摘 要：簡要分析應(yīng)用在1420 軋機(jī)上的德國IMS 公司X 射線測厚儀的測量原理、系統(tǒng)架構(gòu)、性能指標(biāo)及部分維護(hù)要領(lǐng)。
關(guān)鍵詞：X 射線測厚 性能指標(biāo)

引言

隨著生產(chǎn)工藝對測量精度、測量穩(wěn)定性要求的提高和舊設(shè)備的性能劣化，寶鋼分公司1420軋軋機(jī)測厚儀更換改造于2006 年10 月年修期間實(shí)施完成，把原來3 臺DMC 公司的480 型測厚儀改造為德國IMS 公司的X 射線測厚儀。至此，分別位于1 機(jī)架前后、5 機(jī)架前后的4 臺冷軋帶鋼測厚儀全部為技術(shù)先進(jìn)、集成化程度高、性能穩(wěn)定可靠、測量精度高的德國IMS 公司的X 射線測厚儀，為穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加產(chǎn)能提供了有力的保證。

1 系統(tǒng)分析

1.1 X 射線測厚原理

X 射線穿透物質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律是X 射線測厚儀測量的理論基礎(chǔ)，光電式傳感器將射線強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跈z測、處理和傳輸?shù)碾娏孔兓?。如圖1 所示，當(dāng)X 射線投射到被測物后， 一部分射線為被測物吸收， 一部分射線穿過被測物，穿過被測物質(zhì)后的射線強(qiáng)度， 在物質(zhì)成分一定的情況下，和被測物的厚度和密度有關(guān)，若被測物的密度為已知時(shí)，則可以根據(jù)檢測到的射線強(qiáng)度來計(jì)算出被測物質(zhì)的厚度。X 射線測厚儀就是基于此關(guān)系原理制造而成的測厚系統(tǒng)。

圖1 測量原理圖

X 射線通過物質(zhì)時(shí)部分被吸收，其強(qiáng)度被衰減，經(jīng)衰減后的強(qiáng)度按指數(shù)曲線下降, 其吸收關(guān)系式為

I =I0 EXP（-ρu’ s ） （1）

式中，I 為探測器上探測到的被衰減后的射線強(qiáng)度， I0 為X 射線源發(fā)射的初始輻射強(qiáng)度, ρ為被測材料的密度，u’為材料對X 射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，s 為被測材料的厚度。

1.2 IMS 測厚儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 臺測厚儀的現(xiàn)場測量框架—C 型架分別位于1 機(jī)架前后、5 機(jī)架前后，對應(yīng)的測厚儀系統(tǒng)裝置命名為T0、T1、T4、T5。T0 測出的厚度值送給軋機(jī)基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)，參與前饋控制；T1、T4、T5 由于位于軋機(jī)后，其測量值則參與反饋控制，4 臺測厚儀的測量結(jié)果、測量精度和運(yùn)行狀況將直接影響軋機(jī)軋制的精度、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

其中T1、T4、T5 的C 型架上集成了激光測速儀的激光探頭，但測速儀的操作、處理、顯示部分獨(dú)立于測厚儀之外，通過內(nèi)部Ethernet 網(wǎng)絡(luò)可以和測厚儀通信；T1、T4 共用一個(gè)電氣柜（位于電氣室內(nèi)），亦即二者共用處理、存儲、顯示部分。不考慮現(xiàn)場C 型架上的激光測速部分，則4 臺測厚儀具有相同的系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信號處理流程，下面以T0 為例來加以解釋說明。

T0 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 T0 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總體上，從位置和區(qū)域來講，該測量系統(tǒng)可以分為兩大部分：軋機(jī)現(xiàn)場測量、轉(zhuǎn)換部分和儀表室處理、控制部分。從功能來講，可分為三大部分：探頭信號測量處理部分、光管及高壓控制部分和輸入/輸出信號部分。

探頭感應(yīng)X 射線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電流信號（10^-12~10^-7A），經(jīng)測量轉(zhuǎn)換器放大并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)，利用光纖介質(zhì)快速、穩(wěn)定地傳輸?shù)絻x表控制室，光纖傳輸介質(zhì)轉(zhuǎn)換為5 類雙絞線后，連接到系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，數(shù)據(jù)zui終被M—Client 計(jì)算機(jī)獲得。M—Client 獲得數(shù)字化的厚度測量值，進(jìn)行一系列計(jì)算處理，處理后的數(shù)字量一路用于M—Server 計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件顯示、控制，通過V—Client 顯示器觀察；另一路轉(zhuǎn)換為模擬量，輸出到現(xiàn)場總線Interbus 模擬量模塊，并zui終送給軋機(jī)控制系統(tǒng)的PLC。同時(shí)，送給軋機(jī)PLC 的還有測厚儀狀態(tài)信號，從軋機(jī)PLC 接收控制用設(shè)定數(shù)據(jù)，包括軋制目標(biāo)厚度值、鋼卷號等。

高壓發(fā)生器供給X 射線管發(fā)射X 射線所需的陰極負(fù)高壓和燈絲電流，X 射線控制器通過串行口控制高壓發(fā)生器所提供的高壓和燈絲電流大小，并通過測量反饋數(shù)據(jù)線來獲得當(dāng)前的光管電流、高壓、燈絲電流等實(shí)際值，用于狀態(tài)監(jiān)視和控制。這些數(shù)據(jù)由射線控制器串行口輸出，經(jīng)由COM—Server 接口轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為RJ-45 接口后，送給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，于是便可在M—Server內(nèi)的軟件上顯示、控制。

該測厚系統(tǒng)輔助I/O 信號用現(xiàn)場總線來傳輸，選用的是德國Phoenix Contact 電氣公司的Interbus 總線。現(xiàn)場的高壓有無、快門狀態(tài)、C 型架位置、冷卻水溫度流量是否超限等狀態(tài)信號，均通過現(xiàn)場總線Interbus 傳輸至儀表控制室的工控處理機(jī)M—Client，并由前述M—Server 內(nèi)的軟件顯示出來，用于監(jiān)視、處理。

Q-Server 計(jì)算機(jī)用于大量數(shù)據(jù)長期存儲和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其內(nèi)裝有SQL Server 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)顯示、分析軟件，Q-Client 顯示器用于對Q-Server 內(nèi)容的顯示。數(shù)據(jù)的海量存儲和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，既適應(yīng)了生產(chǎn)工藝的需求，又有利于測厚儀的長期維護(hù)。NAT32 作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)，用于測厚儀TCP/IP協(xié)議和西門子H1 協(xié)議的轉(zhuǎn)換和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，完成設(shè)定數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.3 測厚儀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

測量數(shù)據(jù)從現(xiàn)場到儀表控制室的傳輸、測量結(jié)果和狀態(tài)被M—Server 內(nèi)軟件調(diào)用、測量數(shù)據(jù)存儲到Q—Server 數(shù)據(jù)庫、測量數(shù)據(jù)偏差及測厚儀狀態(tài)數(shù)字量信號送出、設(shè)定數(shù)據(jù)的接收、各測厚儀間通信等等都是通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。如果把與測厚儀系統(tǒng)通信的軋機(jī)控制系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)理解為外部網(wǎng)絡(luò)，則測厚儀系統(tǒng)各裝置之間的則是通過內(nèi)部以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。如圖3 所示。

圖3 T0 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

測厚儀系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)子網(wǎng)：① 數(shù)據(jù)測量傳輸子網(wǎng)N1；② 測量數(shù)據(jù)處理、調(diào)用、存儲、顯示及系統(tǒng)各參數(shù)配置管理子網(wǎng)，亦即系統(tǒng)控制管理子網(wǎng)N2。

在測厚儀系統(tǒng)內(nèi)部，該通信網(wǎng)絡(luò)及其終端稱為MEVInet，它是“Measuring and visualization network”的縮寫，由IMS 公司開發(fā)、已經(jīng)注冊的標(biāo)準(zhǔn)自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)符合通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并能在軟件和硬件間提供zui大化的透明度。因此，網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，通信速度快（100MB/s），便于擴(kuò)展，維護(hù)起來非常方便。MEVInet 由4 個(gè)子系統(tǒng)組成：

① MEVInet-M （測量、控制、管理功能）

- M-Server
- M-Client

② MEVInet-V （顯示、監(jiān)視功能）

- V-Client

③ MEVInet-Q （質(zhì)量管理功能）

- Q-Server
- Q-Client

④ MEVInet-N（通信連接功能）

-Switch
-Ethernet Card
-5UTP and Fiber

MEVInet-N 建立起通信鏈路，把MEVInet-M、MEVInet-V、MEVInet-Q 等3 個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)。

1.4 儀表特性

系統(tǒng)選用MXR161 型號的金屬陶瓷管，zui大承受高壓為160KV；高壓發(fā)生器型號為HSG101，zui高可提供100KV 的高壓。在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)采用了約80KV 的管高壓和3.0mA 的管電流，使射線管長期工作于zui大耐壓的1/2 處，可以有效地延長射線管的使用壽命。該射線管正常使用壽命可以達(dá)到4~6 年。

T0 選用了4 個(gè)相同型號KG20/20 的電離室作探頭，每個(gè)電離室的高壓均用1200V，電離室zui大可輸出電流約為100000pA。

現(xiàn)場測量裝置采用C 型框架，從“待機(jī)”位向“測量”位由電動馬達(dá)驅(qū)動，可自由移動。快門及內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板的動作由壓縮空氣和彈簧機(jī)構(gòu)組成的力平衡系統(tǒng)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)快門開光和標(biāo)準(zhǔn)板的進(jìn)（IN）/出（OUT）。X 射線管用二次循環(huán)冷卻水冷卻，冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)。測厚儀系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 測厚儀系統(tǒng)參數(shù)

1.5 系統(tǒng)性能指標(biāo)

2006 年10 月年修期間施工安裝并完成調(diào)試后，以T0 為例，得出如下性能指標(biāo)：

① 被測材料為碳鋼和高強(qiáng)度鋼板；
② 測量范圍0.1~4.0mm；
③ 線性≤±0.05%；
④ 時(shí)間常數(shù)1.4ms（圖4）；
⑤ 重復(fù)性（2σ）≤±0.1%；
⑥ 漂移短期漂移 ≤±0.05%、長期漂移（8 小時(shí)）≤±0.1%；
⑦ 統(tǒng)計(jì)噪聲（2σ）≤±0.1%（在總的有效時(shí)間常數(shù)為10ms 的條件下 ）。

圖4 T0 時(shí)間常數(shù)

關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)（8 小時(shí)）校正功能，連續(xù)測量15 個(gè)小時(shí)厚度為3451μm 的鋼板，得到的漂移趨勢圖如圖5 所示。圖6 所示為所測鋼板厚度為0mm 時(shí)得到的噪聲曲線圖。

圖5 長時(shí)間漂移測試

圖6 噪聲曲線圖

2 結(jié)束語

本系統(tǒng)X 光管采用二次水循環(huán)冷卻，在日常的點(diǎn)檢維護(hù)過程中，X 光管冷卻水的溫度和流量監(jiān)視是重要工作之一，因?yàn)槔鋮s的效果將直接影響到光管性能和壽命，進(jìn)而影響到測量精度和穩(wěn)定性。光管高壓接頭定期涂抹硅膠，以確保其良好的絕緣性，對于光管維護(hù)和確保測量精度意義重大。軋機(jī)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，如：噪音、水、油、乳化液等，如吹掃工作不到位，將會影響X射線光路的清潔度；振動、機(jī)械移位等，將會改變測量的角度和距離（passline 高度）。如果這種影響在一定范圍內(nèi)，則可以通過系統(tǒng)“校正”功能修正、消除，不僅可以提高測量精度，也方便了日常設(shè)備的維護(hù)。

本測厚系統(tǒng)采用了噪聲低、壽命長、性能穩(wěn)定的X 射線源以及惰性氣體電離室、光纖傳輸介質(zhì)和現(xiàn)場總線技術(shù)，利用集成化程度很高、功能強(qiáng)大的工控機(jī)（M—Client）進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的處理。一系列先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了測量的精度和穩(wěn)定性，有效地降低了故障點(diǎn)，減輕了日常點(diǎn)檢維護(hù)工作的強(qiáng)度。雖然較高的集成化程度降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障點(diǎn)，但同時(shí)帶來了主要備件更換的昂貴代價(jià)。另外，該系統(tǒng)本身高昂的價(jià)格，也為其應(yīng)用增添了一些局限性。

參考文獻(xiàn)
1 謝忠信,等.X 射線光譜分析.科學(xué)出版社,1982.
2 德國 IMS 公司.操作手冊（Operating Manual）.設(shè)備資料,2006.（end）