影响测厚仪测量精度的因素及解决方法

刘永杰，赵 哲

（奥科宁克（昆山）铝业有限公司，江苏苏州 215300）

0 引言

在有色行业的铝板带生产中，X 射线测厚技术被广泛用到冷轧机上，信号的准确和灵敏度直接影响了轧制板材的厚度质量；奥科宁克（昆山）铝业有限公司冷轧机配置了一套Thermo Fisher 北美RM216 测厚仪，用于出口带材厚度测量；测厚仪测量厚度范围为0.005～8.000 mm，X 射源电压50 kV，平均响应时间2 ms，采样时间1 ms，测量厚度的精度为±0.1%或±0.25 μm，厚度漂移量8 h 未标定情况下，测量厚度的±0.1%。精度高、非接触式、断电后安全无辐射、便于维护、噪声低等优点被认可。

1 测厚仪的测量原理简述

在生产中，通过出口侧测厚仪检测轧机出口侧带材的厚度偏差，将模拟量电压信号经中间箱，信号过滤后送到PLC 控制柜，控制中心PLC 将根据反馈情况传递柜AGC，通过调节控制轧辊辊缝或轧制压力，使厚度偏差趋于零。厚度监控可以消除因热膨胀、轧制速度等对出口厚度的影响，消除入口带材硬度变化的影响，从而提高带材厚差质量和成品率。

测厚仪硬件结构由PLC 控制柜、C 型架、冷却器和现场操作电脑组成，工作时C 型架内X 射线电压由高压发生器根据不同厚度升至15～50 kV，电流调整至2～3 mA，厚度一定的情况下射线能量是一定的。根据不同金属对射线能量吸收不同的原理，X射源快门打开时射线发出穿过铝板，接收源通过接收X 射线的能量，由离子腔接到微小的电流信号到前置放大电路，电信号转换成软件上显示的直观厚度信号，也就是铝板吸收X 射线的一部分能量。

在生产使用时需要提前做测厚仪内部合金曲线，目前两种方法有：①样片标样方法，将需要测试的带材取表面质量高的不同厚度样片逐个放入测厚仪下做合金厚度曲线；②合金超级补偿方法，将要轧制的带材在实验室中做合金成分分析，将不同占比的合金成分输入测厚仪中做标样曲线。样片标样法是最普遍的测厚仪做曲线的方法，对取样的样片质量较高，操作方法简单便捷，适用于合金种类少的产品。而超级补偿方法对标样的合金成分准确率要求较高，适用于做合金种类较多的产品。

2 影响测厚仪测量精度的因素及解决方法

2.1 合金元素对测量精度的影响

当生产中厚度偏差出现时，首先要检查测厚仪内部标样是否测量准确，如果内部标样测量准确，排除测厚仪系统硬件问题，反之需要考虑来料实际合金成分和测厚仪内部标定曲线合金成分差异过大。需要清楚各种合金成分对X 射线的吸收程度不同。如图1 所示，不同合金成分在射源电压稳定时，对X 射线的测量钎焊板的厚度误差的影响，钒以后的元素对厚度影响逐渐超过0.5%；同时看到不同的厚度在硒元素后对厚差影响趋势不同。因此清楚了解X 射线对各种金属的吸收性能影响，在产品性能达标的情况下，准确控制合金元素能更好的控制厚度测量精度。

图1 各种合金元素对钎焊板材的X 射线的测量误差影响

当射线穿过铝板带时，一些合金元素对X 射线比较敏感，例如铅会吸收X 射线大量能量，在生产中二级系统将这些数据送入到测厚系统时，操作手需要复查这些成分是否有误；在测厚仪超级补偿模式下可以观察到，同一批次的铝锭在铸造时，同一合金牌号铸成的铝锭，不同炉子合金成分也会有差异。经实验锌以后的合金成分与测厚仪做曲线时提供的成分差别超过45%时，厚差就会逐渐较大，超级补偿系数到达极限值，已经无法满足厚差测量要求，需要根据实际厚度情况手动补偿或者重新做曲线。

解决方法：在做测厚仪合金曲线时，擦拭射线窗口，保持洁净，检查气压和C 型架冷却器温度是否稳定，做ACE 自动能量调整，然后做STD 标准化，目的是检测内部样片自动校正厚度漂移。标样要求在同批次同种合金且要在同一卷料上取，样取好后，取8～10 个点求平均值，平整度要好，无划痕，提供的合金成分必须真实，在厚度计算时补偿才准确；铝箔厚度需要称出克重，千分尺测量偏差较大。厚度标样曲线做出来后，补偿越小越好，平直度比较好的曲线说明不同厚度区域的补偿比较接近，效果就比较好，反之较差。

2.2 振动、油污及速度打滑等因素对测量精度的影响

测厚系统在使用半年后需要做一次系统维护与保养。需要检查测厚仪的吹扫气压和气嘴位置是否正确，避免轧制时轧制油或进入到X 射线窗口区，或者铝屑飞溅到X 射线窗口薄膜上；检查上下薄膜下方X 射线孔内是否有铝屑或者异物吹入。每班组生产前需要检查和用棉布轻轻擦拭X 射线窗口，避免粘连异物。

另外还需要测试测厚仪C 型架的振动，测量C 型架的轮子和轨道平面的平稳性，保障导轨与轧制线平行使X 射线垂直穿过轧制材质，检查轨道上是否有磨损坑；观察周围出口导板或者管路的振动是否对C 型架的稳定性造成干扰。

在AGC 控制系统中，前馈式和反馈式模式下，在质量流控制原理中带材速度的打滑会引起出口厚差波动。开卷速度瞬间打滑引起厚差突变，此时需要检查工作辊粗糙度、带材起车时包头、套筒的圆度、入口出口卷轴压力和涨紧状态、开卷和卷取的张力工艺参数等影响因素（图2）。

图2 速度打滑引起厚差突变

2.3 管电压衰减对测量精度的影响

测厚仪在断电1 h 后再送电时，会出现OPEN KV CHANGED TOO MUCH 报警信息，在做ACE 能量校正时会提示射源不稳定，在测量过程中能量变化不稳定会影响厚度测量精度。解决方法在刚送上电时做管电压升压，管电压和管电流分别是15 kV和2 mA，X 射线管需要预热15 min 之后，READ 读入执行后，管电压升至20 kV 管电流升至3 mA，每间隔15 min 电压升高5 kV 一直升到50 kV 后结束。同样在测厚仪断电时需要做降压过程，每隔10 min 电压降10 kV，最终降至20 kV 结束，总耗时95 min。

X 射线管在使用3～5 年后就会自然衰减，特别是经常停送电会加速射线管的老化，每段厚度对应的电压就会降低，电流也会在0.1～0.3 mA 波动，测量厚度随时间延长发生厚度漂移（图3），最终影响到测量精度，在同一厚度段电压下，灯管随时间的增加而开始衰减，厚差就会超出范围。如果出现电压升不起来甚至只有几百伏，电流波动很大时，可能X 射线管已经损坏，所以应尽量避免经常停电。

图3 测试厚度0.3 mm 外部样片的漂移曲线

在正常使用中，测厚仪会自动调整补偿衰减量，生产中每周做一次ACE 自动矫正能量。如果使用年限较长的射源，精度误差范围大时可以重新做工厂标定;对更换过X 射线管的射源，需要调整驱动箱内X 射线驱动板电压电位计，保障4 个厚度段对应的电压达到标准值，并校验以前做的合金曲线的精度，如不准确需要重新做合金曲线。

如果第一次轧制新的合金时，测厚仪无标样的快速做曲线方法有2 种：①把该合金名字挂在纯铝MASTER 曲线下面，合金成分要尽可能准确，成品轧制出来后，再取样做该合金曲线；②在轧制该合金第一道次时，当料头轧过后让轧机暂停工作，手工测量带材边部厚度，随机把该厚度点做到曲线里以后再开始起车高速轧制，在轧制第二道次时，重复该方法最终曲线就做出来了。

减小X 射线管电压衰减的措施有：

（1）避免强光照射X 射线管，如C 型架附近有电焊作业时，测厚仪必须停电，否则会加速X 射线管的老化。为了防止突然电源断电对射线管使用寿命的影响需要匹配不间断电源。

（2）射源内高压绝缘油需要3 年检查一次，是否有漏油、变质、其他介质入侵等情况，根据现场情况更换高压绝缘油，要保证X 射线管完全浸入油里。

（3）要保证射源冷却温度在18～23 ℃，定期更换或清理冷却器滤芯、冷却油、风机滤网。特别是在轧制高精度板带箔时用的是煤油冷却，在轧机失火时C 型架应连锁断带信号，立即自动退出轧制线。

（4）测厚仪不工作时就把管电压和管电流降到最低范围段，射源不要停电，让系统处于待机工作状态。在更换同型号的射源后，如ACE 和Standard 做不过去，要检查每段厚度的精度误差，对应为微调该厚度段电压增益，增益和前置放大板电压成正比，与射源高压能量成反比，调整完后，实测产品样片精度，如厚度漂移量。如果是箔轧机则需要每一卷上料前厚度检测，不达标可重新做合金曲线；在生产中8 h 需要做一次Standard。

2.4 前置放大板信号波动对测量精度的影响

在C 型架的接收源探头里面，电离室上方的前置放大板作用是将接收的信号放大处理送入控制柜PLC 内进行运算，最终在上位机上显示厚度。前置放大板的电压精度很高，在测厚仪没有在线工作的情况下，前置放大板电压正常偏差在0.01～0.07 V波动，前置放大板电压范围0～10 V，电压突变会引起厚差波动，可以调整放大板的电位计进行微调，或检查屏蔽和接地系统是否有信号干扰，南方天气比较潮湿，接线端子触头易腐蚀等，会影响厚差的测量精度（图4）。

图4 探头前置放大板信号突变引起厚差波动

在维护前置放大板时，人体静电会烧坏电路板元件，更换时要注意人体必须接地，戴上绝缘手套方可工作。板子上有油污和灰尘时不要用毛刷清洁，可用吸尘器将介质吸走或用空气轻轻吹扫干净。

2.5 控制方式对厚度精度的影响

AGC 自动厚度控制控制系统运采用不同的方式用PID 调节原理实现张力、速度、压力、压下位置闭环控制的计算，计算后的控制信号再传送给PLC 控制系统实现对张力、速度、压力、位置的即时调整轧制出合格厚度的板带产品，根据厚度偏差信号轧机操作手选择合适的AGC 控制方式，可以有效提高产品的厚差精度。

2.5.1 反馈式闭环控制

反馈式控制也称后馈式，是厚度的主要方式之一。带材在轧制出来后，在出口侧的测厚仪测出的实际轧制厚度h2，系统会比较h2和目标厚度，实时把实测厚度反馈到AGC 系统中，如果实测h2和目标厚度出现偏差，就会把偏差量告诉压下装置，在AGC 系统中程序会根据轧机的刚度系数，所轧合金的塑性因素、厚度偏差反馈量等运算出，压下伺服阀动作的开口度数值，通过位置MD50 传感器得到压下位置动作情况来控制伺服阀动作，最终完成辊缝调节量消除厚差。

在反馈式控制中因为测厚仪离辊缝有一定距离，厚度偏差的测量和辊缝控制量不是在同一时间发生，所以实际轧出的厚度波动不能得到及时反映，会使自动厚度控制系统滞后一段时间，控制精度降低。

2.5.2 前馈式控制方式

在反馈式闭环控制中，存在控制传递滞后，特别是来料波动时，限制了精度的进一步提高，影响厚差控制。为克服此缺点采用前馈控制或是预控AGC 系统，它的优点是可预测可能产生的轧出厚度偏差，并消除此偏差，确定压下所需的辊缝调整量，根据前馈测厚仪的实测值到辊缝的时间和距离计算出调整的偏差量，消除偏差，提高控制精度。但是前馈式控制属于开环控制，因此控制效果不能单独进行检查，一般前馈控制和反馈控制配合使用效果会更好。

2.5.3 速度张力优化对厚差精控制

轧制速度和张力的增加都会使轧制后厚度减薄。如果使两者对厚度的影响相互抵消，即用调节张力的方法来补偿速度变化造成的厚差，可实现轧制后带材的厚度不变。在调节过程中如果能使稳定轧制阶段的速度一直保持在最大轧制速度上，同时在保证精度，可达到最大生产率的目的。

2.6 速度和张力环优化对测量厚度的影响

2.6.1 加速过程中的张力优化对测量厚度的影响

穿带结束后，随着轧制速度的增加需要减小张力，以补偿由于速度增加而引起带材厚度减薄。由于张力对带材厚度的调节有限，不能完全补偿加速过程中厚度减薄偏差量，所以在加速过程的低速阶段，张力采用上限值并保持恒定，当速度达到特定值后再进入张力补偿阶段。

2.6.2 稳定轧制阶段张力对测量厚度的影响

当加速过程结束，速度已经进入稳定轧制速度范围内，张力接近下限值，轧制速度保持稳定且为高速（图5）。当某种原因张力增大时，为了保证厚差在可控精度范围内，应增加速度、减小张力，最终回到稳定轧制阶段。同理，如果其他原因使张力下降，可以调整降速，使张力相对增加，回到稳定轧制阶段。在保证厚度精度的前提下，张力靠近下限值，保持尽可能大的轧制速度。

图5 速度张力优化对厚差的控制过程

2.6.3 减速过程的张力对测量厚度的影响

当一卷料要轧制完时，轧机开始减速，随着轧制速度的降低，需要加大张力，以补偿由于速度降低引起的厚度增厚，减速过程中张力的调节与加速过程中相反，张力的调节不能完全补偿减速引起厚度增加的偏差量，所以一旦张力增加到最大值，则张力补偿环就会断开，张力保持最大值直到轧制过程结束。

3 结论

（1）在日常的使用时，规范停送电操作规程，环境因素的稳定对测厚仪精度要求提供了保障，在车间突然断电时，测厚仪系统由不间断电源供电。定期清理X 射线窗口异物和检查薄膜表面是否穿孔。检查冷却水管和气管管道接头没有泄漏现象，电源采用专用隔离电源，射源与探头信号线在桥架中应分别穿金属屏蔽管，并且屏蔽线应接地良好，保证信号不受其他电磁信号干扰。

（2）测厚仪精度达到测量厚度的±0.1%，测量重复性达到测量厚度的±0.05%以内，信号漂移在8 h 未标定情况下，达到测量厚度的±0.1%；输入合金成分时要精确到小数点后4 位。定期检查不同合金曲线上点的精度，可适当调整电压增益，需要将调整后的数值重新写入PLC 的MI 管理器配置文件内保存，否则停电后会丢失。

（3）在厚度控制AGC 方式中，根据前馈测厚仪的实测值到辊缝的时间和距离计算出调整的偏差量，前馈式控制属于开环控制，生产中前馈和反馈控制配合使用厚度精度更好，可预测来料的偏差进行修正。

（4）在加速时张力补偿值尽量小，以速度环补偿为主进入目标厚度，速度进入最高速时张力环补偿进入下限范围，减速时张力环补偿逐渐加大；优化速度和张力环补偿能更好地控制带材的厚差精度。