DE69132335T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erlangen von zerstörungsfreien Messungen an Objekten mit regelmässigen Formen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Erlangen von zerstörungsfreien Messungen an Objekten mit regelmässigen FormenInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Erlangen nichtzerstörender Messungen regelmäßig geformter Objekte nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 21.
- Ein derartiges Verfahren/eine derartige Vorrichtung ist bereits aus WO-A-8 912 281 bekannt. Die Lehre dieses Dokuments umfaßt: Abtasten eines Objekts mit wenigstens einer Quelle für harte Strahlung längs mehrerer Wege durch einen Querschnitt des Objekts; Erzeugen von Signalen, die die Strahlungsdämpfung längs jedes der mehreren Wege repräsentieren; Umsetzen der Dämpfungssignale in Signale, die die Dichte/Länge des Objekts längs jedes der mehreren Wege repräsentieren; und Verarbeiten der Dichten/Längen-Signale, um unter Verwendung eines Computermodells des zu untersuchenden Objekts die Abmessungen des Querschnitts des abgetasteten Objekts zu bestimmen.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur automatischen Qualitätskontrolle bei der Herstellung von geometrisch regelmäßig geformten Produkten wie etwa von Rohren und Rundstählen über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung, die eine nichtzerstörende Untersuchung der Abmessungen mit harter Strahlung und mit Computermodellen des Produkts umfaßt.
- Auf vielen Gebieten ist die Technologie bis zu einem Niveau fortgeschritten, bei dem die Materialien bis an ihre Grenzen getrieben werden. Aus diesem Grund wird die Qualitätskontrolle und -sicherung immer wichtiger nicht nur für die Produktionseffizienz, sondern auch, um den Ausfall eines Teils einer Vorrichtung zu verhindern, der unentdeckt möglicherweise zum Verlust von Eigentum und Leben führen könnte.
- Anstatt lediglich eine zufällige Stichprobe vorzunehmen, wird bei der Qualitätskontrolle irgendeines Produkts vorzugsweise jedes endliche Segment jedes Produktgegenstands geprüft. Um jedes Produkt zu prüfen, ist es wesentlich, daß der Test fortwährend und nichtzerstörend erfolgt, wobei der Test, um den Produktionsprozeß nicht zu hemmen, vorzugsweise schnell genug ausgeführt wird, um eine Echtzeitkontrolle zu schaffen.
- Bei der automatischen Prozeßsteuerung irgendeines Produktionsprozesses beruhen die Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale für Qualitätskontrollzwecke anstatt auf einer zufälligen Stichprobe eines erzeugten Gesamtprodukts vorzugsweise auf ausführlichen aufeinanderfolgenden Informationen über jedes Produkt in der Produktionslinie. Um Daten über jede Einheit des Produkts zu sammeln, ist es wesentlich, daß die Tests in der Weise erfolgen, daß sie den Produktionsprozeß nicht unterbrechen.
- Bei der Prozeßsteuerung werden die Qualitätskontroll-Rückkopplungssignale und Vorwärtsregelungssignale vorzugsweise so nahe wie möglich zur Echtzeit geliefert. Je schneller die Rückkopplungssteuersignale an den Produktionsprozeß geliefert werden können, desto weniger Produkte außerhalb der Spezifikation werden erzeugt. In einem heißen Produktionsprozeß erfordert dies, daß die Testdaten gesammelt werden, wenn das Produkt auf erhöhten Temperaturen ist. Die Fähigkeit zum Test des Produkts in der Herstellung ist bei erhöhten Temperaturen besonders wichtig, wenn die Steuersignale nach vorn an zusätzliche Produktionsprozesse zugeführt werden, die den Defekt korrigieren können, während das Produkt auf erhöhten Temperaturen bleibt.
- In der Vergangenheit wurde harte Strahlung in mehreren Qualitätskontrollanwendungen verwendet. Wie das US-Patent Nr. 3.248.916 belegt, offenbaren mehrere dieser Erfindungen die Verwendung harter Röntgenstrahlen zum Ausmessen der Dicke von Blech. Obgleich die US-Patente Nr. 3.841.123 und 3.851.509 die Verwendung harter Röntgenstrahlen zum Ausmessen der Enddicke von Blech lehren, offenbaren sie beide, daß die Verwendung von Röntgenstrahlenmessungen selbst in solchen einfachen Produktionsprozessen für automatische Prozeßsteuersysteme zu langsam ist.
- Ein Prozeßsteuersystem des Standes der Technik verwendet Röntgenstrahlen bei der Herstellung komplexerer Produkte. In dem US-Patent Nr. 3.496.745 verwendet die Prozeßsteuervorrichtung Röntgenstrahlen zur Messung der Wanddicke eines Rohrs nach dem letzten Walzgerüst. Diese Vorrichtung liefert jedoch nur eine Rückkopplung in bezug auf eine eindimensionale Messung: die durchschnittliche Wanddicke. Diese Testbetriebsart beschränkt die Anwendbarkeit der Erfindung auf ein umfassendes Prozeßsteuersystem für die Produktion dichter, geometrisch komplexer Produkte wie etwa eines Rohrs oder einer Röhre signifikant.
- Das US-Patent Nr. 4.725.963 offenbart eine Vorrichtung, die eine fortwährende dreidimensionale Untersuchung komplexer Produkte ausführt. Das Patent offenbart jedoch keine Vorrichtung, die diese Untersuchung während der Produktion der Rohre in Echtzeit an jedem Rohr ausführen kann. Somit kann das System nicht in einen Prozeßsteuerprozeß integriert werden, der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungsinformationen während der Produktion des Produkts in Echtzeit liefert.
- Die im US-Patent Nr. 4.725.963 offenbarte Erfindung ist außerdem durch ihre Unfähigkeit, die Schrumpfung des erzeugten Produkts zu betrachten, beschränkt. Obgleich das Patent ein System offenbart, das Messungen eines Rohrs bei erhöhten Temperaturen vornehmen kann, korrigiert es diese Messungen nicht, um die Schrumpfung des Produkts zu berücksichtigen, die die Abkühlung von den erhöhten Temperaturen begleitet.
- Ferner enthält das US-Patent 4.725.963 keine Elemente, die erforderlich sind, um die Messungen zu untersuchen, die erzeugt werden, um die Typen von Defekten in dem Produkt oder deren Ursachen zu identifizieren, während sie außerdem keine Einrichtung zum Erzeugen von Steuersignalen auf der Grundlage der Abmessungsuntersuchung enthält, um den Herstellungsprozeß zur Qualitätskontrolle zu abzuändern.
- Die US-Patente Nr. 3.496.745 und 4.535.614 offenbaren Systeme, die die Einstellung des Herstellungsprozesses auf der Grundlage von Längsdefekten nahelegen. Diese Steuersysteme des Standes der Technik stellen die Walzeneinstellungen für jedes erzeugte Produkt automatisch in der Weise ein, daß die Differenzen zwischen den an der Vorderkante und an der Hinterkante eines Werkstücks ausgeübten Kräften berücksichtigt werden. Die zuvor offenbarten Systeme nehmen jedoch an, daß für jedes Rohr als Antwort auf zuvor entwic kelte empirische Daten die gleiche Einstellung erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung nimmt auf der Grundlage der Einzeldaten jedes Werkstücks individuelle Einstellungen vor.
- In der Vergangenheit haben automatische Steuersysteme zur Ausführung einer Abmessungsanalyse eine andere Einrichtung als Röntgenstrahlen verwendet. Die US-Patente Nr. 3.841.123 und 3.851.509 zeigen die Verwendung von "Kraftausmessungen an Blech". Andererseits verwendet das System im US- Patent Nr. 4.771.622 magnetische Detektoren an Blech. Magnetische Detektoren sind auf komplexe Formen wie etwa auf Rohre oder Röhren nicht anwendbar, während sie auf die Verwendung an Materialien, die der magnetischen Erfassung unterliegen, beschränkt sind. Da Stahl seine magnetischen Eigenschaften bei Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur nicht besitzt, kann diese Vorrichtung bei einem Heißstahlwalzprozeß nicht verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf magnetische als auch auf nichtmagnetische Materialien anwendbar.
- Weitere Systeme, für die das US-Patent Nr. 4.535.614 als Beispiel dient, betrachten die Verwendung einer Lichtquelle und von Lichtsensoren zur Messung des Schattens eines Produkts. Dieses Verfahren ist offensichtlich auf Informationen über die Außenoberfläche eines Objekts beschränkt, während es somit, da es keine Hohlräume in solchen Objekten erfassen kann, auf Rohre und andere ähnlich geformte Produkte nicht anwendbar ist.
- In der Vergangenheit haben mehrere Prozeßsteuersysteme die Temperatur des Werkstücks und die Schrumpfung betrachtet. Die in den US-Patenten Nr. 3.841.123, 3.851.509 und 3.592.031 offenbarten Erfindungen verwenden Temperaturdaten in Steuersystemen für das Blechwalzverfahren. Diese Systeme nehmen jedoch sämtlich auf der Grundlage der gemessenen Temperatur zuvor bestimmte Einstellungen an Produktionsprozessen vor. Außerdem waren all diese Systeme insofern einfach, als sie nur eine Abmessung des Produkts betrachten: seine Dicke. Die früheren Systeme berechneten nicht die Korrekturen von den einzigartigen metallurgischen Eigenschaften, die auf das spezifische Los des verwendeten Rohmaterials anwendbar sind.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erlangen nichtzerstörender Messungen von regelmäßig geformten Objekten wie etwa eines Stahlrohrs und einer Stahlröhre praktisch in Echtzeit, um Abmessungen mit erhöhter Genauigkeit und Qualität zu ermöglichen, zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren und durch die in Anspruch 21 beschriebene Vorrichtung.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Erlangen nichtzerstörender Echtzeitabmessungen eines Objekts mit geometrisch regelmäßigen Querschnitten während seiner Herstellung. Die durch das System genommenen Abmessungen besitzen wegen des Korrekturschritts, der die erzeugten Formeln verwendet, die die Strahlungswegparameter und die bestimmten geometrischen Parameter repräsentieren, eine erhöhte Genauigkeit und Qualität.
- Fig. 1 ist eine vereinfachte graphische Darstellung des Produktionsablaufs in einem typischen Rohrwalzwerk für nahtlose Rohre, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
- Fig. 2a ist ein erläuterndes schematisches Diagramm der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer zwischen den Fertigwalzen und der Farbkennzeichnungsvorrichtung angeordneten Produktionslinien.
- Fig. 2b ist ein erläuterndes schematisches Diagramm des Umgebungs- und Sicherheitssteuersystems der Vorrichtung.
- Fig. 3a ist eine vereinfachte graphische Darstellung einer Quelle/eines Detektors, die einen Teil der Mehrquellen/-detektor-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bilden.
- Fig. 3b ist eine schematische Darstellung des Signalaufbereitungs-Teilsystems der Vorrichtung aus Fig. 2.
- Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des durch einen Detektor nach Fig. 3a erzeugten Signals und des als Antwort auf den Empfang eines Detektorsignals durch das Signalaufbereitungs-Teilsystem aus Fig. 3b erzeugten umgesetzten Signals.
- Fig. 5 ist ein Stromlaufplan des Datensammel-Steuerteilsystems der Vorrichtung aus Fig. 2.
- Fig. 6 ist ein Stromlaufplan der Computersystem-Hardware und -Peripheriegeräte, die einen Teil der Vorrichtung aus Fig. 2 bilden.
- Fig. 7a ist eine graphische Darstellung der Softwarearchitektur des in Fig. 6 gezeigten Computersystems.
- Fig. 7b ist eine vereinfachte graphische Darstellung, die die in dem Rechenalgorithmus verwendeten Parameter zeigt.
- Fig. 8a-h ist ein erläuternder Datenablaufplan der von der Quelle/dem Detektor herrührenden Signale während deren Verarbeitung durch in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung.
- Fig. 9a-h sind Darstellungen von Defektcharakteristiken, die durch die in Fig. 2a gezeigte Vorrichtung erfaßt werden können.
- Fig. 10 ist eine graphische Darstellung einer Muster-Dilatometrie-Kurve, die durch das Computersystem verwendet wird, um die Umgebungstemperaturabmessungen von bei erhöhten Temperaturen gemessenen Produkten zu berechnen.
- Fig. 11 ist eine vereinfachte graphische Darstellung der durch das Computersystem verwendeten Parameter, um die Vorrichtung zur Berücksichtigung der Geometrie der Quellen-/Detektorvorrichtung zu kalibrieren.
- Fig. 12 ist eine vereinfachte graphische Darstellung einer zum Kalibrieren der geometrischen Beziehung zwischen der Quelle und den Detektoranordnungen verwendeten Kalibrierungsplatte in der richtigen Lage zwischen einer Quelle und einer Detektoranordnung.
- Fig. 13 ist eine vereinfachte graphische Darstellung weiterer zum Kalibrieren der einzelnen Detektoren der Detektoranordnung verwendeter Kalibrierungsplatten mit unterschiedlicher Dicke in der richtigen Lage zwischen einer Quelle und den Detektoranordnungen.
- Fig. 1 ist eine graphische Darstellung eines typischen Rohrwalzwerks für nahtlose Rohre, in das die unten offenbarte Erfindung integriert werden kann. Der grundlegende Sauerstoffofen 1 erzeugt aus Eisenerz Stahl. Die Stranggußeinheit 2 gießt einen langen fortlaufenden Rohstab, der durch die Walzen 3 zu Rundstahl geformt wird. Die festen Rundstähle werden hierauf durch eine Trenneinrichtung 4 geschnitten und in einem Drehherdofen 5 angeordnet. Nachdem die Rundstähle durch den Drehherdofen 5 auf die richtige Temperatur gebracht worden sind, erzeugt der Pilgerdorn 6 ein Loch durch das Zentrum des Rundstahls, der nun einem Rohr ähnelt. Der Elongator 7, das Stopfenwalzwerk 8 und das Glättwalzwerk 9 verlängern das Rohr, glätten die Innenoberfläche des Rohrs und machen die Wanddicke über die Länge des Rohrs gleichförmig. Hierauf läuft das Rohr durch ein Hoch-Walzwerk (high mill) 10, das den endgültigen Innendurchmesser und die endgültigen Wandabmessungen erzeugt, worauf es auf dem Kühlbett 11 langsam abkühlen kann. Hierauf wird das Rohr in dem Vergütungsofen 12 erneut erwärmt und in der Vergütungseinheit 13 vergütet. Ein Temperierofen 14 erwärmt das Rohr erneut, worauf durch das Fertigwalzwerk 15 und durch den Heißstrecker 16 die Endbearbeitungsschliffe (finishing touches) hergestellt werden. Schließlich werden beide Enden des Rohrs durch die Rohrtrenneinrichtung 17 geschnitten, wobei das resultierende Rohr durch den Abstoßer 18 aus der Linie gestoßen und zum Versand aufbewahrt wird.
- Früher befand sich die Kalibrierungsanlage am Ende der Produktionslinie, nachdem die Röhre fertiggestellt war und sich signifikant abgekühlt hatte. Die Tests mit dieser Anlage waren häufig zerstörend, weil sie erforderten, daß eine Probe zum Test geschnitten und hierauf verschrottet wird.
- Außerdem rührte Abfall vom Schneiden übermäßiger Längen von den Enden des Rohr her. Die beiden Enden jedes erzeugten Rohrs müssen beschnitten werden, da beide Enden wegen der inhärenten Charakteristiken des Herstellungsprozesses unregelmäßig sind und außerhalb der Spezifikation liegen. Da es früher keine Informationen darüber gab, wo die Rohrabmessungen innerhalb der Spezifikation liegen, wurde der Schnitt großzügig gemacht, was zu signifikantem Abfall führte.
- Außerdem rührt ein Großteil des Abfalls von der Verzögerung von der Herstellung gegenüber dem Test her. Um einen Herstellungsprozeß zu korrigieren, müssen zunächst Abmessungsänderungen oder andere Defekte in dem Produkt erfaßt werden. Um den Defekt zu erfassen, muß das Produkt geprüft werden. Währenddessen erzeugt der nicht korrigierte Herstellungsprozeß während der Verzögerung weiter ein Rohr, das, da es außerhalb der Spezifikation liegt, ebenfalls verschrottet werden müßte. Das Verringern dieser Verzögerung verringert die Menge des Abfalls.
- Im Gegensatz zur vorhandenen Kalibrierungsanlage liegt die in Fig. 2a der vorliegenden Erfindung gezeigte bevorzugte Stelle 20 der Vorrichtung A zwischen dem Hochglättwalzwerk 10 und dem Kühlbett 11. An dieser Stelle empfängt die Vorrichtung A das Rohr P direkt nachdem es durch den Pilgerdorn 6, den Elongator 7, das Stopfenwalzwerk 8, das Glättwalzwerk 9 und das erste Hochglättwalzwerk 10 geformt wurde. Dies ermöglicht, daß die Vorrichtung A eine Rückkopplung an alle früheren Produktionsschritte liefert, um Defekte bei der zukünftigen Produktion mit weniger Verzögerung zu vermeiden, während sie außerdem an die wegführende Produktionsprozeßanlage wichtige Vorwärtsregelungsinformationen betreffs des Rohrs P liefert, das tatsächlich abgetastet wurde, so daß bestimmte identifizierte Defekte beseitigt werden können.
- Die Vorrichtung A ist jedoch nicht auf die Anordnung an der bevorzugten Stelle 20 in einem Walzwerk für nahtlose Rohre beschränkt. Sie kann an anderen Stellen längs der Produktionslinie angeordnet werden. Zum Beispiel kann die Erfindung an der Stelle 22 zwischen dem Temperierofen 14 und dem Fertigmaßwalzwerk 15 angeordnet werden. An dieser Stelle wurde das in die Vorrichtung A eintretende Rohrprodukt P geformt, zugeschnitten, vergütet und temperiert, wobei die Vorwärtsregelungsinformationen an ein Fertigwalzwerk 15 für Korrekturen und außerdem an den Heißstrecker 16 und an den Rohrkenn zeichner oder an die Rohrtrenneinrichtung 17 gesendet werden können. Die Vorrichtung A kann abgeändert werden, um sie an einer anderen Stelle in die in Fig. 1 gezeigte Produktionslinie einzubauen, so daß sie Defekte in dem Produkt betreffende Prozeßsteuerinformationen identifiziert und liefert.
- Die offenbarte Vorrichtung A ist nicht auf den Produktionsprozeß des Walzwerks für nahtlose Rohre beschränkt; sie kann in anderen Prozessen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Vorrichtung A mit nur wenigen Änderungen leicht z. B. beim Strangpressen, beim Strangguß, bei Elektrowiderstands-Produktionsprozessen und spanabhebenden Produktionsprozessen und bei Prozessen zur Herstellung geschweißter Röhren, Stangen oder Stäbe verwendet werden. Die offenbarte Vorrichtung und das offenbarte Verfahren betreffen die Produktionsprozesse zylindrischer Produkte; wenn das Verfahren mit geeigneten Modellieralgorithmen abgewandelt wird, kann es jedoch in dem Produktionsprozeß irgendeines geometrisch regelmäßig geformten Objekts genutzt werden. Für Zwecke der Erleichterung der Beschreibungen soll der Ausdruck "das Rohr P oder das Produkt P" je nach Kontext der Beschreibung aber den Walzblock, das Rundrohr oder das Fertigrohr P bedeuten.
- In Fig. 2a ist die Vorrichtung A für Erläuterungszwecke in einer Rohrproduktionslinie zwischen dem Hochglättwalzwerk 10 und einem Farbkennzeichner 17 angeordnet. Das Rohr P läuft in der Figur von links nach rechts. Die Objektdetektoren 30 überwachen den Fortschritt des Rohrs P, während es entlang der Produktionslinie läuft. Diese Objektdetektoren 30 werden verwendet, um die Geschwindigkeit und die Position des Rohrs P in verschiedenen Phasen in dem Produktionsprozeß zu bestimmen. Die Objektdetektoren 30 sind erforderlich für die Qualitätskontrolle der Produktionsschritte wie etwa des Schneidens oder des Kennzeichnens des Abschneideabstands von beiden Enden des Rohrs und zur Bestimmung der Produktlänge. Die genaue Stelle des Rohrs P in der Rohrtrenneinrichtung 17 muß für die Vorrichtung A verfügbar sein, so daß das Rohr P an der richtigen Stelle geschnitten werden kann.
- In der Produktionslinie ist in dem Weg des Rohrs P auf einem Schienenkarren 34 eine unten ausführlicher beschriebene Quellen-/Detektorvorrichtung 32 angeordnet. Der Weg des Schienenkarrens wird durch zwei Schienen 36 definiert, die senkrecht und unter dem Weg des Rohrs durchgehen. An dem Gehäuse 38 der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 sind wenigstens ein und vor zugsweise zwei oder mehr Pyrometer 40 angeordnet, die die Temperatur des Rohrs P in der Nähe der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 messen. Ein geeignetes Pyrometer ist ein kontaktloser Temperaturwandler, der durch Erfassen der Wellenlänge der Infrarotstrahlung Objekte zwischen 1200 und 2000 Grad Fahrenheit messen kann. Das Blickfeld des Pyrometers sollte groß genug sein, um eine gute Durchschnittstemperatur des Objekts zu erhalten. Kleine Fleckgrößen können diskrete Differenzen in bezug auf die gemessene Temperatur zeigen. Ein Durchmesser der Fleckgröße von einem Zoll (2,54 cm) sollte angemessen sein. Die Antwortzeit sollte in dem Zeitbereich von 50 ms bis 1 s einstellbar sein, wobei sie gemäß der Geschwindigkeit, mit der das Objekt läuft, eingestellt wird.
- An dem Schienenkarren 34 ist außerdem eine Baugruppe 42 angebracht. Die Baugruppe 42 enthält eine Elektronikbaueinheit zum Aufbereiten der Signale von der Quellen-/Detektorvorrichtung 32, die unten ausführlicher beschrieben wird. Die durch die Baueinheit 42 erzeugten elektronischen Signale werden durch das Datenerfassungs- und Steuersystem 44 gesammelt. Das Datenerfassungs- und Steuersystem 44 verarbeitet die gesammelten Signale weiter und sendet die resultierenden Informationen über eine schnelle Kommunikationsverbindung 48 an ein geeignetes Computersystem 46. Die Baugruppe 42 kann außerdem in das Schutzgehäuse 38 eingebaut sein.
- Die schnelle Kommunikationsverbindung 48 ermöglicht, daß das Computersystem 46 und die unten diskutierten zugeordneten Peripheriegeräte fern von dem rauhen elektromagnetischen Rauschen, den Schwingungen, dem Schmutz und den erhöhten Temperaturen, wie sie in der typischen Umgebung eines in Fig. 1 gezeigten Produktionswalzwerks zu finden sind, angeordnet sind. Eine bevorzugte Kommunikationsverbindung 48 ist ein Lichtleitfasersystem, das eine schnelle Datenübertragung mit minimaler Rauschstörung schafft.
- Das Computersystem 46, das unten ausführlicher beschrieben wird, verarbeitet die Signale von dem Datenerfassungs-Steuersystem 44, um fortwährend eine Abmessungsuntersuchung des Rohrs P zu erzeugen und zu bestimmen, welche Verarbeitungsanlage eingestellt werden muß.
- Das Computersystem 46 sendet hierauf über eine weitere schnelle Kommunikationsverbindung Steuersignale an eine automatische Prozeßsteuer-Schnitt stelle. Vorzugsweise ist das Computersystem 46 mit zwei automatischen Prozeßsteuer-Schnittstellen verbunden: Einer über die Verbindung 52 für die Rückkopplungssteuerung 50 und der anderen über die Verbindung 55 für die Vorwärtsregelungssteuerung 54. Wegen des besonderen Produktionsprozesses und der Stelle, in der sich die Quellen-/Detektor-Abtastervorrichtung 32 in Fig. 1 befindet, wird die Verwendung zweier automatischer Prozeßsteuer- Schnittstellen 50 und 54 bevorzugt. In einem anderen Produktionsprozeß ist möglicherweise nur eine automatische Prozeßsteuer-Schnittstelle erforderlich.
- Die automatischen Prozeßsteuer-Schnittstellen 50 und 54 bereiten die Steuerinformationen auf und senden über die Verbindungen 56 bzw. 58 Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale an die Stellmotoren, Kennzeichnungssysteme, Trenneinrichtungen usw., um eine oder mehrere Prozeßkomponenten des Produktionsprozesses in Fig. 1 in der Weise abzuändern, daß die durch die Vorrichtung A gemessenen und erfaßten Defekte berücksichtigt werden. In Fällen, in denen ein Defekt nicht automatisch korrigiert werden kann, erzeugt das Computersystem 46 eine Nachricht, die den Betreiber über den Defekt und seine wahrscheinliche Ursache informiert.
- Außerdem werden die Vorwärtsregelungsinformationen von der Vorwärtsregelungs-Steuerschnittstelle 54 über die Verbindung 58a an eine Komponente in dem Produktionsprozeß in Fig. 1 wie etwa an die Farbkennzeichner oder Rohrtrenneinrichtungen 17 gesendet, die die Enden des Rohrs P dort, wo das Rohr P außerhalb der Spezifizierung liegt, kennzeichnen oder abschneiden.
- Außerdem ist das Computersystem 46 über die Verbindung 61 mit mehreren Peripheriegeräten 62 verbunden, um Daten graphisch anzuzeigen, auszudrucken und in Langzeit-Speichervorrichtungen zu speichern.
- Die Umgebung eines Produktionswalzwerks wie etwa eines Walzwerks für nahtlose Stahlrohre kann für einen Großteil der mit der Erfindung genutzten Anlage rauh und aggressiv sein. Solche Umgebungen sind typischerweise mit Schmutz, Staub, Feuchtigkeit, hohen Temperaturen, Schwingung, Rauschen und elektromagnetischen Feldern verunreinigt.
- Die Vorrichtung A (Fig. 2a und 2b) der vorliegenden Erfindung enthält mehrere Verfahren zum Schutz der Komponenten der Vorrichtung. Das Computersystem 46 und seine Peripheriegeräte 52, 128 und 129 sind dadurch, daß sie sich anderswo befinden, gegenüber der rauhen Umgebung geschützt, wobei sie somit aus der rauhen Umgebung des Walzwerks entfernt sind. Dies wird durch Integration einer schnellen Lichtleitfaser-Kommunikationsverbindung ermöglicht, die ermöglicht, daß das Computersystem und seine Peripheriegeräte von dem Walzwerk entfernt sind, ohne daß die Zeitverzögerung signifikant beeinträchtigt wird. Ein zusätzlicher Nutzen der Lichtleitfaser-Kommunikationsverbindung 48 besteht in ihrer praktischen Störfestigkeit gegenüber dem hohen Niveau der elektromagnetischen Rauschstörung, die in einer Herstellungsumgebung üblicherweise zu finden ist.
- Dennoch können mehrere Komponenten der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 und des Signalaufbereitungsmoduls 42 nicht aus der Produktionsumgebung entfernt werden. Das Datenerfassungs-Steuersystem 44 und die automatischen Prozeßsteuer-Schnittstellen 50 und 54 verbleiben in der Produktionsumgebung, wobei sie jedoch in luftdichten Schutzkapseln angeordnet werden. Diese Kapseln sind so konstruiert, daß sie das System 44 und die Schnittstellen 50 und 54 gegenüber Staub, Schutt, Temperaturfluktuation, elektromagnetischem Rauschen, Schwingungen und anderen aggressiven Bedingungen schützen. Ähnlich ist die Quellen-/Detektorvorrichtung 32 in einem Schutzgehäuse 38 enthalten. Das Innere dieser Gehäuse wird durch ein Überdruck-Luftaufbereitungssystem in bezug auf die Umgebung gesteuert. Der leichte Überdruck wird verwendet, um zu verhindern, daß Walzwerkschmutz in die Kapseln eindringt. Dieser Überdruck wird über einen Luftkompressor 65 zugeführt.
- Das Schutzgehäuse 38, in dem die Quellen-/Detektorvorrichtung 32 untergebracht ist, besitzt zusätzliche Umgebungs- und Sicherheitsmerkmale. Diese Merkmale sind erforderlich wegen der Wärme, die von dem durch die Quellen-/ Detektorvorrichtung 32 geleiteten heißen Rohr P abgestrahlt wird, und wegen der Wärme, die im Ergebnis der Elektronikverlustleistung in den Gehäusen 38 und 42 erzeugt wird (siehe Fig. 2a und 2b). Das Gehäuse 38 enthält: innen die Temperatur- und Strahlungsüberwachungseinrichtungen (nicht gezeigt) und außen die Überwachungseinrichtungen 61 und 63 des Gehäuses 38, ein Wasserabschrecksystem 64, das das Rohr P abschreckt, wenn die Produktionslinie anhält und die Temperatur in dem Gehäuse 38 über ein sicheres Niveau steigt, ein Luftkompressorsystem 65 zum herkömmlichen Kühlen des Gehäuses 38 von der Außenseite zwischen den Rohren her, ein Kühlersystem 68 mit den internen Wassertemperatursensoren 66 und den Drucksensoren 67, das das Kühlwasser in dem Gehäuse umwälzt, um die Quellen-/Detektorvorrichtung 32 gegenüber der Strahlungswärme von dem heißen Rohr zu schützen. Wenn unsichere Bedingungen entdeckt werden, läßt der Computer über ein akustisches Meldegerät einen Alarm 69 ertönen und schaltet die Quellen-/ Detektorvorrichtung 32 ab. Das Sicherheits- und Umgebungssteuersystem wird wie unten in der Beschreibung der Hauptcomputersoftware beschrieben durch das Computersystem 46 überwacht und gesteuert.
- Fig. 3A zeigt ein Quellen- und Detektor-Anordnungspaar 70. Die Quellen-/Detektorvorrichtung 32 enthält wenigstens zwei solcher Quellen-/Detektorpaare. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt es in der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 drei Paare 70.
- Die Quelle 72 sendet einen Strahl 74 von Gamma- oder Röntgenstrahlung aus, der durch den gesamten Querschnitt des Rohrs P geleitet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rohrs P wird der gedämpfte Gammastrahlungs- oder Röntgenstrahlungsstrahl 76 durch eine Detektoranordnung 78 erfaßt, die viele eng gepackte Detektoren 80 enthält. Jeder der Detektoren 80 erzeugt als Antwort auf die durch einen Detektor 80 erfaßten Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen die in Fig. 3b gezeigten schnellen analogen Spannungssignale 81. Diese analogen Signale 81 werden hierauf an mehrere Kanäle 85 der Signalaufbereitungs-Baugruppe 42 gesendet. Ein Kanal ist in Fig. 4 gezeigt. Jeder Kanal 85 der Baugruppe 42 enthält einen herkömmlichen ultraschnellen Komparator 84 mit einem Eingang, der an die Verbindung 81 von einem Detektor angeschlossen ist. Der zweite Eingang ist an eine einstellbare Spannungsquelle VTH angeschlossen, die die Schwellenspannung 83 für den Komparator liefert. Der Komparator erzeugt einen Auslöseimpuls, der hierauf an einen Digitalimpulsgenerator 86 übertragen wird. Der Generator 86 erzeugt als Antwort auf einen Auslöseimpuls an seinem Eingang einen Digitalimpuls oder ein aufbereitetes Signal, jedoch nur dann, wenn der Auslöseimpuls, wie in Fig. 3b gezeigt ist, nach der festen Totzeitdauer t&sub0; vor dem Sammeln durch das Datenerfassungs- Steuersystem 44 auftritt. Abgesehen von der hier gegebenen Beschreibung sind geeignete Quellen 72 und Detektoranordnungen 78 im US-Patent Nr. 4.725.963 beschrieben.
- Da die Analogsignale 81 unterschiedliche Amplituden haben und wegen der zufällig ausgesendeten Photonenereignisse von einer Quelle 72 zufällig auftreten, ist jeder Kanal 85 der Baugruppe 42 so beschaffen, daß er nur dann einen Digitalimpuls oder ein aufbereitetes Signal 82 erzeugt, wenn die Amplitude des analogen Signals von einem Detektor 80 größer als ein Schwellenniveau 83 ist. Wenn der Kanal 85 der Baugruppe 42 ausgelöst wurde, kann er während einer "Totzeit" genannten festen Zeitdauer t&sub0; kein weiteres Aufbereitungssignal 82 erzeugen. Die feste Totzeitdauer ermöglicht eine genaue Korrektur der Anzahl der gezählten Impulse.
- Jeder Detektor 80 besitzt etwas andere Erholungszeiten, in denen er sich vom Abtasten eines Impulses und vom Abtasten eines folgenden Impulses erholen kann. Dies liegt am zufälligen Wesen der Impulshöhe und -breite des ankommenden Signals 81. Während einer Detektorerholungszeit können zusätzliche Impulse den Detektor 80 erreichen. Dieser Zusammenstoß von Impulsen muß korrigiert werden. Da jeder Detektor 80 eine andere Erholungszeit besitzt, können die Korrekturen kompliziert sein. Um die Korrektur zu vereinfachen, stellt die Schaltungsanordnung eine feste, für jeden Detektor gleiche Totzeit ein, die größer als die größte Erholungszeit ist. Durch die Verwendung einer festen Totzeit ist der Anteil der Zeit, während der die Detektoren nicht auf ankommende Strahlung antworten, bekannt. Bei Kenntnis dieses Anteils kann die gemessene Strahlungszählung korrigiert werden, um tatsächlich die gesamte Strahlung, die den Detektor erreicht hat, zu berücksichtigen. Wenn z. B. die gemessene Strahlungszählung 900 betrug und die gesamte Totzeit für 10% der Gesamtzeit verantwortlich war, wird die tatsächliche Strahlungszählung zu 1000 berechnet. Die Verwendung einer gleichförmigen festen Totzeit für sämtliche Detektoren ermöglicht die Verwendung einer Formel für sämtliche Detektoren 80; somit ist es unmöglich und unpraktisch, die Antwortzeit jedes einzelnen Detektors zu bestimmen.
- Fig. 5 liefert eine ausführlichere Beschreibung dessen, wie ein Kanal 85 von Daten gesammelt und von der Signalaufbereitungs-Teilbaueinheit 42 an das Computersystem 46 übertragen wird. Die von jedem Detektoraufbereitungskanal 82 kommenden Digitalsignale werden an einen herkömmlichen Zähler 102 übertragen, der fortwährend zählt, wie oft die Signale einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen. Ein Datenregister 104 zwischenspeichert periodisch mit einer vorgegebenen Abtastrate auf die Zählung in dem Zähler 102 und überträgt die Zählung an den Datenerfassungs-Teilsystem-Datenbus 100. Sofort, nachdem das Register 104 auf die Zählung zwischenspeichert, wird der Zähler 102 gelöscht, wobei er von null weiterzählt. Die Zwischenspeicherung des Registers 104 und das Löschen des Zählers 102 werden durch einen herkömmlichen Controller 106 bewirkt. Der Controller 106 verfügt über einen Zeitgeber 108, der die Zeitinformationen an den Controller 106 und an den Datenbus 100 überträgt. Eine geeignete Listenablaufsteuerung und ein Puffer 110 sammeln die von dem Datenregister 104 gesendeten Daten, wobei sie die Daten in einem kompakten Format sperren, bevor sie sie über eine geeignete schnelle Kommunikationsverbindung 48, die 32 Bits-Wörter mit einer Rate von bis zu 5 Megabyte pro Sekunde übertragen kann, an das Computersystem 46 senden. Eine geeignete schnelle Kommunikationsverbindung 48 ist eine Lichtleitfaserverbindung mit einem 100 Mikrometer-Lichtleitfaserkern mit einer Dämpfung von 5 dB/km oder weniger. Ein Elektronik-Lichtleitfaser-Signalumsetzer 112 setzt das Digitalsignal in Lichtimpulse um, die über ein Lichtleitfaserkabel 114 übertragen werden. Am anderen Ende des Kabels 114 werden die optischen Signale durch einen Lichtleitfaser-Elektroniksignal-Umsetzer 116, der das elektronische Digitalsignal an das Computersystem 46 überträgt, zurück in ein Digitalsignal umgesetzt.
- Die Hardwarestruktur des Computersystems 46 ist in Fig. 6 gezeigt. Das Computersystem 46 erhält über eine schnelle rauscharme Kommunikationsverbindung 48 Daten von dem Datenerfassungs- und Steuersystem 44. Vorzugsweise umfaßt das Computersystem 46 einen Hauptcomputer 120 mit drei Peripherie- Coprozessoren 122, 124, 126. Ein geeigneter Hauptcomputer ist ein Micro Vax II der Digital Equipment Corporation (DEC) mit wenigstens 4 Megabytes Hauptspeicher und einer Verarbeitungsrate von ungefähr 0,9 MIPS. Geeignete Coprozessoren sind Vektor-Prozessoren mit Datenverarbeitungsraten von 20 Millionen Gleitkommabefehlen pro Sekunde.
- Der Computer 120 ist in der Weise programmiert, daß er als der zentrale Datenverarbeitungs-Netzknoten wirkt, der spezifische Datenverarbeitungsaufgaben an die drei Coprozessoren überträgt, während er das Saldo der Datenverarbeitung selbst ausführt. Außerdem dient der Computer 120 als Verbindung des Betreibers zu den anderen Komponenten der Vorrichtung A.
- Der allgemeine Zweck der drei Coprozessoren besteht in der Erhöhung der effektiven Datenverarbeitungsrate des Computersystems 46 durch Parallelverarbeitung. Die Coprozessoren bekommen jeweils spezifische Datenverarbeitungsaufgaben übertragen, die parallel ablaufen können.
- Zum Beispiel berechnet der Coprozessor 122 die Weglänge der Strahlung über das Rohr und führt eine im folgenden beschriebene analytische Datenreduktion aus, um die Datenpunkte zu bestimmen, die durch andere Programme verwendet werden, um ein Endergebnis zu erreichen. Gleichzeitig nimmt der Coprozessor 124 die Abmessungen (OD, ID, Wanddicke, Exzentrizität, Unrundheit und Länge) des heißen Rohrs und die metallurgisch-chemischen Daten und die Dilatometriedaten auf, um die Kaltabmessungen des Produkts nach dem Abkühlen zu berechnen. Während die Coprozessoren 122 und 124 ihre Berechnungen ausführen, berechnet der Coprozessor 126 die Abmessungsvarianz zwischen den gemessenen Abmessungen und den gewünschten Abmessungen. Aus diesen Varianzen identifiziert der Coprozessor III 126 Defekte, wobei er Signale erzeugt, die entweder den Defekt korrigieren oder den Betreiber über den Defekt und seine mögliche Ursache informieren. Die durch die Coprozessoren 122, 124 und 126 ausgeführten Datenverarbeitungsaufgaben werden unten ausführlicher offenbart.
- Alternativ könnten die DEC MicroVax und die drei Coprozessoren durch irgendein anderes Computersystem ersetzt werden, das eine Schnittstelle zu den erforderlichen Peripheriegeräten und zu der erforderlichen Datenerfassungselektronik bilden kann und eine Gesamtdatenverarbeitungsrate besitzt, die gleich der der MicroVax und ihrer Coprozessoren oder größer als diese ist.
- Außerdem ist das Computersystem 46 mit zahlreichen Peripheriegeräten 128 und 129 verbunden, die Informationen anzeigen oder ausdrucken und außerdem Daten in Langzeit-Speichervorrichtungen speichern oder archivieren können.
- Die Anwendungssoftwarearchitektur 130 des Hauptcomputers 120 ist in Fig. 7a gezeigt. Im Mittelpunkt der Softwarearchitektur 130 steht der gemeinsam genutzte Speicher 132, d. h. ein partitionierter Abschnitt des Hauptspeichers des Computers, der Daten für die verschiedenen hier beschriebenen Programme, die die Informationen zur Lösung ihrer Aufgaben benötigen, verfügbar macht. Der gemeinsam genutzte Speicher 132 selbst ist in mehrere Partitionen unterteilt. Eine Partition 134 hält von dem Datenerfassungs-Steuersystem 44 empfange Rohdaten oder unbearbeitete Daten, die durch das Computersystem 46 noch nicht verarbeitet wurden; eine zweite Partition 136 hält verarbeitete Daten oder Ergebnisse verschiedener Phasen der Berechnung; während eine dritte Partition 138 Statusmerker hält, die den hier beschriebenen Programmen signalisieren, daß sie mit dem Sammeln von Daten von der Partition bzw. von den Partitionen 134 und/oder 136 beginnen sollen. Nachdem die residenten Programme das Sammeln von Daten von dem gemeinsam genutzten Speicher 132 abgeschlossen und die den Programmen übertragenen Verarbeitungsaufgaben ausgeführt haben, werden die Ergebnisse in die Partition 136 kopiert, wobei in der Partition 138 Signalmerker geändert werden, die anderen, unten beschriebenen Programmen signalisieren, daß die Daten in der Partition bzw. in den Partitionen 134 und/oder 136, die sie zur Lösung ihrer Aufgaben benötigen, verfügbar sind.
- Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet sieben unten beschriebene Anwendungsprogramme, die auf dem Hauptcomputer 120 laufen.
- Eines dieser sieben Programme ist der Datenerfassungs- und Umgebungssteuermanager 140. Die Umgebungssteuerfunktionen dieses Programms 140 sind oben ausführlicher offenbart. Die Datenerfassungsfunktionen dieses Programms 140 umfassen das Sammeln von Daten, die von dem Datenerfassungs- Steuersystem 44 über eine schnelle Kommunikationsverbindung 48 an das Computersystem 46 gesendet wurden, und das Ablegen der Daten in dem gemeinsam genutzten Speicher 132.
- Außerdem enthält der Computer drei Coprozessor-Managerprogramme 142, 144 und 146 für die jeweiligen Überwachungscoprozessoren 122, 124 und 126.
- Die Hauptfunktion der Programme 142, 144 und 146 besteht im Senden von Daten von den Partitionen 134 und 136 an den Coprozessor 122, 124 oder 126 und im Zurückbringen der Ergebnisse des Coprozessors zum Speichern in der Partition 136. Das Managerprogramm 142 für den Coprozessor 122 nimmt Rohdaten von der Partition 134 des gemeinsam genutzten Speichers 132, sendet sie an den Coprozessor 122, der seine Verarbeitungsaufgaben ausführt, empfängt die Ergebnisse, führt zusätzliche unten beschriebene Berechnungen aus und kopiert die Ergebnisse schließlich in die Partition 136 des gemeinsam genutzten Speichers 132.
- Das Coprozessor-Managerprogramm 144 nimmt die durch das Coprozessor- Managerprogramm 122 in der Partition 136 angeordneten Ergebnisse und sendet sie an den Coprozessor 124, der seine Verarbeitungsaufgabe ausführt, die Ergebnisse empfängt, zusätzliche Berechnungen ausführt und die Ergebnisse in die Partition 136 in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 kopiert.
- Das Coprozessor-Managerprogramm 146 nimmt die durch den Coprozessor- Manager 144 in der Partition 136 angeordneten Ergebnisse und sendet sie an den Coprozessor 126, der seine Verarbeitungsaufgabe ausführt, die Ergebnisse empfängt, zusätzliche Berechnungen ausführt und die Ergebnisse in die Partition 136 des gemeinsam genutzten Speichers 132 kopiert. Die Verarbeitungsaufgaben für jeden Coprozessor 122, 124 und 126 und für die Coprozessor- Managerprogramme 142, 144 und 146 werden unten ausführlicher offenbart.
- Ein weiteres Managerprogramm in dem Hauptcomputer 120 wird der Prozeßsteuermanager 148 genannt. Dieses Programm 148 koordiniert das Senden von Prozeßsteuerinformationen an die automatische Prozeßsteuer-Schnittstelle 50.
- Ein Anzeigeprogramm 150 in dem Hauptcomputer 120 schafft eine Anwenderschnittstelle zu der Vorrichtung A. Dieses Programm 150 wird im folgenden ausführlicher offenbart.
- Das Datenarchivprogramm 152 speichert durch das Computersystem 46 erzeugte ausgewählte Daten und Ergebnisse elektronisch in einer Langzeit-Speichervorrichtung 62. In der bevorzugten Ausführungsform führt das Datenarchivprogramm 152 jedoch auch zusätzliche Funktionen aus. Zum Beispiel führt das Datenarchivprogramm vor der elektronischen Archivierung der Daten in seiner Speichervorrichtung 62 mehrere unten beschriebene Berechnungen aus, die relevant für die Gesamtlänge eines Stücks des Rohrs P sind.
- Diese sieben Programme laufen nicht in irgendeiner besonderen Reihenfolge; typischerweise werden sie jedoch priorisiert. Zum Beispiel ist die Betriebssicherheit von primärer Bedeutung; somit erhält das Programm, das die Umgebungssteueranlage der Vorrichtung überwacht und steuert, Priorität. Falls andernfalls, um ein weiteres Beispiel zu nennen, das Messen eines Gesamtstücks des Rohrs P wichtiger als die Anzeige der Informationen in Echtzeit ist, erhalten die zum Messen des Rohrs P erforderlichen Programme Priorität gegenüber dem Anzeigeprogramm. Falls die Qualitätskontrolle wichtiger als die Prozeßsteuerung ist, was üblicherweise zutrifft, erhalten die zum Erfassen von Defekten erforderliche Programme die Priorität gegenüber den zum Bestimmen der Ursache eines Defekts erforderlichen Programmen.
- Da die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung zur Verwendung in einem Rohrproduktions-Walzwerk (Fig. 1) vorgesehen war, steht zwischen den Stücken des Rohrs P ein Zeitintervall zum Ausführen von Berechnungen zur Verfügung. Das Computersystem 46 macht sich diesen Zeitraum dadurch zunutze, daß es bestimmte im folgenden beschriebene Berechnungen in dem Datenarchivprogramm 152 ausführt. In einer alternativen Ausführungsform benötigt die Vorrichtung jedoch keine Zeitintervalle, um fortwährend in Echtzeit zu arbeiten. Ein (in der Zeichnung nicht gezeigter) vierter Coprozessor kann dazu verwendet werden, den Hauptcomputer 120 von der zum Ausführen der in dem Datenarchivprogramm 152 ausgeführten Berechnungen erforderlichen Zeit zu befreien.
- Falls ein zweites Rohr P in die Quelle/den Detektor 32 eintritt, während das Datenarchivprogramm 152 läuft, verläßt der Hauptcomputer 120 vorzugsweise den Lauf des Datenarchivprogramms 152 und beginnt mit dem Lauf des Datenerfassungs- und Umgebungssteuermanagers 140. Dieses Verlassen kann stattfinden, wenn der Betreiber stärker an der Qualitätskontrolle und an der Erfassung von Defekten für das Gesamtstück des Rohrs P anstatt an einer sofortigen Prozeßsteuerung interessiert ist. Somit erhielt das Datenerfassungsprogramm 140 eine höhere Priorität als das Datenarchivprogramm 152.
- Bei der ausführlicheren Betrachtung der sieben obenbeschriebenen Programme besteht die primäre Funktion des Datenerfassungs- und Umgebungssteuermanagers 140 im Empfang der Daten von dem Datenerfassungs-Steuersystem 44. Das Programm 140 beginnt durch die Initialisierung sämtlicher Datenerfassungszähler 102 in dem Datenerfassungs-Steuersystem 44. Das Programm kann in eine Bereitschaftsbetriebsart umgeschaltet werden, wobei es darauf wartet, daß die Datenerfassungslisten-Ablaufsteuerungen 110 eine vorgegebene Menge von Rohdaten, z. B. fünf Rohdatensätze, sammeln. Wenn die mehreren Rohdatensätze gesammelt wurden, nimmt das Programm 140 die Rohdaten an und ordnet sie in der Partition 134 des gemeinsam genutzten Speichers 132 an, um sie für die anderen zuvor beschriebenen Programme verfügbar zu machen. Die gleichzeitige Übertragung solcher Rohdatensätze ist nicht erforderlich, erfolgt aber vorzugsweise, um die mit dem Übertragen von Informationen an den Hauptcomputer 120 zusammenhängende Organisationszeitdauer zu verringern.
- Zusätzlich zum Erfassen von Daten von der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 sammelt das Programm 140 außerdem Daten von den Pyrometern 40. Das elektronische Signal von dem Pyrometer 40 wird zum Berechnen der Temperatur des Rohrs P für jeden Abtastquerschnitt verwendet. Die Berechnung wird wie unten beschrieben in dem Coprozessor II 124 ausgeführt. Die Temperaturdaten werden in einer Weise erfaßt, die fortwährende Temperaturmeßwerte längs der Länge des Rohrs P ermöglicht. Diese Temperaturdaten sind für die ebenfalls durch den Coprozessor II 124 ausgeführten Dilatometrieberechnungen wesentlich. Sowohl die Quellen/Detektor-Daten als auch die Pyrometerdaten werden durch die Verwendung einer schnellen Überwachungsroutine in dem Programm 140 gesammelt, da diese Daten mit einer hohen Abtastrate gesammelt werden müssen. Um sicherzustellen, daß die Strahlung in sicheren Grenzwerten gehalten wird, werden die Meßwerte von den Strahlungsüberwachungseinrichtungen 63 aus Sicherheitsgründen ebenfalls mit der gleichen schnellen Überwachungsroutine gesammelt. Falls die Strahlungsmeßwerte abnormal hoch sind, läßt dieses Programm 140 einen Alarm 69 ertönen, wobei sie die Strahlungsquellen 72 zwingt, sich abzuschalten, falls die Strahlung außerordentlich abnormal ist.
- Zusätzlich zu der schnellen Datenüberwachungs-Erfassungsfunktion führt der Datenerfassungs- und Umgebungssteuermanager 140 mehrere langsame Überwachungsfunktionen aus. Die langsamen Überwachungsaktivitäten umfassen die Erfassung von Daten, die die nicht gezeigte Lufttemperatur und den nicht gezeigten Druck in dem Detektorgehäuse 38, das Kühlwasser, die Temperatur 66, den Druck 67 und das Umwälzen des Walzwerk-Entlüftungssystems 65 betreffen. Das Programm läßt einen Alarm 69 ertönen, wenn die Lufttemperatur und der Druck einen spezifischen Bereich verlassen, was auf einen Systemfehler hinweist. Wenn die Temperatur- oder Druckbedingungen zu gefährlich werden, schaltet dieses Programm 140 das gesamte System ab und aktiviert das Wasserabschrecksystem 64.
- Der Zweck des Managers 142 des Coprozessors I besteht im Berechnen des Außendurchmessers, des Innendurchmessers und der Zentren (x, y) der zwei Durchmesser. Das Programm läuft zyklisch - wobei es initialisiert wird, wenn der Datenerfassungsmanager 140 einen Statusmerker in der Partition 138 des gemeinsam genutzten Speichers 132 entriegelt, was angibt, daß ein Datensatz 32 von dem Datenerfassungs- und Umgebungssteuermanager in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 gespeichert wird. Vor dem Ausführen dieser Berechnungen müssen jedoch eine Anzahl anderer Berechnungen ausgeführt werden. Eine dieser Berechnungen besteht in der Bestimmung der Länge des Materials in den Wegen zwischen der Quelle 72 und jedem Detektor 80. Dies ist möglich, da die Anwesenheit eines festen Objekts wie etwa eines Rohrs P in dem Weg der Gammastrahlen 74 das durch den Detektor 80 empfangene Gammastrahlensignal 76 dämpft. Je größer die Länge des Materials ist, durch das die Gammastrahlen 74 laufen müssen, desto stärker ist die Dämpfung der Gammastrahlen.
- Die Rechenlast des Berechnens dieser Weglängen wird an einen Coprozessor 122 übergeben, der in bezug auf den Hauptcomputer 120 peripher ist. Das Programm 142 des Coprozessors I sendet periodisch einen Satz von Teilerdaten an den Coprozessor I 122, was ermöglicht, daß der Hauptcomputer 120 andere Aufgaben ausführt, während der Coprozessor I 122 an der Berechnung der Weglängen arbeitet. Zur Berechnung der Weglängen für einen Satz von Teilerdaten muß der Coprozessor 122 Zugriff auf zwei zusätzliche Sätze von Teiler daten haben: die Hintergrundzählrate und die Luftzählrate. Die Hintergrundzählrate wird erhalten, während die Strahlungsquelle 72 geschlossen ist; die Luftzählrate wird erhalten, während die Strahlungsquelle 72 offen ist, wobei sich keine festen Objekte in dem Gammastrahlungsstrahl 74 befinden.
- Vor Verwendung der Luftzählrate und der durch das Rohr gedämpften Zählrate in irgendwelchen Berechnungen müssen diese Zählraten wegen des Zeitintervalls, in dem die Signalaufbereitungs-Teilbaueinheit 42 durch die Erfassung eines Gammastrahlenimpulses gesperrt ist, korrigiert werden. Während dieser Zeitdauer treten Gammastrahlen 74 in die Detektoren 80 ein, wobei sie aber nicht gezählt werden. Dieses zuvor als "Totzeit" beschriebene kurze Zeitintervall wird durch die folgenden Formeln berücksichtigt:
- Ai' = Ai/[1 - Ai(T&sub1;/T&sub2;)]
- Pi' = Pi/[1 - Pi(T&sub1;/T&sub2;)]
- wobei "i" von 1 bis zu der Maximalzahl der Detektoren 80 läuft, "Ai" die Luftzählung darstellt, "Pi" die durch das Rohr gedämpfte Zählung darstellt, "T&sub1;" die Zeitdauer, die der Kanal 85 nach dem Erfassen eines Impulses gesperrt ist darstellt; "T&sub2;" die Datenerfassungszeit darstellt und "Ai" und "Pi" die durch die Totzeit korrigierten Zählraten darstellt.
- "T&sub1;/T&sub2;" beträgt typischerweise ungefähr 1,5 · 10&supmin;&sup6;, wobei die Größen Ai(T&sub1;/T&sub2;) und Pi(T&sub1;/T&sub2;) in praktischen Anwendungen klein gegen 1 sind. Normalerweise ist es nicht erforderlich, die Totzeit wegen der Hintergrundzählrate zu korrigieren, da die Zählrate langsam genug ist, damit die Korrektur bedeutungslos ist.
- Nachdem an der Luftzählung und an der durch das Rohr gedämpften Zählung Totzeitkorrekturen vorgenommen wurden, wird die Hintergrundzählung "Bi" von der durch das Rohr gedämpften Zählung und von der Luftzählung subtrahiert:
- Ai" = Ai' - Bi
- Pi" = Pi' - Bi,
- wobei "Ai" die Luftzählung nach der Korrektur wegen der Totzeit darstellt, während "Pi" die durch das Rohr gedämpfte Zählung nach der Korrektur wegen der Totzeit darstellt.
- Nachdem die Totzeit- und Hintergrundzählungskorrekturen abgeschlossen wurden, muß außerdem wegen Strahlung korrigiert werden, die von ihrem Weg abgewichen und unerwünscht in einen Detektor außerhalb der Linie ihres ursprünglichen Wegs eingetreten ist. Diese Strahlung wird "Streustrahlung" genannt. Die Streustrahlung ist ein Nebenprodukt der Wechselwirkung der Gammastrahlen mit den Atomen in dem Rohr P. Die Dämpfung wird dadurch bewirkt, daß Gammastrahlen Atome in der Wand des Rohrs P treffen und absorbiert oder gestreut werden. Leider wird ein Teil der Streustrahlung durch Detektoren 80 aufgefangen, die ursprünglich nicht in der Linie der Strahlung 74 beim Verlassen der Quelle liegen. Somit werden die Meßwerte des Detektors 80 korrigiert, um den durch Streustrahlung anstelle von Direktemissionen bewirkten Anteil der Zählung zu berücksichtigen. Vor dem Abschluß dieser Aufgabe werden jedoch die Luftzähldaten und die Rohrzähldaten so normiert, als ob sie jeweils einen konstanten Strahlungsfluß hätten. Dieser Schritt ist erforderlich, da jeder Detektor 80 unkontrollierbare Differenzen in bezug auf die Strahlungserfassungs-Wirkungsgrade besitzt, die bei der Betrachtung der Zählratenkorrekturen in einem Detektor auf der Grundlage der Zählrate in den Nachbardetektoren normiert werden müssen. Die normierten Luftzählraten Ai''' und die normierten Rohrzählraten Pi''' sind:
- Ai''' = C/Di²
- Pi''' = Pi"[Ai''', Ai"],
- wobei "C" eine vollkommen beliebigen Konstante, "Di" der Abstand von der Quelle bis zum Detektor, "Ai"" und "Pi"" die wegen der Totzeit korrigierten bzw. in bezug auf den Hintergrund subtrahierten Luft- bzw. Rohrzählraten sind. Der Term "Di²" korrigiert die konstante Strahlungsflußrate wegen Differenzen in bezug auf den Abstand zwischen den Quellen und jedem Detektor.
- Nachdem die durch das Rohr gedämpfte Zählrate normiert wurde, können Korrekturen wegen der durch die Detektoren 80 selbst anstelle des Rohrs P verursachten Strahlungsstreuung vorgenommen werden. Dieser Typ der Streuung wird üblicherweise "Zwischendetektor-Sekundärstreuung" genannt. Korrekturen wegen der Zwischendetektor-Sekundärstreuung werden durch:
- Pi"" - Pi''' - Σj[Nj[Pi+j''' + Pi+j''')]
- berücksichtigt, wobei "J" und die "Nj" empirisch aus Kalibrierungsmessungen bestimmt werden.
- Eine Endkorrektur an der Zählrate wird auf die Strahlungsstreuung von dem Rohr selbst und von anderen Stützkonstruktionsmaterialien zurückgeführt. Diese Korrektur ist proportional zu der Zählrate und betrachtet keine Schwankungen von Detektor zu Detektor. Die vollständig korrigierten Zählraten sind dann:
- Pi''''' = Pi"" - BAi''',
- wobei "B" empirisch aus Kalibrierungsmessungen bestimmt wird.
- Die Weglängen werden mit "Pi'''''" und "Ai'''" über die Formel:
- Li = F ln (Ai'''/Pi''''')
- berechnet, wobei der Wert von "F" mit dem Röntgenstrahlen-Absorptionsvermögen "u" und mit der Dichte "p" über
- F = (1/up)
- in Beziehung steht.
- Das Röntgenstrahlen-Absorptionsvermögen hängt von der Röntgenstrahlenenergie und von der chemischen Zusammensetzung des Rohrs ab. Die Materialdichte p des Rohrs hängt von der chemischen Zusammensetzung und von der Temperatur ab.
- Schließlich werden die Weglängen korrigiert, um die Nichtlinearität der Weglängen von einem Detektor 80 zum nächsten zu berücksichtigen. Dies erfolgt durch die folgende quadratische Formel:
- Li' = Xi + (Yi)(Li) + (Zi)(Li)²
- wobei "Li" die korrigierte Länge, "Li" die nicht korrigierte Länge und "Xi", "Yi" und "Zi" Faktoren, die durch die Kalibrierungsmessungen bestimmt wurden, sind.
- Zusätzlich zur Berechnung der Weglängen führt der Coprozessor 122 außerdem eine Datenreduktionsaufgabe aus, um zu bestimmen, welche Datenpunkte zur Berechnung des Außendurchmessers und des Innendurchmessers des Rohrs P verwendet werden, wobei er hierauf die Datenpunkte wie unten beschrieben wegen einer Öffnungsgröße korrigiert.
- Die Daten werden unter Verwendung der folgenden Untersuchung reduziert.
- Die drei Detektoranordnungen sehen einen Schatten des Rohrs P mit veränderlicher Intensität. Dieser Schatten wird üblicherweise das Rohrprofil genannt. Dort, wo der Schatten an der Detektoranordnung 78 beginnt, gibt es einen deutlichen Unterschied. Weiter entlang der Länge der Detektoranordnung 78 wird der Schatten zunehmend dunkler. Dort, wo der Innendurchmesser des Rohrs P beginnt, wird der Schatten wieder deutlich heller. Von dem Punkt an, wo der Innendurchmesser beginnt, bis zum Zentrum des Rohrs P wird der Schatten zunehmend heller. Nach dem Zentrum des Rohrs wird der Schatten zunehmend dunkler, bis er dort, wo der Innendurchmesser endet, deutlich dunkler wird. An dem Punkt, wo der Innendurchmesser endet, wird der Schatten zunehmend heller, bis der Schatten plötzlich endet. Diese deutlichen Änderungen in bezug auf den Schatten werden zur Bestimmung des Innen- und Außendurchmessers des Rohrs P verwendet.
- Vor dem Ausführen dieser Berechnungen müssen die Datenpunkte jedoch durch Indizieren einer Tabelle, die für die spezifizierte Größe des produzierten Rohrs P geeignete Werte enthält, wegen der Öffnungsgröße korrigiert werden. Auf diese Weise wird die Anzahl der Weglängen-Datenpunkte und der Abstand zwischen ihnen, die in weiteren Berechnungen verwendet werden, bestimmt.
- Da die Ränder des Innendurchmessers möglicherweise nicht der durch die oben bestimmte Außendurchmesserindizierung bestimmten Indexmenge entsprechen, wird der zur Berechnung des Innendurchmessers zu verwendende Index gegenüber dem Anfangs-Außendurchmesserindex durch die folgende Formel versetzt:
- Index = INTEGR (C&sub1; + (Wand)(C&sub2;),
- wobei "C&sub1;" und "C&sub2;" Konstanten sind.
- Die Außendurchmesser- und Innendurchmesserberechnungen werden durch das Programm 142 des Coprozessors I in dem Hauptcomputer 120 ausgeführt. Die erste ausgeführte Berechnung ist die Bestimmung des von jeder der drei Detektoranordnungen 78 gesehenen Winkels zum Zentrum des Rohrs P. Es wird die Berechnung
- ausgeführt, wobei "φj" den Winkel von der Quelle j 72 zwischen dem Zen trum des Rohrs P und dem Zentrum 79 des Systems (siehe Fig. 7b) darstellt, "j" von 1 bis 3 (eins für jede Detektoranordnung 78) läuft, "Li" die durch den i-ten Detektor 80 gemessene Weglänge darstellt und
- A1 = 1/2 [Σi cos² θi - 1/N (Σi cos 2θi)²]
- A2 = Σi sin 2θi cos 2θi - 1/N (Σi sin 2θi (Σi cos 2θi)
- A3 = 1/2 [Σi sin² θi - 1/N (Σi sin 2θi)²]
- A4 = Σi(Li/2)² cos 2θi - 1/N [Σi(Li/2)² cos 2θi]
- A5 = Σi(Li/2)² sin 2θi - 1/N [Σi(Li/2)² sin 2θi]
- gilt, wobei sich die Summation über die vier Weglängen, zwei auf beiden Seiten des Rohrs P, erstreckt und "θi" den Winkel von der Quelle j 72 zwischen dem Zentrum des i-ten Detektors 80 und dem Zentrum 79 des Systems darstellt. (Siehe Fig. 7b.)
- In Kenntnis des von jeder der drei Detektoranordnungen 78 aus gesehenen Winkels zu dem Zentrum des Rohrs P kann das Zentrum (x, y) durch Triangulation zwischen irgendeinem Winkelpaar mit den folgenden Formeln:
- xj = Sj cos Ωj - D cos (φj + Ωj)
- yj = Sj sin Ωj - D sin (φj + Ωj)
- berechnet werden, wobei (xj, yj) das für den j-ten Detektor 80 bestimmte Zentrum des Rohrs P ist, während "Sj" den Abstand von dem Zentrum der Vorrichtung zu der j-ten Quelle 72 darstellt, "Ωj" der Winkel von dem Zentrum des Systems zwischen der j-ten Quelle 72 und einer beliebigen Referenzlinie ist und
- ist, wobei
- DL = - cos (φj+1 + Ωj+1)(Sj+1 sin Ωj+1 - Sj sin Ωj)
- DP = - sin (φj+1 + Ωj+1)(Sj+1 cos Ωj+1 - Sj cos Ωj)
- DD = - sin (φj + Ωj) cos (φj+1 + Ωj+1)
- - cos (φj + Ωj) sin (φj+1 + Ωj+1)
- ist.
- Nach dem Abschluß der obigen Berechnungen kann der durch jede Detektor anordnung 78 "j" gesehene Außendurchmesser wie folgt berechnet werden:
- ODj = 2DCj [(TULj - TURj)/DENj]1/2
- mit
- DCj = [(Sj cos Ωj - xj)² + (Sj sin Ωj - yj)²]1/2
- TULj = Σi(Li/2)² {3N
- - 4 [(cos 2φj Σi cos 2θj) + (sin 2φj Σi sin 2θi)]
- (cos 4φj Σi cos 4θi) + (sin 2φj Σi sin 2θi)
- TURj = 2 F&sub1; F&sub2;
- DENj = 4 [Σi(Li/2)² F2j - NF1j]
- und
- F1j = Σi(Li/2)² - (cos 2φj Σi(Li/2)² cos 2θi)
- - (sin 2φj Σi(Li/2)² sin 2θi)
- F2i = N - (cos 2φj Σi cos 2θi) - (sin 2φj Σi sin 2θj).
- Die Kenntnis des Außendurchmessers ermöglicht eine Voraussage des Schattens oder der Weglängen, die durch einen festen Stab mit dem gleichen Außendurchmesser verursacht würden. Die gemessenen Weglängen werden von den Weglängen subtrahiert, wobei das Zentrum des Innenkreises und der Innendurchmesser in der gleichen Weise bestimmt werden, wie das Zentrum des Außenkreises und der Außendurchmesser oben bestimmt wurden.
- Um eine schnelle Rückkopplung mit dem in Fig. 1 gezeigten Produktionsprozeß zu erhalten, muß das Rohr P häufig gemessen werden, während es noch heiß ist. Die Heißabmessungen des Stahlrohrs sind jedoch nicht die gleichen wie die Kaltabmessungen des Rohrs. Stahl schrumpft entlang einer üblicherweise Dilatometriekurve genannten Kurve, von der ein Beispiel in Fig. 10 gezeigt ist. Außerdem sind diese Dilatometriekurven nicht für alle Materialzusammensetzungen die gleichen. Zum Beispiel ist der Prozentgehalt an Kohlenstoff im Stahl ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Dilatometriekurve für verschiedene Stahllose. Folglich unterscheidet sich eine zum Anpassen einer Dilatometriekurve verwendete Formel je nach Materialzusammensetzung des Produkts. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird außerhalb des Computersystems 46 eine Kurvenanpassung der Dilatometriekurve ausgeführt, um eine Formel zu erhalten, die zur Korrektur der heißen Temperaturen verwendet werden kann, wobei die Dilatometriekurven-Anpassungsformel über das Anzeigeprogramm 150 in den Computer eingegeben wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Berechnung im Coprozessor II 124 ausgeführt.
- Die Hauptaufgabe des Managers 144 des Coprozessors II besteht im Senden und Auslesen von Datensätzen an den und von dem Coprozessor II 124. In dem Prozeß des Ausführens dieser Aufgabe überwacht der Manager 144 des Coprozessors II die Statusmerker 138, um zu bestimmen, wann durch den Coprozessor I 122 ein Datensatz fertiggestellt wurde und bereit ist, zur Weiterverarbeitung an den Coprozessor II 122 gesendet zu werden. Ähnlich setzt der Manager 144 des Coprozessors II einen Statusmerker 138, um dem Managerprogramm 146 des Coprozessors III zu signalisieren, daß der Coprozessor II 124 seine Aufgabe abgeschlossen hat. Die Daten, die durch den Manager 144 des Coprozessors II an den Coprozessor II 122 gesendet werden, umfassen: die Heißtemperaturmessung von OD, ID, Wanddicke, Exzentrizität, Unrundheit; die Daten von den Objektdetektoren 30; und die Daten von den Pyrometern 40. Außerdem sendet der Manager 144 des Coprozessor II die losspezifischen, wie oben beschrieben über das Anzeigeprogramm 150 in den gemeinsam genutzten Speicher 132 eingegebenen Formeldaten der Dilatometriekurvenanpassung.
- Wenn die Daten empfangen wurden, berechnet der Coprozessor II 124 die durch jedes Pyrometer 40 gemessene Temperatur. Diese Berechnung wird durch Umsetzung des elektronischen Signals jedes Pyrometers 40 mit einem herkömmlichen linearen Umsetzungsalgorithmus ausgeführt. Außerdem berechnet der Coprozessor II 124 mit einem herkömmlichen Mittelungsalgorithmus die Durchschnittstemperatur für jeden Querschnitt des Rohrs P und die Durchschnittstemperatur des gesamten Rohrs P. Außerdem berechnet der Coprozessor II 124 für jeden Querschnitt des Rohrs den Durchschnitts-OD und den Durchschnitts-ID. Diese Durchschnitte sind zur Berechnung der Unrundheit und der Exzentrizität des Querschnitts erforderlich.
- Die Unrundheit, die durch die Abmessungsdifferenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Außendurchmesser bei Drehung längs des Umfangs des Rohrs P definiert ist, wird nach der Berechnung des Durchschnittsaußendurchmessers und -innendurchmessers für jeden Schnitt entlang der Länge des Rohrs P berechnet. Es wird angenommen, daß die Außenoberfläche "S" des Rohrs P durch einen Durchschnittsradius "R" beschrieben werden kann, der durch eine Sinusfunktion mit der Amplitude "A" wie etwa:
- S(θ) = R + A (sin 2θ)
- moduliert ist. Die Unrundheit ist dann als 2A definiert. Da es mehrere Messungen, für jede Detektoranordnung 78 eine, gibt, kann zum Auflösen nach A ein χ²-Anpassungsverfahren angewendet werden.
- Die Exzentrizität wird unter Verwendung der durch das Programm 142 des Coprozessors I berechneten Zentren (x, y) bestimmt. Die Exzentrizität ist physikalisch als die Abmessungsverschiebung des Zentrums der Außenoberfläche des Rohrs P gegenüber dem Zentrum der Innenoberfläche des Rohrs P definiert. Für jeden Schnitt entlang des Rohrs P werden die Durchschnitte der Zentren (x, y) sowohl für den Außendurchmesser als auch für den Innendurchmesser berechnet. Hierauf werden die Durchschnitte vektoriell voneinander subtrahiert, um die Gesamtverschiebung zu finden:
- D = SQRT [(XOD - XID)² + (YOD - YID)²]
- wobei "(XOD, YOD)" die Durchschnittskoordinate für das Zentrum der Außenoberfläche, "(XID, YID)" die Durchschnittskoordinate für das Zentrum der Innenoberfläche und "D" die Verschiebung zwischen den zwei Durchschnittszentrenkoordinaten ist.
- Nachdem die Unrundheit, die Exzentrizität und die minimale Wanddicke berechnet wurden, nimmt der Coprozessor II 124 die Heißtemperaturmessungen des Rohrs P und berechnet die angenommene Kalttemperaturabmessung des Rohrs P bzw. sagt diese voraus. Die Kaltabmessungen des Rohrs P werden mit der folgenden Formel:
- Dc = F(Dh)
- berechnet bzw. vorausgesagt, wobei "Dc" die Kalttemperaturabmessung, "Dh" die Heißtemperaturabmessung und "F(Dh)" die durch den Manager 144 des Coprozessors II in den Coprozessor II 124 eingegebene Funktion ist, die die Funktion darstellt, die an die Dilatometriekurve des Materials, aus dem das abgetastete Objekt geschaffen ist, angepaßt wurde.
- Zusätzlich zu seiner Hauptfunktion des Berechnens der Unrundheit, der Exzentrizität und der Dilatometriekorrekturen hat der Coprozessor II 124 mehrere Funktionen. Der Coprozessor II 124 bestimmt außerdem die Länge und die Geschwindigkeit des Rohrs P. Um diese Aufgaben auszuführen, hängt der Coprozessor II 124 von Informationen von einer Reihe von Objektdetektoren 30 längs des Produktionswegs des Rohrs P ab. Diese Detektoren 30 werden eingeschaltet, wenn sie die Anwesenheit des Rohrs P erfassen, während sie abgeschaltet werden, wenn das Rohr P nicht mehr anwesend ist. Die Geschwindigkeitsmessungen und eine Durchschnittsgeschwindigkeitsmessung werden mit den folgenden Formeln berechnet:
- V&sub2; = [Dj - Dj+1]/[Tj - Tj+1]
- V&sub1; = [Di - Di+1]/[Ti - Ti+1]
- V = [V&sub1; + V&sub2;]/2,
- wobei "i" den Detektor 30 darstellt, der die Vorderseite des Rohrs P aufzeichnet, während "j" den Detektor 30 darstellt, der das Ende des Rohrs P aufzeichnet, "Ti" die aufgezeichnete Zeit darstellt, wenn die Vorderseite des Rohrs P an dem i-ten Detektor 30i vorbeigeht, "Ti+1" die aufgezeichnete Zeit darstellt, wenn die Vorderseite des Rohrs P an dem Detektor 30i+1, der unmittelbar auf den i-ten Detektor 30i folgt, vorbeigeht, "Di" die Stelle des i-ten Detektors 30i darstellt, "Di+1" die Stelle des Detektors 30i+1, der unmittelbar auf den i-ten Detektor 30i folgt, darstellt und "V&sub1;" die Geschwindigkeit der Vorderseite des Rohrs P darstellt. "Tj" stellt die Zeit dar, die aufgezeichnet wird, wenn die Hinterkante des Rohrs P an dem j-ten Detektor 3% vorbeigeht, während "Tj+1" die Zeit darstellt, die aufgezeichnet wird, wenn die Hinterkante des Objekts an dem Detektor 30j+1, der unmittelbar auf den j-ten Detektor 30j folgt, vorbeigeht, "Dj" die Stelle des j-ten Detektors 30j darstellt, "Dj+1" die Stelle des Detektors 30j+1, der unmittelbar auf den j-ten Detektor 30j folgt, darstellt und "V&sub2;" die Geschwindigkeit der Hinterkante des Rohrs P darstellt.
- "V" stellt die Durchschnittsgeschwindigkeit des Rohrs P dar.
- Aus diesen Berechnungen wird "L", die Länge des Rohrs P, mit der folgenden Formel berechnet:
- L = [Di - Dj] + V · [Ti - Tj].
- Falls sich die Geschwindigkeit des Rohrs P ändert, wird die Formel in diskreten Schritten abgeändert, um diese Änderung zu berücksichtigen.
- Nachdem der Coprozessor II 124 die Berechnung der Temperatur, der Kalttemperaturabmessungen und der Länge und Geschwindigkeit des Rohrs abgeschlossen hat, werden die Informationen durch den Manager des Coprozessors II aufgefangen, der alle Ergebnisse in dem gemeinsam genutzten Speicher anordnet, um die Ergebnisse zur Verwendung durch die anderen Programme des Systems verfügbar zu machen.
- Der Hauptzweck des Managers 146 des Coprozessors III besteht im Senden und Empfangen von Datensätzen an den und von dem Coprozessor III 126. Im Prozeß des Ausführens dieser Aufgabe überwacht der Manager 146 des Coprozessors III die Statusmerker 138, um zu bestimmen, wann der Datensatz durch den Coprozessor II 124 abgeschlossen und bereit ist, zur Weiterverarbeitung an den Coprozessor III 126 gesendet zu werden. Ähnlich setzt der Manager 146 des Coprozessors III den Statusmerker 138, um den anderen Programmen zu signalisieren, daß er seine Aufgaben abgeschlossen hat. Die durch den Manager 146 des Coprozessors III an den Coprozessor III 126 gesendeten Daten umfassen: die berechneten/vorausgesagten Kalttemperaturabmessungen des Rohrs P und die gewünschten Abmessungen des Idealrohrs. Außerdem empfängt der Coprozessor III 126 ebenfalls die Abmessungscharakteristiken verschiedener Komponenten des Herstellungsprozesses, z. B. den Außendurchmesser ("OD"), den Innendurchmesser ("ID"), die Geschwindigkeit, den Druck und die Zwischenraumabstände sämtlicher Walzen in dem Herstellungsprozeß; den Druck des Rohrs P in verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses; und den OD der an der Formgebung der Innenoberfläche des Rohrs P beteiligten Komponenten Pilgerdorn 6, Elongator 7, Stopfenwalzwerk 8 und Glättwalzwerk 9.
- Der Coprozessor III 126 berechnet die Varianz zwischen den gemessenen Kalttemperaturabmessungen des tatsächlichen Rohrs P und den gewünschten Abmessungen eines Idealrohrs. Diese Varianzen stellen die Defekte in dem Rohr P dar. Die Berechnungen umfassen Varianzen in bezug auf: den OD, den ID, die Wanddicke, die Exzentrizität und die Unrundheit. Aus diesen Varianzen erzeugt der Coprozessor III 126 Steuersignale, die den Herstellungsprozeß in der Weise abändern, daß die Defekte korrigiert und die Produktion der gleichen Defekte in Zukunft verhindert wird.
- Die Charakteristiken der gefundenen Varianzen bestimmen die durch den Coprozessor III 126 erzeugten Steuersignale. Die erzeugten Signale sind eindeutig für den Herstellungsprozeß, in den die Vorrichtung A integriert ist. In der offenbarten Ausführungsform sind diese Steuersignale an herkömmliche Motoren 60 oder an andersartige Stellglieder gerichtet, die verschiedene Variable des Herstellungsschritts beeinflussen. Diese Motoren 60 steuern die Position der Walzen, wobei sie den Zwischenraumabstand zwischen den Walzen einstellen. Wenn mehrere Mengen von Walzen im Verbund arbeiten, kann die Position der Walze eine zusätzliche Wirkung auf den. Druck haben, mit dem die Walze ein Werkstück beaufschlagt. Außerdem werden die Motoren 60 zum Steuern des Drehgeschwindigkeitsprofils der Walzen verwendet. Außerdem wird die Position des Pilgerdorns 6 ebenfalls durch Motoren gesteuert. Außerdem erzeugt der Coprozessor III 126 Steuersignale, die in dem Steueralgorithmus des Drehofens 5 zum Einstellen der Temperatur in dem Drehofen 5, in dem Abschreckofen 12 und in dem Temperierofen 14 verwendet werden. In Situationen, in denen der Coprozessor III 126 eine Varianz identifiziert, deren Ursache nicht automatisch korrigiert werden kann, erzeugt er ein Signal an den Betreiber, das Informationen in bezug auf den Defekt und auf dessen mögliche Ursache oder Ursachen liefert.
- Es wird eine Varianz in Form einer Exzentrizität 153 (Fig. 9b) zwischen der Innenoberfläche 154 und der Außenoberfläche 155 eines Rohrs P betrachtet. Falls ein inakzeptables Niveau an Exzentrizität 153 festgestellt wird, erzeugt der Coprozessor III 126 ein Steuersignal, das an die Motoren und Thermostate, die den Pilgerdorn 6 und den Drehherdofen 5 steuern, übertragen wird. Durch den Coprozessor III 126 werden für besondere Antriebssysteme entwickelte Korrekturalgorithmen bereitgestellt. Die Motoren 60 positionieren den Pilgerdorn 6 neu, so daß er den gleichen Fehler nicht wieder verursacht. Falls ein Einstellen des Motors 60 möglich ist, erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal an den Pilgerdorn 6, wenn die Varianz der Exzentrizität 153 entlang der Länge des Rohrs einem Muster folgt. Falls das Muster nicht durch Rückkopplung an den Pilgerdorn 6 korrigierbar ist, erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal an den Betreiber, das Informationen in bezug auf die Varianz und ihre Ursache liefert.
- Falls der Coprozessor III 126 einen inakzeptablen Grad der Unrundheit entdeckt (Fig. 9e), erzeugt er ein Signal an die Motoren 60, die den Zwischenraumabstand zwischen den Walzen an dem Elongator 7, an dem Stopfenwalzwerk 8 und an dem Fertigwalzwerk 15 einstellen. Der Anteil der Abänderung zwischen diesen Verarbeitungsschritten ist eine Funktion des Grads der Unrundheit.
- Falls der Coprozessor III 126 eine Varianz am ID 156 feststellt (Fig. 9a), vergleicht er die Stopfengrößen, den Zwischenraumabstand und die Walzendrücke des Stopfenwalzwerks 8 und des Hochglättwalzwerks 10. Wenn bestimmt wird, daß eine Varianz durch die Walzendrücke oder durch den Zwischenraumabstand verursacht wird, erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal an die Motoren 60, die die Position der Walzen in dem Stopfenwalzwerk 8 und/oder in dem Hochglättwalzwerk 10 regulieren. Falls der Coprozessor III 126 jedoch bestimmt, daß diese Varianz von den Stopfen herrührt, erzeugt er ein Signal an den Betreiber, das ein Auswechseln des Stopfens empfiehlt.
- Ähnlich vergleicht der Coprozessor III 126 den Zwischenraumabstand und die Walzendrücke an dem Stopfenwalzwerk 8, an dem Hochglättwalzwerk 10 und an dem Fertigwalzwerk 15, wenn er eine Varianz in bezug auf den OD 157 feststellt (Fig. 9a). Auf der Grundlage der Größe der Varianz erzeugt der Coprozessor III 126 Signale an die Walzenmotoren 60 zum Modifizieren der Walzendrücke und des Zwischenraumabstands der Walzen in dem Stopfenwalzwerk 8, in dem Hochglättwalzwerk 10 und in dem Fertigwalzwerk 15. Falls die Varianz klein ist, wird die meiste Einstellung an den Walzen in dem Fertigwalzwerk 15 vorgenommen; falls die Varianz groß ist, wird die meiste Einstellung an den Walzen in dem Stopfenwalzwerk 8 und in dem Hochglättwalzwerk 10 vorgenommen.
- Im Zusammenhang mit dem Feststellen einer Varianz sowohl in bezug auf den OD 157 als auch in bezug auf den ID 156 (Fig. 9a) identifiziert der Coprozessor III 126 auch Varianzen in bezug auf die Wanddicke 158. Falls eine Varianz festgestellt wird, vergleicht der Coprozessor III 126 die Stopfengrößen, den Zwischenraumabstand und die Walzendrücke in dem Stopfenwalzwerk 8 und in dem Hochglättwalzwerk 10. Hierauf erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal an die Motoren 60, die den Walzendruck und den Zwischenraumabstand in dem Stopfenwalzwerk 8 und in dem Hochglättwalzwerk 10 steuern, wobei er erforderlichenfalls ein Signal an den Betreiber erzeugt, daß möglicherweise ein Stopfen ersetzt werden muß.
- Zusätzlich zum Berechnen von Varianzen und zum Erzeugen von Steuersignalen, die die allgemeinen Querschnittsabmessungen des Rohrs P betreffen, untersucht der Coprozessor III 126 auch das Muster lokalisierter Varianzen in bezug auf die Wanddicke 158 (Fig. 9a) entlang der Länge des Rohrs P. Bei der Ausführung dieser Untersuchung identifiziert der Coprozessor III 126 potentielle Ursachen dieser lokalisierten Varianzen. Eine Charakteristik, die in Herstellungsprozessen, die das Walzen eines Werkstücks umfassen, typischerweise festgestellt wird, ist ein periodischer Defekt, wie er in Fig. 9f gezeigt ist. Diese periodischen Defekte werden typischerweise durch Walzen verursacht, die sich ungleichförmig abgenutzt haben oder einen äußeren Defekt oder eingebettete Trümmer aufweisen. Ein Defekt an einer Walze neigt dazu, an der Außenoberfläche der Walze periodische Vertiefungen 159a hervorzurufen. Die Periode 151 der Defekte ist eine Funktion des Umfangs und des Durchmessers der Walze, die den Defekt hervorruft. Wenn der Coprozessor III 126 bestimmt, daß die lokalisierte Varianz periodisch ist, vergleicht er somit die Periode 151 der Defekte mit dem OD und mit dem ID sämtlicher Walzen in dem Herstellungsprozeß. Aus den Ergebnissen dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal, das den Betreiber über das periodische Wesen des Defekts und über die Walze, die den Defekt am wahrscheinlichsten verursacht hat, informiert.
- Außerdem kann der Coprozessor III 126 fortlaufende Längsdefekte entlang der Länge des Rohrs entdecken, wie sie in den Fig. 9c und 9d gezeigt sind. Falls sich der Defekt an der Innenoberfläche 154 des Rohrs P befindet, erzeugt er ein Signal, daß der Stopfen in dem Stopfenwalzwerk 8 möglicherweise ersetzt werden muß. Der Stopfen in dem Stopfenwalzwerk 8 ist die einzige mögliche Ursache für einen solchen Defekt. Falls sich der Defekt an der Außenoberfläche des Rohrs befindet, ist das Identifizieren der wahrscheinlichen Ursache des Defekts aber komplizierter. Zum Identifizieren der wahrscheinlichen Ursache eines Längsdefekts an der Außenoberfläche des Rohrs muß der Coprozessor III 126 einen periodischen Aspekt in bezug auf die Varianz feststellen und ihn mit den ODs und IDs des Stopfenwalzwerks 8 und des Fertigwalzwerks 15 vergleichen. Wenn ein periodischer Aspekt in bezug auf den Defekt gefunden werden kann, kann der Coprozessor III 126 ein Signal schreiben, das den Betreiber über den Defekt und darüber, welche Walzen den Defekt am wahrscheinlichsten verursachen, informiert. Andernfalls erzeugt der Coprozessor III 126 einfach ein Signal an den Betreiber, das die Erfassung eines Längsdefekts angibt.
- Außerdem identifiziert der Coprozessor III 126 fortlaufende Spiraldefekte 161 an der Innenoberfläche 154 des Rohrs P, wie sie in Fig. 9h gezeigt sind. Um zu bestimmen, welcher Stopfen die Varianz verursacht, identifiziert der Coprozessor III 126 die Ursache solcher Defekte durch Vergleich des Defekts 161 mit der Geschwindigkeit und mit der Länge des Rohrs P und außerdem mit der Drehrate des Rohrs P in dem Pilgerdorn 6, in dem Elongator 7 und in dem Glättwalzwerk 9. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal, das den Betreiber informiert, daß der Stopfen in dem Pilgerdorn 6, in dem Elongator 7 und/oder in dem Glättwalzwerk 9 ersetzt werden muß.
- Wenn der Coprozessor III 126 andererseits fortlaufende Spiraldefekte 163 an der Außenoberfläche 155 des Rohrs P identifiziert (Fig. 9h), ist die Identifizierung der Ursache komplizierter. Zusätzlich zu den Faktoren, die in dem Vergleich betrachtet werden, der die Ursache der Innendefekte 161 identifiziert, betrachtet der Coprozessor III 126 außerdem den OD der Walzen in dem Pilgerdorn 6, in dem Elongator 7 und in dem Glättwalzwerk 9. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 ein Signal, das den Betreiber über einen Spiraldefekt 163 und darüber, welche Walzen den Defekt am wahrscheinlichsten verursacht haben, informiert.
- Ein Anzeigeprogramm 150 schafft eine Anwenderschnittstelle zu der Vorrichtung (Fig. 2). Über das Anzeigeprogramm 150 hat der Anwender die Möglichkeit: 1) die Objektspezifizierung und die metallurgisch-chemischen Daten (einschließlich der Dilatometriedaten) einzugeben, 2) den Betrieb der Vorrichtung zu steuern, 3) die Meßdaten in tabellarischer Form zu überprüfen, 4) Fehlerzustände in graphischer Form visuell zu untersuchen, und 5) die Umgebungs- und Sicherheitszustände der Vorrichtung im Betrieb zu überwachen. Das Anzeigesystem ist vorzugsweise menügesteuert, um dem Anwender einen leichten Zugriff auf die für ihn verfügbaren Informationen und Systemsteuerbefehle zu geben.
- Für den Anwender wird eine Einrichtung zur Eingabe idealer Rohrspezifikationen bereitgestellt wie etwa: Außendurchmesser, Wanddicke, Innendurchmes ser, Toleranzen und für Dilatometriezwecke die Stahlklasse. Falls das System nicht bereits die Dilatometriedaten über den Typ des zu verwendenden Materials enthält, können diese Daten ebenfalls eingegeben werden. Das Anzeigeprogramm macht diese Informationen in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 in dem Hauptcomputer 120 zum Zugriff für andere Programme verfügbar.
- Das Anzeigeprogramm 150 schafft eine Einrichtung zum: 1) Abschließen und Initialisieren der Verarbeitung von Daten, Öffnen und Schließen der Strahlungsquellen 72, 2) Einstellen der Abtastrate, und 3) Einstellen des Analyseintervallabstands zur Datenreduzierung im Coprozessor I 122.
- Zur Anzeige der durch die Vorrichtung A erzeugten Informationen sind mehrere Optionen verfügbar. Sie können entweder visuell oder auf einem Ausdruck, z. B. der Außendurchmesser als Funktion der Rohrlänge oder die Wanddicke als Funktion der Rohrlänge oder die Exzentrizität als Funktion der Rohrlänge, angezeigt werden. Die Ausgabe kann entweder tabellarisch oder graphisch erfolgen. Außerhalb der Spezifikation liegende Längsschnitte oder Querschnitte können auf dem Videobildschirm oder auf dem Ausdruck rekonstruiert und angezeigt werden.
- Das Datenarchivprogramm 152 speichert die Informationen in Plattendateien und liefert Informationen für die Betreiberausgabe. Durch Überwachen eines durch das Datenerfassungsprogramm 140 gesteuerten Signals in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 wird das Programm jedesmal zyklisch aktiviert, wenn ein Rohr P die Vorrichtung A verläßt. Außerdem berechnet das Datenarchivprogramm 152 die Fußdurchschnitte; die Rohrdurchschnitte; die maximalen und die minimalen ODs und IDs und die Wanddicke; sowie weitere Rohrzusammenfassungsinformationen für jedes abgetastete Rohr P und für das gesamte Los der aus dem Walzwerk laufenden Rohre. Außerdem liefert das Archivprogramm 152 in Form von ausgedruckten Informationen oder von Graphikanzeigen entweder auf dem Computer-Anzeigebildschirm oder über einen Drucker eine Ausgabe an den Betreiber.
- Der Rohrproduktionsprozeß, den die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung steuern soll, ermöglicht ein ausreichendes Zeitintervall zwischen den Rohren P, das ermöglich, daß der Hauptcomputer diese Berechnungen ausführt. Falls der Produktionsprozeß kontinuierlich wäre, könnten für diese Berechnungen zusätzliche Coprozessoren vorgesehen sein, da es kein Zeitintervall gäbe, in dem diese Berechnungen ausgeführt werden können. Die Konstruktion der Vorrichtung besitzt genügend Flexibilität, um sie an verschiedene Produktionsprozesse anzupassen, um die Effizienz zu maximieren und um die Anlagenkosten zu minimieren.
- Zusätzlich zu den obenbeschriebenen Computerprogrammen umfaßt die Vorrichtung ein Kalibrierungsprogramm. Das Kalibrieren der Vorrichtung A ist wesentlich, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Das Kalibrierungsprogramm für diese besondere Ausführungsform führt zwei getrennte und unabhängige Kalibrierungen aus: Eine Kalibrierung bestimmt die geometrischen Parameter der Quellen-/Detektorvorrichtung 32, während die andere Kalibrierung die quadratischen Korrekturparameter der Weglänge für jeden Detektor 80, dessen Verwendung zuvor beschrieben wurde, bestimmt.
- Da die bevorzugte Ausführungsform wenigstens drei Quellen- und Detektoranordnungspaare 70 enthält, ist die Geometrie der Quellen-/Detektorvorrichtung 32 (Fig. 11) in bezug auf zehn Parameter definiert, die sämtlich von dem Zentrum der Quellen-/Detektorvorrichtung gemessen werden: drei Parameter 251, 252 und 253 definieren die Abstände S1, S2 und S3 jeder Quelle 72 von dem Zentrum, während drei Parameter 261, 262 und 263 die Winkel Ω&sub1;, Ω&sub2; und Ω&sub3; zwischen den drei Detektoranordnungen 78 definieren, drei Parameter 271, 272 und 273 die Abstände D&sub1;, D&sub2; und D&sub3; jeder Detektoranordnung 78 von dem Zentrum der Vorrichtung A definieren und ein (nicht gezeigter) Parameter den Zwischendetektorabstand zwischen jedem Detektor 80 in der Detektoranordnung 78 definiert.
- Das zur Bestimmung dieser Parameter verwendete Verfahren umfaßt eine Eichplatte 94 (Fig. 12), die einen Stahlstab 95 an mehreren bekannten geeichten Stellen 96 positionieren kann. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet eine Kalibrierungsplatten-/ Stahlstab-Konstruktion mit 91 verschiedenen geeichten Stellen 96. Nachdem für jede der Stellen durch die Vorrichtung A eine Messung vorgenommen wurde, wird durch das Geometrieparameter-Kalibrie rungsprogramm eine χ²-Minimierung zur Bestimmung der zehn geometrischen Parameter der Vorrichtung A ausgeführt.
- Die zweite durch das Kalibrierungsprogramm ausgeführte Kalibrierung ist so beschaffen, daß sie die Weglängenberechnung von einem Detektor 80 zum anderen normiert, um konsistente Ergebnisse zu haben, wenn das Rohr P von dem Zentrum der Abtastvorrichtung abweicht. Diese Kalibrierung ist notwendig, da das Rohr P nicht an seiner Stelle gehalten wird, wobei sich seine Position in der Vorrichtung ändert, während es sich durch sie bewegt. Zum Normieren der Weglänge wird die folgende Formel verwendet:
- L' = X + (Y)(L) + (Z)(L).
- Jeder Detektor 80 besitzt ein eindeutiges "Xi", "Yi" und "Zi", das durch das Kalibrierungsprogramm berechnet und bestimmt wird. Das zum Bestimmen dieser Parameter verwendete Verfahren umfaßt eine Menge von Stahlplatten 98 (Fig. 13), deren Dicken von 0,5 Zoll bis 5,5 Zoll in Schritten von 0,5 Zoll unterschiedlich sind. Nachdem für jede Platte nicht normierte Messungen genommen werden, wird für jeden Detektor 80 eine χ²-Minimierung zur Bestimmung der Normierungsparameter "Xi", "Yi" und "Zi" ausgeführt. Diese Parameter werden später in dem Programm 142 des Coprozessors I verwendet, in dem die Weglängen während des Normalbetriebs berechnet werden.
- Die folgende Beschreibung des Datenstroms und dessen graphische Darstellung in Fig. 8 sind nur repräsentativ. Wie hier zuvor erwähnt wurde, laufen die hier beschriebenen Programme nicht notwendig in irgendeiner bestimmten Reihenfolge. Tatsächlich laufen sie häufig gleichzeitig. Während der Manager 144 des Coprozessors II Defekte von dem ersten Satz der Querschnittsdaten erfaßt, kann beispielsweise der Manager 142 des Coprozessors I den zweiten Satz der Querschnittsdaten verarbeiten, während der Datenerfassungsmanager 140 möglicherweise den dritten Satz der Querschnittsdaten sammeln kann.
- Die Anwesenheit des Rohrs P wird durch die Objektdetektoren 30 erfaßt. In Schritt 500 beginnt die Quellen-/Detektorvorrichtung 32, Gammastrahlen zu emittieren und zu erfassen. In Schritt 502 bewirkt die Anwesenheit des Rohrs P in dem Weg der Gammastrahlen 74, daß das Gammastrahlensignal gedämpft wird. In Schritt 504 wandeln die Detektoren 80 das Gammastrahlensignal in elektrische Signale um. In Schritt 506 werden die Signale von den Detektoren 80 durch die Detektorsignal-Aufbereitungsteilbaueinheit 42 aufbereitet und durch das Datenerfassungs-Steuersystem 44 gesammelt und gezählt. In Schritt 508 macht das Datenerfassungs-Steuersystem 44 und 507 Datensätze für eine schnelle rauscharme Kommunikationsverbindung 48 zu dem Computersystem 46 verfügbar. In Schritt 510 ordnet das Datenerfassungs-Managerprogramm 140 in dem Hauptcomputer 120 die Digitalrohdaten in der Partition 134 des gemeinsam genutzten Speichers 132 des Hauptcomputers 120 an.
- Die fünf zuvor beschriebenen Programme wechseln sich bei der Überwachung der Statusmerker 138 in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 ab. Diese Programme umfassen: das Anzeigeprogramm 150, den Manager 142 des Coprozessors I, den Manager 144 des Coprozessors II, den Manager 146 des Coprozessors III und das Datenarchivprogramm 152. Das Anzeigeprogramm 150 dient als die Betreiberschnittstelle zu dem Computersystem 46. Es kann zum Zugriff auf irgendwelche Informationen entweder in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 oder in der Langzeit-Speichervorrichtung 129 und 511 verwendet werden. Das Anzeigeprogramm kann anweisen, daß diese Informationen nach Wahl des Betreibers 512 angezeigt werden 512. Aus Einfachheitsgründen verfolgt diese Diskussion der Beschreibung des Datenstroms einen einzigen Satz von Querschnittsdaten über die Hauptcomputerprogramme, Coprozessoren und Coprozessorprogramme.
- Nachdem sämtliche Rohdaten gesammelt sind, wird in Schritt 516 ein Statusmerker 138 gesetzt, der das Managerprogramm 142 des Coprozessors I in Betrieb setzt. In Schritt 518 sendet der Manager 142 des Coprozessors I die Rohdaten von der Partition 134 in den Coprozessor I 122. Falls in Schritt 520 die Anwesenheit des Rohrs P erfaßt wird (Fig. 8b), empfängt der Coprozessor I 122 in Schritt 522 die Rohdaten 134 von dem gemeinsam genutzten Speicher 132 (Fig. 8b). In Schritt 524 führt der Coprozessor I 122 die Weglängenberechnungen aus und reduziert die Rohdaten 134. In Schritt 526 verwendet der Coprozessor I 122 die Ergebnisse der Weglängenberechnung für jede OD- und ID- Messung zur Berechnung des Außendurchmessers, des Innendurchmessers, der Wanddicke und der Zentren (x, y). In Schritt 528 sendet der Coprozessor I 122 die Ergebnisse an den Manager 142 des Coprozessors I, der in Schritt 518 seinerseits die Ergebnisse in der Partition 136 des gemeinsam genutzten Spei chers 132 anordnet. Wenn die Ergebnisse vom Coprozessor I 122 in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 angeordnet sind, wird in Schritt 530 in dem gemeinsam genutzten Speicher 132 ein Statusmerker 138 gesetzt.
- Wenn der Statusmerker 138 gesetzt ist, sendet der Manager des Coprozessors II die Daten in Schritt 532 an den Coprozessor II 124. In den Schritt 534 und 536 (Fig. 8c) empfängt der Coprozessor II die metallurgisch-chemischen Daten einschließlich einer Formelanpassung an die Dilatometriekurve des Materials und außerdem Temperaturdaten von den Pyrometern 40; und Positionsdaten von den Objekt/Positions-Detektoren 30; und die in dem Coprozessor I 122 berechneten Heißtemperaturmessungen des ODs, des IDs und der Wanddicke. In Schritt 538 berechnet der Coprozessor II 124 für jeden Querschnitt entlang der Länge des Rohrs P den Durchschnitts-OD, den Durchschnitts-ID und die Temperatur der Meßwerte der drei Pyrometer 40.
- In Schritt 540 berechnet der Coprozessor II 124 unter Verwendung der Querschnittsdurchschnitte des ODs und des IDs die Unrundheit und die Exzentrizität des Querschnitts des heißen Rohrs P. In Schritt 542 berechnet der Coprozessor II 124 unter Verwendung der gemessenen Abmessungen des heißen Rohrs P und der Querschnitts-Durchschnittstemperatur und der materialspezifischen Dilatometriekurven-Anpassungsfunktion die Kalttemperaturabmessungen des Rohrs P. In Schritt 544 berechnet der Coprozessor II 124 unter Verwendung der durch die Positions-/Objektdetektoren 30 gesammelten Daten außerdem die Rohrgeschwindigkeiten und die differentielle Rohrgeschwindigkeit. Schließlich macht der Coprozessor II 124 in Schritt 545 sämtliche Ergebnisse für das Managerprogramm 144 des Coprozessors II verfügbar. In Schritt 532 (Fig. 8a) werden die Ergebnisse 136 vom Coprozessor II 124 im gemeinsam genutzten Speicher 132 angeordnet. In Schritt 548 wird ein Merker gesetzt, der dem Managerprogramm 146 des Coprozessors III signalisiert, daß es beginnen soll. Ähnlich zu den vorausgehenden Coprozessor-Managerprogrammen sendet der Manager 146 des Coprozessors III in Schritt 550 Daten an den und von dem Coprozessor III 126. In Schritt 552 (Fig. 8d) empfängt der Coprozessor III 126 die berechneten Kaltabmessungen des Rohrs P und die gewünschten Abmessungen eines Idealrohrs. In Schritt 554 empfängt der Coprozessor III 126 außerdem die Abmessungscharakteristiken verschiedener Herstellungsschritte einschließlich der Walzen, der Außendurchmesser, der Innendurchmesser, der Geschwindigkeit und der Drücke; die Temperatur des Drehofens 5, des Pilger dorns 6, des Elongators 7, des Stopfenwalzwerks 8, des Hochglättwalzwerks 10, des Temperierofens 14 und des Fertigwalzwerks 15; und den Außendurchmesser des Pilgerdorns und der Stopfen. In Schritt 556 berechnet der Coprozessor III 126 unter Verwendung der tatsächlichen und der idealen Abmessungen des Rohrs die Varianz in bezug auf den OD, den ID, die Wanddicke, die Exzentrizität und die Unrundheit.
- Falls in den Schritten 558, 562, 566, 572 und 578 (Fig. 8d und 8e) Varianzen in bezug auf die Exzentrizität, die Unrundheit, den ID, den OD oder die Wanddicke entdeckt werden, berechnet der Coprozessor III 126 in den Schritten 560, 564, 568-570, 574-576 bzw. 580-582 (Fig. 8d und 8e) die Einstellungen des Schrittmotors 60, die erforderlich sind, um den Herstellungsprozeß in der Weise abzuändern, daß die Varianzen verhindert und beseitigt werden. In Schritt 584 (Fig. 8f) untersucht der Coprozessor III 126 das Muster der lokalisierten Wanddickenvarianzen entlang der Länge des Rohrs P. Falls in Schritt 586 entdeckt wird, daß die lokalisierten Wanddickenvarianzen periodisch sind, vergleicht der Coprozessor III 126 in Schritt 588 die Periode 151 (Fig. 9f) des Defekts mit den Walzen-ODs und Walzen-IDs und erzeugt in Schritt 590 ein Signal, das angibt, welche Walzen die Varianz am wahrscheinlichsten verursacht haben. Falls in Schritt 592 entdeckt wird, daß die Varianzen fortlaufend und längs an der Innenoberfläche 154 (Fig. 9d) des Rohrs verlaufen, erzeugt der Coprozessor III 126 in Schritt 594 ein Signal, daß der Stopfen in dem Stopfenwalzwerk 8 ersetzt werden muß. Falls in Schritt 596 festgestellt wird, daß die Varianz fortlaufend und spiralförmig an der Innenoberfläche 161 (Fig. 9h) des Rohrs verläuft, vergleicht der Coprozessor III 126 in Schritt 600 die Spirale mit der Drehrate des Rohrs P in dem Pilgerdorn 6, in dem Elongator 7 und in dem Glättwalzwerk 9, um zu bestimmen, welcher Stopfen die Varianz verursacht. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 in Schritt 602 ein Signal, das angibt, welcher Stopfen ersetzt werden muß. Falls in Schritt 604 (Fig. 8g) bestimmt wird, daß die Varianz eine fortlaufende Spirale 163 an der Außenoberfläche 155 ist (Fig. 9h), vergleicht der Coprozessor III 126 in Schritt 606 den Spiraldefekt mit den Durchmessern der Walzen und mit der Drehrate des Rohrs P in dem Pilgerdorn 6, in dem Elongator 7 und in dem Glättwalzwerk 9, um zu bestimmen, welche Walzen die Varianz verursachen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 in Schritt 608 ein Signal, das angibt, welche Walzen die Varianz am wahrscheinlichsten verursachen. Falls in Schritt 610 entdeckt wird, daß die Varianz fortlaufend ist und längs an der Außenoberfläche 155 (Fig. 9c) verläuft, sucht der Coprozessor III 126 in Schritt 612 nach einem periodischen Aspekt der Varianz. Falls ein periodischer Aspekt festgestellt wird, vergleicht der Coprozessor III 126 in Schritt 614 die Periode der Varianz mit dem Walzen-OD und mit dem Walzen- ID in dem Stopfenwalzwerk 8 und in dem Hochglättwalzwerk 10. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt der Coprozessor III 126 in Schritt 616 ein Signal, das angibt, welche Walzen die Varianz am wahrscheinlichtsten verursachen.
- In Schritt 618 mittelt der Coprozessor III 126 die für jeden Aufwärts-Schrittmotor erzeugten Korrektursignale. In Schritt 620 berechnet der Coprozessor III 126 die zuvor beschriebenen Abstände des Endschnitts 159e (Fig. 9g). Wenn diese Aufgaben abgeschlossen sind, macht der Coprozessor III 126 die Ergebnisse in Schritt 622 für das Managerprogramm 146 des Coprozessors III verfügbar. In Schritt 550 ordnet der Manager 146 des Coprozessors III die Ergebnisse vom Coprozessor III 126 in der Ergebnispartition 136 des gemeinsam genutzten Speichers 132 an. In Schritt 623 werden diese Ergebnisse an das Prozeßsteuer-Teilsystem 50 und 54 gesendet. In Schritt 625 werden die Steuersignale an das Motorsteuersystem gesendet.
- Schließlich beginnt in Schritt 603 (Fig. 8a) das Datenarchivprogramm 152 mit der Ausführung zusätzlicher Aufgaben an den durch die Coprozessoren erzeugten Daten. Wenn der Coprozessor I 122 in Schritt 624 (Fig. 8h) seine Aufgabe für ein einzelnes Rohr P abgeschlossen hat, entnimmt das Datenarchivprogramm in Schritt 626 die Ergebnisse 136 des Coprozessors I aus dem gemeinsam genutzten Speicher 132 und berechnet in Schritt 628 die Durchschnittsergebnisse für die Gesamtlänge des Rohrs P. In Schritt 630 sendet das Datenarchivprogramm 152 die Ergebnisse 138 des Coprozessors I und die Rohrdurchschnitte an den gemeinsam genutzten Speicher 630. Falls der Coprozessor I 122 in Schritt 632 seine Aufgabe für ein gesamte Los von Rohren P abgeschlossen hat, entnimmt das Datenarchivprogramm 152 in Schritt 634 die Rohrdurchschnittsdaten aus der Langzeit-Speichervorrichtung 129 und berechnet in Schritt 636 die Durchschnitte für das gesamte Los der Rohre P. In Schritt 638 sendet das Datenarchivprogramm 152 die Losdurchschnitte an die Langzeit-Speichervorrichtung 129. Über das Anzeigeprogramm kann auf sämtliche in der Langzeit-Speichervorrichtung 129 gespeicherten Daten zugegriffen werden, um, wie in den Schritten 640 und 642 gezeigt ist, Produktionsberichte zu erzeugen.
Claims (23)
1. Verfahren zum Erlangen nichtzerstörender Messungen regelmäßig
geformter Objekte, umfassend:
a) Abtasten eines Objekts (P) mit wenigstens einer Quelle (72) für harte
Strahlung längs mehrerer Wege durch einen Querschnitt des Objekts (P), wobei
die mehreren Wege zwischen der Quelle (72) und einer damit in Beziehung
stehenden Detektoranordnung (78) definiert sind;
b) Erzeugen von Signalen, die die Strahlungsdämpfung längs jedes der
mehreren Wege repräsentieren;
c) Umsetzen der Dämpfungssignale in Signale, die die Dichte/Länge des
Objekts (P) längs jedes der mehreren Wege repräsentieren; und
d) Verarbeiten der Dichte/Länge-Signale, um unter Verwendung eines
Computermodells des zu untersuchenden Objekts Abmessungen des Querschnitts
des abgetasteten Objekts zu bestimmen;
gekennzeichnet durch
e) Bestimmen der Abstände (Si, Di) der Quelle (72) und von Detektoren (78)
der Detektoranordnung (78) vom Vorrichtungszentrum als geometrische
Parameter der mehreren Wege der harten Strahlung;
f) Erzeugen von Formeln, die die Strahlungswegparameter repräsentieren,
und Korrigieren der Abmessungen unter Verwendung der erzeugten Formeln
und mit Hilfe der bestimmten geometrischen Parameter, um die
Strahlungswegparameter darzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- Messen der Temperatur des Objekts (P), während es abgetastet wird, im
wesentlichen in der Abtastebene und Erzeugen von Temperatursignalen, die die
Temperatur des abgetasteten Objekts (P) repräsentieren, und
- Vorhersagen der Messungen des abgetasteten Querschnitts bei einer
gewünschten Temperatur aus den Temperatursignalen und den Abmessungen,
die bei der vorhandenen Temperatur des abgetasteten Querschnitts erhalten
werden, indem Dilatometriedaten verwendet werden, die für die gemessene
Abmessung spezifisch sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
- Überwachen der Position des Objekts (P), während es abgetastet wird, und
Erzeugen von Positionssignalen, die die Stellen des Objekts (P) jedes der
Quer
schnitte, für die die Abmessungen verarbeitet werden, repräsentieren; und
- Zuordnen einer Stelle längs des Objekts aus den erzeugten
Positionssignalen an jede Querschnittsabmessung, wodurch eine dreidimensionale
Darstellung des Objekts (P) erzeugt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die geometrischen Parameter durch Kalibrierung bestimmt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß geometrische
Parameter der Quellen-/Detektorvorrichtung (32) verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall von
drei Quellen- und Detektoranordnungspaaren (70) die geometrischen
Parameter folgendermaßen gegeben sind: drei Parameter (251, 252, 253), die die
Abstände (S1, S2, S3) jeder Quelle (72) vom Zentrum der
Quellen-/Detektorvorrichtung (32) definieren; drei Parameter (261, 262, 263), die die Winkel (Ω1,
Ω2, Ω3) zwischen den drei Detektoranordnungen (78) definieren; drei Parameter
(271, 272, 273), die die Abstände (D1, D2, D3) jeder Detektoranordnung (78)
vom Zentrum der Vorrichtung (32) definieren; und ein Parameter, der den
Zwischendetektorabstand zwischen jedem Detektor (80) und der
Detektoranordnung (78) definiert.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch
- Verwenden einer Kalibrierungsplatte (94), die einen Stahlstab (95) an
vielen bekannten Kalibrierungsstellen (96) positionieren kann;
- Ausführen von Messungen mit der Quellen-/Detektorvorrichtung (32) für
jede der Kalibrierungsstellen (96); und
- Ausführen einer χ²-Minimierung durch ein Programm zur Kalibrierung
geometrischer Parameter, um die geometrischen Parameter der
Quellen-/Detektorvorrichtung (32) zu bestimmen.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
geometrischen Parameter Parameter (Xi, Yi, Zi) einer quadratischen Korrektur der
Weglänge für jeden Detektor (80) sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß
für die Bestimmung dieser Parameter umfaßt:
- eine Menge Stahlplatten (98), deren Dicken im Bereich von 1,27 cm bis
14 cm (0,5 Zoll bis 5,5 Zoll) in Schritten von 1,27 cm (0,05 Zoll) unterschiedlich
sind;
- Ausführen nicht normierter Messungen mit der
Quellen-/Detektorvorrichtung (32) für jede Platte (98); und
- Ausführen einer χ²-Minimierung, um die Parameter (Xi, Yi, Zi) für jeden
Detektor (80) zu bestimmen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Weglänge Li als Strahlungswegparameter verwendet wird und durch die Parameter
(Xi, Yi, Zi) für die quadratische Korrektur der Weglänge korrigiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Korrektur durch die folgende quadratische Formel ausgeführt wird:
Li' = Xi + Yi(Li) + Zi(Li)²
wobei Li' die korrigierte Weglänge ist, Li die nicht korrigierte Weglänge ist und
Xi, Yi, Zi die Parameter für die quadratische Korrektur der Weglänge sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Strahlungswegparameter repräsentierende Formel folgendermaßen
lautet:
Li = F ln (Ai'''/Pi"")
wobei Li die nicht korrigierte Weglänge ist und der Wert von F auf das
Röntgenstrahlen-Absorptionsvermögen u und die Dichte p des Materials des Objekts (P)
über
F = (1/up)
bezogen ist und wobei A1''', Pi'''''' korrigierte Luftzählraten bzw. Objektzählraten
sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß
a) die regelmäßig geformten Objekte (P) zylindrische Objekte umfassen; und
b) das Computermodell einen Algorithmus verwendet, der annimmt, daß die
Dichte/Länge-Signale einem Objekt entsprechen, das einen im wesentlichen
kreisförmigen Querschnitt besitzt, um die Abmessungen eines Querschnitts des
Objekts (P) zu bestimmen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, ferner gekennzeichnet
durch:
a) Vergleichen der gemessenen Abmessungen des Objekts mit den
Abmessungen des Computermodells des Objekts, um Varianzsignale zu
erzeugen, wobei die sich ergebenden Varianzsignale Defekte repräsentieren;
b) Akkumulieren von Varianzsignalen, die jedem abgetasteten Querschnitt
des Objekts zugeordnet sind, zusammen mit Positionssignalen, die jedem
abgetasteten Querschnitt des Objekts zugeordnet sind, um dreidimensionale
Muster des Defekts zu erzeugen; und
c) Vergleichen der Defektmuster-Charakteristik mit einer Menge bekannter
Defektmuster-Charakteristiken, um den Defekttyp zu bestimmen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Herstellung des Objekts
wenigstens zwei Verarbeitungsschritte umfaßt, gekennzeichnet durch:
Vergleichen der Defektmuster-Charakteristik mit einer Menge bekannter
Defektcharakteristiken und ihrer Ursachen, um den den Defekt verursachenden
Verarbeitungsschritt zu identifizieren.
16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner gekennzeichnet durch:
a) Berechnen der Einstellung des identifizierten Verarbeitungsschritts, die
für die Beseitigung der Ursache des Defekts erforderlich ist, aus der
Defektcharakteristik; und
b) Erzeugen eines Steuersignals als Antwort auf die Einstellungsberechnung
und Übertragen dieses Signals an den identifizierten Verarbeitungsschritt, um
den Prozeß einzustellen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der identifizierte Verarbeitungsschritt ein Verarbeitungsschritt im
Herstellungsprozeß ist, der vor dem Abtastschritt erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der identifizierte Verarbeitungsschritt ein Verarbeitungsschritt im
Herstellungsprozeß ist, der nach dem Abtastschritt erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, bei dem die Herstellung
des Objekts (P) wenigstens einen Verarbeitungsschritt umfaßt, der vor dem
Abtastschritt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß für den vorhergehenden
Verarbeitungsschritt Rückkopplungsinformationen auf der Grundlage der
vorhergesagten Abmessungen des abgetasteten Querschnitts bei der gewünschten
Temperatur bereitgestellt werden, um Defekte in der künftigen Produktion zu
verhindern.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, bei dem die Herstellung
des Objekts (P) wenigstens einen Verarbeitungsschritt umfaßt, der nach dem
Abtastschritt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß für den folgenden
Verarbeitungsschritt Vorwärtsregelungsinformationen auf der Grundlage der
vorhergesagten Abmessungen des abgetasteten Querschnitts bei der gewünschten
Temperatur bereitgestellt werden, um Defekte in der künftigen Produktion zu
verhindern.
21. Vorrichtung zum Erlangen nichtzerstörender Messungen von regelmäßig
geformten Objekten (P), mit:
a) einer Einrichtung (32) zum Abtasten eines Objekts (P) mit wenigstens
einer Quelle (74) für harte Strahlung längs mehrerer Wege durch einen
Querschnitt des Objekts (P);
b) einer Einrichtung (78) zum Erzeugen von Signalen, die die
Strahlungsdämpfung längs jedes der mehreren Wege repräsentieren;
c) einer Einrichtung (46) zum Umsetzen der Dämpfungssignale in Signale,
die die Dichte/Länge des Objekts (P) längs jedes der mehreren Wege
repräsentieren; und
d) einer Einrichtung (46) zum Verarbeiten der Dichte/Länge-Signale, um
unter Verwendung eines Computermodells des zu untersuchenden Objekts (P)
Abmessungen des Querschnitts des abgetasteten Objekts (P) zu bestimmen;
gekennzeichnet durch:
e) eine Einrichtung zum Bestimmen geometrischer Parameter der mehreren
Wege der harten Strahlung auf der Grundlage von Abständen (Si, Di) der Quelle
(72) und von Detektoren (80) der Detektoranordnung vom
Vorrichtungszentrum;
f) eine Einrichtung zum Erzeugen und Speichern von Formeln, die die
Strahlungswegparameter repräsentieren; und
g) eine Einrichtung zum Korrigieren der Abmessungen unter Verwendung
der erzeugten Formeln und mit Hilfe der bestimmten geometrischen Parameter,
um die Strahlungswegparameter zu repräsentieren.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zum Bestimmen der geometrischen Parameter eine Kalibrierungsplatte
(94) umfaßt, die einen Stahlstab (95) an vielen bekannten kalibrierten
Positionen (96) positionieren kann.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zum Bestimmen der geometrischen Parameter eine Menge
Stahlplatten (98) umfaßt, deren Dicke im Bereich von 1,27 cm bis 14 cm in Schritten
von 1,27 cm unterschiedlich sind.
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