CN106052574A - 处于红热状态下钢材的厚度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种处于红热状态下钢材的厚度测量装置及其方法。该测量装置中，步进电机与导轨丝杠相连，并带动滑块在导轨上移动；传感器支架与滑块相连，两个保温箱固定在传感器支架上并对称布置，每个保温箱内安装有激光位移传感器和温度传感器；保温箱包括内腔、隔热层、水冷层、探测窗、冷却水道、进水管和出水管，水冷层设置在保温箱的内腔外部，隔热层设置在水冷层的外部，水冷层分别与进水管和出水管连通；分析仪分别与激光位移传感器、温度传感器和步进电机连接。本发明的装置能实现对红热状态下钢板厚度的测量，测量过程自动化，效率高，具有时效性，能及时发现钢板生产中的厚度问题，降低废品率。

Description

处于红热状态下钢材的厚度测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种对处于红热状态下钢材厚度进行测量的装置及其测量方法，属于机械测量技术领域。

背景技术

对于处于红热状态下钢板的厚度，现有技术无法动态测量，只能等到钢板冷却之后再进行厚度测量。这种滞后测量显然会造成不合格钢板不能及时回到生产线调整，导致废品率较高。

虽然近年来，激光测量的原理可实现在线测量的目的，但由于钢板温度较高，可达500℃，如此高的温度会将大部分热量传至传感器，使得激光传感器在工作时会产生严重的线性失真，极大地影响了测量精度，导致了采用激光传感器测量方案的具体实施停滞不前。所以针对热轧钢板的具体生产条件，必须增加对激光传感器的保温装置，才能使其正常工作，从而保证热轧钢板的实时高精度测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种对处于红热状态下钢材的厚度进行测量的装置，通过对激光位移传感器进行保温，实现对红热钢板厚度的测量。本发明的另外一个目的是提供该装置的测量方法。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

处于红热状态下钢材的厚度测量装置，包括导轨、步进电机、导轨丝杠、滑块、传感器支架、激光位移传感器、温度传感器、保温箱和分析仪；步进电机与导轨丝杠相连，并带动滑块在导轨上移动；传感器支架与滑块相连，两个保温箱固定在传感器支架上并对称布置，每个保温箱内安装有激光位移传感器和温度传感器；所述保温箱包括内腔、隔热层、水冷层、探测窗、冷却水道、进水管和出水管，其中，水冷层设置在保温箱的内腔外部，隔热层设置在水冷层的外部，所述水冷层分别与进水管和出水管连通；分析仪分别与激光位移传感器、温度传感器和步进电机连接。

所述传感器支架采用桁架结构，桁架结构上对称设置有三角支架，三角支架的支撑斜杆一端与横杆的一端端部连接，所述保温箱设置在该端部连接处。

所述隔热层夹设在保温箱箱壁中间。

优选地，所述箱壁的材料为钢板。

所述探测窗上设有隔板，所述隔板的材料为玻璃。

优选地，所述隔热层的材料为硅酸铝板，厚度为19mm。

优选地，所述水冷层中水的流速≥0.39m/s。

利用上述测量装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)接通电源，启动水泵，使所述测厚装置处于待工作状态；

(2)启动步进电机，使滑块带动传感器支架在导轨上横向移动，移向待测钢板；

(3)步进电机继续移动，将滑块移至导轨端部，使传感器送至工作位置；

(4)激光位移传感器测量红热状态下待测钢板的厚度，并将数据传送到分析仪，由分析仪记录数据并判断该待测钢板是否合格，并显示数据和合格与否的结果；

(5)所述水冷层中水流速度≥0.39m/s，从而保证所述保温箱体内温度在40℃以内；

(6)温度传感器实时检测保温箱体内温度，当温度超过40℃时发出警报；

(7)当测量结果不符合标准时，分析仪发出指令，调整钢板生产线；

(8)分析仪控制步进电机反转，带动传感器支架回到初始位置；

(9)关闭电源，测量结束。

本发明的特点是能实现对红热状态下钢板厚度的测量，通过在保温箱中设置水冷层与进、出水管来保护传感器及线路免受高温的影响，正常工作。并且可由步进电机控制，通过导轨与滑块移动支架，方便整体仪器的检修与安装。本发明的测量过程自动化，效率高，具有时效性，能及时发现钢板生产中的厚度问题，降低废品率。

附图说明

图1为本发明处于红热状态下钢材的厚度测量装置的结构图；1-导轨、2-步进电机、3-导轨丝杠、4-滑块、5-传感器支架、6-激光位移传感器、7-温度传感器、8-保温箱、9-分析仪、10-进水管、11-出水管、12-待测钢板；

图2为保温箱的结构图；13-内腔、14-隔热层、15-水冷层、16-探测窗、17冷却水道；

图3为本发明保温箱的传热模型图；

图4为本发明保温箱的辐射模型简化图；

图5为保温箱隔热层的传热模型简化图；

图6为保温箱水冷层的结构模型图；

图7为设计1的桁架结构图；

图8为设计2的桁架结构图；

图9为设计1中支撑保温箱的横梁受力图；

图10为设计1中支撑保温箱的横梁挠度曲线；

图11为设计2中支撑保温箱的横梁受力图；

图12为设计2中支撑保温箱的横梁挠度曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作详细说明。

在地基上安装有导轨1，步进电机2与导轨丝杠3相连，可以带动滑块4在导轨1上横向移动；传感器支架5与滑块4相连，两个保温箱8固定在传感器支架5上，上下对称布置；进水管10、出水管11连通保温箱8以实现水循环冷却；可测高温物体的激光位移传感器6、温度传感器7安装在保温箱体内；分析仪9控制电源的接通与步进电机2的移动，并显示出测量数据与比对结果，及时发出指令调整钢板生产线。

如图2所示，保温箱8包括内腔13、隔热层14、水冷层15、探测窗16、冷却水道17。保温箱8的箱壁材料采用钢板。内腔13外依次设置水冷层15、钢板、隔热层14、钢板。水冷层15通过冷却水道17与进水管10、出水管11连通。

其中，隔热层14材料为硅酸铝板，探测窗16上下隔板材料为玻璃。传感器支架5采用上下对称布置的桁架结构，保证支架的刚度，提高测量精度。

本发明的保温箱结构和参数的设计过程，包括以下内容：

(1)为简化计算，将传热模型分为三个过程(如图3所示)，假定系统到达稳态，各部分热流量相等。其中，T1是红热状态下钢板的温度，T2和T3为箱壁钢板的温度。

(2)第一部分:辐射模型简化如图4所示：

$x=\frac{r_1}{h}=2.5$

$y=\frac{r_2}{h}=0.5$

z＝1+(1+y²)/x²＝1.2

$X_{12}=\frac{1}{2}\[z-\sqrt{z^2-4{(y/x)}^2}\]=0.034$

整个过程传热量：

其中：σ＝5.6697×10^-8W/(m²·k⁴)

T₁＝773K，T₂＝600K

ε₁＝0.5，ε₂＝0.1

代入求得Φ＝39.58w

其中，r1:简化模型中红热状态下钢板的半径；r2:简化模型中保温箱外层底板的半径；h:钢板到保温箱底板的距离；A1:简化模型中红热状态下钢板对于保温箱底板的面积；A2:简化模型中保温箱外层底板的面积；ε₁:500℃钢板的发射率；ε₂:保温箱外层底板的发射率；σ:黑体辐射常数。

(3)第二部分：两钢板间的夹层为硅酸铝板，该部分热量的主要传递方式是热传导。见图5。

整个过程传热量：

其中：λ₁＝λ₃＝45W/(m·k)

λ₂＝0.09W/(m·k)

A＝0.03m²

应保证t₃降到50℃以下，这里取t₃＝50℃

代入计算得出δ₂＝19mm

其中，δ₁:下层钢板厚度；δ₂:隔热层(硅酸铝板)厚度；δ₃:上层钢板厚度；A:隔热层(硅酸铝板)相对于上下钢板的面积；λ₁、λ₃：钢的导热系数；λ₂:硅酸铝的导热系数。

(4)第三部分：该部分为流动水层，主要用于带走进入系统的热量，使传感器所处环境维持工作温度。见图6。

根据：Φ＝q_mc_p(t₅-t₄)，其中：c_p＝4.2×10³J/(kg·K)

t₄＝25℃

t₅＝40℃

代入计算，得出q_m＝0.37L/s

根据：q_m＝v·A＝v·b·h

其中：b＝0.08m，h＝0.02m

代入计算，得出v＝0.39m/s

其中，c_p：水的比热容；v：水流速度；A：水流层相对于上下底板的面积；t₄：进水口水温；t₅：出水口水温。

对传感器支架5有两种设计(如图7，图8所示)，现对这两种设计做以下分析，进行比对：

(1)设计1：将支撑斜杆布置在水平横梁中间位置，各连接部位铰链连接。受力分析图如图9所示。

X_A:A点所受水平方向支反力；Y_A:A点所受竖直方向支反力；

F_B:B点所受支反力；q:BC段所受载荷密度(来自于保温箱)；L_BC:BC段长度；

M_AB:AB段弯矩；M_BC:BC段弯矩；I:横截面对中性轴的惯性矩；

E:Q235钢，300℃时的弹性模量；

ω₁:AB段挠度；ω₂:BC段挠度；a、b、c、d:分别为积分常数；x:距离A点为x的点；ω_1B:由AB段挠曲线方程计算出的B点的挠度；ω_2B:由BC段挠曲线方程计算出的B点的挠度；ω_1A:由AB段挠曲线方程计算出的A点的挠度；Δl：斜拉杆的伸长量；θ:斜拉杆与AC杆的夹角；L斜拉杆的长度；F:斜拉杆所受内力。

X_A-F_B×cos30°＝0

Y_A-F_B×sin30°+q×L_BC＝0

解得:F_B＝196N,X_A＝170N,Y_A＝23N

AB段，BC段弯矩：M_AB＝-23x

M_BC＝-163(0.605-x)²

$I=\frac{1}{12}\×40\×{20}^3\×{10}^{-3}=2.67\×{10}^{-8}{m}^4$

材料为Q235钢，300℃时的弹性模量：E＝183Gpa

计算得出EI＝4886.1Gpa·m⁴

表1设计1中支撑保温箱横梁的挠曲线方程

根据变形协调方程：

可得出：ω_2B＝-0.12×10^-5m

补充其余边界条件：ω_1B＝ω_2B,ω_1B′＝ω_2B′,ω_1A＝0

可解得未知量a、b、c、d，得出挠曲线微分方程：

ω₁＝-0.00125x³+0.000175x

ω₂＝-0.00275(0.605-x)⁴-3.085×10^-4x+1.22×10^-4

挠曲线如图10所示。

(2)设计2：将支撑斜杆布置在水平横梁尾部，各连接部位铰链连接。受力分析图如图11所示。

X_A:A点所受水平方向支反力；Y_A:A点所受竖直方向支反力；

F_C:C点所受支反力；q:BC段所受载荷密度(来自于保温箱)；L_BC:BC段长度；

M_AB:AB段弯矩；M_BC:BC段弯矩；I:横截面对中性轴的惯性矩；

E:Q235钢，300℃时的弹性模量；

ω₁:AB段挠度；ω₂:BC段挠度；a、b、c、d:分别为积分常数；x:距离A点为x的点；ω_1B:由AB段挠曲线方程计算出的B点的挠度；ω_2B:由BC段挠曲线方程计算出的B点的挠度；ω_1A:由AB段挠曲线方程计算出的A点的挠度；ω_2C:C点的挠度；Δl：斜拉杆的伸长量；θ:斜拉杆与AC杆的夹角；L斜拉杆的长度；F:斜拉杆所受内力。

X_A-F_C×cos30°＝0

Y_A+F_C×sin30°-q×L_BC＝0

解得:F_C＝61N,X_A＝53N,Y_A＝44.5N

AB段，BC段弯矩：M_AB＝44.5x

M_BC＝30.5(0.605-x)-163(0.605-x)²

$I=\frac{1}{12}\×40\×{20}^3\×{10}^{-3}=2.67\×{10}^{-8}{m}^4$

材料为Q235钢，300℃时的弹性模量：E＝183Gpa

计算得出EI＝4886.1Gpa·m⁴

表2设计2中支撑保温箱横梁的挠曲线方程

根据变形协调方程：

可得出：ω_2C＝-2.91×10^-7m

补充其余边界条件：ω_1B＝ω_2B,ω_1B′＝ω_2B′,ω_1A＝0

可解得未知量a、b、c、d，得出挠曲线微分方程：

ω₁＝1.52×10^-3x³-0.3794×10^-3x

ω₂＝1.03×10^-3(0.605-x)³-0.00275×(0.605-x)⁴+0.2905×10^-3x-0.1761×10^-3

挠曲线如图12所示。

对比可见，设计2在横梁的末端挠度更小，传感器测量精度更高，设计2更合理。故本发明采用设计2式的桁架结构，传感器支架5整体布置如图8所示。

使用本实施例测量装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)接通电源，启动水泵，使测厚装置处于待工作状态；

(2)启动步进电机2，使滑块4带动传感器支架5在导轨1上横向移动，移向待测钢板12；

(3)步进电机2继续移动，将滑块4移至最右端，传感器送至工作位置；

(4)激光位移传感器6测量红热状态下的钢板厚度，并将数据传送到分析仪9，由分析仪9记录数据并判断钢板是否合格，显示数据和合格与否的结果；

(5)水冷层15水流速度应大于0.39m/s，从而保证保温箱体内温度在40℃以内；

(6)温度传感器7实时检测保温箱体内温度，当温度超过40℃时发出警报；

(7)当测量结果不符合标准时，分析仪9发出指令，调整钢板生产线；

(8)分析仪9控制步进电机2反转，带动传感器支架5回到初始位置；

(9)关闭电源，测量结束。

Claims (8)

1.处于红热状态下钢材的厚度测量装置，包括导轨、步进电机、导轨丝杠、滑块、传感器支架、激光位移传感器、温度传感器、保温箱和分析仪；其特征在于，步进电机与导轨丝杠相连，并带动滑块在导轨上移动；传感器支架与滑块相连，两个保温箱固定在传感器支架上并对称布置，每个保温箱内安装有激光位移传感器和温度传感器；所述保温箱包括内腔、隔热层、水冷层、探测窗、冷却水道、进水管和出水管，其中，水冷层设置在保温箱的内腔外部，隔热层设置在水冷层的外部，所述水冷层分别与进水管和出水管连通；分析仪分别与激光位移传感器、温度传感器和步进电机连接。

2.根据权利要求1所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述传感器支架采用桁架结构，桁架结构上对称设置有三角支架，三角支架的支撑斜杆一端与横杆的一端端部连接，所述保温箱设置在该端部连接处。

3.根据权利要求1所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述隔热层夹设在保温箱箱壁中间。

4.根据权利要求3所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述箱壁的材料为钢板。

5.根据权利要求1所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述探测窗上设有隔板，所述隔板的材料为玻璃。

6.根据权利要求1至5之一所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述隔热层的材料为硅酸铝板，厚度为19mm。

7.根据权利要求1至5之一所述的处于红热状态下钢材的厚度测量装置，其特征在于，所述水冷层中水的流速≥0.39m/s。

8.利用如权利要求1所述处于红热状态下钢材的厚度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)接通电源，启动水泵，使所述测厚装置处于待工作状态；

(2)启动步进电机，使滑块带动传感器支架在导轨上横向移动，移向待测钢板；

(3)步进电机继续移动，将滑块移至导轨端部，使传感器送至工作位置；

(4)激光位移传感器测量红热状态下待测钢板的厚度，并将数据传送到分析仪，由分析仪记录数据并判断该待测钢板是否合格，并显示数据和合格与否的结果；

(5)所述水冷层中水流速度≥0.39m/s，从而保证所述保温箱体内温度在40℃以内；

(6)温度传感器实时检测保温箱体内温度，当温度超过40℃时发出警报；

(7)当测量结果不符合标准时，分析仪发出指令，调整钢板生产线；

(8)分析仪控制步进电机反转，带动传感器支架回到初始位置；

(9)关闭电源，测量结束。