CN102636104B - 一种电容式螺纹钢线径在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式螺纹钢线径在线测量系统及其检测方法，属于螺纹钢线径在线测量技术领域。本发明的圆筒件呈两端开口的中空筒状结构，螺纹钢从圆筒件的中心轴线位置穿过，从圆筒件一端的端部引出第一电容极；集电环设置于轧机的出口处，并与螺纹钢相接触，从集电环引出第二电容极，圆筒件和螺纹钢组成圆柱形电容器；上述的第一电容极和第二电容极接入电容测量模块，电容测量模块依次与滤波模块、数据运算模块、数据显示模块相连接。本发明的检测方法通过建立标准数据库，并进行局部线性化、偏差估计运算得待测螺纹钢的直径和偏差量。本发明相比激光扫描法和光电摄像法等技术，结构简单，而且经济，容易实现高精度在线测量螺纹钢的直径。
Description
技术领域
本发明涉及螺纹钢线径在线测量技术领域，更具体地说，涉及一种电容式螺纹钢线径在线测量系统及其检测方法。
背景技术
目前，在我国冶金工业中，螺纹钢生产厂大部分仍采用在螺纹钢轧制离线后，在热态下由工人用卡尺测量，这种方法是随机抽取测量，其测量精确度不高、速度慢、劳动强度大，且不能实时检测，无法及时调整更换轧机轧辊，一旦发现超差则已有大批钢材成为次品或废品，停机时间也严重影响着生产效率的提高。随着棒材轧制技术不断改进，离线测量线径早就无法满足工业需要。同时，为了满足客户需要，降低成本，目前螺纹钢生产厂大部分采取负公差轧制，为了进一步提高成材率，就必须实现对轧件的连续在线检测。
目前，很多关于棒材线径非接触式在线测量的研究在不断地深入，在《冶金管理》杂志2004年第11期“线、棒材及螺纹钢截面形状在线测量技术综合评述”一文中总结性地介绍了当前棒材线径在线测量技术大体可分为激光扫描法和光电摄像法。激光扫描法由马达带动在发射透镜焦点上的旋转棱镜将激光束反射到发射透镜上形成一平行扫描的光带，被测物的直径（或宽度）在此光带上遮挡平行扫描光束，将遮挡时间乘平行光带的扫描速度就可求出被测物的外径（或宽度），但是该方法动态性能差。光电摄像法由光学系统形成一束连续的平行光通过接收镜头在线阵上形成遮挡阴影的电子图像，经图象处理求出遮挡此平行光束的阴影区所对应的物体投影尺寸，该方法对拍摄速度要求高，同时对图像处理的要求极高。
中国专利申请号200420072685.2，申请日为2004年6月30日，发明创造名称为：二氧化铀芯块直径在线测量系统，该申请案采用激光测量仪测量二氧化铀芯块的直径。中国专利申请号98111592.6，发明创造名称为：一种自动在线测径的方法及其装置，该申请案也采用平行激光光束照射技术实现测径。中国专利申请号00238166.4，发明创造名称为：高速运动物体的断面尺寸测量装置，该申请案CCD摄像机技术测量端面尺寸。中国专利申请号200910070820.7，发明创造名称为：抗振动大尺寸直径精密在线测量方法，该申请案也采用CCD相机技术测量钢管直径。
此外，中国专利申请号200410009187.8，申请日为2004年6月9日，发明创造名称为：螺纹钢三参数在线测量系统，该申请案由测量纵肋高度的线阵CCD测量仪，测量内径、横肋高的光电瞄准式光学投影仪和计算机控制系统组成，光电瞄准式光学投影仪和线阵CCD测径仪是两个独立的测量系统，分别在螺纹钢的两个相互垂直的方向上测量，两者共用一个测量头，两个方向的测量信号同时输入计算机控制系统，计算机控制系统经数据处理后输出测量结果。该申请案虽然实现了在线测量螺纹钢的内径、纵肋及横肋高度三参数，但是采用的是CCD测量仪和光电瞄准式光学投影仪技术，由于螺纹钢轧制速度很高，导致高速运动的螺纹钢形成流线，要同时在线测量螺纹钢的内径、纵肋及横肋三个参数，对拍摄速度要求极高，同时对图像处理的要求也极高，导致检测成本大幅度增大，不适合实际生产使用。
中国专利申请号200620018691.9，申请日为2006年3月31日，发明创造名称为：带肋钢筋特征尺寸测量仪，该申请案包括6~14组单轴向平行光测径仪、箱体、高斜支架、低斜支架，6~14组单轴向平行光测径仪是间隔交错排放，分为与轴向成±10°~70°夹角的A、B两组，6~14组单轴向平行光测径仪的接收镜头、发射镜头分别由固定于箱体的低斜支架或高斜支架固定。该申请案虽然能够直接测量得到内径及横肋外径，但是其结构复杂，采用的是单轴向平行光测径仪，生产及运行维护成本高。
综上所述，现有技术中对螺纹钢线径测量技术主要集中在激光扫描法和光电摄像法，这些方法在一定程度上能够实现线径的在线测量，但是其结构复杂，测量图像的处理要求极高，导致测量成本大，设备维护成本增加，不能适应高速轧制的需要，在实际的生产使用过程中并未得到普遍的应用。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中螺纹钢的线径在线测量设备结构复杂，测径要求高，测径成本高的不足，提供一种电容式螺纹钢线径在线测量系统及其检测方法，通过本发明构建的电容式在线测量系统，能够实现螺纹钢线径的高精度在线测量，从而提高螺纹钢成材率，且结构简单，设备维护成本低。
技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，包括圆筒件、集电环、电容测量模块、滤波模块、数据运算模块和数据显示模块，所述的圆筒件呈两端开口的中空筒状结构，螺纹钢从圆筒件的中心轴线位置穿过，从圆筒件一端的端部引出第一电容极；所述的集电环设置于轧机的出口处，并与螺纹钢相接触，从集电环引出第二电容极，所述的圆筒件和螺纹钢组成圆柱形电容器；上述的第一电容极和第二电容极接入电容测量模块，该电容测量模块用于测量圆柱形电容器的电容值，所述的电容测量模块、滤波模块、数据运算模块、数据显示模块依次连接。
优选地，本发明的圆筒件为金属件，并位于轧机的出口处，该圆筒件的外壁直径为螺纹钢直径的3~10倍，该圆筒件的长度为50~100cm。
本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的检测方法，其步骤为：
1）建立标准数据库：
将多种直径为Фi的标准规格的螺纹钢在与实际生产相同的环境中离线状态下穿过圆筒件，电容测量模块通过第一电容极和第二电容极测量此时圆柱形电容器的电容值，并经过滤波模块得到相应的电容值Ci，其中：Фi为标准规格的螺纹钢直径，Ci为直径为Фi的标准规格的螺纹钢对应的电容值，从而得到（Ci，Фi）的标准数据库，其中Фi的取值为6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50mm等规格，本发明中所建（Ci，Фi）的标准数据库规格越全越完善，所测结果越准确。
2）检测工况电容值Cx：
当待测的螺纹钢穿过圆筒件时，电容测量模块通过第一电容极和第二电容极测量此时圆柱形电容器的电容值，并经过滤波模块得到相应的电容值Cx，其中：Cx为待测直径Фx的螺纹钢对应的电容值；
3）数据处理：
将步骤2）检测得到的电容值Cx传送至数据运算模块，进行局部线性化、偏差估计运算得待测螺纹钢的直径Фx和螺纹钢直径的偏差量ΔΦ，具体计算过程如下：
A）根据当前生产的螺纹钢直径Фm的规格，从标准数据库（Ci，Фi）中提取与生产的螺纹钢直径相接近的两组数据（C1，Ф1）和（C2，Ф2），其中：Ф1为比当前生产的螺纹钢直径规格Фm小一个规格的标准直径，C1为准数据库（Ci，Фi）中Ф1对应的电容值，Ф2为比当前生产的螺纹钢直径规格Фm大一个规格的标准直径，C2为准数据库（Ci，Фi）中Ф2对应的电容值；
B）将（C1，Ф1）和（C2，Ф2）带入公式（1-1）：
即可计算得到b，其中：b为截距；
C）将上述（C1，Ф1）、（C2，Ф2）、截距b及检测得到的电容值Cx带入公式（1-2），
即可计算得到待测螺纹钢的直径Фx ，其中：Фx为待测的螺纹钢直径，Cx为待测直径Фx的螺纹钢对应的电容值；
D）将当前生产的螺纹钢规格直径Фm和上述计算得到的待测螺纹钢的直径Фx带入公式（1-3）：
ΔΦ=Фx-Фm （1-3）
计算即得螺纹钢直径的偏差量ΔΦ；
4）数据显示：
将步骤3）中计算得到的待测螺纹钢的直径Фx和偏差量ΔΦ传送至数据显示模块予以显示。
本发明中所称的螺纹钢的直径均指公称直径，公称直径范围为6～50mm，标准推荐的螺纹钢公称直径为6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50mm等规格。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
（1）本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，减轻了劳动强度，提高了生产效率。目前螺纹钢生产厂大部分仍采用螺纹钢轧制离线后，在热态下由工人用卡尺测量，劳动强度很大，且不能实时检测，无法及时调整更换轧机轧辊，一旦发现超差则已有大批钢材成为次品或废品，停机时间也严重影响着生产效率的提高，因此本发明实现了在线测量螺纹钢线径，减轻了劳动强度，提高了生产效率；
（2）本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，通过在螺纹钢外部套设圆筒件的方式构成了第一电容极，并利用与集电环接触的螺纹钢作为第二电容极，巧妙地构建了一个圆柱形电容器，从而通过检测电容值的方式测量螺纹钢的直径，相比现有技术中的激光扫描法和光电摄像法等技术，结构简单，而且经济，容易实现高精度测量螺纹钢的直径；
（3）本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，其圆筒件的外壁直径为螺纹钢直径的3~10倍，圆筒件的长度为50~100cm，通过试验测试，该结构尺寸的圆筒件测量并计算获得的螺纹钢直径精度最高，且数据测量的稳定性好；
（4）本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的检测方法，其数据处理部分通过构架标准数据库，并采用局部线性化、偏差估计运算的方法，巧妙地将螺纹钢的直径计算出来，能够准确实现在线测量；
（5）本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的检测方法，通过数据运算处理得到实际生产的螺纹钢直径和螺纹钢直径的偏差量，该方法可以减少螺纹钢的生产废品率，提高企业的生产效率和管理水平。
附图说明
图1为本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的结构示意图；
图2为本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的检测方法中局部线性化计算的原理图。
示意图中的标号说明：1-轧机；2-螺纹钢；3-圆筒件；4-集电环；5-电容测量模块；6-滤波模块；7-数据运算模块；8-数据显示模块。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，其结构示意图如图1所示，本发明的电容式螺纹钢线径在线测量系统包括圆筒件3、集电环4、电容测量模块5、滤波模块6、数据运算模块7和数据显示模块8，其中圆筒件3呈两端开口的中空筒状结构，待测的螺纹钢2从圆筒件3的中心轴线位置穿过，从圆筒件3一端的端部引出第一电容极，本发明的圆筒件3为金属件，并位于轧机1的出口处，本实施例中圆筒件3的左端距轧机1的出口处距离为1.0 m，本发明中圆筒件3的外壁直径适合取螺纹钢2直径的3~10倍，螺纹钢2的直径范围为6～50 mm，本实施例中圆筒件3的外壁直径取为100 mm，本发明的圆筒件3的长度在理论上是越长越好，但是考虑到实际成本和离轧机1出口越远螺纹钢2震荡幅度越大等因数，本发明的圆筒件3的长度宜选择50~100 cm，本实施例中圆筒件3的长度取为80 cm。为防止实际生产过程中螺纹钢2跳动时与本发明的圆筒件3接触导致短路，可在圆筒件3的表层涂覆耐热防腐绝缘保护材料，用于保护金属材质的圆筒件3。
本发明的集电环4设置于轧机1的出口处，位于轧机1的出口端与圆筒件3的左端之间，并与螺纹钢2相接触，为了保证集电环4与螺纹钢2能够良好接触，本发明的集电环4采用可以旋转的铜质的环状结构，并采用弹簧支撑固定，从集电环4引出第二电容极，本发明的圆筒件3和螺纹钢2组成圆柱形电容器，圆筒件3和螺纹钢2之间的绝缘介质为空气，空气的相对介电常数约等于1；将上述的第一电容极和第二电容极接入电容测量模块5，该电容测量模块5用于测量圆柱形电容器的电容值，能够实现电容测量和滤波功能的电路模块和仪器很多，本实施例中选用常州市同惠电子有限公司生产的TH2617B型电容测量仪测量圆柱形电容器的电容值，该TH2617B型电容测量仪同时具有滤波模块6，本发明中对检测的电容值信号进行滤波处理，是为了减少干扰，本实施例采用的TH2617B型电容测量仪的输出端与数据运算模块7、数据显示模块8依次相连接。
本发明的数据运算模块7对检测的电容值进行处理，从而计算得到待测的螺纹钢2的直径及偏差量，该数据运算过程可以采用单片机实现，也可以将相关数据送入工控机，在工控机上按着下述处理方面编写相应的数据处理软件实现，本实施例采用Visual C++6.0编写运算监控软件，其数据运算的方法如下所述，最终将待测的螺纹钢2的直径及偏差量传送至数据显示模块8予以显示。
本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统的检测方法，其具体步骤如下：
步骤（1）、建立标准数据库：
将多种直径为Фi的标准规格的螺纹钢2在与实际生产相同的环境中离线状态下穿过圆筒件3，电容测量模块5通过第一电容极和第二电容极测量此时圆柱形电容器的电容值，并经过滤波模块6得到相应的电容值Ci，其中：Фi为标准规格的螺纹钢2直径，Ci为直径为Фi的标准规格的螺纹钢2对应的电容值，从而得到（Ci，Фi）的标准数据库，其中Фi的取值为6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50mm；
步骤（2）、检测工况电容值Cx：
当待测的螺纹钢2穿过圆筒件3时，电容测量模块5通过第一电容极和第二电容极测量此时圆柱形电容器的电容值，并经过滤波模块6得到相应的电容值Cx，其中：Cx为待测直径Фx的螺纹钢2对应的电容值；
步骤（3）、数据处理：
将步骤（2）检测得到的电容值Cx传送至数据运算模块7，进行局部线性化、偏差估计运算得待测螺纹钢2的直径Фx和螺纹钢2直径的偏差量ΔΦ，其中局部线性化计算的原理如图2所示，具体计算过程如下：
A）根据当前生产的螺纹钢2直径Фm的规格，从标准数据库（Ci，Фi）中提取与生产的螺纹钢2直径相接近的两组数据（C1，Ф1）和（C2，Ф2），其中：Ф1为比当前生产的螺纹钢2直径规格Фm小一个规格的标准直径，C1为准数据库（Ci，Фi）中Ф1对应的电容值，Ф2为比当前生产的螺纹钢2直径规格Фm大一个规格的标准直径，C2为准数据库（Ci，Фi）中Ф2对应的电容值；例如，当前要求生产的螺纹钢2规格是直径Фm为20 mm的，则从标准数据库（Ci，Фi）中提取（C18，Ф18）和（C22，Ф22）两组数据。本发明中，如果当前生产的螺纹钢2直径Фm的规格是所建（Ci，Фi）的标准数据库中的最小规格，则上述的Ф1取当前生产的螺纹钢2直径Фm的规格，C1为准数据库（Ci，Фi）中Ф1对应的电容值，上述的Ф2仍为比当前生产的螺纹钢2直径规格Фm大一个规格的标准直径，C2为准数据库（Ci，Фi）中Ф2对应的电容值；如果当前生产的螺纹钢2直径Фm的规格是所建（Ci，Фi）的标准数据库中的最大规格，则上述的Ф2取当前生产的螺纹钢2直径Фm的规格，C2为准数据库（Ci，Фi）中Ф2对应的电容值，上述的Ф1仍为比当前生产的螺纹钢2直径规格Фm小一个规格的标准直径，C1为标准数据库（Ci，Фi）中Ф1对应的电容值。
B）将（C1，Ф1）和（C2，Ф2）带入公式（1-1）：
或
（1-1）
即可计算得到b，其中：b为截距；
C）将上述（C1，Ф1）、（C2，Ф2）、截距b及检测得到的电容值Cx带入公式（1-2），
即可计算得到待测螺纹钢2的直径Фx ，其中：Фx为待测的螺纹钢2直径，Cx为待测直径Фx的螺纹钢2对应的电容值；
D）将当前生产的螺纹钢2规格直径Фm和上述计算得到的待测螺纹钢2的直径Фx带入公式（1-3）：
ΔΦ=Фx-Фm （1-3）
计算即得螺纹钢2直径的偏差量ΔΦ；
步骤（4）、数据显示：
将步骤（3）中计算得到的待测螺纹钢2的直径Фx和偏差量ΔΦ传送至数据显示模块8予以显示。
本发明的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统及其检测方法，通过圆筒件3构建了圆柱形电容器，并建立了标准的电容-直径数据库，通过检测电容值的方式实现了测量螺纹钢2的直径，相比现有技术中的激光扫描法和光电摄像法等技术，结构简单，而且经济，容易实现高精度测量螺纹钢2的直径，实现了螺纹钢2直径的在线测量和显示，减轻了劳动强度，提高了生产效率，还可以减少螺纹钢2的生产废品率，提高企业的生产效率和管理水平。
以上示意性的对发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，其特征在于：包括圆筒件（3）、集电环（4）、电容测量模块（5）、滤波模块（6）、数据运算模块（7）和数据显示模块（8），所述的圆筒件（3）呈两端开口的中空筒状结构，螺纹钢（2）从圆筒件（3）的中心轴线位置穿过，从圆筒件（3）一端的端部引出第一电容极；所述的集电环（4）设置于轧机（1）的出口处，并与螺纹钢（2）相接触，从集电环（4）引出第二电容极，所述的圆筒件（3）和螺纹钢（2）组成圆柱形电容器；上述的第一电容极和第二电容极接入电容测量模块（5），该电容测量模块（5）用于测量圆柱形电容器的电容值，所述的电容测量模块（5）、滤波模块（6）、数据运算模块（7）、数据显示模块（8）依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种电容式螺纹钢线径在线测量系统，其特征在于：所述的圆筒件（3）为金属件，并位于轧机（1）的出口处，该圆筒件（3）的外壁直径为螺纹钢（2）直径的3~10倍，该圆筒件（3）的长度为50~100cm。
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