СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
METHOD FOR MEASURING INNER DIAMETER OF METAL PIPE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения внутреннего диаметра металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве, на металлургических, машиностроительных предприятиях.
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 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
Известен также способа измерения (SU 1298538, 23.11.1987), согласно которому внутри трубы размещают коаксиально с ней металлический стержень, на измерительном участке трубы возбуждают стоячие электромагнитные волны в образуемом коаксиальном волноводе и измеряют их резонансную частоту. При этом содержит размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень выполнен 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. Возбуждение стоячих волн осуществляют на третьем участке на частоте, величина которой меньше критической частоты 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 способа является его ограниченные функциональные возможности: 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.
Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с.), которое содержит описание способа измерения внутреннего диаметра металлических труб, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу, контролируемую трубу возбуждают как полый объемный резонатор, который образуют при расположении у торцов металлической трубы закорачивающих элементов - металлических пластин. Одна из резонансных частот такого резонатора может служить информативным параметром. Недостатком этого способа является его ограниченные функциональные возможности: этот способ является контактным и на практике в большинстве случаев неприемлем. Так, он не может быть использован при производстве металлических труб, когда возникает необходимость в бесконтактном определении внутреннего диаметра и толщины стенок изготавливаемой трубы в нескольких поперечных сечениях вдоль ее длины.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения.
01
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения внутреннего диаметра металлической трубы, при котором при котором на одном из торцов трубы возбуждают в ней электромагнитные волны, принимают их после распространения вдоль трубы на другом ее торце, при этом возбуждение электромагнитных волн осуществляют на фиксированной частоте в трубе как в полом волноводе, частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн одного из типов волн в трубе, и измеряют амплитуду принимаемых электромагнитных волн этого типа волн, по которой судят о внутреннем диаметре металлической трубы. Частота возбуждаемых электромагнитных волн может быть выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн типа H в трубе.
Предлагаемый способ поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 схематично показана схема устройства для реализации способа измерения внутреннего диаметра металлической трубы.
0
0
На фиг. 2 приведен график зависимости ln(E/E) (Е и Е - амплитуда напряженности электрического поля в сечении с координатой, соответственно, z = 0 и  трубы - волновода) от внутреннего диаметра D металлической трубы.
Здесь введены обозначения: труба 1, элементы связи 2 и 3, генератор электромагнитных колебаний 4, детектор 5, функциональный преобразователь 6, регистратор 7.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Согласно данному способу, на измерительном участке трубы возбуждают электромагнитные волны в образуемом в ней как в полом металлическом волноводе, возбуждение электромагнитных волн производят на фиксированной частоте на одном из торцов измерительного участка волновода, а прием распространившихся вдоль него электромагнитных волн - на другом его торце. При этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн одного из типов в образуемом полом волноводе, и измеряют амплитуду принимаемых электромагнитных волн этого типа, по которой судят о внутреннем диаметре металлической трубы.
Контролируемую трубу 1 рассматривают как полый металлический волновод, в котором на одном ее торце с помощью элемента связи 2 (металлического штыря, петли связи или штыря связи), возбуждают электромагнитные волны на одном из его торцов (фиг. 1). На другом торце трубы с помощью элемента связи 3 (также металлическим штырем, петлей связи или штырем связи) принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль контролируемой трубы 1. На фиг. 1 расположение элементов связи 2 и 3 показано условно; их конкретные тип и расположение у торцов трубы-волновода зависят от возбуждаемого в трубе типа волн, специфики условий измерений на практике.
кр
При возбуждении электромагнитных волн в контролируемой трубе 1 как в полом металлическом волноводе на фиксированной частоте ƒ, которая ниже критической частоты ƒ для волны одного из типов волн, вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов контролируемой трубы 1 - полого металлического волновода.
кр
кр
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ > ƒ, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒ для электромагнитной волны возбуждаемого ("рабочего") типа волн. При ƒ < ƒ имеет место запредельный режим, при котором распространения электромагнитных волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента связи 3. В запредельном волноводе, которым в данном случае является полый металлический волновод - контролируемая труба 1, электромагнитное поле изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабления α есть
0
В этих формулах E - амплитуда напряженности электрического поля в сечении с координатой z = 0; ω = 2πƒ, с - скорость света.
кр
Выбирая соотношение между ƒ и ƒ, можно управлять величиной ослабления α.
0
Следовательно, как следует из (1) и (2), относительное значение E/E амплитуды напряженности электромагнитного поля в каком-либо сечении данного волновода, в сечении с координатой  есть
кр
11
В полом круглом металлическом волноводе основной волной, имеющей минимальное значение критической частоты ƒ, является волна типа H, для которой критическая частота  есть (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С. 38-44):
8
где с = 3⋅10 м/с - скорость света, = 1,8412 - 1-ый корень производной функции Бесселя 1-ого порядка, ε и μ - относительные значения диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости, соответственно, среды в волноводе. В полом волноводе ε = 1 и μ = 1.
Из формулы (3) после преобразований с учетом формулы (4) следует
Измеряя значение амплитуды Е напряженности электромагнитного поля в сечении с координатой  данного волновода, можно, согласно (5), (6) определить значение внутреннего диаметра D металлической трубы.
0
На фиг. 2 при  см, ƒ = 1 ГГц, ε = 1 и μ = 1 приведен график зависимости ln(E/Е) от D, построенный согласно (5).
01
При возможном наличии диэлектрических осаждений (пленок и т.п.) на внутренней поверхности контролируемого металлического волновода целесообразно, для повышения точности измерения внутреннего диаметра обеспечить проведение измерений при возбуждении в волноводе волны типа H. Для волн этого типа электрические силовые линии имеют форму замкнутых окружностей и не заканчиваются на стенках волновода. Токи в стенках волновода также протекают по окружностям и не имеют продольных составляющих. Это обеспечивает особенность волн этого типа - малые потери в стенках, практическую нечувствительность характеристик распространения волн от наличия слоя диэлектрического вещества на внутренней поверхности трубы.
01
В полом круглом металлическом волноводе для волн типа H значение критической частоты  есть
8
где с = 3⋅10 м/с - скорость света,  = 3,832 - 1-ый корень производной функции Бесселя нулевого порядка, ε и μ - относительные значения диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости, соответственно, среды в волноводе. В полом волноводе ε = 1 и μ = 1.
01
0
0
Для волн типа H формулы, соответствующие зависимости ln(E/E) от D и зависимости D от ln(E/Е), аналогичны, соответственно, формуле (5) и формуле (6), где вместо  следует записать .
кр
кр
0
0
0
Согласно предлагаемому способу, в трубе 1, являющейся полым волноводом, возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты ƒ с помощью элемента связи 2 (металлического штыря, петли связи или штыря связи) на одном из его торцов (фиг. 1). Такое возбуждение может быть осуществлено бесконтактным способом, если в этом есть необходимость (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С. 54-56). На другом торце контролируемой трубы 1 с помощью элемента связи 3 (также металлического штыря, петли связи или штыря связи), который также может быть бесконтактным, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль трубы 1. Для возбуждения электромагнитных волн служит генератор электромагнитных колебаний 4 фиксированной частоты ƒ, значение которой удовлетворяет условию ƒ < ƒ, где ƒ - критическая частота для "рабочего" (т.е. возбуждаемого в данном волноводе) типа электромагнитных волн. У другого торца полого волновода (фиг. 1) принимаемый сигнал поступает через элемент связи 3 на детектор 5, выходной сигнал которого имеет амплитуду E(D), служащую информативным параметром. Затем этот сигнал поступает на вход функционального преобразователя 6, на другой вход которого поступает сигнал из генератора электромагнитных колебаний 1, несущий информацию об амплитуде E на входе трубы 1 при возбуждении в ней электромагнитных волн как в полом волноводе с помощью элемента связи 2, и в котором производят совместное функциональное преобразование E и E согласно формуле (5) для определения зависимости ln(E/Е) от D и нахождения значения D измеряемого внутреннего диаметра трубы. К выходу функционального преобразователя 6 подсоединен регистратор 7. Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи 2 спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е зависит от внутреннего диаметра D контролируемой металлической трубы 1.
Синтез устройства для реализации данного способа, состоит в следующей последовательности действий: выбирают, исходя из технологических особенностей конкретной задачи, а также, исходя, в частности, из необходимой степени локальности измерений, длину  измерительного участка; затем рассчитывают на основе формулы (5) значение напряженности электрического поля E(D) и определяют внутренний диаметр D контролируемой трубы. Затем реализуют измерительное устройство на основе данных расчетов.
Для металлических труб конкретных размеров выбором частоты ƒ генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика внутреннего диаметра металлической трубы в рабочем диапазоне его изменения. При этом имеет место монотонность зависимости амплитуды результирующего значения напряженности электромагнитного поля от этого диаметра. Применение данного способа измерения обеспечивает информацию о диаметре трубы, усредненную по ее длине.
Таким образом, данный способ измерения достаточно просто реализуем. Он может найти применение на практике там, где требуется производить бесконтактные измерения внутреннего диаметра металлической трубы, а также и толщину ее стенки при известности наружного диаметра этой трубы.