УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ПРОТЯЖЕННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ
DEVICE FOR MEASURING THE LENGTH OF EXTENDED METAL PRODUCT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения 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 А1, 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 А1, 05.09.1974), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому устройству-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 устройства 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 устройства вследствие повышения точности измерения длины протяженного металлического изделия.
Технический результат в предлагаемом устройстве для измерения длины протяженного металлического изделия, содержащем металлическую плоскость с размещенным изолированно над ней контролируемым изделием, совокупность которых образует отрезок длинной линии, генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты, соединенный линией связи с одним из концов отрезка длинной линии, включенные в линию связи входами направленные ответвители для прямой и отраженной электромагнитных волн, выход каждого из которых подсоединен к соответствующему входу фазового детектора, регистратор, достигается тем, что оно содержит блок для измерения фазовой скорости электромагнитных волн и вычислительное устройство, выход фазового детектора соединен с первым входом вычислительного устройства, ко второму входу которого подсоединен выход блока для измерения фазовой скорости электромагнитных волн, а к выходу - регистратор.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом на фиг. 1, где показана функциональная схема устройства для измерения длины протяженного металлического изделия.
Устройство содержит: изделие 1, металлическую плоскость 2, генератор 3, линию связи 4, блок измерения фазовой скорости электромагнитных волн 5, фазовый детектор 6, направленные ответвители 6 и 7, вычислительное устройство 9, регистратор 10.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве для проведения измерений длины  протяженного металлического изделия рассматривают совокупность двух протяженных проводников - контролируемого протяженного металлического изделия и заземленной металлической плоскости - как отрезок длинной линии. Информативным параметром служит фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемой и отраженной от разомкнутого конца отрезка длинной линии электромагнитных волн.
При распространении электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии, ее отражении от разомкнутого конца отрезка длинной линии и приеме этой волны на его входе фазовый сдвиг Δϕ падающей и принимаемой электромагнитных волн выражается следующей формулой (Викторов В.А. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 73-74):
где ƒ - частота генератора,  - фазовая скорость электромагнитной волны, 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, .
ф
p
В данном устройстве предусмотрено наличие блока измерения фазовой скорости ν электромагнитных волн на измерительном участке устройства, которое воспринимает текущую информацию о значениях величин ε и μ и их возможных изменениях. Этот блок содержит резонатор - колебательный контур, дополнительный отрезок длинной линии или объемный резонатор. При этом собственная (резонансная) частота ƒ такого резонатора определяет (задает) частоту электромагнитных колебаний генератора, которая зависит от ε и μ:
где  - собственная частота этого резонатора при ε=μ=1.
p
При умножении значения Δϕ из формулы (1) на значение ƒ из формулы (2), любых значениях ε и μ будет иметь:
p
где . Это соотношение является инвариантом по отношению к ε и μ. Следовательно, обеспечив выполнение в вычислительном блоке устройства операции умножения величин Δϕ и ƒ согласно формуле (3), достигается независимость результатов измерения  от электрофизических параметров ε и μ окружающей среды.
При реализации данного устройства контролируемую трубу 1 располагают на диэлектрических опорах (не показаны на рисунке) над металлической плоскостью 2 (фиг. 1).
p
ф
С применением высокочастотного генератора 3 фиксированной частоты и линии связи 4 (коаксиальный кабель) в таком отрезке длинной линии возбуждают электромагнитные волны. Устройство содержит также блок для измерения фазовой скорости электромагнитных волн 5 на измерительном участке устройства в виде резонатора 5 - колебательного контура, дополнительного отрезка длинной линии или объемного резонатора. При этом собственная (резонансная) частота ƒ такого резонатора зависит от фазовой скорости ν электромагнитных волн на измерительном участке, то есть от ε и μ, и выражается формулой (2).
a
а
0
0
p
Отраженные от конца отрезка длинной линии волны, а также прямые волны (часть их мощности) подаются от генератора 3 на фазовый детектор 6. Для этой цели служат включенные в линию связи 4 направленные ответвители 7 и 8 соответственно, для прямых и отраженных электромагнитных волн. На выходе фазового детектора 6, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение U которого пропорционально разности фаз Δϕ этих волн: U=cos(Δϕ+Δϕ). Здесь Δϕ - фиксированный фазовый сдвиг в линии связи 4, направленных ответвителях 7 и 8. Коэффициент  учитывает затухание, вносимое схемными элементами. Выход фазового детектора 5 подсоединен к первому входу вычислительного устройства 9, ко второму входу которого подсоединен выход блок для измерения фазовой скорости электромагнитных волн 5. К выходу вычислительного устройства 9 подключен регистратор 10, выходной сигнал которого соответствует значению длины  протяженного металлического изделия. В вычислительном устройстве 9 осуществляется операция умножения величин Δϕ и ƒ согласно формуле (3) и, тем самым, обеспечивается независимость результатов измерения длины  от электрофизических параметров ε и μ окружающей среды.
Для контролируемых протяженных металлических изделий выбором частоты генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика длины металлического изделия в рабочем диапазоне ее изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра от этой длины. Данный способ измерения достаточно просто реализуем. Он может найти применение на практике там, где требуется производить высокоточные бесконтактные измерения длины металлической трубы в широких пределах ее изменения при наличии возможных изменений электрофизических параметров окружающей среды в области расположения измерительного участка трубы, где производят измерения длины металлического изделия.