X射線測厚儀測量精度影響因素及補償措施

魏運鵬 方偉新

(上海梅山鋼鐵股份有限公司設備部，江蘇 南京 210039)

0 引言

作為軋機基礎自動化功能的一個重要組成部分，測厚儀對軋鋼厚度的控制起到至關重要的作用。測厚儀為軋機自動增益控制(automated gain control，AGC)厚度控制提供測量值與設定值的偏差信號，其精確的厚度測量功能是保障軋機厚度控制精度的前提［1］。梅鋼冷軋廠采用X射線透射式輻射測厚儀，具有高精度、測量快速、無接觸、無損壞和連續等特點，能適應各種高溫、油污等惡劣復雜環境。在使用過程中，測厚儀的測量精度不可避免地受到如X光源的穩定性、合金成分、帶鋼位置和測量窗口的污染等因素的影響。

本文通過透射式厚度測量原理，對上述影響因素展開詳細的分析，提出了確保軋機測厚儀測量精度的補償措施。

1 測厚儀構成及測量原理

1.1 測厚儀構成

X射線測厚儀主要由X 射線源、可控高壓系統、探測器、信號轉換單元、客戶端、服務器等部分構成［2］，測厚儀原理圖如圖1所示。

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

1.2 測量原理

X射線由可控高壓和管電流的X射線管產生，采用穿透式非接觸測量方式來測量帶鋼厚度。入射線穿透被測帶鋼時會發生三種相互作用(即光電效應、康普頓散射和電子對效益)，射線強度將被減弱，剩余部分則被探測器吸收并轉換為電流信號。通過系統的進一步計算和數據補償，可得到帶鋼厚度數據。

被測帶鋼越厚，吸收X射線能量則越多，而探測器吸收到的射線能量越少。X射線強度在物質中的衰減規律遵循如下函數關系［3］:

式中:I為探測器吸收的射線強度;I0為t=0時探測器吸收的射線強度;μ為質量吸收系數，與帶鋼成分有關;ρ為帶鋼密度，與帶鋼成分有關;t為被測帶鋼厚度。當I0、μ、ρ固定時，通過測量I值即可計算出帶鋼的厚度t。

2 測量精度影響因素及補償

梅鋼冷軋產品的厚度范圍為0.18～1.2 mm，厚度控制最大允許誤差不超過5‰，配備X射線測量，精度要求達到1‰。為保證軋機測厚儀的測量精度，必須明確影響軋機測厚儀測量精度的因素，并制定有效的補償措施。

2.1 射線穩定性的補償

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

X射線源發射的X射線能量由射線管電流決定，管電流越大，激發的X射線能量就越大，而X射線的強度與射線管陽極高壓的大小有關，陽極高壓越大，X射線的強度越大，穿透力越強。所以，保證X射線的穩定即保證X射線管的管電流和陽極高壓穩定。隨著使用壽命的增加，光管燈絲發射電子的能力會減弱，從而導致管電流的降低。因此，在設備使用過程中需要定期對X射線管的管電流進行監視，如果發生明顯變化，可通過調整燈絲電壓的方式保證管電流的穩定。

2.2 測量元件的影響及補償

測厚儀測量元件是指射線探測器和探測器信號轉換單元，前者將檢測到的射線能量轉換為電流信號，后者將探測器信號轉換為數字信號。測厚儀通常采用電離室作為探測器，電離室是一種以惰性氣體為介質的射線探測器。當射線穿透帶鋼后，剩余射線射到電離室，并將電離室內的惰性氣體電離，產生正負離子，正負離子在電離室高壓電場的作用下反向運動產生電離電流［5］。電離電流通過信號轉換單元完成信號放大、I/V和A/D處理后輸出厚度測量值數字信號。電離室和信號轉換單元的穩定是厚度測量精度的重要保證，如果測量性能發生變化，將對系統測量精度造成嚴重影響。因此，需對測量元件的性能進行定期監測。

為保證測量性能系統每8 h進行一次自檢，需記錄兩個指標:①測量通道無帶鋼時，快門關閉，系統將客戶機接收到的數字信號轉換為電壓信號進行記錄，正常狀況下該電壓值為100 mV，記為CZ;②測量通道無帶鋼時，快門打開，系統將客戶機接收的數字信號轉換為電壓信號進行記錄，叫做全射線電壓值，約9700 mV。將檢測到的CZ和全射線電壓值代入式(3)，即可得到反映測量元件性能的CS指標。通過對CS值的監測即可獲知測量元件的性能。理想情況下CS為0.96。

對第一機架入口測厚儀兩個電離室CS的數據進行監測，其變化趨勢如圖2所示。

圖2 CS變化趨勢Fig.2 CS variation tendency

通過監測分析發現，2010年7月2#電離室CS發生突變，更換信號轉換單元對應的放大電路板后電離室CS恢復正常。

2.3 合金成分的影響及補償

根據式(1)可知，在探測器輸出電流相同的情況下，如果帶鋼成分發生變化，帶鋼的質量吸收系數μ和密度ρ也會變化，從而使被測帶鋼對射線的吸收能力發生變化，導致厚度測量值的變化［6］。因此，如果要保證測厚儀的測量結果精確，必須考慮帶鋼成分變化(也稱合金成分變化)對測量精度造成的影響，厚度測量系統必須采取相應的合金成分償方式才能降低成分變化對測量精度的影響。

在穿透式厚度測量過程中，對于中等能級的β和γ射線(如7.009×10－14J的 Cs-137產生的康普頓散射效應)，只需考慮帶鋼元素密度對厚度測量精度的影響;對于低能級X射線和γ射線(如6.372×10－15J的X射線光電效應)，則原子序數和元素密度造成的測量精度影響都要考慮在內。將帶鋼不同合金成分原子序數和元素密度對測量精度的影響進行補償，存在如下函數關系:

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

式中:Ai(ρ)為對帶鋼合金成分密度變化進行吸收補償的系數;Ai(z)為對帶鋼合金成分原子序數變化進行吸收補償的系數。當測量純鐵板無需進行合金補償時，Ai=1。

合金補償功能可以通過兩種方式實現:①在測厚儀系統中建立所有軋制鋼種的合金補償表，將每一鋼種的合金成分變化吸收補償系數固化，通過調用相應的合金補償表數據進行合金補償;②通過上位系統下發當前軋制帶鋼的合金成分和成分百分比含量，系統根據式(4)～式(7)完成合金補償功能。在鋼水冶煉過程中，每一種規格鋼水的合金成分和成分百分比含量與設定值之間均存在控制偏差。因此，如果按照方式①對每一鋼種厚度計算采用統一的合金成分變化吸收補償系數，帶鋼厚度計算將由于合金成分變化吸收補償系數的不準確而引入測量偏差。補償方式②采用動態補償，對每一卷帶鋼合金成分和各成分所占百分比采集相應冶煉爐次鋼水的檢化驗實際測量數據進行合金補償，能夠反映帶鋼合金成分構成的真實情況。方式②在一定程度上減小了合金成分變化吸收補償系數造成的帶鋼厚度測量偏差。

2.4 帶鋼角度的影響及補償

當帶鋼位置與射源和探測器連線的夾角≠90°時，射線穿透帶鋼的行程就會延長，對射線的吸收會增加，導致被測帶鋼比實際厚度偏厚［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器連線的夾角;t為帶鋼實際厚度;t'為沒有進行角度補償的帶鋼測量厚度。根據三角幾何知識，有:

當α≠0時，帶鋼厚度測量誤差估計有:當α=2°時，誤差為0.06%;當 α =3°時，誤差為0.55%;當 α =8°時，誤差為 0.97%。

帶鋼軋制過程中，在帶鋼張力的作用下，帶鋼位置與射源和探測器連線的夾角α保持不變，同時帶鋼方向與測厚儀前后兩側張力輥上輥面的連線方向平行。根據幾何知識，測厚儀前后兩側張力輥上輥面的切線方向與射源和探測器連線方向的夾角為(90°－α)。通過角度測量工具進行測量可以得到夾角(90°－α)的值，從而可以計算出角度α的值，系統根據式(8)可以自動完成帶鋼厚度的角度補償。梅鋼冷軋機組采用五機架六輥軋機，共配備5臺測厚儀。測厚儀的配置情況為:F1機架前后各配置1臺，F4機架后配置1臺，F5機架后配置2臺。其中，F5機架后測厚儀為一用一備，夾角參數一致。經測量，梅鋼冷軋軋機運行時，5臺測厚儀帶鋼位置與射源和探測器連線的夾角如表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償

盡管測厚儀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附著在射線窗口和探測器窗口，當附著的雜質不變時，會對測厚儀的測量精度造成一個固定的影響［8］。為消除油污等雜質對測量精度的影響，系統每8 h在無帶鋼的情況下進行一次全射線校正(射線直接照射探測器生成測量值)，并將每次全射線校正的結果與上次結果進行比較，得出8 h內由于油污雜質的影響增加的測量偏差。如果兩次結果的測量偏差小于1%，則系統通過軟件補償可以消除油污等雜質帶來的測量偏差;如果兩次結果的測量偏差超過1%，則必須將射線和探測器窗口的油污擦拭干凈，并通過標準板的測量將系統重新標準化，標準化完成后再進行全射線校正，系統自動記錄校正結果。因此，要利用停機時間對測厚儀射線和探測器窗口進行清潔維護，以保證系統的測量精度。

3 效果驗證

為保證帶鋼厚度測量的精度，公司規定每12個月對軋機測厚儀的測量精度進行一次計量校準。計量校準工作應用已知標準厚度的標準樣片組合成測厚儀測量范圍內的不同厚度值，在離線情況下對測厚儀的靜態測量精度進行校準［9］。

表2是對5#測厚儀的靜態測量精度校準結果。根據校準結果，測厚儀測量相對偏差小于1‰，符合軋機厚度控制要求。

表2 靜態校準數據Tab.2 The static calibration data

4 結束語

結合透射式X射線的厚度測量原理，本文從實際應用方面對測厚儀厚度測量精度的影響因素進行了詳細分析，并提出了各種因素的補償和消除措施。通過確保測厚儀測量功能的穩定、嚴格執行厚度測量精度的補償措施，軋機X射線測厚儀在線測量精度明顯提高，極大地滿足了產品厚度控制的要求。

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