在线测厚测径技术在304L不锈钢管消费范畴的应用

为热轧304L不锈钢管消费企业设计在线测厚、测径系统，一方面能够对国内管材测厚测径技术的开展起到一定促进作用，另一方面能够使中国304L不锈钢管企业以不高的投入取得较强的产品竞争力。细致引见了在线测厚、测径技术在304L不锈钢管消费范畴的应用。

目前中国304L不锈钢管年产能约为2800万t，曾经成为世界304L不锈钢管消费大国，但是与此构成反差的是中国在304L不锈钢管配备制造和工具国产化方面的缺乏，特别是热轧钢管的在线测厚、测径设备系统。当前中国的热轧钢管的在线测厚、测径设备系统大多依托进口，但由于昂贵的价钱，除几大304L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，其他机组目前大多采用人工丈量。人工检测304L不锈钢管厚度和外径的缺陷是显而易见的，除劳动强度大、形式属于抽检、检测点普通不超越2个、检测精确性保证水平低外，就是人工检测只能等到钢管在冷床上运转一段时间以后才干停止丈量，待丈量结果反应操作工处，曾经消费出了多条与丈量结果相同的钢管，其滞后性相当明显。因而，开发、研制304L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304L不锈钢管消费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越允许偏向值时，系统会自动发出声光报警，并可同时输出控制信号用以完成轧机闭环自动控制。

1在线测厚测径系统技术计划

项目主要由以下局部组成：一是γ射线测厚仪，由电离室、放射源及放大电路构成，用于丈量管材厚度；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，用于现场丈量设备（包括电离室、放射源及CCD镜头号）的冷却；四是气路处置系统，用于现场丈量设备吹扫及开关放射源；五是中心站主机柜，包括丈量主机系统、系统电源及接线；六是数据库效劳器，树立历史数据数据库，完成数据的贮存、查询、统计、显现及打印等功用；七是终端机，完成远程丈量画面显现及参数设定等。

2在线测厚测径系统工艺道路

项目集管材测厚单元、管材测径单元于一体，完成管材消费线多用处丈量，同时能够提供反应信号，以完成轧制消费线的闭环控制。

2.1γ射线测厚仪

2.1.1丈量原理

放射源和电离室上下相对排列，被测物在二者之间经过。射线穿透被测物，有局部射线被吸收，未被吸收的局部射到电离室，使其中的气体电离，产生电流。该电流经微电放逐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。丈量原理见图2。依据理论推导，管材厚度与其他要素有如下关系：T＝（1/μ）·Ln（V0/V）（1）式中，T是厚度；μ是资料密度；V0是零点电压（即无丈量物时的电压值）；V是丈量电压（即有丈量物时的电压值）；Ln代表自然对数。

在实践运用中，为了确保γ射线测厚仪的丈量精度，需对式（1）停止吸收修正、密度修正、温度修正和实践标定修正；同时，由于管材与板材几何外形的不同，还必需停止外径修正、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为实践标定修正值；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，厚度与丈量信号间并非呈严厉的指数关系。而且由于管材相比板材几何构造的特殊性，决议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置卡，组成智能化的测厚仪器。软件以Winxp操作系统作为平台，应用Access树立一个小型数据库，用于保管各种标定参数表及消费过程的历史数据。以此为根底，系统能够完成查表形式反映厚度值，即用一组数据可模仿任何外形的曲线，从而自动完成丈量过程中的各种修正运算，进步丈量精度。在消费理论中经过积聚大量的经历数据，得到各种条件下的标定曲线，再经过数据库管理系统，存储多种工艺条件下、各种材质管材的标定参数表，使测厚仪可以适用于各种消费条件下、不同品种管材的在线自动化丈量。

2.1.2高灵活度电离室

作为测厚单元的中心部件，电离室的选取十分重要。对电离室探测器的技术请求如下：

（1）探测效率与灵活度。为到达最大可测304L不锈钢管的壁厚40mm以上（双壁厚即实践穿透壁厚为80mm以上），请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活区后产生次级电子的概率。同时，在噪声幅度以及辐射程度相同的状况下，探测器灵活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。请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请求。热轧在线钢管的运转速度最高可达5m/s，A/D采样周期程序应到达5ms，请求电离室探测器的响应时间能到达1ms～3ms量级。

（3）牢靠性与工作寿命。项目丈量系统主要应用在冶金热轧现场，请求探测器有很强的接受恶劣环境的才能，同时要有高牢靠性和长运用寿命。

2.1.3信号处置单元

前端放大电路采用美国ADI公司消费的军工级超低输入偏置电流静电荷运算放大器，性能优秀。数据采集卡运用台湾研华公司的PCI－1710L数据采集卡，信号输入采用差分输入形式，以消弭共模电压噪声对丈量精度的影响。信号处置采用式（3）的算法，关于任一定时单元Δtj内，可求得电压均匀值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）算法计算电压均匀值，只需取足够小的Δt（视项目对采样频率的请求选择）值，就能到达连续丈量的效果；只需取足够大的k（视项目对丈量精度的请求选择）值，就能够到达延长丈量时间、减少统计误差的目的。

2.2双线阵CCD测径仪

2.2.1平面视觉丈量原理

由于单个CCD在成像时存在“近大远小”，单靠摄入的图像无法晓得被测物的间隔，因而管子的位置变化会形成较大的丈量误差。本项目拟采用2个CCD镜头对管材同时停止丈量，2个CCD就像人的双眼，能够构成平面视觉，这样就能够得到足够的信息判别被测管子位置变化，从而修正基于管子位置变化所惹起的几何误差，修正和消弭间隔变化对丈量的影响。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）双镜头平面视角对物距变化惹起误差的修正。图3为双镜头平面视角对物距变化惹起误差的修正图。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为物距变化招致在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依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

采用日本东芝公司消费的TCD1503D线阵CCD传感器，有效光敏元素为5000，像点尺寸为7μm，总丈量长度为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承受光强的强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏单元位置的次第。丈量时，线阵CCD传感器所需求的光积分时间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，则所需求的积分时间取决于光敏单元数、驱动频率。若希望进步丈量速度，就要减少积分时间。对所选用的CCD，尽量进步驱动频率；但驱动频率过高会招致CCD传感器性能降落。统筹传感器性能和丈量时间，线阵CCD驱动时钟选用10MHz，则CCD光积分时间TSH至少需求0.5ms。

2.2.3CCD信号采集与处置工作原理

将DSP（数字信号处置器）置于丈量头中，应用DSP的快速运算才能完成数据采集和数据处置，直接计算出外径值，因此具有更短的响应时间和更快的处置速度。信号采集与处置的工作原理见图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缀，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信号的降落沿启动CCD的光积分，同时CCD输出上一次光积分的信号。采用DSP的定时器中缀产生CCD光积分控制信号ΨSH，这样在光强允许的范围内能够灵敏调整CCD光积分时间TSH。MAX1419（15位80Ms/sADC）工作于WR－RD方式，ΨSH信号的降落沿启动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停止1组AD采样（共4096次），而每一次ADC转换完成都产生1次中缀，将采样结果保管到cy7c4255（8K×18BITFIFO）中，当FIFO中数据半满（4K）时，再产生中缀将4K数据保管到DSP的RAM中