ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИНЫ И СКОРОСТИ ПРОКАТА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в машиностроении и металлургии, например при измерении длины и скорости быстро движущегося объекта, находящегося в ограниченном пространстве, в частности в технологическом процессе производства сортового проката для контроля длины заготовки.
Известно устройство для определения координат движущегося объекта, содержащее источник излучения, линейку фотоприемников с блоком формирования сигналов, блок управления, генератор импульсов, два регистра и вычислительный блок [1, А.с. №819582, G 01 В 7/04, опубл. 07.04.1981].
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, т.к. с их помощью нельзя определить все координаты объекта при его движении.
Известно интерференционное устройство для измерения перемещений объектов, содержащее устройство монохроматического излучения, две дисперсионные призмы с телескопической системой и двумя отражателями, причем второй отражатель выполнен в виде многоступенчатого зеркала.
При работе устройства пучки света от источников направляются на дисперсионную призму, после прохождения которой сходятся в один луч, который расщепляется телескопической системой в плоский пучок.
Далее пучок делится светоотделителем на два, которые, отразившись от зеркала и отражателя, расщепляются по длинам волн дисперсионной
призмой на два пучка и формируют интерфереционные картины в виде полос с различной интенсивностью [2, А.с. №1663416, G 01 В 11/16, опубл. 15.07.1991, бюл. №26].
Недостатками устройств [1 и 2] является то, что при изменении пределов измерения изменяется использование активной площади преобразователя света вследствие различной площади отверстий в диафрагме, соответствующих различным пределам измерения. Это ведет к изменению величины выходного электрического сигнала, соответствующего пределу измерения и к изменению характеристик фотоэлектрической схемы измерения и требует проведения тарировки или дополнительной настройки.
Известно устройство для измерения длины движущегося полосового проката [3, патент РФ №2058521, Кл. G 01 В 5/02 опубл. 20.04.1996 г.].
Это устройство содержит измеритель длины (мерительный ролик) и вспомогательный узел и характеризуется тем, что этот узел состоит из поддерживающего ролика с определенной длиной бочки и заданным диаметром, причем мерительный и поддерживающий ролики кинематически связаны между собой с помощью шестерен, а между мерительным роликом и шестерней может быть установлено трехподвижное кинематическое соединение, позволяющее изменить расстояние по вертикали между роликами.
Недостатком такого устройства является относительно невысокая точность определения длины полосового проката, что приводит к увеличению "разброса" длин порезанных листов.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, которое содержит лазерный оптоэлектронный блок, электронный блок обработки сигналов, а также два или более фотобарьерных датчика или один синхроконтакт. Лазерный оптоэлектронный блок и фотобарьерные датчики располагаются непосредственно около объекта измерения, а электронный блок устанавливается на значительном расстоянии в отапливаемом помещении. Прибор осуществляет зондирование лучами лазера поверхности объекта, регистрирует доплеровское смещение частоты рассеянного когерентного света, пропорциональное скорости объекта, осуществляет статистическую обработку и накопление полученной информации и формирование стандартных сигналов. [4, Инструкция по эксплуатации ОК.162.ИЭ ЗАО «Вихревые технологии», г.Новосибирск, 1993 г.].
Недостатком данной системы контроля является низкая надежность результатов измерений из-за аналоговой статистической обработки информации и жесткие климатические требования к размещению электронного блока обработки.
Технической задачей полезной модели является повышение надежности измерения длины перемещающегося объекта посредством осуществления процесса измерения, независящего от скорости перемещения объекта.
Техническая задача достигается тем, что лазерный измеритель содержит как минимум два фотобарьерных датчика, блок цифровой обработки доплеровского сигнала, к которому подключены фотобарьерные датчики и, включающий в себя аналогово-цифровой преобразователь и вычислительное устройство.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фиг.1 - показана функциональная схема, реализующая предлагаемое техническое решение.
Лазерный доплеровский измеритель длины и скорости проката содержит оптический блок 1, два фотобарьерных датчика 2 и 3, которые подключены к блоку аналоговой обработки сигнала 4 и к блоку цифровой обработки сигнала 5. При этом блок цифровой обработки сигнала 5 содержит аналогово-цифровой преобразователь 6 и вычислительное устройство 7.
Информация с фотобарьерных датчиков в цифровом виде передается в блок аналоговой обработки сигнала и в блок цифровой обработки сигнала. Программное обеспечение осуществляет анализ состояния фотобарьерных датчиков, определение скорости проката по величине доплеровского смещения отраженного от поверхности движущейся заготовки лазерного излучения, расчет значения длины заготовки и передачу информации в линию связи.
Принцип работы измерителя основан на использовании лазерных измерителей, позволяющих бесконтактным методом с помощью измерения доплеровского смещения частоты, отраженного от движущейся поверхности лазерного излучения, определять скорость любой, в том числе и горячей, поверхности предмета.
Устройство работает следующим образом.
Два пересекающихся в измерительной зоне когерентных лазерных луча направляются на поверхность измеряемого объекта. Отраженный световой поток через собирающий объектив направляется на фотоприемник, на выходе которого образуется электрический сигнал, частота которого пропорциональна величине доплеровского смещения лазерного излучения, отраженного от движущейся поверхности. Полученный электрический сигнал в аналого-цифровом преобразователе преобразуется в цифровой вид.
Далее в вычислительном устройстве производится Фурье анализ полученных значений, выделяется спектральная составляющая сигнала, связанная со скоростью поверхности, и по этой спектральной составляющей и времени срабатывания фотобарьерных датчиков вычисляется длина заготовки.
Блок аналоговой обработки сигналов используется для формирования питающих напряжений фотобарьерных датчиков и опорных напряжений для оптического блока.
Опытная эксплуатация лазерного измерителя проводилась на отводящем рольганге цеха прокатки широкополочных балок Нижнетагильского металлургического комбината. Широкий
температурный диапазон работы вычислительного устройства позволил разместить его непосредственно у рольганга за пилами горячей резки, рядом с оптическим блоком, для контроля длины отрезаемых заготовок в режиме реального времени. Рядом с измерителем были расположены два фотобарьерных датчика. Такое расположение позволило упростить процесс настройки оптоэлектронного блока измерителя, исключить длинные аналоговые линии связи. Измеритель располагался на расстоянии 2000 мм от горячего слитка. Хотя в процессе эксплуатации температура корпуса измерителя доходила примерно до 55 градусов, принудительного охлаждения не потребовалось.
Для оценки точности лазерного доплеровского измерителя измеренная прибором отрезаемая длина заготовки сравнивалась со схемой расстановки шести пил горячей резки, для чего рулеткой измерялись расстояния между дисками пил горячей резки. При порезке в каждом приеме реза участвует от одной до шести пил одновременно. Длины горячих заготовок определялись по показаниям лазерного доплеровского измерителя. Погрешность при замерах расстановки пил горячей резки заготовок рулеткой составила до 5 мм.
Опытная эксплуатация лазерного доплеровского измерителя длины и скорости проката выявила его преимущества по сравнению с существующими измерительными системами на основе аналоговой обработки доплеровского сигнала. Реализованный в измерителе цифровой способ обработки доплеровского сигнала позволил осуществить контроль за перемещением слитка с большей степени надежности.
По результатам опытной эксплуатации можно сделать следующие выводы:
- разработанный лазерный измеритель позволяет контролировать длину заготовки с точностью до 0,2%;
- точность контроля скорости разливки измерителем не меньше, чем у существующей системы с аналоговой обработкой доплеровского сигнала;
- блок цифровой обработки сигнала может свободно размещаться на расстоянии до 5 м сбоку от горячего слитка, такое размещение блока позволяет оперативно производить его техническое обслуживание и замену в процессе эксплуатации;
- в отличие от существующего измерителя надежность получения верного результата измерения длины заготовки существенно увеличилась.
Кроме того, специальная конструкция защитного корпуса блока цифровой обработки сигнала позволила избежать влияния температуры окружающей среды, пыли, пара и водяных брызг на работоспособность измерителя.
Достоинством предложенной системы контроля является высокая степень надежности определения размеров перемещающегося объекта.
Таким образом заявляемое техническое решение полностью выполняет техническую задачу.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемой полезной модели.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию "новизна".
Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".