СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ПРОТЯЖЕННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ
METHOD FOR MEASURING THE LENGTH OF AN EXTENDED METAL PRODUCT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины протяженных металлических изделий (труб, стержней и др.), 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), 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.
Известно также техническое решение (RU 2656016 С1, 30.05.2018), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу, контролируемое протяженное металлическое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью. В совокупности проводников - протяженном металлическом изделии 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 протяженного металлического изделия. 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 на измерительном участке. 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.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения вследствие упрощения процесса измерения.
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в способе измерения длины протяженного металлического изделия, при котором контролируемое металлическое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - протяженном металлического изделии и данной плоскости возбуждают на фиксированной частоте электромагнитные волны ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и в первом такте измерений измеряют фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на первом конце и отраженных от второго разомкнутого конца этого отрезка длинной линии, 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 фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на первом конце отрезка длинной линии и отраженных от точки короткого замыкания, производят совместное преобразование измеренных фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ согласно соотношению , по результату которого судят о длине протяженного металлического изделия.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором схематично показана схема устройства для реализации способа измерения длины протяженного металлического изделия.
Устройство, реализующее способ, содержит изделие 1, диэлектрические опоры 2, металлическую плоскость 3, генератор 4, линию связи 5, направленные ответвители 6 и 7, фазовый детектор 8, функциональный преобразователь 9, коммутатор 10, регистратор 11.
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 контролируемого изделия, - на некоторую фиксированную величину
1
В первом такте измерения длины  протяженного металлического изделия, рассматривая совокупность двух протяженных проводников - контролируемой трубы и заземленной металлической плоскости - как отрезка длинной линии, возбуждают на его первом конце на фиксированной частоте ƒ электромагнитные волны ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, и измеряют фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на первом конце и отраженных от второго разомкнутого конца этого отрезка длинной линии.
1
При распространении электромагнитных волн вдоль отрезка длинной линии, возбуждаемых на фиксированной частоте ƒ на его первом конце, их отражении от второго разомкнутого конца этого отрезка длинной линии и приеме этих волн на его первом конце 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  - фазовая скорость электромагнитных волн, 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 самого металлического изделия. Изменение длины отрезка длинной линии может быть выполнено его 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
1
Для фазового сдвига Δϕ (первый такт измерений) будем иметь в этом случае следующее выражение:
2
Фазовый сдвиг Δϕ (второй такт измерений) выражается следующим образом:
Преобразуя совместно (2) и (3) с исключением из результата этого преобразования величины εμ, находим искомое значение
Следовательно, длина  металлического изделия есть
1
2
В данном случае логометрическое преобразование фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ приводит к определению длины  металлического изделия. Величину  можно выбирать достаточно произвольно. Например, можно принимать
a
а
0
0
2
1
2
1
2
1
2
Согласно данному способу, в рассматриваемом отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждают электромагнитные волны типа ТЕМ. Для образования данного, разомкнутого на концах, отрезка длинной линии - протяженное металлическое изделие 1 располагают на диэлектрических опорах 2 над металлической плоскостью 3 (фиг. 1). С применением высокочастотного генератора 4 фиксированной частоты ƒ, линии связи 5 (коаксиального кабеля) и элемента связи (не показан), которой может являться металлическая петля (индуктивность), в таком отрезке длинной линии на его первом конце возбуждают электромагнитные волны. С применением направленных ответвителей 6 и 7 для прямых и отраженных электромагнитных волн, соответственно, отраженные от второго конца отрезка длинной линии электромагнитные волны, а также прямые электромагнитные волны (часть их мощности) от генератора 4 подаются на фазовый детектор 8. На выходе фазового детектора 8, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных электромагнитных волн, образуется сигнал, напряжение U которого пропорционально разности фаз Δϕ этих волн: U=cos(Δϕ+Δϕ). Здесь Δϕ - фиксированный фазовый сдвиг в линии связи 5, направленных ответвителях 6 и 7. Коэффициент  учитывает затухание, вносимое схемными элементами. Выход фазового детектора 8 подсоединен к первому входу функционального преобразователя 9, на который поступает данная информация о текущем значении фазового сдвига как 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 9 подсоединен коммутатор 10, 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 10 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 производят в функциональном преобразователе 9 измерение соответствующего этому значения фазового сдвига Δϕ электромагнитных волн в короткозамкнутом на одном конце отрезке длинной линии длиной  Информация о текущем значении фазового сдвига как Δϕ в первом такте измерений, так и Δϕ во втором такте измерений, поступает попеременно на вход функционального преобразователя 9, в котором производят совместное преобразование измеренных фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ согласно соотношению (5). По результату этого преобразования фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ судят об определяемой длине  изделия 1. К выходу функционального преобразователя 9 подсоединен регистратор 11, выходной сигнал которого соответствует значению длины  изделия 1.
Для контролируемых изделий выбором фиксированной частоты генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика длины изделия в рабочем диапазоне ее изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра от этой длины. Данный способ измерения может найти применение на практике там, где требуется производить высокоточные бесконтактные измерения длины различных протяженных металлических изделий при наличии возможных изменений электрофизических параметров окружающей среды в области расположения измерительного участка, где производят измерения длины металлического изделия.