CN102059257A - 一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置 - Google Patents

Abstract

一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置，有可水平移动的现场测量C型箱，γ射线探测器，CCD摄像头，放射源，含PLC和测量信号转换单元的现场控制箱，工控机主机柜，交换机，数据库服务器，终端机，现场冷却循环水路、气路，红外测温仪。实现在热轧金属管材生产线上的连续自动化测量，并可同时输出控制信号用以实现轧机的闭环自动控制。由于CCD摄像头参与进行偏心修正计算，放宽了测量设备的使用条件，提高了精度，测量精度达到＜±0.2％。同时测量数据进行数字传输，实现了测量信号的远距离、抗干扰传输，有效的解决了测量现场到操作室距离远以及现场干扰大的问题。

Description

一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置

技术领域

本发明属于在线测量技术，在线管材厚度的测量，特别涉及一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置及方法。

背景技术

在热轧生产线上对轧制中的金属管材进行在线连续的的壁厚测量是金属管材质量保证的重要手段。目前国内金属管材机组均采用人工测量壁厚。人工检测缺点是十分突出的。人工检测劳动强度大，其检测模式属于抽检，检测结果的一致性、准确性不能保证，测量的滞后性也相当明显。目前国外最新技术是采用激光方式应用于管材的壁厚测量，但由于价格昂贵，且还不完善(无法连续在线测量)市场前景并不看好，而应用射线技术进行厚度测量已十分广泛，但主要还是应用于板材带材的厚度测量。射线测量厚度的原理主要是应用了射线在穿透被测物的过程中，一部分射线被被测物吸收，根据射线的衰减规律，被吸收射线的多少与被测物的厚度有关，最后根据射线探测器采集的信号变化得到被测物的厚度变化。但是管材厚度的测量难度要大大超过板材带材的厚度测量，要满足测量精度就必须解决两个关键问题。一个是不同外径的壁厚修正测量，另一个是管材偏心的修正测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法及装置。一种在轧制无缝钢管生产线上利用γ射线进行连续在线高精度测量壁厚的方法和装置。

实现高精度全数字化的γ射线管材测厚仪，实现针对管材的各种修正计算，扩大被测物偏心范围，放宽测量设备的使用条件，实现在热轧金属管材生产线上的连续自动化测量，并可同时输出控制信号用以实现轧机的闭环自动控制。

本发明的技术方案是：

一种使用射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置，其特征在于：

有可水平移动的现场测量C型箱，γ射线探测器，CCD摄像头，放射源，含PLC和测量信号转换单元的现场控制箱，工控机主机柜，交换机，数据库服务器，终端机，现场冷却循环水路、气路，红外测温仪，

现场所有测量部件；γ射线探测器、CCD摄像头、放射源、含PLC和测量信号转换单元的现场控制箱均置于C型箱内，该C型箱内设有冷却水循环水箱，C型箱内设置有测温元件，测温元件连接报警装置；放射源和γ射线探测器排列在生产线被测物热轧金属管通过的相对上下位置；

γ射线探测器连接A/D转换器，A/D转换器连接工控机主机，同时工控机主机连接红外测温仪和CCD摄像头；经数据分析处理后得出被测管材的壁厚数据，工控机主机连接数据库服务器；工控机主机连接TCP/IP局域网络，TCP/IP局域网络连接个操作室的终端机。

2、根据权利要求1所述的一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法：射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到探测器，使其中的气体电离，产生电流；该电流经微电流放大器放大为电压信号，信号进入测量信号转换单元进行A/D转换，采样时间为5ms，转换成的数字信号每20ms向主机发送；

经过探测器输出得到的测量电压信号根据理论推导，与厚度有如下关系：

T＝(1/μ)·Ln(V₀/V)    (1)

式中，T是厚度，μ是材料密度，V₀是零点电压(即无测量物时的电压值)，V是测量电压(即有测量物时的电压值)，Ln代表自然对数；

在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式(1)进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还要必须进行外径修正、位置偏心修正；则式(1)变为式(2)

T＝{(1/μ)·Ln(V₀/V)+C_U}(1+C_ρ)(1+C_T)(1+C_d)(1+C_w)(1+C_b)    (2)

式中：C_U为吸收曲线线性修正值；C_ρ为密度修正值；C_T为温度修正值，C_d为外径修正值；C_w为位置偏心修正值；C_b为实际标定修正值；

公式中T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终壁厚值应为T_1/2(单壁厚)

T_1/2＝T/2。

所述的一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法：使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置，配以高精度CCD摄像头实时采集管材偏心数据以供偏心修正计算。

本发明效果是：

本发明可用于热轧管材生产线上实时连续测量壁厚的γ射线测厚仪，由于CCD摄像头参与进行偏心修正计算，放宽了测量设备的使用条件，提高了精度，测量精度达到＜±0.2％。同时测量数据进行数字传输，实现了测量信号的远距离、抗干扰传输，有效的解决了测量现场到操作室距离远以及现场干扰大的问题。由于采用了TCP/IP传输路径，配以终端软件，可在远程控制及监测生产及测量情况。所有数据及状态信号储存至数据库，便于厂方分析及查询。实现在热轧金属管材生产线上的连续自动化测量，并可同时输出控制信号用以实现轧机的闭环自动控制。

附图说明

图1是γ射线管材测厚仪的系统组成示意图

图2是γ射线管材测厚仪的数据处理流程图

图1是本发明一种使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置的整体结构示意图，图中的序号所代表的是：1.现场测量C型箱(可水平移动)，2.γ射线探测器，3.被测金属管材，4.CCD摄像头，5.放射源，6.现场控制箱(含PLC和测量信号转换单元)，7.工控机柜，8.交换机，9.数据库服务器，10.终端机，11.现场冷却循环水路、气路，12.红外测温仪。

图2为本发明所描述的使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的方法框图。

具体实施方式

本发明一种使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置系统组成包括：

γ射线测厚仪：由探测器、放射源及放大电路构成，用于测量管材厚度。

CCD摄像头：由一套光学线阵CCD镜头(内置FPGA主机)以及背景光源构成，用于检测管材的偏心。

水制冷循环系统：用于现场测量设备(包括探测器、放射源及CCD镜头等)的冷却。

气路处理系统：用于现场测量设备吹扫及开关放射源。小型PLC系统：I/O点控制联锁信号及继电器输出信号。

中心站主机柜：包括测量主机系统、系统电源及接线。

数据库服务器：建立历史数据数据库，完成数据的储存、查询、统计、显示及打印等功能。

终端机：完成远程测量画面显示及参数设定等。

其运行过程的步骤：γ射线探测器收到穿过被测管材的γ射线；

将获得的模拟信号进行A/D转换，获得数字信号；

将数字信号通过通讯方式长距离传输至工控机；

CCD摄像头测量并输出管材偏心数据至工控机；

红外测温仪测量并输出管材表面温度至工控机；

其它联锁及开关信号输出至现场PLC；

现场PLC与工控机通讯；

工控机测量软件完成数据处理及显示。

测量数据及结果经TCP/IP网络传输至终端机及数据库服务器。

本发明一种使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置的测量工作原理：

放射源和探测器上下相对排列，被测物在二者之间通过。射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到探测器，使其中的气体电离，产生电流。该电流经微电流放大器放大为电压信号，再转变为隔离的0-20mA电流信号传送至主机。

根据理论推导，有如下关系：

T＝(1/μ)·Ln(V₀/V)    (1)

式中，T是厚度，μ是材料密度，V₀是零点电压(即无测量物时的电压值)，V是测量电压(即有测量物时的电压值)，Ln代表自然对数。

在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式(1)进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还要必须进行外径修正、位置偏心修正。其中最重要的是外径修正和偏心修正计算。外径修正计算的精确数据曲线的获得要依赖于不同管径及壁厚的标准样管的实物标定结果。偏心修正需要高精度的CCD摄像头计算出被测物实时的偏心数据。同时各种不同修正计算所需要是原始数据要保持同步性，根据管材生产线管材运动速度不超过3m/s，以及γ射线探测器的响应时间、CCD摄像头曝光时间等条件，采样时间应不小于5ms。

加入修正后则式(1)变为式(2)

T＝{(1/μ)·Ln(V₀/V)+C_U}(1+C_ρ)(1+C_T)(1+C_d)(1+C_w)(1+C_b)    (2)

式中：C_U为吸收曲线线性修正值；C_ρ为密度修正值；C_T为温度修正值，C_d为外径修正值；C_w为位置偏心修正值；C_b为实际标定修正值。

公式中T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终壁厚值应为T_1/2(单壁厚)。

T_1/2＝T/2

由此可见，厚度与测量信号间并非呈严格的指数关系。而且由于管材相比板材几何结构的特殊性，决定了管材测厚的复杂性要高于板材测厚。

计算机系统采用工业控制计算机，配以高性能的数据采集处理卡，以及小型PLC系统组成智能化的测厚仪器^[1]。软件以Winxp操作系统作为平台，利用SQL建立数据库，用于保存各种标定参数表及生产过程的历史数据。

本一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置，包括：现场测量C型箱(可水平移动)，γ射线探测器，被测金属管材，CCD摄像头，放射源，现场控制箱(含PLC和测量信号转换单元)，工控机柜，交换机，数据库服务器，终端机，现场冷却循环水路、气路，红外测温仪。其特征在于：现场所有测量部件均置于C型箱内，由于热轧现场温度高，该C型箱内置冷却水循环水箱，并内置测温元件实时监测C型箱内温度，当温度过高，产生报警并将C型箱自行退出。放射源和探测器上下相对排列，被测物在二者之间通过。测量信号由探测器经A/D转换传至主机，同时主机接收来自红外测温仪发送的温度数据和CCD摄像头发送的被测管材的偏心数据，经数据分析处理后得出被测管材的壁厚数据，将数据及其它状态信息储存至数据库服务器，便于厂方进行分析及生产查询。输出偏差信号至上位机，参与生产的闭环自动控制。系统数据经TCP/IP局域网络进行传输，便于其它操作室的终端机实时观测测量数据及画面。

本一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法，包括：现场测量C型箱(可水平移动)，γ射线探测器，被测金属管材，CCD摄像头，放射源，现场控制箱(含PLC和测量信号转换单元)，工控机柜，交换机，数据库服务器，终端机，现场冷却循环水路、气路，红外测温仪。其特征在于：射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到探测器，使其中的气体电离，产生电流。该电流经微电流放大器放大为电压信号，信号进入测量信号转换单元进行A/D转换，采样时间为5ms，转换成的数字信号每20ms向主机发送。

经过探测器输出得到的测量电压信号根据理论推导，与厚度有如下关系：

T＝(1/μ)·Ln(V₀/V)    (1)

式中，T是厚度，μ是材料密度，V₀是零点电压(即无测量物时的电压值)，V是测量电压(即有测量物时的电压值)，Ln代表自然对数。

在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式(1)进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还要必须进行外径修正、位置偏心修正。则式(1)变为式(2)

T＝{(1/μ)·Ln(V₀/V)+C_U}(1+C_ρ)(1+C_T)(1+C_d)(1+C_w)(1+C_b)    (2)

式中：C_U为吸收曲线线性修正值；C_ρ为密度修正值；C_T为温度修正值，C_d为外径修正值；C_w为位置偏心修正值；C_b为实际标定修正值。

公式中T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终壁厚值应为T_1/2(单壁厚)。

T_1/2＝T/2

本一种使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置，配以高精度CCD摄像头实时采集管材偏心数据以供偏心修正计算。

Claims (3)

1.一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的装置，其特征在于：

有可水平移动的现场测量C型箱，γ射线探测器，CCD摄像头，放射源，含PLC和测量信号转换单元的现场控制箱，工控机主机柜，交换机，数据库服务器，终端机，现场冷却循环水路、气路，红外测温仪，

现场所有测量部件；γ射线探测器、CCD摄像头、放射源、含PLC和测量信号转换单元的现场控制箱均置于C型箱内，该C型箱内设有冷却水循环水箱，C型箱内设置有测温元件，测温元件连接报警装置；放射源和γ射线探测器排列在生产线被测物热轧金属管通过的相对上下位置；

γ射线探测器连接A/D转换器，A/D转换器连接工控机主机，同时工控机主机连接红外测温仪和CCD摄像头；经数据分析处理后得出被测管材的壁厚数据，工控机主机连接数据库服务器；工控机主机连接TCP/IP局域网络，TCP/IP局域网络连接个操作室的终端机。

2.根据权利要求1所述的一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法：射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到探测器，使其中的气体电离，产生电流；该电流经微电流放大器放大为电压信号，信号进入测量信号转换单元进行A/D转换，采样时间为5ms，转换成的数字信号每20ms向主机发送；

经过探测器输出得到的测量电压信号根据理论推导，与厚度有如下关系：

T＝(1/μ)·Ln(V₀/V)    (1)

式中，T是厚度，μ是材料密度，V₀是零点电压，即无测量物时的电压值，V是测量电压，即有测量物时的电压值，Ln代表自然对数；

在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式(1)进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还要必须进行外径修正、位置偏心修正；则式(1)变为式(2)

T＝{(1/μ)·Ln(V₀/V)+C_U}(1+C_ρ)(1+C_T)(1+C_d)(1+C_w)(1+C_b)    (2)

式中：C_U为吸收曲线线性修正值；C_ρ为密度修正值；C_T为温度修正值，C_d为外径修正值；C_w为位置偏心修正值；C_b为实际标定修正值；

公式中T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终单壁厚壁厚值应为T_1/2；

T_1/2＝T/2。

3.根据权利要求2所述的一种使用γ射线在线测量热轧金属管材壁厚的方法：使用γ射线在线高精度测量热轧金属管材壁厚的装置，配以高精度CCD摄像头实时采集管材偏心数据以供偏心修正计算。

Images