Способ контроля длины электропроводного объекта
Владельцы патента RU 2677113:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) (RU)
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при автоматической сортировке или разбраковке объектов, а также в устройствах распознавания объектов. Способ основан на возбуждении в образцовом и контролируемом объектах частотно-модулированных электромагнитных колебаний, сравнении резонансных частот этих колебаний и контроле длины объекта по результатам сравнения резонансных частот, образцовый и контролируемый объекты используют в качестве штыревых антенн. Причем на опорную площадку сначала устанавливают образцовый объект и настраивают измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны на одну из частот последовательного резонанса антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид. Затем на опорную площадку устанавливают контролируемый объект и анализируют вид частотной характеристики. При равенстве длин образцового и контролируемого объектов частотная характеристика имеет симметричный вид. Если длина контролируемого объекта окажется больше образцовой, то будет большим правый «горб», если длина контролируемого объекта окажется меньше образцовой, то будет большим левый «горб», причем величина отклонения частотной характеристики от симметричного вида пропорциональна величине отклонения длины от номинального значения. Технический результат заключается в повышении точности контроля размеров, а также в упрощении конструкции. 3 ил.
Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован при автоматической сортировке или разбраковке объектов, а также в устройствах распознавания объектов. Контроль длины выполняют в тех случаях, когда требуется определять не значение размера объекта, а лишь отклонение размера от некоторого заданного значения. В промышленности в подавляющем большинстве случаев требуется контроль.
Известен способ бесконтактного радиоволнового контроля размеров движущихся электропроводных объектов, основанный на использовании микроволнового доплеровского измерителя и фотоэлементов. Данный способ применялся для измерения ширины слябов с целью их идентификации (В.А. Викторов и др. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов». - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 82). В этом способе фотоэлемент или какой-либо другой чувствительный элемент дает сигнал для запуска и остановки доплеровского устройства. Зная моменты начала и окончания счета доплеровских импульсов, можно определить ширину слябов с точностью до λ/4. Путем электронной обработки сигналов точность может быть увеличена до λ/16.
Общими признаками с заявляемым способом являются контроль длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большая погрешность измерений, обусловленная дискретностью доплеровских импульсов, сложность приемопередающей аппаратуры и неудобство эксплуатации, поскольку при измерении необходимо осуществлять перемещение объекта.
Известен способ бесконтактного радиоволнового контроля размеров электропроводных объектов, основанный на использовании фазовой чувствительности двухдиодных автодинов (Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. «Применение двухдиодных автодинов в устройствах радиоволнового контроля размеров изделий»// Измерительная техника. 2016. №7. С. 24-28). При использовании этого способа сравнивают размер образцового объекта с размером контролируемого объекта и с помощью дискриминационной характеристики автодина преобразуют отклонение размера в напряжение выходного сигнала. В качестве дискриминационной характеристики используют одну из ветвей зависимости значения выходного сигнала автодина от набега фазы отраженного излучения.
Общими признаками с заявляемым способом являются контроль длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большие затраты времени на проведение контроля размеров объектов, сложность приемо-передающей аппаратуры и неудобство эксплуатации, поскольку при измерении необходимо осуществлять перемещение объекта.
Из известных способов контроля длины наиболее близким по технической сущности является бесконтактный радиоволновый способ контроля размеров электропроводных объектов, основанный на возбуждении в объекте электромагнитных колебаний и использовании зависимости резонансной частоты этих колебаний от длины объекта (В. А. Викторов и др. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов». - М.: Энерго-атомиздат, 1989, стр. 81). При использовании этого способа с помощью генератора частотно-модулированных колебаний поочередно возбуждают электромагнитные колебания в контролируемом объекте и нескольких резонансных масштабных датчиках грубого отсчета (в заявляемом способе - образцовый объект). Масштабные датчики на основе отрезков коаксиальной линии настроены на резонансные частоты, соответствующие длинам контролируемых объектов, кратным целым метрам. За один период частоты модуляции масштабные датчики поочередно возбуждаются на своих резонансных частотах, образуя во времени и по частоте масштабную линейку из импульсов. При этом каждый импульс соответствует определенной длине объекта в целых метрах. Резонансная частота контролируемого объекта находится между двумя определенными масштабными импульсами. После логической обработки информации эти импульсы поступают в счетчик грубого отсчета длины (в заявляемом способе - устройство обработки сигналов).
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого способа, являются возбуждение в образцовом и контролируемом объектах частотно-модулированных электромагнитных колебаний, сравнения резонансных частот этих колебаний и контроль длины объекта по результатам сравнения резонансных частот.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются большая погрешность измерения, обусловленная дискретностью отсчетов, а также сложность схемы и конструкции, обусловленная использованием нескольких резонансных масштабных датчиков.
Технический результат, на решение которого направлен предлагаемый способ, - повышение точности контроля размеров, а также упрощение схемы и конструкции.
Технический результат достигается тем, что при контроле длины образцовый и контролируемый объекты используют в качестве штыревых антенн, причем на опорную площадку сначала устанавливают образцовый объект и настраивают измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны на одну из частот последовательного резонанса антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, затем на опорную площадку устанавливают контролируемый объект и анализируют вид частотной характеристики, при равенстве длин образцового и контролируемого объектов частотная характеристика имеет симметричный вид, если длина контролируемого объекта окажется больше образцовой, то будет большим правый «горб», если длина контролируемого объекта окажется меньше образцовой, то будет большим левый «горб», причем величина отклонения частотной характеристики от симметричного вида пропорциональна величине отклонения длины от номинального значения.
Для достижения технического результата в способе контроля длины электропроводного объекта, основанном на возбуждении в образцовом и контролируемом объектах частотно-модулированных электромагнитных колебаний, сравнении резонансных частот этих колебаний и контроле длины объекта по результатам сравнения резонансных частот образцовый и контролируемый объекты используют в качестве штыревых антенн, причем на опорную площадку сначала устанавливают образцовый объект и настраивают измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны на одну из частот последовательного резонанса антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, затем на опорную площадку устанавливают контролируемый объект и анализируют вид частотной характеристики, при равенстве длин образцового и контролируемого объектов частотная характеристика имеет симметричный вид, если длина контролируемого объекта окажется больше образцовой, то будет большим правый «горб», если длина контролируемого объекта окажется меньше образцовой, то будет большим левый «горб», причем величина отклонения частотной характеристики от симметричного вида пропорциональна величине отклонения длины от номинального значения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена одна из возможных схем измерителя; на фиг. 2 схема колебательной системы измерителя, а на фиг. 3 - вид частотных характеристик.
На фиг. 1 представлены: противовес антенны 1; высокочастотный листовой диэлектрик 2; контурный конденсатор 3; индуктивность контура 4; опорная площадка 5; образцовый или контролируемый объект 6; элементы связи LC-контура с измерительными приборами 7 и 8; амплитудный детектор 9; соединительные кабели 10; измеритель частотных характеристик 11; устройство обработки сигналов 12.
Листовой диэлектрик 2 необходим для крепления опорной площадки 5. Индуктивность 4 вместе с суммарной емкостью С, включающей контурную емкость 3, емкость опорной площадки и емкости элементов связи, образуют измерительный LC-контур. Перестройку резонансной частоты этого контура можно осуществлять изменением емкости и индуктивности. Наличие емкости опорной площадки и емкости элементов связи не влияет на погрешность контроля, поскольку их реактивности скомпенсированы индуктивностью 4. Антенна и измерительный LC-контур образуют двухконтурную колебательную систему (фиг. 2). На фиг. 2 показаны элементы LC-контура (L, С, r) и антенны вблизи частоты ее последовательного резонанса (LA, СА, rA). Типичный вид суммарной частотной характеристики двухконтурной колебательной системы показан на фиг. 3. При высокой добротности LC-контура (Q>5) и точном совпадении резонансных частот LC-контура и антенны суммарная частотная характеристика получается симметричной (фиг. 3, а).
При контроле длины образцовый и контролируемый объекты используют в качестве штыревых антенн. Эти объекты по очереди устанавливают на опорную площадку, приподнятую над противовесом антенны и возбуждают в них электромагнитные колебания. Сначала на опорную площадку устанавливают образцовый объект и настраивают измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны на одну из частот последовательного резонанса антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид. Затем на опорную площадку устанавливают контролируемый объект и анализируют вид частотной характеристики. При равенстве длин образцового и контролируемого объектов частотная характеристика имеет симметричный вид, если длина контролируемого объекта окажется больше образцовой, то будет большим правый «горб», если длина контролируемого объекта окажется меньше образцовой, то будет большим левый «горб». Величина отклонения частотной характеристики от симметричного вида пропорциональна величине отклонения длины от номинального значения.
В качестве противовеса антенны может быть использован металлический диск. Оси образцового и контролируемого объектов должны быть перпендикулярны плоскости противовеса 1. Противовес может быть ориентирован в пространстве произвольным образом.
Поскольку контроль длины осуществляется методом сравнения, возможно возбуждение антенны как на частоте основного резонанса (l=λ/4), так и на высоких номерах частот последовательного резонанса: l=3λ/4, l=5λ/4… l=(2n-1)λ/4, где n - номер частоты последовательного резонанса. В методе сравнения не предъявляются жесткие требования к величине площади противовеса. Однако, следует учесть, что для получения высокой добротности антенн необходимо снижать потери мощности в земле. Как известно, наибольшие потери происходят в зоне земли, ограниченной диаметром 0,35λ относительно штыревой антенны (Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. М.: ИП РадиоСофт, 2010, стр. 15). Именно металлизация этой зоны может решить проблему, связанную с потерями в земле. Поэтому диаметр D металлического диска (противовеса антенны) должен удовлетворять условию D>0,35λ=1,4 l/(2n-1). Из последнего равенства видно, что с точки зрения снижения потерь (и, тем самым, повышения добротности антенн) при использовании противовесов небольшого диаметра D целесообразно возбуждать антенны на высоких номерах частот последовательного резонанса.
Для индикации частотных характеристик использован измеритель частотных характеристик 11. Высокочастотное напряжение с выхода измерителя 11 по соединительному кабелю 10 поступает на элемент связи 8 и далее на опорную площадку 5. С опорной площадки высокочастотное напряжение через элемент связи 7 поступает на амплитудный детектор 9 и далее на вход измерителя 11. Соединительные кабели 10 должны иметь достаточную длину, чтобы измерительные приборы и тело оператора были удалены от антенны и не искажали электромагнитное поле. При необходимости, наряду с визуальной оценкой вида частотной характеристики LC-контура и антенны может быть использовано устройство обработки сигналов 12.
Для повышения точности контроля размеров необходимо повышать добротность измерительного LC-контура, поскольку с увеличением добротности уменьшается полоса пропускания контура и, соответственно, снижается погрешность измерения его резонансной частоты и улучшается селекция полезного сигнала. Благодаря тому, что LC-контур обеспечивает свойственную резонансным методам измерения частотную селекцию полезного сигнала от электромагнитных сигналов окружающей среды, измерения могут быть выполнены в лабораторных условиях, без использования экранированной камеры и при малой мощности генератора. Величина минимального напряжения между опорной площадкой и противовесом определяется чувствительностью амплитудного детектора и не превышает долей вольта, что удовлетворяет требованиям безопасности.
При экспериментальном исследовании был использован объект длиной 365 мм и диаметром 2 мм. Измерительный LC-контур был настроен на частоту первого последовательного резонанса объекта. При точном совпадении резонансных частот LC-контура и объекта суммарная частотная характеристика была симметричной (фиг. 3, а). Для оценки точности измерений наблюдали вид частотных характеристик при изменении длины объекта на ± 2 мм, но без подстройки LC-контура. Вид частотных характеристик при длине объекта а) 365 мм; b) 367 мм; с) 363 мм. показан на фиг. 3. Из фиг. 3 видно, что измеритель позволяет четко регистрировать даже малые (не более 0,56%) изменения длины, что свидетельствует о высокой точности измерений. Благодаря использованию метода сравнения величина площади противовеса и наличие проводящих объектов вблизи антенны влияют на точность контроля в гораздо меньшей степени, чем в режиме измерения.
Таким образом, теоретически и экспериментально доказано, что предлагаемый способ контроля длины объекта обеспечивает высокую точность при небольших затратах времени с использованием простых в эксплуатации измерительных приборов. Предлагаемый способ особенно удобен при контроле длины объектов с малой площадью поперечного сечения (трубы, прутки, провода и т.п.), когда использование других методов затруднено.
Способ контроля длины электропроводного объекта, основанный на возбуждении в образцовом и контролируемом объектах частотно-модулированных электромагнитных колебаний, сравнении резонансных частот этих колебаний и контроле длины объекта по результатам сравнения резонансных частот, отличающийся тем, что при контроле длины образцовый и контролируемый объекты используют в качестве штыревых антенн, причем на опорную площадку сначала устанавливают образцовый объект и настраивают измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны на одну из частот последовательного резонанса антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, затем на опорную площадку устанавливают контролируемый объект и анализируют вид частотной характеристики, при равенстве длин образцового и контролируемого объектов частотная характеристика имеет симметричный вид, если длина контролируемого объекта окажется больше образцовой, то будет большим правый «горб», если длина контролируемого объекта окажется меньше образцовой, то будет большим левый «горб», причем величина отклонения частотной характеристики от симметричного вида пропорциональна величине отклонения длины от номинального значения.
