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BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung von
Dickenschwankungen bei kaltgewalzten Blechen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Art.
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Dickenschwankungen treten beim Kaltwalzen praktisch sämtlicher Blechstärken,
also bei Feinstblechen ebenso wie bei Karosserieblechen, auf.
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In der Walzrichtung der Bleche besitzen sie periodische, kurze Wellenlängen,
die meist im Bereich zwischen 40 und 200 mm liegen. Die Amplituden der Dickenschwankungen
sind beträchtlich und können bis zu 50% der Solldicke betragen. Da die Bleche mit
hohen Geschwindigkeiten gewalzt bzw. weiterbearbeitet und verarbeitet werden, treten
die Dickenschwankungen mit entsprechenden Frequenzen in Erscheinung. Typisch sind
Blechgeschwindigkeiten um etwa 600 m/min.
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Die Dickenschwankungen verursachen beim Walzen ein charakteristisches
Geräusch, sogenannte Brummer, die je nach Amplitude der Dickenschwankungen mehr
oder weniger stark ausgeprägt sind. Demgemäß sind sie subjektiv unterschiedlich
wahrnehmbar und daher als Indikator für auftretende Dickenschwankungen nur begrenzt
verwendbar, so daß die beim Auftreten der Dickenschwankungen sonst angezeigte Herabsetzung
der Walzgeschwindigkeit oft erst zu spät veranlaßt werden kann. Die vielfältigen
Ursachen für das Auftreten der Dickenschwankungen sind zwar bekannt, indes ist es
im Einzelfall wegen der Schwierigkeiten, zu einer präzisen Überwachung zu kommen,
nur begrenzt möglich, für den einen oder anderen Fall wirkungsvolle Maßnahmen zur
Abhilfe zu treffen. Allgemein gilt, daß die Dickenschwankungen mit der Höhe des
Kohlenstoffgehaltes bei Stahlblechen zunehmen und mit zunehmender Blechdicke geringer
werden. Andererseits treten sie bei unstabilen Eigenschaftswerten der Walzemulsionen
häufiger auf. In Einzelfällen kommt es nur bei bestimmten Gerüsten einer Straße
zum Auftreten der Dickenschwankungen, und häufig wird das charakteristische Geräusch
vom Netzbrumm überdeckt.
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Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Dickenschwankungen objek-
tiv
zu ermitteln. Die hierfür eingesetzten Durchstrahlungsgeräte sind indes meistens
für statische Prüfungen vorgesehen und erweisen sich als zu träge, um bei den für
Dickenschwankungen charakteristischen Frequenzen noch zuverlässige Messungen zu
ermöglichen. So lassen sich genaue Amplitudenwerte bislang lediglich durch Abtastungen
der Blechoberfläche mittels Mikrometern oder dergl. gewinnen, wie in "Transactions
Iron and Steel Institute of Japan", Band 18, 1978, Seiten 1 bis 10, beschrieben.
Mann kann in Kenntnis der Walzgeschwindigkeit auf diese Weise nachträglich zu einer
Aussage über die Frequenz kommen und von bei einzelnen Walzgerüsten vorgenommenen
Vibrationsmessungen ausgehend versuchen, zu Rückschlüssen über das Auftreten von
periodischen Dickenschwankungen zu gelangen. Hierbei werden jedoch vor allem die
Eigenschwingung und die hierzu harmonischen Schwingungen des betreffenden Walzgerüstes
erfaßt, die sich nicht notwendigerweise in Dickenschwankungen auswirken.
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Vom einleitend genannten Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, zu einer erheblich verbesserten Prüfgeschwindigkeit und darüber
hinaus zu einer automatischen, auf die Bandlänge des gewalzten Bleches bezogenen
Protokollierung der periodisch auftretenden Dickenschwankungen zu kommen.
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Diese Aufgabenstellung wird durch den Vorschlag gemäß dem Kennzeichnungsteil
des Patentanspruchs 1 gelöst, tür welchen die Unteransprüche 2 bis 12 vorteilhafte
Weiterentwicklungen vorsehen.
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Somit werden erfindungsgemäß zunächst nur diejenigen Geber vorgeschlagen,
die auch tatsächlich eine kontinuierliche Aussage über die Amplituden und Frequenzen
der Dickenschwankungen ermöglichen. Es kommen also nur praktisch trägheitsfrei arbeitende
Geber in Betracht, nicht jedoch auf dem Durchstrahlungsprinzip beruhende Dickenmeßgeräte
und ähnlich träge ansprechende Systeme. Sodann ist für die Meßwertverarbeitung eine
besondere Schaltung vorgesehen, in deren Verlauf der Spitzenwertgleichrichter im
Wege einer Zweiweggleichrichtung zunächst die positive Hüllkurve des Meßsignals
erzeugt. Der am Ausgang der Spitzenwertgleichrichtung erzeugte Spannungsverlauf
enthält einen der Rauschbreite proportionalen Anteil zusätzlich zu dem von den periodischen
Dickenschwankungen erzeugten Anteil. Da die Anderungen im
Rauschanteil
der Hüllkurve verhältnismäßig langsam gegenüber dem Einsetzen der periodischen Dickenschwankungen
sind, lassen sie sich von letzteren trennen, indem das gleichgerichtete Signal aufgespalten
wird. Dies geschieht dadurch, daß es einerseits über einen einstellbaren Tiefpaß
mit nachfolgender Sample & Hold-Stufe und andererseits unmittelbar auf einen
Substrahierer geschaltet ist, der die Differenz oder Signale bildet. So lange die
Sample & Hold-Stufe nicht im Hold-Modus ist, besteht demgemäß ein Hochpaß. Beim
überschreiten der Triggerschwelle durch die genannte Differenz wird hingegen das
Tiefpaßsignal festgehalten, so daß das von der periodischen Dickenschwankung ausgehende
Signal in praktisch voller Höhe erhalten bleibt.
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Dann, wenn die erwähnte Differenz wieder unterhalb der Triggerschwelle
liegt, wird der Hold-Modus zurückgesetzt, so daß das System dann wieder als Hochpaß
arbeitet.
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Im Ergebnis steht ein praktisch trägheitsfreier Signalverlauf zur
Verfügung. Er dient in Verknüpfung mit weiteren Bandsignalen, nämlich mit dem Bandanfangssignal,
dem Bandlängensignal, dem Bandgeschwindigkeitssignal und der Bandkennzeichnung,
zur Erstellung eines bandlängenbezogenen Protokolls. Dieses läßt sich einerseits
für die Bestimmung der weiteren Bandverarbeitung und andererseits für die änderung
von Walzparametern verwenden. Die Erstellung des Protokolls über die periodisch
auftretenden Dickenschwankungen ist dabei nicht an den Walzprozeß gebunden; sie
kann vielmehr auch im Zuge der Weiterverarbeitung des Bandes nach dem Abwickeln
desselben vorgenommen werden.
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Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Geber handelt es sich vorteilhaft
um eine längliche Fotodiode mit zwei Stromableitungen am rückseitigen Widerstandssubstrat,
die von einem diffus von der Blechoberfläche reflektierten Laserstrahl beaufschlagt
ist. Die längliche Fotodiode ist dabei Bestandteil einer Triangulationsanordnung,
die für jede der beiden Blechoberftächen vorgesehen ist und demgemäß eine völlig
trägheitsfreie Aussage über die Blechdicke ermöglicht. Die Fotodiode verfügt zu
diesem Zweck über zwei Stromleitungen und ist vorteilhaft vorderseitig über der
pn-Schicht mit einer durchsichtigen Goldelektrode versehen.
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Wahlweise läßt sich als Geber auch ein Beschleunigungsaufnehmerver-
wenden,
der zweckmäßig am Querhaupt eines vom Blech durchlaufenen Walzgerüstes angebracht
ist. Hierbei braucht es sich keineswegs um das Walzgerüst zu handeln, welches die
zu erfassenden Dickenschwankungen verursacht oder verursacht hat.
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Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung sowie zur Darstellung
weiterer Merkmale derselben, insbesondere der vorgeschlagenen Schaltung, wird auf
die sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin
zeigen, jeweils in schematische Darstellung: Figur 1 die relative Lage des Gebers
zum durchlaufenden Band, Figur 2 einen Geber in Form einer Triangulationsanordnung,
Figur 3 eine längliche Fotodiode mit rückseitigem Widerstandssubstrat als Geber,
Figur 4 einen Geber in Form eines Beschleunigungsaufnehmers, Figur 5 das von einem
Geber gemäß Figuren 2 bis 4 erzeugte, differenziert dargestellte Ausgangssignal,
Figur 6 das Blockschaltbild für die automatische Erkennung periodischer Dickenschwankungen
u n d Figur 7 den Signalverlauf am Ausgang der Schaltung gemäß Figur 6.
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Bei der grundlegenden Anordnung des Gebers zeigt der Richtungspfeil
25 den Banddurchlauf, bezogen auf welchen die Dickenschwankungen in der Beaufschlagungsrichtung
26 des Gebers 13 eine senkrechte Erstreckung besitzen. Das Band 12 weist die Dickenschwankungen,
wie sie schematisch dargestellt sind, nur in einem begrenzten Bereich auf. Da die
Bandoberflächen 14 und 15 auf den Geber 13 einwirken, ist das Ausgangssignal des
letzteren nach Amplitude und Frequenz bzw. Wellenlänge kennzeichnend für die periodischen
Dickenschwankungen. Die Bandoberlfächen 14 und 15 stehen dabei in einer unmittelbaren
Beziehung
zum Geber 13, der in Figur 1 lediglich für die obere Bandoberfläche
14 dargestellt wurde.
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Eine Verwirklichung des Gebers ist durch die Triangulationseinrichtung
nach Figur 2 gegeben. Je eine Laser-Diode 27 bzw. 27' beaufschlagt die Blechoberfläche
14 bzs. 15, von welcher der diffus reflektierte Laserstrahl 24 bzw. 24' über eine
ihn fokussierende Optik auf die längliche Fotodiode 16 bzw. 16' fällt. Unebenheiten
der Blechoberflächen 14 bzw.
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15 führen zu entsprechend ausgedehnten Auslenkungen der Laserstrahlen
24 bzw. 24' aus ihrer Normallage, so daß die Fotodioden 16 bzw. 16' hierdurch an
unterschiedlichen Stellen eine Belichtung erfahren. Die Fotodioden 16 bzw. 16' sind
nach Figur 3 mit einem rückseitigen Widerstandsubstrat 19 beschichtet und besitzen
zwei Stromableitungen 17, 18, so daß der ableitbare Strom ein Maß für den Ort der
Beaufschlagung mit dem fokussierten Laserstrahl ist, welcher über eine durchsichtige
Goldelektrode 20 auf die pn-Schicht der Fotodiode gelangt.
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Somit kommt man sowohl für die Blechoberfläche 14 als auch für die
Blechoberfläche 15 zu einer Abstandsermittlung 28 bzw. 28'. Durch eine Differenzbildung
29 entsteht ein elektrisches Signal, welches die Dicke des Bleches an der Stelle
der sie beaufschlagenden Laserstrahlen repräsentiert. Während die Dicke als Amplitude
des Signals dargestellt wird, entspricht der zeitbezogenen Häufigkeit der Dickenschwankung
die Frequenz des Signals.
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Abweichend von der vorstehend beschriebenen Triangulationsanordnung
läßt sich beim Durchgang durch ein Walzwerk als Geber auch ein Beschleunigungsaufnehmer
21 am Querhaupt 22 eines Walzgerüstes 23 anordnen, wobei der Banddurchlauf gemäß
25 im Bereich von Dickenschwankungen zu senkrecht zum Richtungspfeil 25 erfolgenden
Schwingungen gemäß den. Doppelpfeil 30 führt, die der Beschleunigungsaufnehmer 21
in ein Meßsignal umsetzt, das nach Amplitude und Frequenz differenziert ist und
die periodischen Dickenschwankungen somit repräsentiert. Bei diesem Beschleunigungsaufnehmer
handelt es sich zweckmäßig um einen Piezoquarz. Im dichten Abstand vom Beschleunigungsnehmner
21 ist der Ladungsverstärker 31 vorgesehen, dessen Ausgang das für die weitere Verarbeitung
geeignete Meßsignal darstellt. 9
Das durch die Triangulationsanordnung
oder durch den Beschleunigungsaufnehmer erzeugte Meßsignal setzt sich gemäß Figur
5 aus drei additiven Anteilen zusammen. In der Darstellung des zeitlichen Amplitudenverlaufes
zeigt Figur 5 demgemäß ß UIST : einen nichtperiodischen Anteil, AUN : einen Rauschanteil
u n d Br : einen periodischen, von periodischen Dickenschwankungen herrührenden
Anteil.
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Nur der letztgenannte Anteil UBr soll durch die in Figur 6 veranschaulichte
Schaltung erfaßt werden.
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Zu diesem Zweck besteht die erwähnte Schaltung nach Figur 6 zunächst
aus einem Filter 1, das sich aus zwei Teilen zusammensetzt: Block 1 A ist ein Hochpaßfilter,
das den - für diese Signalauswertung unwesentlichen, der Solldicke des Bandes entsprechenden
- Gleichspannungsanteil UD (Figur 5) und niederfrequente Anteile bis zur Frequenz
f1 unterdrückt; Block 1 B steht für eine oder mehrere Bandsperren, die die Signalanteile
der Frequenz f2 oder die Signalanteile der Frequenz f2 und die Vielfachen dieser
Frequenz f2 unterdrücken. Man kann auf diese Weise den sogenannten Netzbrumm (f2),
der im Walzwerk ständig vorhanden ist, und gegebenenfalls dessen Vielfache (n f2)
eliminieren, da sonst falsche Ergebnisse vorgetäuscht werden könnten. Die Funktion
dieser Filter ist in je einem Diagramm angegeben, dessen Ordinate die Durchlässigkeit
A der Signale und dessen Abszisse die Frequenz f darstellt.
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Der sich anschließende Verstärker 2 führt zur Anhebung der Amplitude
auf das für die Weiterverarbeitung erforderliche Maß.
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Dann folgt eine Stufe 3 mit einer toten Zone, wie die darunter wiedergegebene
Durchlaßscharakteristik erkennen läßt. Im Koordinatenkreuz zeigt die Abszisse Eingangsspannung
UE, während die Ordinate die Ausgangsspannung UA wiedergibt.
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In einem bestimmten Bereich von UE besteht keine Durchlässigkeit.
Dadurch wird ein Grundpegel im Meßsignal, wie das Rauschen des elektronischen Schaltungsbestandteils,
von vornherein ausgeschaltet, um eine weitergehende Verfälschung mit Meßwerten zu
verhindern.
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Das folgende Bandpaßfilter 4 ermöglicht die Einstellung der Durchlässigkeit
A in Abhängigkeit von der Frequenz f. Man erkennt eine Mittenfrequenz fA, zu deren
beiden Seiten Frequenzbereiche die Bandbreitedf kennzeichnen. Dieses Bandpaßfilter
ermöglicht die Einstellung der weiteren Durchlässigkeit auf einen bestimmten Frequenzbereich,
in welchem die periodischen Dickenschwankungen üblicherweise auftreten. Man kann
also diesen Bereich zunächst empirisch festlegen und sodann für weitere Untersuchungen
vorgeben.
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Der Spitzenwertgleichrichter 5 erzeugt eine positive Hüllkurve des
Signals im Anschluß an das Bandpaßfilter 4. Dadurch entsteht aus dem Betrag des
Wechselsignals ein kontinuierliches Signal, bei welchem der unterhalb der Abszisse
verlaufende Signalanteil nach oben geklappt wird, so daß ein glatter Verlauf über
alle Signal spitzen erreicht wird. Schematisch ist unter dem Spitzenwertgleichrichter
5 dieser Signal verl auf gestrichelt wiedergegeben.
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Das Zeitglied 6 gestattet für ansteigende und abfallende Flanken des
Signals die Einstellung unterschiedlicher Zeiten. Der Signalverlauf unterhalb des
Zeitgliedes 6 dient der Veranschaulichung unterschiedlicher Zeitkonstanten beim
Anstieg und Abfall. Man kann also den Anstieg und den Abfall jeweils geeignet gestalten.
Gewünscht für die Meßwertverarbeitung ist ein schneller Anstieg und ein langsamerer
Abfall. Demgemäß wird das vom Spitzenwertgleichrichter 5 kommende Signal in seinem
Zeitverhalten durch das Zeitglied 6 verändert.
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Die Blöcke 7 bis 11 dienen in ihrer Gesamtheit dazu, eine Verfälschung
der Auswertung durch nichtperiodische Signal veränderungen zu verhindern. Das Kernstück
dieses Teils der Schaltung ist die Sample & Hold-Stufe 7, auf die bereits ausführlich
eingegangen wurde. Im Summierer 9 findet eine Differenzbildung zwischen dem vom
Zeitglied 6 und dem über das Tiefpaßfilter 8 kommenden Signal statt. Diese Dif-
ferenz
wird im Trigger 10 mit der einstellbaren Triggerschwelle 11 weiterverarbeitet. Wie
schon dargestellt, unterbricht der Trigger 10 die weitere Signal zufuhr zur Sample
& Hold-Stufe 7, wenn die Differenz ein durch die Triggerschwelle vorgegebenes
Maß überschreitet. In diesem Falle wird die vorerwähnte Schaltung so lange unterbrochen,
bis die Triggerschwelle erneut angesprochen wird. Dann steht das Signal gemäß dem
rechten Teil der Figur 7 in einer geringeren Höhe zur Verfügung, als es sonst der
Fall wäre. Im Ergebnis führt dies dazu, daß der Einfluß der störenden, nichtperiodischen
Signalanteile ( Rist) erheblich reduziert wird.
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Zum weiteren Verständnis der Signalverarbeitung wird darauf hingewiesen,
daß sich das Tiefpaßfilter 8 und der Summierer 9 zusammen wie ein Hochpaßfilter
verhalten, denn die Differenz zwischen dem ungefilterten Signal und dem vom Tiefpaß
gefilterten Signal ist in der Charakteristik gleich derjenigen eines Hochpasses.
Der Unterschied besteht nur darin, daß durch die Sample & Hold-Stufe 7 die Verarbeitung
unterbrochen wird. Wenn die Triggerschwelle wirksam wird.
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Die bereits erwähnte Figur 7 veranschaulicht den Signalverlauf 32
nach der Spitzenwertgleichrichtung und den Signalverlauf 33 nach der Sample &
Hold-Stufe. Die Triggerschwelle 11 ist dabei als Differenz bezeichnet. Somit ergibt
sich, daß das Nachlaufverhalten wirkungsvoll vermieden wird, während der von der
periodischen Dickenschwankung herrührende Signalanteil entsprechend der gestellten
Aufgabe praktisch völlig erhalten geblieben ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE: 1A = Hochpaßfilter 1B = Bandpaßfilter 2 = Verstärker
3 = Stufe mit einer toten Zone 4 = Bandpaßfilter 5 = Spitzenwertgleichrichter 6
= Zeitglied 7 = Sample & Hold-Stufe 8 = Tiefpaßfilter 9 = Summierer 10 = Trigger
11 = Triggerschwelle 12 = Band 13 = Geber 14 15 = Blechoberflächen 16 = Fotodiode
73 = Stromableitungen 18 19 = Widerstandssubstrat 20 = Goldelektrode 21 = Beschleunigungsaufnehmer
22 = Querhaupt 23 = Walzgerüst 24 = Laserstrahl 25 = Richtungspfeil 26 = Beaufschlagungsrichtung
27 = Laserdiode 28 = Abstandsermittlung 29 = Differenzbildung 30 = Doppelpfeil 31
= Ladungsverstärker 32 = Signalverlauf nach der Spitzenwertgleichrichtung 33 = Signalverlauf
nach dem Tiefpaß 8