УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОВОДА
DEVICE FOR CONTACTLESS MEASURING WIRE DIAMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения диаметра провода как готового изделия, так и при его производстве. Оно может быть применено также при бесконтактном измерении диаметра провода одновременно в нескольких его сечениях.
Известны рефлектометрический способ измерения диаметра протяженных металлических изделий и реализующее его устройство (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука 1978. 280 с. С. 248-249). Данные технические решения обеспечивают достаточно высокую точность измерения диаметра в пределах его измерения 0÷4 мм. При более высоких значениях изменения диаметра погрешность его определения значительно увеличивается. Недостатком этих способа и устройства является ограниченная область применения, обусловленная небольшим диапазоном измерения.
Известно также устройство для измерения диаметра провода с применением открытого СВЧ-резонатора в виде совокупности двух металлических отражающих зеркал, соосных с осью поворота (SU 873155, 15.10.1981). Контролируемый провод пересекает ось резонатора под прямым углом. Измерение диаметра провода основано на измерении угла поворота резонатора, обеспечивающего фиксированное значение вносимых в резонатор контролируемым проводом потерь (сдвига резонансных частот). Измеритель угла поворота, связанный с механизмом поворота резонатора и откалиброванный в значениях диаметра, определяет среднее значение диаметра. Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью его реализации и ненадежностью конструкции, воззванное наличием подвижных элементов конструкции.
010
110
Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 61-62), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит цилиндрический объемный резонатор в виде полости металлической трубы и торцевых металлических плоскостей. Через малые сквозные отверстия в металлических торцевых плоскостях полости проходит контролируемый провод, располагаемый вдоль оси данного резонатора. В этом объемном резонаторе возбуждены электромагнитные колебания типа E или типа E. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний данного резонатора, определяют диаметр провода. Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности, позволяя контролировать провода с малыми значениями диаметров; в ином случае необходимо выполнять большие сквозные отверстия в торцевых плоскостях резонаторов, что приводит к недопустимому снижению добротности резонаторов из-за потерь электромагнитной энергии вследствие излучения электромагнитных волн через указанные отверстия.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для бесконтактного измерения диаметра провода, содержащее размещаемую снаружи провода коаксиально с ним металлическую трубу, выполненную из трех участков, первый и второй из которых имеют одинаковый внутренний диаметр, а третий участок, расположенный между ними на измерительном участке провода, имеет отличный от них внутренний диаметр, при этом на этом участке возбуждены электромагнитные колебания как в открытом с торцов объемном резонаторе, электронный блок для возбуждения в объемном резонаторе и съема электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний, электрически соединенный посредством линии связи и элемента связи с объемным резонатором, при этом частота возбуждаемых электромагнитных колебаний выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн на участках провода с участками металлической трубы с одинаковым внутренним диаметром, при этом на третьем участке металлическая труба имеет внутренний диаметр, уменьшенный по сравнению с внутренним диаметром металлической трубы на первом и втором участках.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где схематично показана схема устройства для измерения диаметра провода.
Здесь введены обозначения: объемный резонатор 1, запредельный волновод 2, провод 3, металлическая труба 4, линия связи 5, элемент связи 6, электронный блок 7.
Устройство работает следующим образом.
На измерительном участке контролируемого провода - там, где следует измерить его диаметр - образуют колебательную систему - объемный резонатор при соосном по отношению к проводу расположении отрезка металлической трубы снаружи провода. Возбуждение в пределах измерительного участка электромагнитных колебаний - стоячих электромагнитных волн - возможно осуществить, если создать на его границах такие условия, при которых эти границы будут отражать электромагнитные волны, падающие на них из полости, ограниченной проводом и внутренней поверхностью трубы на данном измерительном участке. Для создания таких граничных условий предлагается организовать вне измерительного участка провода с обеих его сторон запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых на измерительном участке. При этом данный измерительный участок становится объемным резонатором, электромагнитные колебания в котором существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний.
Физически обеспечить режим существования электромагнитных колебаний в пределах измерительного участка провода и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне него можно путем расположений снаружи провода соосно по отношению к нему отрезка металлической трубы, при отличии диаметров которой в пределах измерительного участка провода и вне него возможен запредельный режим вне этого участка. При этом провод и металлическая труба образуют коаксиальную линию. Если на измерительном участке - объемном резонаторе коаксиального типа - возбуждены колебания в некотором диапазоне частот , соответствующем изменению диаметра провода в измеряемом диапазоне, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельных волноводов на этих частотах были такими, при которых критическая частота  их возбуждения была выше максимальной частоты  диапазона изменения частоты резонатора. Тогда излучение электромагнитных волн за пределы измерительного участка провода будет отсутствовать, а в полости данного объемного резонатора будут существовать высокодобротные колебания.
кр
11
1
2
01
Высший тип волны в коаксиальной линии, характеризующийся наибольшей критической длиной волны λ, есть H, начиная с длин волн , где R и R - радиусы, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии. Затем следует тип поля E, начиная с  и т.д. Собственная (резонансная) частота  такого резонатора близка к собственной частоте закрытого коаксиального резонатора и может быть оценена по формуле (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 71-72):
где  - длина резонатора; p=0, 1, 2, …; c - скорость света.
mnp
021
mnp
011
mlp
111
В предлагаемом устройстве, работающем на колебаниях типа H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; p=1, 2, …) объемного резонатора, среди которых низший тип есть H, или типа E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; p=1, 2, …), среди которых низший тип есть E, металлическая труба на измерительном участке - открытом объемном резонаторе - должна иметь внутренний диаметр, уменьшенный по сравнению с внутренним диаметром металлической трубы на первом и втором участках. При этом условий для возбуждения в объемном резонаторе колебаний типов H (m=1, 2, 3…; p=1, 2, 3, …), в частности низшего из них типа H, не имеется.
mnp
Конструктивные особенности предлагаемого устройства. Колебания типов H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; p=1, 2, …), для которых критическая длина волны есть (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С. 45-46)
mnp
и колебания типов E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; p=1, 2, …), для которых критическая длина волны есть
2
В этом случае должно быть R<R, (фиг. 1), т.е. внутренний диаметр трубы в резонаторе должен быть меньше ее диаметра на запредельных участках с обеих сторон резонатора. Покажем это.
кр
2
1
Общим для рассматриваемых здесь волн и колебаний H- и E-типов является, как видно из формул (2) и (3), зависимость (пропорциональность) λ от разности радиусов R и R.
В данном случае условие  принимает следующий вид:
mnp
для колебаний типа H в резонаторе;
mnp
для колебаний типа E в резонаторе.
Эти неравенства имеют сходный характер (отличаются только коэффициентами: (n-1) в первом случае и n во втором случае), поэтому достаточно продолжить рассмотрение лишь одного из этих неравенств, например, (4). Из (4) после преобразований получим
2
Отсюда видно, что, поскольку второй член (дробь) произведения в правой части данного неравенства меньше единицы, то должно быть R<R, что и требовалось доказать.
mnp
021
mnp
011
Следовательно, в предлагаемом устройстве, работающем на колебаниях типа H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; p=1, 2, …) объемного резонатора, среди которых низший тип есть H, или типа E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; p=1, 2, …), среди которых низший тип есть E, металлическая труба на измерительном участке - открытом объемном резонаторе - должна иметь уменьшенный внутренний диаметр.
Устройство на фиг. 1 содержит резонаторный датчик в виде объемного резонатора 1 коаксиального типа с торцевыми участками - запредельными волноводами 2, контролируемый провод 3, металлическую трубу 4, линию связи 5, элемент связи 6, электронный блок 7.
В резонаторном датчике, представляющем собой объемный резонатор 1 открытого типа в виде отрезка коаксиальной линии с сопряженными с ним на его обоих торцах отрезками коаксиальных запредельных волноводов 2, возбуждают электромагнитные колебания. Для образования данного коаксиального резонатора снаружи контролируемого провода 3 соосно с ним располагают металлическую трубу 4. Возбуждение и съем колебаний в резонаторе, а также измерение собственной (резонансной) частоты колебаний, изменяющейся при изменении диаметра контролируемого провода, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют через линию связи 5 и элемент связи 6 (металлический штырь, петля связи), подсоединенный к объемному резонатору 1, с помощью электронного блока 7. Число элементов связи (один или два) определяется применяемой схемой измерения; на данном рисунке показано возбуждение колебаний в резонаторе и их съем с помощью одного металлического штыря.
Металлическую трубу 4 можно изготовить относительно тонкой, увеличив или уменьшив (в зависимости от рабочего типа колебаний) ее внутренний диаметр лишь на участке, на котором организуется объемный резонатор.
2
mnp
mnp
2
Синтез устройства, реализуемого с применением металлической трубы, располагаемой снаружи провода соосно с ним и имеющей на измерительном участке увеличенный внутренний диаметр, состоит в следующей последовательности действий: выбирают, исходя из технологических особенностей конкретной задачи, например, допустимой точности и веса, величину радиуса R металлической трубы, а также, исходя, в частности, из необходимой степени локальности измерений, длину  этой части трубы; затем рассчитывают на основе формул (2) или (3) диапазон изменения резонансной частоты  для возбуждаемых колебаний, соответственно, типа H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; p=1, 2, …) или E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; p=1, 2, …). Зная ее максимальную величину , определяют радиус R металлической трубы вне резонатора (и, следовательно, величину скачка R - R радиуса этой трубы в граничных сечениях резонатора) таким образом, чтобы удовлетворить условию , где  - критическая частота коаксиального волновода с наружным проводником радиуса R; , c - скорость света. Чем лучше удовлетворяют частоты ,  данному неравенству, тем на более короткой волне запредельных волноводов ослабевает (отражается) по экспоненциальному закону электромагнитная энергия (обычно эта величина составляет несколько сантиметров, что вполне допустимо).
2
mlp
111
Отметим, что предлагаемое устройство работоспособно именно на одном из колебаний указанных типов в рассматриваемом коаксиальном резонаторе, так как колебания в нем на основном типе TEM характеризуются весьма малой добротностью (торцевые "скачки" радиусов малы для наблюдения резонансных импульсов, которые к тому же не имеют функциональной зависимости от радиуса R), а условий для возбуждения в объемном резонаторе колебаний типов H (m=1, 2, 3…; p=1, 2, 3, …), в частности типа H, не имеется.
Таким образом, данное устройство позволяет производить бесконтактные измерения диаметра провода и других протяженных металлических изделий (стержней, нитей и т.п.) как в одном, так и, при необходимости, одновременно в нескольких их сечениях.