影響測厚儀測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 射線測厚技術(shù)被廣泛用到冷軋機(jī)上，信號的準(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 測厚儀，用于出口帶材厚度測量；測厚儀測量厚度范圍為0.005～8.000 mm，X 射源電壓50 kV，平均響應(yīng)時間2 ms，采樣時間1 ms，測量厚度的精度為±0.1%或±0.25 μm，厚度漂移量8 h 未標(biāo)定情況下，測量厚度的±0.1%。精度高、非接觸式、斷電后安全無輻射、便于維護(hù)、噪聲低等優(yōu)點被認(rèn)可。

1 測厚儀的測量原理簡述

在生產(chǎn)中，通過出口側(cè)測厚儀檢測軋機(jī)出口側(cè)帶材的厚度偏差，將模擬量電壓信號經(jīng)中間箱，信號過濾后送到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。

測厚儀硬件結(jié)構(gòu)由PLC 控制柜、C 型架、冷卻器和現(xiàn)場操作電腦組成，工作時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)不同金屬對射線能量吸收不同的原理，X射源快門打開時射線發(fā)出穿過鋁板，接收源通過接收X 射線的能量，由離子腔接到微小的電流信號到前置放大電路，電信號轉(zhuǎn)換成軟件上顯示的直觀厚度信號，也就是鋁板吸收X 射線的一部分能量。

在生產(chǎn)使用時需要提前做測厚儀內(nèi)部合金曲線，目前兩種方法有：①樣片標(biāo)樣方法，將需要測試的帶材取表面質(zhì)量高的不同厚度樣片逐個放入測厚儀下做合金厚度曲線；②合金超級補(bǔ)償方法，將要軋制的帶材在實驗室中做合金成分分析，將不同占比的合金成分輸入測厚儀中做標(biāo)樣曲線。樣片標(biāo)樣法是最普遍的測厚儀做曲線的方法，對取樣的樣片質(zhì)量較高，操作方法簡單便捷，適用于合金種類少的產(chǎn)品。而超級補(bǔ)償方法對標(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 影響測厚儀測量精度的因素及解決方法

2.1 合金元素對測量精度的影響

當(dāng)生產(chǎn)中厚度偏差出現(xiàn)時，首先要檢查測厚儀內(nèi)部標(biāo)樣是否測量準(zhǔn)確，如果內(nèi)部標(biāo)樣測量準(zhǔn)確，排除測厚儀系統(tǒng)硬件問題，反之需要考慮來料實際合金成分和測厚儀內(nèi)部標(biāo)定曲線合金成分差異過大。需要清楚各種合金成分對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，對X 射線的測量釬焊板的厚度誤差的影響，釩以后的元素對厚度影響逐漸超過0.5%；同時看到不同的厚度在硒元素后對厚差影響趨勢不同。因此清楚了解X 射線對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量精度。

圖1 各種合金元素對釬焊板材的X 射線的測量誤差影響

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

解決方法：在做測厚儀合金曲線時，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 自動能量調(diào)整，然后做STD 標(biāo)準(zhǔn)化，目的是檢測內(nèi)部樣片自動校正厚度漂移。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 個點求平均值，平整度要好，無劃痕，提供的合金成分必須真實，在厚度計算時補(bǔ)償才準(zhǔn)確；鋁箔厚度需要稱出克重，千分尺測量偏差較大。厚度標(biāo)樣曲線做出來后，補(bǔ)償越小越好，平直度比較好的曲線說明不同厚度區(qū)域的補(bǔ)償比較接近，效果就比較好，反之較差。

2.2 振動、油污及速度打滑等因素對測量精度的影響

測厚系統(tǒng)在使用半年后需要做一次系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)。需要檢查測厚儀的吹掃氣壓和氣嘴位置是否正確，避免軋制時軋制油或進(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。

另外還需要測試測厚儀C 型架的振動，測量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)板或者管路的振動是否對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引起出口厚差波動。開卷速度瞬間打滑引起厚差突變，此時需要檢查工作輥粗糙度、帶材起車時包頭、套筒的圓度、入口出口卷軸壓力和漲緊狀態(tài)、開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 管電壓衰減對測量精度的影響

測厚儀在斷電1 h 后再送電時，會出現(xiàn)OPEN KV CHANGED TOO MUCH 報警信息，在做ACE 能量校正時會提示射源不穩(wěn)定，在測量過程中能量變化不穩(wěn)定會影響厚度測量精度。解決方法在剛送上電時做管電壓升壓，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。同樣在測厚儀斷電時需要做降壓過程，每隔10 min 電壓降10 kV，最終降至20 kV 結(jié)束，總耗時95 min。

X 射線管在使用3～5 年后就會自然衰減，特別是經(jīng)常停送電會加速射線管的老化，每段厚度對應(yīng)的電壓就會降低，電流也會在0.1～0.3 mA 波動，測量厚度隨時間延長發(fā)生厚度漂移（圖3），最終影響到測量精度，在同一厚度段電壓下，燈管隨時間的增加而開始衰減，厚差就會超出范圍。如果出現(xiàn)電壓升不起來甚至只有幾百伏，電流波動很大時，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 測試厚度0.3 mm 外部樣片的漂移曲線

在正常使用中，測厚儀會自動調(diào)整補(bǔ)償衰減量，生產(chǎn)中每周做一次ACE 自動矯正能量。如果使用年限較長的射源，精度誤差范圍大時可以重新做工廠標(biāo)定;對更換過X 射線管的射源，需要調(diào)整驅(qū)動箱內(nèi)X 射線驅(qū)動板電壓電位計，保障4 個厚度段對應(yīng)的電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，并校驗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，測厚儀無標(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，成品軋制出來后，再取樣做該合金曲線；②在軋制該合金第一道次時，當(dāng)料頭軋過后讓軋機(jī)暫停工作，手工測量帶材邊部厚度，隨機(jī)把該厚度點做到曲線里以后再開始起車高速軋制，在軋制第二道次時，重復(fù)該方法最終曲線就做出來了。

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，測厚儀必須停電，否則會加速X 射線管的老化。為了防止突然電源斷電對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用的是煤油冷卻，在軋機(jī)失火時C 型架應(yīng)連鎖斷帶信號，立即自動退出軋制線。

（4）測厚儀不工作時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)。在更換同型號的射源后，如ACE 和Standard 做不過去，要檢查每段厚度的精度誤差，對應(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，實測產(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，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 前置放大板信號波動對測量精度的影響

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放大處理送入控制柜PLC 內(nèi)進(jìn)行運算，最終在上位機(jī)上顯示厚度。前置放大板的電壓精度很高，在測厚儀沒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，前置放大板電壓范圍0～10 V，電壓突變會引起厚差波動，可以調(diào)整放大板的電位計進(jìn)行微調(diào)，或檢查屏蔽和接地系統(tǒng)是否有信號干擾，南方天氣比較潮濕，接線端子觸頭易腐蝕等，會影響厚差的測量精度（圖4）。

圖4 探頭前置放大板信號突變引起厚差波動

在維護(hù)前置放大板時，人體靜電會燒壞電路板元件，更換時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 控制方式對厚度精度的影響

AGC 自動厚度控制控制系統(tǒng)運采用不同的方式用PID 調(diào)節(jié)原理實現(xiàn)張力、速度、壓力、壓下位置閉環(huán)控制的計算，計算后的控制信號再傳送給PLC 控制系統(tǒng)實現(xiàn)對張力、速度、壓力、位置的即時調(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。帶材在軋制出來后，在出口側(cè)的測厚儀測出的實際軋制厚度h2，系統(tǒng)會比較h2和目標(biāo)厚度，實時把實測厚度反饋到AGC 系統(tǒng)中，如果實測h2和目標(biāo)厚度出現(xiàn)偏差，就會把偏差量告訴壓下裝置，在AGC 系統(tǒng)中程序會根據(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算出，壓下伺服閥動作的開口度數(shù)值，通過位置MD50 傳感器得到壓下位置動作情況來控制伺服閥動作，最終完成輥縫調(diào)節(jié)量消除厚差。

在反饋式控制中因為測厚儀離輥縫有一定距離，厚度偏差的測量和輥縫控制量不是在同一時間發(fā)生，所以實際軋出的厚度波動不能得到及時反映，會使自動厚度控制系統(tǒng)滯后一段時間，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，特別是來料波動時，限制了精度的進(jìn)一步提高，影響厚差控制。為克服此缺點采用前饋控制或是預(yù)控AGC 系統(tǒng)，它的優(yōu)點是可預(yù)測可能產(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)前饋測厚儀的實測值到輥縫的時間和距離計算出調(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環(huán)控制，因此控制效果不能單獨進(jìn)行檢查，一般前饋控制和反饋控制配合使用效果會更好。

2.5.3 速度張力優(yōu)化對厚差精控制

軋制速度和張力的增加都會使軋制后厚度減薄。如果使兩者對厚度的影響相互抵消，即用調(diào)節(jié)張力的方法來補(bǔ)償速度變化造成的厚差，可實現(xiàn)軋制后帶材的厚度不變。在調(diào)節(jié)過程中如果能使穩(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)化對測量厚度的影響

2.6.1 加速過程中的張力優(yōu)化對測量厚度的影響

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。由于張力對帶材厚度的調(diào)節(jié)有限，不能完全補(bǔ)償加速過程中厚度減薄偏差量，所以在加速過程的低速階段，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)定軋制階段張力對測量厚度的影響

當(dāng)加速過程結(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，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)化對厚差的控制過程

2.6.3 減速過程的張力對測量厚度的影響

當(dāng)一卷料要軋制完時，軋機(jī)開始減速，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，減速過程中張力的調(diào)節(jié)與加速過程中相反，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)就會斷開，張力保持最大值直到軋制過程結(jié)束。

3 結(jié)論

（1）在日常的使用時，規(guī)范停送電操作規(guī)程，環(huán)境因素的穩(wěn)定對測厚儀精度要求提供了保障，在車間突然斷電時，測厚儀系統(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有泄漏現(xiàn)象，電源采用專用隔離電源，射源與探頭信號線在橋架中應(yīng)分別穿金屬屏蔽管，并且屏蔽線應(yīng)接地良好，保證信號不受其他電磁信號干擾。

（2）測厚儀精度達(dá)到測量厚度的±0.1%，測量重復(fù)性達(dá)到測量厚度的±0.05%以內(nèi)，信號漂移在8 h 未標(biāo)定情況下，達(dá)到測量厚度的±0.1%；輸入合金成分時要精確到小數(shù)點后4 位。定期檢查不同合金曲線上點的精度，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，否則停電后會丟失。

（3）在厚度控制AGC 方式中，根據(jù)前饋測厚儀的實測值到輥縫的時間和距離計算出調(diào)整的偏差量，前饋式控制屬于開環(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)測來料的偏差進(jìn)行修正。

（4）在加速時張力補(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)入最高速時張力環(huán)補(bǔ)償進(jìn)入下限范圍，減速時張力環(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。