JPH09101320A - 流速測定方法及びその測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象物の流速を距離が変化したり波立ち
があっても精度良く測定することを可能にした流速測定
方法及びその測定装置を提供する。 【解決手段】 励磁巻線及び１対の検出巻線を有し、移
動する導電性の測定対象物に対して対向配置される磁気
センサヘッド１００と、低い周波数と高い周波数とから
なる２つの周波数信号を重ねた励磁電流を励磁巻線に供
給する励磁回路１１０と、１対の検出巻線の差信号の
内、低い周波数信号に対応した磁場成分の信号を抽出し
て流速を検出する検出回路１２０と、１対の検出巻線の
差信号の内、高い周波数信号に対応した磁場成分の信号
を抽出して波立ち補正信号を求め、検出回路の流速から
波立ち補正信号を減算して波立ち補正後の流速を求める
波立ち補正回路１２５と、１対の検出巻線の和信号の
内、高い周波数信号に対応した磁場成分の信号を抽出し
て測定対象物に対する距離を求め、波立ち補正後の流速
を距離により補正し、距離による補正後の流速を求める
距離変動補正回路１３０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は連続鋳造プロセスにおい
て溶鋼を鋳込む鋳型内溶鋼流の表面の流速を測定する流
速測定方法及びその測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造ラインにおいては、図８に示さ
れるように溶鋼３はタンディッシュ１よりノズル２を通
して銅製の鋳型４中に注ぎ込まれて鋳造される。鋳型４
中に注ぎ込まれた溶鋼は、鋳型壁面に当たり上昇流７と
下降流８とに分かれる。上昇流は表面で流れ９ａ，９ｂ
を作るが、ここで表面の溶鋼流動の左右のバランスが崩
れると、図示のように渦１１が発生し溶鋼表面上に撒い
たパウダー５を巻き込んでしまう。また、表面の溶鋼流
動が過大になると、図示のように溶鋼表面のパウダーの
一部１０を削り込んでしまう。

【０００３】何れの場合においても、鋳片中に介在物が
捕捉されることになり、製品欠陥の原因となる。このよ
うな理由から鋳型内溶鋼流動を安定化させることは極め
て重要な課題となっており、特に、溶鋼表面近傍の流速
を連続的に計測することが強く求められていた。

【０００４】従来の溶鋼表面近傍の流速の計測は、例え
ば特開平５−６０７７４号公報に記載されているような
接触型の計測が主であった。これは、図９に示されるよ
うにファインセラミック製の棒１２を溶鋼１４に浸漬し
て、その棒が溶鋼流動により受ける圧力Ｆを、受圧セン
サ１３により検出して、流速を測定するものである。し
かし、この方法では、高温の溶鋼にセラミックス製の棒
１２を浸漬させるため、長時間の連続測定が不可能なも
のであった。

【０００５】これに対し、磁気を用いて非接触で流体の
速度を計測できることも知られている。これは、図１０
に示されるように均等な磁場中で導体１５が動くと、そ
の導体中にＥ＝ｖ×Ｂなる速度起電力が生じ、この速度
起電力により、導体中に渦電流Ｊｖが誘起され、導体１
５上に誘導磁場Ｂｖが発生して、元の磁場は導体の速度
方向に引きずられるようにＢからＢ′へと歪むという、
磁場が導体の運動により歪む効果（以下、磁場の速度効
果という）を利用したものであり、この歪みの程度は導
体の速度に対応して変化するので、歪み量を測ることに
より対象導体の速度を計測することができる。

【０００６】このような磁気を用いて非接触で速度を計
測する装置として、特開平２−３１１７６６号公報に記
載されているものがあった。これは、図１１（ａ）に示
されるように、溶鋼１８の流れと平行配置された１次コ
イル１９に交流電流を供給して溶鋼面と平行な交流磁場
１７を溶鋼表面に印加し、その水平方向の両側に２つの
２次コイル２０ａ，２０ｂを配置したものである。そし
て、２次コイル２０ａ，２０ｂにより対象面と平行な磁
場を検出するようになっている。

【０００７】この２次コイル２０ａ，２０ｂによる検出
動作は、まず、導体が静止しているときには図１１
（ａ）に示されるように、磁場は１次コイル１９を挟ん
で対象となり、２つの２次コイル２０ａ，２０ｂの起電
力に差はなく出力は０となる。また、導体が動いている
場合には、図１１（ｂ）に示されるように、磁場の速度
効果により磁場は導体の速度方向に歪み、励磁コイル１
９を挟んで対称でなくなるため、２つの２次コイル２０
ａ，２０ｂに生じる起電力に差が生じ、磁場の歪み量、
即ち速度に対応した信号が２つの２次コイルの出力電圧
の差として得られる。そして、この２次コイル２０ａ，
２０ｂの出力電圧の差に基づいて、導体の速度を求める
ようになっている。

【０００８】また、磁気を用いて非接触で速度を計測す
る方法では、装置と測定対象物体との距離により速度感
度が変化するが、例えば特開平４−８９５７３号公報で
は、装置と測定対象物体との距離を、対象面と平行な磁
場を検出する２次コイルの片方の出力電圧により測定
し、補正を行っていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁気を用いた非接触の速度測定方法は、以下のような問
題点があった。 １）測定対象面と平行な磁場を検出する２次コイルの片
方の出力電圧を測定し、距離による速度感度変化の補正
を行う方法においては、距離検出感度が十分でなく、補
正後の流速検出精度も悪くなる。即ち、距離検出精度を
高めるためには周波数を高くする必要があるが、流速信
号を高めるためには周波数を低くする必要があり、両者
は同時に成立しないという問題点があった。 ２）また、交流励磁では測定対象面には−ｄＢ／ｄｔか
らなる渦電流も生じ、それによる磁場も検出巻線が検出
することになる。図１２（ａ）に示されるように、測定
対象面が平行な場合には２つの検出巻線でその起電力は
等しく、差分をとることにより０となる。しかし、図１
２（ｂ）に示されるように、測定対象面に波があると、
２つの検出巻線で測定対象面との距離に差が出るため、
差をとっても０にならず、信号が変化してしまう。

【００１０】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、測定対象物の流速を距離が変
化したり波立ちがあっても精度良く測定することを可能
にした流速測定方法及びその測定装置を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様に係
る流速測定方法は、移動する導電性の測定対象物に対し
て、２以上の周波数信号を重ねた磁場を励磁する工程
と、それぞれの周波数成分に対応した磁場成分を検出す
る工程と、その検出された各磁場成分の信号に基づい
て、測定対象物の流速を測定する工程とを有する。本発
明の他の態様に係る流速測定方法は、移動する導電性の
測定対象物体に対して、低い周波数と高い周波数とから
なる２つの周波数信号を重ねた磁場を励磁する工程と、
それぞれの周波数成分に対応した磁場成分を検出する工
程と、低い周波数信号に対応した磁場成分の信号に基づ
いて、測定対象物の流速を測定する工程と、高い周波数
信号に対応した磁場成分の信号に基づいて波立ち補正信
号を求め、測定対象物の流速から波立ち補正信号を減算
して波立ち補正後の流速を求める工程と、高い周波数信
号に対応した磁場成分の信号に基づいて測定対象物に対
する距離を求める工程と、波立ち補正後の流速を距離に
より補正し、距離による補正後の流速を求める工程とを
有する。

【００１２】本発明の他の態様に係る流速測定装置は、
励磁装置及び１対の検出装置を有し、移動する導電性の
測定対象物体に対して対向配置される磁気センサヘッド
と、低い周波数と高い周波数とからなる２つの周波数信
号を重ねた励磁電流を前記励磁巻線に供給する励磁回路
と、１対の検出巻線の差信号の内、低い周波数信号に対
応した磁場成分の信号を抽出して流速を検出する検出回
路と、１対の検出巻線の差信号の内、高い周波数信号に
対応した磁場成分の信号を抽出して波立ち補正信号を求
め、検出回路の流速から波立ち補正信号を減算して波立
ち補正後の流速を求める波立ち補正回路と、１対の検出
巻線の和信号の内、高い周波数信号に対応した磁場成分
の信号を抽出して測定対象物に対する距離を求め、波立
ち補正後の流速を距離により補正し、距離による補正後
の流速を求める距離変動補正回路とを有する。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の測定原理を、流速
検出原理、距離検出原理、距離変化による感度変化の補
正の原理、及び波立ちによる信号変化の補正の原理の項
に分けて説明する。 （ａ）流速検出原理 本発明においては、磁気センサヘッド１００は、図２に
示されるように、Ｕ型の磁性体コア１０１の中央部に巻
回された励磁巻線１０２と、２つの脚にそれぞれ巻回さ
れた２つの検出巻線１０３，１０４とを備えている。な
お、検出巻線１０３と１０４とは逆向きの磁場を検出す
るように巻かれている。この磁気センサヘッド１００を
移動する導電性の測定対象物２００の上に、対象面に対
し検出巻線１０３，１０４の中心軸が垂直で、且つ検出
巻線１０３，１０４の並びが導体の移動方向と平行とな
るように配置する。

【００１４】ここで励磁巻線１０２に交流電流を供給
し、対象面に対し垂直な磁場を作る。この時、図２
（ａ）のように導体２００が停止していれば、磁気セン
サヘッド１００が左右対称の形状をしているため、励磁
磁場は左右の検出巻線位置では、大きさは等しく逆向き
で、各検出巻線の出力の差をとると「０」となる。そし
て、導体が動くと、図２（ｂ）のようにその流速に対応
して導体中に発生する渦電流により磁場が歪み、各検出
巻線位置での磁束の垂直成分に差が出て、各検出巻線の
差信号が変化する。この変化量は測定対象物の流速に対
応しており、この変化量から、測定対象物の流速を測定
することができる。またこの時、速度効果による磁束の
歪み量は、流れの下流側と上流側の検出巻線とでは符号
が同じで、磁気センサヘッド１００からの直接磁場は、
大きさが同じで符号が逆なため、２つの検出巻線１０
３，１０４の出力の差をとれば、余分な信号のみを除外
することができ、流速に対応した歪み量のみをＳ／Ｎ良
く検出することが可能となる。

【００１５】（ｂ）距離検出原理 −ｄＢ／ｄｔからなる渦電流により生じる誘導磁場は距
離によって変化するので、その誘導磁場を検出すること
により距離検出ができる。磁気センサヘッド１００と測
定対象物２００との距離ｌと検出巻線１０３の出力とは
図４（ａ）に示されるような特性となる。なお、ここで
は、励磁巻線１０２に供給する交流電流の周波数ｆは６
１４Ｈｚである。ところで、流速に対応した磁場歪み信
号は、Ｂｖ＝Ｋ１×ｖ×Ｂ（Ｋ１：比例定数）であるか
ら、周波数が高いと渦電流により測定対象物の中の磁場
が弱まるため、周波数が高いと弱まる。図５（ａ）は、
励磁電流の周波数ｆに対する速度信号（Ｖ_v ・ｆ₀ ／
ｆ）の大きさを示した特性図であり、速度信号は周波数
が高くなると急激に小さくなっていることが分かる。な
お、図５（ａ）において、Ｖ_v は検出巻線１０３と１０
４の差電圧であり、ｆ₀ は基準周波数である。ここでは
基準周波数ｆ₀ を１４Ｈｚとして正規化している。

【００１６】また、渦電流による磁場は、Ｂｅ＝−Ｋ２
・ｄＢ／ｄｔ（Ｋ２：比例定数）で表わされ、周波数に
比例して増加する。図５（ｂ）は励磁電流の周波数ｆに
対する距離信号（Ｖ_e ・ｆ₀ ／ｆ）の大きさを示した特
性図であり、距離信号は周波数に比例して大きくなって
いることが分かる。従って、励磁電流の周波数が高い
程、流速信号が小となり、距離信号が大となっており、
距離計としての性質が強くなり、距離のみを検出するこ
とができる。

【００１７】そして、本発明においては、流速信号及び
距離信号をそれぞれ次のように位相設定をして検出す
る。流速信号については、周波数が低ければ、励磁磁場
すなわち励磁電流と−９０度ずれた位相の成分を検出す
るものとし（磁場信号としては０度であるがコイルで検
出しているので−９０度ずれる。）、高い周波数ではそ
の測定対象物の中の励磁磁場位相が渦電流により変化す
るのでその都度調整する。そして、距離信号について
は、周波数が低ければ、励磁磁場すなわち励磁電流と０
度の位相の成分を検出し、高い周波数ではその測定対象
物の中の励磁磁場位相が渦電流により変化するのでその
都度調整する。

【００１８】（ｃ）距離変化による感度変化の補正の原
理 磁気センサヘッド１００と測定対象２００との距離が変
わると、図４（ｂ）に示されるように、流速に対する感
度が変化する。なお、図４（ｂ）は流速１ｍ／ｓｅｃに
対する感度を示している。従って、高い周波数の信号か
ら図４（ａ）の特性から距離を計算し（計算に際しては
左右の検出巻線の平均距離を算出するため、左右の検出
巻線の出力電圧の和を用いる。）、低い周波数の信号で
流速を検出し、高い周波数の信号で検出した距離信号を
図４（ｂ）の校正曲線に適用して感度を補正すればよい
ことが分かる。

【００１９】（ｄ）波立ちによる信号変化を補正する原
理 測定対象面に波があると、２つの検出巻線は測定対象面
との距離に差がでる。このため、各検出巻線に生じる距
離に関係する渦電流磁場に差が出て、ノイズとなる。ま
た、周波数が高い程、渦電流が増すため、同じ波立ちで
も各検出巻線に生じる信号差は大きくなる。

【００２０】図６（ｂ）（ｃ）は波立ちがあった場合の
出力例を示した特性図である。図６（ｂ）に示されるよ
うに、低い周波数の場合には、速度信号が大で、波立ち
ノイズが小となっている。そして、図６（ｃ）に示され
るように、高い周波数の場合には速度信号が小で、波立
ちノイスが大である。しかし、双方の波立ちのパターン
は同じである。なお、このときの位相は、低い周波数で
は流速信号が最大となる位相に設定し、高い周波数では
波立ちによる信号変化のパターンが低い周波数の信号と
一致する位相を選択している。このように波立ちのパタ
ーンが同じなので、２つの周波数の信号に適当な係数を
掛け、引き算すればノイズをキャンセルすることができ
る。

【００２１】本発明の測定原理が明らかになったところ
で、次に、本発明の実施の形態の一例を説明する。図１
は本発明の実施の形態の一例に係る流速測定装置の構成
を示すブロック図である。この流速測定装置は、磁気セ
ンサヘッド１００、励磁回路１１０、検出回路１２０、
波立ち補正回路１２５及び距離変動補正回路１３０から
構成される。励磁回路１１０は、低い周波数ｆ１の信号
を発生する発振器１１１、高い周波数ｆ２の信号を発生
する発振器１１２、発振器１１１の出力と発振器１１２
の出力とを加算する加算器１１３、及びその加算結果を
増幅してそれを磁気センサヘッド１００の励磁巻線１０
２に励磁電流として供給する電力増幅器１１４から構成
されている。検出回路１２０は、減算器１１５において
減算された磁気センサヘッド１００の検出巻線１０３，
１０４の出力の差信号の内、周波数ｆ１の成分を通過さ
せるバンドパスフィルタ１２１、及び、バンドパスフィ
ルタ１２１の出力を発振器１１１の周波数ｆ１の信号に
て位相検波する位相検波器１２２から構成されている。

【００２２】波立ち補正回路１２５は、減算器１１５の
出力の内、周波数ｆ２の成分を通過させるバンドパスフ
ィルタ１２６、バンドパスフィルタ１２６の出力を発振
器１１２の周波数ｆ２の信号にて位相検波する位相検波
器１２７、位相検波器１２７の出力に所定の係数を掛け
て波立ち補正信号を出力する増幅器１２８、及び検出器
１２０の出力から増幅器１２８の出力（波立ち補正信
号）を引き算する減算器１２９から構成されている。ま
た、距離変動補正回路１３０は、加算器１１６において
加算された磁気センサヘッド１００の検出巻線１０３，
１０４の出力の内、周波数ｆ２の成分を通過させるバン
ドパスフィルタ１３１、バンドパスフィルタ１３１の出
力を発振器１１２の周波数ｆ２の信号にて位相検波する
位相検波器１３２、波立ち補正回路１２５の出力及び位
相検波回器１３２の出力をそれぞれデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ変換器１３３、並びＡ／Ｄ変換器１３３を介
して入力されてきた信号に所定の演算処理を施して測定
対象物の流速を求めるコンピュータ１３４から構成され
ている。

【００２３】図１の流速測定装置においては、励磁回路
１１０において、発振器１１１，１１２からの２つの周
波数ｆ１，ｆ２に係る信号が加算器１１３により重ね合
わされてそれが電力増幅器１１４を介して磁気センサヘ
ッド１００の励磁巻線１０２に励磁電流として供給され
る。そして、検出回路１２０は２つの検出巻線１０３，
１０４の出力の差信号からバンドパスフイルタ１２１及
び位相検波器１２２を介して流速信号を求める。波立ち
補正回路１２５は、２つの検出巻線１０３，１０４の出
力の差信号からバンドパスフイルタ１２６及び位相検波
器１２７を介して得られた高周波差信号を増幅器１２８
により適当に係数倍した波立ち補正信号を求め、減算器
１２９により検出回路１２０により検出された流速信号
から波立ち補正信号を引き算して、波立ちの影響をキャ
ンセルする。距離変動補正回路１３０は、波立ち補正後
の流速信号と高周波和信号とをＡ／Ｄ変換器１３３によ
りＡ／Ｄ変換してコンピュータ１３４に取り込んで補正
演算をする。即ち、高周波和信号に図４（ａ）の特性を
適用して平均距離を算出し、波立ち補正後の流速信号に
図４（ｂ）の特性を適用して距離による感度変化を補正
する。

【００２４】図６は図１の測定装置において波立ちの影
響を排除した状態を図示したタイミングチャートであ
り、図の特性から波立ちの影響が排除されていることが
分かる。なお、図６において、（ａ）は実際の速度、
（ｂ）は位相検波器１２２の出力、（ｃ）は位相検波器
１２７の出力、（ｄ）は減算器１２９の出力をそれぞれ
示している。

【００２５】図７は距離が変化した時の測定結果を示す
タイミングチャートである。距離補正により、流速信号
から距離による影響が排除されていることが分かる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、２以上の
周波数信号を重ねた磁場を励磁し、それぞれの周波数成
分に対応した磁場成分を検出し、その検出された各磁場
成分の信号に基づいて、測定対象物の流速を測定するよ
うにしたので、異なった周波数信号に対応した磁場成分
信号が得られ、従って、距離が変化したり波立ちがあた
りしても補正することができ、精度良く流速を測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例に係る流速測定装置
の回路構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の磁気センサヘッドの構成を示した説明
図である。

【図３】本発明の流速測定の原理を説明するための説明
図である。

【図４】磁気センサヘッドと測定対象物との距離と検出
巻線の出力電圧及び流速感度との関係を示した特性図
（校正図）である。

【図５】周波数と速度信号及び距離信号との関係を示し
た特性図である。

【図６】波立ちが有った場合の図１の測定装置における
動作波形を示したタイミングチャートである。

【図７】距離変動が有った場合の図１の測定装置におけ
る動作波形を示したタイミングチャートである。

【図８】連続鋳造を説明するための説明図である。

【図９】従来の接触式による高温液体金属の流速測定法
を説明するための説明図である。

【図１０】磁場の速度効果を説明するための説明図であ
る。

【図１１】従来の磁気による非接触式高温液体金属の流
速測定法を説明するための説明図である。

【図１２】波立ちが有った場合の動作を説明した説明図
である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動する導電性の測定対象物に対して、
   ２以上の周波数信号を重ねた磁場を励磁する工程とそれ
   ぞれの周波数成分に対応した磁場成分を検出する工程
   と、 その検出された各磁場成分の信号に基づいて、測定対象
   物の流速を測定する工程とを有することを特徴とする流
   速測定方法。
2. 【請求項２】 移動する導電性の測定対象物に対して、
   低い周波数と高い周波数とからなる２つの周波数信号を
   重ねた磁場を励磁する工程と、 それぞれの周波数成分に対応した磁場成分を検出する工
   程と前記の低い周波数信号に対応した磁場成分の信号に
   基づいて、測定対象物の流速を求める工程と、 前記の高い周波数信号に対応した磁場成分の信号に基づ
   いて波立ち補正信号を求め、前記測定対象物の流速から
   波立ち補正信号を減算して波立ち補正後の流速を求める
   工程と、 前記の高い周波数信号に対応した磁場成分の信号に基づ
   いて測定対象物に対する距離を求める工程と、 前記波立ち補正後の流速を前記距離により補正し、距離
   による補正後の流速を求める工程とを有することを特徴
   とする流速測定方法。
3. 【請求項３】 励磁装置及び１対の検出装置を有し、移
   動する導電性の測定対象物に対して対向配置される磁気
   センサヘッドと、 低い周波数と高い周波数とからなる２つの周波数信号を
   重ねた励磁電流を前記励磁巻線に供給する励磁回路と、 前記１対の検出巻線の差信号の内、前記低い周波数信号
   に対応した磁場成分の信号を抽出して流速を検出する検
   出回路と、 前記１対の検出巻線の差信号の内、前記の高い周波数信
   号に対応した磁場成分の信号を抽出して波立ち補正信号
   を求め、前記検出回路の流速から波立ち補正信号を減算
   して波立ち補正後の流速を求める波立ち補正回路と、 前記１対の検出巻線の和信号の内、前記の高い周波数信
   号に対応した磁場成分の信号を抽出して測定対象物に対
   する距離を求め、前記波立ち補正後の流速を前記距離に
   より補正し、距離による補正後の流速を求める距離変動
   補正回路とを有することを特徴とする流速測定装置。