电子工程师技术服务社区
公告
登录
|
注册
首页
技术问答
厂商活动
正点原子
板卡试用
资源库
下载
文章
社区
论坛
硬件设计专区
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
前功尽弃
LV4工程师
| 2013-08-02 15:02:37
浏览量 735
回复:3
发表新帖
前言
在铝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:
式中
V
为卷取
(
开卷
)
侧带材线速度,
m/s
;
i
为卷取(开卷)机械齿轮箱传动比;
n
为卷取(开卷)电机的转速,
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传感器,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:
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
超声波测量卷径的方法
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
超声波传感器包括三个部分: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激励,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发射超声波,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
。
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:
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:
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
DMAX
,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 (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
1 400mm
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。
前言
在铝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:
式中
V
为卷取
(
开卷
)
侧带材线速度,
m/s
;
i
为卷取(开卷)机械齿轮箱传动比;
n
为卷取(开卷)电机的转速,
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传感器,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:
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
超声波测量卷径的方法
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
超声波传感器包括三个部分: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激励,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发射超声波,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
。
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:
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:
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
DMAX
,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 (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
1 400mm
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。
0
收藏
举报
分享
×
微信分享
扫描二维码分享
qq分享
QQ空间分享
微博分享
我来回复
登录后可评论,请
登录
或
注册
所有回答
数量:
3
凤凰息梧桐
2014-10-06
学习了啊
0
回复
举报
发布
白玉兰
2013-09-12
超声波是个好东西
0
回复
举报
发布
zzgege
2013-09-11
lai see see
0
回复
举报
发布
×
举报
举报人:
被举报人:前功尽弃
*
类型:
请选择类型
问题质量差
垃圾广告信息
偏离社区主题
违规内容
不友善内容
与社区已有问题重复
以上选项都不是
*
详细原因:
取消
提交
x
收藏成功!点击
我的收藏
查看收藏的全部帖子