DE19707691A1

DE19707691A1 - Verfahren und Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband

Info

Publication number: DE19707691A1
Application number: DE1997107691
Authority: DE
Inventors: Andre Dipl Ing Berghs; Joachim Dipl Phys Dr Baumann; Martin Dipl Phys Dr Beyfus; Felix Dipl Phys Dr Tuerk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 1998-08-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur zur Messung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen ei nem Walzgerüst und einem Haspel.

Beim Walzen von Metallbändern, insbesondere beim Kaltwalzen, muß die Zugspannungsverteilung im Blechband entlang der Me tallbreite on-line bestimmt, d. h. in der Regel gemessen wer den, denn die Zugspannungsverteilung ist die entscheidende Größe für die Regelung der Planheit des Metallbandes.

Es ist z. B. bekannt, das Metallband über eine sogenannte Meß rolle, d. h. eine segmentierte Umlenkrolle, zu führen, die in Abständen von ca. 2-5 cm piezoelektrische Drucksensoren auf weist. Der Druck auf die Sensoren ist dabei ein Maß für die Zugspannungsverteilung. Das Verfahren ist berührend - kann daher Eindrücke im Metall hinterlassen - und ist zudem ver schleißbehaftet und somit wartungsintensiv.

Ferner ist aus der DE-OS 26 17 958 eine Einrichtung zur Mes sung der Zugspannung eines Metallbandes bekannt, wobei mit tels Elektrohämmer Schwingungswellen im Metallband erzeugt werden, deren Ausbreitung gemessen wird. Auch dieses Verfah ren ist mit oben genannten Nachteilen behaftet.

Weiterhin ist es aus der DE-PS 31 30 572 bekannt, die Messung der Zugspannung eines Metallbandes mittels Ultraschall zu messen. Dazu wird dem Metallband mittels Ultraschall eine Schwingung aufgeprägt, und deren Ausbreitung gemessen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Verfahren aufgrund der gerin gen Energieübertragung durch Ultraschall nur in Ausnahmefäl len, insbesondere bei besonders dünnen Blechen, geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Ein richtung zur Vermeidung oben bezeichneter Nachteile anzuge ben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst. Dabei wird mittels eines elektromagnetischen Feldes eine Kraft auf das Metallband ausgeübt, das eine Auslenkung des Metallbandes bewirkt, wobei die Auslenkung des Metallbandes gemessen und zur Berechnung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes verwendet wird. Dabei wird für eine Bestimmung der Zugspannungsverteilung vorteilhafterweise mittels des elektromagnetischen Feldes eine Kraft auf das Me tallband über seine Breite ausgeübt, die eine entsprechende Auslenkung des Metallbandes über seine Breite bewirkt. Dieses Verfahren ermöglicht zum einen eine Messung der Zugspannung bzw. Zugspannungsverteilung ohne Beschädigung des Metallban des, und liefert zum anderen ein besonders starkes und präzi ses Meßsignal, das eine besonders genaue Bestimmung der Zugs pannung bzw. Zugspannungsverteilung im Metallband erlaubt. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber einer Meßrolle deutlich einfacher und ko stengünstiger ist. Dies gilt insbesondere bei warmen oder heißen Metallbändern, bei denen Erwärmungsprobleme an den Meßrollen auftreten. Diesen Nachteil vermeidet das erfin dungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zu dem verschleißfrei, so daß sich insbesondere gegenüber dem auf Meßrollen basierenden Verfahren zur Bestimmung der Zugs pannung bzw. Zugspannungsverteilung ein weiterer deutlicher Kostenvorteil in bezug auf Betriebskosten ergibt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes, insbesondere mit einer Frequenz von 1 bis 200 Hz, eine periodische Kraft auf das Metallband ausgeübt, die eine periodische Auslenkung des Metallbandes, d. h. eine Biegewelle im Metallband, be wirkt. Eine periodische Auslenkung hat sich gegenüber einer statischen Auslenkung als besonders vorteilhaft in bezug auf die Präzision der Messung erwiesen. Dabei kann vorteilhafter weise die sogenannte Lock-In-Technik eingesetzt werden, die eine weitestgehende Störsignalunterdrückung und somit eine hohe Meßpräzision ermöglicht.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist das elektroma gnetische Wechselfeld eine Frequenz zwischen 40 und 60 Hz, insbesondere von 50 Hz oder 60 Hz, auf. Dieser Frequenzbe reich hat sich als besonders geeignet erwiesen, wobei durch Verwendung der Frequenz des die Meßeinrichtung speisenden Energieversorgungsnetzes, also 50 oder 60 Hz, der konstrukti ve Aufwand einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung verringert wird, da ein Frequenzumrichter eingespart werden kann.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die durch ein elektromagnetisches Wechselfeld im Metallband erzeugte Biegewelle in einem bestimmten Abstand von der Erre gung der Biegewelle durch ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld derart gedämpft, daß Überlagerungen mit reflek tierten Biegewellen vermieden bzw. weitestgehend vermieden werden. Auf diese Weise läßt sich die Präzision der Messung weiter erhöhen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das elektromagnetische Feld bzw. das elektromagnetische Wech selfeld, mittels dessen die Biegewelle erzeugt wird, derart geregelt, daß die Auslenkung des Metallbandes bzw. die Ampli tude der Biegewelle über die Breite des Metallbandes konstant ist, wobei aus der Stärke des elektromagnetischen Feldes bzw. der Amplitude des elektromagnetischen Wechselfeldes die Zugs pannung bzw. Zugspannungsverteilung über die Breite des Me tallbandes berechnet wird. Das elektromagnetische Wechselfeld wird also derart eingestellt, daß sich eine Biegewelle aus bildet, die über die Breite des Metallbandes eine konstante Amplitude D aufweist. Ist die Biegewellenamplitude über die Breite des Metallbandes nicht konstant, so muß die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes über die Breite des Metallban des so angepaßt werden, daß die Biegewelle über die Breite des Metallbandes eine konstante Amplitude D besitzt. Dadurch bildet letztendlich die Regelverstärkung des Reglers, der die Amplitude der Biegewelle auf einen konstanten Wert regelt, ein Maß für die Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit der Ba sisfrequenz f_B Wirbelströme im Metallband erzeugt. Die Ampli tude der Schwingung mit der Basisfrequenz f_B wird zusätzlich mit einer Frequenz f_M moduliert. Auf diese Weise ist das er findungsgemäße Verfahren auch für nicht-ferromagnetische Me talle einsetzbar. Dabei hat sich der Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz für die Basisfrequenz f_B besonders bewährt.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens,

Fig. 2 die Anordnung eines Elektromagneten,

Fig. 3 ein amplitudenmoduliertes Signal.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungs gemäßen Verfahrens. Dabei läuft ein Metallband 1 in Richtung des mit Bezugszeichen 3 bezeichneten Pfeils aus einem Walzge rüst 2 aus und wird auf einen Haspel 4 aufgehaspelt. Anstelle des Haspels kann sich dort auch eine Umlenkrolle befinden.

Bei dem erfindungsgemäßen berührungslosen Meßverfahren werden durch Einkopplung elektromagnetischer Kräfte mit Hilfe von Elektromagneten 5, die in einem Abstand von ca. 5 mm vom Me tallband in Form einer Aktorzeile angeordnet sind, Biege schwingungen bzw. -wellen mit einer Frequenz von z. B. 100 Hz im Metallband erzeugt. Mit induktiven Abstandssensoren 6, die in einem Abstand von ca. 5 mm vom Metallband in Form einer Sensorzeile angeordnet werden, wird die Amplitude der Biege welle entlang der Metallbreite gemessen. Breitet sich die Biegewelle ungedämpft aus, so führt die Überlagerung der z. B. am Walzspalt reflektierten Welle zu komplexen Schwingungsmu stern, die, wie sich gezeigt hat, die Messung in einem nicht unerheblichen Maße beeinträchtigen. Um diese unerwünschten Reflexionen zu vermeiden, wird die Welle nach einer kurzen Laufstrecke wieder gedämpft. Diese Dämpfung wird durch Ein kopplung (nach Phase und Amplitude) genau abgestimmter Kräfte mit Hilfe zusätzlicher Elektromagneten 7, 8 erreicht. Durch Realisierung dieser Bedingungen ist die Verteilung der Schwingungsamplituden längs der Metallbreite ein eindeutiges Maß für die Verteilung der Zugspannungen im Metallband. Die Elektromagnete 5, die Abstandssensoren 6 sowie die zusätzli chen Elektromagneten 7, 8 sind über eine Datenleitung 13 da tentechnisch mit einem Automatisierungsgerät 12 verbunden. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung der Datenleitung 13 als Bussystem ist auch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwi schen Automatisierungsgerät und Aktoren bzw. Sensoren mög lich. Das Automatisierungsgerät 12 regelt die zusätzlichen Elektromagneten 7 und 8, so daß die Biegewelle gedämpft wird. Es wertet ferner die Meßwerte der Abstandssensoren 6 aus. Wird in vorteilhafter Weise über die Breite des Metallbandes eine konstante Amplitude der durch die Elektromagneten 5 er zeugten Biegewelle erzeugt, so erfolgt die notwendige Rege lung der Elektromagneten 5 mittels des Automatisierungsgerä tes 12.

Das Automatisierungsgerät 12 kann z. B. als speicherprogram mierbare Steuerung oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Ferner kommt eine Ausbildung des Automatisierungsgerätes 12 als Industrie-PC vorteilhafterweise in Frage.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Elektromagnete 5 aus Fig. 1 in detaillierterer Darstellung. Dabei weist der Elektromagnet einen Ferritkern 11 und eine Spule 10 auf. Der Elektromagnet ist in einem Abstand d von dem Metallband 9 angeordnet, wobei d vorteilhafterweise 0,5-15 mm beträgt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung werden über die Aktorzeile zur Anregung der Biegeschwin gung die Einzelkräfte nach Amplitude (und Phase) so eingelei tet, daß die Biegeschwingung über die Metallbreite eine ein heitliche Amplitude und Phase aufweist. Die jeweiligen Ampli tuden (und evtl. Phasen) sind dann ein Maß für die Zugspan nungsverteilung. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß Quer kopplungen im Blech keine Rolle spielen und somit die latera le Auflösung verbessert wird. Die Regelung ist dabei auf dem Automatisierungsgerät 12 implementiert.

In beiden Ausführungsformen wird die Anregung bzw. Dämpfung der Biegewelle durch eine spezielle Ausführung und Ansteue rung von Elektromagneten realisiert, und zwar je nach magne tischen Eigenschaften, d. h. unterschieden nach ferromagneti schen und nicht-ferromagnetischen Metallen.

Bei ferromagnetischen Metallen werden die Elektromagnete mit Wechselstrom der Frequenz f/2 gespeist, so daß sie eine periodische Kraft der Frequenz f auf das Blech ausüben.

Bei nicht-ferromagnetischen Blechen werden die Elektromagnete mit einem Wechselstrom mit einer Basisfrequenz f_B gespeist, die je nach Metalldicke und Leitfähigkeit des Metalls im Be reich von 1 kHz bis 10 kHz liegt. Dieses hochfrequente Wech selfeld erzeugt im Metall Wirbelströme, die im Mittel zu ei ner abstoßenden Kraft zwischen Blech und Magnet führen. Die Amplitude des Wechselstromes wird mit der Modulationsfrequenz f_M moduliert, so daß eine periodisch abstoßende Kraft mit der für das Meßverfahren angepaßten Biegewellenfrequenz f_M er zeugt wird.

Ein derartiges moduliertes Signal zeigt Fig. 3. Dabei ist die Spannung U(t), die an den Elektromagneten zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes angelegt wird, auf ihre Amplitude U_max normiert über die Zeit t aufgetragen. In Fig. 3 wurde f_B = 5.f_M gewählt.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Meß werte können auch zur Bandkantenbestimmung verwendet werden. Auf diese Weise ist es z. B. möglich, bei Verwendung des er findungsgemäßen Verfahrens ein Bandkantenmeßgerät einzusparen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes zur Messung der Zugspannung in einem Metallband zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel oder einer Umlenkrolle, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektromagnetischen Feldes eine Kraft auf das Metallband ausgeübt wird, die eine Auslenkung des Metall bandes bewirkt, wobei die Auslenkung des Metallbandes gemes sen und zur Berechnung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des elektromagnetischen Feldes eine Kraft auf das Metallband über seine Breite derart ausgeübt wird, daß eine Auslenkung des Metallbandes über seine Breite bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes, insbe sondere mit einer Frequenz von 1 bis 200 Hz, eine periodische Kraft auf das Metallband ausgeübt wird, die eine periodische Auslenkung des Metallbandes, d. h. eine Biegewelle, insbeson dere eine Biegewelle in Längsrichtung des Metallbandes, im Metallband, bewirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Wechselfeld eine Frequenz zwischen 40 und 60 Hz, insbesondere eine Frequenz von 50 Hz, aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das elektromagnetische Wechselfeld im Metall band erzeugte Biegewelle in einem bestimmten Abstand von der Erregung der Biegewelle durch ein weiteres elektromagneti sches Wechselfeld derart gedämpft wird, daß Reflexionen der Biegewelle vermieden bzw. weitestgehend vermieden werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung mittels eines elektromagnetischen Wechsel feldes erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld bzw. das elektromagnetische Wechselfeld, mittels dessen die Biegewelle erzeugt wird, der art geregelt wird, daß die Auslenkung des Metallbandes bzw. die Amplitude der Biegewelle über die Breite des Metallbandes konstant ist, wobei aus der Stärke des elektromagnetischen Feldes bzw. der Amplitude des elektromagnetischen Wechselfel des die Zugspannung bzw. Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Metallbandes über seine Breite weitge hend konstant geregelt wird, wobei sowohl die Stärke der Krafteinleitung, als auch die Amplitudenverteilung der Biege wellen zur Ermittlung der Zugspannungsverteilung herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Auslenkung des Metallbandes induktiv, insbesondere mittels eines Wirbelstromverfahrens, oder kapa zitiv erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Auslenkung des Metallbandes optisch, ins besondere unter Verwendung eines Lasers, erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Auslenkung des Metallbandes akustisch, insbesondere durch Ultraschallsensoren, erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit der Basisfrequenz f_B Wirbelströme im Metallband erzeugt werden, und daß die Schwingung mit der Basisfrequenz f_B mit einer Schwingung mit einer Modulationsfrequenz f_M amplitudenmodu liert wird, so daß eine periodische Auslenkung des Metallban des mit der Modulationsfrequenz f_M bewirkt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisfrequenz f_B im Kilohertzbereich, insbesondere zwischen 1 kHz und 10 kHz, liegt,

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz f_M im Bereich zwischen 1 und 200 Hz, insbesondere zwischen 40 und 60 Hz, liegt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktorik zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und/oder die Sensorik zur Messung der Auslenkung des Metall bandes gekühlt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale bezüglich der Auslenkung des Metallbandes mittels Lock-In-Technik ausgewertet werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsignale in bezug auf die Auslenkung des Metallban des zur Bandkantenmessung verwendet werden.

18. Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Metallbandes zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen einem Walzgerüst und einem Haspel, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Zugspannung bzw. der Zugspannungsverteilung zumindest einen Elektromagneten (5) und zumindest einen Abstandssensor (6) aufweist, wobei mit tels des Elektromagneten (5) ein elektromagnetisches Feld er zeugt wird, das eine, eine Auslenkung des Metallbandes bewir kende, Kraft auf das Metallband ausübt, wobei die Auslenkung des Metallbandes mittels des Abstandssensors (6) gemessen wird und wobei die gemessene Auslenkung des Metallbandes zur Berechnung der Zugspannungsverteilung über die Breite des Me tallbandes verwendet wird.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) zwischen den Elektromagneten 9 und dem Metallband (9) 2 bis 15 mm, insbesondere 5 mm, beträgt.

20. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Abstandssensoren (6) und dem Me tallband (1) 5 bis 100 mm beträgt.