Измерение усилий прокатки

Измерение усилия прокатки производится обычно прямым методом, однако иногда используется и косвенный метод.

При прямом методе датчик, преобразующий усилие в электрический сигнал, стремятся сконструировать таким образом, чтобы вся измеряемая сила замыкалась на датчик, т.е. датчик деформировался бы под действием полной силы.

На рис. 2 приведены схемы установки датчиков усилия прокатки в четырехвалковой клети. При прямом методе усилие прокатки измеряют датчиками 1, установленными над гайкой нажимного винта, датчиками 2, установленными между торцом нажимного винта и подушкой верхнего опорного валка, и датчиками 3, установленными между станиной и подушкой нижнего опорного валка. Усилие прокатки косвенным методом измеряют при помощи тензометра 4.

Погрешность датчиков, установленных над верхней – 2 (Рис. 2), и под нижней – 3 опорными подушками валка, существенно меньше, чем при установке их над гайкой нажимного винта – 1. Однако при установке датчика под подушкой нижнего опорного валка не удается получить достаточной равномерности распределения нагрузки по его рабочей поверхности. Обычно предпочитают устанавливать датчик над верхней опорной подушкой.

Способы преобразования деформации в электрический сигнал можно разделить на две основные группы.

К первой группе относятся способы, основанные на измерении деформации какой-либо базовой длины нагружаемого элемента под действием измеряемой силы. Для этого на поверхности этого элемента закрепляют тем или иным способом преобразователи деформации в электрический сигнал.

Ко второй группе относятся способы, основанные на изменении каких-либо свойств нагружаемого элемента. К этой группе относятся все типы магнитоупругих преобразователей, в которых под действием механических напряжений происходит изменение магнитных свойств, а также полупроводниковые и тензорезисторные преобразователи, если они непосредственно воспринимают нагрузку, а не деформацию какого-то узла. В настоящее время в прокатном производстве нашли место прецизионные датчики усилия, которые используют такие физические явления, как магнитострикция, прямой и обратный пьезоэффект и др.

Датчики усилия на тензометрическом преобразователе. В основе работы тензометрических датчиков (тензорезисторов) лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых или полупроводниковых материалов при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствителъности S, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

 

,

где ;  – приращение сопротивления при изменении длины l на ; Е – модуль упругости материала;  – механическое напряжение.

Изменение сопротивления составляет

,

 

где  – относительное удлинение тензорезистора;

R – начальное сопротивление тензорезистора.

Для высокоомных проводников, например, коэффициент тензочувствительности считается постоянным и равен S = 1,9…2,9 [3].

Для обеспечения длительной работы без разрушения относительные деформации упругого элемента не должны превышать одной – двух тысячных, при которых измерение сопротивления составляет 0,1…0,2%. Точное измерение таких величин является сложной задачей. Такой датчик относится к параметрическим датчикам и поэтому наиболее распространена мостовая схема измерения (рис. 1).

Измерители усилия прокатки с упругими цилиндрическими элементами с тензорезисторными преобразователями изготавливает английская фирма, «Davy Instruments». Эти датчики имеют относительно большую высоту, что зачастую препятствует их применению. Для упругого цилиндрического элемента погрешность, связанная с изменением распределения нагрузки на его рабочей поверхности при работе на стане, укладывается в приемлемые рамки, если отношение высоты цилиндра к его диаметру не меньше двух. При неравномерном нагружении рабочей поверхности боковые поверхности цилиндра и его центр деформируются неодинаково: в одном случае более загруженным может быть центр, а в другом – периферия.

Для уменьшения погрешности, связанной с изменением характера распределения удельных нагрузок, канадская фирма «Kelk» применяет распределение тензорезисторных преобразователей по поперечному сечению цилиндра.

Подобного распределения можно добиться, если изготавливать упругий элемент в виде кольца и наклеивать тензорезисторы на его внешних и внутренних поверхностях. Измерители усилия с упругими элементами в форме кольца изготавливает ВНИИметмаш.

Датчики ВНИИметмаша серии М выпускаются на усилия 0,1…20 МН.

В качестве тензорезистивного материала можно использовать сплавы с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) (манганин, константан, нихром, никелин), платиносеребрянные и платиновольфрамовые полупроводниковые материалы (германий, кремний). Наиболее распространены тензорезисторы, выполненные из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые.

Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002…0,05 мм, которую укладывают частыми петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней (рис. 4, а). К концам проволоки припаивают или приваривают медные выводы. Сверху преобразователь покрывают лаком. Материал для пленки выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Резисторы на пленке из клея БФ-2 работают в диапазоне температур от -40 до 70 °С, а на бакелитовом лаке – до 200 °С. Для более высоких температур используют специальные высокотемпературные клеи или цементы.

 

Рис. 4. Проволочные (а) и фольговые(б) тензорезисторы

Наиболее часто используют преобразователи с базой (длиной петель) 5…20 мм, обладающие сопротивлением 30…500 Ом. Их номинальный рабочий ток, определяемый условиями отвода выделяемых в них потерь энергии, находится в пределах десятков миллиампер. Максимально допустимые относительные деформации не превышают 0,3%.

Фольговые преобразователи (рис. 4, б) более совершенны, чем проволочные. Они имеют решетку из тонкой фольги прямоугольного сечения толщиной 4…12 мкм. Благодаря большей площади контакта полосок фольгового тензорезистора с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что позволяет увеличить ток до 0,5 А, и тем самым повысить чувствительность тензопреобразователя.

Полупроводниковые тензорезисторы имеют ряд существенных преимуществ: их чувствительность в 50…60 раз превышает чувствительность проволочных, размеры их существенно малы, а уровень выходного сигнала позволяет использовать его без дополнительных дорогостоящих усилителей. Основным их отличием от проволочных является их большое (до 50%) изменение сопротивления чувствительного элемента при деформации.

Поскольку изменение сопротивления тензорезисторов, вызванное деформацией, весьма мало и колеблется от единиц миллиом до нескольких десятых долей ома, то для измерений применяют высокочувствительные потенциометрические и мостовые схемы (рис. 1). Чтобы повысить чувствительность тензорезисторов, их можно включать в два и даже четыре плеча мостовой схемы.Датчики усилия на тензометрическом преобразователе имеют достоинства и недостатки.

Достоинства: высокие метрологические характеристики, особенно по линейности.

К недостаткам тензометрических датчиков следует отнести: малую механическую прочность и гибкость (для полупроводниковых), малая выходная мощность (для тензорезисторных), которая не превышает обычно 5 10^-6Вт. Высокая влажность, наличие паров и изменение температуры агрессивных сред обусловливают постепенное уменьшение сопротивления изоляции как самих тензорезисторов, так и кабелей, соединяющих тензометрический мост с устройствами питания и измерения. Это все ведет к снижению технических показателей датчика силы.

Перечисленные факторы практически не сказываются на точности и работоспособности магнитоупругих силоизмерительных датчиков.

Магнитоупругие силоизмерители

Магнитоупругие силоизмерители основаны на явление магнитострикция, которая проявляется в изменении размеров ферромагнитного тела под действием внешнего магнитного поля. Магнитострикция бывает объемная и линейная. Линейная характеризуется коэффициентом линейного расширения ., а объемная объемным. Существуют материалы, как с положительной, так и с отрицательной магнитострикцией.

Изменение магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием упругих напряжений, возникающих, в частности, вследствие нагружения измеряемой силой, называется магнитоупругим эффектом. Для ферромагнитных материалов, работающих при малых значениях напряженности магнитного поля Н, т.е. при отсутствии насыщения, относительное изменение магнитной проницаемости выражается формулой

 

,

 

где  – механическое напряжение;  – начальная магнитная проницаемость;

– начальный коэффициент магнитострикции; – магнитная проницаемость в материале при наличии механических напряжений.

Магнитоупругий эффект проявляется векторно и обусловливает изменение анизотропии в ферромагнетике. Направление изменения магнитных свойств определяется свойствами ферромагнетика и знаком механических напряжений. Например, в сплавах железа, имеющих положительную магнитострикцию, отрицательные (сжимающие) механические напряжения приводят к уменьшению магнитной проницаемости в направлении действия напряжений и к росту проницаемости в перпендикулярном направлении.

Магнитоупругие датчики, показания которых определяются степенью анизотропии магнитной проницаемости упругого элемента, называются магнитоанизотропными. Они применяются для измерения больших усилий. Такие датчики могут изготавливаться из одной или нескольких последовательно соединенных секций. Односекционный магнитоанизотропный датчик представлен на рис. 5. Через четыре отверстия в теле датчика намотаны две взаимно перпендикулярные обмотки, к одной из которых подводится напряжение переменного тока. Вторая обмотка служит измерительной. К ней подключается вольтметр или другое измерительное устройство.

При отсутствии измеряемого усилия материал датчика изотропен, магнитные силовые линии поля не пересекают плоскость вторичной обмотки и э. д. с. в ней не наводится (рис. 5, б). Иначе говоря, вектор магнитной индукции лежит в плоскости вторичной обмотки. Измеряемая сила Р, создавая механические напряжения в магнитопроводе, снижает магнитную проводимость в вертикальном направлении и увеличивает в горизонтальном. Вектор магнитной индукции при этом поворачивается, силовые линии искажаются (рис. 5, в), стремясь большую часть пути пройти в наиболее легком направлении, и во вторичной обмотке наводится ЭДС. Величина электродвижущей силы определяется углом поворота вектора магнитной индукции, который в свою очередь зависит от измеряемой силы.

Рис. 5. Магнитоанизотропный датчик усилия

 

Преимущества магнитоанизотропных датчиков определяются их конструкцией. Выходная мощность датчика зависит от многих факторов, однако даже датчик для измерения сравнительно малых усилий имеет выходную мощность не менее 0,1 Вт, т.е. в несколько тысяч раз больше, чем тензорезисторный датчик. Магнитоанизотропный датчик набирается из стандартных модулей – секций, как показано на рис. 6 а.

Первичные обмотки всех секций соединяются последовательно. Также последовательно соединяются и вторичные обмотки. При таком построении датчика каждая из секций измеряет силу P_l, P₂,…, Р_п, а общее выходное напряжение является суммой электродвижущих сил вторичных обмоток всех секций. Очень важно добиться, чтобы нагрузка между секциями распределялась по возможности равномерно.

Ни одна из секций не должна быть перегружена выше уровня сохранения линейности выходной характеристики. Причинами перегрузки могут быть неплоскостность прилегающих к датчику деталей клети, наличие концентраторов напряжения на поверхностях контакта датчика с клетью, а также смещение точки приложения равнодействующей усилия от вертикальной оси датчика.

 

а)                                                б)

Рис. 6. Многосекционный магнитоупругий датчик (а) и схема емкостного измерителя усилия (б)

 

Упругие элементы датчиков измерителей усилия, разработанных ВНИИАчерметом, изготавливаются из монолитных брусков фехраля – железохромоалюминевого сплава. В Киевском институте автоматики упругие элементы изготавливают из склеенных между собой пластин, холоднокатаной трансформаторной стали.

Датчики усилия в измерителях ВНИИАчермета сокращенно называются ДМ (например, ДМ-7303.01, ДМ-157.01, ДМ-7174.01, ДМ-5806, ДМ-7091).

Фирма «Kelk» выпускает датчики кольцевого типа на номинальное усилие до 40 Мн. Внутренний диаметр датчика колеблется в пределах 222 …578 мм, наружный диаметр 285 … 895 мм, высота 66 … 190 мм. Внутренняя полость датчиков заполнена инертным газом.

Наибольших успехов в создании магнитоупругих датчиков для измерения усилия прокатки добилась, шведская фирма АСЕА. Работа этих датчиков основана на изменении магнитных свойств шихтованного сердечника при сжатии. Сравнительные характеристики приведены в таблице 1.

Емкостные силоизмератели

Схема измерителя усилия прокатки японской фирмы «Toshiba» приведена на рис. 6 б. Это, по существу, многосекционный конденсатор, зазор, между обкладками которого, определяет его электрическую емкость. При приложении измеряемой силы датчик деформируется, зазор между обкладками конденсатора уменьшается, а емкость соответственно увеличивается.

Величина емкости измеряется измерительной схемой, собранной в электронном шкафу, расположенном на расстоянии до 100 м от датчика. Наличие нескольких распределенных в объеме датчика конденсаторов-секций позволяет снизить погрешность при перераспределении нагрузок по поверхности датчика. Измерители усилия устанавливают под подушками нижних опорных валков. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Технические характеристики измерителей усилия прокатки зарубежных фирм

Фирма, страна	Тип	Номинальное усилие, МН	Погрешность, %	Гистерезис, %	Температурный дрейф нуля, %/0С	Быстродействие, с
«Davy Instruments»» Англия	Тензорезисторный, М250	25	±1,0	–	–	1,0
«Kelk», Канада	Тензорезисторный, С-1041	24	–	0,5	0,005	0,03
«Toshiba», Япония	Емкостной, KL C10-s	20	–	0.5	0.05	–
ASEA, Швеция	Магнитоупругий	25	±0,5	0,2	0,01	32 10-3

 

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого или обратного пьезоэлектрического эффекта. Прямой пьезоэффект заключается в способности некоторых материалов образовывать электрические заряд U (рис. 7), на поверхности при приложении механической нагрузки F, обратный – в изменении механического напряжения или геометрических размеров образца материала под воздействием электрического поля.

Рис. 7. Пьезодатчик

 

В качестве пьезоэлектрических элементов обычно используют естественные материалы – кварц и турмалин, а также искусственно поляризованную керамику на основе титаната бария (ВаTiO₃), титаната свинца (PbTiO₃) и цирконата свинца (PbZrO₃). Можно использовать и другие материалы.

Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем K_d, который устанавливает зависимость между возникающим зарядом Q и приложенной силой F:

Q = K_dF.

 

Из пьезоматериалов наиболее распространен кварц, что объясняется его удовлетворительными пьезоэлектрическими свойствами, очень высоким сопротивлением, стойкостью к воздействиям температуры и влажности, высокой механической прочностью. Кварц имеет незначительный коэффициент линейного расширения, его пьезомодуль, равный 2,3–10^-12 Кл/Н, практически не зависит от температуры до 200 °С, в диапазоне 200… 500 °С изменяется незначительно, а при 573 °С становится равным нулю; удельное электрическое сопротивление кварца порядка 10¹⁶ Ом/м; модуль упругости кварца Е=1,1 10¹⁰ Па.

Пьезокерамика представляет собой продукт отжига спрессованной смеси, содержащей мелко раздробленные сегнетоэлектрические кристаллы. Характерным отличием сегнетоэлектриков является их доменная структура с хаотически ориентированными полярными направлениями доменов. Пьезоэлектрические свойства сегнетоэлектрическая пьезокерамика приобретает после поляризации в электрическом поле.

Механическая прочность пьезокерамики очень высока, но зависит от технологии и качества обработки соприкасающихся плоскостей. Пьезомодуль, диэлектрическая проницаемость и их стабильность зависят от выбора направления поляризации, направления действия силы F и съема заряда Q.

В настоящее время технология изготовления датчиков на пьезоэффекте сильно развивается.