УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
DEVICE FOR MEASURING INNER DIAMETER OF METAL PIPE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения внутреннего диаметра металлических труб на металлургических, машиностроительных предприятиях как готовых изделий, так и при их производстве, в том числе при их производстве, например, по методу центробежного литья. Оно может быть применено также при бесконтактном измерении внутреннего диаметра трубы одновременно в нескольких ее сечениях.
Известны рефлектометрический способ измерения внутреннего диаметра металлической трубы 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 внутреннего диаметра металлической трубы в пределах его измерения 0÷4 мм. При более высоких значениях изменения диаметра трубы погрешность его определения значительно увеличивается. Недостатком этих способа и устройства является ограниченная область применения, обусловленная небольшим диапазоном измерения.
Известны также способ измерения внутреннего диаметра металлических труб и реализующее его устройство, основанные на возбуждении трубы как полого объемного резонатора (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с). У торцов трубы располагают закорачивающие элементы. Одна из резонансных частот такого резонатора может служить информативным параметром. Эти способ и устройство являются, однако, контактными и на практике в большинстве случаев неприемлемы. Так, они не могут быть использованы при производстве металлических труб, когда возникает необходимость в бесконтактном определении внутреннего диаметра и толщины стенок изготавливаемой трубы в нескольких поперечных сечениях вдоль ее длины; их применение, кроме того, не дает принципиально высокой точности, которая требуется при локальных многоточечных измерениях, а обеспечивает информацию о диаметре трубы, усредненной по ее длине.
Известны также способ измерения и реализующее его устройство (GB 1264264, 16.02.1972). Способ заключается в зондировании внутренней поверхности трубы электромагнитными колебаниями, возбуждаемыми в измерительном СВЧ резонаторе и определении их собственной (резонансной) частоты, являющейся функцией диаметра трубы. Возможность получения информации о внутреннем диаметре металлической трубы обусловлена в данном способе измерения наличием функциональной связи между резонансной частотой электромагнитных колебаний указанного резонатора, выполненного частично-расщепленным вдоль его длины, и величиной взаимного пространственного расположения внутри трубы измерительных щупов, введенных в нее и контактирующих с ее внутренней поверхностью. Реализующее данный способ устройство содержит датчик в виде находящегося вне трубы волноводного резонатора, с одного торца расщепленного вдоль трубы на две части, к каждой из которых снаружи прикреплен металлический щуп, а также вторичный блок для возбуждения в резонаторе электромагнитных колебаний, их съема и измерения его резонансной частоты. Металлические щупы связаны между собой через пружину, работающую на растяжение, и касаются внутренней поверхности трубы в диаметрально-противоположных точках. Изменение диаметра трубы приводит к соответствующим изменениям степени расщепления полости резонатора и резонансной частоты его электромагнитных колебаний. Недостатком этих способа и устройства является, во-первых, контактность измерений, сужающая область применения, так как, например, на их основе невозможно проведение измерений внутреннего диаметра металлических труб при их изготовлении по методу центробежного литья, где допустимы только бесконтактные измерения. Во-вторых, диапазон измерения недостаточно большой, лимитируемый ограниченной величиной максимального расщепления полости резонатора.
111
Известно также техническое решение (SU 1298538, 23.11.1987), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень, выполненный из трех участков. Два из этих участков имеют одинаковый диаметр, а третий участок, расположенный между ними и соответствующий измерительному участку трубы, имеет увеличенный по сравнению с ними диаметр. Генератор электромагнитных колебаний электрически соединен с элементом возбуждения колебаний посредством кабеля. Частота генератора выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн на участках с одинаковым диаметром, которая, в свою очередь, зависит от диаметра стержня на всех трех участках и от типа возбуждаемых электромагнитных колебаний H в открытом объемном резонаторе, которым является объем между средним участком стержня и внутренней поверхностью трубы. Такой тип колебаний существует только при превышении значения диаметра стержня на указанном измерительном участке трубы, соответствующего такому открытому объемному резонатору, значений диаметра двух участков металлического стержня с обеих сторон от этого измерительного участка. Недостатком данного устройства является ограниченная область его применения: его нельзя применить при измерении диаметра трубы малого диаметра, чему препятствует увеличенный диаметр измерительного участка стержня. При этом затруднена реализация и электронного блока, предназначенного для возбуждения колебаний в объемном резонаторе и измерения информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний указанного объемного резонатора, ввиду ее весьма больших значений при сближении поверхностей третьего участка стержня и внутренней поверхности трубы на ее измерительном участке.
Техническим результатом изобретения является расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения внутреннего диаметра металлической трубы, содержащее размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень, выполненный из трех участков, первый и второй из которых имеют одинаковый диаметр, а третий участок, расположенный между ними на измерительном участке трубы, имеет отличный от них диаметр, при этом на этом участке трубы 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 электромагнитных колебаний генератора выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн на участках трубы с участками металлического стержня с одинаковым диаметром, при этом на третьем участке металлический стержень имеет диаметр, уменьшенный по сравнению с диаметром металлического стержня на первом и втором участках. Для измерения внутреннего диаметра трубы одновременно дополнительно на k, k=1, 2, …, измерительных участках объемный резонатор может быть образован дополнительно на каждом из этих k измерительных участков трубы, к которому через соответствующие линию связи и элемент связи подсоединен соответствующий электронный блок.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1. схематично показана схема устройства для измерения внутреннего диаметра трубы.
На фиг. 2 схематично показана схема устройства для измерения внутреннего диаметра трубы одновременно дополнительно на k (k=1, 2, …) измерительных участках.
1
k
Здесь введены обозначения: объемный резонатор 1, запредельный волновод 2, труба 3, металлический стержень 4, линия связи 5, элемент связи 6, электронный блок 7, объемный резонатор 8, …, 8 (k=1, 2, …).
Устройство работает следующим образом.
В традиционной постановке задачи любой измерительный участок внутри трубы нельзя рассматривать как колебательную систему - объемный резонатор. Возбуждение в его пределах электромагнитных колебаний - стоячих электромагнитных волн - осуществлять невозможно. Такая задача, однако, может быть решена, если создать на границах измерительного участка трубы такие условия, при которых эти границы будут отражать электромагнитные волны, падающие на них из полости трубы на ее данном измерительном участке. Для создания таких граничных условий предлагается организовать вне измерительного участка трубы с обеих его сторон запредельный режим распространения для электромагнитных колебаний, возбуждаемых на измерительном участке трубы. При этом данный измерительный участок становится объемным резонатором, электромагнитные колебания в котором существуют в соответствии с возбужденным типом колебаний.
111
111
Физически обеспечить режим существования электромагнитных колебаний в пределах измерительного участка трубы и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне него можно путем введения внутрь трубы металлического стержня, при отличии диаметров которого в пределах измерительного участка трубы и вне него возможен запредельный режим вне этого участка. При этом контролируемая труба и данный металлический стержень образуют коаксиальную линию. В устройстве-прототипе при возбуждении на измерительном участке-отрезке коаксиальной линии, в пределах которого металлический стержень имеет увеличенный диаметр, - электромагнитных колебаний на первом из высших типов H, существующих в коаксиальной линии, такой участок представляет собой объемный резонатор, ограниченный с обеих сторон коаксиальными волноводами, запредельными для волн на частотах, выше некоторой критической частоты, соответствующей возбужденному типу колебаний H (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 71-72). Если на измерительном участке - объемном резонаторе коаксиального типа - возбуждены колебания в некотором диапазоне часто , соответствующем изменению внутреннего диаметра 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 трубы будет отсутствовать, а в его полости будут существовать высокодобротные колебания.
кр
11
крH11
1
2
1
2
01
крE01
2
1
Высший тип волны в коаксиальной линии, характеризующийся наибольшей критической длиной волны λ, есть H, начиная с длин волн λ>λ≈π(R+R), где R и R - радиусы, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии. Затем следует тип поля E, начиная с λ>λ≈π(R-R) 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 l - длина резонатора; p=0, 1, 2, …; c - скорость света.
111
Формула (1) при работе на колебаниях типа H принимает вид
В зависимости от возбуждаемых типов колебаний возможны следующие конструктивные особенности устройства, которые рассмотрим для устройства-прототипа и для предлагаемого устройства.
m1р
111
крH11
1. Конструктивные особенности устройства-прототипа. Колебания типа H(m=1, 2, 3…; р=1, 2, 3, …), среди которых низший тип есть H с собственной частотой, определяемой формулой (2). В этом случае имеем следующее выражение для критической длиной волны λ (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С. 45-46):
кр
1
2
1
Особенностью волн этих H-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для λ суммы радиусов R и R. Именно это определяет, как нетрудно видеть, увеличение внутреннего диаметра 2R проводника резонатора по сравнению с диаметром запредельных волноводов, расположенных с обеих его сторон, в устройстве-прототипе.
В самом деле, условие  можно записать с учетом (1) и (3) в следующем виде:
или после преобразований
Здесь R - радиус внутреннего проводника коаксиальной линии на запредельных торцевых участках резонатора.
1
Поскольку второй член (дробь) произведения в правой части данного неравенства меньше единицы, то оно выполняется, если R<R.
mnp
2. Конструктивные особенности предлагаемого устройства. Колебания типов H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; р=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
1
1
mnp
В этом случае должно быть R>R (фиг. 1), т.е. соотношение R и R противоположно тому, которое имеет место для колебаний типа H в резонаторе: диаметр внутреннего проводника коаксиала в резонаторе должен быть меньше диаметра внутреннего проводника коаксиала на запредельных участках с обеих сторон резонатора. Покажем это.
кр
2
1
Общей для рассматриваемых здесь волн и колебаний H- и E-типов является, как видно из формул (6) и (7), зависимость (пропорциональность) λ от разности радиусов R и R (ранее от их суммы, формула (3)).
В данном случае условие , принимает следующий вид:
(8)
mnp
для колебаний типа H, в резонаторе;
(9)
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, (8). Из (8) после преобразований получим
1
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
111
Следовательно, в предлагаемом устройстве, работающем на колебаниях типа H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; р=1, 2, …) объемного резонатора, среди которых низший тип есть H, или типа E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; р=1, 2, …), среди которых низший тип есть E, стержень на измерительном участке - открытом объемном резонаторе - должен иметь уменьшенный диаметр. При этом условий для возбуждения в объемном резонаторе высокодобротных колебаний типа H, как в устройстве-прототипе, не имеется.
Устройство на фиг. 1 содержит резонаторный датчик в виде объемного резонатора 1 коаксиального типа с торцевыми участками - запредельными волноводами 2, введенный внутрь контролируемой трубы 3 металлический стержень 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 внутрь контролируемой трубы 3 соосно с ней введен металлический стержень 4, который, как изображено на фиг. 1, может быть выполнен полым (т.е. в виде трубы) с расположением внутри этой полости линии связи 5, соединенной с элементом связи 6 (металлическим штырем, петлей связи или штырем связи). Число элементов связи (один или два) определяется применяемой схемой измерения; на данных рисунках показано возбуждение колебаний в резонаторе и их съем с помощью одного металлического штыря. Возбуждение и съем колебаний в резонаторе, а также измерение собственной (резонансной) частоты колебаний, изменяющейся при изменении внутреннего диаметра контролируемой трубы, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют с помощью электронного блока 7, подсоединенного к объемному резонатору 1 через линию связи 5 и элемент связи 6.
1
k
Для измерения внутреннего диаметра трубы одновременно дополнительно на k (k=1, 2, …) измерительных участках рассматриваемый объемный резонатор 8, .…, 8 может быть сформирован дополнительно также на каждом из этих k измерительных участках (фиг. 2). К нему через соответствующие линии и элементы связи подсоединен упомянутый электронный блок 7, т.е. возбуждение и съем колебаний в данных k объемных резонаторах производят независимо. На фиг. 2 для упрощения изображения схематично показаны один электронный блок 7 и одна линия связи 5, подсоединенная к элементам связи 6.
Вводимый в трубу металлический стержень можно изготовить относительно тонким, увеличив или уменьшив (в зависимости от рабочего типа колебаний) его диаметр лишь на участке, на котором организуется резонатор. Элементы для возбуждения и съема колебаний и кабели связи в каждом резонаторе могут быть расположены как на наружной поверхности штанги, так и внутри полой штанги.
1
1
Синтез устройства, реализуемого с применением вводимого в трубу соосно с ней металлического стержня, имеющего на измерительном участке уменьшенный диаметр, состоит в следующей последовательности действий: выбирают, исходя из технологических особенностей конкретной задачи, например, допустимой точности и веса, величину радиуса R стержня, а также, исходя, в частности, из необходимой степени локальности измерений, длину l этой части стержня; затем рассчитывают на основе формул (1) или (2) диапазон изменения резонансной частоты , и, зная ее максимальную величину , определяют радиус R введенного стержня вне резонатора (и, следовательно, величину скачка R-R радиуса этого стержня в граничных сечениях резонатора) таким образом, чтобы удовлетворить условию , где  - критическая частота коаксиального волновода с внутренним 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
Отметим, что предлагаемое устройство работоспособно именно на одном из высших типов колебаний в рассматриваемом коаксиальном резонаторе, так как колебания в нем на основном типе ТЕМ характеризуются весьма малой добротностью (торцевые "скачки" радиусов малы для наблюдения резонансных импульсов, которые к тому же не имеют функциональной зависимости от радиуса R).
Таким образом, данное устройство позволяет производить бесконтактные измерения внутреннего диаметра, а также и толщину стенок, при известности наружного диаметра, металлической трубы как в одном, так и, при необходимости, одновременно в нескольких ее сечениях.