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Einrichtung zur Dickenmessung von durchlaufendem Walzgut Bei der
Herstellung von durchlaufendem Walzgut tritt oft die Forderung nach einer Dickenmeßeinrichtung
mit sehr hoher Ansprechgeschwindigkeit auf. So begegnet man beispielsweise bei der
Herstellung von Blechen in Kaltwalzwerken in unregelmäßigen Zeitabständen der Erscheinung,
daß die ganze Anlage in mechanische Schwingungen gerät, was sich in einer merklichen
periodischen Dickenänderung des gewalzten Gutes, welche bis zum Verhältnis 1 : 3
betragen kann,
auswirkt. Die Frequenzen dieser mechanischen Schwingungen
sind durch die Massen- und Federkräfte der jeweiligen Anlage gegeben und liegen
gewöhnlich im Bereich von 100 bis 200 Hz. Könnten diese Schwingungen bzw. die daraus
resultierende Diakenänderung des Gutes bereits im Entstehen angezeigt werden, so
wärme es möglich, durch geeignete Parameteränderung, z. B. der Bandgeschwindigkeit
oder des Walzendruckes, die Resonanzbedingung so rechtzeitig verlassen, daß sich
die Schwingung gar nicht erst nennenswert aufbaut und damit ein Ausschuß beim Fertigprodukt
vermieden wird. Die Ansprechzeitkonstanten der im Walzwerkbetrieb üblichen kontaktlosen
Dickenmeßgeräte, welche auf Messung der Durchstrahlungsintensität oder des magnetischen
Widerstandes des Bleches beruhen, bewegen sich in der Größenordnung von 50 bis 200
Millisekunden und sind für den vorgenannten Zweck zu träge.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, eine schnell ansprechende Einrichtung
zur kontaktlosen Dickenmessung von durchlaufendem Walzgut zu schaffen. Das Kennzeichen
der Erfindung besteht darin, daß das Walzgut zwischen einem magnetische Wechsel
felder erzeugenden Sende und einem Empfänger geführt ist. Grundgedanke der Erfindung
ist es also, zur Dickenmessung die Schirmdämpfung von metallischen Körpern gegenüber
einem magnetischen Wechselfeld auszunutzen, welche bekanntlich in exponentieller
Abhängigkeit von der Dicke des Schirmmaterials steht. Die Ansprechgeschwindigkeit
der Meßeinrichtung kann dabei durch entsprechend hohe Senderfrequenz beliebig groß
gemacht werden.
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Zur rechtzeitigen Erfassung einer Dickenabweichung als Folge der vorgenannten
mechanischen Schwingungen ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmäßig,
wenn die Sendefrequenz mindestens eine Größenordnung, d.h. mindestens um den Faktor
10 höher als die mechanische Resonanzfrequenz des Walzenantriebes gewählt ist.
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Damit die Antenne des Empfängers möglichst nur von dem durch das Walzgut
hindurchtretenden Anteil des magnetischen Wechselfeldes beaufschlagt wird, ist es
nach einem anderen Merkmal der Erfindung zweckmäßig, die Empfangsantenne dem Walzgut
möglichst dicht benachbart anzuordnen und sie im übrigen allseits von einem metallischen
Schirmgehäuse zu umgeben. Durch entsprechende Wahl des magnetischen und des elektrischen
LeitwerteE sowie der Abmessungen dieses Gehäuses kann erreicht werden, da# dessen
@ampfung wesentlich grauer ist als de des ;/alzgutes.
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Steht weniger die Ivlessung der absoluten Dicke bzw. deren Abwelchchung
von eiem Rormwert, sondern die Messung von periodischen Dickenänderungen im Vordergrund,
dann ist es zur Reibehaltung eines günstigen Arbeitspunktes bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung zweckmäßig, den Gleichatrommittelwert der Amplitudendemodulatorausgangsspannung
über einen Regler die Amplitud« der Senderausgangsgröße beeinflussen zu lassen.
Zweckmäßig ist es dabei, dem Regler ein Integralverhalten zu verleihen, wodurch
dann einerseits ohne zusätzliche Einrichtungen der Mittelwert der Amplitudendemodulatorausgangsspannung
zur Wirkung gelangt und außerdem der vorgegebene Arbeitspunkt stets exakt erreicht
wird.
Sollte bei dieser Arbeitspunktkorrektur eine so große Verstellung der Amplitude
erforderlich werden, welche entweder vom Regler oder von dem Sender nicht mehr bewältigt
werden kann, dann kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ein zweiter eingangsseitig
parallel beaufschlagter Regler zum Einsatz gebracht werden zur zusätzlichen Verstellung
der Frequenz der Senderausgangsgröße, was in einfacher Weise entweder mittels eines
von diesem Regler beaufschlagten Servomotors erfolgen kann, welcher mit einem die
Frequenz des Senders bestimmenden'Drehkondensator gekuppelt ist oder unter ausschließlicher
Verwendung von ruhenden Mitteln durch ein die Frequenz des Senders bestimmendes
Variometer, welches von der Ausgangsgröße des Reglers beaufschlagt ist.
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Die Erfindung mit ihren Ausgestaltungen sei im folgenden anhand der
Figuren naher veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße eßeinrichtung
bei einem Kaltwalzband 1 der Dicke d, welches in der angegebenen Pfeilrichtung'mit
der Geschwindigkeit v zwischen einer Sendeeinrichtung 2 und einer Empfangseinrichtung
3 durchlaufen möge.
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Die Sendeeinrichtung besteht im einzelnen aus einem Hochfrequenzgenerator
4, beispielsweise in Form eines LC-Oszillators oder eines anderen bekannten Oszillators,
welcher eine sinus- oder rechteckförmige Wechselspannung Ug mit konstanter, von
seiner Speise- oder Steurspannung Ub abhängiger Amplitude und konstanter Frequenz
f eræeug-t, die den Anschlüssen 5 und 6 einer auf ein U-förmiges Magnetjoch 7 gewickelten
Spule 8
zugeführt wird. Die Jochenden sind dabei dem Band 1 möglichst
dicht benachbart angeordnet. Auf der anderen Seite des Blechbandes 1 befindet sich
die Antenne der Empfängereinrichtung 3 in Form einer Luftspule'9, welche ebenfalls
möglichst dicht dem Blechband 1 benachbart angeordnet und an ihren übrigen Seiten
von einem metallischen Schirmgehäuse 10 umschlossen ist. Über Durchführungen ist
die Luftspule mit den Eingangsklemmen 11 und 12 eines Wechselstromverstärkers 13
verbunden. Die Außgangswechselspannung des Verstärkers 13, deren Frequenz gleich
der Sendefrequenz f des Generators ist und deren Amplitude entsprechend der Dicke
d des Bleches 1 mehr oder weniger gedämpft ist, wird in einem Amplitudendemodulator
14 gleichgerichtet und als Meßergebnis den Klemmen 15 und 16 zugeführt. Zur Glättung
dieser Meßspannung können in an sich bekannter Weise auf~die Sendefrequenz f abgestimmte
RC-Kombinationen vorgesehen werden, auf deren Darstellung jedoch verzichtet wurde.
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Tn Fig. 2a ist der zeitliche Verlauf der Dickenschwankungen des BLechbandes
1 wiedergegeben. Die von dem Sender 2 auf den Empfänger abgestrahlte magnetische
Feldstärke erfährt infolge des bekannten Skineffektes eine exponentiell von der
Dicke d des Bleches 1 abhängige Dämpfung, so daß sich entsprechend Fig. 2b eine
entsprechende Amplitudendemodulation bei der an den Klemmen 11 und 12 meßbaren Trägerfrequenzspannung
Ue ergibt. Diese exponentielle Abhängigke.it kommt dadurch zum Vorschein, daß. sich
bei einer Verringerung der BLechdicke die Amplitude der Spannung Ue mehr vergrößer,
ala ie sich verkleinert bei einer gleich großen Verminderung
der
Blechdicke. In Fig. 2c ist die - gegebenenfails geglättete - Ausgangsspannung Ua
des Amplitudendemodulators 14 gezeigt, die der Hüllkurve der in Fig. 2b dargestellten
amplitudenmodulierten Trägerfrequenzspannung Ue entspricht. Wie aus den Fig. 2a
bis 2c ersichtlich ist, wird bei entsprechend hoher Wahl der Trägerfrequenz f, d.h.
bei kleiner Periodendauer 1/f der Generatorspannung Ug und damit Ue das Gleichstromsignal
Ua jeder Dickenänderung sofort folgen.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches besonders
zur Erfassung von periodischen Dickenänderungen geeignet und bei dem eine selbsttätige
Regelung zur Beibehaltung eines günstigen Arbeitspunktes bei Änderungen des Absolutwertes
der mittleren Dicke vorgesehen ist. Für Elemente gleicher Wirkungsweise sind die
entsprechenden Bezugszeichen aus Fig. 1 beibehalten worden. Die Ausgangsspannung
Ua an den Klemmen 15 und 16 ist außer einem Anzeigegerat 17 noch als Istwert einem
lRebelverstärker mit Integralverhalten 18 zugeführt, in dessem Eingangskreis als
Sollwert eine einstellbar konstante Spannung U* wirkt.
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Der Xegelverstärker ld ist mit einem Leistungsverstärker 19 verbunden,
welcher die @ Steuerspannun. Ub für den ffochfrequenzgenerator 4 liefert. Da die
Amplitude der Ausgangsspannung Ug des Generators 4 abhängig von einer Betriebsspannung
Ub gemacht ist, der Mittelwert der Ausgangsspannung Ua aber direkt proportional
der Generatorspannung U ist, wird erreicht, daß die Ausgangsg größe des Regelverstärkers
18 die Betriebsapannung des Generators solange verstellt, bis der Mittelwert der
Ausgangsspannung Ua
dem vorgegebenen Sollwert U* entspricht, der
damit den Arbeitspunkt der Me#einrichtung festlegt.
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Bei sehr großen Änderungen des ki ttelwertes der Dickenänderungen
oder Ver@ 1 einerung kann es vorkommen, daß eine weitere Vergrö#erung der Betriebsspannung
des Generators nicht mehr zulässig ist. Für diesen Fall kann mittels eines Schwellwertgliedes
20, welches mit der Betriebsspannung des Generators 4 beaufschlage ist, mit der
Wirkverbindung 21 eine weitere Regeleinrichtung, bestehend aus einem. proportional
arbeitenden Regelverstärker 22 und einem Stellmotor 23, zur Wirkun gebra@ t werden,wodurch
dann zusätzlich mittels eines die Generatorfrequenz f bestimusenden Drehkondensators
24 eine Frequenzverstellung im Sinne des gewünschten Regel zieles vorgenommen wird.
Anstelle des in Fig. 3 dargestellten Stellgliedes in Form des Servomotors 23 und
Drehkondensators 24 könnte auch in rein kontaktloser Ausführung ein von der Ausgangsspannung
des Regelverstärkers 21 gespeistes Variometer verwendet werden, welche in dem frequenzbestimmenden
Kreis des Osziliators 4 angeordnet ist. Variometer beruhen aur dem Prinzip der gleichstromvormagnetisierten
Drosseln Ünd gestatten durch Änderung ihres Steuergleichstromes eine entsprechend
Veränderung ihrer wirksamen Induktivität herbeizuführen.
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Zweckmäßig bei der letztgenannten Ausführungsform des Frequenzregelkreises
ist es, wenn auch dem Regel verstärker 21 dann ein integrales Verhalten verliehen
wird, sofern der Frequenzregelkreis ileses n@@ht ohnehin @@hon aufweist.
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Fig. 4 dient zur Erläuterung des Prinzips der Arbeitspunktjustierung.
Tn
Ordinatenrichtung ist der Mittelwert r der !iplitudena demodulatorausgangsspannung
in Abszi@senri htun@ die Blechdicke~d aufgetragen. Infolge der durch den Skineffekt
bedingten, exponentiell mit der Blechdicke abfallenden Amplitude der magnetischen
Feldstärke an der dem Sender abgewandten Seite des Bleches ergibt sich ein entsprechender
Verlauf für die Amplitude der Empfängerspannung Ue und damit auch für den Mittelwert
der Spannung Ua. Den Verläufen entsprechend den Kurven a und b liegen bei konstanter
Frequenz und unveränderten geometrischen Verhältnissen verschiedene Amplitudenwerte
der Generatorspannung zugrunde, während bei dem Verlauf nach Kurve c die Amplitude
beibehalten wurde, jedoch die Frequenz f gegenüber dem Verlauf nach Fig. b verkleinert
wurde. Die Kurven a - c machen deutlich, daß es grundsätzlich sowohl durch Vergrößerung
der Amplitude der Generatorspannung g als auch durch entsprechende Verringerung
der Generatorfrequenz f möglich ist, bei zunehmender mittlerer Dicke einen konstanten
mittleren Wert der Me#spannung Ua zu erhalten.
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Wiit der in Pig, 3 dargestellten Regeleinrichtung wird also im Diagramm
der Fig. 4 der Arbeitspunkt stets auf der mit S bezeiehneten, im Abstand U* parallel
zur Abszissenachse verlaufenden Geraden zu liegen kommen als Schnittpunkt dieser
Parallelen mit den jeweils durch die Regleraussteuerung festgelegten Kennlinien,
wie das in Fig. 4 am Beispiel der Arbeitspunkte 25, 26 und 27 dargestellt ist. Durch
entsprechend große Wahl des Sollwertes ,IJ wird man zweckmä#igerweise danach trachten,
den Arbeitspunkt möglichst in den steileren Teil der exponentiellen Kennlinien ou
verlegen, um eine große Empfindlichkeit der Me#einrichtung zu gewährleisten. Wird
lediglich die Amplitude der Generatorspannung
geändert, wie dies
bei den Kennlinien a und b der Fall ist, dann erhält man für jeden im Zuge der Regelung
eingestellten Arbeitspunkt 25, 26 dieselbe Empfindlichkeit, was sich im Diagramm
der Figur darin zeigt, daß die Kennlinien a und b die Gerade n unter dem gleichen
Winkel @ schneiden. Bei Erniedrigung der Frequenz hingegen ergibt sich im eingestel-teh
Arbe~itspunkt 27 eine etwas verminderte Kennliniensteilheit entsprechend dem Sinkel
d.h. eine geringere Ansprechempfindlichkeit, weshalb man zweckmäßigerweise den Arbeitspunkt
vorzugsweise zunächst mittels einer reinen Amplitudensteuerung einzuhalten bestrebt
sein wird. In jedem Falle wird jedoch erreicht, daß der Empfänger unabhängig von
den Änderungen des Dickenmittelwertes oder der Materialeigenschaften des Bandes
stets im günstigsten Bereich arbeiten kann und deshalb über einen relativ großen
Blechstärkebereich stets eine sichere Aussage über schnelle Dickenänderungen möglich
ist.
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4 Figuren 10 Patentansprüche