СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
METHOD FOR MEASURING THE LENGTH OF A METAL PIPE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях.
Известно техническое решение (SU 442361 А1, 05.09.1974), согласно которому 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.
Известен также способ измерения (RU 2656016 С1, 30.05.2018), согласно которому контролируемое металлическое изделие, в частности трубу, располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью. В совокупности проводников - металлической трубы и данной плоскости - на фиксированной частоте возбуждают электромагнитные волны как в отрезке длинной линии. Измеряя фазовый сдвиг электромагнитных волн, возбуждаемых в отрезке длинной линии и отраженных от его конца, судят о длине металлической трубы. Дополнительно измеряют фазовую скорость электромагнитных волн на измерительном участке и, путем изменения фиксированной частоты возбуждаемых в отрезке длинной линии электромагнитных волн, поддерживают постоянной величину отношения этой частоты и фазовой скорости электромагнитных волн. Недостатком данного способа является его ограниченные функциональные возможности, вызванные сложностью его реализации из-за необходимости применения устройств для измерения фазовой скорости электромагнитных волн и изменения в зависимости от ее величины фиксированной частоты электромагнитных волн, возбуждаемых в отрезке длинной линии.
Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 69-71), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу, контролируемое металлическое изделие, в частности трубу, располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью. В совокупности проводников - металлической трубы и данной плоскости - осуществляют как в отрезке длинной линии возбуждение на его первом конце электромагнитных видеосигналов и прием видеосигналов, отраженных от его второго разомкнутого конца, и измеряют суммарное время прямого и обратного распространения электромагнитных видеосигналов вдоль отрезка длинной линии, по которому судят о длине металлического изделия. 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 повышение точности измерения длины металлической трубы.
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в способе измерения длины металлической трубы, при котором контролируемую трубу располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - трубы и данной плоскости осуществляют как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждение на его первом конце электромагнитных видеосигналов и прием отраженных видеосигналов, в первом такте измерений измеряют суммарное время Δt прямого и обратного распространения электромагнитных видеосигналов вдоль отрезка длинной линии, отраженных от его второго разомкнутого конца, являющимся концом металлической трубы, дополнительно, во втором такте измерений, осуществляют в одном из сечений отрезка длинной линии его замыкание накоротко на фиксированной длине  от первого разомкнутого конца и измеряют суммарное время Δt прямого и обратного распространения электромагнитных видеосигналов вдоль отрезка длинной линии, отраженных от точки короткого замыкания, производят совместное преобразование измеренных значений Δt и Δt согласно соотношению  по результату которого судят о длине трубы.
Предлагаемый способ поясняется чертежом.
На чертеже схематично показана схема устройства для реализации способа измерения длины металлической трубы.
Устройство, реализующее способ, содержит трубу 1, диэлектрические опоры 2, металлическую плоскость 3, электронный блок 4, линию связи 5, функциональный преобразователь 6, коммутатор 7, регистратор 8.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Данный способ характеризуется проведением последовательно двух тактов измерений с изменением (укорочением) в одном из тактов измеряемого параметра - длины  отрезка длинной линии, которая равна длине контролируемой металлической трубы, - на некоторую фиксированную величину
1
В первом такте измерения длины  металлической трубы, рассматривая совокупность двух протяженных проводников - контролируемой трубы и заземленной металлической плоскости - как отрезка длинной линии, возбуждают на его первом конце электромагнитные импульсные сигналы (видеосигналы) как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и измеряют суммарное время Δt прямого и обратного распространения электромагнитных видеосигналов вдоль отрезка длинной линии и отраженных от его второго разомкнутого конца (конца металлической трубы).
1
При распространении электромагнитных импульсных сигналов (видеосигналов) вдоль отрезка длинной линии, возбуждаемых на его первом конце, их отражении от второго разомкнутого конца этого отрезка длинной линии (конца металлической трубы) и приеме этих видеосигналов на его первом конце суммарное время Δt их прямого и обратного распространения вдоль отрезка длинной линии выражается следующей формулой (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 69-71):
где с - скорость света, ε и μ - соответственно, относительное значение диэлектрической проницаемости и относительное значение магнитной проницаемости среды в пространстве, где расположены проводники рассматриваемого отрезка длинной линии.
Для проведения второго такта измерений следует так или иначе изменить длину  отрезка длинной линии. Это, конечно, не предполагает укорачивание или удлинение самой металлической трубы. Изменение длины отрезка длинной линии может быть выполнено ее закорачиванием в одной точке вдоль длины. Соответственно, будем иметь 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
2
Во втором такте измерений измеряют суммарное время Δt прямого и обратного распространения электромагнитных видеосигналов (импульсов) вдоль отрезка длинной линии до точки, где есть короткое замыкание, и отраженных от нее.
1
Для Δt (первый такт измерений) будем иметь в этом случае следующее выражение:
2
Значение Δt (второй такт измерений) выражается следующим образом:
Преобразуя совместно (2) и (3) с исключением из результата этого преобразования величины εμ, находим искомое значение
Следовательно, длина  металлической трубы есть
1
2
1
2
В данном случае совместное функциональное преобразование Δt/Δt значений Δt и Δt приводит к определению длины  металлической трубы. Величину  можно выбирать достаточно произвольно, например, можно принимать
1
1
2
1
2
1
2
1
2
Согласно данному способу, совокупность двух протяженных проводников - контролируемой трубы и заземленной металлической плоскости - рассматривают как отрезок длинной линии, разомкнутый на концах. В этом отрезке длинной линии осуществляют с одного его торца возбуждение в нем электромагнитных видеосигналов (импульсов), принимают видеосигналы, отраженные от его другого, разомкнутого, торца и измеряют суммарное время их прямого и обратного распространения. Для образования данного, разомкнутого на концах, отрезка длинной линии - металлическую трубу 1 располагают на диэлектрических опорах 2 над металлической плоскостью 3 (фиг. 1). С применением электронного блока 4, линии связи 5 (коаксиального кабеля) и элемента связи (не показан), в таком отрезке длинной линии на его первом конце возбуждают электромагнитные видеосигналы (импульсы). В электронном блоке 4 принимают видеосигналы, отраженные от его другого, разомкнутого, торца и измеряют суммарное время Δt их прямого и обратного распространения. Выход электронного блока 4 подсоединен к первому входу функционального преобразователя 6, на который поступает данная информация о текущих значениях Δt и Δt как, соответственно, в первом, так и во втором тактах измерения. Во втором такте измерений производят замыкание накоротко проводников рассматриваемого отрезка длинной линии в одном из его сечений на некотором фиксированном (известном) расстоянии  от его разомкнутого первого конца. Элемент связи и линию связи 5 выполняют при этом с возможностью возбуждения и съема электромагнитных колебаний в обоих тактах измерений. Ко второму входу функционального преобразователя 6 подсоединен коммутатор 7, осуществляющий периодическое, замыкание накоротко во втором такте измерений, и размыкание при переходе к первому такту измерений, проводников данного отрезка длинной линии в фиксированном сечении с известным расстоянии  от этого сечения до разомкнутого первого конца отрезка длинной линии. По завершению второго такта измерений и возвращению к первому такту измерений коммутатор 7 размыкает проводники отрезка длинной линии в этом его сечении. Длина  до точки короткого замыкания известна. Неизвестным является длина  участка отрезка длинной линии вне длины  Одновременно с этим замыканием накоротко во втором такте измерений производят в функциональном преобразователе 6 измерение соответствующего второму такте измерений значения Δt в короткозамкнутом на одном конце отрезке длинной линии длиной  Информация о текущем значении как в первом такте измерений, так и Δt во втором такте измерений, поступает попеременно на вход функционального преобразователя 6, в котором производят совместное преобразование измеренных значений Δt и Δt согласно соотношению (5). По результату этого преобразования значений Δt и Δt судят об определяемой длине  трубы 1. К выходу функционального преобразователя 6 подсоединен регистратор 8, выходной сигнал которого соответствует значению длины  трубы 1.
Данный способ измерения может найти применение на практике там, где требуется производить высокоточные бесконтактные измерения длины различных металлических труб при наличии возможных изменений электрофизических параметров окружающей среды в области расположения измерительного участка, где производят измерения длины металлической трубы.