JP2014219425A - 力センサ・システム及び圧延中の薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップの力を測定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】著しい温度変化にもかかわらず、正確な力の測定を常に実施できる力センサ・システム、および正確な力の測定を実施する方法の提供。【解決手段】ロール・スタンドにおける圧延の間、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップから測定ロールへ伝えられる力を測定する力センサ・システム。力センサ・システムは、予負荷の下で測定ロールの円筒形の穴に挿入可能である。力センサ・システムは、第１の力センサ、並びに第１の力センサが測定ロールに対して半径方向に作用する力を決定できるように、第１の力センサに予負荷を発生させる予負荷デバイスを備える。力センサ・システムは、予負荷デバイスによる予負荷の下で位置を定めることもできる第２の力センサを備え、第１の力センサは、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップの接触力の測定に必要な測定感度に対応する高い感度を有し、第２の力センサは静的測定用の力センサである。【選択図】図５

Description

本発明は、ロール・スタンドにおける圧延の間、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップから測定ロールへ伝えられる力を測定するための力センサ・システムに関するものである。この力センサ・システムは、プレストレスの下で測定ロールの円筒形の穴に挿入することが可能である。また、この力センサ・システムは、力センサと、力センサが測定ロールに対して半径方向に作用する力を決定できるように力センサにプレストレスを発生させるためのプレストレス・デバイスとを備える。本発明は、ストリップをロール・スタンドで圧延する間、この力センサ・システムによって、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップの平坦度を測定する方法にも関するものである。

上記のタイプの力センサ・システムは、例えばストリップをストリップ処理ライン又はロール・スタンドで処理する間に、ストリップの平坦度を決定するために用いられる。

測定ロールは、様々なタイプの金属薄板ストリップ又は薄膜ストリップの冷間圧延において使用され、ストリップが張力を受け、測定ロール上をある特定のラップ角度で案内され、この測定ロールが、ロールに組み込まれたセンサによってストリップの幅全体にわたる応力分布を決定する。こうした測定ロールは通常、高いプレストレスを用いて、ロールの表面を向いて開いた測定ロールの半径方向の穴の中に配置されるか、又は測定ロールの表面のすぐ下の軸線方向に平行な穴の中に位置決めされた複数のセンサを特徴とする。

或いは、ロールに対してクランプ・スリーブをクランプすることもできる。欧州特許第０４３３５３５号は、調整可能な楔によって所望のプレストレス力を発生させるプレストレス要素を開示している。この力センサ・システムは、プレストレス力が測定されるストリップの力の倍数になることを特徴とする。

高温のストリップによる測定ロールの外部からの加熱は、測定ロールにロール形状の変形を引き起こす。したがって、プレストレスの変化を生じさせる可能性がある。変化したプレストレスによってセンサの測定感度が変わり、それに応じて、これまでに測定された較正値がもはや適切ではなくなる。

国際公開第２００４／０６５９２４号は、そうした力センサのプレストレス要素について記載しており、国際公開第０３／０６１８５６号は、プレストレス・デバイス並びに取り付けの形態について記載している。

多くの用途において、動作中に測定システムに著しい温度差が生じ、プレストレスを受けるセンサのプレストレスを変化させる。プレストレスを発生させるシステムの設計に応じて、変化したプレストレスが、それまでに決定された較正値について、多かれ少なかれ重要な変化を生じさせる。較正値は、例えば測定ロールで生成されるタイプの力分路における、取り付けられたセンサの感度を表す。

高い測定分解能を得るために、圧電性の力測定センサを接続した荷電増幅器が、高い倍率を有するようにする。圧電センサを用いた力の測定により、かなりのプレストレスにもかかわらず、測定の始めに荷電増幅器に対してリセットを実施することによって、高い分解能による力の測定を実現することが可能になる。このリセットによって、プレストレス又はプレストレス力を受けて発生するセンサの圧電電荷が電気的にゼロに設定され、プレストレスの強度に関する情報はもはや存在しなくなる。測定中に荷電増幅器のスイッチを切り、再びスイッチを入れた場合、同様の効果が生じる。

欧州特許第０４３３５３５号明細書 国際出願第２００４／０６５９２４号 国際出願第０３／０６１８５６号

本発明の目的は、著しい温度変化にもかかわらず、正確な力の測定を常に実施できる、最初に言及したタイプの力センサ・システムを提供することである。さらに、本発明は、そうした正確な力の測定を実施する方法を提供することを目的とする。

この目的は、独立請求項の特徴部分によって達成される。

本発明は、既に記載した第１の力センサに加えて、プレストレス・デバイスによるプレストレスの下で配置できる第２の力センサを備える、最初に言及したタイプの力センサ・システムを提供するという考えに基づくものである。本発明によれば、第１の力センサは、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップの接触圧力に対する測定に必要な測定感度に対応する高い感度を有し、第２の力センサは静的測定用の力センサである。

このために、プレストレスに依存する第１の力センサの力分路の感度特性は、あらかじめ分かっている。

本発明による方法では、２つの力センサが同時に測定を行うのではなく、連続的に、第１のセンサが実際に測定される力を測定し、第２のセンサが、この力が作用する直前又は直後のプレストレスを測定することが好ましい。これは、第２のセンサで測定される力が重複しないようにするのに有用である。或いは、第１のセンサの力の値によって、第２のセンサの信号を補正することも可能である。その場合、第１の力センサの現時の感度は、既知の特性によって第２のセンサのプレストレス信号から決定される。取得された力信号は、最終的にはこの決定された現時の感度に基づいて評価される。

本発明の方法の他の決定的な利点は、力信号をもはや妥当に評価することができないほど、プレストレスが必要な制限値を上回っている又は下っているかどうかを判定できる点にあることも理解することができる。

以下では、図面を参照して本発明についてさらに詳しく説明する。

測定ロール、及び前記測定ロールの上を運ばれる金属薄板ストリップ又は薄膜ストリップの概略図。 本目的のために設計された、穴の中に力測定センサ又は力測定システムを備える測定ロールの概略図。 穴の中の本発明の力測定システムを通る縦断面図。 穴の中の本発明の力測定センサの好ましい実施例の縦断面図。 測定ロールの穴の中の本発明の力測定システムを通る断面図。 プレストレスに依存する第１の力センサの感度特性を示す図。 両方の力センサの時間依存の信号、並びに測定ロールの角度位置を示す図。 力センサ・システムを示す図。 第１の力センサ（Ｆ１）及び力センサ（Ｆ２）の測定信号を示す図。

全図面を通じて、同じ符号が用いられている。

図１は、回転する測定ロール３上を運ばれる金属薄板ストリップ又は薄膜ストリップ２を示している。ここで、ストリップ２は、測定ロール３に特定の角度の扇形部ｄαのまわりに巻かれ、測定ロール３に対して半径方向に作用する力Ｆ（この扇形部分に矢印で示される）を発生させる。測定ロール３の幅全体に分配されたセンサによって、ストリップ２の平坦度を示す力の分布９を作成することが可能である。

図２は、そうした測定ロール３をストリップ２なしで再び示したものである。測定ロール３は通常、測定ロール３の表面のすぐ下に配置された、いくつかの穴４を含む。これらの穴４は、その全長にわたり、ストリップ２から測定ロール３へ伝えられる力Ｆを必要な感度で測定することが可能な力測定センサ５を備える。このために圧電性の測定センサ５を使用することが好ましい。こうした測定センサは、信頼性のある測定を実施することが可能であることを保証するために、高いプレストレス下で取り付ける必要がある。

ストリップ２によって引き起こされる測定ロール３の加熱又は冷却により、測定ロール３の表面で膨張が生じる。これによってプレストレスＶの変化が生じ、それが力センサでの力分路の変化を生じさせる。力センサ５の感度がそれぞれに支配的な力分路に依存するため、第１の力センサ５の較正値は経時的に変化する。

図６は、測定ロール３の温度Ｔに依存するプレストレスＶの実例を示している。各プレストレスＶにおける感度Ｅも、同じ線図に示してある。プレストレスが、較正中のＶ０〜Ｖ１の状態に相当する場合、現時の感度Ｅは較正中の測定に対応する。多くの例において、較正は、測定ロールが室温である状態において実施される。しかしながら、測定ロール３は、現時の感度Ｅが較正値から外れるような著しく変動する温度の下で使用される。

測定データの評価に必要な較正値は、最終的にはそれぞれに支配的な感度Ｅに基づいて決めることができる。

それぞれに支配的なプレストレスを決定するために、本発明に従って、第２の力センサ６及び第１の力センサ５が、力センサ・システム１に組み込まれる。本発明によれば、この第２の力センサ６は、長期間にわたって力を確実に測定することが可能な静的測定用の力センサである。第２のセンサ６は、本発明に従って、抵抗式、光学式又は共振式のセンサの形で実現される。第２のセンサ６は、特にＤＭＳセンサで構成することができる。

本発明の力センサ・システム１の２つのそうした実例が、図３及び図４に示されている。

図３では、２つの力センサ５、６がそれぞれ、穴４又は測定ロール３の軸線１１に関して互いに隣接して配置されている。プレストレス・デバイス７が、同じプレストレスの下で両方の力センサ５、６を位置決めする。

図４では、２つの力センサ５、６が、それぞれ測定ロール３に対して半径方向に作用する、力が加わる方向８に互いの頂部に配置されている。プレストレス・デバイス７は、この場合も、同じプレストレスの下で両方の力センサ５、６を位置決めする。この配置の図３による配置と比較した場合の利点は、両方の力センサ５、６が同じ力の流れＦの中にあり、したがって、直列に取り付けられる点にあることを理解することができる。こうして、両方の力センサ５、６に対するプレストレスが常に同じであることが保証される。

両方の力センサ５、６は、同じ基部領域１０を有する円筒形のディスクの形で実現されることが好ましく、それらの軸線１１は、同軸に且つ測定ロール３に対して半径方向に配置される。

これによって変換が容易になり、追加の誤差がシステム内に入り込むことが防止される。

図５は、図４による配置を通る断面図を示している。使用されるプレストレス要素は、例えば国際公開第２００４／０６５９２４号に記載される従来技術により実現できる。プレストレスのタイプについては、この図を参照してさらに詳しい議論は行わない。ただ、測定ロール３の各穴４の中に取り付けられる個々の力センサ・システム１それぞれの位置を、十分に高いプレストレスの下で定めることが必須であることに留意されたい。それぞれの穴４は複数のそうした力センサ・システム１を備える必要があるため、プレストレスを加える形は重要である。

測定を実施するために、両方の力センサ５、６の信号が取得される。第１のセンサ５及び第２のセンサ６のこうした時間依存の信号Ｆ_１、Ｆ_２が、図７の上側の２つの図に示されている。示される最初の２つの信号と最後の信号との間で、測定ロール３の温度Ｔが著しく変動する比較的長い時間が経過している。プレストレスＶはそれに応じた挙動を示し、最初に減少した後、引き続き増加する。下側の図は、時間に依存する角度位置αを示している。この角度位置は別個に決める必要はないが、より適切な全体像を示すために、やはりこの図の中に示してある。

上側の曲線は、力センサ・システム１がストリップ２のラップ角度１２の角度部分ｄαの範囲内に位置決めされている間に、ストリップ２から測定ロール３へ伝えられる力を表す、第１の力センサ５の測定信号Ｆ_１を示している。この力センサ５は高感度である必要があるため、圧電性の力センサの形で実現することが好ましい。この力センサは、線図に示されるように１回転ごとにリセットして、リセットによってゼロに戻す必要がある。

中間の曲線は第２の力センサ６の測定信号Ｆ_２を示すが、第２の力センサ６の感度は第１の力センサ５の感度よりも低く、例えば１００分の１である。次にこの信号から、プレストレス力Ｖが得られる。これは、力センサ・システム１がストリップ２のラップ角度１２の角度部分ｄαの範囲外に位置決めされている間に支配的な力である。このそれぞれに一定の値が、プレストレス力Ｖである。

次に、プレストレスＶに依存する第１の力センサ５の感度Ｅのこれまでに決定された特性に基づき、第２の力センサ６の決定された現時のプレストレス力によって、第１の力センサ５の現時の感度Ｅが決定される。次に、決定された現時の感度Ｅに基づき、示されていない評価ユニットにおいて、取得された力の信号を適切な較正値を用いて評価することができる。このために、測定ロール３の角度位置αを、別個に決めること又は第２のセンサ６の測定信号から得ることが可能である。

力センサ・システム１は、特に２つのセンサ５、６が組み込まれた単一のセンサで構成することができる。例えば、第１のセンサ５は動的な力センサで構成することもでき、第２のセンサ６はアクチュエータで構成することができる。

本発明の他の利点が、図４において取り付けられた又は図８などに示されたタイプの本発明の力センサ・システム１を、他の用途に用いることも可能である点にあることを理解することができる。そうした例では、静的測定用のセンサ６は、測定時に支配的であり且つ力センサ・システム１に対するプレストレスｖからなる予負荷、及び別の静的に作用する負荷をそれぞれ測定することが可能である。この静的負荷は、構成要素３での取り付けによって、又は力センサ・システム１の配置時に作用する別の静的負荷によって生じる可能性がある。対応する静的信号Ｆ２の１つの実例が、図９に示されている。そうした装置における測定時間は、通常はきわめて長く、測定は例えば何ヶ月又は何年にも及ぶ。図９は、この静的信号に重ね合わされた動的信号Ｆ１も示している。測定は第２の力センサ６も用いて実施されるが、動的信号Ｆ１は、Ｆ１の振幅の大きさがほぼ６桁（１０^６）低いため、静的信号Ｆ２から得ることはできない。

適切な用途は、特に力センサ・システム１に、長期にわたって接触することができない、又は再び接触することができないすべての場合であり、選択の範囲を少しだけ挙げると、例えば沈めたブイ、測候所、衛星又は核反応器においてなどである。

第２の静的センサ６によって測定された静的信号Ｆ２は、特に第１の動的センサ５によって測定された動的信号Ｆ１の品質を調べるために用いることができる。プレストレスＶ又は予負荷、すなわち静的負荷Ｆ２が、第１の動的センサ５の感度ＥがもはやプレストレスＶと線形関係ではなくなる臨界値よりも低くなった場合も、第１の力センサ５の測定データは依然として、既知の特性に基づく補正された基準値を用いて評価することが可能である。しかしながら、予負荷Ｆ２が過度に低下した場合、第１の力センサ５によって送られたデータをもはや評価できないことを確かめることができる。さらに、後でＦ２が再びより高い値を送ったときに、信号Ｆ１を再び評価できることを確かめることができる。

したがって、本発明によれば、特許請求の範囲において主張する力センサ・システム１を、薄膜及び金属薄板の処理以外の用途に用い、任意の構成要素３に取り付けることも可能である。プレストレス・デバイスは、その構成要素によって実現することができる。

１ 力センサ・システム
２ ストリップ、薄膜ストリップ、金属薄板ストリップ
３ 測定ロール、構成要素
４ 円筒形の穴
５ 第１の力センサ、圧電性の力センサ
６ 第２の力センサ、抵抗式、光学式又は共振式の力センサ
７ プレストレス・デバイス
８ 測定ロールに力が加わる方向
９ 力の分布
１０ 基部領域
１１ 軸線
１２ ストリップのラップ角度
α 測定ロールの角度位置
Ｅ 感度
Ｖ プレストレス力、プレストレス
Ｆ 力
Ｔ 測定ロールの温度
ｔ 時間

Claims (7)

1. ロール・スタンドでの圧延の間、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップ（２）から測定ロール（３）へ伝えられる力を測定する力センサ・システムであって、プレストレス（Ｖ）の下で前記測定ロール（３）の円筒形の穴（４）に挿入することが可能であり、前記力センサ・システムは、
   第１の力センサ（５）と、
   前記第１の力センサ（５）が前記測定ロール（３）に対して半径方向に作用する力（Ｆ）を決定できるように前記第１の力センサ（５）にプレストレス（Ｖ）を発生させるためのプレストレス・デバイス（７）と
   を備える、前記力センサ・システムにおいて、
   前記力センサ・システムが、前記プレストレス・デバイス（７）によるプレストレス（Ｖ）の下で配置できる第２の力センサ（６）を備え、
   前記第１の力センサ（５）が、前記薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップ（２）の接触圧力（Ｆ）の測定に必要な測定感度に対応する高い感度（Ｅ）を有し、前記第２の力センサ（６）が静的測定用の力センサであることを特徴とする力センサ・システム。
2. 前記第１の力センサ（５）が、圧電性の力センサであることを特徴とする請求項１に記載された力センサ・システム。
3. 前記第２のセンサ（６）が、抵抗式、光学式又は共振式の力センサであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された力センサ・システム。
4. 両方の力センサ（５、６）が、前記プレストレス要素（７）に直列に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された力センサ・システム。
5. 両方の力センサ（５、６）が、同じ基部領域（１０）を有する円筒形のディスクの形であり、それらの軸線（１１）が、同軸に且つ前記測定ロール（３）に対して半径方向に配置されることを特徴とする請求項３に記載された力センサ・システム。
6. ロール・スタンドにおける圧延の間、薄膜ストリップ又は金属薄板ストリップ（２）から測定ロール（３）へ伝えられる力を、プレストレス（Ｖ）の下で前記測定ロール（３）の円筒形の穴（４）に挿入された請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された力センサ・システムによって測定する力測定方法であって、前記第１の力センサ（５）の感度（Ｅ）の特性が既知である、前記力測定方法において、
   ａ）前記力センサ・システムが前記ストリップ（２）のラップ角度１２（ｄα）の範囲内に位置決めされている間、前記第１の力センサ（５）の力信号が取得され、
   ｂ）前記力センサ・システムが前記ストリップ（２）の前記ラップ角度１２（ｄα）の範囲外に位置決めされている間、前記第２の力センサ（６）のプレストレス信号が取得され、
   ｃ）前記第１の力センサ（５）の現時の感度（Ｅ）が、前記既知の特性によって前記第２の力センサ（６）の前記プレストレス信号から決定され、
   ｄ）前記取得された力信号が、前記決定された現時の感度（Ｅ）に基づいて評価される
   ことを特徴とする、力測定方法。
7. 前記測定ロール（３）の角度位置（α）も決定されることを特徴とする請求項６に記載された力測定方法。