CN104226700B - 在轧制过程中测量金属箔带或钢板带材的力传感器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种力传感器系统(1)，用于测量由金属箔带或板形带材(2)在轧制过程中在轧辊机座中传递到测量辊(3)上的力，其中，力传感器系统可以在预加应力(V)的情况下设置在测量辊(3)的圆柱形开孔(4)中。该力传感器系统包括第一力传感器(5)以及用于在第一力传感器(5)上产生预加应力的预紧装置(7)，从而使第一力传感器(5)能够确定发生在测量辊(3)上的径向力(F)。该力传感器系统包括第二力传感器(6)，其同样可以借助于预紧装置(7)在预加应力(V)的情况下安装，其中，第一力传感器(5)具有与所需要的对由金属箔带或板形带材(2)施加的按压力(F)的测量灵敏度(E)相当的高灵敏度(E)，第二力传感器(6)是静态测量的力传感器。

Description

在轧制过程中测量金属箔带或钢板带材的力传感器系统和 方法
本申请是申请日为2011年12月21日、中国专利申请号为201180062020.6、发明创造名称为“在轧制过程中测量金属箔带或钢板带材的力传感器系统和方法”的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种力传感器系统，用于测量金属箔带或板形带材在轧制过程中在轧辊机座中传递到测量辊(Messrolle)上的力，其中，力传感器系统可以在预加应力的情况下设置在测量辊的圆柱形开孔中，该力传感器系统包括力传感器以及用于在力传感器上产生预加应力的预紧装置(Vorspannvorrichtung)，从而使力传感器能够确定发生在测量辊上的径向力。此外，本发明还涉及一种借助于这种力传感器系统在金属箔带或板形带材在轧机机座中被碾压时测量其平整度的方法。
背景技术
上述类型的力传感器系统例如可用于在加工过程中在带材生产线或轧机机座中检测带材的平整度。
在不同类型的板形带材和金属箔带的冷轧过程中使用测量辊，其中，带材以一定的包容角被引导通过测量辊，测量辊通过集成在其中的传感器检测带材在整个宽度上的应力分布。这样的测量辊通常具有很多传感器，这些传感器以较高的初始荷载设置在测量辊的朝向测量辊表面开放的径向开孔中，或者在轴向平行的开孔中密封地安置在测量辊的表面下面。
替代地还可以将一加紧套筒在测量辊上夹紧。在专利文献EP 0433535中提出了一种预紧元件，其利用可调的楔形件产生所需的预紧力。这种力传感器系统的特点在于，其预紧力几倍于待测量的带材的力。
如果通过热的带材从外部对测量辊加热，由此可能会引起测量辊的轮几何形状变形，这会导致预加应力发生变化。预加应力的这种变化所带来的结果是，使得传感器的测量灵敏度发生变化并导致以前所测得的校准值不再正确。
在专利文献WO 2004/065924中描述了一种用于这种力传感器的预紧元件，在专利文献WO 03/061856中也描述了这种预紧装置以及安装形式。
在许多应用中，在运行中在测量系统中会产生较大的温度差异，这引起预加载的传感器的初始荷载发生变化。根据用于产生初始荷载的系统的实施方式，变化的初始荷载会引起以前确定的校准值发生或多或少的变化。这些校准值描述了在力分流(Kraftnebenschluss)中所安装的传感器的灵敏度，就如同其例如存在于测量辊中一样。
为了获得较高的测量分辨率，与压电式力传感器相连接的电荷放大器具有较高的放大率。这种利用压电式传感器所进行的力测量的特征在于，尽管具有较高的初始荷载，但是仍然能够实现高分辨率的力测量，其中，在测量开始时在电荷放大器上进行复位。这种复位使得由初始荷载或预紧力所引起的传感器的压电载荷电设置为零，并且相应的关于初始荷载水平的信息也不再存在。类似的效果也会发生在电荷放大器在测量过程中被关闭并再次打开时。
发明内容
本发明的目的在于提出一种上述类型的力传感器系统，其使得即使温度发生较大的变化，仍然始终能够准确地进行力测量。本发明的另一目的在于提供一种实现这种准确的力测量的方法。
本发明的目的通过独立权利要求的特征实现。
本发明的基本思想在于，上述类型的力传感器系统除了已经说明的第一力传感器之外还包括第二力传感器，其同样可以借助于预紧装置在预加应力的情况下安装。根据本发明，第一力传感器具有较高的灵敏度，该灵敏度与所需要的由金属箔带或板形带材施加的按压力的测量灵敏度相当，第二力传感器是静态测量的力传感器。
为此，与预加应力相关的第一力传感器在力分流中的灵敏度的特征曲线是预先已知的。
在根据本发明的方法中，优选这两个力传感器的测量不是同时进行，而是以如下方式依次实现：第一传感器测量实际的待测量的力，而第二传感器直接在该力作用之前或之后测量预加应力。这有助于避免待测量的力在第二传感器上的叠加。替代地也可以将第二传感器的信号校正为第一传感器的力的值。然后借助于已知的特征曲线，根据第二力传感器的预加载信号确定第一力传感器的当前灵敏度。最后根据所确定的当前灵敏度来分析所检测到的力信号。
这种方法的相应的优点是：当预加应力超过或低于所需的阈值时，可以根据本发明的方法加以确定，从而能够不再对该力信号进行有意义的分析。
附图说明
下面参照附图对本发明进行详细说明。
图1是其上带有运行的板形带材或金属箔带的测量辊的透视图；
图2是具有力测量传感器或力测量系统并位于为其设置的开孔中的测量辊的透视图；
图3示出了位于开孔中的根据本发明的力测量系统的纵向截面图；
图4示出了在一种优选的实施方式中根据本发明的力测量系统在开孔中的纵向截面图；
图5是根据本发明的力测量系统在测量辊的开孔中的横向截面图；
图6示出了第一力传感器的灵敏度关于预加应力的特征曲线；
图7示出了两个力传感器的与时间相关的信号以及测量辊的角位置；
图8示出了力传感系统；
图9示出了第一力传感器(F1)和第二力传感器(F2)的测量信号。
具体实施方式
在所有的附图中都包括附图标记。
在图1中示出了板形带材或金属箔带2，它们运行经过自身随同转动的测量辊3。带材2在此围绕测量辊3形成一定的扇形角dα，并在该扇段中导致作用于测量辊3上的径向的力F，如箭头所示。通过在测量辊3的整个宽度上分散安装的传感器可以建立力分布轮廓(Kraftprofil)9，根据其可以推导出带材2的平整度。
在图2中再次示出了不带有带材2的这种测量辊3。其通常包括多个密封地设置在测量辊3的表面下的圆柱形开孔4。这些圆柱形开孔4在其整个长度上装配有第一力传感器5，其适用于以所需要的灵敏度来测量由带材2施加在测量辊3上的力F。优选为此使用压电式测量传感器。这些传感器必须在较高的预加应力下安装，以便它们能够实现可靠的测量。
由带材2对测量辊3所施加的加热或冷却会导致测量辊3在表面上发生膨胀。这将引起预加应力V的变化，而这反过来又造成力传感器上的力分流的变化。由于第一力传感器5的灵敏度分别取决于占优势的力分流，因此，第一力传感器5的校准值将随时间变化。
在图6中示出了与测量辊3的温度T相关的预加应力V的举例。在同一图中还示出了在不同的预加应力V下的灵敏度E。如果位于V0和V1之间的预加应力与校准过程中的情况相符，则当前的灵敏度E与校准过程中的测量相符。在许多情况下，在测量辊3具有室温的情况下进行校准。但是当温度波动强烈时，使用测量辊3会导致下述结果：即当前的灵敏度E偏离校准的值。
最后，根据相应的占主导的灵敏度E可以确定校准值，其是分析测量数据所需的。
为了能够确定相应的占优势的预加应力，根据本发明将第二力传感器6与第一力传感器5一起集成在力传感器系统1中。根据本发明，该第二力传感器6应该是静态测量力传感器，其可以在长时间内可靠地测量力。根据本发明，第二力传感器6是电阻、光学或谐振式传感器。其特别可以是DMS传感器。
在图3和图4中示出了根据本发明的力传感器系统1的两个实施例。
在图3中关于圆柱形开孔4或测量辊3的轴11并排设置了两个力传感器5和6。预紧装置7使这两个力传感器5、6在相同的预加应力下移动。
在图4中关于力传播方向8上下重叠地设置了两个力传感器5、6，它们分别径向作用于测量辊3。预紧装置7在此同样使这两个力传感器5、6在相同的预加应力下移动。这种布置相对于图3中所示布置的优点在于：两个力传感器5、6位于相同的力通量中，因此它们以串联方式安装。由此可以始终确保在两个力传感器5、6上的预加应力是相同的。
优选将力传感器5、6设计成两个具有相同的基面10的圆柱形盘片，在此，它们的轴11同轴地并相对于测量辊3径向设置。
这简化了换算并可以防止错误在系统中蔓延。
图5示出了图4中的配置的横截面图。在此可以使用例如在专利文献WO2004065924中所提出的、根据现有技术的预紧元件。在该图中没有对预加应力的类型做详细讨论。其仅指出：必须为安装在测量辊3的各个圆柱形开孔4中的每个单独的力传感器系统1提供足够大的预加应力。由于必须为每个圆柱形开孔4配备多个这样的传感器系统1，因此预加应力的施加方式并非是无关紧要的。
为了进行测量需要确定两个力传感器5、6的两个信号。图7在上部的两个曲线图中示出了第一力传感器5和第二力传感器6的随时间变化的信号F1、F2。在前两个信号和后面示出的信号之间的时间相对较长，在这段时间里测量辊3的温度T剧烈波动。预加应力V相应地表现为先下降，然后上升。下面的曲线图示出了与时间相关的角位置α。这并不需要额外进行确定，但是为清楚起见在这里将其一起示出。
上面的曲线示出了第一力传感器5的测量信号F1，其描述了带材2施加在测量辊3上的力，此时力传感器系统1由于带材2的包容角12而处于角度部分(Winkelsegment)中。由于该力传感器必须是高度敏感的，因此优选其是压电式力传感器。如图中所示，每转一圈该力传感器都必须再次复位为零。
中间的曲线示出了第二力传感器6的测量信号F2，其灵敏度低于第一力传感器5的例如一百倍。现在可以由该信号得悉预加应力V。该力是在力传感器系统1由于带材2的包容角12而位于角部分外面时存在的力。该相应的常数值就是预加应力V。
根据前面所确定的第一力传感器5的灵敏度E关于预加应力V的特征曲线，现在借助于当前所确定的第二力传感器6的预加应力确定第一力传感器5的当前灵敏度E。现在可以在未示出的分析单元中，根据所确定的当前灵敏度E，利用正确的校准值分析所检测到的力信号。为此，测量辊3的角位置α或者可以单独确定，或者也可以从第二力传感器6的测量信号中获得。
力传感器系统1特别可以是单一的传感器，其中集成有两个传感器5，6。因此，第一力传感器5也可以是动态力传感器，而第二力传感器6可以是执行元件(Aktuator)。
本发明的另一个优点在于，如图4中所安装的或在图8中所示出的这种根据本发明的力传感器系统1也可用于其他的应用中。静态测量的第二力传感器6可以总是测量相对于测量时间占主导地位的初始荷载，其由预加应力V施加于力传感器系统1上并构成附加的静态作用载荷。这种静态载荷可以由在组件3中的安装产生，或由其他作用于力传感器系统1的位置上的静态荷载产生。在图9中举例示出了相应的静态信号F2。在这类应用中的测量时间通常很长，例如其会测量数月或数年。与该静态信号F2相叠加的动态信号F1也在图9中示出。虽然其通过第二力传感器6同时测量，但是由于F1的振幅小了约6个数量级(10^6)，因此不能从静态信号F2获得动态信号F1。
特别是在力传感器系统1不能长时间或完全不能到达的各个领域中的应用，例如潜水浮标、气象站、卫星、核反应堆，只能给出较小的选择。
利用静态的第二力传感器6所测得的静态信号F2特别是可用于校验由动态的第一力传感器5所测得的动态信号F1的质量。如果预加应力V或初始荷载，即静态荷载F2下降至低于某临界值，其中动态的第一力传感器5的灵敏度E不再与预加应力V成线性比例，则仍然可以根据已知的特征曲线，利用已校正的参考值对第一力传感器5的测量数据进行分析。但是如果初始荷载F2大大减少，则可以确认由第一力传感器5所提供的数据不再是可用的。在稍后阶段，如果F2再次提供较高的数值，则可以确认可以再次利用信号F1。
因此根据本发明，力传感器系统1除了应用于金属箔或板材加工之外，还可用于其他的应用中，并安装在任意的组件3中。预紧装置可以通过该组件安装。
附图标记列表
1 力传感器系统
2 带材，金属箔带，板形带材
3 测量辊，组件
4 圆柱形开孔
5 第一力传感器，压电式力传感器
6 第二力传感器，电阻、光学或谐振式力传感器
7 预紧装置
8 测量辊上的力传播方向
9 力分布轮廓
10 基面
11 轴
12 带材的包容角
α 测量辊的角位置
E 灵敏度
V 预紧力，预加应力
F 力
T 测量辊的温度
t 时间

Claims (2)

1.一种利用力传感器系统测量由金属箔带或板形带材(2)在轧辊机座的轧制过程中传递到测量辊(3)上的力的方法，所述力传感器系统在预加应力(V)的情况下设置在所述测量辊(3)的圆柱形开孔(4)中，该力传感器系统包括第一力传感器(5)以及用于在所述第一力传感器(5)上产生预加应力的预紧装置(7)，从而使所述第一力传感器(5)能够确定发生在所述测量辊(3)上的径向的力(F)，并且所述力传感器系统包括第二力传感器(6)，其同样借助于所述预紧装置(7)在预加应力(V)的情况下安装，其中，所述第一力传感器(5)具有高灵敏度(E)，该灵敏度相当于所需要的对由所述金属箔带或板形带材(2)施加的按压力的测量灵敏度，所述第二力传感器(6)是静态测量的力传感器，其中，所述第一力传感器(5)的关于所述预加应力(V)的灵敏度(E)的特征曲线已知，其特征在于，
a)当所述力传感器系统的位置位于所述带材(2)的包容角(12)(dα)内部时，检测所述第一力传感器(5)的力信号，
b)当所述力传感器系统的位置位于所述带材(2)的包容角(12)(dα)外面时，检测所述第二力传感器(5)的预加应力信号，
c)利用所述已知的特征曲线，由所述第二力传感器(5)的预加应力信号确定所述第一力传感器(5)的当前灵敏度(E)，以及
d)根据所确定的当前灵敏度(E)来分析所检测到的力信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还附加地检测所述测量辊(3)的角位置(α)。
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