超声波传感器在冷轧机中的应用

超声波传感器在冷轧机中的应用作者：发布时间：2007-10-2202:57:50来源：繁体版1前言在带冷轧机的电气控制中，卷取张力控制是必不可少的。在张力控制中，无论张力矩的给定，还是动态补偿力矩的计算都需要实时卷径，所以卷径计算是控制中极为重要的一环。目前，铝轧机卷径的测量大都为间接方式，即通过测量带材线速度与卷筒转速来推算出卷径：(1)式中V为卷取(开卷)侧带材线速度，m/s；i为卷取（开卷）机械箱传动比；n为卷取（开卷）的转速，r/min。测量带材线速度的方法有两种，一是直接测量法，如激光测量法，基于经济条件和使用环境限制，目前还很少使用；二是间接测量法，也就是当前经常使用的在偏导辊上安装一个同轴转速，通过测量偏导辊的转速求出带材线速度的方法，其计算公式为：(2)式中nP为偏导辊的转速，r/min；DP为偏导辊的直径，m。正常情况时，用式(1)计算出的卷径是准确的。但是，在实际应用时，往往出现下列几种情况，如按上述方法计算卷径，则存在着一定的缺陷和困难。(1)偏导辊打滑由于铝带冷轧机的特点，在同一台轧机上要进行多个道次的轧制才能完成产品生产。期间，带材的厚度变化达几十倍，张力的变化也很大，同时各道次的工艺润滑也不相同。结果在某些条件下，特别是带材较薄或加、减速时，偏导辊会产生不同程度的打滑现象，从而使线速度的测量值不准确。这会造成卷径计算值出现偏差，与实际卷径不符，轻则引起张力波动，影响带材质量，重则导致断带。(2)偏导辊转速传感器安装困难在铝箔轧机中，出口带材最小可到0.007mm，带材张力较小，偏导辊和带材之间的摩擦力也较小。为尽量减少打滑，减小偏导棍自身的转动惯量是有效的方法之一。所以，偏导棍一般都是空心的。另外，在一个空心的偏导棍上安装同轴的转速传感器非常困难，设备专业也希望采用别的测量方法。(3)初始卷径需人工置入在开卷机一侧，带材的初始卷径需要置入控制系统，目前大都为人工置入。这需要*作手认真置入，不仅繁琐而且*作手经常忘记或置错，这都将影响轧制时的张力控制。2测量卷径的方法为了解决上述缺陷和困难，目前，在冷轧机中采用超声波传感器来直接测量开卷侧卷径，再计算出卷取侧卷径的方法。2.1超声波测量的基本原理超声波传感器括三个部分：超声换能器、处理单元和输出级，如图1所示。首先处理单元对超声换能器加以电压，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。图1超声波测量的基本原理图把超声波传感器安装在合适的位置，对准铝卷卷径变化方向超声波，就可测量带卷表面与传感器的距离，经过处理可得到带卷的直径。2.2环境对超声波测量的影响(1)空气温度的影响声波行程时间受气温的影响程度为0.17%/K。也就是说40℃时的声速相对于20℃时改变了+3.4%，因此测量距离也会改变约+3.4%。但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。(2)空气湿度的影响从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速最多增加2%。因此测量距离改变最大也只有2%。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%。(3)空气压力的影响在一固定地点，正常情况下的气压波动为±5%，会造成声速波动约±0.6%。(4)气流影响当风速大于50km/h时，声波速度及方向的改变会大于3%。在现场使用中，只有靠近带材表面的几厘米的气流有可能大于20km/h，且垂直于测量方向，故对测量结果的影响可忽略。(5)轧制油雾的影响只要防止油雾沉降在超声换能器的有效表面上，就可避免它的影响。2.3测量开卷侧卷径目前铝轧机铝卷的卷径变化范围一般为0.5m到1.7m，由于超声波测量的是铝卷的半径，所以超声波传感器的工作范围应满足大于为(1.7-0.5)/2=0.6m。再考虑到安装位置和安全距离以及传感器的盲区，超声波传感器到卷轴表面的距离一般应大于1.5m，故其测量距离应大于1.5m。经过选择，确定用德国P+F公司的传感器，具体型号为UC2000-30GM-IU-V1，其主要参数见表1。表1超声波传感器的主要参数测量开卷卷径的超声波传感器安装在开卷机地沟的外侧，既便于安装调试，又容易测量，如图2所示。图2超声波传感器安装位置示意图选择传感器的输出为电压输出，直接连到全数字传动装置上。整定传感器的输出，当最大卷径（1.70m）时电压为10V，当最小卷径（0.54m）时电压为0V。这样当输出电压为U时，数字装置经过计算可知当前卷径D。（3）2.4卷取侧卷径的计算在轧制过程中，由于带材宽度基本不变，只是厚度变化，带材的纵向截面与卷筒的截面之和基本上是一个常数。基于这一规律，在完成初始卷径设置后，这个常数为：（4）式中D0为开卷机初始卷径，m；d0为卷取机初始卷径，m；D为开卷机轧制时的卷径，m；d为卷取机轧制时的卷径，m。由式(4)可知，在轧制中，只要知道卷取或开卷中任一侧的卷径值，即可推算出另一侧的卷径值：（5）（6）由于开卷侧的卷径D已由超声波传感器测得，所以可由式(6)计算出卷取侧的卷径。2.5初始卷径自动置入由于超声波传感器上电后一直投入工作，可利用上卷后卷轴涨紧命令，作为初始卷径置入信号，从而完成卷径的自动置入。3减少偏差的方法由于超声波测量卷径是直接测量，一旦在传感器和铝卷之间有其他物品（一般都是瞬间存在），卷径就会产生瞬间变化（偏差），会影响张力恒定。卷径这种瞬间变化就是测量的卷径值从某一值变大，再从大变回。而实际开卷卷径是从大变到小，渐进变化。为了克服这种瞬间变化，可采用本次测量值与上次测量结果相比较，谁小用谁，如式(7)处理。DK=min(DJ,DK-1)(7)式中DJ为用式(3)计算的本次卷径计算值；DK-1为上次测量计算的卷径；DK为本次测量计算的卷径。另外，在轧制中，实际卷径既不可能超过最大卷径AX，也不可能小于卷筒的直径DMIN。所以计算结果都应该限制在此范围内，每次计算结果最终取值可用下式限制。D,K=min[max(DK,DMIN),DMAX](8)4结语超声波测量卷径技术及上述处理方法经过在华益1400mm等多台铝带冷轧机的卷径计算上的实际应用，取得了很好效果。实践表明：①测量装置工作稳定，卷径测量误差小于5mm，其精确性完全满足系统控制要求。②卷径的自动置入，简化了*作步骤，减小了辅助时间。③与常规的卷径测量计算方法相比，采用超声波传感器简化了电气系统设计，不用安装偏导辊测速装置，可广泛应用于热轧机、冷轧机、铝箔轧机中。