X射線測(cè)厚儀測(cè)量精度影響因素及補(bǔ)償措施

魏運(yùn)鵬 方偉新

(上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，江蘇 南京 210039)

0 引言

作為軋機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化功能的一個(gè)重要組成部分，測(cè)厚儀對(duì)軋鋼厚度的控制起到至關(guān)重要的作用。測(cè)厚儀為軋機(jī)自動(dòng)增益控制(automated gain control，AGC)厚度控制提供測(cè)量值與設(shè)定值的偏差信號(hào)，其精確的厚度測(cè)量功能是保障軋機(jī)厚度控制精度的前提［1］。梅鋼冷軋廠采用X射線透射式輻射測(cè)厚儀，具有高精度、測(cè)量快速、無(wú)接觸、無(wú)損壞和連續(xù)等特點(diǎn)，能適應(yīng)各種高溫、油污等惡劣復(fù)雜環(huán)境。在使用過(guò)程中，測(cè)厚儀的測(cè)量精度不可避免地受到如X光源的穩(wěn)定性、合金成分、帶鋼位置和測(cè)量窗口的污染等因素的影響。

本文通過(guò)透射式厚度測(cè)量原理，對(duì)上述影響因素展開(kāi)詳細(xì)的分析，提出了確保軋機(jī)測(cè)厚儀測(cè)量精度的補(bǔ)償措施。

1 測(cè)厚儀構(gòu)成及測(cè)量原理

1.1 測(cè)厚儀構(gòu)成

X射線測(cè)厚儀主要由X 射線源、可控高壓系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、客戶端、服務(wù)器等部分構(gòu)成［2］，測(cè)厚儀原理圖如圖1所示。

圖1 X射線測(cè)厚儀原理圖Fig.1 Principle of X-ray thickness gauge

1.2 測(cè)量原理

X射線由可控高壓和管電流的X射線管產(chǎn)生，采用穿透式非接觸測(cè)量方式來(lái)測(cè)量帶鋼厚度。入射線穿透被測(cè)帶鋼時(shí)會(huì)發(fā)生三種相互作用(即光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效益)，射線強(qiáng)度將被減弱，剩余部分則被探測(cè)器吸收并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。通過(guò)系統(tǒng)的進(jìn)一步計(jì)算和數(shù)據(jù)補(bǔ)償，可得到帶鋼厚度數(shù)據(jù)。

被測(cè)帶鋼越厚，吸收X射線能量則越多，而探測(cè)器吸收到的射線能量越少。X射線強(qiáng)度在物質(zhì)中的衰減規(guī)律遵循如下函數(shù)關(guān)系［3］:

式中:I為探測(cè)器吸收的射線強(qiáng)度;I0為t=0時(shí)探測(cè)器吸收的射線強(qiáng)度;μ為質(zhì)量吸收系數(shù)，與帶鋼成分有關(guān);ρ為帶鋼密度，與帶鋼成分有關(guān);t為被測(cè)帶鋼厚度。當(dāng)I0、μ、ρ固定時(shí)，通過(guò)測(cè)量I值即可計(jì)算出帶鋼的厚度t。

2 測(cè)量精度影響因素及補(bǔ)償

梅鋼冷軋產(chǎn)品的厚度范圍為0.18～1.2 mm，厚度控制最大允許誤差不超過(guò)5‰，配備X射線測(cè)量，精度要求達(dá)到1‰。為保證軋機(jī)測(cè)厚儀的測(cè)量精度，必須明確影響軋機(jī)測(cè)厚儀測(cè)量精度的因素，并制定有效的補(bǔ)償措施。

2.1 射線穩(wěn)定性的補(bǔ)償

由式(2)可知，欲得到高精度的厚度測(cè)量值，必須保證I0的穩(wěn)定，即要保證X射線源發(fā)射的射線穩(wěn)定［4］。由于X射線的能譜為連續(xù)譜，低能部分很容易被吸收，造成能譜偏移，即出現(xiàn)X射線硬化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致射線能量和強(qiáng)度都發(fā)生變化。因此，要保證入射X射線的穩(wěn)定，需要保證X射線能量和強(qiáng)度的穩(wěn)定。

X射線源發(fā)射的X射線能量由射線管電流決定，管電流越大，激發(fā)的X射線能量就越大，而X射線的強(qiáng)度與射線管陽(yáng)極高壓的大小有關(guān)，陽(yáng)極高壓越大，X射線的強(qiáng)度越大，穿透力越強(qiáng)。所以，保證X射線的穩(wěn)定即保證X射線管的管電流和陽(yáng)極高壓穩(wěn)定。隨著使用壽命的增加，光管燈絲發(fā)射電子的能力會(huì)減弱，從而導(dǎo)致管電流的降低。因此，在設(shè)備使用過(guò)程中需要定期對(duì)X射線管的管電流進(jìn)行監(jiān)視，如果發(fā)生明顯變化，可通過(guò)調(diào)整燈絲電壓的方式保證管電流的穩(wěn)定。

2.2 測(cè)量元件的影響及補(bǔ)償

測(cè)厚儀測(cè)量元件是指射線探測(cè)器和探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換單元，前者將檢測(cè)到的射線能量轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，后者將探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。測(cè)厚儀通常采用電離室作為探測(cè)器，電離室是一種以惰性氣體為介質(zhì)的射線探測(cè)器。當(dāng)射線穿透帶鋼后，剩余射線射到電離室，并將電離室內(nèi)的惰性氣體電離，產(chǎn)生正負(fù)離子，正負(fù)離子在電離室高壓電場(chǎng)的作用下反向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電離電流［5］。電離電流通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元完成信號(hào)放大、I/V和A/D處理后輸出厚度測(cè)量值數(shù)字信號(hào)。電離室和信號(hào)轉(zhuǎn)換單元的穩(wěn)定是厚度測(cè)量精度的重要保證，如果測(cè)量性能發(fā)生變化，將對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度造成嚴(yán)重影響。因此，需對(duì)測(cè)量元件的性能進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

為保證測(cè)量性能系統(tǒng)每8 h進(jìn)行一次自檢，需記錄兩個(gè)指標(biāo):①測(cè)量通道無(wú)帶鋼時(shí)，快門關(guān)閉，系統(tǒng)將客戶機(jī)接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行記錄，正常狀況下該電壓值為100 mV，記為CZ;②測(cè)量通道無(wú)帶鋼時(shí)，快門打開(kāi)，系統(tǒng)將客戶機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行記錄，叫做全射線電壓值，約9700 mV。將檢測(cè)到的CZ和全射線電壓值代入式(3)，即可得到反映測(cè)量元件性能的CS指標(biāo)。通過(guò)對(duì)CS值的監(jiān)測(cè)即可獲知測(cè)量元件的性能。理想情況下CS為0.96。

對(duì)第一機(jī)架入口測(cè)厚儀兩個(gè)電離室CS的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 CS變化趨勢(shì)Fig.2 CS variation tendency

通過(guò)監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，2010年7月2#電離室CS發(fā)生突變，更換信號(hào)轉(zhuǎn)換單元對(duì)應(yīng)的放大電路板后電離室CS恢復(fù)正常。

2.3 合金成分的影響及補(bǔ)償

根據(jù)式(1)可知，在探測(cè)器輸出電流相同的情況下，如果帶鋼成分發(fā)生變化，帶鋼的質(zhì)量吸收系數(shù)μ和密度ρ也會(huì)變化，從而使被測(cè)帶鋼對(duì)射線的吸收能力發(fā)生變化，導(dǎo)致厚度測(cè)量值的變化［6］。因此，如果要保證測(cè)厚儀的測(cè)量結(jié)果精確，必須考慮帶鋼成分變化(也稱合金成分變化)對(duì)測(cè)量精度造成的影響，厚度測(cè)量系統(tǒng)必須采取相應(yīng)的合金成分償方式才能降低成分變化對(duì)測(cè)量精度的影響。

在穿透式厚度測(cè)量過(guò)程中，對(duì)于中等能級(jí)的β和γ射線(如7.009×10－14J的 Cs-137產(chǎn)生的康普頓散射效應(yīng))，只需考慮帶鋼元素密度對(duì)厚度測(cè)量精度的影響;對(duì)于低能級(jí)X射線和γ射線(如6.372×10－15J的X射線光電效應(yīng))，則原子序數(shù)和元素密度造成的測(cè)量精度影響都要考慮在內(nèi)。將帶鋼不同合金成分原子序數(shù)和元素密度對(duì)測(cè)量精度的影響進(jìn)行補(bǔ)償，存在如下函數(shù)關(guān)系:

式中:t為合金補(bǔ)償后的帶鋼厚度值;t'為將帶鋼視為純鐵測(cè)量得到的厚度值;Ai為合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)，是Alloy compensation index的縮寫，Ai的表達(dá)式為:

式中:Ai(ρ)為對(duì)帶鋼合金成分密度變化進(jìn)行吸收補(bǔ)償?shù)南禂?shù);Ai(z)為對(duì)帶鋼合金成分原子序數(shù)變化進(jìn)行吸收補(bǔ)償?shù)南禂?shù)。當(dāng)測(cè)量純鐵板無(wú)需進(jìn)行合金補(bǔ)償時(shí)，Ai=1。

合金補(bǔ)償功能可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn):①在測(cè)厚儀系統(tǒng)中建立所有軋制鋼種的合金補(bǔ)償表，將每一鋼種的合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)固化，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的合金補(bǔ)償表數(shù)據(jù)進(jìn)行合金補(bǔ)償;②通過(guò)上位系統(tǒng)下發(fā)當(dāng)前軋制帶鋼的合金成分和成分百分比含量，系統(tǒng)根據(jù)式(4)～式(7)完成合金補(bǔ)償功能。在鋼水冶煉過(guò)程中，每一種規(guī)格鋼水的合金成分和成分百分比含量與設(shè)定值之間均存在控制偏差。因此，如果按照方式①對(duì)每一鋼種厚度計(jì)算采用統(tǒng)一的合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)，帶鋼厚度計(jì)算將由于合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)的不準(zhǔn)確而引入測(cè)量偏差。補(bǔ)償方式②采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對(duì)每一卷帶鋼合金成分和各成分所占百分比采集相應(yīng)冶煉爐次鋼水的檢化驗(yàn)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行合金補(bǔ)償，能夠反映帶鋼合金成分構(gòu)成的真實(shí)情況。方式②在一定程度上減小了合金成分變化吸收補(bǔ)償系數(shù)造成的帶鋼厚度測(cè)量偏差。

2.4 帶鋼角度的影響及補(bǔ)償

當(dāng)帶鋼位置與射源和探測(cè)器連線的夾角≠90°時(shí)，射線穿透帶鋼的行程就會(huì)延長(zhǎng)，對(duì)射線的吸收會(huì)增加，導(dǎo)致被測(cè)帶鋼比實(shí)際厚度偏厚［7］。帶鋼與X射線夾角示意圖如圖3所示。

圖3 帶鋼與X射線夾角示意圖Fig.3 Included angle between steel strip and X-ray

圖3中，α為帶鋼位置與射源和探測(cè)器連線的夾角;t為帶鋼實(shí)際厚度;t'為沒(méi)有進(jìn)行角度補(bǔ)償?shù)膸т摐y(cè)量厚度。根據(jù)三角幾何知識(shí)，有:

當(dāng)α≠0時(shí)，帶鋼厚度測(cè)量誤差估計(jì)有:當(dāng)α=2°時(shí)，誤差為0.06%;當(dāng) α =3°時(shí)，誤差為0.55%;當(dāng) α =8°時(shí)，誤差為 0.97%。

帶鋼軋制過(guò)程中，在帶鋼張力的作用下，帶鋼位置與射源和探測(cè)器連線的夾角α保持不變，同時(shí)帶鋼方向與測(cè)厚儀前后兩側(cè)張力輥上輥面的連線方向平行。根據(jù)幾何知識(shí)，測(cè)厚儀前后兩側(cè)張力輥上輥面的切線方向與射源和探測(cè)器連線方向的夾角為(90°－α)。通過(guò)角度測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量可以得到夾角(90°－α)的值，從而可以計(jì)算出角度α的值，系統(tǒng)根據(jù)式(8)可以自動(dòng)完成帶鋼厚度的角度補(bǔ)償。梅鋼冷軋機(jī)組采用五機(jī)架六輥軋機(jī)，共配備5臺(tái)測(cè)厚儀。測(cè)厚儀的配置情況為:F1機(jī)架前后各配置1臺(tái)，F(xiàn)4機(jī)架后配置1臺(tái)，F(xiàn)5機(jī)架后配置2臺(tái)。其中，F(xiàn)5機(jī)架后測(cè)厚儀為一用一備，夾角參數(shù)一致。經(jīng)測(cè)量，梅鋼冷軋軋機(jī)運(yùn)行時(shí)，5臺(tái)測(cè)厚儀帶鋼位置與射源和探測(cè)器連線的夾角如表1所示。

表1 帶鋼位置與射線的夾角Tab.1 Included angles between position of steel strip and X-ray

2.5 窗口油污的影響及補(bǔ)償

盡管測(cè)厚儀C型架具備吹掃裝置，但是帶鋼軋制乳化液及其他油污仍會(huì)附著在射線窗口和探測(cè)器窗口，當(dāng)附著的雜質(zhì)不變時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)厚儀的測(cè)量精度造成一個(gè)固定的影響［8］。為消除油污等雜質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響，系統(tǒng)每8 h在無(wú)帶鋼的情況下進(jìn)行一次全射線校正(射線直接照射探測(cè)器生成測(cè)量值)，并將每次全射線校正的結(jié)果與上次結(jié)果進(jìn)行比較，得出8 h內(nèi)由于油污雜質(zhì)的影響增加的測(cè)量偏差。如果兩次結(jié)果的測(cè)量偏差小于1%，則系統(tǒng)通過(guò)軟件補(bǔ)償可以消除油污等雜質(zhì)帶來(lái)的測(cè)量偏差;如果兩次結(jié)果的測(cè)量偏差超過(guò)1%，則必須將射線和探測(cè)器窗口的油污擦拭干凈，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)板的測(cè)量將系統(tǒng)重新標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化完成后再進(jìn)行全射線校正，系統(tǒng)自動(dòng)記錄校正結(jié)果。因此，要利用停機(jī)時(shí)間對(duì)測(cè)厚儀射線和探測(cè)器窗口進(jìn)行清潔維護(hù)，以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度。

3 效果驗(yàn)證

為保證帶鋼厚度測(cè)量的精度，公司規(guī)定每12個(gè)月對(duì)軋機(jī)測(cè)厚儀的測(cè)量精度進(jìn)行一次計(jì)量校準(zhǔn)。計(jì)量校準(zhǔn)工作應(yīng)用已知標(biāo)準(zhǔn)厚度的標(biāo)準(zhǔn)樣片組合成測(cè)厚儀測(cè)量范圍內(nèi)的不同厚度值，在離線情況下對(duì)測(cè)厚儀的靜態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)［9］。

表2是對(duì)5#測(cè)厚儀的靜態(tài)測(cè)量精度校準(zhǔn)結(jié)果。根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果，測(cè)厚儀測(cè)量相對(duì)偏差小于1‰，符合軋機(jī)厚度控制要求。

表2 靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.2 The static calibration data

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合透射式X射線的厚度測(cè)量原理，本文從實(shí)際應(yīng)用方面對(duì)測(cè)厚儀厚度測(cè)量精度的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了各種因素的補(bǔ)償和消除措施。通過(guò)確保測(cè)厚儀測(cè)量功能的穩(wěn)定、嚴(yán)格執(zhí)行厚度測(cè)量精度的補(bǔ)償措施，軋機(jī)X射線測(cè)厚儀在線測(cè)量精度明顯提高，極大地滿足了產(chǎn)品厚度控制的要求。

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