螺紋鋼線徑在線測量及其檢測系統的研究

李紹銘，楊帆，楊鵬，徐龍淞

(安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山243000)

0 前言

隨著軋制自動化程度的提高，伴隨而來的是生產節奏的加快，同時，用戶對產品規格尺寸要求的提高，以及生產廠家對成本控制力度的加大，也為了進一步降低勞動強度，實現螺紋鋼線徑的在線實時檢測和監控，是未來棒材生產的趨勢。在未來相當長的時間里，棒材的生產和應用都還有相當大的發展空間和潛力，因此，對棒材線徑在線檢測的研究開發就顯得非常必要和緊迫，其研究成果也非常有價值和意義［1］。

本文作者采用一種電容感應式螺紋鋼線徑在線監測系統及其檢測方法。其目的在于克服現有技術中螺紋鋼的線徑在線監測設備結構復雜、測徑難度大高、測徑成本高的不足，提供一種電容感應式螺紋鋼線徑在線監測系統及其檢測方法。通過該項目構建的電容式在線監測系統，能夠實現螺紋鋼線徑的高精度在線監測，從而提高螺紋鋼公差控制能力，且結構簡單，設備維護成本低。

1 系統總體設計

1.1 概述

該系統設計的一種電容式螺紋鋼線徑在線監測系統，包括圓筒件、集電環、電容模塊、濾波模塊、溫度補償模塊、數據運算模塊和數據顯示模塊，所述的圓筒件呈兩端開口的中空筒狀結構，螺紋鋼從圓筒件的中心軸線位置穿過，從圓筒件一端的端部引出第一電容極;所述的集電環設置于軋機的出口處，并與螺紋鋼相接觸，從集電環引出第二電容極，所述的圓筒件和螺紋鋼組成圓柱形電容器;上述的第一電容極和第二電容極接入電容模塊，該電容模塊用于圓柱形電容器的電容值，所述的電容模塊依次與濾波模塊、數據運算模塊、數據顯示模塊相連接。

文中的圓筒件為金屬件，并位于軋機的出口處，該圓筒件的外壁直徑為螺紋鋼直徑的3～10倍，該圓筒件的長度為50～100 cm。

1.2 系統框架與組成［3］

該系統設計的一種電容式螺紋鋼徑在線監測系統，其結構示意圖如圖1所示，包括圓筒檢測件3、集電環4、電容模塊5、濾波模塊6、溫度補償及數據運算模塊7和數據顯示模塊8，所述的圓筒件3呈兩端開口的中空筒狀結構，螺紋鋼2從圓筒件3的中心軸線位置穿過，從圓筒件3一端的端部引出第一電容極;集電環4設置于軋機1的出口處，并與螺紋鋼2相接觸，從集電環4引出第二電容極，所述的圓筒件3和螺紋鋼2組成圓柱形電容器;上述的第一電容極和第二電容極接入電容模塊5，電容模塊5依次與濾波模塊6、數據運算模塊7、數據顯示模塊8相連接，用于圓柱形電容器的電容值。

圖1 棒材線徑在線檢測系統結構示意圖

2 系統功能設計

2.1 在線線徑檢測方法與步驟

該系統設計的一種電容式螺紋鋼線徑在線檢測系統，其實施檢測的步驟為:

(1)研制改性陶瓷圓筒檢測件

通過改性陶瓷材料研發試制，研發可以燒制成電導率相當于鎳銅合金 (50×10-8Ω·m)的陶瓷坯料，以及可以同時燒制成改性陶瓷坯料。然后研發合適的模具和燒制工藝，研制出陶瓷質的圓筒檢測件(圓筒件和版圓筒件)，作為螺紋鋼線徑在線監測的傳感檢測裝置。

(2)建立螺紋鋼標準數據庫

將不同線徑規格Фi的標準規格的螺紋鋼，在與實際生產相同的環境中離線狀態下穿過圓筒件，電容檢測模塊通過鎖相放大檢測方式，測量第一電容極和第二電容極之間的圓柱形電容器的電容量，并經過濾波處理模塊得到相應的電容值Ci，其中:Фi為標準規格的螺紋鋼直徑，Ci為直徑為Фi的標準規格的螺紋鋼對應的電容值，從而得到 (Ci，Фi)的標準數據對，其中 Фi的取值為常用螺紋鋼規格值6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50 mm等。數據庫規格越詳細，監測數據就越精細準確。

(3)檢測工況下電容值Cx獲取

當待測的螺紋鋼穿過圓筒件時，電容檢測模塊通過第一電容極和第二電容極此時圓柱形電容器的電容值，并經過濾波模塊得到相應的電容值Cx，其中: Cx為待測直徑Фx的螺紋鋼對應的電容值;

(4)數據處理及溫度補償

將步驟 (3)檢測得到的電容值Cx傳送至數據運算模塊，進行局部線性化、偏差估計運算得待測螺紋鋼的直徑Фx和螺紋鋼直徑的偏差量ΔΦ，具體計算過程如下:

①根據當前生產的螺紋鋼直徑Фm的規格，從標準數據庫 (Ci，Фi)中提取與生產的螺紋鋼直徑相接近的兩組數據 (C1，Ф1)和 (C2，Ф2)，其中:C1為比當前生產的螺紋鋼直徑規格Фm小一個規格的標準直徑，Ф1為準數據庫 (Ci，Фi)中C1對應的電容值，C2為比當前生產的螺紋鋼直徑規格Фm大一個規格的標準直徑，Ф2為準數據庫 (Ci，Фi)中C2對應的電容值;如圖2所示電容值C與螺紋鋼直徑Ф的關系曲線。

②將(C1，Ф1)或(C2，Ф2)代入公式(1):

得:

即可計算得到b。其中:Фx為待測的螺紋鋼直徑，Cx為待測直徑Фx的螺紋鋼對應的電容值，b為截距;

③將上述 (C1，Ф1)、(C2，Ф2)、截距b及檢測得到的電容值Cx代入公式 (1)，即可計算得到待測螺紋鋼的直徑Фx;

④將當前生產的螺紋鋼規格直徑Фm和上述計算得到的待測螺紋鋼的直徑Фx代入公式 (2):

計算即可得到在軋螺紋鋼與相應線徑規格的偏差量ΔΦ;

⑤通過實時檢測螺紋鋼的溫度，根據螺紋鋼材質的溫度系數，將高溫下檢測出的螺紋鋼線徑，補償折算到冷態下的線徑值。也就是說，系統在線檢測并顯示出的線徑并不是在熱態下實際檢測的線徑，而是冷態下實際的線徑值［7］。

(5)數據顯示

將步驟 (4)中計算得到的待測螺紋鋼的直徑Фx和偏差量ΔΦ傳送至數據顯示模塊予以顯示。

該系統中所稱的螺紋鋼的直徑均指公稱直徑，公稱直徑范圍為6～50 mm，標準推薦的螺紋鋼公稱直徑為6、8、10、12、16、18、20、22、25、32、40、50 mm［3］。

圖2 電容值與螺紋鋼直徑的曲線圖

2.2 圓筒檢測件的制作［4］

圓筒檢測件的加工有兩種方式，一種是先采用薄的銅質或鋁質材料制作成合適規格的圓筒或半圓筒件，然后在其里外兩側各加工成陶瓷絕緣材料，引出電極，即構成可以感應電容的圓筒檢測件。這需要特定的加工工藝和加工材料;另一種方式是直接采用可以燒制成合金材料和陶瓷材料的兩種改性陶瓷材料，中間層采用薄的可以燒制成合金器件的橡皮泥材料，而兩側采用可以燒制成改性陶瓷的橡皮泥材料，從中間引出電極材料。制作好后通過兩次燒制，稍事加工，即可構成感應電容圓筒檢測件。

2.3 軋輥軋槽表面凹槽檢測的實現原理

另外，該系統設計可以自動檢測出軋機表面是否有凹槽。如圖1所示，如果軋輥1表面含有凹槽，當螺紋鋼2從軋輥中擠壓出來時，螺紋鋼表面會產生周期性非正常凸起。當螺紋鋼進入圓筒檢測件3，由于螺紋鋼表面有周期性非正常凸起，在凸起部分減小了等效電容兩極板間的距離，從而就會使電容值增加，因此，系統檢測出的連續電容值就會出現周期性的變化。通過觀察電容值輸出非正常變化，可以判斷出螺紋鋼表面是否含有非正常的凸起，進而就可以判斷軋輥軋槽表面是否有凹槽，從而可以及時更換軋輥，有效避免了鋼材的廢品進一步增加。

3 結論

在實際生產當中，大多數廠商采用的是人工卡尺測量螺紋鋼的線徑，其精確度不高、效率、勞動強度大，且不能實時檢測。本系統設計構建的電容感應式在線監測系統，實現了螺紋鋼線徑的高精度在線監測，從而提高螺紋鋼成材率，且結構簡單，設備維護成本低，提高了產品質量以及實現了產品自動化。同時，該系統可以檢測出軋機軋輥滾槽表面的凹槽缺陷，防止生產出來的螺紋鋼含有不必要的凸起。

［1］H44中華人民共和國國家標準.GB1499-91鋼筋混凝土用熱扎帶肋鋼筋［S］.2012.

［2］劉志英，岳祖洲，陳文毅.螺紋鋼外形參量在線測量的實驗模擬［J］.光電子·激光，1994，5(4):220-223.

［3］李紹銘，徐龍淞，楊帆，等.一種電容式螺紋鋼線徑在線測量系統.中國專利，ZL:201210149770.3［P］.2013-12-11

［4］樊傳剛，張國棟，檀杰.一種可以燒成陶瓷和硬質合金器件的橡皮泥及其制備方法.中國專利ZL:200410065255.2［P］.2005-04-27.

［5］吳旻修，許家銘，羅立偉.陶瓷電容.中國專利: CN202523553U［P］，2012-11-07.

［6］錢思明.熱軋螺紋鋼內外徑的在線測量［J］.光學技術，1996，11(6):35-37.

［7］冷軋螺紋鋼筋生產技術［Z］.國家科技成果。

［8］李喜東，周建華，牛健.介質溫度影響物位測量值得補償方法［J］.自動化技術與應用，2013，32(9):36-40.