DE69203461T2

DE69203461T2 - Messroller zur Planleitsmessung eines fortlaufend produzierten Bandes.

Info

Publication number: DE69203461T2
Application number: DE69203461T
Authority: DE
Inventors: Francois F-54560 Sancy Jeuniaux; Jean-Luc F-57000 Metz Mineau
Original assignee: Sollac SA; Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: Sollac SA
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: ES2075771T3; EP0615608A1; CA2124844A1; ATE125036T1; US5557100A; FR2684441B1; WO1993011404A1; CA2124844C; KR100221696B1; EP0615608B1; JPH07504975A; JP3269561B2; DE69203461D1; FR2684441A1

Description

Die Erfindung betrifft Meßroller zur Planheitsmessung eines fortlaufend produzierten Bandes, beispielsweise eines Stahlbandes.
In Fabrikationslinien zur fortlaufenden Herstellung von Bändern ist es notwendig, die Planheit kontinuierlich kontrollieren zu können. Dies gilt beispielsweise für Kaltwalzwerke für Stahlbänder.
Die Planheitsfehler führen häufig zu Längenunterschieden zwischen den Längsfasern und Querfasern, was entweder zu Wellen an den Rändern oder zu Taschen auf der Achse führt.
Um diese Fehler zu erkennen und zu messen, setzt man das Band einer Spannung aus, indem man es an einem Ablenkroller anliegen läßt, und man mißt den Druck des Bandes auf den Roller, und zwar auf der Achse des Bandes und an den Rändern. Die kurzen und langen Fasern unterliegen nämlich nicht derselben Spannung und üben aus diesem Grund nicht denselben Druck auf den Roller aus.
Zur Durchführung dieser Planheitskontrolle gibt es Planheitsmeßroller, die einen Mantelring, ein Bett und Lagerzapfen aufweisen, wobei das Bett mit piezoelektrischen oder induktiven Druckaufnehmern versehen ist. Sie sind um ihre Achse drehbar montiert. Dies gilt insbesondere für den Planheitsmeßroller, der in dem Dokument US-A-4 428 244 beschrieben wird. Aber diese Rollen haben verschiedene Nachteile:
- sie sind mechanisch sehr komplex und sehr schwer, was eine beträchtliche Infrastruktur erfordert, um sie in Position zu halten, insbesondere braucht man einem Motor,
- sie sind sehr teuer,
- die piezoelektrischen oder induktiven Meßaufnehmer sind relativ großvolumig, so daß es nicht möglich ist, viele von ihnen längs der Mantellinie eines Rollers anzuordnen, was die Breitenauflösung vermindert,
- die Erzeugung und Übermittlung der Meßwerte ist komplitiert,
- der Meßwert hängt von der Steifheit und Dicke des kontrollierten Bandes ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Planheitsmeßroller vorzuschlagen, der mechanisch einfach aufgebaut und leicht ist und nicht motorisiert zu sein braucht, der eine gute Breitenauflösung besitzt, bei dem die Erzeugung und Übermittlung der Meßwerte einfach ist und der so gestaltet ist, daß der Meßwert unabhängig von der Steifheit oder der Dicke des Bandes ist.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen Meßroller zur Planheitsmessung eines fortlaufend produzierten Bandes, beispielsweise eines Stahlbandes zum Gegenstand, mit einem hohlzylindrischen Bett, einem Mantelring und zwei hohlen Lagerzapfen, der außerdem eine faseroptische Kraftmeßeinrichtung aufweist, die die Doppelbrechung ausnutzt, die in einer optischen Einmodenfaser auftritt, die einer Querkraft ausgesetzt wird, wobei die optische Faser oder die optischen Fasern der Kraftmeßeinrichtung wenigstens eine Wicklung mit wenigstens einer Windung um das zylindrische Bett herum bilden, die mit dem Mantelring derart in Berührung steht, daß sie der durch den Druck des Bandes auf den Mantelring erzeugten mechanischen Spannung ausgesetzt ist.
Die faseroptische Kraftmeßeinrichtung besitzt eine stabilisierte elektrische Spannungsquelle, eine monochromatische Lichtquelle, einen Polarisator und wenigstens eine optische Einmodenfaser, einen polarimetrischen Analysator, einen Fotodetektor und eine elektronische Phasenfolgereinrichtung, die im Inneren des zylindrischen Bettes angeordnet sind.
Vorzugsweise weist die Kraftmeßeinrichtung, mit der der Roller ausgestattet ist, mehrere parallel angeordnete optische Fasern auf, die um das zylindrische Bett herum in Abstand zueinander und auf der Breite des Bettes verteilt angeordnete Wicklungen mit wenigstens einer Windung bilden.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle ein Laser.
Die elektronischen Phasenfolgereinrichtungen sind an einen Multiplexer angeschlossen, der im Inneren des zylindrischen Bettes angeordnet ist.
Der Multiplexer weist steuert eine auf der Achse des Meßrollers in der Nähe des äußeren Endes eines Lagerzapfens angeordnete Fotodiode an.
Der Roller besitzt gegebenenfalls wenigstens einen Koppler, an den mehrere optische Fasern angeschlossen sind.
Er besitzt eine stabilisierte elektrische Spannungsquelle, die einerseits mit auf den Lagerzapfen angeordneten leitenden Ringen und andererseits mit der oder den Lichtquellen verbunden ist.
Vorzugsweise besteht der Mantelring aus synthetischem Material, beispielsweise aus Kunstharz.
Ein solcher Roller ist leicht, braucht nicht motorisiert zu sein, hat eine gute Breitenauflösung und ist nicht empfindlich für die Dicke oder Steifheit des Bandes. Außerdem ist er wirtschaftlich.
Um die Kraftmeßwerte bezüglich eventueller, über die Breite des gewalzten Bandes variierender Temperatureffekte korrigieren zu können, besitzt der erfindungsgemäße Roller vorzugsweise in der Nähe der Wicklungen der optischen Fasern der Kraftmeßeinrichtung eine Sekundärwicklung mit wenigstens einer Windung, die ebenfalls durch eine optische Faser gebildet wird, die die Doppelbrechung ausnutzt, die auftritt, wenn sie einer Temperaturschwankung ausgesetzt ist, wobei diese Sekundärwicklung so angeordnet ist, daß sie nicht den mechanischen Spannungen unterliegt, die durch den Druck des Bandes auf den Mantelring erzeugt werden.
Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
- Fig. 1 eine Prinzipskizze eines faseroptischen Kraftaufnehmers,
- Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Meßrollers mit teilweise aufgebrochenem Mantelring,
- Fig. 3 ein Montageschema für drei parallele Fasern, die durch eine einzige Lichtquelle gespeist werden,
- Fig. 4 einen schematischen Teil-Längs schnitt längs der Achse eines Rollers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der eine Temperaturkorrektur gewährleistet.
Das Prinzip der Kraftmessung mit optischen Fasern ist beispielsweise aus dem Dokument GB-A-1 544 483 bekannt, soll jedoch der Deutlichkeit halber hier beschrieben werden.
Wenn eine optische Einmodenfaser einer Querkraft ausgesetzt ist, zeigt sie eine Doppelbrechung. Diese Doppelbrechung führt dazu, daß die parallel zur Kraftrichtung polarisierten Lichtwellen sich nicht mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten wie die Lichtwellen, die senkrecht zur Kraftrichtung polarisiert sind.
Wenn man in eine optische Einmodenfaser, die einer Querkraft unterliegt, eine Welle einkoppelt, die unter einem Winkel von 45º in bezug auf die Kraftrichtung polarisiert ist, so zerlegt sich diese Welle in zwei linear polarisierte Wellen, die parallel bzw. senkrecht zur Kraftrichtung polarisiert sind. Diese beiden Wellen breiten sich in der Faser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Wenn man die beiden Wellen am Ausgang der Faser mit Hilfe eines polarimetrischen Analysators überlagert, beobachtet man eine Interferenz.
Wenn man die Kraft ändert, beobachtet man das Auftreten einer Folge von Interferenzstreifen. Indem man die Interferenzstreifen zählt, kann man die Entwicklung der Kraft verfolgen und ihren Wert bestimmen.
Zur Realisierung dieses Verfahrens benutzt man eine Einrichtung, deren Prinzip in Figur 1 dargestellt ist.
Diese Einrichtung umfaßt eine monochromatische Quelle 1, die durch eine stabilisierte Spannungsversorgung 2 gespeist wird.
Die Lichtquelle 1 beleuchtet einen geeignet ausgerichteten Polarisator 3. Hinter dem Polarisator 3 befindet sich das Ende 4 einer optischen Einmodenfaser 5, die einer Querkraft F ausgesetzt ist. Das zweite Ende 6 der optischen Faser 5 liegt einem polarimetrischen Analysator 7 gegenüber, hinter dem sich eine Fotodiode 8 befindet. Die Fotodiode 8 ist mit einer elektronischen Phasenfolgereinrichtung 9 verbunden. Diese elektronische Phasenfolgereinrichtung analysiert die Interferenzsignale und zählt die Anzahl der Interferenzstreifen sowie ihre Durchlaufrichtung.
Die Erfindung besteht darin, daß solche Kraftmeßeinrichtungen in einen Roller implantiert werden, der dann zur Messung der Planheit eines vorbeilaufenden Bandes verwendet werden kann.
Ein solcher Planheitsmeßroller, der in Figur 2 allgemein mit 10 bezeichnet ist, besitzt ein hohlzylindrisches Bett 11, hohle Lagerzapfen 12, 12' und einen Mantelring 13. Auf das zylindrische Bett 11 sind mehrere optische Fasern 5a, 5b, 5c aufgewickelt, die eine oder mehrere Schlingen 5'a, 5'b, 5'c bilden, die in Abstand zueinander angeordnete und auf der Breite des Bettes 11 verteilte Wicklungen 14, 15, 16 bilden. Jede optische Faser besitzt mindestens eine Windung und kann mehrere fortlaufende Windungen bilden. Die Enden jeder optischen Faser treten in das Innere des zylindrischen Bettes ein, in dem sich eine Spannungsquelle, eine oder mehrere Lichtquellen, Polarisatoren, polarimetrische Analysatoren, Fotodetektoren und elektronische Phasenfolgereinrichtungen befinden.
Jede optische Faser ist in einen optischen Kreis integriert, der eine Laser-Lichtquelle und einen Polarisator an einem Ende der Faser, einen polarimetrischen Analysator, einen Fotodetektor und eine elektronische Phasenfolgereinrichtung am anderen Ende der Faser aufweist.
Die als solche bekannten elektronischen Phasenfolgereinrichtungen sind mit einem Multiplexer 21 verbunden. Der Multiplexer ist im Inneren des Rollers angeordnet. Er ist mit einer Leuchtdiode 22 verbunden, die auf der Achse eines hohlen Lagerzapfens in der Nähe des äußeren Endes desselben angeordnet ist. Außerhalb des Rollers ist ein Fotodetektor 23 in Verlängerung der Achse des Rollers gegenüberliegend zu der Leuchtdiode 22 angeordnet. Der Fotodetektor 23 ist mit einer nicht gezeigten elektronischen Signalverarbeitungs- und Recheneinrichtung verbunden.
Sofern nur eine optische Faser vorhanden ist, ist die Leuchtdiode direkt mit der Phasenfolgereinrichtung verbunden.
Die stabilisierte Spannungsquelle 2 ist mit zwei leitenden Ringen 24 und 25 verbunden, die sich am Umfang eines Lagerzapfens 12 befinden. Mehrere optische Fasern können durch eine einzige Lichtquelle 1 mit Licht gespeist werden, wie in Figur 3 dargestellt ist. In diesem Fall ist hinter dem Polarisator 3 ein Koppler 20 eingefügt, der den von der Lichtquelle 1 ausgesandten und durch den Polarisator 3 polarisierten Lichtstrahl in so viele polarisierte Strahlen aufteilt, wie es Fasern gibt. Der Koppler 20 muß die Polarisation aufrechterhalten. Im Fall der Figur 3 versorgt der Koppler 20 drei Fasern 5a, 5b, 5c, die als Detektoren dienen und jeweils eine oder mehrere Schlingen 5'a, 5'b oder 5'c um das zylindrische Bett bilden, auf das eine Querkraft F wirkt. Es ist auch möglich, drei Polarisatoren hinter dem Koppler 20 anzuordnen.
Jede Faser ist mit einem polarimetrischen Analysator 7a, 7b, 7c und einem Fotodetektor 8a, 8b, 8c versehen, der eine Phasenfolgereinrichtung 9a, 9b, 9c speist, wobei die verschiedenen Phasenfolgereinrichtungen an einen Multiplexer 21 angeschlossen sind. Es ist zu bemerken, daß sämtliche polarimetrischen Funktionen mit hierzu angepaßten optischen Fasern realisiert werden können.
Die Wicklungen 14, 15, 16 sind so auf dem Roller angeordnet, daß die optischen Fasern eine gute Querauflösung besitzen. Zu diesem Zweck können die Fasern insbesondere in den Zonen, die sich in der Nähe der Enden des Rollers befinden, relativ eng aneinanderliegen.
Um die optischen Fasern gegen die Beanspruchung zu schützen, die durch die Berührung mit dem Band hervorgerufen wird, ist das Bett des Rollers mit Kunststoff umhüllt. Diese Umhüllung bildet einen Mantelring 13.
Im folgenden wird die Arbeitsweise beschrieben. Über die Ringe 24 und 25 wird die stabilisierte Spannungsquelle 2 mit elektrischem Strom versorgt, und sie liefert einen stabilisierten Strom, der die monochromatische Lichtquelle 1 speist. Die Lichtquelle 1 emittiert einen Lichtstrahl, der polarisiert wird, wenn er den Polarisator 1 durchquert. Der polarisierte Lichtstrahl wird durch den Koppler 20 in so viele Lichtstrahlen aufgeteilt, wie optische Fasern an den Koppler angeschlossen sind. Jede optische Faser 5a, 5b, 5c empfängt einen Lichtstrahl und wird durch die Kraft F beeinflußt, die auf die optische Faser ausgeübt wird. Der Lichtstrahl jeder optischen Faser wird durch den polarimetrischen Analysator 7a, 7b, 7c, der jeder optischen Faser zugeordnet ist, analysiert, und jedes Lichtsignal, das von jedem polarimetrischen Analysator abgegeben wird, wird von den Fotodetektoren 8a, 8b, 8c detektiert, die die Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln. Jedes elektrische Signal wird durch die zugehörigen Phasenfolgereinrichtungen 9a, 9b, 9c aufbereitet.
Diese Phasenfolgereinrichtungen senden ein Signal an den Multiplexer 21, der die Leuchtdiode 22 ansteuert. Diese sendet ein Lichtsignal von dem Roller nach außen. Dieses Signal wird von der Fotodiode 23 detektiert, die sich außerhalb des Rollers befindet. Die Fotodiode 23 übermittelt das Signal an die elektronische Verarbeitungs- und Recheneinrichtung. Auf diese Weise kann man die Kraft F ermitteln, die auf jede der Fasern wirkt.
Es ist zu bemerken, daß nicht notwendigerweise sämtliche optischen Fasern des Rollers durch dieselbe Lichtquelle mit Licht versorgt werden müssen, sondern daß es mehrere Lichtquellen geben kann. Im Gegensatz dazu sind sämtliche Phasenfolgereinrichtungen an einen einzigen Multiplexer angeschlossen. Es gibt somit nur einen einzigen Signalausgang, der von dem Roller nach außen führt.
Die Ableitung des Signals über die Leuchtdiode 22 und den Fotodetektor 23 hat den Vorteil, daß sie viel leichter realisierbar ist als Ausgänge über leitende Ringe.
Schließlich ist der Roller so an einer Fabrikationslinie montiert, daß er um seine Achse drehbar ist, die zur Oberfläche des Bandes parallel ist. Er ist so angeordnet, daß er eine bestimmte Ablenkung des Bandes bewirkt, so daß dieses eine Kraft auf den Roller ausübt.
Es ist zu bemerken, daß ein solcher Roller unempfindlich für die Steifheit oder die Dicke des Bandes ist. Die gemessene Kraft ist nämlich unabhängig von dem Abrollwinkel (oder Umschlingungswinkel) des Bandes an dem Roller, anders als bei den Rollern nach dem Stand der Technik, und der Abrollwinkel ist von der Steifheit und Dicke des Bandes abhängig.
Die bei dem oben beschriebenen Aufbau der Kraftmeßeinrichtung verwendeten optischen Einmodenfasern sind in gleicher Weise für die Hitze empfindlich. Wenn die Temperatur des Bandes in Querrichtung nicht gleichförmig ist (wenn beispielsweise die Ränder weniger heiß sind als der Mittelteil), werden somit die von den verschiedenen optischen Fasern gelieferten Signale durch die Temperaturunterschiede beeinflußt, und sie repräsentieren folglich nicht exakt die tatsächlichen Planheitsfehler, wenn das Band eine homogene Umgebungstemperatur haben wird.
Um diesen eventuellen Nachteil zu vermeiden, kann man mit Vorteil in der Nähe jeder faseroptischen Wicklung der Kraftmeßeinrichtung eine Sekundärwicklung von gleicher Art, das heißt, einen Temperaturaufnehmer vorsehen, der durch eine optische Einmodenfaser gebildet wird, die die Doppelbrechung in zwei unter einem Winkel von 90º stehenden Richtungen ausnutzt, die unter der Wirkung von Temperaturschwankungen auftritt, wobei diese Wicklung so angeordnet ist, daß die Faser, durch die sie gebildet wird, nicht der mechanischen Spannung ausgesetzt ist, die durch den Druck des gewalzten Bandes auf den Mantelring des Rollers hervorgerufen wird.
Wie in Figur 4 gezeigt ist, in der nur der Teil des Rollers 10 dargestellt ist, der die Wicklung 14 enthält, um die Zeichnung nicht unnötig zu verkomplizieren, kann diese spezielle Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert werden, daß man die optische Faser, die die Sekundärwicklung 24 des Temperaturaufnehmers bilden soll, in einer Rille 25 unterbringt, die tiefer als die Aufnahme für die Hauptwicklung 14 in das Bett 11 eingefräst ist. Es versteht sich, daß die Frästiefe so gewählt ist, daß die optische Faser, die die Sekundärwicklung 24 bildet, hinsichtlich ihres Durchmessers nicht mit dem Mantelring 13 in Berührung kommt.
Die Temperaturmessung mit Hilfe einer optischen Faser wie etwa 24, die auf die Temperatur, aber nicht auf die mechanische Spannung anspricht, kann interferenz-polarimetrisch vorgenommen werden, wie bei der zuvor beschriebenen Kraftmeßeinrichtung.
Nach diesem Verfahren wird ein Netz von Temperaturaufnehmern aus optischen Einmodenfasern wie etwa 24 installiert, die parallel zu dem Netz der Kraftaufnehmer 14, 15, 16 ... längs des Rollers 10 verteilt sind. Die Temperaturaufnehmer 24 ... , die jeweils einem benachbarten Kraftaufnehmer zugeordnet sind, sind Teil einer optischen Anordnung, die mit derjenigen identisch ist, in der die optischen Fasern 5a, 5b, 5c, ... der Kraftmeßeinrichtung angeordnet sind, nämlich mit einer monochromatischen Lichtquelle, beispielsweise einem Laser, einem Polarisator und wenigstens einer temperaturempfindlichen optischen Einmodenfaser, einem polarimetrischen Analysator, einem Fotodetektor und einer elektronischen Phasenfolgereinrichtung.
Die so angeordneten optischen Fasern 24 liefern ein Signal, das für die lokale Temperatur repräsentativ ist. Dieses Signal wird dazu verwendet, das Signal der benachbarten optischen Faser für die Kraftmessung zu korrigieren und so Spannungswerte zu erhalten, die nicht durch die Temperaturgradienten verfälscht sind, die über die Breite in dem gewalzten Band auftreten könnten. Außerdem ist es mit Hilfe eines Zentralrechners einfach, aus jedem Paar von Kraft- und Temperaturwerten das Planheitsprofil zu bestimmen, das das Band aufweisen wird, wenn es einmal die Umgebungstemperatur von 20º C angenommen hat.

Claims

1. Meßroller zur Planheitsmessung eines fortlaufend produzierten Bandes, beispielsweise eines Stahlbandes, der um seine Achse drehbar gehalten ist und ein hohlzylindrisches Bett (11), einen Mantelring (13) und zwei hohle Lagerzapfen (12, 12') aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine faseroptische Kraftmeßeinrichtung aufweist, die die Doppelbrechung ausnutzt, die in einer optischen Einmodenfaser auftritt, die einer Querkraft ausgesetzt wird, wobei die optische Faser (5a) oder die optischen Fasern der Kraftmeßeinrichtung wenigstens eine Wicklung (14) mit wenigstens einer Windung (5'a) um das zylindrische Bett (11) herum bilden, die mit dem Mantelring (13) derart in Berührung steht, daß sie der durch den Druck des Bandes auf den Mantelring (13) erzeugten mechanischen Spannung ausgesetzt ist.

2. Meßroller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die faseroptische Kraftmeßeinrichtung eine stabilisierte elektrische Spannquelle (2), eine monochromatische Lichtquelle (1), einen Polarisator (3) und wenigstens eine optische Einmodenfaser (5), einen polarimetrischen Analysator (4), einen Fotodetektor (8) und eine elektronische Phasenfolgereinrichtung (9) aufweist, die im Inneren des zylindrischen Bettes (11) angeordnet sind.

3. Meßroller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßeinrichtung mehrere parallel angeordnete optische Fasern (5a, 5b, 5c) aufweist, die um das zylindrische Bett (11) herum in Abstand zueinander und auf der Breite des Bettes (11) verteilt angeordnete Wicklungen (14, 15, 16, ...) mit wenigstens einer Windung (5'a, 5'b, 5'c) bilden.

4. Meßroller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Laser ist.

5. Meßroller nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Multiplexer (21) aufweist, der im Inneren des zylindrischen Bettes (11) angebracht ist und mit dem die Phasenfolgereinrichtungen (9a, 9b, 9c) verbunden sind.

6. Meßroller nach einem Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine auf der Achse des Meßrollers in der Nähe des äußeren Endes eines Lagerzapfens (12, 12') angeordnete Fotodiode (22) aufweist.

7. Meßroller nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens einen Optokoppler (20) aufweist, mit dem mehrere optische Fasern (5a, 5b, 5c) verbunden sind.

8. Meßroller nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Lagerzapfen (12) leitende Ringe (24, 25) aufweist, die mit der stabilisierten elektrischen Spannungsquelle (2) verbunden sind.

9. Meßroller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelring (13) aus einem synthetischen Material, beispielsweise aus Kunstharz besteht.

10. Meßroller nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Nähe der Wicklungen (14) der optischen Faser (5a) der Kraftmeßeinrichtung Sekundärwicklungen (24) aus temperaturempfindlichen optischen Fasern aufweist, die so angeordnet sind, daß sie den von dem Drnck des Bandes auf den Mantelring (13) ausgeübten mechanischen Spannungen nicht ausgesetzt sind.

11. Meßroller nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (24) in Rillen untergebracht sind, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Stellen der Hauptwicklungen (14) in das zylindrische Bett (11) eingearbeitet sind.