Mit dem Laser im Walzwerk

Fokus

Der Trend in der Blechdickenmessung geht von Isotopen- und Röntgensystemen zur Lasermessung. Das neue System von LAP-Laser misst sogar unabhängig von den Materialeigenschaften.

26. März 2010

In der Inline-Dickenmessung von Band kündigt sich ein Umbruch an: Wo jahrzehntelang mit radiometrischen Methoden gemessen wurde, übernimmt jetzt die Lasertechnik. Das neue Calix XL ist den etablierten radiometrischen Systemen gleich in mehrfacher Hinsicht überlegen. Es misst schneller und mit höherer Genauigkeit, arbeitet unabhängig von den Materialeigenschaften des Bandes und taucht auf der To-do-Liste des Strahlenschutzbeauftragten nicht auf.

Dass man Abstände mit Laser-Triangulationssensoren aufs den Mikrometer genau messen kann, ist hinlänglich bekannt, doch in der Dickenmessung von Band konnte sich die Triangulation bisher nicht durchsetzen. Die Crux war, dass für die Dickenmessung zwei Sensoren benötigt werden, die am Ende eines C-Bügels montiert sind und deren Abstand direkt in das Messergebnis eingeht. Verzieht sich der C-Bügel, zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen, verfälscht das die Messung.

Bei vergleichsweise dickem Material wie Brammen oder Grobblech spielte es keine große Rolle, wenn sich der Abstand der Sensoren um einige Mikrometer veränderte. Bei Band jedoch führen bereits geringste Abstandsänderungen der Bügelenden zu unbrauchbaren Ergebnissen. In der Vergangenheit war es keinem Hersteller gelungen, den Abstand der Sensoren unter realen Betriebsbedingungen im Walzwerk so konstant zu halten, dass die Messgenauigkeit für die Anforderungen der Banddickenmessung akzeptabel war.

LAP hat jedoch jetzt einen Weg gefunden, den Abstand der Sensoren unter den Betriebsbedingungen im Walzwerk konstant zu halten. Mit dem neuen Messrahmen kann LAP nun die Vorteile der Laser-Triangulation auch für die Dickenmessung an Kaltband nutzen: Präzision, hohe Messrate, Materialunabhängigkeit und Sicherheit.

Dr.-Ing. Axel Schulz, der LAP-Vertriebsleiter ›Metall‹, sieht hohen Nutzen für seine Kunden: »Calix XL erreicht jetzt die Präzision bisher in Walzwerken verwendeter radiometrischer Systeme und übertrifft diese in vielen Fällen. So ist es beispielsweise für Beizen, bei der organischen und anorganischen Beschichtung sowie für Umwickel- und Inspektionslinien geeignet. Auch für Kunden, für die Inline-Dickenmessung bisher nicht wirtschaftlich war, eröffnen sich neue Möglichkeiten, die Banddicke präzise, einfach und kostengünstig zu messen. Ich denke dabei zum Beispiel an Stahl-Service-Centres oder die Wareneingangskontrolle von Coils.«

Stabil unter allen Bedingungen

Oliver Simon, der Konstrukteur des Messrahmens, hält sich ein wenig zurück, wenn es um Einzelheiten seines Entwurfs geht. Nur soviel gibt er preis: »Wir verwenden Invar und haben den Rahmen so steif konstruiert, dass er sich weder bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen noch aufgrund äußerer Belastungen oder innerer Spannungen verzieht.«

Er fährt fort: »Da wir wissen, dass die Fachwelt das neue System sehr genau unter die Lupe nehmen wird, haben wir es im Vorfeld auf Herz und Nieren getestet – auch das Temperaturverhalten. Wir haben ein System auf 5 °C abgekühlt, danach auf 45 °C erwärmt und permanent die Dicke einer Kalibrierscheibe gemessen. Ergebnis: Der Messwert änderte sich gerade einmal um ±2,5 µm.« Auch äußere Krafteinwirkungen hat LAP untersucht. Selbst die Belastung des Gabelendes mit 90 kg ruft keine messbare Änderung der Messwerte hervor.

Großen Nutzen bringt die hohe Messrate bis 4 kHz. Bei einer typischen Bandgeschwindigkeit von 300 m/min geben sie in Bandlaufrichtung alle 1,25 mm einen neuen Messwert aus.

Dr. Schulz: »Eine radiometrische Messung mit einem typischen Messintervall von 60 ms erreicht bei gleicher Bandgeschwindigkeit einen Abstand der Messwerte von 300 mm. Selbst bei einer Bandgeschwindigkeit von 1500 m/min liefert Calix XL alle 6,25 mm einen neuen Messwert und ist so ideal für eine schnelle Dickenregelung. Und die auch örtlich hoch aufgelösten Dicken-Längsprofile erlauben es, den Dickenverlauf jedes Coils im Detail zu analysieren.«

Aufgrund der hohen Messfrequenz folgt das System selbst schnellen Dickenänderungen des Materials sofort.

Thorsten Krüger, bei LAP verantwortlich für die umfangreichen Tests, erläutert das an einem extremen Beispiel: »Um zu zeigen, was Calix XL kann, haben wir einen 70 µm dicken Folienstreifen auf unsere Kalibrierscheibe geklebt und so einen abrupten Dickensprung erzeugt. Man bedenke: Das ist kaum dicker als ein Haar! Das System gab den Sprung innerhalb etwa 3 ms exakt wieder. Aufgrund seiner Präzision und der hohen Messrate erkennt es auch zyklisch wiederkehrende Dickenänderungen, die etwa durch exzentrisch laufende Walzen verursacht werden.

Unabhängig von Materialeigenschaften

Da Calix XL lediglich zwei Abstände misst, arbeitet es unabhängig von der metallischen Zusammensetzung des Bandes. Sei es Stahl, Aluminium, Kupfer oder Messing – Materialkennwerte brauchen nicht eingegeben und gepflegt zu.

Zu guter Letzt spielt auch die Beschaffenheit der Oberfläche keine Rolle – die unterschiedliche Reflexivität matter oder glänzender, glatter oder rauer, lackierter oder verzinkter Oberflächen kompensiert die Elektronik automatisch.

Die neuen Systeme sind so kompakt, dass sie ohne Umbaumaßnahmen in bestehende Bandanlagen integriert werden können – ein System erfordert in Bandrichtung lediglich eine Lücke von 300 mm. Außerdem ist die gesamte Elektronik im Messrahmen integriert, ein Schaltschrank ist nicht erforderlich. So ersetzen Calix-XL-Systeme radiometrische Systeme, ohne Umbauten an der Bandanlage zu erfordern; existierende Verfahreinrichtungen können weiterhin genutzt werden.

Die Leistung der Laser ist mit 1 mW (Laserklasse 2) so gering, dass kein Laserschutzbeauftragter benannt werden muss – Aufwand für Strahlenschutz: null. Das Anbringen eines Warnschildes reicht aus, um die Vorschriften zum Schutz vor Strahlung zu erfüllen.

Der geschlossene Messrahmen ist komplett gekapselt und verschleißfrei, deshalb muss Calix XL während des Betriebes nicht in regelmäßigen Abständen kalibriert werden. Lediglich die Fenster der Optik müssen regelmäßig gereinigt werden. Wegen der hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit sollte das System jedoch zyklisch einer präventiven Wartung unterzogen werden.

2009 hat Thyssen-Krupp Steel einen Betriebsversuch durchgeführt. Der Praxisbetrieb hat die Laborergebnisse bestätigt und nach Abschluss der Testreihe hat Thyssen-Krupp Steel weitere acht Systeme für das Werk ›Compass‹ in Alabama bestellt, die gleichzeitig mit dem neuen Werk in Betrieb gehen werden.

Axel Schulz zieht Bilanz: »Der Wechsel von radiometrischen zu laseroptischen Messverfahren bietet den Anwendern ein enormes Potenzial, präzise und hoch aufgelöste Dickenmesswerte zu nutzen. Außerdem machen der vergleichsweise geringe apparative Aufwand der Lasertechnik sowie die niedrigen Kosten für Kalibrierung und Wartung die Systeme gleichzeitig zu einer attraktiven Lösung bei Neubau und Modernisierung.«

Das Messprinzip

Zur Messung von Abständen mit Laser-Triangulationssystemen erzeugt ein Laserstrahl auf der Oberfläche des zu messenden Objektes einen Lichtpunkt. Über eine Optik wird dieser Punkt auf eine CCD-Zeile abgebildet. Ändert sich der Abstand, so verschiebt sich der Punkt auf der CCD-Zeile. Ein Digitaler Signalprozessor (DSP) nimmt das Signal der CCD-Zeile auf und berechnet daraus den Abstand zum Objekt.

Für die Dickenmessung von Bändern werden zwei gegenüberliegende Sensoren verwendet, die in einem C-Bügel angeordnet sind. Die Banddicke wird aus der Differenz des Sensorabstandes und der beiden gemessenen Abstände ermittelt.

Umfangreiche Messungen zeigen, dass die neuen Calix-XL-Sensoren mit einer Genauigkeit von ±4 mm und einer Wiederholgenauigkeit von ±0,4 mm (2 s) messen, und zwar über den gesamten Dicken-Messbereich von 0,02 bis 30 mm.

Erschienen in Ausgabe: 02/2010