Brevet FR2530820A3 — publié le 19840127

FR 2530820 A3 19840127 FR 8213218 A 19820723 PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE DE LA VITESSE D'UN PRODUIT LONG, EN DEFILEMENT LINEAIRE, PORTE A TEMPERATURE ELEVEE La présente invention concerne un procédé et un.dispositif de mesure de la vitesse d'un produit long en défilement porté à tempé rature élevée. Dans la mise en oeuvre des procédés de transformation h chaud de mé- taux, notamment de métaux ferreux et cuivreux, conduisant à des produits longs par exemple par laminage, filage ou étirage, il est indispensable de connaître avec précision la vitesse du produit sortant, en particulier lorsqu'on veut utiliser cette vitesse comme parametre de régulation de vitesse -des cages de laminoirs ou des presses. En outre, lorsque les produits (tubes, barres, tôles) sortent par longueurs succéssives, dans des processus de transformation semicontinue, il est également nécessaire de connaître la longueur de chacun des produits, de façon h pouvoir les classer et/ou les tron- çonner à des longueurs prédéterminées. On cannait plusieurs procédés de mesure continue par voie optique de la vitesse d'un produit en défilement linéaire Le brevet français N 2 161 757 et la demande de brevet européen 9452 au nom de l'INSTITUT DE RECHERCHE DE LA SIDERURGIE FRANCAISE (IRSID) décrivent un procédé et un dispositif de mesure de vitesse dXun produit long en défilement par détection et corrélation de deux signaux aléatoires, décalés dans le temps, et constituant la représentation de l'état de surface du produit. Le gain de boucle du corrélateur est asservi aux variations de vitesse du produit. Le principe de mesure par corrélation optique de vitesse et de longueur d'un produit en cours de laminage a te exposé dans un article publié dans la revue française "Circulaires d'Informations Techniques", 1977, N 4 p. 945-957. La mise en oeuvre du dispositif IRSIDJflINDEL nécessite toutefois deux capteurs optiques . Ces différents dispositifs présentent, en outre, l'inconvénient d'une précision estimée insuffisante dans un certain nombre de cas. La présente invention, qui est également basée sur le principe de l'intercorrélation de deux signaux aléatoires, décalés dans le temps et liés > d des variations lecales du pouvoir émissif des produits chauds, met en oeuvre un capteur optique unique opérant par balayage linéaire 'un petit élément de surface et travaillant dans le domaine infrarouge de longueur d'ordre A - 3 h 5 micromètres, ile permet d'obtenir an continu des mesures de vitesse et, éventuellement de longueur, des profilés avec une précision élevée. Les figures I à 5 illustrent de façon non limitative la mise en oeuvre de l'invention-: La figure 1 est un schéma de principe de l'ensemble du dispositif de mesure. La figure 2 représente le déplacement relatif d'un dchantillon de signal vidéo sur les lignes successives de balayage. La- figure 3 est un diagramme qui permet de prévoir la position d'un signal vidéo à analyser en fonction de la gamme de vitesse du profilé. La figure 4 est le schéma du corrélateur numérique. La figure 5 est le schéma de principe de la mesure de longueur, à partir de la mesure de vitesse, dans le cas particulier des profilés dont la longueur unitaire peut se situer entre a et 100 mètres. Dans tçut ce qui suit, nous désignons par le terme "profilés", de façon générale, des produits longs, pleins ou tubulaires, de forme quelconque, y compris des tôles et des feuillards. On voit figure 1 l'ensemble du dispositif de mesure de vitesse du profilé (1), qui comporte un capteur (2) et des moyens de traitement des informations issues de ce capteur. Le capteur (2) est constitué par une caméra infrarouge, par exemple le modèle AGA 780 ayant un maximum de sensibilité entre 3 et 5 micromètres, ce qui correspond sensiblement au maximum d'émission du corps noir pour des profilés sortant à une température comprise entre 600 et 10000 C, conformément à la loi de Planck. Elle comporte un objectif (3) muni d'un diaphragme, l'axe de l'objectif étant sensiblement perpendiculaire à la direction du déplacement des profilés. L'analyse du champ couvert par l'objectif est obtenue par rotation d'un prisme octogonal en germanium. Chaque paire de facettes opposées du prisme se comporte comme une lame à faces parallèles dont l'inclinaison translate le faisceau infrarouge et entraîne se déflexion angulaire. Le faiseeau atteint un détecteur ponctuel et fixe, refroidi à l'azote liquide (5) qui fournit le signal de sortie. Le prisme de déviation tourne à une vitesse de 18750 trssmin ; en outre, un obturateur découpe le faisceau en points successifs, à une fréquence de 250 KHz. Du fait qu'il y a un balayage uniquement horizontal et non vertical on obtient un balayage selon une ligne unique d'une épaisseur négligeable. La durée de ligne T1 résultant de la rotation à 18750 tours/mn est de 400 s ; cette ligne est découpée en 100 points d'échantillonnage et l'intervalle de temps T e entre deux points d'échantillonna est de 4 us. Chaque ligne correspond, sur un prof donné, à une longueur explorée (10) fixée, dans le cas présent, à 16 millimètres. La distance entre deux points successifs est-donc de 0,l6 mm. Compte tenu de l'état de surface des profilés chauds (1) (état d'oxyda- tion et fluctuationslocalés de la température), le pouvoir émissif est très irrégulier et l'on obtient à chaque ligne un signal vidéo avec une modulation aléatoire. Si l'on isole, sur chaque ligne, une portion déter,'inée de signal correspondant, par exemples au balayage de 1 mm sur le profilé, on pourra, en appliquant une méthode d'intercorrélation, "suivre" l'avance de cette portion de signal d'une ligne à l'autre, à mesure que le profilé défile devant la caméra, et en déduire la vitesse du profilé, en admettant que la forme du signal reste stable pendant la durée de la mesure, ce que l'expérience confirme. Sur la figure 2, on a représenté un exemple de signal vidéo sur plu sieurs lignes consécutives. A la ligne 1, on a éliminé volontairement la partie initiale (20 o) du signal pour éviter tout risque de perturbation, sur une longueur de 3,2 mm (équivalent à 80 us sur une durée totale de 400 us de chaque ligne). Si l'on considère maintenant le signal vidéo situe entre les points O et 10 et une vitesse de consigne du profilé de 10 mètres par seconde, pouvant fluctuer entre 9,5 et 13 mètres par seconde, le même signal doit se retrouver à la ligne 2 entre les points 52 et 62 (en théorie) pour 10 m/s et entre les points 50 et70snpratique, pour la gamme de 9,5 à 13 m/s. Cela apparais clairement sur le diagramme de la figure 3, ou l'on a porté en ordonnée la longueur exploré en millimètres, en absCisse le temps en microsecondes, et en paramètre, la vitesse linéaire des profilés en mètres par seconde. Su un tel diagramme, on peut trouver instantanement les positions d'un signal donné en fonction de la vitesse moyenne de consigne du profilé. Inversement, pour une vitesse donnée, et pour une position donnée du signal sur la ligne, on peut prévoir à quelle ligne on retrouvera le signal. 10) Princine de-la mesure de vitesse tfig. 3) Uréquåtaon de la trajectoire de balayage est de la forme générale : YB (m) = ax + b, a étant la vitesse de balayage, égale dans le cas présent à 16 mm en 400 ps, soit 40 m/s donc YB (m) = 40 t + b (t étant exprimé en s) soit YB = 40 t - [16.10-3 (n - , n étant le numéro de ligne. A vitesse constante du profilé, on a Y = vot (vO étant la vitesse de défilement de ce profilé) A l'intersection de ces deux droites, on a : YB =Y d'ob 40 t - [16.10-3 (n-l) 7 = v t o on en tire v0 = 40 - -16.l0 ( n - 1) 7 t avec t = (n - 1) T1 + (m ~ 20) T e n = numéro de la ligne ( la ligne passent par l'origine étant la n 1 ) -T1 : durée d'une ligne (400 s) m > nombre de décalage du corréleteur où l'on doit avoir la corrélation maximale (cette donnée sera explicitée par la suite lors de l'analyse du fonctionnement du corrélateur) Se : inverse de la fréquence d'échantillonage, soit 4 us e soit au total Ce meme diagramme, fig. 3, permet de déterminer l'intervalle de vitesse accessible sur une ligne donnée n. Supposons que le signal vidéo analyser se situe entre les points m = 40 et m = 80. On Pour la ligne n = 2, le calcul donne : 6,67 mètres/seconde On trouverait, de la même façon, pour la ligne 3, des intervalles respectivement compris entre 3,5 m/s et 9,3 m/s, et pour la ligne 4, entre 2,4 et 6,7 m/s. On constate qu'il y a de larges recouvrements et que, pour une vitesse de 6,6 m/s par exemple, on retrouve le signal, aux lignes 2, 3 et 4. L'incrément de vitesse diminuant quant le n de ligne augmente, il est eertain que l'on aura une meilleure précision en prélevant le signal à la ligne 4. 2D) Traitement du signal. On dispose pour effectuer le calcul de vitesse, de deux signaux - le signal vidéo n0 1, pris comme référence, à la ligne 1, par exemple entre les points 1 à 10 - le signal vidéo n 2, qui est le n 1 corrélé d'un intervalle de temps mesure par exemple entre les points 50 à 60. Un effectue alors une intercorrélation entre ces deux signaux. (On aurait pu effectuer la corrélation sur la ligne entière, mais cela aurait allongé sensiblement le temps de calcul et exigé une plus grande capacité des registres-mémoires). Quand les signaux analysés sont continus, la fonction d'intercorrélation est donnée par la formule Pour des signaux échantillomés, bloqués : La ronceion d'intercorrélation est calculée , dans le cas présent, par un corrélateur numérique très rapide (20 MHz) TDC 1023 J (marque TRW). La donnée ae référence, introduite sur l'entrée x (fig. 4) est la suite de dix échantillons du début de la ligne 1. Cette donnée est stockée dans un registre B du corrélateur La donnée na 2 (signal vidéo n 2), soit de 20 à 40 échantillons de l'intervalle de recherche de vitesse est entrée dans le registre A du correlateur. Le corrélateur (fig. 4) est constitué par deux circuits TDC 1023 i connectés en série de façon à avoir une capacité de traitement de ló bits. I1 comporte quatre registres, désignés par A, R, B et M. Le registre A, dont l'entrée est notée "y" est le regIstre dit 11circulent" dans lequel entre et circule le signal de mesure (signal issu de la ligne n + x). Le registre B , dont l'entrée est notée "x", est le registre de données, dans lequel entrent et circulent les signaux de référence (signal issu de la ligne n). Le registre ti est le registre "Masque" qui permet de masquer les informations que l'on ne désire pas corréler. e régistre R est le registre de travail qui reçoit, de B, les informations que l'on a introduites par ltentrée x. Entre A et R, est disposé le multiplicateur, qui effectue le point de corrélation(x X y) et l'intégrateur, qui effectue la sommation conformément à l'équation (3) ci-dessus. A la sortie du corrélateur, on re cueille le résultat de la corrélation qui, dans le cas idéal d'une corrélation à 100, se présente sous la forme d'un pic dont les flancs de montée et de descente sont symétriques. Avant d'entrer dans le corrélateur, les informations qui-se présentent sous forme d'une modulation vidéo analogique, ont été converties en signaux digitaux par le convertisseur analogique digital ( 7 fig. 1). La quantification s'effectue sur 8 bits, ce qui correspond à C 28 ~ 1) niveaux distincts. Si lton prend dix échantillons de 8 bits pour un signal vidéo donné (correspondant au découpage en 10 points d'une ligne de balayage), on effectuera donc la corrélation entre 80 bits du signal de mesure et 80 bits du signal de référence. Quand les 80 bits de référence (ligne n) ont été introduits dans le registre B (par 80 impulsions d'horloge successives), on-les transfère dans le registre R. Pubs, on attend que le registre A, de la même façon, soit rempli par les 80 bits du signal de mesure ( ligne n + x), avec un décalage de temps bien déterminé correspondant à un certain nombre d'impulsions d'horloge. On met alors en vis-à-vis les 80 bits du registre B et les 80 bits du registre A et on effectue la;corrdlation en faisant avancer chaque fois d'un pas, c'est-a-dire d'un décalage de 8 bits les 80 bits du registre A. Lorsque le maximum de corrélation est atteint, on observe un pic. On note le temps t(ou le nombre- de pas effectués, ce qui revient au même) qui s'est écoulé pour atteindre ce pic. On a donc = mT, T étant le temps d'horloqe et m le nombre de pas, avec T e = 8 T. Ce système de corrélation directe en temps réel des signaux vidéo présente l'inconvénient de ne pas utiliser au maximum la capacité de traitement du corrélateur. En effet, si le signal de référence est pris à la ligne 1, et le signal de mesure à la ligne 3, le prochain signal de référence sera pris à la ligne 4, puis le prochain signal de mesure à la ligne 6, et ainsi de suite. On n'exploite donc pas les lignes 2, 5, etc.... On peut alors prévoir une mémoire tampon (8) par exemple sous forme d'une RAM statique entre la sortie du convertisseur analogique digital (7) et l'entrée du corrélateur, avec un aiguillage qui permet de mettre - ou non - la mémoire en service. On peut donc - prélever un premier signal de référence à la ligne 1, - prélever un deuxième signal de référence à la ligne 2, - prélever un premier signal de mesure et un troisième signal de référence à la ligne 3, - prélever un deuxième signal de mesure et un quatrième signal de référence à la ligne 4, et ainsi de suite. On peut donc, de cette façon, prélever à chaque ligne un signal de référence et un signal de mesure, ce qui triple pratiquement la capacité de traitement de l'ensemble du système. 30) Application pratique La vitesse de consigne du profilé est de 9,5 m/s. L'intervalle de recherche de vitesse est choisi entre 9 et 10,5 m/s. Le maximum de corrélation a été trouvé au point m = 53 de la ligne 2 (point 1 de la figure 3). En appliquant l'équation (1), on trouve : On a D'ob la vitesse du profilé v = 9,925 mètres/seconde. 40) Mesure de la longueur des profilés (figure 5). Il est possible d'utiliser l'information "vitesse" pour effectuer simultanément une mesure de longueur des profilés Une série de capteurs C à CB9 est affectée à la mesure de longueur Dans le cas particulier d'une installation produisant des profilés dont la longueur unitaire peut se situer entre 8 et 100 mètres on a disposé, en tête, un premier capteur Go qui a pour fonction de détecter le passage des profilés sur un convoyeur et qui possède deux états, un état "O" en l'absence de profilé, et un état "1" au passage d'un profilé. Co passe donc de O à 1 à l'arrivée d'un nouveau profilé et repasse de 1 à O au passage de la queue de ce profilé. Le deuxième capteur C1, qui est à une distance de 6,4 mètres en aval de CO (le terme étant pris par référence au sens de circulation des profilés sur le convoyeur), remplit la même fonction que Co pour les profilés courts (inférieurs à 12 m) et, accessoirement, il permet d'affiner l'estimation de longueur. Le capteur suivant CB1 est à 12 mètres de Co, les capteurs suivants étant équidistants de 11,2 mètres, compte tenu d'impératifs techniques de l'installation sur laquelle on a opéré, soit : CB2 à 23,2 m, CB3 à 34,4 m, CB4 à 45,6 m, CB5 à 56,8 m et ainsi de suite jusqu'à CB9 à 101,6 mètres, cette valeur n'étant pas limitative, mais se rapportant à un cas particulier. La caméra infra-rouge (C@o) est placée juste en amont de CB1. Pour un profil donné, le passage de la queue devant Co (position B) déclenche le processus de détermination de longueur. Si le premier détecteur qui capte l'arrivée de la tête du profilé est, par exemple, CB4 (position C), cela signifie que 12 longueur réelle L du profilé est égale à la cote de CB4, soit 45,6 mètres; diminuée d'une longueur lx qui reste à déterminer. On a donc : L = CBi - lx (CBi indiquant, de façon générale, la cote du détecteur considéré). Ici, par exemple, L = 45,60 - lx On peut donc alors écrire que T0 étant l'instant du passage de la queue du profilé devant Cà et Tx, l'instant du passage de la tête-du profilé devant CBi La vitesse n'étant, en règle générale, pas constante entre Tx et TES on peut procéder à l'intégration approchée de la fonction par la formule de Simpson, en considérant, par exemple, trois valeurs de vitesse v0, vl, v2 à des instants to, tl, t2 distants de "h" dans l'intervalle To à Tx, et on a alors h pouvant être très réduit, par exemple 1 ou 2 milliseconde. Il suffit alors d'introduire les valeurs instantanées de la vitesse mesurée aux instants t0, t1 et t2 pour obtenir lx, donc la longueur totale L à partir de la relation : L = (:8. + lx Un calcul d'erreur simple permet d'évaluer la précision de la mesure. On se place dans l'hypothèse d'une vitesse de consigne de 10 m/s et d'une erreur d'l bit sur la position du maximum de corrélation. On part de la formule indiquée lx = t (vb + 4 v1 + v2) Lit peut être négligé devant Bv t v #v, qui est l'incrément de vitesse, est de 0,144 m/s pour la ligne 2 Y (1 bit sur 10 m/s) ce qui donne #lx#0, 0144 lx. Avec un lx Le même calcul, effectué dans l'hypothèse où le signal est prélevé à la ligne 3 ( incrément de vitesse 0,011) montre une erreur maximale de 0,51% sur 12 mètres et de 0,06 % sur 100 mètres. REVENDICATIONS 10) Procédé de mesure de la vitesse d'un produit long en défilement linéaire, porté à-une température comprise entre 600 et 100qu C, consistant à utiliser les variations locales du pouvoir émissif d'un petit élément de surface dudit produit long pour élaborer un signal que l'on prélève en au moins deux points successifs de son parcours, caractérisé en ce que - On élabore, à partir d'un capteur unique, sensible à l'infrarouge, des signaux vidéo modulés de façon aléatoire, en analysant par balayage linéaire un élément de surface du produit long assimilable à une ligne de longueur prédéterminée, sensiblement parallèle à la direction de défilement du produit long ;; - On prélève deux échantillons desdits signaux décalés d'un intervalle de temps, prédéterminé de façon approximative, et correspondant à un déplacement donné de l'élément de surface analysé ; - On effectue une conversion analogique-digital des deux échantillons des signaux vidéo ; - On introduit chacun des deux échantillons digitaux dans un registre distinct olun intercorrélateur ; - On proc-de à l'intercorrélation des deux échantillons en faisant progresser l'un d'eux, pas à pas, par des irnpulsåons d'horloge, dans un registre et en l'intercorrélant avec l'autre qui est en position fixe dans son registre ;; - On compte le nombre de pas qui correspond au coefficient maximum de corrélation et on déduit la durée T qui sépare les deux signaux intercorrélés - On divise la distance parcourue par le produit long pendant l'analyse par le temps X , ce qui donne la vitesse instantanée du produit long. 2P.) Procédé de mesure, selon revendication 1, caractérisé en ce que le pouvoir émissif du profilé est mesuré à une longueur d'onde comprise entre 3 et 5 micromètres. 3 ) Procédé de mesure, selon revendication 1, caractérisé en ce que les échantillons successifs de signaux vidéo digitalisés sont introduits dans une mémoire tampon avant leur entrée dans l'intercorrélateur. 4o) Procédé de mesure selon revendication 1, caractérisé en ce que le balayage de l'élément de surface analysé est effectué à une fréquence au moins égale à 2 500 lignes par seconde. 50) Procédé de mesure selon revendication 1, caractérisé en ce que le signal corrsspondant à une ligne est découpé en une pluralité de points. 60) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure de la vitesse d'un produit long selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte - un capteur unique sensible au rayonnement infrarouge émis par le profilé, - un moyen de balayage linéaire d'un petit élément de surface émissive du profilé, - un moyen de découpage de chaque ligne balayée, en une pluralité de points, - des moyens pour :: choisir, sur une ligne donnée de rang n, un groupe de points pour mesurer l'amplitude du signa1 vidéo correspondant à chaque point et pour convertir cette amplitude en un signal digital, - un moyen pour prévoir - pour une vitesse de consigne donnée du profilé la position probable sur la ligne de rang n + x (x étant au moins égal à 1) du signal vidéo choisi à la ligne n, - des moyens pour intercorréler le signal vidéo choisi à la ligne n avec le même signal vidéo apparaissant à la ligne de rang n + x, - des moyens pour mesurer le décalage de temps du signal vidéo introduit dans le moyen d1intercorréîation, entre la ligne n et la ligne n + x, au point correspondant au coefficient-de corré1ation maximal, - des moyens pour calculer, à partir de ce décalage de temps, la vitesse de déplacement linéaire du profilé. 70) Dispositif, selon revendication 6, caractérisé en ce que le capteur unique est une caméra infrarouge munie d'un récepteur en germanium refroidi. à l'azote liquide et d'un dispositif optique et mécanique formant, sur ledit récepteur, l'image d'un petit élément de surface, assimilable à une ligne, du produit long.