在线测厚测径技术在304不锈钢管生产领域的应用
文章来源：316L不锈钢管
作者：外链代发
人气：14
2022-06-15 13:00:31
为热轧304不锈钢管生产企业设计在线测厚、测径系统，一方面可以对国内管材测厚测径技术的发展起到一定促进作用，另一方面可以使我国304不锈钢管企业以不高的投入获得较强的产品竞争力。详细介绍了在线测厚、测径技术在304不锈钢管生产领域的应用。
目前我国304不锈钢管年产能约为2800万t，已经成为世界304不锈钢管生产大国，然而与此形成反差的是我国在304不锈钢管装备制造和工具国产化方面的不足，尤其是热轧钢管的在线测厚、测径设备系统。当前我国的热轧钢管的在线测厚、测径设备系统大多依靠进口，但由于昂贵的价格，除几大304不锈钢管基地（如天管、包钢、宝钢、衡钢等）实力较强，随配套进口轧线机组引进此套设备外，其余机组目前大多采用人工测量。人工检测304不锈钢管厚度和外径的缺点是显而易见的，除劳动强度大、模式属于抽检、检测点一般不超过2个、检测准确性保证程度低外，就是人工检测只能等到钢管在冷床上运行一段时间以后才能进行测量，待测量结果反馈操作工处，已经生产出了多条与测量结果相同的钢管，其滞后性相当明显。因此，开发、研制304不锈钢管在线测厚、测径系统显得尤为必要。
该项目是专为热轧304不锈钢管生产企业设计的在线测厚、测径系统。该系统采用γ射线测厚技术，在线实时检测管材厚度变化；采用CCD光学成像技术，在线实时检测管材外径变化，其厚度或外径值若超过允许偏差值时，系统会自动发出声光报警，并可同时输出控制信号用以实现轧机闭环自动控制。
1在线测厚测径系统技术方案
项目主要由以下部分组成：一是γ射线测厚仪，由电离室、放射源及放大电路构成，用于测量管材厚度；二是双CCD测径仪，由两套光学线阵CCD镜头（内置DSP单片机）以及背景光源构成，用于检测管材的外径；三是水制冷循环系统，用于现场测量设备（包括电离室、放射源及CCD镜头等）的冷却；四是气路处理系统，用于现场测量设备吹扫及开关放射源；五是中心站主机柜，包括测量主机系统、系统电源及接线；六是数据库服务器，建立历史数据数据库，完成数据的储存、查询、统计、显示及打印等功能；七是终端机，完成远程测量画面显示及参数设定等。
2在线测厚测径系统工艺路线
项目集管材测厚单元、管材测径单元于一体，完成管材生产线多用途测量，同时可以提供反馈信号，以实现轧制生产线的闭环控制。
2.1γ射线测厚仪
2.1.1测量原理
放射源和电离室上下相对排列，被测物在二者之间通过。射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到电离室，使其中的气体电离，产生电流。该电流经微电流放大器放大为电压信号，再转变为隔离的0mA～20mA电流信号传送至主机。测量原理见图2。根据理论推导，管材厚度与其他因素有如下关系：T＝（1/μ）·Ln（V0/V）（1）式中，T是厚度；μ是材料密度；V0是零点电压（即无测量物时的电压值）；V是测量电压（即有测量物时的电压值）；Ln代表自然对数。
在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式（1）进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还必须进行外径修正、位置偏心修正等。修正后的式（1）变为式（2）：T＝｛（1/μ）Ln（V0/V）＋CU｝（1＋Cρ）（1＋CT）（1＋Cd）（1＋Cw）（1＋Cb）（2）式中：CU为吸收曲线线性修正值；Cρ为密度修正值；CT为温度修正值，Cd为外径修正值；Cw为位置偏心修正值；Cb为实际标定修正值；T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终壁厚值应为T1/2（单壁厚）。T1/2＝T/2由此可见，厚度与测量信号间并非呈严格的指数关系。而且由于管材相比板材几何结构的特殊性，决定了管材测厚的复杂性要高于板材测厚。采用工业控制计算机，配以高性能的数据采集处理卡，组成智能化的测厚仪器。软件以Winxp操作系统作为平台，利用Access建立一个小型数据库，用于保存各种标定参数表及生产过程的历史数据。以此为基础，系统可以实现查表模式反映厚度值，即用一组数据可模拟任何形状的曲线，从而自动完成测量过程中的各种修正运算，提高测量精度。在生产实践中通过积累大量的经验数据，得到各种条件下的标定曲线，再通过数据库管理系统，存储多种工艺条件下、各种材质管材的标定参数表，使测厚仪能够适用于各种生产条件下、不同种类管材的在线自动化测量。
2.1.2高灵敏度电离室
作为测厚单元的核心部件，电离室的选取非常重要。对电离室探测器的技术要求如下：
（1）探测效率与灵敏度。为达到最大可测304不锈钢管的壁厚40mm以上（双壁厚即实际穿透壁厚为80mm以上），要求探测器的探测效率高。这里的探测效率是指高能电磁辐射光子射入探测器灵敏区后产生次级电子的概率。同时，在噪声幅度以及辐射水平相同的情况下，探测器灵敏度直接与信号输出范围成正比，为此应选择与Cs137放射源相匹配的高充气压力及高原子序数气体成分的电离室探测器。
（2）响应时间。要求电离室探测器的响应时间能满足硬件采样速度及程序设计要求。热轧在线钢管的运行速度最高可达5m/s，A/D采样周期程序应达到5ms，要求电离室探测器的响应时间能达到1ms～3ms量级。
（3）可靠性与工作寿命。项目测量系统主要应用在冶金热轧现场，要求探测器有很强的承受恶劣环境的能力，同时要有高可靠性和长使用寿命。
2.1.3信号处理单元
前端放大电路采用美国ADI公司生产的军工级超低输入偏置电流静电荷运算放大器，性能优良。数据采集卡使用台湾研华公司的PCI－1710L数据采集卡，信号输入采用差分输入模式，以消除共模电压噪声对测量精度的影响。信号处理采用式（3）的算法，对于任一定时单元Δtj内，可求得电压平均值Vj为：Vj=ki=j-k+1ΣΔvi/ki=j-k+1ΣΔtij=k，k+1，k+2，……，k+n（3）式中Δti为第i个定时单元，Δvi为第i个定时单元的电压值。显见，按式（3）算法计算电压平均值，只要取足够小的Δt（视项目对采样频率的要求选择）值，就能达到连续测量的效果；只要取足够大的k（视项目对测量精度的要求选择）值，就可以达到延长测量时间、减少统计误差的目的。
2.2双线阵CCD测径仪
2.2.1立体视觉测量原理
由于单个CCD在成像时存在“近大远小”，单靠摄入的图像无法知道被测物的距离，因此管子的位置变化会造成较大的测量误差。本项目拟采用2个CCD镜头对管材同时进行测量，2个CCD就像人的双眼，可以形成立体视觉，这样就可以得到足够的信息判断被测管子位置变化，从而修正基于管子位置变化所引起的几何误差，修正和消除距离变化对测量的影响。理想光学系统的成像公式：（1）成像的几何关系。物像公式：1l′+1l=1f式中：f为焦距；l为物距；l′为像距。物距公式：l=bB+ΣΣ1f式中：B为物面宽度，b为像面上探测器宽度。（2）双镜头立体视角对物距变化引起误差的修正。图3为双镜头立体视角对物距变化引起误差的修正图。如图3所示，B为物宽，b为像宽，l为物距，△l为被测物在CCD1光轴上的位置变化，△b为物距变化导致在CCD1上的像宽变化量。当被测钢管由红色位置变化至蓝色位置时，CCD1物距的变化量△l可由CCD2的中心位变化量△l′求得：△l＝△l′/sinθ根据成像公式可算出像宽的变化量：△b＝△l×（b＋B）/L
2.2.2线阵CCD传感器
采用日本东芝公司生产的TCD1503D线阵CCD传感器，有效光敏元素为5000，像点尺寸为7μm，总测量长度为35mm，驱动频率高达20MHz。CCD传感器输出信号为离散电压信号序列，每一个离散电压信号的大小取决于该光敏单元所接受光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏单元位置的顺序。测量时，线阵CCD传感器所需要的光积分时间TSH与入射光光强、光敏单元数和驱动频率有关，若入射光光强足够，则所需要的积分时间取决于光敏单元数、驱动频率。若希望提高测量速度，就要减少积分时间。对所选用的CCD，尽量提高驱动频率；但驱动频率过高会导致CCD传感器性能下降。兼顾传感器性能和测量时间，线阵CCD驱动时钟选用10MHz，则CCD光积分时间TSH至少需要0.5ms。
2.2.3CCD信号采集与处理工作原理
将DSP（数字信号处理器）置于测量头中，利用DSP的快速运算能力完成数据采集和数据处理，直接计算出外径值，因而具有更短的响应时间和更快的处理速度。信号采集与处理的工作原理见图4。
CCD光采样的光积分启动控制信号由DSP产生。每隔TSH时间，DSP的定时器产生一次中断，输出1个宽度为10μs、周期为TSH（TSH＝0.5ms）的CCD光积分控制信号ΨSH。该ΨSH信号的下降沿启动CCD的光积分，同时CCD输出上一次光积分的信号。采用DSP的定时器中断产生CCD光积分控制信号ΨSH，这样在光强允许的范围内可以灵活调整CCD光积分时间TSH。MAX1419（15位80Ms/sADC）工作于WR－RD方式，ΨSH信号的下降沿启动ADC采样时钟电路，产生10MHz的AD采样启动信号WR（脉冲宽度50ns），对每一次CCD光积分输出的4096个有效光敏单元信号进行1组AD采样（共4096次），而每一次ADC转换完成都产生1次中断，将采样结果保存到cy7c4255（8K×18BITFIFO）中，当FIFO中数据半满（4K）时，再产生中断将4K数据保存到DSP的RAM中进行处理。CPU可以利用下一组光积分时间处理数据。采用这种方式，不但软件设计更为简单，且每次保存A/D转换结果不需采用中断方式，CPU工作不被打断，处理能力得到充分发挥。因而可实现高速高精度视频采集和信号处理。镜头与主机接口采用RS－422串行通信方式，镜头与主机的距离可达1.2km。
2.3背景光源
对于被测管材温度可能达不到800℃，或者管材边缘出现黑边的情况，不能直接利用被测物自身的红外辐射进行测量，为了保证测量精度，必须用背景光源。由于测径仪的采样速度很高，所以对于背景光源的要求较高，一般采用2～3根超亮日光灯管和高频电子镇流器，以消除闪烁现象。
2.4应用软件
计算机采用台湾研华生产的工业控制计算机，软件以Winxp作为操作系统平台，利用VisualC＋＋、VisualBasic作为开发语言，编制人性化的人机界面，将管材的厚度值、外径值以曲线和数字的形式在同一个画面显示。同时，测量数据保存在服务器数据库中。数据内容包括：每根钢管的生产时间、批号、序号、厚度与外径的平均值、最大值、最小值以及厚度与外径的测量曲线。由于一根钢管的厚度、外径曲线包含上千个点，这些数据都存储在数据库中可在日后查询。为了加快查询速度，将钢管的基本数据和曲线的详细数据分开，分别存储在两个数据库中。工控机内置网卡，通信协议遵从TCP/IP协议，以实现与上位机和终端机的通信和远程技术支持。
目前我国304不锈钢管年产能约为2800万t，已经成为世界304不锈钢管生产大国，然而与此形成反差的是我国在304不锈钢管装备制造和工具国产化方面的不足，尤其是热轧钢管的在线测厚、测径设备系统。当前我国的热轧钢管的在线测厚、测径设备系统大多依靠进口，但由于昂贵的价格，除几大304不锈钢管基地（如天管、包钢、宝钢、衡钢等）实力较强，随配套进口轧线机组引进此套设备外，其余机组目前大多采用人工测量。人工检测304不锈钢管厚度和外径的缺点是显而易见的，除劳动强度大、模式属于抽检、检测点一般不超过2个、检测准确性保证程度低外，就是人工检测只能等到钢管在冷床上运行一段时间以后才能进行测量，待测量结果反馈操作工处，已经生产出了多条与测量结果相同的钢管，其滞后性相当明显。因此，开发、研制304不锈钢管在线测厚、测径系统显得尤为必要。
该项目是专为热轧304不锈钢管生产企业设计的在线测厚、测径系统。该系统采用γ射线测厚技术，在线实时检测管材厚度变化；采用CCD光学成像技术，在线实时检测管材外径变化，其厚度或外径值若超过允许偏差值时，系统会自动发出声光报警，并可同时输出控制信号用以实现轧机闭环自动控制。
1在线测厚测径系统技术方案
项目主要由以下部分组成：一是γ射线测厚仪，由电离室、放射源及放大电路构成，用于测量管材厚度；二是双CCD测径仪，由两套光学线阵CCD镜头（内置DSP单片机）以及背景光源构成，用于检测管材的外径；三是水制冷循环系统，用于现场测量设备（包括电离室、放射源及CCD镜头等）的冷却；四是气路处理系统，用于现场测量设备吹扫及开关放射源；五是中心站主机柜，包括测量主机系统、系统电源及接线；六是数据库服务器，建立历史数据数据库，完成数据的储存、查询、统计、显示及打印等功能；七是终端机，完成远程测量画面显示及参数设定等。
2在线测厚测径系统工艺路线
项目集管材测厚单元、管材测径单元于一体，完成管材生产线多用途测量，同时可以提供反馈信号，以实现轧制生产线的闭环控制。
2.1γ射线测厚仪
2.1.1测量原理
放射源和电离室上下相对排列，被测物在二者之间通过。射线穿透被测物，有部分射线被吸收，未被吸收的部分射到电离室，使其中的气体电离，产生电流。该电流经微电流放大器放大为电压信号，再转变为隔离的0mA～20mA电流信号传送至主机。测量原理见图2。根据理论推导，管材厚度与其他因素有如下关系：T＝（1/μ）·Ln（V0/V）（1）式中，T是厚度；μ是材料密度；V0是零点电压（即无测量物时的电压值）；V是测量电压（即有测量物时的电压值）；Ln代表自然对数。
在实际使用中，为了确保γ射线测厚仪的测量精度，需对式（1）进行吸收修正、密度修正、温度修正和实际标定修正；同时，由于管材与板材几何形状的不同，还必须进行外径修正、位置偏心修正等。修正后的式（1）变为式（2）：T＝｛（1/μ）Ln（V0/V）＋CU｝（1＋Cρ）（1＋CT）（1＋Cd）（1＋Cw）（1＋Cb）（2）式中：CU为吸收曲线线性修正值；Cρ为密度修正值；CT为温度修正值，Cd为外径修正值；Cw为位置偏心修正值；Cb为实际标定修正值；T为射线穿透整个管材界面的壁厚，最终壁厚值应为T1/2（单壁厚）。T1/2＝T/2由此可见，厚度与测量信号间并非呈严格的指数关系。而且由于管材相比板材几何结构的特殊性，决定了管材测厚的复杂性要高于板材测厚。采用工业控制计算机，配以高性能的数据采集处理卡，组成智能化的测厚仪器。软件以Winxp操作系统作为平台，利用Access建立一个小型数据库，用于保存各种标定参数表及生产过程的历史数据。以此为基础，系统可以实现查表模式反映厚度值，即用一组数据可模拟任何形状的曲线，从而自动完成测量过程中的各种修正运算，提高测量精度。在生产实践中通过积累大量的经验数据，得到各种条件下的标定曲线，再通过数据库管理系统，存储多种工艺条件下、各种材质管材的标定参数表，使测厚仪能够适用于各种生产条件下、不同种类管材的在线自动化测量。
2.1.2高灵敏度电离室
作为测厚单元的核心部件，电离室的选取非常重要。对电离室探测器的技术要求如下：
（1）探测效率与灵敏度。为达到最大可测304不锈钢管的壁厚40mm以上（双壁厚即实际穿透壁厚为80mm以上），要求探测器的探测效率高。这里的探测效率是指高能电磁辐射光子射入探测器灵敏区后产生次级电子的概率。同时，在噪声幅度以及辐射水平相同的情况下，探测器灵敏度直接与信号输出范围成正比，为此应选择与Cs137放射源相匹配的高充气压力及高原子序数气体成分的电离室探测器。
（2）响应时间。要求电离室探测器的响应时间能满足硬件采样速度及程序设计要求。热轧在线钢管的运行速度最高可达5m/s，A/D采样周期程序应达到5ms，要求电离室探测器的响应时间能达到1ms～3ms量级。
（3）可靠性与工作寿命。项目测量系统主要应用在冶金热轧现场，要求探测器有很强的承受恶劣环境的能力，同时要有高可靠性和长使用寿命。
2.1.3信号处理单元
前端放大电路采用美国ADI公司生产的军工级超低输入偏置电流静电荷运算放大器，性能优良。数据采集卡使用台湾研华公司的PCI－1710L数据采集卡，信号输入采用差分输入模式，以消除共模电压噪声对测量精度的影响。信号处理采用式（3）的算法，对于任一定时单元Δtj内，可求得电压平均值Vj为：Vj=ki=j-k+1ΣΔvi/ki=j-k+1ΣΔtij=k，k+1，k+2，……，k+n（3）式中Δti为第i个定时单元，Δvi为第i个定时单元的电压值。显见，按式（3）算法计算电压平均值，只要取足够小的Δt（视项目对采样频率的要求选择）值，就能达到连续测量的效果；只要取足够大的k（视项目对测量精度的要求选择）值，就可以达到延长测量时间、减少统计误差的目的。
2.2双线阵CCD测径仪
2.2.1立体视觉测量原理
由于单个CCD在成像时存在“近大远小”，单靠摄入的图像无法知道被测物的距离，因此管子的位置变化会造成较大的测量误差。本项目拟采用2个CCD镜头对管材同时进行测量，2个CCD就像人的双眼，可以形成立体视觉，这样就可以得到足够的信息判断被测管子位置变化，从而修正基于管子位置变化所引起的几何误差，修正和消除距离变化对测量的影响。理想光学系统的成像公式：（1）成像的几何关系。物像公式：1l′+1l=1f式中：f为焦距；l为物距；l′为像距。物距公式：l=bB+ΣΣ1f式中：B为物面宽度，b为像面上探测器宽度。（2）双镜头立体视角对物距变化引起误差的修正。图3为双镜头立体视角对物距变化引起误差的修正图。如图3所示，B为物宽，b为像宽，l为物距，△l为被测物在CCD1光轴上的位置变化，△b为物距变化导致在CCD1上的像宽变化量。当被测钢管由红色位置变化至蓝色位置时，CCD1物距的变化量△l可由CCD2的中心位变化量△l′求得：△l＝△l′/sinθ根据成像公式可算出像宽的变化量：△b＝△l×（b＋B）/L
2.2.2线阵CCD传感器
采用日本东芝公司生产的TCD1503D线阵CCD传感器，有效光敏元素为5000，像点尺寸为7μm，总测量长度为35mm，驱动频率高达20MHz。CCD传感器输出信号为离散电压信号序列，每一个离散电压信号的大小取决于该光敏单元所接受光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏单元位置的顺序。测量时，线阵CCD传感器所需要的光积分时间TSH与入射光光强、光敏单元数和驱动频率有关，若入射光光强足够，则所需要的积分时间取决于光敏单元数、驱动频率。若希望提高测量速度，就要减少积分时间。对所选用的CCD，尽量提高驱动频率；但驱动频率过高会导致CCD传感器性能下降。兼顾传感器性能和测量时间，线阵CCD驱动时钟选用10MHz，则CCD光积分时间TSH至少需要0.5ms。
2.2.3CCD信号采集与处理工作原理
将DSP（数字信号处理器）置于测量头中，利用DSP的快速运算能力完成数据采集和数据处理，直接计算出外径值，因而具有更短的响应时间和更快的处理速度。信号采集与处理的工作原理见图4。
CCD光采样的光积分启动控制信号由DSP产生。每隔TSH时间，DSP的定时器产生一次中断，输出1个宽度为10μs、周期为TSH（TSH＝0.5ms）的CCD光积分控制信号ΨSH。该ΨSH信号的下降沿启动CCD的光积分，同时CCD输出上一次光积分的信号。采用DSP的定时器中断产生CCD光积分控制信号ΨSH，这样在光强允许的范围内可以灵活调整CCD光积分时间TSH。MAX1419（15位80Ms/sADC）工作于WR－RD方式，ΨSH信号的下降沿启动ADC采样时钟电路，产生10MHz的AD采样启动信号WR（脉冲宽度50ns），对每一次CCD光积分输出的4096个有效光敏单元信号进行1组AD采样（共4096次），而每一次ADC转换完成都产生1次中断，将采样结果保存到cy7c4255（8K×18BITFIFO）中，当FIFO中数据半满（4K）时，再产生中断将4K数据保存到DSP的RAM中进行处理。CPU可以利用下一组光积分时间处理数据。采用这种方式，不但软件设计更为简单，且每次保存A/D转换结果不需采用中断方式，CPU工作不被打断，处理能力得到充分发挥。因而可实现高速高精度视频采集和信号处理。镜头与主机接口采用RS－422串行通信方式，镜头与主机的距离可达1.2km。
2.3背景光源
对于被测管材温度可能达不到800℃，或者管材边缘出现黑边的情况，不能直接利用被测物自身的红外辐射进行测量，为了保证测量精度，必须用背景光源。由于测径仪的采样速度很高，所以对于背景光源的要求较高，一般采用2～3根超亮日光灯管和高频电子镇流器，以消除闪烁现象。
2.4应用软件
计算机采用台湾研华生产的工业控制计算机，软件以Winxp作为操作系统平台，利用VisualC＋＋、VisualBasic作为开发语言，编制人性化的人机界面，将管材的厚度值、外径值以曲线和数字的形式在同一个画面显示。同时，测量数据保存在服务器数据库中。数据内容包括：每根钢管的生产时间、批号、序号、厚度与外径的平均值、最大值、最小值以及厚度与外径的测量曲线。由于一根钢管的厚度、外径曲线包含上千个点，这些数据都存储在数据库中可在日后查询。为了加快查询速度，将钢管的基本数据和曲线的详细数据分开，分别存储在两个数据库中。工控机内置网卡，通信协议遵从TCP/IP协议，以实现与上位机和终端机的通信和远程技术支持。
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