DE19803260A1 - Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband - Google Patents
Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem MetallbandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung
zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband
zwischen zwei Walzgerüsten oder zwischen einem Walzgerüst und
einem Haspel. Die Erfindung ist außerdem im Zusammenhang mit
S-Rollen und Streckgerüsten einsetzbar.
Beim Walzen von Metallbändern, insbesondere beim Kaltwalzen,
muß die Zugspannungsverteilung im Metallband 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. Die auf die Sensoren wirkende Kraft ist dabei ein Maß
für die Zugspannungsverteilung. Das Verfahren ist berührend -
und kann daher Eindrücke im Metall hinterlassen - und ist zu
dem verschleißbehaftet 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 Metallbändern, geeig
net ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Vermeidung
oben bezeichneter Nachteile anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung gemäß
Anspruch 1 gelöst. Dabei weist die erfindungsgemäße Einrich
tung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metall
band zwischen zwei Walzgerüsten, zwischen einem Walzgerüst
und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor oder hinter
einer Umlenkrolle eine (vor oder hinter einer Rolle angeord
nete) Auslenkvorrichtung zur Auslenkung des Metallbandes, ei
ne Meßvorrichtung zur Messung der Auslenkung des Metallbandes
und eine Recheneinrichtung zur Berechnung der Zugspannungs
verteilung in Abhängigkeit der Auslenkung des Metallbandes
auf, wobei die Auslenkvorrichtung als Saugvorrichtung zum An
saugen des Metallbandes ausgebildet ist. Diese Einrichtung
ermöglicht zum einen eine Messung der Zugspannung bzw. Zug
spannungsverteilung ohne Beschädigung des Metallbandes, und
liefert zum anderen ein besonders starkes und präzises Meßsi
gnal, das eine besonders genaue Bestimmung der Zugspannung
bzw. Zugspannungsverteilung im Metallband erlaubt. Die erfin
dungsgemäße Einrichtung ist außerdem gegenüber einer Meßrolle
deutlich einfacher und kostengünstiger.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den
Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine beispielhafte Ausgestaltung einer Saugvorrich
tung,
Fig. 2 eine alternative Ausgestaltung einer Saugvorrich
tung,
Fig. 3 eine weitere alternative Ausgestaltung einer Saug
vorrichtung,
Fig. 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung von Klappen einer
Saugvorrichtung,
Fig. 5 eine Anordnung von Sensoren,
Fig. 6 eine alternative Anordnung von Sensoren, und
Fig. 7 einen Vergleich zwischen ermittelter und tatsächli
cher Zugspannung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Messung der
Zugspannungsverteilung in einem Metallband 1 in beispielhaf
ter Ausgestaltung. Das Metallband 1 läuft aus einem Walzge
rüst 3 aus und wird über eine Umlenkrolle 4 in Richtung des
Pfeils 5 geführt. Im Abstand a, vorteilhafterweise 10 bis 30
cm, von der Umlenkrolle 4 ist eine Saugvorrichtung 6 angeord
net. Durch die Wahl des Abstands a von 10 bis 30 cm wird eine
besonders gute Ortsauflösung der Zugspannung über die Band
breite erreicht. Am oberen Ende der Saugvorrichtung 6 sind
Platten 9 und 10 angeordnet. Der durch die Saugvorrichtung
eingesaugte Luftstrom bewirkt eine Auslenkung des Metallban
des 1. Diese Auslenkung ist durch die gestrichelte Linie 2
angedeutet. In die Platten 9 und 10 der Saugvorrichtung sind
Auslenkungssensoren 7 und 8 integriert, die die Auslenkung 2
des Metallbandes 1 messen. Die Auslenkungssensoren 7 und 8
sind als Wirbelstromsensoren, kapazitive Abstandssensoren,
optische Wegsensoren oder Ultraschallabstandssensoren ausge
bildet. Dabei ist die Ausbildung als, insbesondere zeitlich
synchronisierte, Wirbelstromsensoren besonders vorteilhaft.
Die Abstandssensoren sind in besonders vorteilhafter Weise
als Sensorzeilen über die Breite des Metallbandes 1 ausgebil
det.
Die Saugvorrichtung 6 weist eine Drehklappe 11 auf, mittels
der der eingesaugte Luftstrom moduliert wird. Dabei wird der
Luftstrom vorteilhafterweise mit einer Frequenz von 5 bis 40,
insbesondere mit einer Frequenz von 5 bis 20 Hz, moduliert.
Auf diese Weise wird ohne zusätzliche Dämpfung eine fast qua
si statische Auslenkung erreicht, so daß es auch ohne zusätz
liche Dämpfungsmaßnahmen zu einer im wesentlichen zur anre
genden Kraft proportionalen und zur Zugspannungsverteilung
umgekehrt proportionalen Auslenkung kommt. Auf diese Weise
läßt sich die Zugspannungsverteilung besonders präzise mes
sen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Me
tallband 1 mit einer Frequenz anzuregen, die unterhalb seiner
Resonanzfrequenz liegt. Überraschenderweise läßt sich in die
sem Frequenzbereich eine präzisere Messung der Zugspannungs
verteilung erreichen.
Die Platten 9 und 10 sind in einem Abstand b von vorteilhaf
terweise 1 bis 10 mm, insbesondere 5 mm, vom Metallband 1 an
geordnet. Zwischen den Metallplatten 9 und 10 ist ein Spalt
der Breite c vorgesehen. Dieser Spalt ist vorteilhafterweise
0,5 bis 5 cm breit. Besonders vorteilhaft ist eine Spaltbrei
te c = 2 cm.
Die Platten 9 und 10 sind etwa 20 cm breit, so daß der durch
die Saugvorrichtung 6 bewirkte Unterdruck auf eine endliche
Fläche des Metallbands 1 wirkt.
Zur Auswertung der von den Abstandssensoren 7 und 8 geliefer
ten Meßsignalen ist eine nicht dargestellte Auswerteeinrich
tung vorgesehen.
Die Saugvorrichtung 6 ist dermaßen dimensioniert, daß zwi
schen den Platten 9 und 10 und dem Metallband 1 ein Unter
druck zwischen 5 und 50 mbar entsteht.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Saugvorrich
tung 21. In Fig. 2 und 3 deuten die mit Bezugszeichen 20 ge
kennzeichneten Pfeile die Bewegung der Luft (mit einer Fre
quenz zwischen 5 und 20 Hz gepulster Luftstrom) an und die
mit 30 bezeichneten Pfeile die aufgrund der Luftbewegung auf
das Metallband 1 wirkenden Kräfte. Mittels der Saugvorrich
tung 21 wird Luft gegen das Metallband 1 geblasen und seit
lich parallel zur und gegen die Bandlaufrichtung 5 abgeführt.
Die Geschwindigkeit der Luft und der Abstand b zwischen an
der Saugvorrichtung 21 angeordneten Platten 22 und 23 und dem
Metallband 1 stehen derart in Beziehung, daß das hydrodynami
sche Paradoxon wirksam ist. Das heißt, obwohl Luft gegen das
Metallband 1 geblasen wird, wird das Metallband 1 aufgrund
der hohen Luftgeschwindigkeit von der Saugvorrichtung 21 an
gezogen.
Dieses Prinzip liegt auch der Ausgestaltung einer Saugvor
richtung 24 gemäß Fig. 3 zugrunde, wobei Fig. 3 eine besonders
vorteilhafte Ausgestaltung des in Fig. 2 beschriebenen Grund
prinzips darstellt. Mittels der Saugvorrichtung 24 wird Luft
gegen das Metallband 1 geblasen. Der Druck dieser Luft ist so
hoch, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Luft das hydrody
namische Paradoxon wirksam werden läßt: Das Metallband 1 wird
von der Saugvorrichtung 24 angezogen. Zusätzlich kann ein
Saugkanal 25 vorgesehen werden, mittels dessen Luft zusätz
lich angesaugt wird. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 3 erlaubt
hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft zwischen Metallband
1 und Saugvorrichtung 24, was wiederum zu einer starken An
ziehung des Metallbandes führt.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Metallband 1 und eine
Platte 26. Die Platte 26 ist eine besonders vorteilhafte Aus
gestaltung für die Platten 9, 10, 22 und 23 bzw. für die dem
Metallband 1 zugewandte Oberfläche der Saugvorrichtung 24. In
die Platte 26 sind Kanäle 27 eingefräst, die in Richtung des
Bandlaufes verlaufen. Auf diese Weise kann die Strömungsrich
tung der Luft unter dem Metallband 1 beeinflußt werden. Au
ßerdem kann vorgesehen werden, die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft in den Kanälen 27 einzeln anzusteuern und so Meßzo
nen zu definieren, denen eine bestimmte Kraft aufgeprägt
wird.
Bei Warmwalzgerüsten besteht die Möglichkeit, anstelle von
Luft eine Flüssigkeit (Wasser, Emulsion oder ähnliches) mit
hohem Druck gepulst auf das Walzgut zu spritzen, um so eine
periodische Kraft zu erzeugen. Diese Emulsion bewirkt gleich
zeitig eine Kühlung der Auslenkungssensoren, die den hohen
Temperaturen beim Warmwalzen (bis 1000°C) ohne Kühlung nicht
standhalten.
Die Abstandssensoren 7 und 8 liefern, bedingt durch verschie
dene Störeinflüsse bei der Auslenkung des Metallbandes 1,
stark verrauschte Meßsignale. Deshalb werden die Meßsignale
gefiltert. Die Signalfilterung erfolgt vorteilhafterweise
mittels eines digitalen Fit-Algorithmus oder einer
FFT-Analyse. Das Metallband 1 wird sinusförmig ausgelenkt. Der
zeitliche Verlauf des Meßsignals pro Periode ist deshalb im
Idealfall ein Sinus. Diesem Sinussignal sind jedoch Störsi
gnale, insbesondere die Resonanzschwingungen des Metallbandes
1 überlagert. An das Meßsignal wird deshalb nach jeder vollen
Periode eine Sinuskurve angefittet (Minimierung der Fehler
quadrate). Da Phase und Frequenz bekannt sind, sind der Si
gnaloffset (Grundabstand der Sensoren) und die Amplitude die
einzigen Fitparameter. Der ermittelte Amplitudenwert AF wird
weiter in die Zugspannung umgerechnet.
Eine weitere deutliche Verbesserung der Filterung wird durch
die Verwendung zweier Abstandssensoren 7 und 8 gemäß dem Aus
führungsbeispiel aus Fig. 1 bzw. Fig. 5 und eine Auswertung des
Ausdrucks
erreicht. A' ist ein Maß für die Krümmung des Metallbandes 1
am Ort der Krafteinleitung. Für langwellige Resonanzschwin
gungen ist die Krümmung gering. Sie werden deshalb effektiv
herausgefiltert. Die erzwungene Auslenkung dagegen erzeugt
einen "Knick" des Metallbandes 1 am Ort der Krafteinleitung.
Im Ausdruck A' ist also der Informationsgehalt in bezug auf
die durch die Saugvorrichtung erzwungene Auslenkung des Me
tallbandes deutlich größer als in den Meßsignalen A1 und A2,
die von den Sensoren 8 und 7 geliefert werden.
Fig. 6 zeigt die Anordnung von drei Abstandssensoren, die ins
besondere als Sensorzeilen ausgebildet sind. Dabei ist ein
dritter Abstandssensor 50 zur Messung des Abstands A3 vorge
sehen.
Der Wert für A' wird bei der Verwendung dreier Abstandssenso
ren vorteilhafterweise gemäß
korrigiert. Auf diese Weise können Fehler durch unrunde Wal
zen oder Durchbiegungen einer Walze kompensiert werden.
Aus den Werten A' wird durch eine FFT oder einen Fitalgorith
mus ein Amplitudenwert A'F gebildet, der prinzipiell dem
Amplitudenwert AF entspricht, jedoch nicht aus direkten Meß
werten, sondern aus den Werten A' gebildet wird.
Die Umrechnung der Amplitudenverteilung A'F(x) in eine Zug
spannungsverteilung σ(x) erfolgt gemäß
σ(x) = C(x) F(x) [1/A'F(x) - 1/A0] (3).
Dabei bezeichnet x die Ortskoordinate entlang der Breite des
Metallbandes 1.
A'F(x) ist die gemessene Amplitudenverteilung der Auslenkung,
die gemäß Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 und durch den digita
len Fitalgorithmus berechnet wird. F(x) ist die Kräftevertei
lung mit der das Metallband 1 ausgelenkt wird und ist einma
lig experimentell zu bestimmen. C(x) ist ein Proportionali
tätsfaktor, in den die elastischen Konstanten des Materials
des Metallbandes 1 eingehen. Aufgrund der Querkontraktion ist
bei homogener Zugspannungsverteilung die Amplitude am Rand
des Bleches größer als in der Mitte. Deshalb ist C(x) eine
Funktion von x. C(x) kann aus Finite-Elemente-Rechnungen be
stimmt werden.
1/A0 ist ein Term, der die Biegesteifigkeit des Bleches be
rücksichtigt. A0 ist die Amplitude, die gemessen wird, wenn
die Zugspannung null ist. Wegen der Biegesteifigkeit des Me
tallbandes 1 ist A0 endlich. Für dünne Metallbänder, d. h. für
Metallbänder, die dünner als 1 mm sind, kann 1/A0 gleich null
gesetzt werden.
Fig. 7 zeigt eine im Rahmen einer Finite-Elemente-Simulation
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Kurve 40
einer Zugspannung σ in N/mm2 in einem Metallband über die Po
sition x in mm auf dem Metallband in Querrichtung im Ver
gleich zu einer Kurve 41 einer dem Metallband aufgeprägten
Zugspannung σ in N/mm2 Die Kurve verdeutlicht, daß es mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, die Zugspannung
σ in einem Metallband besonders präzise zu ermitteln.
Claims (13)
1. Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in ei
nem Metallband zwischen zwei Walzgerüsten, zwischen einem
Walzgerüst und einem Haspel, in einem Streckgerüst oder vor
oder hinter einer Umlenkrolle, mit einer Auslenkvorrichtung
zur Auslenkung des Metallbandes, mit einer Meßvorrichtung zur
Messung der Auslenkung des Metallbandes und mit einer Rechen
einrichtung zur Berechnung der Zugspannungsverteilung in Ab
hängigkeit von der Auslenkung des Metallbandes, wobei die
Auslenkvorrichtung als Saugvorrichtung zum Ansaugen des Me
tallbandes ausgebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung einen periodischen Luftstrom zur pe
riodischen Auslenkung des Metallbandes, d. h. zur Erzeugung
einer Biegewelle, insbesondere einer Biegewelle in Längsrich
tung des Metallbandes, erzeugend ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung eine Modulationsvorrichtung zur Er
zeugung eines periodischen Luftstroms mit einer Frequenz zwi
schen 5 und 40 Hz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 5
und 20 Hz, aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung einen Unterdruck zwischen 5 und
50 mbar erzeugend ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung in einem Abstand von 1 bis 10 mm,
vorteilhafterweise 5 mm, vom Metallband angeordnet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung Luftzuführungsplatten aufweist, die
mit dem Metallband einen Luftkanal bilden.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftzuführungsplatten zwischen 5 und 30 cm, insbeson
dere 20 cm, breit sind.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Umlenkrolle zum Umlenken des Metallbandes auf
weist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung 10 bis 30 cm von der Umlenkrolle ent
fernt angeordnet ist.
10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Saugvorrichtung als Drucklufteinrichtung zum Blasen
von Druckluft gegen das Metallband mit einer Geschwindigkeit
ausgebildet ist, die oberhalb der Geschwindigkeit liegt, ab
der das hydrodynamische Paradoxon wirksam wird.
11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung zumindest einen Auslenkungssensor, der
als Wirbelstromsensor, kapazitiver Abstandssensor, optischer
Abstandssensor oder Ultraschallabstandssensor ausgebildet
ist.
12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung zumindest zwei, insbesondere als Sen
sorzeilen ausgebildete, Auslenkungssensoren aufweist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung zumindest drei, insbesondere als Sen
sorzeilen ausgebildete, Auslenkungssensoren aufweist.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998103260 DE19803260A1 (de) | 1998-01-29 | 1998-01-29 | Einrichtung zur Messung der Zugspannungsverteilung in einem Metallband |
DE59811286T DE59811286D1 (de) | 1997-02-26 | 1998-02-18 | Einrichtung zur messung der zugspannungsverteilung in einem metallband |
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US09/380,144 US6289750B1 (en) | 1997-02-26 | 1998-02-18 | Device for measuring tensile stress distribution in a metal strip |
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AT98912270T ATE265674T1 (de) | 1997-02-26 | 1998-02-18 | Einrichtung zur messung der zugspannungsverteilung in einem metallband |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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ID=7855916
Family Applications (1)
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DE (1) | DE19803260A1 (de) |
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- 1998-01-29 DE DE1998103260 patent/DE19803260A1/de not_active Withdrawn
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