УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
DEVICE FOR MEASURING INNER DIAMETER OF METAL PIPE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения внутреннего диаметра металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве, на металлургических, машиностроительных предприятиях.
Известны рефлектометрический способ измерения внутреннего диаметра металлической трубы и реализующее его устройство (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 248-249). Данные технические решения обеспечивают достаточно высокую точность измерения внутреннего диаметра металлической трубы в пределах его измерения 0÷4 мм. При более высоких значениях изменения диаметра трубы погрешность его определения значительно увеличивается. Недостатком этих способа и устройства является ограниченная область применения, обусловленная небольшим диапазоном измерения.
111
Известно также устройство (SU 1298538 А, 23.11.1987), согласно которому внутри содержащее размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень. Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний для возбуждения на измерительном участке трубы электромагнитных колебаний и создания стоячих электромагнитных волн в образуемом коаксиальном волноводе, и электронный блок для измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний. При этом содержит размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень, выполненный из трех участков. Два из этих участков имеют одинаковый диаметр, а третий участок, расположенный между ними и соответствующий измерительному участку трубы, имеет увеличенный по сравнению с ними диаметр. Возбуждение стоячих волн осуществляют на третьем участке на частоте, величина которой меньше критической частоты возбуждения электромагнитных волн на участках с одинаковым диаметром, которая, в свою очередь, зависит от диаметра стержня на всех трех участках и от типа возбуждаемых электромагнитных колебаний Н в открытом объемном резонаторе, которым является объем между средним участком стержня и внутренней поверхностью трубы. Такой тип колебаний существует только при превышении значения диаметра стержня на указанном измерительном участке трубы, соответствующего такому открытому объемному резонатору, значений диаметра двух участков металлического стержня с обеих сторон от этого измерительного участка. Недостатком данного устройства является его ограниченные функциональные возможности: его нельзя применить при измерении диаметра трубы малого диаметра, чему препятствует увеличенный диаметр измерительного участка стержня. При этом затруднена реализация и электронного блока, предназначенного для возбуждения колебаний в объемном резонаторе и измерения информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний указанного объемного резонатора, ввиду ее весьма больших значений при сближении поверхностей третьего участка стержня и внутренней поверхности трубы на ее измерительном участке.
Известно также техническое решение (RU 2691288 С1, 11.06.2019), которое содержит описание устройства для измерения внутреннего диаметра металлических труб, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству, и принятое в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты, подсоединенный к нему с помощью линии связи первый элемент связи, располагаемый у одного конца металлической трубы, для возбуждения электромагнитных волн на измерительном участке трубы как в полом волноводе на частоте, меньшей, чем критическая частота возбуждения распространяющихся электромагнитных волн одного из типов волн на измерительном участке трубы, располагаемый у другого конца трубы второй элемент связи для приема, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные детектор и первый вход функционального преобразователя, второй вход которого подсоединен ко второму детектору, вход которого соединен с генератором электромагнитных колебаний, и подсоединенный к выходу функционального преобразователя регистратор.
Недостатком этого устройства является его ограниченные функциональные возможности: его нельзя применить при невозможности размещения элементов связи у концов контролируемой трубы, при возможном смещении трубы в процессе измерения и ее расположения относительно элементов связи, снижая надежность возбуждения и приема электромагнитных колебаний.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения внутреннего диаметра металлической трубы, содержащее генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты, подсоединенный к нему с помощью первой линии связи первый элемент связи, располагаемый у одного конца металлической трубы, для возбуждения электромагнитных волн на измерительном участке трубы как в полом волноводе на частоте, меньшей, чем критическая частота возбуждения распространяющихся электромагнитных волн одного из типов волн на измерительном участке трубы, располагаемый у другого конца трубы второй элемент связи для приема электромагнитных колебаний, к которому с помощью второй линии связи подсоединен входом первый детектор, выходом подключенный к первому входу функционального преобразователя, второй вход которого подсоединен к выходу второго детектора, вход которого соединен с генератором электромагнитных колебаний, и подсоединенный к выходу функционального преобразователя регистратор, содержит размещаемую внутри измерительного участка трубы коаксиально с ней диэлектрическую трубу той же длины, внутри которой размещены первая линия связи с первым элемент связи у одного конца диэлектрической трубы и вторая линия связи с вторым элементом связи у ее другого конца.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 схематично показана схема устройства для измерения внутреннего диаметра металлической трубы.
0
0
На фиг. 2 приведен график зависимости ln(E/Е) (Е и Е - амплитуда напряженности электрического поля в сечении с координатой, соответственно, z=0 и  трубы - волновода) от внутреннего диаметра D металлической трубы.
Здесь введены обозначения: труба 1, первый элемент связи 2, первая линия связи 3, второй элемент связи 4, вторая линия связи 5, диэлектрическая труба 6, генератор электромагнитных колебаний 7, первый детектор 8, второй детектор 9, функциональный преобразователь 10, регистратор 11.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве на измерительном участке трубы 1 возбуждают электромагнитные волны в образуемом в ней как в полом металлическом волноводе (фиг. 1). Возбуждение электромагнитных волн производят на фиксированной частоте на одном из торцов измерительного участка волновода с помощью первого элемента связи 2 (металлического штыря, петли связи или штыря связи) и первой линии связи 3, а прием распространившихся вдоль него электромагнитных волн - на другом его торце с помощью второго элемента связи 4 (также металлическим штырем, петлей связи или штырем связи) и второй линии связи 5. При этом частота возбуждаемых электромагнитных волн выбирается меньшей, чем критическая частота возбуждения распространяющихся электромагнитных волн одного из типов в образуемом полом волноводе. По измеряемой амплитуде принимаемых электромагнитных волн этого типа судят о внутреннем диаметре металлической трубы 1.
На практике специфика условий измерений может не позволить размещение элементов связи 2 и 4 у концов контролируемой трубы; также такое размещение невозможно при возможном смещении трубы в процессе измерения и непостоянстве ее расположения относительно элементов связи, снижая надежность возбуждения и приема электромагнитных колебаний. В данном устройстве нет необходимости размещать элементы связи у концов трубы. В нем на измерительном участке трубы 1 внутри нее коаксиально с ним размещена диэлектрическая труба 6, имеющая ту же длину. Внутри диэлектрической трубы 6 размещены первая линия связи 3 с первым элементом связи 2 у одного конца диэлектрической трубы и вторая линия связи 5 с вторым элементом связи 4 у ее другого конца. Фиксированное расположение диэлектрической трубы 6, имеющей элементы связи 2 и 4 и линии связи 3 и 5 внутри нее, относительно контролируемой металлической трубы 1 обеспечивает надежную конструкцию измерительного устройства.
При возбуждении электромагнитных волн в контролируемой трубе 1 как в полом металлическом волноводе на фиксированной частоте  которая ниже критической частоты  для волны одного из типов волн, вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из концов трубы 1 - полого металлического волновода.
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства:  которому должны удовлетворять рабочая частота  и критическая частота  для электромагнитной волны возбуждаемого («рабочего») типа волн. При  имеет место запредельный режим, при котором распространения электромагнитных волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего первого элемента связи 2. В запредельном волноводе, которым в данном случае является полый металлический волновод - контролируемая труба 1, электромагнитное поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабленияесть
0
В этих формулах Е - амплитуда напряженности электрического поля в сечении с координатой z=0;  с - скорость света. Выбирая соотношение между  можно управлять величиной ослабления α.
0
Следовательно, как следует из (1) и (2), относительное значение Е/Е амплитуды напряженности электромагнитного поля в каком-либо сечении данного волновода, в сечении с координатой  где расположен второй элемент связи 4, есть
11
В полом круглом металлическом волноводе основной волной, имеющей минимальное значение критической частоты  является волна типа Н, для которой критическая частота  есть (монография: Милованов О.С, Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 38-44):
8
где с=3⋅10 м/с - скорость света,  - 1-ый корень производной функции
Бесселя 1-ого порядка, ε и μ - относительные значения, соответственно, диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости среды в волноводе. В полом волноводе ε=1 и μ=1.
Из формулы (3) после преобразований с учетом формулы (4) следует
Измеряя значение амплитуды Е в сечении с координатой  данного волновода, можно, согласно (5), определить значение внутреннего диаметра D металлической трубы. На фиг. 2 при  ε=1 и μ=1 приведен график зависимости
0
ln(E/Е) от D, построенный согласно (5).
В данном устройстве диэлектрическая труба 6 может быть выполнена тонкой, не влияющей существенно на электродинамические параметры устройства, на величину информативного параметра - амплитуды Е принимаемых электромагнитных колебаний.
01
01
При возможном наличии диэлектрических осаждений (пленок и т.п.) на внутренней поверхности контролируемого металлического волновода целесообразно, для повышения точности измерения внутреннего диаметра обеспечить проведение измерений при возбуждении в волноводе волны типа H. Для волн этого типа электрические силовые линии имеют форму замкнутых окружностей и не заканчиваются на стенках волновода. Токи в стенках волновода также протекают по окружностям и не имеют продольных составляющих. Это обеспечивает особенность волн этого типа - малые потери в стенках, практическую нечувствительность характеристик распространения волн от наличия слоя диэлектрического вещества на внутренней поверхности трубы. В полом круглом металлическом волноводе для волн типа H значение критической частоты  есть
8
где с=3⋅10 м/с - скорость света,  - 1-й корень производной функции
0
Бесселя нулевого порядка, ε и μ - относительные значения, соответственно, диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости среды в волноводе. В полом волноводе е=1 и ц=1. Для волн типа Hoi формула, соответствующая зависимости ln(E/Е) от D, аналогична формуле (5), где вместо  надо записать
0
0
0
В данном устройстве в трубе 1, являющейся полым волноводом, возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты  с помощью первого элемента связи 2 (металлического штыря, петли связи или штыря связи) внутри диэлектрической трубы 6 у одного из ее концов (фиг. 1). У другого конца трубы 1 с помощью второго элемента связи 4 (также металлического штыря, петли связи или штыря связи) и первой линии связи 3 внутри диэлектрической трубы 6, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль трубы 1. Для возбуждения электромагнитных волн служит генератор электромагнитных колебаний 7 фиксированной частоты  значение которой удовлетворяет условию  где  - критическая частота для «рабочего» (т.е. возбуждаемого в данном волноводе) типа электромагнитных волн. У другого конца полого волновода принимаемый сигнал поступает через второй элемент связи 4 и вторую линию связи 5 на первый детектор 8, выходной сигнал которого имеет амплитуду E(D), служащую информативным параметром. Напряженность электрического поля Е при удалении от первого элемента связи 2 спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е зависит от внутреннего диаметра D контролируемой металлической трубы 1. Затем этот сигнал поступает на первый детектор 8 и затем на первый вход функционального преобразователя 10. На второй вход функционального преобразователя 10 поступает сигнал из генератора электромагнитных колебаний 1, который сначала приходит на вход второго детектора 9, а с его выхода - на второй вход функционального преобразователя 10. Этот сигнал несет информацию об амплитуде Е на входе металлической трубы 1 при возбуждении в ней электромагнитных волн как в полом волноводе с помощью элемента связи 2. В функциональном преобразователе 10 производят совместное функциональное преобразование Е и Е согласно формуле (5) для определения зависимости ln(E/Е) от D и нахождения значения D. К выходу функционального преобразователя 10 подсоединен регистратор 11 для определения амплитуды Е, служащей информативным параметром, и измеряемого внутреннего диаметра D металлической трубы 1.
Для металлических труб конкретных размеров выбором частоты  генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика внутреннего диаметра металлической трубы в рабочем диапазоне его изменения. При этом имеет место монотонность зависимости амплитуды результирующего значения напряженности электромагнитного поля от этого диаметра. Применение данного устройства обеспечивает информацию о диаметре трубы, усредненную по ее длине.
Таким образом, данное устройство достаточно просто реализуемо. Оно может найти применение на практике там, где требуется производить бесконтактные измерения внутреннего диаметра металлической трубы, а также и толщину ее стенки при известности наружного диаметра этой трубы.