DE2348587C3

DE2348587C3 - Meßanordnung zur Bestimmung der Verteilung mechanischer Spannungen in laufenden Materialbahnen

Info

Publication number: DE2348587C3
Application number: DE2348587A
Authority: DE
Inventors: Akinobu Ogasawara; Tsutomu Takada; Toshio Toyota; Shynsuke Yamato
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1973-09-27
Publication date: 1979-05-23
Also published as: DE2348587B2; DE2348587A1; JPS4956660A; GB1405207A; US3938382A; JPS5317071B2; SU890992A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung nach dem s^r. Oberbegriff des Anspruchs 1.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bestimmung der Ebenheit und Geradheit von Kaltband in Breitenrichtung.

Bei Kaltbändern und ähnlichen ebenen Erzeugnissen bestimmt die Geradheit des Erzeugnisses sowie die Gleichmäßigkeit der Dicke die Güte des Herstellungsverfahrens. Denn, da die Kaltwalzung vielfach unter hoher Zugspannung erfolgt, können die durch solche Unregelmäßigkeiten wie zentrale Aufwölbungen oder 4^r> wellenförmige Kanten bedingten Unregelmäßigkeiten infolge der elastischen Längung den unregelmäßigen Formanteil beeinflussen, so daß der unregelmäßige Formanteil nicht unmittelbar auf Grund der genannten Unregelmäßigkeiten bestimmt werden werden kann, to Dies gilt auch beim Fehlen einer hohen Zugspannung.

Zur indirekten Formbestimmung von ebenen Erzeugnissen hat man versuchsweise die Spannungsverteilung in Breitenrichtung des ebenen Erzeugnisses ausgewertet. Dies ist darin begründet, daß die Form der ebenen « Erzeugnisse aufgrund der Längsunterschiede in festgelegten Punkten in Breitenrichtung der Erzeugnisse bestimmt wird. Der jeweilige Unterschied führt zu einer Änderung der Spannungsverteilung innerhalb des ebenen Erzeugnisses in Abhängigkeit von der Anwen- w> dung einer Zugspannung. Infolgedessen kann man den unregelmäßigen Formanteil des ebenen Erzeugnisses indirekt nachweisen, nämlich durch die Spannungsverteilung. Dieses Verfahren ist deshalb anwendbar, weil zwischen der Form des ebenen Erzeugnisses und der μ Spannungsverteilung in Breitenrichtung eine feste Beziehung besteht.

In der DE-PS 10 55 349 und der GB-PS 12 04 497 sind Meßanordnungen beschrieben, bei denen in Breitenrichtung eines Bandes eine Erregerkraft konstanter Größe aufgebracht wird. Damit die Form des Bandes ausgewertet werden kann, muß diese Erregerkraft zu einer statischen Verformung des Bandes führen. Man muß insbesondere bei Blechbändern vergleichsweise große Kräfte anwenden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Meßanordnung, die mit vergleichsweise kleinen Kräften einen Nachweis der Spannungsverteilung in Breitenrichtung des Bandes erlaubt

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst

Nach der Erfindung wird eine zeitlich veränderliche Erregerkraft aufgebracht Gemessen werden die dynamischen Verbiegungen des Prüferzeugnisses. Daraus kann man die Spannung im Prüferzeugnis bestimmen. Da in Breitenrichtung mehrere Meßpunkte vorhanden sind, läßt sich aus der Spannungsverteilung die Form des Erzeugnisses in Breitenrichtung ermitteln. Dieses dynamische Verfahren nach der Erfindung erweitert die Anwendungsmöglichkeiten für die Formbestimmung bandförmiger Erzeugnisse wesentlich.

Das Verfahren nach der Erfindung ist unempfindlich gegenüber Störungen durch Auswölbungen des ebenen Erzeugnisses während des Meßvorganges. Das Verfahren ermöglicht eine große Auflösung.

Die Erfindung bringt folgende Vorteile:

Die Beziehung zwischen der Spannung des ebenen Erzeugnisses und der Ausgangsgröße des Verbiegungsmessers wird durch eine Gerade innerhalb einer Genauigkeit von weniger als 0,05 kp/mm² ausgedrückt; dieses ist einem wellenförmigen Anstieg von 0,1 bis 0,2% gleichwertig. Ein solches Erzeugnis kann als eben angesehen werden.

Aus konstruktiven Gründen besitzt eine herkömmliche Vorrichtung eine Auflösung von nur etwa 5 Punkten. Demgegenüber bringt der vergleichsweise einfache Verbiegungsmesser im Rahmen der Erfindung eine Erhöhung der Auflösung auf 10 bis 20 Punkte.

Die Selektivität gegenüber Störungen beim Spannungsnachweis der Erfindung beträgt 40 bis 5OdB, selbst für Störungen infolge von Aufwölbungen der ebenen Erzeugnisse, infolge von Verschiebungen der Messer oder aus anderen Gründen. Damit sind im wesentlichen alle praktisch auftretenden Störeinflüsse ausgeschaltet.

Die Erfindung ist auch bei ebenen Erzeugnissen aus nicht magnetischen Stoffen wie Kupfer anwendbar.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

F i g. 2 eine teilweise perspektivische, teilweise blockschaltbildartige Darstellung der Vorrichtung,

F i g. 3 eine Kurve für den Zusammenhang zwischen Spannung und Verbiegung,

Fig.4 eine Kurve für den Fehlereinfluß von Aufwölbungen der ebenen Erzeugnisse und

F i g. 5 eine Meßkurve eines Breitenprofils bei einem ebenen Erzeugnis.

Bei der Vorrichtung nach F i g. 1 erfolgt die Signalverarbeitung durch Integration des Nachweissignals synchron mit dem Erregersignal. Ein Prüferzeugnis 1, nämlich ein ebenes Erzeugnis in Form eines Kaltbandes, unterliegt einer Zugspannung in Längsrichtung, die durch eine Spannvorrichtung wie Umlenkrol-

len 2 aufgebracht wird. Das Kaltband läuft durch nicht dargestellte Walzen und bewegt sich über die Umienkroller. 2. Ein Erregersignalgenerator 3, etwa ein Rechteckwellengenerator gibt eine Sig.ialfolge mit einer Periodendauer Tc ab. An den Erregersignalgenerator 3 ist ein Nachweiskopf 4 angeschlossen, der einen Erregerteil 4a, etwa einen Elektromagneten, und einen Verbiegungsmesser 4b, etwa eine Elektrode umfaßt Dieser Nachweiskopf 4 befindet sich an einer Stelle zwischen den Umlenkrollen 2 und ist in Breitenrichtung des ebenen Erzeugnisses 1 ausgerichtet Das Rechtecksignal der Periodendauer Tc des Erregersignalgenerators 3 kann in einem nicht dargestellten Verstärker verstärkt werden; ein solcher Verstärker ist nicht erforderlich, wenn der Erregersignalgenerator eine genügend große Ausgangsleistung aufweist Das Erregersignal wird in dem Erregertei! 4a in eine Erregerkraft umgewandelt, die auf das ebene Erzeugnis 1 einwirkt Die durch die Einwirkung die-er Erregerkraft in dem ebenen Erzeugnis 1 erzeugte Verbiegung oder Auslenkung wird in dem Verbiegungsmesser 4b erfaßt und in einem nicht dargestellten Signalwandler, etwa einem elektrostatischen Kapazitäts-Spannungs-Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt Dieses Signal gelangt über eine Polaritätswechselstufe 5 zum ?^r> Eingang einer Integrationsstufe 6. Der aufgrund des Rechtecksignals erhaltene Wert des Verbiegungssignals wird entsprechend der Dauer einer Rechteckperiode in der Integrationsstufe 6 integriert damit man ein rauschfreies Signal erhält Dieses Signal wird in einem Haltekreis 7 festgehalten, so daß man Ausgangssignal C(x, π Tc) erhält. Ein Abfragetaktgenerator 8 ist an den Erregersignalgenerator 3 angeschlossen und steuert den jeweiligen Zeitpunkt des Polaritätswechsels für die Polaritätswechselstufe 5, den Rückstellzeitpunkt für die Integrationsstufe 6 und den Abfragezeitpunkt für den Haltekreis 7 sowie andere Taktsignale.

Die folgende Ableitung erläutert die Grundlagen der Erfindung.

Die in F i g. 1 angegebenen Größen haben folgende 4» Bedeutung:

χ = Längenkoordinate i^r· Breitenrichtung

f(t) = Erregerkraft pro Breiteneinheit

P(x, t) = Verbiegung in der Stelle χ

d(t) = unregelmäßige Schwankungen des ebe- ^4>

nen Erzeugnisses
T(x) = Spannung pro Breiteneinheit an der

Stelle χ 2 L = Abstand zwischen den Umlenkrollen 2

Unter Ansatz des Kräftegleichgewichts in einem sich in Breitenrichtung erstreckenden Minimalteil des ebenen Erzeugnisses erhält man als Wert der Verbiegung P(x, f^die folgende Gleichung:

PU. t) =

2 7(x)

(D

Das Ausgangssignal C(x,n Tc) des Haltekreises 7 läßt sich wie folgt ausdrücken:

Γ(.ν,/ι7ί·) --=

Tc

bO

nTc +j (n + \)Tc

f P(x,T)dt - f P(xj)ilt .

Tc

nTc + -j-

(2)

nTc

Tc = Periodendauer der Rechteckwelle
/1 = Periodenzahl der Rechteckwelle.

Die Erregerkraft f(r) pro Breiteneinheit ist eine Rechteckwelle mit einer Amplitude a, so daß man folgenden Ansatz machen kann:

fit) =

α + b nTc < t < η Tc +

Tc

(3)

nTc + -^- ^ t < {n + I)Tc

Danach kann die Ausgangsspannung C(x, η Tc) des Haltekreises 7 unter Benutzung der Gleichungen (1), (2), (3) folgendermaßen ausgedrückt werden:

C(x, Tc) =

2T(x) Tc

nTc

j£ (n+1)7c

JdU) dt -J d(t)dt

nTc+ ^-

nTc

(4)

Der letzte Term der obigen Gleichung gibt den Störeinfluß an und wird um so kleiner, je gleichmäßiger die unregelmäßige Verbiegung dft) des ebenen Erzeugnisses ist, wenn entsprechend die Periodendauer Tc der Rechteckweile größer wird. Damit kann die obige Gleichung folgendermaßen vereinfacht werden:

C (χ, η Tc) =

La 2T(x)

(4)

Aus der Gleichung (4') läßt sich die Spannung T(x)per Breiteneinheit an der Stelle χ der Breitenkoordinate folgendermaßen ableiten:

T(x) =

La 2 C (χ, η Tf)

(5)

Der Spannungsnachweis eines ebenen Erzeugnisses erfolgt nach dem bekannten Verfahren so, daß die Aufwölbung des ebenen Erzeugnisses so klein wie möglich gehalten, wird, damit der Störanteil möglichst weit verringert wird. Die Formbestimmung nach der Erfindung unterscheidet sich vor allem dadurch, daß Rechtecksignale an das Prüferzeugnis als Erregerkraft angelegt werden und daß nur Verbiegungen aufgrund dieser Rechtecksignale bei der Auswertung berücksichtigt werden. Damit erhält man die Spannungsverteilung in dem ebenen Erzeugnis in Breitenrichtung, so daß man hieraus die Form des ebenen Erzeugnisses ableiten kann. Unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung werden Störungen und Unregelmäßigkeiten wie Aufwölbungen, die beim Walzen ebener Erzeugnisse auftreten, im wesentlichen bis zum Verschwinden durch die Integration der Verbiegungssignale synchron mit dem Erregersignal ausgeschieden, wie dies an Hand der obigen Gleichung (4) erwähnt ist. Dieses ist in der Konstanz der Störeinflüsse begründet Fehler infolge von Aufwölbungen der ebener. Erzeugnisse, die bei herkömmlichen Verfahren den größten Fehlereinfluß bringen, lassen sich bis auf einen vernachlässigbaren Rest ausscheiden.

Die Erfindung wird an Hand der weiteren Zeichnungen noch näher erläutert. Ein Pruferzeugnis 11, nämlich ein Band, läuft über eine Spannvorrichtung mit Umlenkrollen 12. Ein Erregersignalgenerator 13 erzeugt Rechteckwellen, de in einem Verstärker 13a

verstärkt werden. Ein Nachweiskopf 15 befindet sich in einem Abstand zwischen den beiden Umlenkrollen 12 und steht der Oberfläche des Prüferzeugnisses in Breitenrichtung gegenüber. Der Nachweiskopf 14 sitzt an einer Haltevorrichtung. Ein solcher Nachweiskopf besitri ein^r Erregerteil 14a und einen Verbiegungsmesser 146. Der Erregerteil 14a ist ein Elektromagnet mit hufeisenförmigem Querschnitt, auf dessen Polschuhe A jeweils Erregerspulen B aufgesetzt sind. Der Verbiegungsmesser 146 besteht aus einer Vielzahl von Elektroden D zur Messung der jeweiligen Verbiegungen, die innerhalb des sich in Breitenrichtung erstrek kenden Mittelteiis Cangeordnet sind.

Der Verbiegungsmesser 146 kann auch gesondert von dem Erregerteii i4a aufgebaut sein. Die Erfindung ist nicht auf eine elektromagnetische Einrichtung ausgerichtet. Vielmehr ist im Rahmen der Erfindung jede Einrichtung brauchbar, mit der berührungsfrei eine äußere Erregerkraft auf das Prüferzeugnis übertragen werden kann, etwa eine Einrichtung unter Verwendung von Druckluft

Die Verbiegungssignale werden in einem Wandler 14c umgewandelt, der etwa ein elektrostatischer Kapazitäts-Spannungs-Wandler ist. Ein Signalverarbeitungskreis 19 umfaßt eine Polaritätswechselstufe 15, eine Integrationsstufe 16, einen Haltekreis 17 und einen Abfragetaktgenerator 18, der mit den einzelnen Stufen verbunden ist Der Abfragetaktgenerator 18 ist über einen Steuerkreis 20 an ein Anzeigegerät 21, etwa eine Kathodenstrahlröhre angeschlossen. Der Signalverarbeitungskreis 19 kann auch über einen Steuerkreis 22 für die Walzenballigkeit an eine Einstellvorrichtung 23 für die Walzenballigkeit angeschlossen sein.

Für jeden Verbiegungsmesser ist eine Polaritätswechselstufe, eine Integrationsstufe und ein Haltekreis vorhanden, die in Reihe aneinander angeschlossen sind und eine Gruppe für den jeweiligen Verbiegungsmesser bilden, die neben anderen Gruppen vorhanden ist

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nach F i g. 2 erläutert Damit soll der Grundgedanke herausgestellt werden. In dem Rechteckwellengenerator 13 wird als Erregersignal eine Rechteckwelle mit einer Periodendauer Tc erzeugt Das Erregersignal wird in dem Verstärker 13a verstärkt und durch den Erregerteil 14a als Erregerkraft auf die Oberfläche des Prüferzeugnisses 13 übertragen, damit in dem Prüferzeugnis eine Auslenkung oder Verbiegung P(x, t) erzeugt wird. Die in dem Prüferzeugnis 11 erzeugte Verbiegung (P(x, t) wird als Kapazitätsänderung durch die Elektroden D der Verbiegungsmesser nachgewiesen und in dem Wandler 14c in ein elektrisches Signal umgewandelt In Breitenrichtung des Prüferzeugnisses 11 sind eine Mehrzahl von Elektroden D angeordnet die jeweils auf Verbiegungen in entsprechenden Bereichen des Prüferzeugnisses ansprechen und die jeweiligen Verbiegungen in eine elektrische Spannung umwandeln. Die Spannungssignale werden dann in die Eingänge des Signalverarbeitungskreises 19 eingespeist

Jeweils in der Polaritätswechselstufe 15 wird die Polarität eines Signals entsprechend der Polarität der Rechteckwelle gewechselt Das Nachweissignal wird dann während einer jeden Periodendauer der Rechteckwelle in der Integrationsstufe 16 integriert, so daß man ein rauschfreies Spannungssignal erhält Das integrierte Signal, das sich jeweils auf den Spannungszustand in dem zugeordneten Bereich des Prüferzeugnisses bezieht liegt am Eingang des Haltekreises 17 an. Der Abfragetaktgenerator 18 steuert die Taktzeitpunkte der Polaritätswechselstufe 15, die Rückstellung der Integrationsstufe 16 und die Abfragezeitpunkte des Haltekreises 17 unter Auswertung von Vergleichssignalen des Rechteckwellengenerators 13. Das Ausgangssignal des ι Haltekreises 17 erregt über einen Steuerkreis 20 ein Anzeigegerät 21, etwa eine Kathodenstrahlröhre, damit eine Überwachung durch eine Bedienungsperson möglich ist.
Für eine automatische Regelung der Form der

ίο jeweiligen ebenen Prüferzeugnisse kann die Form derselben automatisch beeinflußt werden, indem die Walzenballigkeit durch Eingabe des Ausgangssignals des Haltekreises 17 in die Einstellvorrichtung 23 für die Walzenballigkeit nachgestellt wird. Diese Nachstellung

ι > erfoigt aiso automatisch im Sinne einer Regelung über den Steuerkreis 22 für die Walzenballigkeit.

Die zur Erzeugung der Erregerkraft auf das ebene Prüferzeugnis benutzte Rechteckwelle ist um so wirkungsvoller zur Ausschaltung von Störungen, wenn

:u man die Periodendauer vergrößert Zweckmäßig ist eine Periodendauer zwischen 1 und 4 see.

Neben einer Rechteckwelle als Erregersignal kann man auch zeitlich veränderliche Signalwellen wie M-Signale sog. Signale mit pseudostatistischer Vertei-

2^r> lung, Signale mit statistischer Verteilung und Sinuswellensignale verwenden. Bei Verwendung dieser Signale wird ein Multiplikationskreis zur Multiplikation des Erregersignals mit dem Meßsignal anstelle der Polaritätswechselstufe 15 eingesetzt

j« F i g. 3 zeigt Kurven für den Zusammenhang zwischen den Ausgangssignalwerten und den Spannungen. Die Versuchsbedingungen sind folgende:

Prüferzeugnisse:

Stahlbänder, 99.2 mm breit und 0,20 mm dick
^J> Umlenkrollenabstand: 755 cm

Spalt zwischen dem Magnetpol und

dem Band: 11,3 mm

Spalt zwischen Meßelektrode und Band: 8,3 mm Integrationsdauer: 2 see

Störung: 0

Magnetstrom: /= 1 A, /= 2 A, /= 3 A.

Nach der Zeichnung kann der Ausgang des Verbiegungsmessers in Abhängigkeit von der Zugspannung des Bandes als Gerade mit hoher Genauigkeit dargestellt werden. Die Abweichungen sind gering. Damit besitzt die Vorrichtung eine sehr hohe Meßgenauigkeit

Fig.4 zeigt das Ergebnis eines Versuchs zur

sn Bestimmung des Einflusses von Aufwölbungen des ebenen Erzeugnisses. Die Versuchsbedingungen sind folgende: elektrischer Strom 2 A; Periodendauer: 2 see: auf die Prüferzeugnisse ausgeübte Spannung: 3,02, 2,08 und 1,18 kp/mm² (jeweils bezogen auf die Breiteneinheit). Als Störung wird ein Rauschsignal mit statistischei Verteilung durch einen Generator auf das Band übertragen. Nach der Zeichnung ist das Signal/Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) kleiner als 0,5% dei Änderung des Ausgangssignals im Vergleich zu einem

bo Rauschpegel von 0 dB, d. h, wenn das Verhältnis des Rauschens infolge von Aufwölbungen des ebener Erzeugnisses und der Aufwölbung infolge des Rechteckwellensignals 1 :1 beträgt Darauf folgt, daß die Aufwölbung der ebenen Erzeugnisse, die bei herkömmliehen Verfahren die größte Schwierigkeit bietet, ir ihren nachteiligen Einflüssen durch die Erfindung vollkommen ausgeschaltet ist Der hierdurch bedingte Fehler kann vernachlässigt werden.

ί^; i g. 5 zeigt eine Meßreihe zur Hormbestimniung eines unregelmäßig geformten ebenen Erzeugnisses. Die Versuchswerte sind folgende: magnetischer Strom 5 A; Periodendauer: 2 see; Dicke des Prüfkörpers, nämlich eines kaltgewalzten Stahlbandes: 0,2 mm, Breite: 500 mm; Zugspannung 5 kp/mni-'. An den einem Absland 100 mm und 500 mm in Breitenrichtung

entsprechenden Stellen des Prüferzeugnisse erkennt man jeweils eine vierteltaschenförmige Ausbeulung mit einer Steilheit von 1,8 und einer Kantenwclle von 2,1% (jeweils bezogen auf den Scheitelwert und den wellenförmigen Anstieg). Solche Unregelmäßigkeiten werden also sicher erfaßt.

I lieiYii 5 likill /eic H c η

Claims

Patentanspruch:

Meßanordnung zur Bestimmung der Verteilung mechanischer Spannungen in laufenden bandförmigen, ebenen Materialbahnen in Breitenrichtung dieser Bahnen, mit einem in einem Abstand von der Oberfläche der Materialbahn in Breitenrichtung derselben angeordneten Erregerteil zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Erregerkraft an mehreren in Breitenrichtung verteilten Stellen dieser Materialbahnen, mit einer Mehrzahl von Verbiegungsmessem zur Messung der durch die Erregerkraft erzeugten Verbiegung und mit einem Meßwertverarbeitungskreis, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) an eiaen Rechteckwellengenerator (3,13) ist ein Nachweiskopf (4,14) mit einem Kraftgeber (4a) und Verbiegungsmesser (4b, i4b) angeschlossen;

b) zur Bildung einer Korrelation zwischen der Erregerkraft (in 4a) und den Meßwerten (in 4b) ist an den Verbiegungsmesser (4c) jeweils ein Meßwertverarbeitungskreis (19) mit einer PoIIaritätswechselstufe (5,15) einer Integrationsstufe (6, 16), einem Haltekreis (7, 17) und einem Abfrageimpulsgeber (8, 18) angeschlossen, der jeweils mit der Polaritätswechselstufe, der Integrationsstufe, dem Haltekreis und mit dem Rechteckwellengenerator (3) verbunden ist. so