Способ измерения длины электропроводного объекта
METHOD OF MEASURING THE LENGTH OF AN ELECTRICAL WIRE OBJECT

Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в автоматизированных системах производства, а также при измерении длины радиоактивных объектов, отрезков тонких проводов и других электропроводных объектов, измерение которых известными способами затруднено.
Известен способ бесконтактного радиоволнового определения размеров электропроводных изделий (Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. «Применение двухдиодных автодинов в устройствах радиоволнового контроля размеров изделий»// Измерительная техника. 2016. №7. С. 24-28). При использовании этого способа автодин применяют как доплеровский локатор, измеряют угол между вектором скорости движения объекта и осью диаграммы направленности антенны, с помощью специального датчика регистрируют измерительный интервал за время движения объекта и считают количество импульсов, попавших в измерительный интервал. По этим данным вычисляют длину объекта.
Общими признаками с заявляемым способом являются измерение длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большая погрешность измерений, обусловленная погрешностью датчика, формирующего сигналы измерительного интервала, большие затраты времени на проведение измерений и сложность приемо-передающей аппаратуры. Для реализации данного способа необходимо обеспечить движение объекта.
Известен бесконтактный радиоволновый способ измерения длины электропроводного объекта, основанный на использовании зависимости параметров электромагнитного поля от расстояния и длины электрически проводимых структур (в предлагаемом способе - электропроводного объекта). (Гартнянски Р. и др. «Измерение длины проводника в электромагнитном поле». Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» Издательство: Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (Ижевск), ISSN: 1813-7911). При использовании этого способа измеряемый электропроводный объект помещают вблизи полуволнового вибратора и определяют положение минимума функции активной части входного сопротивления этого вибратора в диапазоне частот. По результатам этих измерений вычисляют длину объекта.
Общими признаками с заявляемым способом являются измерение длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне с использованием зависимости параметров электромагнитного поля от длины объекта, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большая погрешность измерений и большие затраты времени на проведение измерений с использования сложных приборов, поскольку минимум функции входного сопротивления, определяемый при измерении, выражен не четко
Из известных способов измерения длины наиболее близким по технической сущности является бесконтактный радиоволновый способ измерения длины электропроводного объекта, основанный на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты. (В.А. Викторов и др. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов». - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 80-81). При использовании этого способа измеряемый электропроводный объект используют в качестве элемента двухпроводной или коаксиальной линии, разомкнутой на обоих концах, возбуждают в объекте электромагнитное колебание и измеряют его резонансную частоту. По результатам измерения резонансной частоты вычисляют длину объекта.
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого способа, являются возбуждение в объекте электромагнитного колебания, измерение его резонансной частоты и вычисление длины объекта по результатам измерения резонансной частоты.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность измерений и сложность эксплуатации, поскольку частотная характеристика использованной одноконтурной колебательной системы имеет тупой экстремум. Кроме того, на величину резонансной частоты влияют не учтенные элементы связи объекта с измерительными цепями и элементы крепления объекта. Измеритель сложен в эксплуатации, поскольку необходимо обеспечивать определенное взаимное расположение объекта и измерительных цепей.
Технический результат, на решение которого направлен предлагаемый способ, - повышение точности измерений при небольших затратах времени на проведение измерений с использованием простых приборов.
Технический результат достигается тем, что при измерении объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле , где  - резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Для достижения технического результата в способе измерения длины электропроводного объекта, основанном на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты, при измерении объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле  где  - резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена одна из возможных схем измерителя; на фиг. 2 - схема колебательной системы измерителя; на фиг. 3 вид частотных характеристик, а на фиг. 4 - сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
На фиг. 1 представлены: противовес антенны 1; высокочастотный листовой диэлектрик 2; контурный конденсатор 3; индуктивность контура 4; опорная площадка 5; измеряемый объект 6; элементы связи LC-контура с измерительными приборами 7 и 8; амплитудный детектор 9; соединительные кабели 10; измеритель частотных характеристик 11; устройство обработки сигналов 12.
A
А
А
Листовой диэлектрик 2 необходим для крепления опорной площадки 5. Индуктивность 4 вместе с суммарной емкостью С, включающей контурную емкость 3, емкость опорной площадки и емкости элементов связи, образуют измерительный LC-контур. Перестройку резонансной частоты этого контура можно осуществлять изменением емкости и индуктивности. Наличие емкости опорной площадки и емкости элементов связи не влияет на погрешность измерения резонансной частоты антенны, поскольку их реактивности скомпенсированы индуктивностью 4. Объект, используемый в качестве антенны, и измерительный LС-контур образуют двухконтурную колебательную систему (фиг. 2). На фиг. 2 показаны элементы LC-контура (L, С, r) и антенны вблизи частоты ее последовательного резонанса (L, С, r). Типичный вид суммарной частотной характеристики двухконтурной колебательной системы показан на фиг. 3. При высокой добротности LC-контура (Q>5) и точном совпадении резонансных частот ZC-контура и антенны суммарная частотная характеристика получается симметричной (фиг. 3, а).
При измерении объект длиной l используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны (l=λ/4). Объект устанавливают на опорной площадке, приподнятой над противовесом, возбуждают в нем электромагнитное колебание и измеряют частоту первого последовательного резонанса. При измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле  где  - резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны. При измерении ось объекта должна быть перпендикулярна плоскости противовеса 1. Противовес может быть ориентирован в пространстве произвольным образом.
Возможно проведение измерений и на высоких номерах частот последовательного резонанса антенны: l=3λ/4, l=5λ/4 и т.п., однако лишь при измерении на частоте первого последовательного резонанса получается однозначность отсчета длины объекта.
В качестве противовеса антенны может быть использован металлический диск. Как известно, наибольшие потери мощности происходят в зоне земли, ограниченной диаметром 0,35λ относительно штыревой антенны (Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. - М.: ИП РадиоСофт, 2010, стр. 15). Именно металлизация этой зоны может решить проблему, связанную с потерями в земле. Поэтому диаметр D металлического диска должен удовлетворять условию D>0,35λ. При использовании противовеса меньшего диаметра снижается добротность антенны, а в результат измерения длины необходимо вводить поправочный коэффициент.
Для индикации частотных характеристик использован измеритель частотных характеристик (ИЧХ) 11. Высокочастотное напряжение с выхода ИЧХ 11 по соединительному кабелю 10 поступает на элемент связи 8 и далее на опорную площадку 5. С опорной площадки высокочастотное напряжение через элемент связи 7 поступает на амплитудный детектор 9 и далее по другому соединительному кабелю 10 поступает на вход ИЧХ 11. Соединительные кабели 10 должны иметь достаточную длину, чтобы измерительные приборы и тело оператора были удалены от антенны и не искажали электромагнитное поле антенны. При необходимости, наряду с визуальной оценкой вида частотной характеристики LC-контура и антенны может быть использовано устройство обработки сигналов 12.
Для повышения точности измерений необходимо повышать добротность LC-контура, поскольку с увеличением добротности уменьшается полоса пропускания контура и, соответственно, снижается погрешность измерения его резонансной частоты и улучшается селекция полезного сигнала. Поскольку измерение частоты может быть выполнено с наибольшей точностью, погрешность измерения получается малой. Благоприятным является и то обстоятельство, что величина коэффициента А сравнительно слабо зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Благодаря тому, что LC-контур обеспечивает свойственную резонансным методам измерения частотную селекцию полезного сигнала от электромагнитных сигналов окружающей среды, измерения могут быть выполнены в лабораторных условиях, без использования экранированной камеры и при малой мощности генератора. Величина минимального напряжения между опорной площадкой и противовесом определяется чувствительностью амплитудного детектора и не превышает долей вольта, что удовлетворяет требованиям безопасности.
8
8
6
При экспериментальном исследовании были использованы отрезки проводов длиной от 29 до 130 см и диаметром 2,1 мм. Их размеры близки к размерам проводников, использованных в аналоге (Гартнянски Р. и др. «Измерение длины проводника в электромагнитном поле». Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» Издательство: Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (Ижевск), ISSN: 1813-7911). Был использован противовес диаметром 80 см. При таком диаметре противовеса в соответствии с условием D>0,35λ частота измерений должна быть не менее ƒ>0,35c/D)=0,35⋅3⋅10/0,8=131 МГц. При возбуждении антенны на частоте первого последовательного резонанса ее длина должна быть не более l≤Ac/ƒ=0,23⋅3⋅10/131⋅10=0,5 м.
В качестве измерителя частотных характеристик был использован прибор типа X1-47. Оператор, измерительные приборы и другие проводящие объекты были удалены от измеряемого объекта на расстояние не менее 3 м. Результаты измерений показаны на фиг.4 пунктирной линией. Для сравнения на фиг. 4 сплошной линией показаны результаты расчета по формуле l=Ac/ƒ=0,23 c/ƒ. Как видно из фиг. 4, расчетные и экспериментальные результаты хорошо соответствуют друг другу.
На фиг. 3,а показан вид частотной характеристики при точной настройке LC-контура на резонансную частоту антенны, а на фиг. 3,b и 3,с при небольших расстройках в сторону верхних и нижних частот. Чем больше величина расстройки частоты, тем сильней частотная характеристика отличается от симметричной.
Таким образом, теоретически и экспериментально доказано, что предлагаемый способ измерения длины объекта обеспечивает высокую точность измерения при небольших затратах времени на проведение измерений с использованием простых в эксплуатации измерительных приборов. Предлагаемый способ особенно удобен при измерении длины объектов малого диаметра, то есть объектов с малой площадью поперечного сечения (трубы, прутки, провода и т.п.), когда использование известных методов затруднено.
Актуальность поиска новых способов измерения длины объектов подтверждается, в частности, данными аналога. Разработкой способа измерения, основанного на регистрации изменений электромагнитных характеристик в зависимости от геометрических размеров измеряемого объекта, занимались ученые Словацкого технического университета, Братислава (Словакия) и Ижевского государственного технического университета. Их работа выполнена при финансовой поддержке проекта VEGA 1/0963/12 и VEGA 2/0006/10. Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» профинансирована в рамках проекта №2010-218-02-259 за счет субсидий Минобрнауки России по договору №13.G25.31.0094 от 22.10.2010 г.