УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОВОДА
DEVICE FOR MEASURING THE DIAMETER OF THE WIRE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения диаметра провода как готового изделия, так и при его производстве. Оно может быть применено также при бесконтактном измерении диаметра провода одновременно в нескольких его сечениях.
Известны рефлектометрический способ измерения диаметра протяженных металлических изделий 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 диаметра в пределах его измерения (Н4 мм. При более высоких значениях изменения диаметра погрешность его определения значительно увеличивается. Недостатком этих способа и устройства является ограниченная область применения, обусловленная небольшим диапазоном измерения.
Известно также устройство для измерения диаметра провода с применением открытого СВЧ резонатора в виде совокупности двух металлических отражающих зеркал, соосных с осью поворота (SU 873155, 15.10.1981). Контролируемый провод пересекает ось резонатора под прямым углом. Измерение диаметра провода основано на измерении угла поворота резонатора, обеспечивающего фиксированное значение вносимых в резонатор контролируемым проводом потерь (сдвига резонансных частот). Измеритель угла поворота, связанный с механизмом поворота резонатора и откалиброванный в значениях диаметра, определяет среднее значение диаметра. Недостатком этого устройства является ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью его реализации и ненадежностью конструкции, воззванное наличием подвижных элементов конструкции.
010
110
Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С.61-62), которое содержит цилиндрический объемный резонатор в виде полости металлической трубы и торцевых металлических плоскостей. Через малые сквозные отверстия в металлических торцевых плоскостях полости проходит контролируемый провод, располагаемый вдоль оси данного резонатора. В этом объемном резонаторе возбуждены электромагнитные колебания типа Е или типа E. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний данного резонатора, определяют диаметр провода. Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, позволяя контролировать провода с малыми значениями диаметров; в ином случае необходимо выполнять большие сквозные отверстия в торцевых плоскостях резонаторов, что приводит к недопустимому снижению добротности резонаторов из-за потерь электромагнитной энергии вследствие излучения электромагнитных волн через указанные отверстия.
Известно также техническое решение (RU 2626063, 21.07.2017), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит размещаемую снаружи провода коаксиально с ним металлическую трубу, выполненную из трех участков, первый и второй из которых имеют одинаковый внутренний диаметр, а третий участок, расположенный между ними на измерительном участке провода, имеет отличный от них внутренний диаметр. На этом участке возбуждены электромагнитные колебания как в открытом с торцов объемном резонаторе, электронный блок для возбуждения в объемном резонаторе и съема электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний, электрически соединенный посредством линии связи и элемента связи с объемным резонатором. При этом частота возбуждаемых электромагнитных колебаний выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн на участках провода с участками металлической трубы с одинаковым внутренним диаметром, при этом на третьем участке металлическая труба имеет внутренний диаметр, уменьшенный по сравнению с внутренним диаметром металлической трубы на первом и втором участках. Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, не позволяя контролировать провода с достаточно большими значениями диаметров: при увеличении диаметра провода имеет место уменьшение расстояния между поверхностью провода и внутренней стенкой наружной трубы на измерительном участке. Это приводит к существенному увеличению значения резонансной частоты объемного резонатора на измерительном участке и вызывает трудности в ее измерении.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения диаметра провода, содержащее размещаемую снаружи провода коаксиально с ним металлическую трубу, выполненную из трех участков, на одном из которых, расположенном на измерительном участке провода, возбуждены электромагнитные колебания как в открытом с торцов объемном резонаторе, электронный блок, электрически соединенный посредством линии связи и элемента связи с объемным резонатором, для возбуждения в объемном резонаторе и съема электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний, каждый из участков металлической трубы с проводом с обеих сторон от измерительного участка является запредельным волноводом для частот электромагнитных колебаний, возбуждаемых в объемном резонаторе, содержит на каждом из этих двух участков расположенную внутри металлической трубы вдоль нее, по меньшей мере, одну металлическую плоскость, соединенную по всей длине с внутренней поверхностью трубы и имеющей ширину, сужающую сечение трубы с расположенным соосно с ней проводом.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг. 1, где схематично показана схема устройства для измерения диаметра провода.
Здесь введены обозначения: объемный резонатор 1, провод 2, металлическая труба 3, запредельные волноводы 4 и 5, металлические пластины 6 и 7, элемент связи 8, линия связи 9, электронный блок 10.
Устройство работает следующим образом.
На измерительном участке контролируемого провода 2 - там, где следует измерить его диаметр - образуют колебательную систему - объемный резонатор 1 при соосном по отношению к проводу расположении отрезка металлической трубы 3 снаружи провода. Возбуждение в пределах измерительного участка электромагнитных колебаний - стоячих электромагнитных волн - возможно осуществить, если создать на его границах такие условия, при которых эти границы будут отражать электромагнитные волны, падающие на них из полости, ограниченной проводом 2 и внутренней поверхностью металлической трубы 3 на данном измерительном участке. Для создания таких граничных условий предлагается организовать вне измерительного участка провода с обеих его сторон запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых на измерительном участке. При этом данный измерительный участок становится объемным резонатором, электромагнитные колебания в котором существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний.
1
2
кр
2
Физически обеспечить режим существования электромагнитных колебаний в пределах измерительного участка провода и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне него можно путем расположении снаружи провода соосно по отношению к нему отрезка металлической трубы, при отличии диаметров которой в пределах измерительного участка провода и вне него возможен запредельный режим вне этого участка. При этом провод 2 и металлическая труба 3 образуют коаксиальную линию. Если на измерительном участке - объемном резонаторе 1 коаксиального типа - возбуждены электромагнитные колебания в некотором диапазоне часто [ƒ, ƒ, соответствующем изменению диаметра провода 2 в измеряемом диапазоне, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельных волноводов 4 и 5 на этих частотах были такими, при которых критическая частота ƒ их возбуждения была выше максимальной частоты ƒ диапазона изменения частоты объемного резонатора 1. Тогда излучение электромагнитных волн за пределы измерительного участка с проводом 2 будет отсутствовать, а в полости данного объемного резонатора 1 будут существовать высокодобротные электромагнитные колебания.
В резонаторном датчике, представляющем собой объемный резонатор 1 открытого типа в виде отрезка коаксиальной линии с сопряженными с ним на его обоих торцах отрезками коаксиальных запредельных волноводов 4 и 5, возбуждают электромагнитные колебания. Для образования данного коаксиального резонатора снаружи контролируемого провода 2 соосно с ним располагают металлическую трубу 3. Возбуждение и съем электромагнитных колебаний в объемном резонаторе 1, в также измерение резонансной частоты электромагнитных колебаний, изменяющейся при изменении диаметра контролируемого провода, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют через элемент связи 8 (металлический штырь, петля связи), подсоединенный к объемному резонатору 1, и линию связи 9 с помощью электронного блока 10. Число элементов связи (один или два) определяется применяемой схемой измерения; на фиг. 1 показано возбуждение электромагнитных колебаний в объемном резонаторе 1 и их съем с помощью одного металлического штыря.
кр
11
крH11
1
2
крH11
11
1
2
крE01
2
1
p
Высший тип электромагнитной волны в коаксиальной линии, характеризующийся наибольшей критической длиной волны λ, есть Н, начиная с длин волн λ>λ ≈ π(R+R), где λ - критическая длина волны для волн типа Н, R и R - радиусы, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии. Затем следует тип поля £01, начиная с λ>λ ≈ π(R-R) и т.д. Собственная (резонансная) частота ƒэлектромагнитных колебаний такого резонатора, в данном случае объемного резонатора 1, близка к собственной частоте закрытого коаксиального резонатора и может быть оценена по формуле (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с. С.71-72):
где l - длина резонатора; р = 0,1,2, …; с - скорость света.
m1p
111
m1
11
крH11
Колебания типа Н (m=1,2,3…; р=1,2,3,…), среди которых низший тип есть H с собственной частотой, определяемой формулой (2). В коаксиальном волноводе среди возможных возбуждаемых электромагнитных волн типа Н (m=1,2,3…) низший тип есть Н. В этом случае имеем следующее выражение для критической длиной волны λ (монография: Милованов О.С, Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 1980. 464 с. С.45-46):
1
2
кр
1
2
1
2
11
кр
где D и D - диаметры, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии, в данном случае диаметры, соответственно, провода 2 и внутреннего диаметра металлической трубы 3. Особенностью волн этих H-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m=1,2,3…, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для ƒ суммы диаметров D и D. Например, при D=10 мм, D=50 мм для волн типа Н будем иметь ƒ - 1,67 ГГц.
р
1
111
Формула (1), выражающая зависимость информативного параметра - резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний объемного резонатора 1 от диаметра D провода 2, при работе на колебаниях типа Н принимает вид
Каждый из двух отражателей электромагнитных волн - запредельных волноводов 4 и 5, располагаемых с обеих сторон объемного резонатора 1, содержит отрезок полой металлической трубы 3, внутри которой расположена продольно, по меньшей мере, одна прямоугольная металлическая пластина (6 и 7, соответственно) в виде продольной перегородки в поперечном сечении металлической трубы 3, соединенной по всей длине с внутренней поверхностью трубы с расположенным соосно с ней проводом 2 и имеющей ширину, сужающую сечение трубы. Одна или несколько металлических пластин разделяют сечение трубы на две или более части меньшего сечения, которые представляют собой запредельные волноводы для электромагнитных колебаний, возбуждаемых в объемном резонаторе 1. Каждый такой запредельный волновод имеет длину порядка нескольких сантиметров (~ 50÷100 мм). На фиг. 1 показано применение одной металлической пластины 6 и 7 в каждом из двух запредельных волноводов 4 и 5, соответственно. Металлические пластины 6 и 7, располагаются не диаметрально внутри этой трубы, соосно с которой расположен контролируемый провод 2, а на некотором расстоянии от центра трубы; каждая из таких металлических пластин является хордой меньшей длины, чем длина внутреннего диаметра металлической трубы 3. Оптимизация конструкции каждой прямоугольной металлической пластины, включающая ее конфигурацию (плоская или криволинейная пластина) и выбор числа таких пластин, производится с точки зрения как обеспечения достаточно высокой добротности (порядка 10 и более), что достаточно для съема и дальнейшего преобразования полезного сигнала с целью измерения резонансной частоты объемного резонатора 1.
111
Отметим, что предлагаемое устройство работоспособно именно на одном из высших типов электромагнитных колебаний, в частности, колебаниях типа H, в рассматриваемом коаксиальном объемном резонаторе 1, так как колебания в нем на основном типе ТЕМ характеризуются малой добротностью и не имеют функциональной зависимости от диаметра провода.
Таким образом, данное устройство позволяет производить бесконтактные измерения диаметра провода и других протяженных металлических изделий (стержней, нитей и т.п.) как в одном, так и, при необходимости, одновременно в нескольких их сечениях.