發布日期：2022-10-09 點擊率：110
摘 要：簡要分析應用在1420 軋機上的德國IMS 公司X 射線測厚儀的測量原理、系統架構、性能指標及部分維護要領。
關鍵詞：X 射線測厚 性能指標
引言
隨著生產工藝對測量精度、測量穩定性要求的提高和舊設備的性能劣化，寶鋼分公司1420軋軋機測厚儀更換改造于2006 年10 月年修期間實施完成，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 機架前后、5 機架前后的4 臺冷軋帶鋼測厚儀全部為技術先進、集成化程度高、性能穩定可靠、測量精度高的德國IMS 公司的X 射線測厚儀，為穩定生產、提高產品質量、增加產能提供了有力的保證。
1 系統分析
1.1 X 射線測厚原理
X 射線穿透物質時的衰減規律是X 射線測厚儀測量的理論基礎，光電式傳感器將射線強度的變化轉變為易于檢測、處理和傳輸的電量變化。如圖1 所示，當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，穿過被測物質后的射線強度， 在物質成分一定的情況下，和被測物的厚度和密度有關，若被測物的密度為已知時，則可以根據檢測到的射線強度來計算出被測物質的厚度。X 射線測厚儀就是基于此關系原理制造而成的測厚系統。
圖1 測量原理圖
X 射線通過物質時部分被吸收，其強度被衰減，經衰減后的強度按指數曲線下降, 其吸收關系式為
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度， I0 為X 射線源發射的初始輻射強度, ρ為被測材料的密度，u’為材料對X 射線的質量吸收系數，s 為被測材料的厚度。
1.2 IMS 測厚儀系統結構
4 臺測厚儀的現場測量框架—C 型架分別位于1 機架前后、5 機架前后，對應的測厚儀系統裝置命名為T0、T1、T4、T5。T0 測出的厚度值送給軋機基礎自動化控制系統，參與前饋控制；T1、T4、T5 由于位于軋機后，其測量值則參與反饋控制，4 臺測厚儀的測量結果、測量精度和運行狀況將直接影響軋機軋制的精度、產品質量和產量。
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、顯示部分獨立于測厚儀之外，通過內部Ethernet 網絡可以和測厚儀通信；T1、T4 共用一個電氣柜（位于電氣室內），亦即二者共用處理、存儲、顯示部分。不考慮現場C 型架上的激光測速部分，則4 臺測厚儀具有相同的系統配置、網絡結構和信號處理流程，下面以T0 為例來加以解釋說明。
T0 系統結構如圖2 所示。
圖2 T0 系統結構圖
總體上，從位置和區域來講，該測量系統可以分為兩大部分：軋機現場測量、轉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X 射線強度并轉化為電流信號（10-12~10-7A），經測量轉換器放大并轉變為數字信號后經由工業以太網，利用光纖介質快速、穩定地傳輸到儀表控制室，光纖傳輸介質轉換為5 類雙絞線后，連接到系統內部網絡交換機，數據最終被M—Client 計算機獲得。M—Client 獲得數字化的厚度測量值，進行一系列計算處理，處理后的數字量一路用于M—Server 計算機內的軟件顯示、控制，通過V—Client 顯示器觀察；另一路轉換為模擬量，輸出到現場總線Interbus 模擬量模塊，并最終送給軋機控制系統的PLC。同時，送給軋機PLC 的還有測厚儀狀態信號，從軋機PLC 接收控制用設定數據，包括軋制目標厚度值、鋼卷號等。
高壓發生器供給X 射線管發射X 射線所需的陰極負高壓和燈絲電流，X 射線控制器通過串行口控制高壓發生器所提供的高壓和燈絲電流大小，并通過測量反饋數據線來獲得當前的光管電流、高壓、燈絲電流等實際值，用于狀態監視和控制。這些數據由射線控制器串行口輸出，經由COM—Server 接口轉換器，轉換為RJ-45 接口后，送給內部網絡交換機，于是便可在M—Server內的軟件上顯示、控制。
該測厚系統輔助I/O 信號用現場總線來傳輸，選用的是德國Phoenix Contact 電氣公司的Interbus 總線。現場的高壓有無、快門狀態、C 型架位置、冷卻水溫度流量是否超限等狀態信號，均通過現場總線Interbus 傳輸至儀表控制室的工控處理機M—Client，并由前述M—Server 內的軟件顯示出來，用于監視、處理。
Q-Server 計算機用于大量數據長期存儲和數據統計分析，其內裝有SQL Server 數據庫和數據顯示、分析軟件，Q-Client 顯示器用于對Q-Server 內容的顯示。數據的海量存儲和數據統計，既適應了生產工藝的需求，又有利于測厚儀的長期維護。NAT32 作為一個網關，用于測厚儀TCP/IP協議和西門子H1 協議的轉換和兩個網絡的通信，完成設定數據、測量數據和狀態數據的傳輸。
1.3 測厚儀的網絡結構
測量數據從現場到儀表控制室的傳輸、測量結果和狀態被M—Server 內軟件調用、測量數據存儲到Q—Server 數據庫、測量數據偏差及測厚儀狀態數字量信號送出、設定數據的接收、各測厚儀間通信等等都是通過網絡來實現的。如果把與測厚儀系統通信的軋機控制系統所在網絡理解為外部網絡，則測厚儀系統各裝置之間的聯系則是通過內部以太網網絡來實現的。如圖3 所示。
圖3 T0 網絡結構圖
測厚儀系統內部網絡分為兩個子網：① 數據測量傳輸子網N1；② 測量數據處理、調用、存儲、顯示及系統各參數配置管理子網，亦即系統控制管理子網N2。
在測厚儀系統內部，該通信網絡及其終端稱為MEVInet，它是“Measuring and visualization network”的縮寫，由IMS 公司開發、已經注冊的標準自動化系統網絡。該系統符合通用技術標準，并能在軟件和硬件間提供最大化的透明度。因此，網絡性能穩定，通信速度快（100MB/s），便于擴展，維護起來非常方便。MEVInet 由4 個子系統組成：
① MEVInet-M (測量、控制、管理功能)
- M-Server
- M-Client
② MEVInet-V (顯示、監視功能)
- V-Client
③ MEVInet-Q (質量管理功能)
- 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 個子系統組成一個內部局域網。
1.4 儀表特性
系統選用MXR161 型號的金屬陶瓷管，最大承受高壓為160KV；高壓發生器型號為HSG101，最高可提供100KV 的高壓。在正常工作狀態下，系統采用了約80KV 的管高壓和3.0mA 的管電流，使射線管長期工作于最大耐壓的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到4~6 年。
T0 選用了4 個相同型號KG20/20 的電離室作探頭，每個電離室的高壓均用1200V，電離室最大可輸出電流約為100000pA。
現場測量裝置采用C 型框架，從“待機”位向“測量”位由電動馬達驅動，可自由移動。快門及內部標準板的動作由壓縮空氣和彈簧機構組成的力平衡系統驅動，實現快門開光和標準板的進（IN）/出（OUT）。X 射線管用二次循環冷卻水冷卻，冷卻水循環控制系統自行設計。測厚儀系統參數見表1。
表1 測厚儀系統參數
1.5 系統性能指標
2006 年10 月年修期間施工安裝并完成調試后，以T0 為例，得出如下性能指標：
① 被測材料為碳鋼和高強度鋼板；
② 測量范圍0.1~4.0mm；
③ 線性≤±0.05%；
④ 時間常數1.4ms（圖4）；
⑤ 重復性（2σ）≤±0.1%；
⑥ 漂移短期漂移 ≤±0.05%、長期漂移（8 小時）≤±0.1%；
⑦ 統計噪聲（2σ）≤±0.1%（在總的有效時間常數為10ms 的條件下 ）。
圖4 T0 時間常數
關閉系統定時（8 小時）校正功能，連續測量15 個小時厚度為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 時得到的噪聲曲線圖。
圖5 長時間漂移測試
圖6 噪聲曲線圖
2 結束語
本系統X 光管采用二次水循環冷卻，在日常的點檢維護過程中，X 光管冷卻水的溫度和流量監視是重要工作之一，因為冷卻的效果將直接影響到光管性能和壽命，進而影響到測量精度和穩定性。光管高壓接頭定期涂抹硅膠，以確保其良好的絕緣性，對于光管維護和確保測量精度意義重大。軋機現場的惡劣環境，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，則可以通過系統“校正”功能修正、消除，不僅可以提高測量精度，也方便了日常設備的維護。
本測厚系統采用了噪聲低、壽命長、性能穩定的X 射線源以及惰性氣體電離室、光纖傳輸介質和現場總線技術，利用集成化程度很高、功能強大的工控機（M—Client）進行數據信號的處理。一系列先進技術的應用，大大提高了測量的精度和穩定性，有效地降低了故障點，減輕了日常點檢維護工作的強度。雖然較高的集成化程度降低了系統的復雜性和故障點，但同時帶來了主要備件更換的昂貴代價。另外，該系統本身高昂的價格，也為其應用增添了一些局限性。
參考文獻
1 謝忠信,等.X 射線光譜分析.科學出版社,1982.
2 德國 IMS 公司.操作手冊（Operating Manual）.設備資料,2006.
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