СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
METHOD OF MEASUREMENT OF METAL PIPE LENGTH

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения длины металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях.
Известны механический способ измерения длины изделий и реализующее его устройство (SU 313070, 26.10.1971). 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, 18.07.1975), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-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 способа являются его ограниченные функциональные возможности, вызванные невысоким быстродействием: быстродействие мало из-за необходимости применения нескольких резонансных масштабных датчиков и их опроса; его нельзя применить при измерении длины труб, которые изменяются в широких пределах, например 1,5÷9 м при контроле труб мелкого сортамента (диаметром 6÷18 мм); оно мало также вследствие используемого при этом достаточно широкого диапазона девиации частоты генератора электромагнитных колебаний.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения.
n+p
n
n+p
n
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения длины металлической трубы, при котором контролируемую металлическую трубу располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, в совокупности проводников - трубы и данной плоскости возбуждают электромагнитные колебания ТЕМ-типа как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, при девиации их частоты и измеряют одну из колебательных характеристик отрезка длинной линии, по которой судят о длине металлической трубы, в качестве измеряемой колебательной характеристики используют разность ƒ - ƒ резонансных частот ƒ и ƒ электромагнитных колебаний, соответствующих числам n+р и n полуволн стоячей электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии и возбуждаемых последовательно в данном отрезке длинной линии; n=1, 2, …; р=1, 2, ….
Предлагаемый способ поясняется чертежом.
На фиг. 1 схематично показана схема устройства для реализации способа измерения длины металлической трубы.
Устройство, реализующее способ, содержит: трубу 1, диэлектрическую опору 2, металлическую плоскость 3, элемент связи 4, линию связи 5, электронный блок 6, регистратор 7.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
В способе-прототипе информативным параметром является резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, соответствующая основному или какому-либо более высокому типу ТЕМ-колебаний (гармонике).
n+p
n
n+p
n
Согласно данному способу, для проведения измерений длины металлической трубы используют другой информативный параметр - расстояние по частотной оси - разность ƒ - ƒ резонансных частот ƒ и ƒ электромагнитных колебаний двух каких-либо соседних или иных типов ТЕМ-колебаний (гармоник), соответствующих числам n+р и n полуволн стоячей электромагнитной волны вдоль отрезка длинной линии, возбуждаемых последовательно в данном отрезке длинной линии; n=1, 2, …; p=1, 2, ….
n
n+p
Эти резонансные частоты ƒ и ƒ выражаются следующими формулами:
В этих формулах n=1, 2, …; р=1, 2, … - номера гармоник (типов ТЕМ-колебаний), возбуждаемых в данном отрезке длинной линии; с - скорость света; ε и μ - соответственно, относительное значение диэлектрической и относительное значение магнитной проницаемости среды в пространстве, где расположены проводники рассматриваемого отрезка длинной линии; в данном случае, характеризуемом расположением проводников в воздухе, можно считать, что ε=1 и μ=1.
n+p
n
n
n+p
Следовательно, как следует из (1) и (2), разность ƒ - ƒ резонансных частот ƒ, и ƒ при ε=1 и μ=1 есть
n+p
n
n
n
p
1
2
Следовательно, значение ƒ - ƒ не зависит от номера n гармоники (типа ТЕМ-колебаний), а зависит только от номера р - числа, соответствующего расстоянию по частотной оси между значениями резонансных частот ƒ и ƒ+ с произвольным (неизвестным) номером n. В частности, в качестве этих частот могут быть выбраны частоты ƒ и ƒ, соответствующие двум соседним гармоникам с наименьшими значениями резонансных частот, что имеет место р=1. Тогда формула (3) принимает следующий вид:
n
n+1
1
2
2
1
3
1
3
1
При этом в качестве резонансных частот ƒ, и ƒ могут быть выбраны частоты ƒ и f, соответствующие двум соседним гармоникам с наименьшими значениями резонансных частот, что имеет место при n=1. Тогда ƒ-ƒ=с/2l. Тогда при изменении длины металлической трубы в пределах от значения l=1,5 до значения l=9 м изменение (уменьшение) резонансной частоты (расстояние по частотной оси между двумя соседними гармониками) при произвольном значении n изменяется в пределах 100÷16,7 МГц. При использовании 1-ой (n=1) и 3-ей (n=3) гармоник будем иметь: ƒ-ƒ=с/l; тогда при изменении значения l в пределах 1,5÷9 м соответствующее изменение ƒ-ƒ составляет 200÷33,4 МГц.
Такие же значения разности частот гармоник имеют место при работе на более высоких частотах, соответствующих гармоникам с более высоким значением n, т.е. в тех случаях, когда вдоль отрезка длинной линии образуется стоячая волна с большим числом полуволн n.Тогда для измерений возможно применять генераторы высокой частоты с малой ее девиацией, требуемой для проведения измерений во всем диапазоне изменения длины контролируемой трубы.
Согласно предлагаемому способу, в рассматриваемом отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждают электромагнитные колебания как в резонаторе с колебаниями типа ТЕМ.
Для образования данного резонатора - разомкнутого на концах отрезка длинной линии - контролируемую трубу 1 располагают на диэлектрических опорах 2 (роликах) над металлической плоскостью 3 (фиг. 1). С помощью элемента связи 4, которой может являться металлическая петля (индуктивность), линии связи 5 (коаксиальный кабель) в таком отрезке длинной линии возбуждают электромагнитные колебания с применением высокочастотного генератора, входящего в состав электронного блока 6. Частота генератора изменяется в некоторых пределах, соответствующих диапазону изменения длины контролируемой трубы в рабочем диапазоне. В этом же электронном блоке 6 производят измерение информативного параметра - разности резонансных частот выбранных гармоник отрезка длинной линии, возбуждаемых в нем последовательно при девиации частоты генератора. К электронному блоку 6 подсоединен регистратор 7, выходной сигнал которого соответствует значению информативного параметра - разности резонансных частот отрезка длинной линии.
Для контролируемых металлических труб выбором частоты генератора и малого диапазона ее девиации можно оптимизировать чувствительность такого датчика длины металлической трубы 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.