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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung von Kräften auf Walzen- oder Rollenoberflächen und / oder zur Messung von Temperaturen an deren Oberflächen, insbesondere für Walzen oder Rollen einer Walzstraße oder Stranggießanlage. Dabei sind Sensoren in Querbohrungen nahe der Oberfläche der Walzen oder Rollen eingebracht, mit denen die Temperaturen bzw. die auf deren Oberflächen wirkenden Kräfte gemessen werden können.
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Stand der Technik
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Es sind diverse Vorrichtungen und Verfahren bekannt, um Temperaturen an Walzen- oder Rollenoberflächen zu bestimmen. So werden zum Beispiel Thermoelemente an Walzenoberflächen zur Temperaturmessung vorgesehen. Nachteilig bei der Verwendung solcher Thermoelemente ist, dass keine kontinuierliche Messung der Temperatur entlang der ganzen Breite einer Walze möglich ist, zudem muss jedes einzelne Thermoelement verkabelt werden.
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Kräfte bzw. Drücke, die auf die Oberflächen von Walzen oder Rollen wirken, werden meist an deren Lagern durch entsprechende Sensoren gemessen. Nachteilig an einer Anordnung von Sensoren an den Lagern ist allerdings, dass keine Information über die Verteilung des Drucks an der Walzen- bzw. Rollenoberfläche geliefert wird.
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Viele bekannte Systeme, wie zum Beispiel die gerade genannten, können zudem entweder nur eine Temperaturerfassung ermöglichen oder eine Kraft- bzw. eine Druckerfassung, jedoch nicht beides.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt Strangoberflächentemperaturen zu messen. Bekannte Lösungen zur Messung der Strangoberflächentemperatur verwenden Pyrometer, die jedoch häufig durch Verschmutzen ausfallen und oft durch lose Schlacke und Wasser auf dem Strang große Abweichungen der gemessenen Temperaturen aufweisen. Alternativ werden zu diesem Zweck auch Thermoelemente vorgesehen, die an einem sich bewegenden Strang befestigt werden, wobei allerdings stets ein Kabel nachgeführt werden muss und eine solche Messung nicht dauerhaft ist.
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Dokument
DE 10 2005 042 159 B3 zeigt eine Messrolle auf deren Tragkörper eine Ummantelung aufgebracht wird und in der piezoelektrische Sensoren angeordnet werden, die eine Messung des Drucks ermöglichen, der auf die Oberfläche der Messrolle wirkt. Die Ummantelung des Tragkörpers der Messrolle ist mit beabstandeten Füllräumen versehen, die ein Material aufnehmen, das eine höhere Elastizität als das Material der Ummantelung aufweist. Weiterhin können zusätzlich zu den Drucksensoren Temperatursensoren in bzw. an der Messrolle angebracht werden. Nachteilig an dieser Anordnung ist unter anderem die Einschränkung der Anzahl der Messpunkte, die zum Beispiel durch die Größe der jeweiligen Sensoren gegeben ist. Weiterhin kann die Messung von Temperaturen und Kräften nicht durch einen einzigen Sensortyp erfolgen. Darüberhinaus ist es impraktikabel jede Walze oder Rolle, z. B. in einer Walzstraße oder in einer Strangführung, mit einer solchen Ummantelung auszurüsten. Diese Maßnahme wäre sehr teuer, zudem könnte eine solche Ummantelung nicht den großen mechanischen Kräften sowie den auftretenden hohen Temperaturen standhalten.
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EP 1 469 955 B1 zeigt eine Vollrolle zum Feststellen von Planheitsabweichungen, in der einzelne Sensoren zur Kraftmessung in Bohrungen angeordnet werden. Diese Sensoren erlauben keine Temperaturerfassung. Zudem können die offenbarten Sensoren Messwerte lediglich punktweise aufnehmen.
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EP 1 752 231 A2 offenbart eine Messrolle zur Messung einer Bandzugspannung und / oder der Bandtemperatur, mit einem Grundkörper, auf dem ein Mantelrohr aufgeschrumpft ist. Dabei weist der Grundkörper Ausnehmungen auf, in denen Sensoren zur Messung der Bandzugspannung und / oder der Temperatur angeordnet werden können. Häufig ist das Aufschrumpfen eines Mantelrohrs nicht möglich. Bei starker Hitzeeinwirkung, wie sie zum Beispiel beim Walzen von heißem Walzgut auftritt, kann sich das Mantelrohr lösen oder auch einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, wodurch z. B. ein Druck auf die Sensoren variieren kann. Zudem ist die Herstellung eines zusätzlichen Mantelrohrs mit Kosten verbunden, gleiches gilt für das Aufschrumpfen des Rohrs, wie etwa bei großen und schweren Walzen.
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Die Gebrauchsmusterschrift
DE 201 19 194 U1 offenbart eine Messrolle zur Messung einer Bandzugspannung und / oder der Bandtemperatur. Zur Messung werden Sensoren in Form von Lichtwellenleitern verwendet, die durch einen faseroptischen Drehübertrager mit einer stationären opto-elektronischen Erfassungseinheit verbunden sind. Die Sensoren funktionieren mit Hilfe eines Bragg-Gitters. Dabei ist die Messrolle mit einem elastischen Mantel umgeben. Es ist allerdings nachteilig, ja sogar nicht für alle Anwendungen möglich, einen solchen Mantel auf eine Walze oder Rolle aufzubringen.
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Die
DE 101 57 792 A1 offenbart eine Messrolle bzw. Messwalze mit einer zentrischen Bohrung. Die Bohrung verläuft entlang der Mittelache der Messrolle bzw. Messwalze. In dieser einzelnen Bohrung ist der Lichtwellenleiter angeordnet.
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Die technische Aufgabe, die sich somit aus dem aufgeführten Stand der Technik ergibt, ist es zumindest einen der obengenannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine einfache, kostengünstige Vorrichtung und ein einfaches, kostengünstiges Verfahren zur kontinuierlichen Kraft- bzw. Druckerfassung und / oder kontinuierlichen Temperaturerfassung an der Oberfläche von Walzen oder Rollen bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die obengenannte technische Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Kräften auf Walzen- oder Rollenoberflächen und / oder zur Messung von Temperaturen an Walzen- oder Rollenoberflächen mittels Sensoren gelöst, wobei die Walzen oder Rollen einen Grundkörper umfassen und die Sensoren mit einem Auswertungssystem außerhalb des Grundkörpers verbunden sind und die Sensoren durch mindestens einen Lichtwellenleiter zur Messung von Kräften und / oder Temperaturen gebildet sind, der in oberflächennahen Querbohrungen in dem Grundkörper angeordnet ist, so dass durch den mindestens einen Lichtwellenleiter eine Erfassung von Kräften auf die Walzen- oder Rollenoberfläche und / oder eine Temperaturerfassung an der Walzen- oder Rollenoberfläche erfolgen kann. Durch die vorteilhafte Anordnung von Lichtwellenleitern in Querbohrungen im Grundkörper einer Walze bzw. Rolle, wird eine einfache Erfassung der auf die Walzen- bzw. Rollenoberflächen wirkenden Kräfte und / oder eine Temperaturerfassung an der Walzen- oder Rollenoberfläche ermöglicht. Das faseroptische Messverfahren ermöglicht es darüberhinaus, entlang der Walze oder Rolle Temperaturen und Kräfte bzw. Drücke mit einer sehr hohen Auflösung zu bestimmen. Durch die kontinuierliche Messung von Kräften direkt an der Walzen- oder Rollenoberfläche wird eine genaue Justierung der Walzen oder Rollen möglich, wodurch sich ihr Verschleiß minimieren lässt. Weiterhin kann durch diese Messung auf die Temperaturverteilung eines beförderten bzw. gewalzten Strangs oder Bands geschlossen werden.
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Zwei zur Achse der Walze oder Rolle parallele Bohrungen und / oder Sacklochbohrungen zur Aufnahme eines Lichtwellenleiters (4, 4', 4") sind vorhanden, wobei der Abstand der einzelnen Bohrung und / oder Sacklochbohrung zur Oberfläche der Walze > 1 mm und < 30 mm beträgt.
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Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der mindestens eine Lichtwellenleiter im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Grundkörpers angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der mindestens eine Lichtwellenleiter über die gesamte Breite des Grundkörpers angeordnet. Dadurch kann mit nur einem Lichtwellenleiter die gesamte Breite einer Walze oder Rolle auf einer Linie abgedeckt werden. Es wird keine Vielzahl von Sensoren benötigt, die unter Umständen abgestuft hintereinander, in Bezug auf die sich drehende Walze oder Rolle, angeordnet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der mindestens eine Lichtwellenleiter in mindestens einem Sackloch angeordnet. Sacklöcher sind sehr einfach zu realisieren, wobei auf ihrer gesamten Länge ein Lichtwellenleiter angeordnet werden kann, der kontinuierlich über diese Länge Werte für Kraft bzw. Druck und / oder Temperatur liefern kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der mindestens eine Lichtwellenleiter in der Oberfläche des Grundkörpers mäanderförmig und / oder spiralförmig angeordnet. Durch diese vorteilhafte Anordnung kann insbesondere die Auflösung der Messung noch weiter verbessert werden, da mehr Messpunkte pro Fläche bzw. Strecke bereitgestellt werden können, auch wenn nur ein einzelner Lichtwellenleiter für die Messung von Kräften und / oder Temperaturen an einer Walzen- oder Rollenoberfläche verwendet wird.
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Abgesehen von der Vorrichtung umfasst die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Messung von Kräften auf Walzen- oder Rollenoberflächen und / oder zur Messung von Temperaturen an Walzen- oder Rollenoberflächen mittels Sensoren, wobei die Walzen oder Rollen einen Grundkörper umfassen und die Sensoren mit einem Auswertungssystem außerhalb des Grundkörpers verbunden werden und die Sensoren durch mindestens einen Lichtwellenleiter zur Messung von Kräften / und oder Temperaturen gebildet werden, der in oberflächennahen Querbohrungen im Grundkörper angeordnet wird, so dass durch den mindestens einen Lichtwellenleiter eine Temperaturerfassung an der Walzen- oder Rollenoberfläche und / oder eine Erfassung von Kräften auf die Walzen- oder Rollenoberfläche erfolgen kann.
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Der Lichtwellenleiter wird zumindest in zwei zur Achse der Walze oder Rolle parallele Bohrungen und / oder Sacklochbohrungen angeordnet, wobei die einzelne Bohrung und / oder Sacklochbohrung in einem Abstand von > 1 mm und < 30 mm zur Oberfläche der Walze verläuft.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen weitgehend den Vorteilen der vorbeschriebenen Vorrichtung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Lichtwellenleiter im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Grundkörpers angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Lichtwellenleiter über die gesamte Breite des Grundkörpers angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Lichtwellenleiter in Sacklöchern angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der mindestens eine Lichtwellenleiter in der Oberfläche des Grundkörpers mäanderförmig und / oder spiralförmig angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird durch das Auswertungssystems aus den gemessenen Kräften der Druck auf den Grundkörper der Walze oder Rolle ermittelt und die Walze oder Rolle mit Hilfe der ermittelten Druckwerte derart justiert, dass ihr Verschleiß minimiert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden zur Justierung die Drehlager der Walze oder der Rolle in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Walze oder Rolle und / oder in Richtung der Drehachse der Walze oder Rolle verstellt. Durch diese Verstellung kann eine optimale Positionierung der Walze oder Rolle vorgenommen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Walze oder Rolle zur Minimierung des Verschleißes derart justiert, dass die ermittelten Druckwerte entlang des Grundkörpers, in Richtung seiner Drehachse, möglichst gleich sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt durch den mindestens einen Lichtwellenleiter sowohl eine Temperaturerfassung als auch eine Krafterfassung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mit Hilfe der Werte der Walzen- bzw. Rollenoberflächentemperatur die Oberflächentemperatur eines durch die Walzen gewalzten Strangs oder eines durch die Rollen beförderten Strangs, ermittelt. Mit diesem Merkmal kann eine dauerhafte Ermittlung der Strangoberflächentemperatur gewährleistet und die ermittelte Strangoberflächentemperatur nachfolgend für Mess- und Regelaufgaben genutzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird zum Ermitteln der Oberflächentemperatur des Strangs ein Modell zur Wärmeübertragung zwischen Walze oder Rolle und dem Strang angewendet. Durch die Verwendung eines Modells der Wärmeübertragung kann die Oberflächentemperatur des Strangs noch präziser bestimmt werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden kurz die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei eine detailliertere Beschreibung und weitere vorteilhafte Merkmale in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele gegeben werden. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Walze mit einem Grundkörper, wobei sich im Grundkörper der Walze oberflächennahe Sacklöcher befinden, in denen Lichtwellenleiter angeordnet sind; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Walze, wobei sich im Grundkörper der Walze oberflächennahe Bohrungen befinden, in denen Lichtwellenleiter mäanderförmig angeordnet sind; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Rolle mit eingezeichnetem Kühlmittelstrom und Lichtwellenleiter in einem oberflächennahen Sackloch, der durch einen optischen Drehübertrager mit einem Lichtwellenleiter außerhalb der Rolle verbunden ist; und
- 4 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines faseroptischen Drehübertragers gemäß 3.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die schematische Darstellung gemäß 1 zeigt eine Walze bzw. eine Rolle 1, mit links und rechts liegenden Zapfen. Der Walzen- bzw. Rollengrundkörper 2 weist oberflächennahe Bohrungen bzw. Sacklöcher 3 auf. Solche Bohrungen 3 können mit bekannten Verfahren vorgenommen werden, wie zum Beispiel durch Funkenerodierung. Der Durchmesser und die Länge sowie der Abstand der Bohrungen 3 zur Grundkörperoberfläche richten sich nach der konkreten Anwendung. Der Durchmesser der Bohrung hängt bspw. von den verwendeten Lichtwellenleitern 4 ab. Diese können von einer Ummantelung aus Edelstahl oder einer anderen üblichen Schutzummantelung umgeben sein. Weiterhin können auch mehrere Lichtwellenleiter 4 in einer Bohrung 3 angeordnet werden. Falls dies der Fall ist, können diese auch der Länge nach versetzt in den Bohrungen 3 angeordnet werden, wodurch die Messgenauigkeit weiter erhöht werden kann. Eine einzelne Lichtwellenleiterfaser kann zum Beispiel den Durchmesser von 0,1 mm - 1 mm besitzen, aber auch kleinere oder größere Durchmesser aufweisen. Der Abstand der Bohrungen 3, die parallel zur Oberfläche der Walze oder Rolle 1 und / oder parallel zur Drehachse der Walze oder Rolle 1 angeordnet werden können, hängt zum einen vom Material ab, aus dem die Walze oder Rolle 1 gefertigt ist und zum anderen von der Masse bzw. dem Druck ab, der auf deren Oberfläche lastet. Bei der Kraft- bzw. Druckmessung kann bei einer Masse von mehreren Tonnen der Abstand zwischen Bohrung und Walzen- bzw. Rollenoberfläche geringer ausfallen als bei einer geringeren Masse, die auf der Walze oder Rolle lastet. In allen Fällen sollte der Abstand der Bohrung von der Walzen- bzw. Rollenoberfläche geringer als 3 cm, aber größer als 1 mm sein. Der Abstand muss zudem wenigstens so klein sein, dass die Deformation der Walzen- bzw. Rollenoberfläche, durch den auf ihr lastenden Druck, noch durch die Sensoren 4 detektiert werden kann, dass heißt, dass sich auch die Sensoren 4 selbst mechanisch deformieren. Ist die Druck- bzw. Kraftverteilung entlang der Oberfläche und der Längsachse einer Walze bzw. Rolle 1 bekannt, so kann diese so justiert werden, dass sich ein möglichst geringer Verschleiß an der Walze oder Rolle 1 und einem geförderten bzw. gewalzten Strang ergibt. Die Kräfte, die dabei relevant sind und gemessen werden, wirken im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Walzen oder Rollen 1.
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2 zeigt ebenfalls eine Walze bzw. eine Rolle 1', in der oberflächennahe Bohrungen 3' angeordnet sind. Die Bohrungen 3' durchlaufen dabei die gesamte Breite des Grundkörpers 2' und werden von ihrer Position und Größe her entsprechend der Anordnung in 1 vorgesehen. Lichtwellenleiter 4' sind in den Bohrungen 3' so angeordnet, dass sie mäanderförmig verlaufen. Dadurch ist über die gesamte Breite der Walze bzw. Rolle 1 eine Temperatur- und Kraftüberwachung an der Oberfläche möglich. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können mehrere Lichtwellenleiter 4' innerhalb einer Bohrung 3', unter Umständen versetzt, angeordnet werden.
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Darüber hinaus kann die Verlegung des Lichtwellenleiters auch in Umfangsrichtung der Walze bzw. Rolle 1, 1' erfolgen. Generell kann vorzugsweise durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Kraftprofil über die gesamte Breite der Walze bzw. Rolle 1, 1' bestimmt werden. Außerdem ist es insbesondere möglich einen Lichtwellenleiter 4, 4' zur Messung der Temperatur vorzusehen und einen weiteren Lichtwellenleiter 4, 4' zur Messung von Dehnungen bzw. Kräften vorzusehen.
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3 zeigt ein schematisches Beispiel einer Antriebsrolle 1'', die wie durch die Pfeile im Zentrum der Rolle 1' dargestellt mit Kühlmedium durchströmt ist. Im Wesentlichen sind parallel zur Oberfläche des Grundkörpers 2'' der Rolle 1" Lichtwellenleiter 4'' in Bohrungen 3'' im Grundkörper 2'' eingebracht. Die Lichtwellenleiter 4'' im Grundkörper 2'' können, wie in 3 dargestellt über einen faseroptischen Drehübertrager 5 mit feststehenden Lichtwellenleitern 4'" außerhalb des Grundkörpers 2'' der Rolle 1'' verbunden werden.
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Die Lichtwellenleiter 4, 4', 4'' werden schließlich erfindungsgemäß mit einem Auswertungssystem verbunden, wobei Laserlicht in die Lichtwellenleiter 4, 4', 4'' geleitet wird und mit Hilfe eines geeigneten Auswerteverfahrens die Temperatur und / oder die Kraftwirkung entlang des jeweiligen Lichtwellenleiters 4, 4', 4'' bestimmt werden kann. Eine in Frage kommende Auswertungsmethode für das faseroptische Temperaturmessverfahren ist zum Beispiel das bekannte Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (FBG-Verfahren). Bei diesem Verfahren werden Lichtwellenleiter 4, 4', 4'' verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindex, bzw. Gitter mit solchen Variationen, eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindex führt dazu, dass ein Lichtwellenleiter 4, 4', 4'' in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperatur- oder Druck- bzw. eine Kraftänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst. Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detaillierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter, sowie der entsprechenden Auswertungseinheiten, ist allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch den Abstand der eingeprägten Messstellen gegeben.
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Alternativ kann zur Temperaturmessung auch das Optical-Frequency-Domain-Reflectometry-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das Optical-Time-Domain-Reflectometry-Verfahren (OTDR-Verfahren) verwendet werden. Beide Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung an einem Punkt eines Lichtwellenleiters 4, 4', 4'' eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mithilfe der Auswertungseinheit, zum Beispiel einem Raman-Reflektometer, können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser 4, 4', 4'' ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters 4, 4', 4'' gemittelt wird. Bei diesem Verfahren erstreckt sich eine Messstelle also über eine gewisse Länge der Faser 4, 4', 4'', die derzeit einige Zentimeter beträgt. Die verschiedenen Messstellen werden durch Laufzeitunterschiede des Lichts voneinander getrennt. Der Aufbau der Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb der Faser 4, 4', 4'' erzeugen.
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Zur Kraft- bzw. Druckmessung kann ebenfalls das vorbeschriebene und bekannte Faser-Bragg-Gitter-Verfahren verwendet werden. Denn die Einwirkung eines Drucks bzw. einer Kraft auf den Lichtwellenleiter 4, 4', 4'', verändert ebenfalls die Gitterkonstante des Materials und führt somit ebenfalls zu einer Veränderung der Bragg-Wellenlänge. Möglich ist es auch, die Kräfte auf die Walzen- bzw. Rollenoberfläche durch das ebenfalls bekannte Brillouin-Verfahren zu bestimmen. Brillouin-Sensoren basieren auf der Bragg-Reflexion von Laserlicht an akustischen Gittern, die durch Elektronenschwingungen innerhalb eines Siliziummoleküls induziert werden. In Kombination mit einem optischen Rückstreuverfahren kann die Faserverformung lückenlos entlang der Faser bzw. des Lichtwellenleiters 4, 4', 4'' bestimmt werden. Ein weiteres Verfahren zur Messung der Kräfte an der Rollen- bzw. Walzenoberfläche verwendet sogenannte Micro-Bending-Sensoren, die auf dem optischen Micro-Bending-Effekt basieren und bei einer Faserkrümmung des Lichtwellenleiters 4, 4', 4'' bzw. einer Biegung mit einer Lichtabstrahlung reagieren. Diese Abstrahlverluste können mit Hilfe eines Rückstreureflektometers ortsaufgelöst gemessen werden. Diese Methode zur Messung von Kräften bzw. Dehnungen ist an sich ebenfalls bekannt.
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Wie bereits kurz in Bezug auf 3 beschrieben, können die Lichtwellenleiter 4, 4', 4'' durch einen faseroptischen Drehübertrager 5 (drehende Laserkopplung bzw. „fiber optical rotary joint“) mit dem Auswertungssystem, das sich außerhalb der Walze bzw. Rolle 1, 1', 1'' befindet, verbunden werden. Der besseren Verständlichkeit halber ist in 4 schematisch ein Beispiel für einen faseroptischen Drehübertrager 5 gezeigt. Durch das Bezugszeichen 4'' ist dabei ein Lichtwellenleiter dargestellt, der sich innerhalb des Grundkörpers 2, 2', 2'' der Walze oder Rolle 1, 1', 1'' befindet. Der Bereich 6 (Rotor) ist mit dem Grundkörper 2, 2', 2'' verbunden, so dass dieser mit der Walze bzw. Rolle 1, 1', 1'' rotiert. Der Bereich 7 (Stator) ist ortsfest im Anlagengestell montiert. An der Öffnung 4''' tritt der im Anlagengestell ortsfeste Lichtwellenleiter heraus (nicht gezeigt). Solche faseroptischen Drehübertrager 5 sind allgemein bekannt. Um die Robustheit der Signalübertragung zu verbessern, ist es weitergehend möglich, Lichtwellen über ebenfalls bekannte Linsenstecker von einem Walzenständer zur Auswertungseinheit zu führen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere dazu dienen die mechanische und thermische Belastung der Walzen oder Rollen 1, 1', 1'' zu überwachen. Darüberhinaus kann von den ermittelten Werten vorzugsweise auf die Belastung eines Strangs oder Bands geschlossen werden. Zum Beispiel kann so die Strangoberflächentemperatur dauerhaft und präzise ermittelt werden. Zusätzlich können zum Beispiel bekannte Modelle zur Wärmeübertragung zwischen einer Rolle bzw. Walze 1, 1', 1'' und einem Strang angewendet werden. Somit kann eine dauerhafte Ermittlung der Strangoberflächentemperatur erfolgen. Eine so ermittelte Strangoberflächentemperatur kann nachfolgend für Mess- und Regelaufgaben genutzt werden.
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Generell kann die erfindungsgemäße Anordnung für viele Typen von Walzen bzw. Rollen 1, 1', 1'' eingesetzt werden, einige sind: Führungswalzen, Walzwalzen, Antriebswalzen, Antriebsrollen und viele mehr. Diese können insbesondere, aber nicht ausschließlich, in Gießanlagen, Walzstraßen oder in einer sonstigen Bandprozesslinie Verwendung finden.
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Die Messung der Kräfte auf Rollen / Walzen mit Hilfe des Lichtwellenleiters erfolgt durch eine Messung der Dehnung des Lichtwellenleiters bedingt durch die Krafteinwirkung. Für die Kraftmessung ist es wichtig, dass der Lichtwellenleiter einen direkten unmittelbaren Kontakt mit dem Material der Rolle / Walze, insbesondere mit dem Walzenmantel hat; der Lichtwellenleiter fungiert dann quasi als Dehnmessstreifen. Das heißt eine Dehnung bzw. Biegung des Lagers aufgrund von Kräften bedingt dann unmittelbar auch eine Dehnung bzw. Stauchung des mit der Walze fest verbundenen Lichtwellenleiters. Zur Erfassung der Dehnung des Lichtwellenleiters ist es vorzugsweise erforderlich, dass auf dem Lichtwellenleiter ein sogenanntes Bragg-Gitter aufgebracht ist. Ein in den Lichtwellenleiter eingespeister Laserstrahl erzeugt an dem Bragg-Gitter ein jeweils unterschiedliches Beugungsmuster des eingespeisten Lichtes nach Maßgabe der Dehnung.
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Die Dehnung des Lichtwellenleiters kann grundsätzlich sowohl durch eine Kraftwirkung auf die Rolle / Walze wie auch durch eine Temperaturveränderung bei der Walze und damit bei dem Lichtwellenleiter hervorgerufen werden. Um bei einer Kraftmessung den Einfluss einer evtl. Temperaturveränderung auf die Dehnung des Lichtwellenleiters in der Walze ausschließen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Walze während der Kraftmessung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.
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Auch die Messung der Temperatur mit Hilfe der Lichtwellenleiter basiert auf einer Messung der Dehnung bzw. Stauchung des Lichtwellenleiters. Bei der Temperaturmessung mit Hilfe des Lichtwellenleiters wird die Dehnung des Lichtwellenleiters aufgrund von einer Änderung der Umgebungstemperatur des Lichtwellenleiters beobachtet. Auch hier erfolgt die Beobachtung der Dehnung vorzugsweise mit Hilfe eines Bragg-Gitters, welches auf dem Lichtwellenleiter angeordnet ist. Um bei der Temperaturmessung sicherzustellen, dass die zugrunde liegende Dehnung des Lichtwellenleiters nicht durch eine Krafteinwirkung auf die Walze / Rolle verursacht wird, ist es wichtig, dass die für die Temperaturmessung verwendeten Lichtwellenleiter spannungsfrei, d.h. lose in Bohrungen oder Hülsen in der Walze bzw. dem Walzmantel angeordnet sind. Das heißt, anders als bei der Kraftmessung haben die Lichtwellenleiter bei der Temperaturmessung keinen direkten Kontakt mit dem Walzenmaterial und sind den mechanischen Belastungen der Walze nicht ausgesetzt.
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Abschließend sei erwähnt, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele nicht auf das jeweilige Ausführungsbeispiel beschränkt sind, sondern auch mit den Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele kombiniert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1''
- Walze oder Rolle
- 2, 2', 2''
- Grundkörper
- 3, 3''
- Sackloch
- 3'
- Bohrung
- 4, 4', 4''
- Lichtwellenleiter
- 4'''
- Austrittsöffnung eines Lichtwellenleiters
- 5
- Drehübertrager
- 6
- Rotor
- 7
- Stator
