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"Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Produktes" Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Dicke, insbesondere
von metallischen Produkten, wie z.
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B. von Brammen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Zur Herstellung von Grobblech ist das Schema der Walzung bekannt:
Brammen werden in einer Vorstraße gewalzt und die so erhaltenen, gewalzten Produkte
werden in ein Nachwalzwerk bzw. eine Fertigstraße weitergeleitet. Die Walzung in
der Vorstraße wird durch geeignete Einstellung der Anstellschrauben der horizontalen
Zylinder in Funktion des Programms des Ausziehens und der Herstellung geregelt.
Eine solche Einstellung kann durch Bedienungspersonen oder automatisch vorgenommen
werden, aber in beiden Fällen können Fehler unterlaufen, sei es beim Ausziehen oder
sei es beim Herstellungs-Programm. Diese Fehler zeigen sich z. B. in einem Mißverhältnis
zwischen der Lage der Schrauben und der Dicke des Produktes das in das Walzgerüst
einfährt. Sie sind insbesondere bei Brammen gefährlich, deren Dicke etwas größer
ist als der Abstand zwischen den Zylindern, da zwar die Aufnahme stattnicht findet,
die Walzung aber7düzchgeführt werden kann, weil
übermäßige Drücke
entstehen die zu schwerenmechanischen Brüchen führen können.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das es
erlaubt diese Nachteile zu beseitigen, und zwar mit Hilfe einer Dickenmessung des
Produktes bevor es von den Zylindern gefaßt wird.
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Dieses Verfahren beruht auf folgenden belznnten Elementen: Es ist
bekannt die Dicke eines Produktes wie z. B. einer Bramme mit Hilfe eines monostatischen
Entfernungsmessers zu bestimmen, durch Verschiebung von Bildern mit Auflösung eines
Dreieckes, dessen eine Seite die gesuchte Variable ist. Eine solche Messung ist
in Fig. 1 erläutert: Ausgehend von einer Quelle S, wird ein Lichtbündel vertikal
auf das Produkt, von dem die Dicke gemessen werden soll, geleitet, dessen Unterseite
auf einer Ebene, die durch Antriebsrollen gebildet wird, unterstützt ist. Der Punkt
M ist der Auftreffpunkt des einfallenden Bündels, dessen Energie hauptsächlich diffus,
durch die rauhe Oberfläche, in alle Richtungen gestreut wird, und in der festen
Richtung eines Empfängers R aufgefangen wird, der sie in M' auf der Oberfläche einer
empfindlichen Zelle bündelt. Wenn das Produkt eine größere Dicke aufweist, ist der
Auftreffpunkt B und sein Bild Bt. Es ist sofort ersichtlich, daß MBt bei einer bestimmten
geometrischen Anordnung eine bestimmte Funktion von MB ist. In der Praxis wird die
Lage des Bildes auf der Zelle gemessene dessen Lage immer zwischen zwei Punkten
L und H ist, wenn die Dicke des Produktes zwischen einem gegebenen Minirmms- und
einem Maximumswerte liegt.
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Es sind mehrere Lösungen möglich, um die Lage des Bildes des Auftreffpunktes
in ein elektrisches Signal umzuwandeln: Zählung von Linien oder der Zeit der Abtastung
auf einer Fernsehkamera; Reihen von Fotodioden, oder linearen Zellen des Typs PIN
mit Schottkybarriere. Im letzten Fall verhält sich die Zelle wie ein Fotopotentiometer.
Gemäß Fig. 2 erzeugt die Lichtintensität einen Strom i5 zwischen zwei Schichten
von denen eine einen niedrigen ohmschen Widerstand aufweist, während die andere
einen hohen Widerstand darstellt. Die Komponenten il und i2 des Stromes i durch-5
queren die beiden Teile der Zelle begrenzt durch den Punkt Bt, dessen Lage die numerischen
Werte der Ströme beeinflußt.
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Aus dieser Tatsache ergibt sich, daß die Messung der Ströme oder der
Spannungen V1 und V2 an den Belastungswiderständen RL oder auch der Differenz zwischen
den Spannungen, die Abszisse des Punktes Bt darstellen, bezogen auf den Mittelpunkt
der Zelle. Diese Messung weist den Nachteil auf, daß der Strom i5 auch von der Lichtintensität
des Punktes Bt und von der Temperatur abhängt, was zu Fehlerquellen bei der Messung
der Dicke führt.
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Auf der Grundlage dieser Elemente ist das Verfahren zur Dickenmessung,
nach der Erfindung, wobei ein optisches Telemeter (ein Entfernungsmesser) benutzt
wird, mit Verschiebung von Bildern unter Auflösung eines Dreieckes, dessen eine
Seite mit der gesuchten Variablen in Beziehung steht, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß ein aus einer Lichtquelle kommendes Bündel auf eine Blende geleitet wird, daß
dann das Bündel auf die Ebene des Produktes fokusiert wird, die einen Teil in Richtung
eines Empfängers leitet, wo dieser Teil auf einen Meßfühler nach Filterung gebündelt
wird, und dadurch daß die Strecken des ausgestrahlten Lichtbündels und des aufgefangenen
Teils ausgerichtet werden, die -sich zwischen den Fokusierelementen, in der Verlängerung
des
erstrecken einen oder anderen/, mittels Reflektoren, wie z.
B. Spiegel, die bei der Strahlenquelle und beim Empfänger angebracht sind.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die optischen
Ausstrahlungs- und Empfangselemente auf einr Längsauflage befestigt und diese Montage
wird nach außen mit Hilfe von elastischen Lagern isoliert.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung beträgt der Winkel, den
der einfallende Strahl und der durch das Produkt zurückgeworfene Strahl bilden,
90°.
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Gemäß einer Abwandlung dieses Merkmals der Erfindung beträgt der Winkel
den der einfallende Strahl und der ausfallende Strahl bilden, 450.
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Vorteilhaft wird gemäß der Erfindung ein Laser als Sender der optischen
Strahlen verwendet, was die optische Filterung beim Empfang erleichtert.
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Um eine lineare Abhängigkeit zu erhalten, ist das ausgestrahlteBündel
vorteilhaft parallel zur Oberfläche des Meßempfängers ausgerichtet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden bei Verwendung
eines opto-elektronischen Wandlers als Meßfühler, z. B. eine lineare Zelle des Typs
PIN mit Schottky-Sperrschicht, die Information elektronisch verarbeitet, um die
entsprechende Anzeige der Dicke des Produkts aus dem Resultat der Division der Differenz
der Spannungen an den Belastungswiderständen des genannten Meßfühlers durch die
Summe der genannten Spannungen zu erhalten.
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Um schließlich den schädlichen Einfluß des Störpegels vor der Ausführung
der Division der Differenz der Spannungen an den Belastungswiderständen des Meßfühlers
durch die Summe zu vermeiden, werden vorteilhafterweise die verschiedenen Werte
der genannten Differenzen und Summen von Spannungen addiert, so daß ein Wert nahe
dem Mittelwert der signalisierten Dicke erhalten wird, die berechnet wird, während
die Bramme unter der Lehre durchläuft.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung findet die Division und/oder
die Integration der Spannungen die an den Belastungswiderständen des Meßfühlers
auftreta; nur dann statt, wenn die Licftintensität die durch den Meßfühler aufgefangen
wird, ausreichend groß ist und/oder wenn die Dauer in der die genannte ausreichende
Lichtintensität größer als ein Minimum ist und/oder wenn die gemessene Dicke um
einen vorher bestimmten Betrag von einem der normalen Dickewerte, die ins Arbeitsprogramm
aufgenommen wurden, abweicht.
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In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das elektrische
Signal, das den Mittelwert der berechneten Dicke während der Zeit in der die Bramme
unter der Lehre passiert, darstellt, mit einem Wert eines vorher eingestellten bestimmten
Soll-Wertes verglichen, und falls der gemessene Wert von dem Soll-Wert über einen
bestimmten Schwellenwert hinaus abweicht, werden die Anstellschrauben automatisch
betätigt, um schnell den Abstand zwischen den Walzzylindern zu vergrößern.
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Din vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum
Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine optische Ausrüstung zur
Dickenmessung des Produktes
und eine elektronische Ausrüstung zur Verarbeitung der optisch erhaltenen Informationen
enthält, wobei die optische Ausrüstung bei der Ausstrahlung aus folgendem besteht:
a) eine optische Strahlenquelle, b) ein optisches Bündelungssystem, c) eine Blende
auf die die Strahlen von der Quelle gebündelt werden, d) Mittel, wie z. B. eine
Loch-Scheibe, um die Strahlen die die Blende passiert haben zu modulieren, e) ein
optisches System, das dazu bestimmt ist die modulierten Strahlen auf die Oberfläche
des Produktes zu bündeln, von dem die Dicke zu messen ist, f) einen Reflektor, wie
z. B. einen Spiegel; und zum Empfang: g) einen Reflektor, wie z. B. einen Spiegel,
um das erhaltene Bündel mit dem ausgestrahlten Bündel auszurichten, h) ein optisches
Bündelungssystem, i) ein Bandfilter, j) einen opto-elektronischen Meßfühler, wie
z. B. eine lineare Zelle des Typs PIN mit Schottky-Barriere, und die elektronische
Ausrüstung hauptsächlich aus folgendem besteht: k) ein Modul zur Bestimmung der
Summe und der Differenz der Spannungen die an den Belastungswiderständen des Meßfühlers
auftreten, 1) einkodul das einmal dazu bestimmt ist die Summe der verschiedenen
Werte der Summe und der Differenz der Spannungen, die an den Enden des Meßfühlers
auftreten, zu bilden und zum anderen die Division der Differenzen der Spannungen
durch ihre Summe auszuführen, m) ein Kontrollmodul, dazu bestimmt, einen Mittelwert
der signalisierten Dicke zu liefern, die während des Durchganges
der
Bramme unter der Lehre berechnet wurde, n) Mittel um die elektrischen Signale zu
verstErken und zu demodulieren.
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Die Fig. 5 und 4 zeigen Ausführungsbeispieleder Erfindung.
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Fig. 3 bezieht sich auf eine optische Ausrüstung einer Lehre zur Dickenmessung
gemäß der Erfindung.
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Fig. 4 bezieht sich auf eine elektronische Ausrüstung einer Lehre
zur Dickenmessung gemäß der Erfindung.
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Gemäß Fig. 5 wird ein Licht-Bündel, das aus einer Quelle 1 kommt,
zunächst auf eine Blende 5 mit Hilfe einer Linse 2 konzentriert, dann von einem
Zerhacker 4 moduliert> bevor es mit Hilfe einer Ausgangsoptik 5 auf einem Produkt
7 gebündelt wird.
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Beim Empfang wird das zurückkommende Bündel mit Hilfe einer Optik
8 gebündelt und erreicht eine lineare Zelle 10 des Types PIN mit Schottky-Widerstand
nach dem es ein Bandfilter 9 durchquert hat.
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Spiegel 6 und 11 bei der Ausstrahlung und beim Empfang erlauben es,
die einzelnen Teile leicht auf einer mechanischen Auflage auszurichten und zu fixieren.
Diese Auflage besteht aus einer starren Profil stange, die auf Schwingungsisolatoren
im Inneren eines Metallkastens mit doppelter Wand, die durch Wasser gekühlt wird
und die mit zwei Bullaugenfenstern versehen ist, ruht . Dieser Kasten hängt an einer
starren Brücke, die einerseits fest mit dem Boden und andererseits mit dem Rollentisch
verbunden ist. Die Vorrichtung ist so konstruiert, daß die optischen Teile leicht
aus dem Kasten gezogen werden können.
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Gemäß Fig. 4 enthält die elektronische Ausrüstung eine Vorrichtung
12 zur Vorverstärkung der Signale, die vom Meßfühler 10 kommen. Am Ausgang des Vorverstärkers
12 werden die Signale, die die Spannungen V1 und V2 der Belastungswiderstände des
Meßfühlers 10 repräsentieren, in ein Modul 15 eingeleitet, das dazu bestimmt ist
ihre Summe und ihre Differenz zu bilden.
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Diese letztgenannten Signale werden von einem Verstärker 14 verarbeitet,
um eine Leitungzdie sie zu einem elektrischen Schrank leitet, der sich in der Kabine
des Walzwerkers befindet, zu speisen.
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Dieser elektrische Schrank enthält einen Verstärker oder die Signale
zu zwei Sychron-Demodulatoren 16 weiterleitet, die von einem Bezugssignal, das von
der Modulation eines Strahles einer schwachen Leuchtröhre 1 oder dergleiche kommt,
gesteuert werden. Der Unterbrecher 4 moduliert die Meß- und Bezugs-Bündel mit einer
vorgewählten Frequenz, z. B.
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5000 Hz.
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Nach der Demodulation werden die Signale V1 - V2 und V1 + V2 in 17
gefiltert und weiter in eine Integrier- und Teil-Einheit 18 geleitet die ein elektrisches
Signal, das proportional zur gesuchten Dicke ist, liefert, d. h. repräsentativ für
die Dicke die während der Zeit der Passage der Bramme unter der Lehre oder während
einer vorbestimmten Minimumszeit berechnet wurde. Dieser zeitliche Mittelwert wird
dann in eine Kontrolleinheit 19 mit verschiedenen Aufgaben weitergeleitet.
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Es ist zu bemerken, daß die Integration nur dann stattfinden kann,
wenn die Lichtintensität,die von der Zelle 10 aufgefangen wird, von einem genügend
hohen Niveau ist (Signal V1 + V2). Es wird so vermieden zu schwache Signale zu verarbeiten,
die auftreten können, wenn wegen der Oberflächenbeschaffenheit,
Anwesenheit
von Wasser oder Flecken auf dem Produkt die sehr stark reflektieren, die Strahlen
die zur Optik des Empfängers gelangen, nicht ausreichend sind.
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In gewissen Fällen kann es ausnahmsweise vorkommen, daß sich diese
Situation an vielen Stellen der Bramme wiederholt, was eine sehr kurze Dauer der
Integration mit sich bringt, die unvereinbar mit einer guten Funktion der Teilerstufe
ist; in diesem Fall wird der Integrator auf Null gestellt und ein Alarmsignal ausgelöst.
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Die Lehre löst ebenfalls einen Alarm aus, wenn die gemessene Dicke
von einem der Normalwerte der Dicke abweicht.
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Das gemessene Signal kann mit einem in der Lehre eingebrachten Sollwertsignal
verglichen werden; im Fall einer Abweichung zwischen Soll-Wert und Ist-Wert wird
ein Signal produziert, um das Anheben der Anstellschrauben zu steuern, so daß der
Abstand zwischen den horizontalen Zylindern vergrößert und jegliche Beschädigung
vermieden wird.
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Die oben beschriebene Lehre kann bei allen Arten von Walzwerkmaschinen
angewendet werden, bei denen sich ähnliche Probleme ergeben. Die änderung der Bereiche
äußert sich durch Ersetzen des optischen Empfängers 8.
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Andere Anwendungen die sich auf die Messung von Abständen zwischen
einem festen Punkt und einem Objekt zurückführen lassen, können ebenfalls in Betracht
gezogen werden, wenn sich die Oberfläche gegenüber dem einfallenden Strahl nicht
wie ein reiner Spiegel verhält, sondern das Licht in alle Richtungen zerstreut.
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Die aufgezeigten Vorteile einer Dickenlehre gemäß der Erfindung
werden
ergänzt durch die Tatsachen, daß sie aus einer einfachen robusten und zuverlässigen
Apparatur besteht, mit einem vorteilhaften Selbstkostenpreis arbeitet, sowohl bei
bestehenden Einrichtungen sowie bei neuen Einrichtungen, wobei ferner die Wartungskosten
außerordentlich niedrig sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen und Weiterbildungen
der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.
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- Ansprüche -