ギャップの関数として求めた値を用いて除去することにより、前記導電性流体の前記流速を得る方法であり、また、前記予知ギャップは、前記導電性流体が静止している状態で測定する方法であり、また、本発明による非接触流速検出装置は、測定対象である導電性流体に対して、非接触に配置したコアの励磁コイルに低周波発振器と高周波発振器からの２つの交流電流が印加されることで生じた低周波磁場と高周波磁場が導電性流体に入射することにより、前記励磁コイルで発生した低周波磁場を妨げる方向に生じた磁束が鎖交することにより発生する渦電流成分電圧ｅｓと、前記励磁コイルからの低周波磁場と測定対象である導電性流体が相対移動することにより生じた速度成分電圧ｅｖとを検出するための検知コイルを有する流速検出器ヘッドを用いて前記導電性流体の流速を得るようにした非接触流速検出装置において、前記検知コイルからの検知電圧に対して低周波フィルタを経た後に位相整流を行うことにより渦電流成分電圧と速度成分電圧とを分離するための位相整流回路と、前記検知コイルで検知され高周波フィルタを介して得られたギャップ信号電圧の値を基に導電性流体とのギャップを求め、このギャップ変化に伴う速度成分電圧及び渦電流成分電圧の変化を補正するため、前記位相整流回路で取り出した速度成分電圧と渦電流成分電圧を補正するためのギャップ補正回路と、前記ギャップ補正回路に接続された演算回路とを備え、前記ギャップ補正回路を介して出力された速度成分電圧から渦電流成分電圧の誤差分△ｅｓを△ｅｓ＝α・ｅｓと定め、前記αは前記導電性流体の湯面と前記検知コイル間の間隔を予め得た予知ギャップの関数として求めた値を用いて除去し、前記演算回路から前記導電性流体の流速を得るようにした構成である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による非接触流速検出方法及び装置の好適な実施の形態について説明する。なお、従来例と同一又は同等部分については同一符号を用いて説明する。
図１において符号１５で示されるものはコア５、励磁コイル４及び検知コイル６とからなる流速検出器ヘッドであり、この励磁コイル４には、低周波発振器１及び高周波発振器２からの低周波及び高周波が増幅器３を介して励磁コイル４に印加されている。なお、このコア５は正逆交互に１８０度位置をかえて検出するように構成されている。
【０００７】
前記検知コイル６から得られた起電圧ｅは、高周波フィルタ７ａ及び整流回路８を介して第１ギャップ補正回路１０ａに印加されると共に、低周波フィルタ７ｂ、１対の位相整流回路９ａ，９ｂを経て第１、第２ギャップ補正回路１０ａ，１０ｂに印加され、各ギャップ補正回路１０ａ，１０ｂの出力は演算回路１６に入力されて流速Ｖが出力されるように構成されている。
【０００８】
次に、動作について述べる。まず、励磁コイル４からの低周波交流磁場により、導電性流体３０には渦電流が形成され、それに伴い低周波磁場と打ち消し合う方向の磁束φｓａ，φｓｂが図２の如く形成される。
ここで流速検出器ヘッド１５と導電性流体３０の湯面１８が平滑な場合では、流速検出器ヘッド１５の底部面と湯面１８間の距離すなわちギャップ２０が何れの点においても同一であるため、流れ２１の上流側、下流側に形成される渦電流による磁束φｓａ，φｓｂは、検知コイル６に対して互いに打ち消し合う方向に作用しており、磁束φｓａ，φｓｂの差分が検出される。なお、φｏは励磁磁束、φｖは速度成分磁束である。
しかしながら、流速検出器ヘッド１５の設置時に湯面１８との傾きがある場合や流動によって湯面１８にうねり、波立ちがある場合のように流速検出器ヘッド１５の底部面と湯面１８間のギャップ２０が異なる時、磁束φｓａ，φｓｂの差分が増加し、渦電流成分電圧ｅｓも増加する。さらに湯面形状が連続的に変動している場合には、この渦電流成分電圧ｅｓも変動する。従来、この渦電流成分電圧ｅｓは起電圧ｅから位相整流して分離する信号処理を行うが、完全に分離・除去されず、残留し流速検出に際しては、大きな外乱となる。
そこで本発明では、この外乱の原因である渦電流によって生じる磁束φｓａ，φｓｂの差分により発生する渦電流成分電圧ｅｓより速度成分電圧ｅｖの補正を行う。補正処理を行うため、各位相整流回路９ａ，９ｂを介して起電圧ｅより渦電流成分電圧ｅｓと速度成分電圧ｅｖを分離し、この渦電流成分電圧ｅｓから残留成分を求め、速度成分電圧ｅｖから減算処理を行う。
この残留成分すなわち誤差分△ｅｓと渦電流成分電圧ｅｓとは次式で規定できる。
△ｅｓ＝α・ｅｓ              (1)
ここでαは、残留率であり、予め求めた係数である。すなわち予め静止湯面上での検知コイル６と湯面１８との間のギャップを予知ギャップ２０Ａとして測定を行い、この予知ギャップ２０Ａの関数として後述のように求めた値を用いる。従って、求める速度成分電圧ｅｖは、式(1)より次式で示される。
ｅｖ＝ｅｖｔ−α・ｅｓ        (2)
式(2)に基づいて渦電流成分電圧ｅｓにより、常に速度成分電圧ｅｖを補正することにより、自由表面下においても、精度よく流速Ｖを検出することができる。なお、この予知ギャップ２０Ａは湯面１８が静止状態に限らず流れている場合でも可である。
【０００９】
次に、前述の誤差分α・ｅｓのαの決め方について述べる。
コア５を１８０度回転させながら正逆の位置で起電圧ｅを測定する場合、検知コイル６には、
ｅ（起電圧）＝ｅｖ（速度分）＋ｅｓ（渦電流分）＋ｅｏ（ギャップ分電圧）＋△ｅｓ（誤差分）が発生するため、位相整流でｅｓを除去し正逆の速度成分の和を１／２し、高周波磁界の整流でｅｏを除去するが（これまでは従来方法と同じ）、誤差分△ｅｓについては、渦電流に比例するものとし、△ｅｓ＝α・ｅｓとして除去することで精度良い流速Ｖを得ている。
すなわち、本願は、前述の従来技術に加えて、検出器の傾きによる誤差を補正するもので、その補正におけるαの決め方を図４から図７を用いて説明する。
まず、静止湯面状へ検出器ヘッド１５を設置し、ギャップ長毎（コア５のＮＳ極先端の中心位置と静止湯面距離）に検出器ヘッド１５のＮ／Ｓ極の傾きを変化させて、傾きと渦電流成分電圧ｅｓの関係を図４の如くプロットする。
次に、湯面１８にある一定の流速を与え、検出器ヘッド１５（α＝１とする）と従来流速計（例えば周知の助川電工製の接触型）にて両検出器による流速を測定する。
この場合、本発明の検出器ヘッド１５はギャップ長毎に傾きを変化させて測定するが、ギャップ及び傾きに対応して、従来流速計は一定であるので検出器ヘッド１５の測定速度は変化して差が生じる。
その差（残留率αに相当する）を、水平設置時の検出器ヘッド１５の検出電圧と従来検出器の速度の関係から、当該差を逆算して電圧に換算しその電圧を残留成分として、図５のような傾きと残留成分△ｅｓのプロット図を作成する。
図６は、前記図４と図５を同一ギャップ、傾きで、渦電流成分電圧ｅｓを残留成分で整理し、プロットし直したものである。この図から分かるように、各ギャップ毎の残留成分は渦電流成分電圧と比例関係にあり、各ギャップ毎に直線近似でき、ギャップによって傾きが異なることが明らかである。
上記ギャップ毎の傾き（残留率αに相当）をプロットしたものが図７である。このプロットから残留率αは、ギャップの２次近似式で表されることが分かり、検出器ヘッド１５の設置位置によって、検出器ヘッド１５の傾きに左右されずαを決定でき精度を向上することができる。すなわち、このαは導電性流体３０の湯面１８と検知コイル６間の間隔から予め得た予知ギャップ２０Ａの関数として求めた値を用いている。
【００１０】
【実施例】
流速検出器ヘッド１５を測定対象である溶融したウッドメタル（メルティング・ポイント＝７０℃）溶湯１００℃の湯面１８に対して非接触に配置し、流速の測定を行った。なお、湯面１８は自由表面である。１００Ｈｚの低周波発振器１および２０ｋＨｚ高周波発振器２より励磁コイル４に高低２つの交流磁場を印加した。このとき検知コイル６からの起電圧ｅは、周波数の違いにより高周波成分の信号と低周波成分の信号とに弁別される。低周波成分の信号は、各位相整流回路９ａ，９ｂにより速度成分電圧ｅｖと渦電流成分電圧ｅｓとに分離し、高周波フィルタ７ａ、整流回路８を通して得られるギャップ信号によりギャップ変化による出力変動であるギャップ分電圧ｅｏを補正した補正後の速度成分電圧ｅｖと渦電流成分電圧ｅｓが出力される。すなわち、前記各ギャップ補正回路１０ａ，１０ｂでは、検知コイル６で検知され高周波フィルタ７ａを介して得られたギャップ分電圧ｅｏの値を基に導電性流体３０とのギャップを求め、このギャップ変化に伴う速度成分電圧ｅｖ及び渦電流成分電圧ｅｓの変化を補正するため、各位相整流回路９ａ，９ｂで取り出した速度成分電圧ｅｖと渦電流成分電圧ｅｓを補正している。さらに速度成分電圧ｅｖは演算回路１６により渦電流成分電圧ｅｓの値に基づき、渦電流成分に起因した外乱成分が除去される。演算回路１６では、式(1)と式(2)で示されるようにギャップ補正後の速度成分電圧ｅｖｔより、渦電流成分電圧ｅｓより求めた残留成分△ｅｓを減算することにより正味の速度成分電圧ｅｖが速度信号として出力される。
ギャップ補正のみを行った場合での速度成分電圧(evt)を流速に変換した結果を図９（従来方法）に、渦電流成分による残留成分の補正を行った場合の結果を図３（本発明方法）に示す。図中には参照として同時に測定した浸漬タイプの流速計の測定値（点線で薄く示される）も示した。図９，３に示されるように残留成分の補正を行うことにより非接触流速計の精度は著しく向上したことが明らかである。なお、図１の各部に信号の内容を式で表記した。
【００１１】
【発明の効果】
本発明による非接触流速検出方法及び装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、起電圧(e)のうちの渦電流成分電圧(es)は位相整流で除去し、ギャップ電圧分(eo)は高周波磁界の整流で除去し、誤差分(△es)を、△ｅｓ＝α・ｅｓとし、αを予知ギャップ(20A)の関数として求めた値を用いて除去することにより高精度の流速(V)を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による非接触検出方法を適用した装置を示す構成図である。
【図２】  図１の動作を示す説明図である。
【図３】  図１の方法による流速／時間特性図である。
【図４】  本発明による渦電流電圧成分検出特性図である。
【図５】  本発明による流速検出器ヘッド／湯面間の傾きの影響特性図である。
【図６】  本発明による渦電流成分電圧と残留成分との関係特性図である。
【図７】  本発明による残留率と予知ギャップとの関係特性図である。
【図８】  従来方法を適用した装置を示す構成図である。
【図９】  図８の従来方法の流速／時間特性図である。
【符号の説明】
１    低周波発振器
２    高周波発振器
３    増幅器
４    励磁コイル
５    コア
６    検知コイル
７ａ    高周波フィルタ
７ｂ    低周波フィルタ
８    整流回路
９ａ，９ｂ    位相整流回路
１０ａ，１０ｂ    ギャップ補正回路
３０    導電性流体
φｏ    励磁磁束
φｓ    渦電流磁束
φｖ    速度成分磁束
１５    流速検出器ヘッド
１６    演算回路
１８    湯面
２０    ギャップ
２０Ａ    予知ギャップ
２１    溶融金属の流れ
【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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