(57)【要約】【課題】検出ヘッドに導電体が近接した場合に、その影響を抑制してモールド湯面レベルを計測することができる渦流式モールド湯面レベルセンサーを提供すること。【解決手段】渦流式モールド湯面レベルセンサーは、一次コイル７および互いに差動接続された一対の二次コイル８，９を有する検出ヘッド５とを備えている。検出ヘッド５の上端面、または上端面および側面には磁気シールド１２が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数の交流信号を送出する発振器と、前記交流信号が供給される帰還増幅器と、発信コイルである一次コイルおよび互いに差動接続され、上下に配置された受信コイルである一対の二次コイルを有する検出ヘッドとを備え、前記帰還増幅器の出力が前記一次コイルに供給され、前記二次コイルの出力を前記帰還増幅器に帰還し、湯面レベルの変化に対応して変化する前記帰還増幅器の出力に基づいてモールド内の湯面レベルを計測する渦流式モールド湯面レベルセンサーにおいて、
前記検出ヘッドの上端面、または上端面および側面に設けられた磁気シールドをさらに有することを特徴とする渦流式モールド湯面レベルセンサー。
【請求項２】
前記磁気シールドは、前記一次コイルに印加されるコイル電流の周波数と、前記磁気シールドの電気電導度および透磁率から求められる表皮深さの３倍以上の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の渦流式モールド湯面レベルセンサー。
【請求項３】
少なくとも前記二次コイルのうち上部にあるものの一部が前記磁気シールドの側面側の部分に覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の渦流式モールド湯面レベルセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に生じる渦電流を利用して、連続鋳造の操業時にモールド内の湯面レベルを計測する渦流式モールド湯面レベルセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造において、モールド内の湯面レベルを高精度で計測し、湯面レベルを一定に制御することが鋳片の品質を向上することになるので、高精度なモールド湯面レベルセンサーの開発が行なわれている。
【０００３】
従来この種のモールド湯面レベルセンサーとして、特許文献１に記載されているように渦流式距離計を適用したものが知られている。
【０００４】
特許文献１に開示されたモールド湯面レベルセンサーは、発信コイルである一次コイルと、一次コイルを挟んで上下に同軸に配置され、相互に差動的に接続された受信コイルである一対の二次コイルと、前記一次コイルに発振器からの交流電圧を増幅して印加する増幅器と、前記一対の二次コイルの差分出力電圧を増幅して前記増幅器に帰還させる信号増幅器とを備えたものである。そして、一次コイルを一対の二次コイルで挟んで配置した検出ヘッドをモールド湯面上に配置して湯面レベルを計測する。
【０００５】
特許文献１では、このようにセンサーコイルとして同軸に上下に分割された二次コイルを用い、これら二次コイルを互いに差動的に接続して帰還信号を得るようにしたから、二次コイルの軸方向に対してのみ検出感度を保持させることができ、したがって、側面導体の影響も分割された２次コイルによって補償されることにより除去され、また温度変化に対しても分割された二次コイルにより補償し合うため、特性が良好となり、渦流距離計として測定精度が高いものが得られるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公昭６２−３０５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の湯面レベルセンサーは、検出ヘッドの側面や上面に接近してくる物体が金属等の導電体の場合、その物体表面に発生する誘導電流が二次コイルに及ぼす影響が大きく、その影響を排除することが困難である。
【０００８】
特に、鉄鋼の製造現場における鋼の連続鋳造作業においては、モールド内に添加されたモールドパウダーが均一の厚みで分布するようにモールドパウダー表面の凹凸をならしたり、溶鋼湯面において部分的に溶鋼が凝固した場合にその凝固シェルを除去したりするために、普通鋼製の丸棒をモールド内に挿入する場合があるが、普通鋼は磁性体であるためこのような普通鋼製の丸棒が近接することによる影響は大きい。
【０００９】
つまり、普通鋼は、その比透磁率がオーステナイトステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）のような非磁性体の約１０００倍であるため、発生する誘導電流の大きさも１０００倍となり、その結果、金属棒の表面から発生する磁場の強さもＳＵＳ３０４の材質のものに比べて１０００倍となり、二次コイルに大きな影響を及ぼすのである。
【００１０】
したがって、普通鋼製の丸棒を鋳型内に挿入する場合には、湯面レベルセンサーへの影響を防止するために、その丸棒の近接を防止する必要がある。製造現場においては、その問題を解決するために、作業基準を設けて、できる限り金属丸棒を検出ヘッド付近に近接しないように努めているが、完全には遵守することができないのが実情である。
【００１１】
また、操業中に作業者が、上記目的で使用する金属丸棒を意図せずに検出ヘッド上方に近接させてしまう場合があり、この場合にも誘導電流により湯面レベルセンサーの測定値に誤差が生じてしまう。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、検出ヘッドに導電体が近接した場合に、その影響を抑制してモールド湯面レベルを計測することができる渦流式モールド湯面レベルセンサーを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は、所定の周波数の交流信号を送出する発振器と、前記交流信号が供給される帰還増幅器と、発信コイルである一次コイルおよび互いに差動接続され、上下に配置された受信コイルである一対の二次コイルを有する検出ヘッドとを備え、前記帰還増幅器の出力が前記一次コイルに供給され、前記二次コイルの出力を前記帰還増幅器に帰還し、湯面レベルの変化に対応して変化する前記帰還増幅器の出力に基づいてモールド内の湯面レベルを計測する渦流式モールド湯面レベルセンサーにおいて、前記検出ヘッドの上端面、または上端面および側面に設けられた磁気シールドをさらに有することを特徴とする渦流式モールド湯面レベルセンサーを提供する。
【００１４】
本発明において、前記磁気シールドは、前記一次コイルに印加されるコイル電流の周波数と、前記磁気シールドの電気電導度および透磁率から求められる表皮深さの３倍以上の厚さを有することが好ましい。また、少なくとも前記二次コイルのうち上部にあるものの一部が前記磁気シールドの側面側の部分に覆われていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、検出ヘッドの側方または上方に導電体が近接した際に、その影響を抑制して精度良く湯面レベルを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る渦流式モールド湯面レベルセンサーを示すブロック図である。
【図２】図１の渦流式モールド湯面レベルセンサーに用いる、磁気シールドが配置された検出ヘッドの一例を示す断面図である。
【図３】図１の渦流式モールド湯面レベルセンサーに用いる、磁気シールドが配置された検出ヘッドの他の例を示す断面図である。
【図４】従来の渦流式モールド湯面レベルセンサーにおける導電体の影響を把握する実験のための検出ヘッドと普通鋼製丸棒の配置状態を示す図である。
【図５】従来の渦流式モールド湯面レベルセンサーにおける導電体の影響を把握した実験結果を示す図である。
【図６】従来の渦流式モールド湯面レベルセンサーおよび本実施形態の渦流式モールド湯面レベルセンサーの検出ヘッドに、金属製の物体が近接した場合の渦電流および磁場分布のイメージを比較して説明する図である。
【図７】実施例１における検出ヘッドと普通鋼丸棒の配置を説明するための図である。
【図８】実施例１において、磁気シールドの厚さを変えた場合のレベル出力に及ぼす普通鋼丸棒の影響を示す図である。
【図９】実施例２における検出ヘッドと普通鋼丸棒の配置を説明するための図である。
【図１０】実施例２において、磁気シールドの側面部分の長さおよび受信コイルカバー率（ＬＳ／Ｌ）と出力レベルとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る渦流式モールド湯面レベルセンサーを示すブロック図である。同図において、１は連続鋳造用モールドであり、２はモールド１内の湯面である。
【００１８】
渦流式モールド湯面レベルセンサー２０は、所定の周波数の交流信号を送出する発振器３と、送出された交流信号が供給される帰還増幅器４と、検出ヘッド５と、信号増幅器１０とを有している。
【００１９】
検出ヘッド５は、モールド１内の湯面２の上方に設けられ、コイルボビン６に巻回される発信コイルとしての一次コイル７および同軸配置された受信コイルとしての一対の二次コイル８，９から構成されている。一対の二次コイル８，９は差動接続されている。一次コイル７には、帰還増幅器４を介して発振器３から固定周波数の交流電圧が供給され、これにより交流磁界が発生して二次コイル８，９と交差するとともに溶鋼と交差し、湯面内の溶鋼には渦電流が発生する。渦電流の反作用により、逆極性の交流磁界が発生し、この反作用によって一対の二次コイル８，９に電圧が誘起され、その誘起電圧の差分が信号増幅器１０により増幅された後、帰還増幅器４に帰還し、出力電圧Ｅ０として出力される。
【００２０】
図２に示すように、検出ヘッド５は一次コイル７および二次コイル８，９を収容するセラミック製のケーシング１１を有している。そして、検出ヘッド５の上端面に、交流磁場をシールドするための、導電体製、例えば金属製の磁気シールド１２が配置されている。
【００２１】
図３に示すように、磁気シールド１２を検出ヘッド５の上端面および側面に設けてもよい。特に、上部にある二次コイル（受信コイル）８の少なくとも一部を覆うように磁気シールドを設けることが好ましい。
【００２２】
磁気シールド１２は、外部から印加される交流磁場の周波数、および磁気シールド１２の材料が持つ電気伝導度と透磁率から求められる表皮深さより十分に大きい値の厚さを持つことが好ましく、表皮深さの３倍以上の厚さを有することが特に好ましい。
【００２３】
このように構成される渦流式モールド湯面レベルセンサー２０においては、検出ヘッド５をモールド１内の湯面２の上方に設置し、その一次コイル７に帰還増幅器４を介して発振器３から固定周波数の交流電圧を供給する。これにより交流磁界が発生する。この交流磁界は、受信コイルである二次コイル８，９と交差するとともに、モールド１内の溶鋼とも交差し、この交差により湯面内に渦電流が発生する。この渦電流の発生によりその反作用として発信コイルである一次コイル７から発生したのと逆極性の交流磁界が発生し、その影響により一対の二次コイル８，９に誘起する誘起電圧が変化する。この影響は、湯面２に近い二次コイル９がより大きく受けるので、一対の二次コイル８，９の誘起電圧ＶＳ１，ＶＳ２はＶＳ１＞ＶＳ２となり、その差分ＶＳ＝（ＶＳ１−ＶＳ２）を信号増幅器１０に加え、所期の増幅をした後、帰還増幅器４に帰還する。
【００２４】
すなわち、帰還増幅器４の出力は以下の（１）式によって表される。
Ｅ０＝−Ｇ１・Ｅin／{１−Ｇ１（Ｋ＋Ｇ２・ｆ（ｈ））}・・・（１）
ただし、
Ｅ０；帰還増幅器４の出力電圧
Ｅin；発振器３の出力電圧（帰還増幅器４の入力電圧）
Ｇ１；帰還増幅器４のオープン増幅度
Ｇ２；信号増幅器１０の増幅度
Ｋ；正帰還率
ｆ（ｈ）；検出ヘッド５と溶鋼湯面レベル２との相対距離によって決定される関数（ｆ（ｈ）＝ＶＳ／Ｅ０で表される。）
である。
【００２５】
したがって、（１）式から明らかなように、Ｇ１、Ｇ２、Ｅinが固定されると、検出ヘッド５と湯面２との相対距離ｈに対応して出力電圧Ｅ０の値が変化するので、この値を測定することにより湯面２のレベルを計測することができる。
【００２６】
このとき、従来の渦流式モールド湯面レベルセンサーにおいては、検出ヘッドの側面や上面に金属等の導電体の物体が近接する場合、その物体表面に発生する誘導電流が二次コイルに及ぼす影響が大きく、その影響を排除することが困難である。特に、モールド内に添加されたモールドパウダーが均一の厚みで分布するようにモールドパウダー表面の凹凸をならしたり、モールド内の溶鋼湯面において部分的に溶鋼が凝固した場合にその凝固シェルを除去したりするための普通鋼製の丸棒が近接すると、大きな誘導電流が発生して大きな計測誤差につながる。
【００２７】
例えば、湯面レベルセンサーの検出ヘッドとして、直径：５０ｍｍ、測定距離：２００ｍｍ、周波数：５０ｋＨｚの仕様のものを用いて、図４に示すように、直径：６ｍｍ、長さ：１０００ｍｍの普通鋼製の丸棒を検出ヘッド上端と接する位置から、水平に移動させた場合に、レベル出力に与える影響を図５に示す。なお、検出ヘッド底面から被測定物までの距離は１００ｍｍに保持されている。また、図４の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図５に示すように、普通鋼製の丸棒が検出ヘッド上端に近接することで、計測値に約２０ｍｍの誤差が生じることがわかる。
【００２８】
このため、本実施形態では、図２に示すように検出ヘッド５の上端面に、または図３に示すように検出ヘッド５の上端面および側面に、交流磁場をシールドするための磁気シールド１２を設け、このような検出ヘッド５に近接する導電体による影響を排除してモールド湯面レベルセンサー２０の計測誤差を低減する。
【００２９】
図６は、従来の渦流式モールド湯面レベルセンサーおよび本実施形態の渦流式モールド湯面レベルセンサーの検出ヘッドに、金属製の物体が近接した場合の渦電流および磁場分布のイメージを比較して説明する図であり、（ａ）従来の場合を示し、（ｂ）は本実施形態の場合を示す。
【００３０】
（ａ）に示すように、従来の場合には、金属製の物体１３が検出ヘッド５の上方に近接すると、発信コイルである一次コイル７から発生する交流磁場により金属製の物体１３にも誘導電流が発生し、これにより発生する交流磁場が検出ヘッド５の受信コイルである二次コイル８，９（特に上側の二次コイル８）で検知されるため、本来測定する必要がある被測定物である湯面２から発生する交流磁場に重畳され、被測定物である湯面２の位置が本来の位置からずれて認識されてしまうことになっていた。
【００３１】
これに対し、（ｂ）に示すように、本実施形態の場合には、検出ヘッド５の上端面、または上端面および側面に金属製の磁気シールド１２を配置するので、金属製の物体１３が検出ヘッド５の上方に近接しても、物体１３には誘導電流は発生しない。このため、受信コイルである二次コイル８，９への物体１３からの交流磁場の影響を排除することができ、湯面レベルの計測誤差を低減することができる。
【００３２】
磁気シールド１２は、上述したように、外部から印加される交流磁場の周波数、および磁気シールド１２の材料が持つ電気伝導度と透磁率から求められる表皮深さより十分に大きい値の厚さを持つことが好ましい。これにより、検出ヘッド５の上方に近接する金属等の導電体の影響を排除する効果を高めることができる。このように磁気シールド１２の厚さが表皮深さよりも大きいと、磁気シールド１２によって、近接する導電体に渦電流が発生するのを効果的に抑制することができる。
【００３３】
表１には、コイル電流の周波数が５０ｋＨｚのときの、銅、アルミニウム、オーステナイトステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の電気伝導度、透磁率（比透磁率）、および表皮深さを示す（出典  佐野ら：日本鋼管技報  Ｎｏ．８４（１９８０），Ｐ３５）。表皮深さδは、周波数をω、透磁率をμ、電気伝導率をσとした場合に、
δ＝（２／ω・μ・σ）１／２
と表され、表１にはこの式により算出した表皮深さが示されている。表皮深さは、印加した磁場が１／ｅに低減する深さとして定義されているため、磁気シールド１２の厚さが表皮深さδと等しい値の場合には、透過する磁場強度は、印加磁場の約１／３にまで低減されることになる。
【００３４】
したがって、磁気シールド１２の厚さを、表皮深さδの３倍にした場合には、ほぼ１００％の磁場の透過を遮断することができる。このため、磁気シールドの厚さを表皮深さδの３倍以上にすることがより好ましい。
【００３５】
表皮深さδは電気伝導率が大きいほど小さくなるため、電気伝導率の値ができるだけ大きい材料を選択して表皮深さδを小さくしたほうが、磁気シールド１２を薄くすることができ、センサーデザインへの影響を小さくできる。このため、アルミニウムや銅といった高電気伝導率材料を用いて磁気シールド１２を作成することが好ましい。また、アルミニウムや銅は安価であり簡単に入手できるので経済的である。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
また、上述したように、磁気シールド１２を検出ヘッド５の上端面のみならず検出ヘッド５の側面にも設けることにより、磁気をシールドする効果を高めることができる。特に、上部にある二次コイル（受信コイル）８の少なくとも一部を覆うように磁気シールドを設けることが好ましい。これは、上部受信コイルである二次コイル８の側面の一部を磁気シールドで覆うことで、二次コイル８周辺の磁場分布が変化し、検出ヘッド５の近傍に導電体製の物体が存在しても、そこに磁場が到達しにくくなるためである。
【００３８】
この場合に、二次コイル８の磁気シールド１２で覆われる割合が高いほど導電性の物体の影響を受けにくくなる。ただし、上部受信コイルである二次コイル８の磁気シールド１２で覆われる割合を極端に大きくすることは、２個の受信コイルで差分増幅することで、電磁攪拌の影響や、周辺温度の影響を排除する本来の機能を低減させる可能性があるので、自ずと限度がある。そのため、センサーの機能の総合的な見地に立って設計することが必要である。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
ここでは、渦流式モールド湯面レベルセンサーの検出ヘッドとして、直径：５０ｍｍ、測定距離：２００ｍｍ、コイル電流の周波数：５０ｋＨｚの仕様のものを用い、磁気シールドとしてアルミニウム製のものを検出ヘッドの上端面に設置した場合の効果を確認した。図７に示すように、検出ヘッド底面から被測定物までの距離は１００ｍｍとし、検出ヘッドの上方に、直径６ｍｍ、長さ１０００ｍｍの普通鋼製（強磁性体）の丸棒を配置し、水平方向に移動させた（検出ヘッド中心からの距離：Ｘ）。なお、図７の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【００４０】
磁気シールド厚さを、１δ、２δ、３δ、４δ（δは表皮深さ）と変化させ、普通鋼製の丸棒を水平に移動させた場合のレベル出力に与える影響を評価した。比較のため、磁気シールドを設けない場合についても同様に評価した。なお、表皮深さδとしては表１の値（＝０．３７ｍｍ）を用いた。その結果を図８に示す。図８は、磁気シールドの厚さを変化させた場合の横軸に丸棒の検出ヘッド中心からの距離Ｘとレベル出力との関係を示す図である。
【００４１】
検出ヘッド上方に近接する丸棒は強磁性体である普通鋼製であるため、検出ヘッドから印加される磁場により、強力な渦電流が発生し、それによって発生する磁場も強力なものになる。このため、磁気シールドが存在しない場合には、丸棒の位置が０ｍｍ（検出ヘッド直上）で出力レベルが１２０ｍｍとなり２０ｍｍもの計測誤差が発生した。これに対し、磁気シールドを設けたことにより、その磁気シールド効果により出力レベルの計測誤差が低減し、磁気シールドの厚さが増加するに従って、磁気シールド効果が増大することが確認された。具体的には、磁気シールドの厚さが１δ、２δでは、磁場が一部透過するため、丸棒の影響が存在するが、磁気シールドの厚さを表皮深さの３倍以上（３δ以上）とすることで、丸棒の影響をほぼ完全に防止できることが確認された。
【００４２】
（実施例２）
次に、磁気シールドを検出ヘッドの上端面のみならず側面にも配置した場合の効果を確認した。ここでは、渦流式モールド湯面レベルセンサーの検出ヘッドとして、直径：５０ｍｍ、測定距離：２００ｍｍ、コイル電流の周波数：５０ｋＨｚの仕様のものを用い、磁気シールドとしてアルミニウム製で厚さが１δ（＝０．３７ｍｍ）のものを用い、検出ヘッド底面から被測定物までの距離は１００ｍｍとして、図９に示すように、直径６ｍｍ、長さ１０００ｍｍの普通鋼製（強磁性体）の丸棒を磁気シールドの上端に配置した。そして、磁気シールドの側面部分の長さを変化させた場合のレベル出力に与える影響を評価した。また、図９に示す、上部二次コイル（上部受信コイル）の長さＬのうち磁気シールドでカバーされている長さＬＳの割合である受信コイルカバー率（ＬＳ／Ｌ）の影響を評価した。なお、磁気シールドの厚さを１δにしたのは、多少磁気を透過させて磁気シールドの側面部分の影響が明確になるようにするためである。
【００４３】
結果を図１０に示す。図１０は横軸に磁気シールドの側面部分の長さおよび受信コイルカバー率（ＬＳ／Ｌ）をとり、縦軸に出力レベルをとってこれらの関係を示す図である。なお、図１０には、検出ヘッド底面から被測定物までの距離を●で示し、磁気シールドが存在しない場合の出力レベルを○で示す。
【００４４】
図１０に示すように、磁気シールドの厚さが１δであるため、磁気シールドが検出ヘッドの上端面のみの場合には、実施例１と同様、磁気シールドが存在しない場合よりもレベル出力の誤差は約１０ｍｍ軽減されている（図中△）。この場合、磁場の約１／３が透過してしまうことになり、完全には磁気をシールドすることはできないため、磁気シールドが上端面だけではレベル出力が１１０ｍｍ程度である。これに対して、検出ヘッドの側面にも磁気シールドを配置することで、その効果を大きくすることが可能であることが確認された。特に、側面の磁気シールドが上部受信コイルの少なくとも一部を覆うようにすることによりその効果が大きくなる。これは、本実施例の場合、磁気シールドの厚さがやや薄いため、普通鋼製の丸棒への渦電流発生を完全には防止できないが、受信コイル側面の一部を磁気シールドで覆うことで、上部受信コイル周辺の磁場分布が変化し、丸棒へ磁場が到達しにくくなるためである。そして、この上部受信コイルを覆う割合、すなわち上述した受信コイルカバー率（ＬＳ／Ｌ）を大きくすることで、検出ヘッド上方の普通鋼製の丸棒の影響を小さくできることが確認された。
【符号の説明】
【００４５】
１；モールド
２；湯面
３；発振器
４；帰還増幅器
５；ヘッド
６；コイルボビン
７；一次コイル（発信コイル）
８，９；二次コイル（受信コイル）
１０；信号増幅器
１１；ケーシング
１２；磁気シールド
１３；丸棒
２０；渦流式モールド湯面レベルセンサー
【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】
2013154394.tif 000012
【図１０】
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