KR100221696B1 - 연속제조된 스트립의 평활도 측정롤러 - Google Patents

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프랑소와 쥬니오
쟝-뤼 미노
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쟝 가브리엘 메날드
솔락
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Abstract

롤러가 그 축을 중심으로 회전자재토록 장착되며 중공의 원통형 롤 표면(11)과, 링(13)과 그리고 두 개의 중공샤프트(12,12')를 포함한다. 이 롤러에는 측방향 하중을 받는 광섬유 내의 복굴절을 이용하는 하중측정 광섬유장치가 구비된다. 측정장치의 광섬유는 코일(14,15,16)을 형성하며 이들 각각은 상기 원통형 롤러 둘에에 적어도 하나의 선회(5'a, 5'b, 5'c)를 갖는다.

Description

연속제조된 스트립의 평활도 측정롤러
본 발명은 연속 제조되는 스트립(strip), 예컨대 강대(鋼帶 : steel strip)의 평활도를 측정하는 롤러(flatness-measuring roller)에 관한 것이다.
스트립을 연속적으로 제조하는 라인에 있어서는 그 스트립의 평활도를 지속적으로 체크할 필요가 있으며, 이는, 예컨대 강대 냉간 압연기(steel strip cold-rolling mills)의 경우에 그러하다.
평활도 불량(flatness defects)은 종종 축방향 섬유조직(axial fibres)과 측방향 섬유조직(lateral fibres)의 길이가 다른 것에 기인하며 이로 인해 가장자리에 기복(起伏 : undulation)이 생기거나 축(axis)에 빈 틈(void)이 생긴다.
이러한 평활도 불량을 감지해 내고 측정하기 위해서는 스트립을 편향롤러(defelctor roller)에 올려 놓아 인장력(tension)을 받게 한 후 이 롤러상에 작용하는 스트립의 압력을 그 축(axis)상에서, 또한 가장자리(margin)에서 측정하면 된다. 실제로 단섬유조직과 장섬유조직은 동일한 인장력을 갖지 않으며 이 때문에 롤러상에 동일한 압력을 가하지 않는다.
이러한 평활도 체크를 행하기 위하여 재킷(jacket)과, 압전기적(壓電氣的 : piezoelectric)형태의 압력센서가 장착된 표면(surface) 및 저널(journals)을 포함하는 평활도 측정롤러가 공지되어 있다. 이 롤러들은 그들의 축 둘레에 회전자재로 장착되어 있다. 그러나 이들 롤러들은 다음과 같은 몇 가지 결점을 갖고 있다.
- 이들은 기계적으로 대단히 복잡하고 무거워 그 설치에 상당한 하구구조를 필요로 하며, 특히 모터는 필수적이다.
- 압전기적 혹은 유도성 센서(inductive sensors)는 비교적 그 부피가 커서 이들을 롤러의 모면(毛面: generatrix)을 따라 다수 개 설치하기가 어렵다. 이는 폭 방향 해상도(resoulution in width)를 떨어뜨린다.
- 산출(generation) 및 측정값의 전송이 복잡하다.
- 체크되는 스트립의 강성(rigidity)및 두께에 따라 측정값이 다르게 나타난다.
따라서, 본 발명의 목적은 가볍고 모터구동이 필요없으며, 폭 방향 해상도가 좋으며, 산출 및 측정값의 전송이 간단하며, 또한 그 측정값이 스트립의 강성이나 두께에 좌우되지 않는, 기계적으로 간단한 평활도 측정 롤러를 제안하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 대상(subject)은 하나의 중공형 표면과, 재킷과 그리고 두 개의 중공저널을 포함하는 형태의, 연속적으로 제조되는 스트립, 예컨대 강대의 평활도를 측정하는 롤러이며, 또한 본 발명의 대상은 이에 더하여, 측방향 힘을 받는 단모드 광섬유(monomode optical fibre)에서 나타나는 복굴절(birefriongence)을 이용하는 광섬유들을 갖는 하중측정장치를 더 포함하는 평활도 측정 롤러로서, 상기 하중측정장치의 광섬유 또는 광섬유들은 재킷위에 놓여지는 스트립의 압력에 의해 생긴 기계적 응력을 받도록 동 재킷과 접하게 설치되며, 원통형 표면 둘레에 적어도 한 바퀴의 권선을 형성하는, 연속제조되는 스트립 예컨대 강대의 평활도 측정롤러이다.
상기 광섬유 하중측정장치는 안정화된 전원과, 단색광원과, 편광자(polarizer) 및 적어도 하나의 단모드 광섬유와, 편광 분석기 (polarimetric analyer)와, 광검출기(photodector)와 그리고 전자 상-추적 장치(electron C phare-tracker device)를 포함하는데 이들은 원통형 표면 내측에 배설된다.
바람직하게는 롤러를 구비하는 하중측정장치는 원통형 표면 둘레에 권선(windings)을 형성하는, 평행하게 장착된 복수의 광섬유를 포함하는데 이 권선은 적어도 일 선회(turn)의 간견을 두어 표면의 폭에 걸쳐 배설된다.
또한, 상기 광원은 바람직하게는 레이저 광원이다.
상기 전자 상-추적 장치들은 원통형 표면 내측에 위치하는 다중채널(multiplexer)에 연결된다.
상기 다중채널은 저널의 바깥쪽 단부 근처의 롤러축 내에 설치된 포토다이오드(photodiode)를 공급한다.
롤러는 복수의 광섬유가 연결되는 적어도 하나의 커플러(coupler)를 포함할 수도 있다.
이 롤러는, 한편으로는, 저널들 중의 하나에 위치한 전도링(conducting rings)에 연결되고, 다른 한편으로는, 광원 또는 광원들에 연결되는 안정화된 전원(power supply)를 포함한다.
바람직하게는 상기 재킷은 합성재, 예컨대 수지로 만들어진다.
가벼운 롤러는 모터구동될 필요가 없고, 폭 방향 해상도가 좋으며, 스트립의 강성이나 두께에 좌우되지 않을 뿐만 아니라 더우기 경제적이다.
바람직하게는, 이동되는 스트립의 폭 방향에 걸쳐 나타날 수 있는 온도변화 영향으로 인한 하중측정의 오차를 보정하기 위하여, 본 발명에 따른 롤러는 하중측정자로서의 광섬유 권선 근처에 온도 변화에 접하면 복굴절을 나타내는 광섬유로 구성된 적어도 일 선회의 제2권선을 포함하는데 이 제2권선은 재킷 위에 놓여지는 스트립의 압력에 의해 생기는 기계적 응력을 받지 않도록 배설된다.
본 발명은 첨부도면에 기초하여 이하 상세히 설명된다.
제1도는 광섬유 하중센서(optical-fibre force sonsor)의 이론적 다이아그램도이다.
제2도는 부분 절개된 재킷과 함께 도시된 본 발명에 따른 롤러의 사시도이다.
제3도는 신호 광원(냐후미 light soure)에 의해 공급되는 세 개의 평행한 섬유를 장착하기 위한 다이아그램도이다.
제4도는 열교정(temperature correction)을 할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 롤러축의 종단면의 부분 다이아그램도이다.
광섬유에 의해 하중을 측정하는 원리는 공지되어 있는데 좀더 명확한 이해를 돕기 위해 이를 설명하면 다음과 같다.
단모드 광섬유가 측방향 하중을 받으면 복굴절(birefringence)이 나타나는데 이 복굴절로 인해 그 하중의 축에 평행하게 편광된 광파동(light waves polarized)은 하중측에 직각방향으로 편광된 광파동의 속도와 동일한 속도로 전파하지 않는다.
만약, 측방향 하중을 받는 단모드 광섬유에 하중축(axis of force)에 대하여 45。로 편광된 파동이 도입되면 이 파동은 하중 방향에 대하여 각각 평행한 방향과 직각인 방향으로 직선적으로 편광된 두 파동으로 갈라지고 이들 두 파동은 서로 다른 속도로 광섬유 내에서 전파된다. 만약 이 두 파동이 섬유의 출구(exit)에 겹쳐지면 편광분석기를 통해 간섭을 관찰할수 있다.
하중이 변하면 간섭무늬(interference fringes)의 연속이 나타난다. 간섭무늬의 갯수를 셈으로써 하중의 변화패턴을 확인할 수 있고 또한 그 크기를 산정할 수 있다.
이 방법을 실효(實效)시키기 위하여 제1도에 그 원리가 도시된 장치가 사용된다.
이 장치는 안정화된 전원(2)에 의해 공급되는 단색광원(monochromatic light source)(1)을 포함한다. 광원(1)은 적절하게 방향지워진 편광자(3)를 조명한다. 이 편광자(3) 뒤에는 측방향 하중(F)을 받는 단모드 광섬유(5)의 단부(4)가 위치하고 있고, 이 광섬유(5)의 또다른 단부(6)는 편광분석기(7)를 향하고 있으며, 동 편광분석기(7)뒤에는 포토다이오드(8)가 배치된다. 이 포토다이오드(8)는 전자 상-추적장치에 연결되며 동 전자 상-추적장치는 간섭신호를 분석하고 간섭무늬의 이동방향 및 갯수를 센다.
본 발명은 이러한 하중측정장치를 이동하고 있는 스트립의 평활도를 측정하기 위하여 롤러에 설치한 것이다.
제2도에 있어서 도면부호 10으로 표시된 평활도 측정롤러는 중공의 원통형 표면(11)과, 중공저널(12)(12′)및 재킷(13)을 포함한다. 원통형 표면(11) 상에는 동 표면(11)의 폭에 걸쳐 간격을 두어 배설된 권선(windings)(14)(15)(16)을 이루는, 하나 또는 그 이상의 루프(5′a)(5′b)(5′c)를 형성하는 복수의 광섬유(5a)(5b)(5c)가 감겨져 있다. 각 광섬유는 적어도 한 바퀴 감기며 연속하여 수 바퀴 감길 수도 있다. 각 광섬유의 단부들은, 전원과, 하나 또는 그 이상의 광원들과, 편광자들과, 편광분석기들고, 광검출기들과 그리고 전자 상-추적 장치들이 내장된 상기 원통형 표면 내로 삽입된다.
각 광섬유는 동 광섬유의 일단부에 레이저 광원 및 편광자를, 그리고 동 광섬유의 타단부에 편광분석기 및 전자 상-추적장치를 각각 포함하는 광회로(optical circuit) 내로 접속된다.
상기 전자 상-추적장치들은 다중채널(21)에 연결된다. 이 다중채널은 롤러 내에 설치되며 저널의 바깥쪽 단부 근방에서 중공저널의 축 내에 위치하는 광출다이오드(light-emitting diode) (22) 에 연결된다. 롤러의 바깥쪽에는, 광검출기(23)가 광출다이오드(22)의 반대측에 롤러 축의 연장선장에 배치된다. 광검출기(23)는 미도시된 전자 신호처리 및 계산기에 연결된다.
단, 하나의 광섬유만이 사용되는 경우에는 광출다이오드는 전자 상-추적장치에 직접연결된다.
안정화된 전원(2)은 저널(12)의 외주에 위치된 전도링(conducting rings)(24)(25)에 연결된다. 수 개의 광섬유에, 제3도에 도시된 바와 같이, 신호광원(1)에 의해 빛이 공급될 수 있다. 이 경우 편광자(3) 뒤에 커플러(20)가 설치되어 있어서 이 커플러에 의해 광원(1) 및 편광자(3)에 의해 편광된 광속(light beam)을 광섬유 갯수 만큼의 편광된 광속으로 나눈다.상기 커플러(20)는 편광-보전커플러(polarization-preserving coupler)이어야 한다. 제3도에 있어서, 커플러(20)는 세 개의 광섬유(5a)(5b)(5c)를 공급하는데 이들은 검지기(detectors)로 가능하고, 각각 원통 표면 둘레에서 하나 또는 그 이상의 루우프(5′a)(5′b)(5′c)를 이루며, 측방향 하중(F)을 받는다. 한편 커플러(20) 뒤에 세 개의 편광자를 설치하는 것도 가능하다.
각 광섬유에는 편광분석기(7a)(7b)(7c) 및 상-추적장치(9a)(9b)(9c)가 연결된 광검출기(8a)(8b)(8c)가 구비되는데 상기 각 상-추적장치는 다중채널(21)에 연결된다. 모든 편광작용(polarimetric function)은 각 연결된 광섬유와 짝을 이루어 수행하는 점에 주목되어야 한다.
권선(14)(15)(16)은 롤러상에 그 광섬유들이 좋은 측방향 해상도를 갖도록 배설된다.
이를 위해 광섬유들은 비교적 상호 가깝게 배치될 수 있으며 특히 롤러의 양단부 근방 영역에서 그러하다.
스트립과 접촉하므로 인해 야기될 수 있는 광섬유상의 파손을 방지하기 위하여 롤러의 표면은 수지로 코팅되는데 이 코팅이 재킷(13)을 이룬다.
이하 작동을 설명한다.
링(24)(25)을 거쳐 안정화된 전원(2)에 의해 전류가 공급되고 이 전류가 단색 광원(1)에 전달된다. 광원(1)은 광선을 조사(照射)하며 이 광선은 편광자(3)를 통과함으로서 편광된다. 편광된 광선은 커플러(20)를 통해 동 커플러에 접속되어 있는 광섬유 갯수 만큼의 광선으로 나뉜다. 각 광섬유(5a)(5b)(5c)는 동 광섬유가 받고 있는 힘(F)에 의해 영향을 받는 광속을 받아들인다. 각 광섬유의 광속(light beam)은 그 각 광섬유에 연결된 편광분석기 (7a)(7b)(7c)에 의해 분석되고, 이 편광분석기들에 의해 송출된 각 광신호는 광신호를 전기신호를 변환하는 광검출기(8a)(8b)(8c)에 의해 검출되며, 각 전기 신호는 관련 상-추적장치 (9a)(9b)(9c)에 의해 처리된다. 이들 상-추적장치들이 광출다이오드(22)를 구비한 다중채널(21)에 신호를 보내면 이 신호는 롤러의 바깥쪽에 위치한 포토다이오드(23)에 의해 검출되는데 상기 포토다이오드(23)는 전자처리장치 및 계산장치로 신호를 전송한다. 따라서 각 섬유에 작용하는 하중(F)를 측정할 수 있다.
롤러의 모든 광섬유에 반드시 단일 광원에 의해 빛이 공급되어야 하는 것은 아니며, 복수의 광원을 제공해도 무방하다. 그러나 모든 상-추적장치는 단일의 다중채널에 연결되어야 하며 그렇게 함으로써 롤러로부터 단일신호가 발생한다. 광출다이오드(22) 및 광검출기(23) 수단에 의한 신호의 송출은 전도링(conducting rings) 수단에 의한 신호송출보다 휠씬 더 신뢰할 수 있다는 잇점을 갖는다.
마지막으로, 제조라인에 있어서, 롤러는 스트립의 표면과 평행한 축 둘레로 회전자재토록 또한 스트립에 형성된 굴곡이 롤러상에 하중을 가하도록 장착된다.
이러한 롤러는 스트립의 강성이나 두께에 영향을 받지 않는다는 점에 주목하여야 한다. 실제로 측정된 하중은 롤러상의 스트립의 감김 각도(angle of winding)와 무관한데, 이는 종래기술에 따른 롤러의 경우와 다른 것이며, 감김각도는 스트립의 강성 및 두께에 따라 다르다.
전술한 하중측정장치의 구성에 사용된 단모드 광섬유는 하중에 민감한 것과 마찬가지로 열(熱)에 민감하다.
따라서, 만약 스트립의 온도가 횡방향으로 일정하지 않으면(예컨대, 가장자리가 중앙부보다 더 차가우면) 각 광섬유를 통해 전달된 신호는 온도차에 의한 영향을 받을 것이기 때문에 스트립이 일정한 대개 온도에 있을 때의 그 참된 결함을 완벽하게 검출해 낼 수 없을 것이다.
이러한 예상되는 결합을 해소하기 위하여 하중 측정자(force measurer)로서의 각 광섬유권선 근방에 동일한 형태의 제2의 전선, 즉 온도변화의 영향하에 90°각도의 두 방향으로의 복굴절이 나타나는 단모드 광섬유로 구성되는 온도센서를 배설하는 것이 가능한데 이 권선은 동 권선을 구성하는 광섬유가 롤러의 재킷상에서 굴려지는 스트립의 압력에 의해 야기되는 기계적 응력을 받지 않도록 배설된다.
권선(14)을 포함하는 롤러(1)의 일부분만이 도시된 제4도에 의해 알 수 있듯이, 불필요하게 형상을 부풀리지 않도록 하기 위하여, 본 발명의 이 특별실시예는 온도썬서로서의 제2권선(24)을 형성하는 광섬유를 주권선(main winding)(14)을 보지하기 위한 하우징보다 더 깊게 상기 표면(11)상에 기계가공으로 형성한 채널(25)내에 격납(housing)시킴으로써 이루어질 수 있다.
가공 깊이는, 상술한 바로부터 잘 알 수 있듯이, 제2권선(24)을 구성하는 광섬유의 직경이 자켓(13)에 닿지 않을 정도의 깊이로 결정된다.
온도측정은 온도에는 민감하나 응력에는 민감하지 않은 상기 제2권선(24)과 같은 광섬유의 도움으로, 전술한 하중센서에 있어서의 경우와 마찬가지로, 간섭평광계 기술(interfero-polarimetric technique)에 의해 수행될 수 있다.
이 방법은, 결국, 권선(24)과 같은 단모드의 광섬유 온도센서 네트워크를 롤러(10)를 따라 배설된 하중센서 네트워크(14)(15)(16)등과 평행하게 설치하는 것으로 된다. 각각 이웃하는 하중센서와 연계된 이들 온도센서(24)들은 하중측정 광섬유(5a)(5b)(5c)등이 장착되는 광 배열(optical layout), 즉 예컨대 레이저와 같은 단색광원과, 편광자와, 적어도 하나의 온도 감지용 단모드 광섬유와, 편광분석기와, 광검출기 및 전자 상-측정장치들이 장착되는 광배열과 동일한 광 배열 내에 포함된다.
따라서 배열된 이들 광섬유들(24)은 지역온도(local temperature)를 나타내는 신호를 전송하는데 이 신호는 하중을 김지하는 이웃에 위치하는 광섬유로부터 전송된 신호를 보정하는데 사용된다. 따라서 이동 스트립이 그 폭에 걸쳐 보일 수도 있는 온도변화에 의해 영향을 받지 않는 하중응력값을 얻을 수 있다. 또한 중앙컴퓨터의 도움으로 각 하중-온도 값 쌍으로부터 스트립이 대기온도 20℃에 접했을 때 나타내는 표면 평활도를 측정하기가 쉽다.

Claims (11)

  1. 중공의 원통형 표면(11)과 자켓(13) 및 두 개의 중공저널(12, 12')을 포함하는 형태이고 축 둘레에 회전자재로 장착된, 연속 제조되는 스트립, 예컨대 강대의 평활도를 측정하는 롤러로서, 이 롤러는 측방향 하중을 받는 단모드 광섬유에 나타나는 복굴절을 이용하는 광섬유를 갖는 하중측정장치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 하중측정장치의 광섬유 또는 광섬유들은 자켓(13) 위의 스트립의 압력에 의해 생긴 기계적 응력을 받도록 자켓과 접하게 설치되면, 원통형 표면(11) 둘레에 적어도 한 바퀴(5'a)의 권선(14)을 형성하는, 연속제조되는 스트립, 예컨대 강대의 평활도 측정롤러.
  2. 제1항에 있어서, 광섬유 하중측정장치는 원통형 표면 내에 배설된 안정화된 전원(2)과, 단색광원(1)과, 편광자(3) 및 적어도 하나의 단모드 광섬유(5)와, 편광분석기(7)와, 광검출기(8)와, 그리고 전자 상-추적장치(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤러.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하중측정장치는 원통형 표면(11) 둘레에 평행하게 장착되어 권선(14,15,16 등)을 이루는 복수의 광섬유들(5a, 5b, 5c)을 포함하며, 상기 광섬유들은 적어도 한 바퀴(5'a, 5'b, 5'c)정도 간격져 상기 표면의 폭에 걸쳐 배설된 것을 특징으로 하는 롤러.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 롤러
  5. 제2항에 있어서, 상기 롤러는 원통형 표면(11) 내측에 배치된 다중채널(21)을 더 포함하며, 이 다중채널에 상기 상-추적장치(9a,9b,9c)가 연결된 것을 특징으로 하는 롤러.
  6. 제2항에 있어서, 상기 롤러는 저널(12,12')의 외측단부 근방에 동 롤러의 축 내에 설치된 포토다이오드(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤러.
  7. 제2항에 있어서, 상기 롤러는 복수의 광섬유(5a,5b,5c)들이 연결되는 적어도 하나의 광 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤러.
  8. 제2항에 있어서, 저널(12)중의 하나는 안정화된 전원(2)에 연결된 전도링(24,25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤러.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 자켓(13)은 합성물질, 예컨대 수지로 만들어진 것을 특징으로 하는 롤러.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 롤러는 자켓(13) 위의 스트립 압력에 의해 야기되는 기계적 응력을 받지 않도록 배열된 제2의 온도감지용 광섬유 권선들(24)을 하중측정 광섬유(5a) 권선(14) 근방에 포함하는 것을 특징으로 하는 롤러.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2권선들(24)은 주 권선(14)의 위치 바로 근방의 상기 원통형 표면(11)상에 기계 가공되어 형성된 채널 내에 격납된 것을 특징으로 하는 롤러.
KR1019940701865A 1991-12-02 1992-12-02 연속제조된 스트립의 평활도 측정롤러 KR100221696B1 (ko)

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