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
1.1x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=i0exp（-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。
1.2ims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(dòng)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2t0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phoenixcontact電氣公司的interbus總線?，F(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sqlserver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3t0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“measuringandvisualizationnetwork”的縮寫，由ims公司開發(fā)、已經(jīng)注冊的標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)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：
①mevinet-m（測量、控制、管理功能）
-m-server
-m-client
②mevinet-v（顯示、監(jiān)視功能）
-v-client
③mevinet-q（質(zhì)量管理功能）
-q-server
-q-client
④mevinet-n（通信連接功能）
-switch
-ethernetcard
-5utpandfiber
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(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可自由移動(dòng)。快門及內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)板的動(dòng)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(dòng)，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4t0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(huì)影響x射線光路的清潔度；振動(dòng)、機(jī)械移位等，將會(huì)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（operatingmanual）.設(shè)備資料,2006.（end）