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1、THERMO RM215测厚仪在热连轧中的应用与研究 首钢迁钢公司 周艳龙摘要：高速非接触X射线测厚仪表是现代轧机厚度控制系统的关键测量部件,是钢铁、铝、铜等行业的厚度公差精度控制的重要仪器,本文主要对THERMO Radiometrie（瑞美）RM215 X射线测厚仪的测量原理、组成、测量精度控制及在轧机上应用的维护保养等方面作了较全面的论述。RM215 X射线测厚仪测量就是把检测器接受到的检测电压信号转换成厚度的过程，通过提供实时的绝对值或者偏差测厚信号，改善生产质量，特别设计的机械结构能适用于苛刻的应用环境，温度和合金补偿提供了更为精确的测量。 关键词：X光测厚仪、X射线管、光电倍增管、
2、 标样、校准（标定） 1 概述 厚度是金属加工的尺寸质量指标之一，厚度自动控制是现代金属轧制生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制是通过测厚仪或传感器等对金属实际轧出厚度连续地进行测量，并根据实际测量值与给定值相比较后的偏差信号，借助于控制回路和装置，经过计算机的功能程序，改变轧机的压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许的偏差之内的方法。一个厚度自动控制系统应由三部分组成：厚度的检测部分、厚度自动控制装置、执行机构。测厚仪作为一种在线测量板材厚度的精密仪器，在整个轧机的AGC系统控制系统中占有非常重要的地位。例如:测厚仪的X射线源的射线通过0.1MM的带钢,探测器接受到的信号送到控制柜
3、进行运算处理,然后送到AGC(厚度自动控制系统),再由该系统给执行机构(液压压下、弯辊、单侧压下、等执行机构)发出指令,对轧辊进行控制,从而保证带钢的最终成品厚度.它为AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的准确和灵敏度直接影响了轧制板材的厚度质量。 THERMO Radiometrie（瑞美）RM215测厚仪可为带钢提供精确、高速的非接触式厚度测量。它采用模块化设计，配置灵活，维护简便，性能指标优异，用户能够根据RM215测后仪提供的对测量结果的绝对值或偏差的实时的反馈来提高产品质量。因此，RM215测厚仪响应速度快、噪声小、精度高而在冷热轧线得到广泛应用。 2 RM215 X射线测厚仪的组成
4、原理及技术特性 测厚仪的组成 RM215 测厚仪的布置图如下：测厚仪主要由主控制柜、接线箱、报警灯、C型架等组成。图1. 测厚仪连接布置图3 测厚仪的基本结构和测量原理 3.1 测厚仪的基本结构 1. C型架 C型架主要用来装载Xray信号源和检测器等，X射线源和探测器被设置安装在重金属框架内,已获得最佳保护，而被测量的带钢必须处于C型架的中心线,保证测量的准确性。吹风系统避免了赃物及轧制灰尘铁屑等聚集在窗口表面,有利于在恶劣工作条件下保持测厚仪的性能,而水冷系统可以保证X射线源及探测器不过热而正常工作。 C型架的驱动和控制内部通过测量屋内操作站画面上的C型架控制画面进行远程控制，完成其行走和
5、定位控制，外部通过机旁箱上的按钮对C型架进行拉入和拉出。在辊道有废钢的情况下，C型架可以迅速移开拉出辊道,防止损坏。C型架结构如下图所示： 图2. C型架结构图C型架采用12.5mm厚的钢板制造，以防止信号源、接收器以及一些敏感的元器件被破坏,同时信号源与接收器两侧采用特殊的钢板封闭.以防止射线造成危害。 2.X射线源 X射线源的基本结构和放射原理： X射线源主要由X射线管、阴极丝变压器、高压倍压电路组成。X射线是密封真空的，它的阴极是钨丝，阳极是由钨制成的目标靶。当阴极通电时，阴极钨丝由于变热而产生热电子，热电子在高压作用下产生动能，并以很大的加速度射向阳极目标靶，形成管电流。当热电子撞到阳
6、极靶时，它的动能就转换成热和X射线，穿透射线管以光子的形式发送出去。X射线管的电压决定X射线的穿透能力，通过X射线管的电流量决定X射线辐射的强度。X射线快门的操作,在测量屋操作画面上可以进行手动的打开或关闭快门。 X射线个高电压分为以下几个等级: 10、15、30、50、60、70、80、90、100、120、160kV。 首钢2160测厚仪X-ray参数如下: 信号源工作电压：140KV (MAX) 、80KV (MIN) X-ray信号源工作电流：1.2mA 测量厚度范围：1.3mm19.5mm 测量物体温度：8001100 3.检测器 X射线检测器主要由光电倍增管和前置放大器组成。 光电
7、倍增管是光子技术器件中的一个重要产品,是一种多极放大的光电转换器。 它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件,它将微弱的光信号转换成一定量的电信号,其放大倍数通过调节阳极电压改变,最大倍数可达109,输出电流与X射线强度成正比.光电倍增管可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。 光电倍增管的阴极加有高压（通常几百伏）。当X射线射到光电倍增管的阴极时产生电子，在阴极电压的作用下，倍增管把阴极的每个电子（假设每极放大N个电子）增加到D
8、（D为倍增极数）个电子，即放大管电流，最终达到阳极，然后通过前置放大电器把管电流放大并转换成电压形式。 4.标准块盒 标准块盒的主要作用是对测厚仪进行校准，也就是说我们通常所说的标定,由标定的结果我们得到一组标定曲线,标准块盒的位置是在X射线管的上面,由标准块组成,每个标准块由一个电控电磁阀线圈驱动放到X射线中,通过计算机控制可得到不同厚度的标定。 5.控制柜 控制柜内装有系统处理器、能量供应装置、X射线源驱动器、直流供电及操作站实时监视系统等。主控制柜的元件有:维护用PC、本地操作面板（仪表上电、掉电显示，急停按钮，快门和X射线状态）、键盘、UPS电源、X射线驱动、以太网hub、供电单元、厚
9、度仪控制单元。 主电气柜主要用于控制Xray信号源的产生、处理检测器的检测信号，处理所有扫描、标定以及将检测器信号转化为真实的厚度测量值。 6.冷却器 冷却器主要是对X射线信号源和检测器进行冷却，以防止温度过高损坏信号源和检测器。 7.连接箱和进线箱 连接箱和进线箱主要用来信号线的连接以及水、空气管路的连接，和C型架的运动控制等。 接线箱安装在C型架附近。接线箱上有两个按钮可以控制前进和后退。 8.报警灯组合 在测量屋的屋顶，安装有警示灯，通过警示灯的亮与灭来说明X射线源和挡板的工作状态。 蓝灯灭：X射线关 蓝灯闪：正在产生X射线 蓝灯亮：X射线开 红灯灭：X射线挡板关 红灯闪：X射线正在打开
10、红灯亮：X射线挡板开 3.2 基本测量原理 光电效应是X射线测厚仪的理论基础。 当检测器和放射源之间有板材通过时，X射线源发射出强度为Io的射线穿透板材时，被板材吸收掉一部分，强度逐渐减弱，穿过钢材到达检测器的是强度被减弱为I的射线，减弱按指数曲线下降，他们有如下关系： I = Io -erx其中：Io射线的初始强度，与加在X射线管上的高电压成函数关系； I 到达检测器时的射线强度； 吸收系数，它取决于被测量的材料，也与加在X射线管上的高电压成函数关系； r 材料密度； X被测材料的厚度； e自然对数底数； 当和Io一定时，I仅仅是厚度X的函数，所以测出I就可以知道厚度X，X射线测厚仪原理是根
11、据X射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度的，由X射线探测头将接受到的信号转换成电信号，经过前置放大器放大，再由测厚仪操作系统转换为显示在操作画面上的直观的实际厚度信号。如果改变被测钢板的厚度，X射线的吸收率也将改变，检测器探头所接收的X射线量将发生改变，随之输出信号发生变化。 吸收系数取决于被测物的位置和X射线的电压等级，吸收系数通常可以作为质量吸收系数可以用下面的公式建立： I = Ioe-rx =Ioe（/ P）P x； 式中:P材料的密度； / P质量吸收系数； 当X射线全被吸收时，探测器没有电压输出，也就说输出0V，当没有带钢在X射线中，全值输出电压是10V，当有带钢在X射线中
12、穿过时，探测器输出0V10V的电压值，电压输出值随着带钢的厚度而变化。如下图所示：4 测厚仪的基本功能 4.1 标定 标定是通过对由标块组成的各种厚度的标样进行测量、计算，从而得到一组值，并通过“仿样插入法”建立起一组标定曲线（基准参数），测厚仪的其他功能都是在标定曲线的基础上建立起来的，它是一个全自动的过程。 1.标定的原理 标定的原理是用已知的厚度变化量来检测探头信号的变化量。 标定标准是所测量的探头信号其对应的厚度应和已知的厚度相同，利用自动将标定样品插入X射线源所发射的辐射束中，由较小的厚度逐渐到较厚的厚度, 目的是确保已知的厚度变化, 在已知的X 射线源和探测器操作条件下, 通过在已
13、知材料样本中测量辐射束的衰减量，检测出探测器信号里的已知变化。计算机计算出方程式中的数值, 把这些动态校准系数的厚度作为标准点存储起来, 在以后的测量中经过测量计算即可快速准确地得到实际厚度, 经与设定厚度比对计算后, 根据设定的满标偏转量, 输出偏差信号。 标定样品是已知厚度的被测件，其厚度范围是以二进制的顺序排列，覆盖测厚仪的厚度量程，这些样品安装在系列标准校准样品暗盒中，暗盒位于射线源固定器的内侧，标准样品暗盒安装在支撑臂上，利用螺线管的动作，进行标准样品的移入和移出。我厂测厚仪中所使用的标定样品如下表所示： 注意：第一个标准在全标定不被用到,它只作用为精度检查。其它厚度范围的测量标准根
14、据厚度测量范围和所需求的方案来选择。 标定过程能够覆盖整个热轧产品的带钢厚度从1.5mm 到23mm，标定不进行完，测厚仪将不会进行测量。 在对标准块进行测量时,为了从系统中得到较好的信噪比, 对于给定的正常厚度,从检测器接收到的信号应保持为一个大小合理的恒值，当增加标块的厚度时,因为检测器的电压与接收到的射线强度成正比,所以测量的过程就是处理对不同厚度的标块对应的一组检测器所输出电压值的过程，公式如下: X = C - kln(V) ln(V)-是从检测器所收到电压的自然对数。在软件中,C 叫做 ADDCON,K 叫做 MULCON。 标定的过程也可以说是求得一组电压值所对应的C、K值的过程
15、。 2.标定的两种模式 测厚仪表有两种自动校准（标定）模式：全校准和单点校准。 全校准 全校准也就越是我们通常所说的全标定，在这种模式下，建立一张包括整个测量范围的标定数据表，这张标定数据表由一系列包括有整个测量范围内不同厚度的标准样品组成标样组,与每个组相关的是一个独立变量厚度，和一个独立变量千伏设定点，当按下标定（FULL CALIBRATE）按钮时，标定过程开始，这个标定按扭在测量屋操作站的触摸屏上。随后，测厚仪自动将最小标准厚度的样品组插入到电压设定的X射线束中，进行标定工作。对于每个标定点两个不同的厚度值用来计算公式X = C - kln(V)的系数C和K的值,这是系统通过检测探测器低和高的这两个输出,在全标定中,测厚仪依据所设定的标定时序，以二进制序列组合自动进入X射线光束内,对每种组合样品测量得到一个相应的检测器输出信号,获得标定值矩阵,标定所有可选厚度,标块仅在校准期间接通电源进入X射线束中,依次进行标定，直到最大厚度的标定样品标样标定完成。 全标定至少在每8小时进行一次，标定整个厚度的测量范围。 厚度标定时序的设定，既可以自动设定，也可以在标定配置（CALIBRATION-CONFIGURE）中进行手动设定。操作画面如下： 完全标定使用内部标准样品和所需标定点,对配置页进行正确配置,当配置完成,一次完整的标定将开始,步骤如
