CN1247958C - 在管材轧机中测量管壁厚的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在管材轧机中测量管(1)的壁厚(D)的装置，所述装置具有一个激光-超声波测量装置的测量头，在该测量头中设有一个激发激光器(3)、一个照射激光器(4)和一个用于接收由管表面反射到该测量头(2)的光的会聚光学元件(5)，在该测量头(2)上设有发出集束光线的并且被固定在该测量头(2)的不同位置上的至少两个光源(6，7，8)，其特征在于，所述至少两个光源(6，7，8)以下述方式被固定在该测量头(2)上并被调准方向，即当所述管(1)与所述测量头(2)间隔一段预定距离(a)时，所述光源的所述集束光线在所述管(1)的表面上相交。

Description

在管材轧机中测量管壁厚的装置

技术领域

本发明涉及在管材轧机中测量管壁厚的装置，该装置具有激光超声波测量装置的测量头，在该测量装置内设有激发激光器、照射激光器和用于聚集从管表面反射到测量头中的会聚光学元件。

背景技术

在许多技术领域都要用到钢管，它们例如可以通过这样的方法来生产，其中，在斜轧机中并在使用一个轴向固定的穿孔芯棒的情况下将圆柱形原料加工成荒管。为了将圆柱形原料加工成无缝管，通过芯棒来轧制原料。例如，EP 0 940 193 A2中公开了这种方法。

在无缝钢管的张力减径轧制和减径及定径轧制过程中，待加工的管材经过一个轧机机列，在该机列中，在管材输送方向上前后布置有多个轧机机架。在每个轧机机架中安置有多个轧辊，它们在轧制过程中分别接触管子的一截规定的周面部分。总而言之，在每个轧机机架中有多个(如3个)轧辊配合工作，从而管子基本上在其整个周面上与轧辊接触。因而，管被轧制到更小的直径并且同时得到精确形状。

在完成轧制后，管应具有理想的形状，即外周面的圆柱面轮廓和内周面的圆柱面轮廓应形成两个同心圆。实际上，成品管总有公差，因此内周面的圆形轮廓相对外周面的圆形轮廓存有一定的偏心度。

对管材生产很重要的质量参数就是管壁厚，在管材生产过程中对该参数进行测量和监控。为测定管壁厚度，知道了超声波测量法。根据脉冲回声原理的超声波厚度测量法是通过测量超声波脉冲的传播时间来确定管壁厚。

此外，例如美国专利US 5137361以及WO 00/63641描述了这样一种装置，它使用了一个激发激光器，该激光器将超声波脉冲引入管表面中，所述超声波脉冲向管内传播并在内壁上反射。通过将一个照射激光器对准管壁表面，就可以在外壁上测量到返回外壁面的信号。该反射信号被送往一干涉仪，在这里，使用的是一台共焦的Fabry-Pérot干涉仪。一个分析处理装置确定在所输入的超声波信号和所反射的超声波信号之间的时差，在已知声波在管中传播速度的情况下，由此可以算出壁厚值。

为在管材轧机中的较粗糙的环境条件中精确且稳定地测量壁厚，必须使激光-超声波测量装置在最佳工况上工作，其前提条件就是，激发激光器发出的光束与照射激光器发出的光束在一规定位置相遇。但首先必须尽可能精确地保持测量件(管)与测量头之间的距离。

此外，事实表明，在上述环境条件下保证最佳工作状态通常只能很困难地实现。特别是在轧机环境中，很难精确调节激光-超声波测量装置，这只能通过装置的有规律控制来实现。此外，激光-超声波测量装置的测量头到管表面的距离要保持在理想的预定值下，以确保管表面所反射的激光光线最佳地耦合输入到测量装置中。

发明内容

因此，本发明的任务是如此完善上述类型的装置，即在克服上述困难的情况下能确保激光-超声波测量装置的最佳工况。因此，尤其在管材轧机中有很粗糙的环境条件下，可以简单地将激光-超声波测量装置的测量头距管表面的距离调节到理想值并保持该值。

根据本发明，提供一种在管材轧机中测量管壁厚的装置，所述装置具有激光-超声波测量装置的测量头，在该测量头中设有激发激光器、照射激光器和用于接收由管表面反射到该测量头的光的会聚光学元件，在该测量头上设有发出集束光线的并且被固定在该测量头的不同位置上的至少两个光源，其特征在于，所述至少两个光源以下述方式被固定在该测量头上并被调准方向，即当所述管与所述测量头间隔一段预定距离时，所述光源的所述集束光线在所述管的表面上相交。通过这种实施形式，可以特别简单并且快速地检查测量头距管表面的距离是否合适。如有必要，重新调节测量头与管材之间的距离。这样，可以简单地确保激光-超声波测量装置在粗糙的轧机环境条件下具有最佳工况，这提高了轧机生产能力和成品管质量。

一个改进方案规定，三个光源被固定在测量头的不同位置上。

这些光源有利地发出人眼可视光线。这些光源最好发出不同颜色的光线。

作为允许特别好地聚焦的光，首选激光。因此，根据一个进一步的改进方案，光源被设计成激光器的形式。这样，当使用激光器时，能这样轻松地满足安全性要求，即激光器发出功率较小的并且人眼可轻松适应的光线，即不危害健康的光线。因此，尤其是想到使用这样的激光，即等级属于I级或II级的激光。

为了能够通过特别简单的方式来调整在测量头与管表面之间距离的正确设定，还可考虑测量头被布置成能沿管表面的法线方向移动。为此，最好设置运动装置，特别是带有步进电动机的线性致动器，它可使测量头沿管表面的法线方向移动。

通过所建议的措施，提供一种激光-超声波测量装置，通过该测量，可以特别简单地将该装置调整到最佳工况，确切地说，可以调整测量头与管之间的距离。这种简单调整的优点主要是在管材轧机的较粗糙的环境条件下也发挥作用。这种装置能简单地构成并因而廉价地实现。

附图说明

在附图中示出了本发明的一个实施例，附图所示为：

图1是一个激光-超声波测量装置的测量头的截面示意图；

图2以三维示意图表示处于正确间距下的管和激光-超声波测量装置的测量头；

图3是与图2相似的视图，其中管和测量头之间距离太小；

图4是与图2相似的视图，其中管和测量头之间距离过大。

具体实施方式

首先，参照图1来描述借助激光-超声波方法并使用干涉仪来测量管1壁厚D的原理，在这里，最好使用的是Fabry-Pérot干涉仪。

应测量一个在箭头方向上移动的轧制管1的壁厚D。使用一台基于典型的超声波行程时间测量原理的激光-超声波壁厚测量装置。在已知在管1的材料中的超声波速度的情况下，从超声波脉冲两次穿过管1壁所用的时间中得到所求壁厚D。在温度约为1000℃范围的热壁厚测量中，超声波耦合不仅在激发侧而且在检测侧都要求无接触的视觉方法，其中，激光-超声波壁厚测量装置的测量头2本身可以与管1保持一段不会造成热损伤的距离地移动。在这里，在工作中的该典型距离约为160mm；必须尽可能精确地保持该距离，以便能不仅最佳地激发在管中的超声波振动，而且最佳地截住由管表面反射的光线并能够分析信号。

红外区的高能光脉冲在管表面上被吸收。该光脉冲由一个对准管壁的闪光灯抽运激光器Nd:YAG-Laser3(激发激光器)产生，当脉冲周期小于10ns时，其波长可以为1.064nm。由激光器3施加到管表面沙锅内的并被管壁吸收的能量部分地导致了很薄的表面层的蒸发(产生纳米级材料烧蚀现象)。由于动量守恒，蒸发脉冲在管1中造成一个超声波脉冲，该超声波脉冲垂直于管表面地传入管壁。这种超声波脉冲在管内表面上反射并返会管外表面并又反射，等等，从而在管壁中出现了一个振幅递减的超声波回声序列。

反射的超声波脉冲在外管壁面上产生振动(亚微级)，第二激光器4(照射激光器)在利用多普勒效应无接触地测量该振动。该激光器4可以是连续波激光器(CW-Laser)，即一个频率加倍的二极管抽运Nd:YAG激光器，它以532nm波长工作并对准激发点。比光频率低的超声波振动导致对在材料表面上的光的频率的调制。

反射光锥即超声波信号载体通过一个光强会聚光学元件5(透镜，物镜)和一个光波导10被送往一台可视分析仪即一台解调器，在这里，尤其是使用了一个共焦的Fabry-Pérot干涉仪(FPI，未示出)，其原始信号已经包含了超声波回声序列。

超声波回声序列的进一步放大、滤波和信号分析处理可以利用一台常见的电子超声波分析处理装置来完成。该分析处理装置的原始信号就是管1壁厚D，它由声音速度和测量时间间隔之积求出。

在Fabry-Pérot干涉仪中，分析由光波导10输入的光。因共振关系，根据光的频率而得到一个类型已知的光强分布，该光强分布具有对Fabry-Pérot干涉仪来说是典型的峰值。

光波导10具有一个有限的数值孔径。由于为了能够从会聚光学元件5中将足够多的光信号耦合输入光波导10中，必须尽可能准确地使耦合输入所需的光纤耦合器对准会聚光学元件5，从而光纤耦合器11的耦合输入点精确地位于会聚光学元件的焦点上。

为了不仅通过激发激光器3最佳地激发在管1中的超声波振动，而且为了尽可能最佳地截获管壁面所反射的光线(通过照射激光器4、一转向镜12和会聚光学元件5)，在管1的法线N方向上的测量头2与管1之间的距离a必须尽可能精确地等于一个预定值，该值由激光器3、4的布置结构得到，如容易从图1中看到的那样，在该图中，示出了在测量头2和管1之间的正确距离a。为了能够检查该距离a是否正确，三个光源6、7、8位置被校准地被固定安置在测量头2上，它们发出一道清晰聚焦的光线，就是说，采用了功率输出小的激光器，它发射出对人眼无害的光线。在图1中，只示出了两个激光器6、7，但如从图2-图4中看到地，在测量头2上共装有三个激光器6、7、8。这三个激光器光源6、7、8发出颜色不同的光。

为了检查在管1表面和测量头2之间的正确距离a，采取以下措施：在激光器3、4断开的情况下(见图1)，接通三个激光器光源6、7、8。这三个光源6、7、8被如此固定在测量头2上，即由这三个激光器6、7、8发出的三道聚焦光束13、14、15精确地在这样的的交点上会合，即当管1为测量壁厚D而经过测量头2时，管1表面必须在该交点上。如果是这样的情况，在测量头2和管1之间就精确地存在正确距离a。

在图2中示出了其中存在这样的情况的状态，即这三个激光器光源6、7、8在管表面上产生唯一的照射点P，这指明了距离a是正确的。

在图3中看到，在这里，测量头2和管1之间的距离a′太小。不是在点O处相交地(点O是对准测量头2的表面法线N与管表面的交点)，这三个激光器光源6、7、8在管表面的三个不同点上Q、R、S成像，这简单地表明了，距离a′不等于正确的距离a。

在图4所示的情况下得到了相同的图像。在这里，在测量头2和管1之间的距离a″太大，即大于正确距离a。在这里，这三个激光器光源6、7、8在管面的三个不同点Q、R、S上留下印迹，而不是在点0上相交。

测量头2如此布置在只示意画出的运动装置9(见图1)上，即它可以相对管1在法线方向N上移动(见图1的双箭头)。在这里，最好采用一个带步进电机的电动驱动装置，它能够改变敏锐地改变距离a。

如果存在如图3、4所示的情况(不正确的距离a′或a″)，则可以通过观察这三个激光器6、7、8的图象点Q、R、S并同时操纵运动装置9来促使测量头2一直相对管1移动，直到这三个点Q、R、S位于点0上并由此达到图2所示状态。

如果测量头2和管1之间的距离a太小(见图3)，则增大距离a地使这三个点Q、R、S靠拢，以便最终在正确的距离a下会聚在点0上。在相反的情况下(见图4)，缩小距离a地使这三个点Q、R、S靠拢。使用三个发出不同颜色光的激光器6、7、8能够让人更容易识别出，在测量头2和管1之间是否存在着太大或太小的距离。

按照所需的预定时间间隔，可以重新检查是否出现了对应于图2所示图象的图象。所建议的装置的优点是，可以很快速和简单地实现对测量头2和管1之间距离a的上述检查。

因此，该激光-超声波壁厚测量装置可以简单并进而成本低廉地保持在其最佳工况下，这积极地影响了壁厚测量质量并由此也积极地影响了整个管材轧制加工过程。

附图标记一览表

1    管

2    测量头

3    激发激光器

4    照明激光器

5    会聚光学元件(透镜，物镜)

6    光源(激光器)

7    光源(激光器)

8    光源(激光器)

9    运动装置

10   光波导

11   光纤耦合器

12   转向镜

13   光束

14   光束

15   光束

D    管壁厚

a    距离

a’      太短距离

a”      太长距离

N    法线

P    交点

O    管表面上的点

Q    管表面的点

R    管表面上的点

S    管表面上的点

Claims (10)

1、在管材轧机中测量管(1)的壁厚(D)的装置，所述装置具有激光-超声波测量装置的测量头，在该测量头中设有激发激光器(3)、照射激光器(4)和用于接收由管表面反射到该测量头(2)的光的会聚光学元件(5)，在该测量头(2)上设有发出集束光线的并且被固定在该测量头(2)的不同位置上的至少两个光源(6，7，8)，其特征在于，所述至少两个光源(6，7，8)以下述方式被固定在该测量头(2)上并被调准方向，即当所述管(1)与所述测量头(2)间隔一段预定距离(a)时，所述光源的所述集束光线在所述管(1)的表面上相交。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，三个所述光源(6，7，8)被固定在该测量头(2)上。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，这些光源(6，7，8)发出一道人眼可看到的光线。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，这些光源(6，7，8)发出颜色不同的光线。

5、如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，以激光器作为这些光源(6，7，8)。

6、如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述测量头(2)以下述方式设置，即所述测量头能在所述管(1)的表面的法线(N)方向上移动。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量头(2)以下述方式设置，即所述测量头能在所述管(1)的表面的法线(N)方向上移动。

8、如权利要求6所述的装置，其特征在于，设有运动装置(9)，利用该运动装置来实现所述测量头(2)的在所述管(1)表面的法线(N)方向上的移动。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，设有运动装置(9)，利用该运动装置来实现所述测量头(2)的在所述管(1)表面的法线(N)方向上的移动。

10、如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述运动装置(9)是带有步进电动机的线性致动装置。

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