Способ определения длины протяженного металлического изделия
Владельцы патента RU 2656023:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях. Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в предлагаемом способе определения длины протяженного металлического изделия, при котором контролируемое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - протяженном металлическом изделии и данной плоскости - возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и в первом такте измерений измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии, дополнительно, во втором такте измерений, измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии при его замыкании накоротко в одном из его сечений на фиксированной длине
от другого разомкнутого конца, производят совместное преобразование измеренных резонансных частот
и
согласно соотношению
, где m=0, 1, 2, …; n=1, 2,…, по результату которого судят о длине протяженного металлического изделия. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения вследствие повышения точности измерения длины протяженного металлического изделия. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения длины протяженных металлических изделий, в частности металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях.
Известны механический способ измерения длины протяженных металлических изделий и реализующее его устройство (SU 313070 A1, 31.08.1971). Согласно им контролируемое изделие перемещают протяжным устройством в осевом направлении. Синхронно с этим приводят во вращение роликовый датчик пути, отсчитывая длину изделия как превышение некоторой базовой величины, обозначенной стационарными датчиками. Недостатками этих способа и устройства являются контактность измерений, часто неприемлемая на практике; громоздкость оборудования (его двойная длина); невысокие точность измерения и быстродействие. Точность измерения снижена вследствие проскальзывания изделия относительно ролика.
Известно также техническое решение (SU 442361 A1, 05.09.1974), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу, контролируемую металлическую трубу располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью. В совокупности проводников - трубы и данной плоскости - возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке длинной линии. Измеряя колебательные характеристики отрезка длинной линии, в частности его резонансную частоту электромагнитных колебаний, судят о длине металлической трубы. Недостатком данного способа является его ограниченные функциональные возможности, вызванные невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений электрофизических параметров среды на измерительном участке.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения вследствие повышения точности измерения длины протяженного металлического изделия.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения длины протяженного металлического изделия, при котором контролируемое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - протяженном металлическом изделии и данной плоскости - возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и в первом такте измерений измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии, дополнительно, во втором такте измерений, измеряют резонансную частоту 
электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии при его замыкании накоротко в одном из его сечений на фиксированной длине 
от другого разомкнутого конца, производят совместное преобразование измеренных резонансных частот 
и 
согласно соотношению 
, где m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …, по результату которого судят о длине протяженного металлического изделия.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где показана функциональная схема устройства для реализации способа измерения длины протяженного металлического изделия.
Устройство, реализующее способ, содержит: изделие 1, диэлектрические опоры 2, металлическую плоскость 3, элемент связи 4, линию связи 5, электронный блок 6, функциональный преобразователь 7, коммутатор 8, регистратор 9.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Данный способ характеризуется проведением последовательно двух тактов измерений с изменением в одном из тактов измеряемого параметра - длины 
отрезка длинной линии, которая равна длине контролируемого изделия, - на некоторую фиксированную величину 
.
Первый такт измерения состоит в определении резонансной частоты 
полуволнового отрезка длинной линии, разомкнутого на обоих концах. Зависимость 
описывается формулой
Для проведения второго такта измерений следует так или иначе изменить длину 
отрезка длинной линии. Это, конечно, не предполагает укорачивание или удлинение самого металлического изделия. Изменение длины отрезка длинной линии может быть выполнено его закорачиванием в одной точке вдоль длины. Соответственно, будем иметь четвертьволновый отрезок длинной линии длиной 
, короткозамкнутый на одном конце. Короткое замыкание может быть произведено, в частности, в сечении отрезка длинной линии, где находится одна из диэлектрических опор. Если при этом известно расположение одного (разомкнутого) конца отрезка длинной линии, то, зная точку, в которой производят короткое замыкание, т.е. длину 
до этой точки, можно найти неизвестное расстояние 
.
Итак, будем иметь для короткозамкнутого на одном конце отрезка длинной линии следующее значение резонансной частоты:
Четвертьволновому отрезку длинной линии соответствует значение m=0.
Выражение для 
можно записать следующим образом:
Рассматривая соотношения (2) и (3) как систему уравнений относительно 
и εμ, получим искомое значение 
Следовательно, определяемая длина 
есть
Таким образом, определение длины протяженного металлического изделия с достижением инвариантности к электрофизическим параметрам ε и μ среды сводится к совместному логометрическому преобразованию (делению) частот 
и 
согласно соотношению (5).
Выражение для 
может быть получено, очевидно, и непосредственно из соотношений (2) и (3) без промежуточного определения .
При n=1, m=0 (это рассматриваемые типы ТЕМ-колебаний в отрезке длинной линии) будем иметь
где 
- базовое значение длины от разомкнутого конца отрезка длинной линии (т.е. от конца контролируемого изделия) до короткозамыкателя.
Величину 
можно выбирать достаточно произвольно. Например, можно принимать 
.
Согласно предлагаемому способу, в рассматриваемом отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ. Для образования данного резонатора - разомкнутого на концах отрезка длинной линии - контролируемое протяженное металлическое изделие 1 располагают на диэлектрических опорах 2 над металлической плоскостью 3 (фиг. 1). Согласно данному способу, в рассматриваемом отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждают электромагнитные колебания как в резонаторе с колебаниями типа ТЕМ.
С помощью элемента связи 4, которой может являться металлическая петля (индуктивность), линии связи 5 (коаксиальный кабель) в таком отрезке длинной линии возбуждают электромагнитные колебания с применением высокочастотного генератора, входящего в состав электронного блока 6. Частота генератора изменяется в некоторых пределах, соответствующих диапазону изменения длины контролируемого изделия в рабочем диапазоне. В первом такте измерений в этом же электронном блоке 6 производят измерение резонансной частоты 
электромагнитных колебаний разомкнутого на обоих концах отрезка длинной линии на выбранной гармонике, характеризуемой индексом n. К выходу электронного блоку 6 подсоединен функциональный преобразователь 7, на один из входов которого поступает данная информация о текущем значении резонансной частоты 
. Во втором такте измерений производят замыкание накоротко проводников рассматриваемого отрезка длинной линии на некотором фиксированном (известном) расстоянии 
от разомкнутого его конца с одновременным измерением в электронном блоке 6 соответствующего этому значению 
резонансной частоты электромагнитных колебаний разомкнутого на одном конце и короткозамкнутого на другом конце отрезка длинной линии на выбранной гармонике, характеризуемой индексом m. Информация о текущем значении резонансной частоты 
поступает на второй вход функционального преобразователя 7, в котором производят совместное преобразование измеренных резонансных частот 
и 
согласно соотношению (5). По результату этого преобразования резонансных частот 
и 
судят об определяемой длине 
изделия. Функциональный преобразователь 7 соединен с коммутатором 8, осуществляющим периодическое, во втором такте измерений, замыкание накоротко проводников данного отрезка длинной линии в фиксированном сечении на известном расстоянии 
от другого разомкнутого конца отрезка длинной линии. По завершению этого такта измерений и возвращению к первому такту измерений коммутатор 8 размыкает проводники отрезка длинной линии в этом его сечении. К выходу функционального преобразователя 7 подсоединен регистратор 9, выходной сигнал которого соответствует значению длины 
протяженного металлического изделия.
Для контролируемых изделий выбором диапазона изменения частоты генератора выбранных рабочих гармоник данного отрезка длинной линии можно оптимизировать чувствительность такого датчика длины изделия в рабочем диапазоне ее изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра от этой длины. Данный способ измерения может найти применение на практике там, где требуется производить высокоточные бесконтактные измерения длины различных протяженных металлических изделий при наличии возможных изменений электрофизических параметров окружающей среды в области расположения измерительного участка, где производят измерения длины металлического изделия.
Способ определения длины протяженного металлического изделия, при котором контролируемое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - протяженном металлическом изделии и данной плоскости - возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и в первом такте измерений измеряют резонансную частоту ƒ1 электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии, отличающийся тем, что дополнительно, во втором такте измерений, измеряют резонансную частоту ƒ2 электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии при его замыкании накоротко в одном из его сечений на фиксированной длине 
от другого разомкнутого конца, производят совместное преобразование измеренных резонансных частот ƒ1 и ƒ2 согласно соотношению 
, где m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …, по результату которого судят о длине протяженного металлического изделия.
