CN113272621A

CN113272621A - 用于确定物体的厚度的装置

Info

Publication number: CN113272621A
Application number: CN201980082854.XA
Authority: CN
Inventors: 格哈德·克什纳
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-08-17
Also published as: US11828583B2; WO2020125873A1; US20220042788A1; DE102018222873A1; EP3692331A1

Abstract

关于即使在高温环境下也可靠地测量物体(4)的厚度，提出一种用于确定物体(4)特别是带状或板状物体(4)的厚度的装置(1)，其优选应用在热轧工艺中，带有框架(2)，该框架具有至少一个边腿(5、6)，其中，所述至少一个边腿(5、6)具有用于无接触地测量相距所述物体(4)的距离的传感器(8a、8b)，其特征在于，为了减小对所述框架(2)和/或所述传感器(8a、8b)的温度影响，所述至少一个边腿(5、6)具有由多层构成的结构。

Description

用于确定物体的厚度的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定物体、特别是带状或板状物体的厚度的装置，其优选应用在热轧工艺中，带有框架，该框架具有至少一个边腿，其中，至少一个边腿具有用于无接触地测量相距物体的距离的传感器。

背景技术

这种装置由实践已知，并且存在各种不同的实施方式，其中，相应的框架例如设计成所谓的C形框架或测量框架，其具有两个利用连接件耦接的边腿，在这些边腿之间要安置待测量的物体或用于测量的测量物体。在这种情况下，经常在两个边腿上安置用于测量距离的相应的传感器。

在测量运动的或静止的、带状的或板状的工件的厚度时，通常使用测量设备，其中，在C形测量框架上安置了非常具体的距离传感器。在此，在带状的或板状的测量物体上方和下方的距离传感器分别测量相应传感器相距物体表面的距离。由传感器相互间的已知距离，可以确定物体的厚度。但这里的问题是，传感器相互间的距离会因为外部影响比如由于温度变化而变化。在温度变化时，框架结构会由于材料自身的热膨胀系数而延展或变形，这导致传感器彼此间的相对位置出现变化，进而在厚度测量时导致测量错误。另外，不均匀地——在时间上及空间上——出现的温度造成，由于不同的热膨胀，在框架结构中会出现同样不利于测量的应力。

关于设计和材料组分，有各种不同的设计方案，其要实现利用例如C形框架形式的相应的装置——尽管环境和/或靶材或物体的温度变化——提供稳定的测量值。对于在比较稳定的环境条件下的应用，大多数传统的解决方案是适宜的。

根据现有技术，例如由DE 20 2014 001 175 U1已知一种相应的用于确定物体的厚度的装置，该物体的形式为运动的、带状的和板状的生产材料，其中，该装置优选用来应用在冷轧中。根据该现有技术，用铜管缠绕C形框架的边腿，这些铜管在闭合的回路中无冷却或加热地被液体流过。这种布置的目标是，抑制在C形框架中的不均匀的温度变化。温度变化的影响要用应变计来获知并予以补偿。在冷轧时，材料在轧制之前并不变热。仅仅通过施加的变形能量，材料在经过轧机时略微变热，其中，这种变热与外界条件和可能的冷却有关。

该设计没有提供解决在热轧区域中发生的热负荷的解决方案，因为在热轧时达到了高达1200℃的温度。

在环境的温度和热辐射剧烈波动时，这种已知的解决方案具有如下缺点：通过液体回路——结合以从测量边腿到铜管的热传导——一点一点地供应和排出相对大量的能量。在此产生了众多问题，比如传感器相互间的距离由于点式的热膨胀而引起快速变化，其中，此外，由于冷却剂前向流动和返回流动的温度差以及在框架上所产生的温度差，会产生翘曲。对于已知的装置而言，这与所力求的迟滞系统相矛盾，该系统的特点应是：外界条件下的变化只是如此缓慢地作用于传感器之间的距离，使得在两个可能的校准或调零周期之间并不出现对于测量精确度关键的误差。

对于用于热轧领域的C形框架，沿着框架的在两个传感器(在材料的每一侧各一个)之间的连接长度大多为数米。该连接长度由C形框架的上边腿与下边腿的长度以及这些边腿之间的连接件组成，这基本上规定了传感器的测量距离。均匀的温度变化基本上通过在连接件区域中的长度变化起作用，其中，该长度变化直接影响厚度测量值。由于边腿的长度变化几乎相同，并且垂直于测量轴，所以对厚度测量值的这种影响可以忽略不计。

此外，如果由于上边腿和下边腿的不同的长度延展而使得传感器出现侧向偏移，传感器的测量点就不再直接彼此相对，这尤其在测量物体或物体倾斜时造成厚度测量错误。

实际上，在一个边腿内部——在面向第二边腿的一侧和背离第二边腿的一侧——不同的温度变化影响严重。这是因为，由此产生了与双金属的在其变热时的翘曲相仿的翘曲，该翘曲直接作为测量误差起作用。

然而，实际上，C形框架上的温度输入并不均匀。其原因一方面是由于热轧时靶材的热辐射所造成的高负荷，其中，红热钢的热辐射的量级约为170kW/m²，另一方面是所导致的在这种环境下发生的热对流。即使是由热膨胀系数特别低的材料例如

构成的框架，其温度漂移也将非常大，无法实现精确的厚度测量。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提出开篇所述类型的装置，据此，即使在高温环境下也可利用构造简单且成本低廉的机构来实现可靠地测量物体的厚度。

根据本发明，前述目的通过一种具有权利要求1的特征的装置得以实现。据此对根据本发明的装置予以如下设计和改进：为了减小对框架和/或传感器的温度影响，至少一个边腿具有由多层构成的结构。

按根据本发明的方式，首先认识到，通过巧妙地设计框架的边腿，以令人惊奇的简单方式实现了前述目的。具体地，为此多层地构造至少一个边腿，以便在特别高和/或低的温度情况下和/或在测量期间的温度变化剧烈情况下，优选分多级地实现减小对框架和/或传感器的温度影响。单独来看，每个层都可以例如通过散热或者热辐射防护来实现减小对框架和/或传感器的温度影响。对于根据本发明的装置，一方面可以实现保护一个传感器或者也保护多个传感器免受例如因环境温度太高或很高所致的温度影响。另一方面，对于以高的测量精度测量厚度的特别可靠的测量目标来说，意义重大的是，也保护框架(其例如具有基本框架部件和必要时设置的在边腿之间的连接件)，进而保护传感器之间的连接。这同样通过至少一个边腿的根据本发明的层结构来实现。最后，带有框架及其构件的装置结构由于温度而弯曲，由此产生测量错误。这种多层结构可以成本低廉地实现。

因此，以根据本发明的装置给出一种如下装置：即使在高温环境下也可利用构造简单且成本低廉的机构来实现可靠地测量物体的厚度。

在该装置的一种有利的设计中，第一层具有优选设计成空心体的基本框架部件，或者第一层由这种基本框架部件构成。该第一层形成了装置的可靠的且稳固的基本结构。

采用进一步有利的方式，可以把传感器指配给基本框架部件，或者设置在基本框架部件中。特别是在把传感器设置在基本框架部件中时，通过基本框架部件为传感器提供免受外部温度影响的屏蔽。

采用进一步有利的方式，基本框架部件可以具有冷却机构，其可以设计成有源的或无源的冷却机构。该冷却机构可以按可靠的方式设置在基本框架部件中或上，进一步优选地，例如在C形地设计框架时，设置在基本框架部件的连接件中。由此实现可靠地且受保护地布置冷却机构，其中，通过这种布置还提供了装置的一种特别紧凑的结构。

在特别可靠的冷却效果方面，冷却机构可以具有填充了冷却介质的冷却调节器。冷却调节器在此用来对例如用于冷却的流体比如外界空气予以冷却和/或调温。特别是在冷却机构的这种实现情况下，基本框架部件可以被可预给定的流体、优选外界空气流过。在此，借助冷却机构和冷却介质予以调温的流体可以流经基本框架部件到达传感器，以便对传感器实现相应的冷却效果或调温。作为所述流体，并非只能采用外界空气。根据应用情况而定，作为所述流体，可以采用合适的气体或液体、例如水。

按照特别有利的方式，可以通过从冷却机构到传感器的前向流动和从传感器到冷却机构的返向流动来实现流体流。由此可以实现流体的优选闭合的回路。

在根据本发明的装置的一种进一步有利的设计中，第二层可以具有用于第一层的优选基本封闭的外壳，或者通过这种外壳而形成。对第一层予以包套的该第二层在一定程度上形成了用于第一层的抵御外部温度影响的防护罩。可以利用第二层以明显的程度使得热辐射离开第一层。此外，通过由第一层和对第一层予以包套的第二层构成的结构，优选结合以冷却机构，可以形成用于流体流动的流动通道。在此，可以在外壳与基本框架部件之间实现例如往返于冷却机构的返向流动或前向流动。相应的流动通道可以通过在第一层与第二层之间的间隙或中间腔来形成。

采用进一步有利的方式，外壳可以由多个部段构成，其中，各个部段优选借助弹性的膜片耦接，这些膜片优选气密地使得各个部段相互连接，并且可以承受并补偿由于热膨胀而出现的长度变化。

除了第一和/或第二层外，还可以设置另一层，其具有用于第一或第二层的辐射防护机构、优选辐射防护板材，或者由这种辐射防护机构构成。这种另一层可以按特别有利的方式形成用于减小对传感器的外部温度影响的另一级。

关于可靠地补偿或接受各个层的由温度引起的长度变化或延展，另一层可以优选通过引导件、特别是连杆引导件相对于第一层或者第二层可运动地或可移动地安置在第一层或者第二层上。可以在未实现第二层的情况下，实现将另一层安置在第一层上。

采用进一步有利的方式，外壳和/或辐射防护机构可以由优选抛光的和/或磨光的金属构成。由此可以实现特别可靠地反射射到外壳或辐射防护机构上的热辐射，对传感器起到了相应的保护作用。按特别有利的方式，可以规定辐射率(Emissionsgrad)小的材料作为外壳和/或辐射防护机构的材料。这种材料非常有效地反射所出现的热辐射。

关于可靠的测量，第一层和/或第二层和/或另一层可以具有用于去往和/或来自物体的传感器信号的通道，该通道优选用玻璃或防热玻璃封闭。由此确保例如光学的传感器信号可以不受干扰地经过在传感器与物体之间的所实现的层。

为了进一步降低温度对框架和/或传感器的影响，可以在第一层和第二层之间和/或在第二层和另一层之间形成可让预给定的流体、优选环境空气流过的中间腔，用于产生流体层。这种流体层在相应的层之间形成可靠的热绝缘，因为特别是环境空气具有高度的绝缘作用。作为流体，也可以采用合适的绝缘气体。

为了避免各层之间的热传导，通过点式作用的连接装置，第一层可以与第二层或另一层耦接，和/或第二层与另一层耦接。这种连接装置可以通过在各层之间的一个或多个点式间隔保持件来实现，其中，这种点式作用的连接装置仅允许在各层之间的非常小的热传导。

利用根据本发明的装置例如可实现具有C形框架的装置，该装置一方面成本低廉，并且，两个传感器之间的连接在很大程度上与环境的温度影响和由此产生的力作用脱开了关系。用于框架和传感器的可能需要的附加冷却能力可以保持在最低水平。就此而言，利用根据本发明的装置实现了用来使得周围条件对厚度测量的影响最小化的设计方案。

在下文中，解释性地总结根据本发明的装置的实施例的主要方面：

利用本发明，可以实现具有优选闭合的冷却回路的多级冷却方案。在例如将框架设计为C形框架的情况下，该冷却方案首先在于，将传感器的C形框架或连接框架与来自环境的温度影响脱开。为此，可以采取各种措施来减小环境温度(包括由热辐射引起的温度输入在内)对框架结构的影响。在下文中，例如从外向内介绍根据本发明的C形框架的一个实施例的结构：

在第一级中，可以说是安置辐射防护板材作为最外层。它由抛光/磨光的金属制成，例如钢或不锈钢，其具有低辐射系数，作为定向热辐射率的量度。由于根据基尔霍夫定律，定向的热辐射率等于吸收度，因此，具有低辐射系数或辐射率的材料会非常有效地反射入射的热辐射。

辐射防护板材悬挂在外壳上。该连接被设计成使得所使用的材料的不同的热膨胀例如通过连杆引导件来补偿。

在试行安装装置的情况下，板材的背向靶材的一侧的温度在不到十分钟的时间内升高了高达150℃。

第二级由辐射防护板材与位于其下方的外壳之间的气隙构成。空气具有绝缘性能，还可以用来传递热量。第一辐射防护层(辐射防护板材)没有被气密地密封，因此在第二阶段，热量通过对流排出。

第三级由外壳组成，该外壳又由抛光/磨光的金属例如辐射率低的钢或不锈钢制成。

该外壳几乎气密地对基本框架部件或基本C形框架予以包套，但仅在基本面——与直线轴的接口——处并在测量边腿的前部区域中与测量边腿机械地连接。在外壳覆盖传感器的位置处，外壳分别具有开口，从而不会有损于光学传感器的光路。为了产生气密性，用防热玻璃封闭开口。防热玻璃对于传感器的光辐射、例如激光辐射是可通透的，但是会阻挡位于红外线中的热辐射。由此可以实现，与辐射防护板材相比，在外壳或外壳板材内侧的温度波动仅为大约四分之一。

第四级也由在外壳和基本框架部件之间存在的气隙组成。在气隙内部，空气在有源的闭合冷却回路中循环。

实际的基本C形框架或基本框架部件形成了最后一级。该框架或基本框架部件包括在边腿端部上的传感器容纳部和在连接件内部的冷却调节器。框架或基本框架部件设计为被冷却回路的空气流过的空心体。

为了引导空气，封闭在外壳内部的空气通过风扇按以下方式循环：从位于基本框架部件中的连接件内部的风扇，空气经由冷却调节器，流经基本框架部件的边腿到达传感器。冷却调节器包含冷却介质和散热肋片，这些散热肋片负责从冷却空气到冷却介质的有效热传递。借助于冷却介质，例如经由外部风扇，将热量从基本框架部件向外部排放。由传感器，空气在基本框架部件的外侧和外壳之间流回到风扇。由此实现在基本框架部件上几乎不再出现温度波动。

通过上述措施，在厚度测量系统或装置的外部出现的高环境温度因此被非常有效地逐步降低到一定程度，以使得在基本框架部件上以及因此也在传感器的位置处存在适度的温度，所述温度首先处在传感器允许的温度范围内，其次，不影响测量。

然而，在测量设备或装置的横截面中由此所得到的阶梯状温度曲线导致，例如辐射防护板材具有明显高于外壳的温度。由于不同的膨胀，这导致辐射防护板材相对于外壳的相对位移。

为了避免机械应力，辐射防护板材和外壳仅通过几个点相互连接。这些点经过设计，从而不存在刚性连接。确切地说，这些点浮动地安置。因此，该设计实现了两层的不同的热膨胀。

同样的情况也适用于下一层，即外壳。外壳分为多个部段，这些部段分别用弹性膜片气密地连接。膜片可以吸收并补偿由于温度膨胀而出现的长度变化。立柱和传感器头之间的连接部段也浮动地安置，以便减小将在力引入基本框架部件中时的波动。

多级的冷却方案致使，只需要最小的冷却能力。利用辐射防护板材已经使所产生的辐射热的绝大部分离开外壳。此外，通过基于对流而产生的空气流来冷却防护板材的背面。

通过减少外壳和基本框架部件之间的机械连接，在构造上几乎抑制了从外壳到基本框架部件中的热传导。在此级中，通过空气冷却对外壳予以冷却，其中对于外壳很少需要施加冷却能力，因为外壳可以变热——实际上可以变热了高达40℃——而不会影响厚度测量。在此温度范围内，通过外壳的热辐射对基本框架部件的吸热率较低，因为无论辐射面、还是接收面都具有较低的辐射因数或辐射率。

在冷却调节器中冷却的空气直接在基本框架部件的内腔中流向传感器，从而无论基本框架部件还是传感器在工作期间几乎不再具有温度波动。

通过上述措施，在很大程度上消除了环境条件对厚度测量的影响。

剩下的最大的干扰因素是，分别在一个边腿内——在面对第二边腿或背向第二边腿的一侧上——不同的变热。在此，由于边腿的长度，几个1/10℃的范围内的差异足以产生重要的测量误差。为此，测量重要部位的温度，并确定对厚度测量的效果。在工作中，通过考虑一个校正值，几乎可以完全消除所产生的误差。

附图说明

有各种不同的可行方案用来以有利的方式设计和改进本发明的教导。对此，一方面参见后面的权利要求书，另一方面参见借助附图对根据本发明的装置的优选实施例的后续说明。结合借助附图对优选实施例的介绍，也通用地介绍该教导的优选设计和改进。在附图中：

图1以侧视图A和正视图B示出根据本发明的用于确定物体厚度的装置的一个实施例；

图2放大地示出根据图1的装置的上边腿的横剖视图；

图3放大地示出根据图1的装置的下边腿的横剖视图；和

图4以侧视图剖切地示出图1的装置。

具体实施方式

图1以侧视图A和正视图B示出根据本发明的装置1的一个实施例。C形框架2安置在直线轴3上，使得该框架能够相对于待测量的物体4例如钢幅面4横向地移动。由此横向于钢幅面4的运动方向记录测量轨迹。C形框架2由通过连接件7相互连接的上边腿5和下边腿6构成。在每个边腿5、6的外端部上各有一个光学的距离传感器8a、8b，例如激光轮廓传感器。上面的传感器8a朝向钢带或钢幅面4的顶面测量，下面的传感器8b朝向钢带或钢幅面4的底面测量。由两个测量值以及传感器8a、8b相互间的已知距离，可以确定钢带或钢幅面4的厚度。

图2示出C形框架2的上边腿5的横剖视图。在内部的基本框架部件9上固定着传感器8a。基本框架部件9的内部被冷却空气10流过，该冷却空气也流经传感器8a、8b并冷却这些传感器。基本框架部件9被外壳11包围。该外壳与基本框架部件9间隔开地布置，确切地说，只有少量点形的固定部(未示出)，从而尽量避免热桥。此外，冷却空气10在外壳11与基本框架部件9之间流动。

图3示出C形框架2的下边腿6的横剖视图，其中，下边腿6附加地设置有辐射防护板材12。该辐射防护板材12同样通过点式的间隔保持器13a、13b与外壳11连接。间隔保持器13a、13b浮动地设计，从而辐射防护板材12的因不同的热膨胀所致的运动不会传递到外壳11上。辐射防护板材12并非气密地封闭，从而借助于对流减小了辐射防护板材12与外壳11之间的空气层19的变热。

图4示出C形框架2的侧剖视图。在上边腿5与下边腿6之间的连接件7上安置了冷却调节器14。冷却调节器14具有用于与冷却空气10进行热交换的散热肋片15。在冷却调节器14中，冷却液体用于经由接头16向外排送热量。借助在C形框架2内部的风扇17，产生气流18a、18b。空气在基本框架部件9内部从冷却调节器14在上边腿5和下边腿6内流至传感器8a、8b。从那里起，冷却空气10然后在基本框架部件9与外壳11之间的中间腔内又流回到冷却调节器14，在这里，冷却空气10再次把吸收的热量排出。这样就在C形框架2内部产生了闭合的冷却回路。

采用根据本发明的装置的实施例，提供了特别是应用在热轧中的用于确定幅面状或板状物体4的厚度的装置，该装置由C形框架2构成，该框架带有上边腿5和下边腿6及连接件7，其中，至少在边腿5、6上设置了用于确定厚度的光学传感器8a、8b。为了消除对至少一个传感器8a、8b的温度影响，C形框架2的带有传感器8a、8b的边腿5、6多层地构造。

关于根据本发明的装置的其它有利的设计，为避免重复，参见说明书的通用部分以及所附的权利要求书。

最后要明确指出，前述实施例只用于介绍要求保护的教导，但该教导并不局限于该实施例。

附图标记列表

1 装置

2 C形框架

3 直线轴

4 物体、钢幅面

5 上边腿

6 下边腿

7 连接件

8a 传感器

8b 传感器

9 基本框架部件

10 冷却空气

11 外壳

12 辐射防护板材

13a 间隔保持器

13b 间隔保持器

14 冷却调节器

15 散热肋片

16 接头

17 风扇

18a 气流

18b 气流

19 空气层

Claims

1.一种用于确定物体(4)、特别是带状或板状物体(4)的厚度的装置，其优选应用在热轧工艺中，带有框架(2)，该框架具有至少一个边腿(5、6)，其中，所述至少一个边腿(5、6)具有用于无接触地测量相距所述物体(4)的距离的传感器(8a、8b)，其特征在于，为了减小对所述框架(2)和/或所述传感器(8a、8b)的温度影响，所述至少一个边腿(5、6)具有由多层构成的结构。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一层具有优选设计成空心体的基本框架部件(9)，或者由这种基本框架部件(9)构成。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感器(8a、8b)被指配给所述基本框架部件(9)，或者被设置在所述基本框架部件(9)中。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述基本框架部件(9)具有冷却机构，其中优选地，所述冷却机构被设置在所述基本框架部件(9)中或上，进一步优选地，被设置在所述基本框架部件(9)的连接件(7)中。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述冷却机构具有填充了冷却介质的冷却调节器(14)。

6.如权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述基本框架部件(9)能够被可预给定的流体、优选外界空气(10)流过。

7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，通过从所述冷却机构到所述传感器(8a、8b)的前向流动(18a)和从所述传感器(8a、8b)到所述冷却机构的返向流动来实现流体流。

8.如权利要求2至7中任一项所述的装置，其特征在于，第二层具有用于所述第一层的、优选基本封闭的外壳(11)，或者通过这种外壳(11)而形成，其中优选地，所述返向流动或所述前向流动在所述外壳(11)与所述基本框架部件(9)之间来实现。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述外壳(11)由优选借助弹性的膜片耦接的多个部段构成。

10.如权利要求2至9中任一项所述的装置，其特征在于，另一层具有用于所述第一或第二层的辐射防护机构(12)、优选辐射防护板材，或者由这种辐射防护机构构成。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述另一层优选通过引导件、特别是连杆引导件相对于所述第一层或者所述第二层可运动或可移动地安置在所述第一层或者所述第二层上。

12.如权利要求8至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述外壳(11)和/或所述辐射防护机构由优选抛光的和/或磨光的金属构成，该金属优选具有小的辐射率。

13.如权利要求2至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一层和/或所述第二层和/或所述另一层具有用于去往和/或来自所述物体(4)的传感器信号的通道，该通道优选用玻璃或防热玻璃封闭。

14.如权利要求2至13中任一项所述的装置，其特征在于，在所述第一层和所述第二层之间和/或在所述第二层和所述另一层之间形成能够让可预给定的流体、优选环境空气(10)流过的中间腔，用于产生流体层。

15.如权利要求2至14中任一项所述的装置，其特征在于，通过点式作用的连接装置，所述第一层与所述第二层或所述另一层耦接，和/或所述第二层与所述另一层耦接。