УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ Российский патент 1997 года по МПК G01B11/28 B22D11/16 

Изобретение относится к средствам контроля, измерения и управления технологическими процессами в металлургии, в частности к средствам измерения площади поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок, и может быть использован, например, при управлении массой отрезаемых заготовок.

Известно устройство для реализации способа управления раскроем слитка на машине непрерывного литья заготовок[1] содержащее датчик длины заготовки на редукторе тянущей клети, задатчик длины заготовки и блок управления мерным резом. Для увеличения выхода годного дополнительно производят измерение раствора валков тянущих клетей, по которым вычисляют коэффициенты удлинения слитка для каждой тянущей клети и текущую длину определяют с учетом коэффициентов.

Недостатком этого устройства является то, что раствор валков, определяющий площадь поперечного сечения слитка, измеряется эпизодически в период настройки машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В то же время, фактическая высота слитка дополнительно зависит от ряда факторов: временного сопротивления пластической деформации слитка; высоты затравки; стабильности давления в силовых гидроцилиндрах и т.п. В частности, высота слитка колеблется в функции температуры слитка, хим. состава стали и скорости разливки. При реализации способа оперативно учесть все множество указанных факторов на раствор валков, а значит, и высоту слитка невозможно. Устройство не позволяет осуществлять измерение площади поперечного сечения литой заготовки.

Известно устройство для реализации способа управления непрерывной разливкой металла [2] содержащее индикатор тока индуктора, измеритель фазы, функциональный преобразователь, частотно-регулируемый преобразователь, элемент сравнения, блок управления и усилитель и позволяющее измерить отклонение поперечного размера слитка от указанного в зоне кристаллизации косвенным путем. Размер слитка определяется равновесием гидростатического давления жидкого металла и электромагнитного давления поля индуктора.

Недостатком этого устройства является то, что оно позволяет косвенно измерять поперечный размер слитка лишь на начальной стадии разливки. Фактическое же поперечное сечение слитка перед порезом дополнительно меняется в функции ряда факторов, включая вытяжку заготовки в клетях и уплотнение слитка, поэтому сечение заготовки на выходе МНЛЗ будет отличатся от измеренного. Кроме того, косвенный принцип измерения, заложенный в устройстве, приводит к возникновению дополнительных погрешностей при оценке поперечного сечения заготовки.

Известно устройство для определения положения проката [3] содержащее коллиматор, выполненный в виде ряда параллельных светопроводящих каналов, волоконно-оптический трансформатор изображения контролируемого проката и фотоэлектрический сканирующий узел, причем светопроводящие каналы коллиматора расположены так, что одна из диагоналей каждого канала образует прямой угол с направлением проката.

Недостатком устройства является невозможность его использования для определения площади поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок. Устройство предназначено для определения положения передней кроки проката. При измерении же площади прямоугольного поперечного сечения слитка требуется, как минимум, определить его ширину и высоту.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности к предлагаемому является фотоэлектрическое устройство для определения площадей [4] содержащее источник света, светопоглощающий элемент, входной транспорте, фотоэлемент, источник питания, отсчетный прибор, коллиматор и собирающую линзу.

Часть света, проходя через коллиматор в зазор между светопоглощающим элементом и изделием, собирается в линзе и попадает на фотоэлемент. По изменению величины тока, фиксируемому по отсчетному прибору, судят о степени затенения луча света, а значит, и о площади изделия, подаваемого по входному транспортеру.

К недостаткам устройства относится невозможность его использования для определения площади поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок. Непрерывно-литая заготовка имеет длину несколько десятков метров. Устройство, в принципе, позволяет замерить лишь ширину слитка, помещать под заготовкой оптические элементы устройства невозможно, так как со стороны слитка имеет место непрерывное падение окалины. В течение нескольких минут точность определения ширины слитка становится соизмеримой с ошибкой. Кроме того, поскольку слиток нагрет до 800 900^oC, то сам он обладает существенным излучением и вносит значительные погрешности в процесс определения его ширины.

Задача изобретения расширение функций устройства путем обеспечения возможностей измерения площади прямоугольного поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения площади, преимущественно прямоугольного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок, содержащее источник света и коллиматор, дополнительно содержит второй источник света, второй коллиматор, два фотопреобразователя, два дешифратора, два шифратора, вычислительный блок, блок управления, два светофильтра, причем каждый коллиматор соединен с фотоэлектрическим преобразователем волоконно-оптической связью, выход каждого фотоэлектрического преобразователя через дешифратор и шифратор соединен с одним из входов вычислительного блока, выходы блока управления соединены с источником света и вычислительным блоком, коллиматоры выполнены в виде ряда вертикально расположенных по одной линии светопроводящих каналов, и перед каждым коллиматором установлен светофильтр.

Измерение осуществляется в процессе движения непрерывно-литой заготовки за последней тянущей клетью МНЛЗ. Поскольку слиток плотно поджат верхними валками к нижним, то положение его нижней грани во времени остается неизменным. В то же время, расстояние между вертикальными направляющими роликами на Δ 30 50 мм превышает ширину литой заготовки. Поэтому при движении заготовка имеет возможность горизонтального смещения на величину D. Смещение поперечного сечения слитка при измерении приводит к необходимости постоянного определения его местоположения. Это усложняет задачу измерения, увеличивая при ее решении число неизвестных.

Устройство позволяет измерить местоположение верхних угловых точек прямоугольного сечения заготовки, а по ним рассчитывать площадь поперечного сечения слитка. Поскольку верхняя грань заготовки параллельна нижней, то ординаты обеих угловых точек одинаковые. Таким образом, задача измерения на начальном этапе сводится к замеру одной ординаты Y_CP и двух абсцисс X₁ и X₂ угловых точек. При их нахождении используется фотоэлектрический датчик.

Одним мощным источником света А, расположенным над верхней гранью слитка ближе к одному из коллиматоров, засвечивается верхнее пространство вокруг заготовки. При этом на верхние части коллиматоров, установленных вертикально по обе стороны слитка, будут падать лучи света от источника света, а на нижние нет.

По волоконно-оптической связи световые сигналы с засвеченных участков каждого коллиматора поступают в фотоэлектрический преобразователь, где преобразуются в электрический сигнал. В дешифраторе вырабатывается сигнал "1" лишь на выходе, соответствующем границе луча света в коллиматоре. В шифраторе номер этого выхода представляется в цифровом коде. Таким образом, представленная в цифровом виде информация о высотах засветки коллиматоров слева h_АЛ и справа h_АП от литой заготовки поступает в вычислительный блок, где запоминается.

После отключения источника света А, другим источником света В, расположенным над верхней гранью слитка ближе к другому коллиматору, вновь засвечивается верхнее пространство вокруг заготовки. В вычислительный блок поступает информация о высотах засветки коллиматоров h_ВП и h_ВП.

Поскольку удаление источников света от коллиматоров, расстояние между ними, а также высота их установки заранее известны, то на основе геометрических закономерностей, с найденными значениями h_АЛ b h_ВЛ составляется система линейных алгебраических уравнений, связывающих две неизвестные координаты одного угла сечения заготовки X₁ и Y₁ а по значениям h_АП и h_ВП координаты другого угла X₂ и Y₂. Обе системы уравнений решаются в вычислительном блоке. Значение ординаты Y_СР находится как полусумма Y₁ и Y₂. Площадь прямоугольного поперечного сечения литой заготовки определяется по формуле
S (X₂ X₁) • Y_СР (1)
Поперечное сечение заготовки меняется не только от одного ручья МНЛЗ к другому, но и во время разливки одной плавки. Это связано с понижением температуры стали, колебанием химсостава по объему промежуточного ковша, изменением скорости разливки и другими причинами. Поэтому во время разливки плавки процесс измерения S должен многократно повторяться. Текущий контроль S позволяет решать задачу оценки массы погонного метра непрерывно-литой заготовки перед порезом.

Имеющее место колебание массы погонного метра литой заготовки ± 05% от номинальной и выше обуславливает значительные непроизводительные отходы прокатного производства. Кроме того, зачастую экспортный металл поставляется с жесткими ограничениями по длине проката. Колебание массы погонного метра литой заготовки изменяет длину проката. При мерной резке это приводит к увеличению массы обрези за счет несовпадения длины в большую и в меньшую сторону.

Существующие системы управления МНЛЗ позволяют менять длину отрезаемой литой заготовки. По определяемому с помощью устройства сечению, а также плотности слитка можно оценить массу погонного метра на каждом ручье МНЛЗ и задать длину отрезаемого слитка так, чтобы получить требуемую массу.

Дополнительно введенный коллиматор позволяет снять оптический сигнал засветки вертикальной стенки с другой стороны, что дает возможность идентифицировать положение другого верхнего угла прямоугольного сечения слитка. Световые каналы коллиматора располагаются горизонтально вплотную друг к другу.

Дополнительно введенный независимый источник света, расположенный над слитком, позволяет производить засветку коллиматоров и, таким образом, бесконтактно снимать информацию о положении в пространстве лучей света, проходящих от него через верхние угловые точки поперечного сечения слитка. Это дает возможность синтезировать математические связи искомых координат верхних углов прямоугольного сечения заготовки с величинами засветки коллиматоров.

Два дополнительно введенных фотоэлектрических преобразователя позволяют преобразовать световые сигналы по каждому световоду в электрические. От каждого светопроводящего канала коллиматора световые сигналы с помощью волоконно-оптической связи по отдельным световодам передаются на фотоэлектрический преобразователь. Последний вместе с дешифратором дает возможность (в отличие от устройства-прототипа) определять положение луча света, проходящего через верхнюю угловую точку поперечного сечения слитка, статическим способом, то есть без перемещения одних частей устройства относительно других. Это повышает надежность устройства и срок службы.

Каждый из двух дополнительно введенных дешифраторов позволяет формировать электрический сигнал лишь на выходе, соответствующем положению границы засветки коллиматора.

Два дополнительных введенных шифратора позволяют преобразовать номер выхода дешифратора, соответствующем положению границы засветки коллиматора, в двоичный цифровой код i. Поскольку шаг L_Ш световых каналов обоих коллиматоров постоянный и заранее известен, то для получения высоты засветки h в миллиметрах в вычислительном блоке код i (высота засветки, выраженная в числе световых каналов коллиматора) умножается на L_Ш.

Дополнительно введенный вычислительный блок позволяет преобразовать i в h по каждому коллиматору, отдельно для каждого источника света и запомнить значения. Он позволяет решать системы алгебраических уравнений и определять координаты верхних углов прямоугольного сечения X₁, X₂, Y_СР. Кроме того, блок по известному X₁, X₂ и Y_СР находит сечение S литой заготовки, запоминает его и выдает на выход устройства вплоть до осуществления нового цикла измерения.

Дополнительно введенный блок управления позволяет управлять процессом измерения площади поперечного сечения заготовки. Блок управляет последовательным включением источников света с одновременной подачей идентифицирующего сигнала в блок управления для указания включенного источника и тем самым командует процессом измерения S. Периодичность измерения задается либо самим блоком управления по заложенной в него программе, либо по инициативе оператора.

Два дополнительно введенных светофильтра, каждый из которых установлен перед своим коллиматором, позволяют производить измерение при наличии разогретой заготовки.

Таким образом, вновь введенные элементы устройства другой коллиматор, другой независимый источник света, два фотоэлектрических преобразователя, два дешифратора, два шифратора, вычислительный блок, блок управления, два светофильтра (в указанной связи с первым коллиматором и первым источником света) позволяют устройству производить измерение площади прямоугольного поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок последовательным включением источников света, измерением высот засветки коллиматоров, расчетом по ним местоположения верхних угловых точек сечения, а далее самой площади поперечного сечения, что обеспечивает расширение функций устройства и дает возможность организовать управление массой отрезаемой литой заготовки.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для измерения площади прямоугольного поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок; на фиг. 2 схема засветки коллиматоров.

На фиг. 1 и 2 обозначено: 1 и 2 коллиматоры; 3 фотоэлектрический преобразователь; 4 дешифратор; 5 шифратор; 6 вычислительный блок; 7 - блок управления; 8 слиток в поперечном сечении; 9 опорный валок; А и И - источники света.

Коллиматоры 1 и 2 установлены по обе стороны слитка в вертикальном положении. Высота чувствительной области коллиматора принимается равной:
L_K h_MAX + (5 10), мм,
где h_MAX максимально возможное колебание высоты засветки коллиматора, определяемое с учетом нормативно-технологической документации.

Зная допустимый диапазон колебания высоты и ширины слитка, можно определить и предельные положения на коллиматорах лучей света от каждого источника при смещении слитка до упора в левый и правый вертикальные направляющие ролики.

Центр чувствительной области коллиматора устанавливается на уровне центра области колебания высоты его засветки.

В горизонтальном направлении коллиматоры устанавливаются по обе стороны слитка на расстоянии L_Г 200 400 мм от вертикальных направляющих роликов, причем меньшее значение L_Г используется при наличии интенсивного принудительного охлаждения коллиматоров.

Каждый коллиматор соединен со своим фотоэлектрическим преобразователем 3 с помощью опто-волоконного кабеля. При этом каждый световой канал коллиматора представляет собой изолированную от других каналов полость, заполненную средой с высокой оптической проводимостью. Выход каждого светового сигнала плотно соединен со входом определенного световода. Выход этого световода соединен с соответствующим входом фотоэлектрического преобразователя.

Каждый фотоэлектрический преобразователь 3 соединен через дешифратор 4, шифратор 5 с одним их входов вычислительного блока 6.

Одним из выходов блока управления соединен с первым источником света 8, другой со вторым источником света 9, а третий с идентифицирующим входом вычислительного блока 6.

На фиг. 2 дополнительно обозначено: X и Y координатные оси в декартовой системе координат; 0 начало координат; A(X_А, Y_А); B(X_В, Y_В) источники света А и В со своими координатами; C(X₁, Y₁); D(X₂, Y₂) верхние угловые точки прямоугольного поперечного сечения 9 слитка со своими координатами; AR и AS отрезки лучей света по границе засветки от источника света A; BP и PQ то же от источника B; MN отрезок прямой, проходящей вдоль верхнего основания поперечного сечения между вертикальными линиями расположения входов коллиматоров 1 и 2; AE и BF перпендикуляры к линии MN; Y₃ ординаты верхних границ чувствительных областей коллиматоров 1 и 2; h_АЛ, h_ВЛ высота засветки коллиматора 1 от источников света А и И; h_АП, h_ВП - высота засветки коллиматора 2 от источников света А и В; X_К абсцисса линии расположения входов коллиматора 2; Y_СР средняя ордината точек C и D; l_АВ расстояние между источниками света А и В.

Источники света А и В устанавливаются посередине на высоте Y_А Y_И и l_АВ k • b_СЛ друг от друга, где b_СЛ - средняя ширина слитка; k 0,2 0,3. Большие значения k рекомендуются при b_СЛ <200 мм.

Рекомендуемая высота их установки над верхней гранью слитка (Y_А - Y_СР) равна L_Г.

Коллиматор 1 (2) выполняется в виде узкого параллелепипеда, разбитого вдоль узкой грани на множество одинаковых световых каналов, заполненных материалом с высокой светопроводностью, например, кварцем, либо кварц-полимером. Входная узкая часть коллиматора закрывается светофильтром и охлаждается очищенным сжатым воздухом. Каждый световой канал с противоположно расположенной выходной части коллиматора жестко связан с одним волокном кабеля волоконно-оптической связи.

Расстояние между световыми каналами коллиматора (шаг)
L_Ш (0,3 1) мм.

Причем меньшие значения L_Ш соответствуют большему классу точности измерения S.

Фотонная связь выполняется с помощью оптических кабелей, например, марки ОК50-2-3-8, ОК50-2-5-8 с диаметром сердцевины оптического волокна от 50 до 400 мкм. Соединение оптических волокон с коллиматором 1 (2) и фотоэлектрическим преобразователем 3 может быть разъемным или неразъемным.

Фотоэлектрический преобразователь 3 содержит фотоприемник, выполненный на фоторезисторах, например из оптопары (ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-9 и др. На каждом канале фотонной связи установлено по одному фоторезистору.

Электрические выходы фотоэлектрического преобразователя 3 соединены со входами дешифратора 4. Дешифратор состоит из последовательно соединенных буферного устройства и устройства совпадения. Буферное устройство выполнено, например, на микросхемах CD4041A, устройство совпадения на микросхемах К155ЛИ1, К155ЛИ2.

Выходы дешифратора 4 связаны со входами шифратора 5. Шифратор выполнен, например на микросхеме КМ555ИВ1.

Выход каждого шифратора 5 связан со входами вычислительного блока 6. В качестве последнего используется промышленный контроллер, либо компьютер.

Блок управления 7 содержит реле времени, ступенчатый импульсный прерыватель и шифратор. Он позволяет повторять цикл измерения через определенный промежуток времени Dt. Как правило, за время разливки одной плавки достаточно 5 10 измерений S. Во время цикла измерения с помощью ступенчатого импульсного прерывателя последовательно включается источник А, а затем В. Шифратор предназначен для преобразования сигнала о включенном источнике в двоичный код. В качестве реле времени используется, например, моторное реле времени на большие выдержки типа МРВ-26. В качестве ступенчатого импульсного прерывателя используется, например, прерыватель типа СИП-10. Шифратор выполнен, например, на микросхеме КМ555ИВ1.

Каждый источник света А (В) выполнен в виде мощной лампы накаливания, помещенной в чехол со щелью, направленной вниз. Угол раскрытия открытой части чехла охватывает весь диапазон засветки коллиматоров.

Для определения S по формуле (1) из подобия треугольников фиг. 2 составляются две системы линейных алгебраических уравнений
ΔCEA ~ ΔCMR.
Откуда

(Y_A Y₁) • X₁ (X_A X₁) • (Y₁ + h_АЛ Y₃);
X₁ • (Y_А + h_АЛ Y₃) Y₁ • X_A X_A • (h_АЛ Y₃).

Аналогично из подобия треугольников ΔCFA~ΔCMP:
X₁ • (Y_B + h_ВЛ Y₃) Y₁ • X_B X_B • (h_ВЛ Y₃).

Решая совместно систему уравнений (2) и (3) имеем

Подобным образом составляется и решается вторая система уравнений из подобия треугольников

В выражениях (4) и (5) обозначено:
a₁ Y_А + h_АЛ Y₃; a₃ Y_А + h_АП Y₃;
B₁ Y_В + h_ВЛ Y₃; b₃ Y_В + h_ВП Y₃;
a₂ h_АЛ Y₃; a₄ h_АП Y₃;
b₂ h_ВЛ Y₃; b₄ h_ВП Y₃;
c₁ X_А • b₁; d₁ x_К x_А;
c₂ X_В • a₁; d₂ x_К x_В;
d₃ Y_А • x_К; d₄ Y_В • x_К;
c₃ X_В • b₄ + d₄; c₅ a₃ • d₂;
c₄ X_А • a₄ + d₃; c₆ b₃ • d₁.

Средняя ордината

Площадь S находится по выражению (1).

Устройство работает следующим образом.

После начала разливки металла на МНЛЗ, устройство включается и по команде блока управления 7 запитывается источник света А. Тем самым осуществляется засветка коллиматора 1 на величину h_АЛ и коллиматора 2 на величину h_АП. Светофильтры коллиматоров предотвращают срабатывание устройства от излучения разогретой литой заготовки.

В одном фотоэлектрическом преобразователе 3 световые сигналы о величине h_АЛ, а в другом о величине h_АП по каждому каналу преобразуется в электрические.

В каждом дешифраторе 4 сигнал с одного канала проходит буферное устройство, в котором разделяется на два: прямой и инверсный. В устройстве совпадения на каждый элемент И поступают два сигнала: прямой с соответствующего номеру элемента И канала и инверсный с предыдущего. На выходе дешифратора 4 формируется сигнал "1" лишь на выходе, соответствующем величине засветки коллиматора, то есть h_АЛ, либо h_АП. В шифраторах 5 номера каналов, на которых возникли "1", переводятся в двоичный код.

Одновременно со включением источника света А, из блока управления 7 в вычислительный блок 6 поступает код номера источника А, в результате которого расчет ведется по формулам (4).

В вычислительном блоке 6 по уравнениям (4) находятся и запоминаются значения X₁, Y₁.

По команде от блока управления 7 источник света А отключается, а источник света В включается. Тем самым коллиматоры 1 и 2 засвечиваются на величину h_ВЛ и h_ВП. Аналогично вышесказанному, информация о них поступает в вычислительный блок 6, где находятся X₂, Y₂.

Одновременно со включением источника света В из блока управления 7 в вычислительный блок поступает код номера источника В, в результате чего расчет ведется по формулам (5).

По уравнению (6) находится значение Y_СР, а по уравнению (1) S.

С интервалом времени Δt весь цикл измерения S повторяется вплоть до конца разливки и отключения устройства.

При равной засветке двух каналов коллиматора (если граница света попала на границу каналов), на двух выходах дешифратора возникает сигнал "1". В этом случае шифратор на выход выдает код старшего по номеру канала и работа устройства продолжается.

Применение устройства позволяет измерять площадь поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок, что дает возможность осуществлять стабилизацию масс отрезаемых слитков.

Изобретение относится к средствам контроля, измерения и управления технологическими процессами в металлургии и может быть использовано для измерения площади прямоугольного поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок. Два независимых источника света, расположенные над слитком, последовательно освещают пространство над слитком. Тень от его верхних углов падает на расположенные с обеих сторон коллиматоры. Информация о границах засветки через фотоэлектрические преобразователи, дешифраторы и шифраторы с обоих коллиматоров поступает в вычислительный блок, где по формулам рассчитываются координаты верхних углов сечения, а по ним - площадь поперечного сечения. Использование устройства для измерения площади поперечного сечения слитка дает возможность осуществлять стабилизацию масс отрезаемых слитков. 2 ил.

Устройство для определения площади, преимущественно прямоугольного поперечного сечения слитка на машине непрерывного литья заготовок, содержащее источник света и коллиматор, отличающееся тем, что оно снабжено вторым источником света, вторым коллиматором, двумя фотопреобразователями, двумя дешифраторами, двумя шифраторами, вычислительным блоком, блоком управления, двумя светофильтрами, причем каждый коллиматор соединен с фотоэлектрическим преобразователем волоконно-оптической связью, выход каждого фотоэлектрического преобразователя через дешифратор и шифратор соединен с одним из входов вычислительного блока, выходы блока управления соединены с источниками света и вычислительным блоком, коллиматоры выполнены в виде ряда вертикально расположенных по одной линии светопроводящих каналов, перед каждым коллиматором установлен светофильтр.