影響測(cè)厚儀測(cè)量精度的因素及解決方法

劉永杰，趙 哲

（奧科寧克（昆山）鋁業(yè)有限公司，江蘇蘇州 215300）

0 引言

在有色行業(yè)的鋁板帶生產(chǎn)中，X 射線測(cè)厚技術(shù)被廣泛用到冷軋機(jī)上，信號(hào)的準(zhǔn)確和靈敏度直接影響了軋制板材的厚度質(zhì)量；奧科寧克（昆山）鋁業(yè)有限公司冷軋機(jī)配置了一套Thermo Fisher 北美RM216 測(cè)厚儀，用于出口帶材厚度測(cè)量；測(cè)厚儀測(cè)量厚度范圍為0.005～8.000 mm，X 射源電壓50 kV，平均響應(yīng)時(shí)間2 ms，采樣時(shí)間1 ms，測(cè)量厚度的精度為±0.1%或±0.25 μm，厚度漂移量8 h 未標(biāo)定情況下，測(cè)量厚度的±0.1%。精度高、非接觸式、斷電后安全無(wú)輻射、便于維護(hù)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)可。

1 測(cè)厚儀的測(cè)量原理簡(jiǎn)述

在生產(chǎn)中，通過(guò)出口側(cè)測(cè)厚儀檢測(cè)軋機(jī)出口側(cè)帶材的厚度偏差，將模擬量電壓信號(hào)經(jīng)中間箱，信號(hào)過(guò)濾后送到PLC 控制柜，控制中心PLC 將根據(jù)反饋情況傳遞柜AGC，通過(guò)調(diào)節(jié)控制軋輥輥縫或軋制壓力，使厚度偏差趨于零。厚度監(jiān)控可以消除因熱膨脹、軋制速度等對(duì)出口厚度的影響，消除入口帶材硬度變化的影響，從而提高帶材厚差質(zhì)量和成品率。

測(cè)厚儀硬件結(jié)構(gòu)由PLC 控制柜、C 型架、冷卻器和現(xiàn)場(chǎng)操作電腦組成，工作時(shí)C 型架內(nèi)X 射線電壓由高壓發(fā)生器根據(jù)不同厚度升至15～50 kV，電流調(diào)整至2～3 mA，厚度一定的情況下射線能量是一定的。根據(jù)不同金屬對(duì)射線能量吸收不同的原理，X射源快門打開(kāi)時(shí)射線發(fā)出穿過(guò)鋁板，接收源通過(guò)接收X 射線的能量，由離子腔接到微小的電流信號(hào)到前置放大電路，電信號(hào)轉(zhuǎn)換成軟件上顯示的直觀厚度信號(hào)，也就是鋁板吸收X 射線的一部分能量。

在生產(chǎn)使用時(shí)需要提前做測(cè)厚儀內(nèi)部合金曲線，目前兩種方法有：①樣片標(biāo)樣方法，將需要測(cè)試的帶材取表面質(zhì)量高的不同厚度樣片逐個(gè)放入測(cè)厚儀下做合金厚度曲線；②合金超級(jí)補(bǔ)償方法，將要軋制的帶材在實(shí)驗(yàn)室中做合金成分分析，將不同占比的合金成分輸入測(cè)厚儀中做標(biāo)樣曲線。樣片標(biāo)樣法是最普遍的測(cè)厚儀做曲線的方法，對(duì)取樣的樣片質(zhì)量較高，操作方法簡(jiǎn)單便捷，適用于合金種類少的產(chǎn)品。而超級(jí)補(bǔ)償方法對(duì)標(biāo)樣的合金成分準(zhǔn)確率要求較高，適用于做合金種類較多的產(chǎn)品。

2 影響測(cè)厚儀測(cè)量精度的因素及解決方法

2.1 合金元素對(duì)測(cè)量精度的影響

當(dāng)生產(chǎn)中厚度偏差出現(xiàn)時(shí)，首先要檢查測(cè)厚儀內(nèi)部標(biāo)樣是否測(cè)量準(zhǔn)確，如果內(nèi)部標(biāo)樣測(cè)量準(zhǔn)確，排除測(cè)厚儀系統(tǒng)硬件問(wèn)題，反之需要考慮來(lái)料實(shí)際合金成分和測(cè)厚儀內(nèi)部標(biāo)定曲線合金成分差異過(guò)大。需要清楚各種合金成分對(duì)X 射線的吸收程度不同。如圖1 所示，不同合金成分在射源電壓穩(wěn)定時(shí)，對(duì)X 射線的測(cè)量釬焊板的厚度誤差的影響，釩以后的元素對(duì)厚度影響逐漸超過(guò)0.5%；同時(shí)看到不同的厚度在硒元素后對(duì)厚差影響趨勢(shì)不同。因此清楚了解X 射線對(duì)各種金屬的吸收性能影響，在產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)的情況下，準(zhǔn)確控制合金元素能更好的控制厚度測(cè)量精度。

圖1 各種合金元素對(duì)釬焊板材的X 射線的測(cè)量誤差影響

當(dāng)射線穿過(guò)鋁板帶時(shí)，一些合金元素對(duì)X 射線比較敏感，例如鉛會(huì)吸收X 射線大量能量，在生產(chǎn)中二級(jí)系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)送入到測(cè)厚系統(tǒng)時(shí)，操作手需要復(fù)查這些成分是否有誤；在測(cè)厚儀超級(jí)補(bǔ)償模式下可以觀察到，同一批次的鋁錠在鑄造時(shí)，同一合金牌號(hào)鑄成的鋁錠，不同爐子合金成分也會(huì)有差異。經(jīng)實(shí)驗(yàn)鋅以后的合金成分與測(cè)厚儀做曲線時(shí)提供的成分差別超過(guò)45%時(shí)，厚差就會(huì)逐漸較大，超級(jí)補(bǔ)償系數(shù)到達(dá)極限值，已經(jīng)無(wú)法滿足厚差測(cè)量要求，需要根據(jù)實(shí)際厚度情況手動(dòng)補(bǔ)償或者重新做曲線。

解決方法：在做測(cè)厚儀合金曲線時(shí)，擦拭射線窗口，保持潔凈，檢查氣壓和C 型架冷卻器溫度是否穩(wěn)定，做ACE 自動(dòng)能量調(diào)整，然后做STD 標(biāo)準(zhǔn)化，目的是檢測(cè)內(nèi)部樣片自動(dòng)校正厚度漂移。標(biāo)樣要求在同批次同種合金且要在同一卷料上取，樣取好后，取8～10 個(gè)點(diǎn)求平均值，平整度要好，無(wú)劃痕，提供的合金成分必須真實(shí)，在厚度計(jì)算時(shí)補(bǔ)償才準(zhǔn)確；鋁箔厚度需要稱出克重，千分尺測(cè)量偏差較大。厚度標(biāo)樣曲線做出來(lái)后，補(bǔ)償越小越好，平直度比較好的曲線說(shuō)明不同厚度區(qū)域的補(bǔ)償比較接近，效果就比較好，反之較差。

2.2 振動(dòng)、油污及速度打滑等因素對(duì)測(cè)量精度的影響

測(cè)厚系統(tǒng)在使用半年后需要做一次系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)。需要檢查測(cè)厚儀的吹掃氣壓和氣嘴位置是否正確，避免軋制時(shí)軋制油或進(jìn)入到X 射線窗口區(qū)，或者鋁屑飛濺到X 射線窗口薄膜上；檢查上下薄膜下方X 射線孔內(nèi)是否有鋁屑或者異物吹入。每班組生產(chǎn)前需要檢查和用棉布輕輕擦拭X 射線窗口，避免粘連異物。

另外還需要測(cè)試測(cè)厚儀C 型架的振動(dòng)，測(cè)量C 型架的輪子和軌道平面的平穩(wěn)性，保障導(dǎo)軌與軋制線平行使X 射線垂直穿過(guò)軋制材質(zhì)，檢查軌道上是否有磨損坑；觀察周圍出口導(dǎo)板或者管路的振動(dòng)是否對(duì)C 型架的穩(wěn)定性造成干擾。

在AGC 控制系統(tǒng)中，前饋式和反饋式模式下，在質(zhì)量流控制原理中帶材速度的打滑會(huì)引起出口厚差波動(dòng)。開(kāi)卷速度瞬間打滑引起厚差突變，此時(shí)需要檢查工作輥粗糙度、帶材起車時(shí)包頭、套筒的圓度、入口出口卷軸壓力和漲緊狀態(tài)、開(kāi)卷和卷取的張力工藝參數(shù)等影響因素（圖2）。

圖2 速度打滑引起厚差突變

2.3 管電壓衰減對(duì)測(cè)量精度的影響

測(cè)厚儀在斷電1 h 后再送電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)OPEN KV CHANGED TOO MUCH 報(bào)警信息，在做ACE 能量校正時(shí)會(huì)提示射源不穩(wěn)定，在測(cè)量過(guò)程中能量變化不穩(wěn)定會(huì)影響厚度測(cè)量精度。解決方法在剛送上電時(shí)做管電壓升壓，管電壓和管電流分別是15 kV和2 mA，X 射線管需要預(yù)熱15 min 之后，READ 讀入執(zhí)行后，管電壓升至20 kV 管電流升至3 mA，每間隔15 min 電壓升高5 kV 一直升到50 kV 后結(jié)束。同樣在測(cè)厚儀斷電時(shí)需要做降壓過(guò)程，每隔10 min 電壓降10 kV，最終降至20 kV 結(jié)束，總耗時(shí)95 min。

X 射線管在使用3～5 年后就會(huì)自然衰減，特別是經(jīng)常停送電會(huì)加速射線管的老化，每段厚度對(duì)應(yīng)的電壓就會(huì)降低，電流也會(huì)在0.1～0.3 mA 波動(dòng)，測(cè)量厚度隨時(shí)間延長(zhǎng)發(fā)生厚度漂移（圖3），最終影響到測(cè)量精度，在同一厚度段電壓下，燈管隨時(shí)間的增加而開(kāi)始衰減，厚差就會(huì)超出范圍。如果出現(xiàn)電壓升不起來(lái)甚至只有幾百伏，電流波動(dòng)很大時(shí)，可能X 射線管已經(jīng)損壞，所以應(yīng)盡量避免經(jīng)常停電。

圖3 測(cè)試厚度0.3 mm 外部樣片的漂移曲線

在正常使用中，測(cè)厚儀會(huì)自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償衰減量，生產(chǎn)中每周做一次ACE 自動(dòng)矯正能量。如果使用年限較長(zhǎng)的射源，精度誤差范圍大時(shí)可以重新做工廠標(biāo)定;對(duì)更換過(guò)X 射線管的射源，需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)X 射線驅(qū)動(dòng)板電壓電位計(jì)，保障4 個(gè)厚度段對(duì)應(yīng)的電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，并校驗(yàn)以前做的合金曲線的精度，如不準(zhǔn)確需要重新做合金曲線。

如果第一次軋制新的合金時(shí)，測(cè)厚儀無(wú)標(biāo)樣的快速做曲線方法有2 種：①把該合金名字掛在純鋁MASTER 曲線下面，合金成分要盡可能準(zhǔn)確，成品軋制出來(lái)后，再取樣做該合金曲線；②在軋制該合金第一道次時(shí)，當(dāng)料頭軋過(guò)后讓軋機(jī)暫停工作，手工測(cè)量帶材邊部厚度，隨機(jī)把該厚度點(diǎn)做到曲線里以后再開(kāi)始起車高速軋制，在軋制第二道次時(shí)，重復(fù)該方法最終曲線就做出來(lái)了。

減小X 射線管電壓衰減的措施有：

（1）避免強(qiáng)光照射X 射線管，如C 型架附近有電焊作業(yè)時(shí)，測(cè)厚儀必須停電，否則會(huì)加速X 射線管的老化。為了防止突然電源斷電對(duì)射線管使用壽命的影響需要匹配不間斷電源。

（2）射源內(nèi)高壓絕緣油需要3 年檢查一次，是否有漏油、變質(zhì)、其他介質(zhì)入侵等情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況更換高壓絕緣油，要保證X 射線管完全浸入油里。

（3）要保證射源冷卻溫度在18～23 ℃，定期更換或清理冷卻器濾芯、冷卻油、風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)。特別是在軋制高精度板帶箔時(shí)用的是煤油冷卻，在軋機(jī)失火時(shí)C 型架應(yīng)連鎖斷帶信號(hào)，立即自動(dòng)退出軋制線。

（4）測(cè)厚儀不工作時(shí)就把管電壓和管電流降到最低范圍段，射源不要停電，讓系統(tǒng)處于待機(jī)工作狀態(tài)。在更換同型號(hào)的射源后，如ACE 和Standard 做不過(guò)去，要檢查每段厚度的精度誤差，對(duì)應(yīng)為微調(diào)該厚度段電壓增益，增益和前置放大板電壓成正比，與射源高壓能量成反比，調(diào)整完后，實(shí)測(cè)產(chǎn)品樣片精度，如厚度漂移量。如果是箔軋機(jī)則需要每一卷上料前厚度檢測(cè)，不達(dá)標(biāo)可重新做合金曲線；在生產(chǎn)中8 h 需要做一次Standard。

2.4 前置放大板信號(hào)波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響

在C 型架的接收源探頭里面，電離室上方的前置放大板作用是將接收的信號(hào)放大處理送入控制柜PLC 內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算，最終在上位機(jī)上顯示厚度。前置放大板的電壓精度很高，在測(cè)厚儀沒(méi)有在線工作的情況下，前置放大板電壓正常偏差在0.01～0.07 V波動(dòng)，前置放大板電壓范圍0～10 V，電壓突變會(huì)引起厚差波動(dòng)，可以調(diào)整放大板的電位計(jì)進(jìn)行微調(diào)，或檢查屏蔽和接地系統(tǒng)是否有信號(hào)干擾，南方天氣比較潮濕，接線端子觸頭易腐蝕等，會(huì)影響厚差的測(cè)量精度（圖4）。

圖4 探頭前置放大板信號(hào)突變引起厚差波動(dòng)

在維護(hù)前置放大板時(shí)，人體靜電會(huì)燒壞電路板元件，更換時(shí)要注意人體必須接地，戴上絕緣手套方可工作。板子上有油污和灰塵時(shí)不要用毛刷清潔，可用吸塵器將介質(zhì)吸走或用空氣輕輕吹掃干凈。

2.5 控制方式對(duì)厚度精度的影響

AGC 自動(dòng)厚度控制控制系統(tǒng)運(yùn)采用不同的方式用PID 調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)張力、速度、壓力、壓下位置閉環(huán)控制的計(jì)算，計(jì)算后的控制信號(hào)再傳送給PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)張力、速度、壓力、位置的即時(shí)調(diào)整軋制出合格厚度的板帶產(chǎn)品，根據(jù)厚度偏差信號(hào)軋機(jī)操作手選擇合適的AGC 控制方式，可以有效提高產(chǎn)品的厚差精度。

2.5.1 反饋式閉環(huán)控制

反饋式控制也稱后饋式，是厚度的主要方式之一。帶材在軋制出來(lái)后，在出口側(cè)的測(cè)厚儀測(cè)出的實(shí)際軋制厚度h2，系統(tǒng)會(huì)比較h2和目標(biāo)厚度，實(shí)時(shí)把實(shí)測(cè)厚度反饋到AGC 系統(tǒng)中，如果實(shí)測(cè)h2和目標(biāo)厚度出現(xiàn)偏差，就會(huì)把偏差量告訴壓下裝置，在AGC 系統(tǒng)中程序會(huì)根據(jù)軋機(jī)的剛度系數(shù)，所軋合金的塑性因素、厚度偏差反饋量等運(yùn)算出，壓下伺服閥動(dòng)作的開(kāi)口度數(shù)值，通過(guò)位置MD50 傳感器得到壓下位置動(dòng)作情況來(lái)控制伺服閥動(dòng)作，最終完成輥縫調(diào)節(jié)量消除厚差。

在反饋式控制中因?yàn)闇y(cè)厚儀離輥縫有一定距離，厚度偏差的測(cè)量和輥縫控制量不是在同一時(shí)間發(fā)生，所以實(shí)際軋出的厚度波動(dòng)不能得到及時(shí)反映，會(huì)使自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)滯后一段時(shí)間，控制精度降低。

2.5.2 前饋式控制方式

在反饋式閉環(huán)控制中，存在控制傳遞滯后，特別是來(lái)料波動(dòng)時(shí)，限制了精度的進(jìn)一步提高，影響厚差控制。為克服此缺點(diǎn)采用前饋控制或是預(yù)控AGC 系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是可預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的軋出厚度偏差，并消除此偏差，確定壓下所需的輥縫調(diào)整量，根據(jù)前饋測(cè)厚儀的實(shí)測(cè)值到輥縫的時(shí)間和距離計(jì)算出調(diào)整的偏差量，消除偏差，提高控制精度。但是前饋式控制屬于開(kāi)環(huán)控制，因此控制效果不能單獨(dú)進(jìn)行檢查，一般前饋控制和反饋控制配合使用效果會(huì)更好。

2.5.3 速度張力優(yōu)化對(duì)厚差精控制

軋制速度和張力的增加都會(huì)使軋制后厚度減薄。如果使兩者對(duì)厚度的影響相互抵消，即用調(diào)節(jié)張力的方法來(lái)補(bǔ)償速度變化造成的厚差，可實(shí)現(xiàn)軋制后帶材的厚度不變。在調(diào)節(jié)過(guò)程中如果能使穩(wěn)定軋制階段的速度一直保持在最大軋制速度上，同時(shí)在保證精度，可達(dá)到最大生產(chǎn)率的目的。

2.6 速度和張力環(huán)優(yōu)化對(duì)測(cè)量厚度的影響

2.6.1 加速過(guò)程中的張力優(yōu)化對(duì)測(cè)量厚度的影響

穿帶結(jié)束后，隨著軋制速度的增加需要減小張力，以補(bǔ)償由于速度增加而引起帶材厚度減薄。由于張力對(duì)帶材厚度的調(diào)節(jié)有限，不能完全補(bǔ)償加速過(guò)程中厚度減薄偏差量，所以在加速過(guò)程的低速階段，張力采用上限值并保持恒定，當(dāng)速度達(dá)到特定值后再進(jìn)入張力補(bǔ)償階段。

2.6.2 穩(wěn)定軋制階段張力對(duì)測(cè)量厚度的影響

當(dāng)加速過(guò)程結(jié)束，速度已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定軋制速度范圍內(nèi)，張力接近下限值，軋制速度保持穩(wěn)定且為高速（圖5）。當(dāng)某種原因張力增大時(shí)，為了保證厚差在可控精度范圍內(nèi)，應(yīng)增加速度、減小張力，最終回到穩(wěn)定軋制階段。同理，如果其他原因使張力下降，可以調(diào)整降速，使張力相對(duì)增加，回到穩(wěn)定軋制階段。在保證厚度精度的前提下，張力靠近下限值，保持盡可能大的軋制速度。

圖5 速度張力優(yōu)化對(duì)厚差的控制過(guò)程

2.6.3 減速過(guò)程的張力對(duì)測(cè)量厚度的影響

當(dāng)一卷料要軋制完時(shí)，軋機(jī)開(kāi)始減速，隨著軋制速度的降低，需要加大張力，以補(bǔ)償由于速度降低引起的厚度增厚，減速過(guò)程中張力的調(diào)節(jié)與加速過(guò)程中相反，張力的調(diào)節(jié)不能完全補(bǔ)償減速引起厚度增加的偏差量，所以一旦張力增加到最大值，則張力補(bǔ)償環(huán)就會(huì)斷開(kāi)，張力保持最大值直到軋制過(guò)程結(jié)束。

3 結(jié)論

（1）在日常的使用時(shí)，規(guī)范停送電操作規(guī)程，環(huán)境因素的穩(wěn)定對(duì)測(cè)厚儀精度要求提供了保障，在車間突然斷電時(shí)，測(cè)厚儀系統(tǒng)由不間斷電源供電。定期清理X 射線窗口異物和檢查薄膜表面是否穿孔。檢查冷卻水管和氣管管道接頭沒(méi)有泄漏現(xiàn)象，電源采用專用隔離電源，射源與探頭信號(hào)線在橋架中應(yīng)分別穿金屬屏蔽管，并且屏蔽線應(yīng)接地良好，保證信號(hào)不受其他電磁信號(hào)干擾。

（2）測(cè)厚儀精度達(dá)到測(cè)量厚度的±0.1%，測(cè)量重復(fù)性達(dá)到測(cè)量厚度的±0.05%以內(nèi)，信號(hào)漂移在8 h 未標(biāo)定情況下，達(dá)到測(cè)量厚度的±0.1%；輸入合金成分時(shí)要精確到小數(shù)點(diǎn)后4 位。定期檢查不同合金曲線上點(diǎn)的精度，可適當(dāng)調(diào)整電壓增益，需要將調(diào)整后的數(shù)值重新寫入PLC 的MI 管理器配置文件內(nèi)保存，否則停電后會(huì)丟失。

（3）在厚度控制AGC 方式中，根據(jù)前饋測(cè)厚儀的實(shí)測(cè)值到輥縫的時(shí)間和距離計(jì)算出調(diào)整的偏差量，前饋式控制屬于開(kāi)環(huán)控制，生產(chǎn)中前饋和反饋控制配合使用厚度精度更好，可預(yù)測(cè)來(lái)料的偏差進(jìn)行修正。

（4）在加速時(shí)張力補(bǔ)償值盡量小，以速度環(huán)補(bǔ)償為主進(jìn)入目標(biāo)厚度，速度進(jìn)入最高速時(shí)張力環(huán)補(bǔ)償進(jìn)入下限范圍，減速時(shí)張力環(huán)補(bǔ)償逐漸加大；優(yōu)化速度和張力環(huán)補(bǔ)償能更好地控制帶材的厚差精度。