СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАЗМЕРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОКАТА Российский патент 1998 года по МПК G01B11/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в металлургии для измерения размеров и формы горячих и холодных изделий, а также в машиностроении и других областях промышленной технологии, связанной с необходимостью бесконтактного контроля линейных размеров.

Известны способы измерения размеров сечения сортового проката труб (см., например, [1] , с.36 - 39). Способ заключается в том, что на телевизионном приемнике формируют изображения краевых зон объекта (в режиме самосвечения или подсветки) и измеряют отклонения размера от предварительно уставленного номинала. Недостатком является погрешность изменений, возникающая при продольных колебаниях объекта вследствие изменений коэффициента передачи проекционной оптической системы.

Известен другой способ ([1], с. 32 - 33). Способ заключается в последовательном сканировании исследуемого объекта в прямом и обратном направлении лазерным пучком, параллельно перемещающимся с известной скоростью, фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала, формировании и измерении длительности импульсов затемнения. Недостатком являются большие погрешности, возникающие при сканировании горячих изделий из-за оптического влияния тепловых градиентов, а также сложность, низкая надежность и дороговизна операции лазерного сканирования.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является способ оптического измерения поперечного размера металлургического проката, описанный в том же источнике [1] на с.19. Способ заключается в фотокомпенсационном сравнении двух световых потоков, один из которых частично перекрывается изделием, а другой - подвижной заслонкой, по положению которой при равенстве потоков определяется размер проката. Основным недостатком этого способа являются очень высокие требования к равномерности и стабильности световых потоков, которым невозможно удовлетворить в реальных условиях металлургического прокатного производства.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки метода, позволяющего измерить с высокой точностью, быстродействием и надежностью поперечный размер металлургического проката, используя самосвечение или внешнее, без каких-либо требований к стабильности и равномерности освещение изделия. Это обеспечивает возможность создания простых и надежных бесконтактных дистанционных измерителей для определения в реальном времени габаритных размеров сортового, листового и трубного проката, а также заготовок и блюмов на всех стадиях технологического процесса.

Задача решается тем, что в способе оптического измерения поперечного размера металлургического проката, заключающемся в том, что регистрируют величину световых потоков от двух участков с измеряемым и заданным размерами соответственно, проводят сравнение зарегистрированных величин и используют результаты при определении измеряемого размера проката, согласно изобретению, анализируют световые потоки от самосветящейся или освещенной поверхности проката, участки имеют область перекрытия с заданными размерами и отношение площадей, связанное с измеряемым размером заданной функциональной зависимостью, величины световых потоков регистрируют в течение интервала времени τ, а размер проката определяют, используя известную функциональную зависимость между сравниваемыми световыми потоками от участков, отношением их площадей и измеренным размером.

На фиг. 1 приведена функциональная схема, реализующая предлагаемый способ. На схеме показано прокатываемое изделие 1 и измерительное устройство, содержащее объектив 2, расщепитель светового потока 3, полевые диафрагмы 4 и 5, расположенные в плоскостях изображения поверхности прокатываемого изделия. Далее на пути расщепленных пучков помещены фотоприемные устройства 6 и 7, выходы которых подключены соответственно к измерителям 8 и 9 сигнала, интегрированного в заданном временном окне. Выходы измерителей подключены к измерителю отношения сигналов 10, выход которого подсоединен к входу измерителя поперечного размера проката 11.

Устройство действует следующим образом. Изображение заданной области движущейся поверхности прокатываемого изделия формируется объективном 2 через расщепитель светового потока 3 в плоскости полевых диафрагм 4 и 5. Световой поток, формирующий изображение, образуется за счет самосвечения поверхности горячего проката либо в случае холодного проката за счет стороннего освещения поверхности когерентным или некогерентным источником. Полевая диафрагма 4 ограничивает в плоскости изображения площадку, оптически сопряженную площадке на поверхности изделия, ограниченной контуром ABDE. Полевая диафрагма 5 выделяет площадку, оптически сопряженную участку поверхности, ограниченному контуром ACDE.

Контуры ABDE и ACDE выбираются таким образом, чтобы отношение площадей, ограничиваемых этими контурами, определялось известной функцией f текущего поперечного размера изделия:
S₁ / S₂ = f(b).

Здесь S₁ - площадь фигуры, ограниченной контуром ACDE; S₂ - площадь фигуры, ограниченной контуром ABDE; b - текущий размер прокатываемого изделия. Световой поток I₁ от площадки S₁ определяется пространственно-временным распределением энергетической светимости, интегрированной по пространственному окну S₁ и заданному временному окну τ

Здесь ϕ[x-vt,y] - энергетическая светимость поверхности площадки S₁ как функция пространственных координат x,y и времени t; v - скорость движения поверхности изделия; i - индекс, обозначающий порядковый номер временного интервала, в пределах которого осуществляется отсчет i-го измерения;N - общее число отсчетов в выборке. Для определенности направление движения изделия совмещено с направлением координатной оси ox.

По аналогии для светового потока I₂ от площадки S₂, ограниченной контуром ABDE, имеем:

Здесь g[x-vt, y] - энергетическая светимость поверхности в пределах площадки S₂ как функция пространственных координат x,y и времени t.

Выбор формы и расположения площадок S₁, S₂, а также выбор временного окна τ осуществляются исходя из требования, чтобы энергетические светимости, устраненные по пространственным окнам S₁, S₂ и временному окну τ были одинаковы. Это требование реализуется, если площадки S₁ и S₂ выбраны так, чтобы при движении они пересекались одними и теми же элементами пространственной структуры поверхности движущегося изделия, а усреднение по временному окну τ и пространственным окнам S₁ и S₂ сглаживало влияние различий в форме и расположении выделенных участков.

Тогда
I_1i/S₁ = I_2i/S₂ (4)
где I_1i и I_2i - световые потоки от площадок S₁ и S₂, интегрированные во временном окне (t_i, t_i + τ).

Отсюда S₁/S₂ = I_1i/I_2i (5)
Поскольку S₁/S₂ есть известная функция от размера b_i,можно записать
S₁/S₂ = f(b_i),(6)
где b_i i-й отсчет линейного размера изделия, соответствующий временному интервалу (t_i t_i + τ ) и определенный по длине vτ.

Из (5) и (6) имеем:
f(b_i) = η_i′ (7)
где η_i = I_1i/I_2i.

Решая уравнение (7) относительно b_i, получаем искомый отсчет поперечного размера проката, определенный по заданной области.

На функциональной схеме, показанной на фиг.1, в качестве примера площадка S₁ выбрана в виде трапеции, высота которой AE = b, малое основание ED = a и угол между высотой и стороной DC равен ψ.

Для площадки S₁ имеем:

Соответственно площадка S₂ выбрана в виде прямоугольника ABDE со сторонами AE = BD = b, AB = DE = a:
S₂ = ab,
где a - известный заданный размер, b - размер, подлежащий измерению.

Рассмотрим обычный в металлургической практике случай, когда нижняя кромка изделия не колеблется по оси oy и перемещается только по оси ox на фиксированном уровне y = 0. На фиг.1 эта ситуация обозначена с помощью заштрихованных опор.

Из выражений (8) и (9) получаем для отношения площадей:

Подставляя (10) в (7), получаем:

Решая уравнение (11) относительно b_i, находим

Например, для ψ = 30^o

Таким образом мы определили отсчет поперечного размера прокатываемого изделия на i-ом интервале длины.

Рассмотрим ситуацию, когда прокат подвержен колебаниям по оси oy. В этом случае предлагаемый способ реализуется применением двух измерительных каналов, действующих по функциональной схеме, представленной на фиг.1.

На фиг. 2 показана функциональная схема, реализующая способ в случае поперечных колебаний проката. Схема содержит изделие 1, измерительные устройства 2 и 3, идентичные измерительному устройству, приведенному на фиг.1. К выходам измерителей 2 и 3 подключена суммирующая схема 4. Измерительное устройство 2 сравнивает световые потоки от площадок, ограниченные контурами ACDE и ABDE, и измеряет величину b_1i, представляющую часть искомого поперечного размера b_i. Измеритель 3 сравнивает световые потоки от площадок, ограниченных соответственно контурами EDHF и EDGF, определяя часть b_2i искомого размера b_i. Сумма величин b_1i и b_2i дает значение измеряемого поперечного размера b_i:
b_i = b_1i + b_2i.

Пусть как и в случае, показанном на фиг.1, в каждом измерительном канале сравниваются световые потоки от площадок, ограниченных прямоугольником и трапецией. В первом измерительном канале это соответственно ABDE и ACDE. Во втором измерительном канале по аналогии имеем измерительную площадку в контуре EDGF и трапецию в контуре EDHF. Отсюда на выходе измерителя 2, соответствующего первому каналу, согласно выражению (12), имеем для величины b_1i:
b_1i= 2a(η_i-1)ctgψ. (14)
На выходе измерителя 3, соответствующего другому каналу, имеем по аналогии:

Здесь - световые потоки соответственно от трапецеидальной и прямоугольной площадок во втором измерительном канале.

Из (14) и (15) получаем для полного поперечного размера проката:

Например, для ψ = 30^o,

Таким образом, даже в случае колебаний прокатываемого изделия предлагаемое изобретение выполняет поставленную задачу.

Очевидное достоинство предлагаемого способа - возможность его реализации простыми техническими средствами,исключающими необходимость в механических или оптических лазерных сканаторах. Тем самым обеспечивается надежная длительная эксплуатация измерителей в технологических процессах для контроля габаритных размеров горячего и холодного металлургического проката.

Предлагаемое изобретение реализовано в виде действующего макета измерительного устройства с обработкой сигналов на персональном компьютере. Работоспособность измерительного устройства успешно подтверждена на станах горячей прокатки в реальных производственных условиях металлургического завода.

Источники информации:
1. В.Я. Ободан. Автоматический контроль размеров сечения сортового проката и труб: М.: Метрология, 1985, с.36 - 39.

Использование: область измерительной техники и может найти применение в черной и цветной металлургии для измерения габаритных размеров сортового, листового или трубного проката, а также в других отраслях промышленности, связанных с необходимостью бесконтактного контроля линейных размеров. Сущность изобретения: способ оптического измерения поперечного размера металлургического проката заключается в том, что регистрируют величину световых потоков от двух участков и измеряемым и заданным размерами соответственно проводят сравнение зарегистрированных величин и используют результаты при определении измеряемого размера проката. Анализируют световые потоки от самосветящейся или освещенной поверхности проката, участки имеют область перекрытия с заданными размерами и отношение площадей, связанное и измеряемым размером заданной функциональной зависимостью, величины световых потоков регистрируют в течение интервала времени, а размер проката определяют, используя известную функциональную зависимость между сравниваемыми световыми потоками от участков, отношением их площадей и измеренным размером. 2 ил.

Способ оптического измерения поперечного размера металлургического проката, заключающийся в том, что регистрируют величину световых потоков от двух участков с измеряемым и заданным размерами соответственно, проводят сравнение зарегистрированных величин и используют результаты при определении измеряемого размера проката, отличающийся тем, что анализируют световые потоки от участков самосветящейся или освещенной поверхности проката, участки имеют область перекрытия с заданными размерами и отношение площадей, связанное с измеряемым размером заданной функциональной зависимостью, величины световых потоков регистрируют в течение интервала времени τ, а размер проката определяют, используя функциональную зависимость между сравниваемыми величинами световых потоков от участков, отношением их площадей и измеряемым размером.