СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
METHOD FOR MEASURING THE LENGTH OF A METAL PIPE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения длины металлических труб как готовых изделий, так и при их производстве на металлургических, машиностроительных предприятиях.
Известны механический способ измерения длины металлических изделий и реализующее его устройство (SU 313070 А1, 31.08.1971). 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.
Известен также способ измерения, согласно которому контролируемую металлическую трубу располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью (SU 442361 А1, 05.09.1974). 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 является его ограниченные функциональные возможности, вызванные невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений электрофизических параметров среды на измерительном участке.
Известно также техническое решение (RU 2656012 С1, 30.05.2018), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу, и принятое в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу, протяженное металлическое изделие, в частности металлическую трубу, располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью. В радиоволновом резонаторе, которым является отрезок длинной линии в виде совокупности проводников - протяженного металлического изделии и данной плоскости, возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке длинной линии, разомкнутом на концах. Измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии. Дополнительно измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии при его одновременном замыкании накоротко в двух его сечениях на фиксированной длине между ними. Производят совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот, по результату которого судят о длине протяженного металлического изделия независимо от электрофизических параметров среды на измерительном участке. Недостатком этого способа является сложность процесса измерения, обусловленная необходимостью проведения двух последовательных тактов измерений, дополнительных операций во втором такте измерений в виде замыкания накоротко в двух сечениях проводников отрезка длинной линии и их последующего размыкания.
Техническим результатом изобретения является упрощение процесса измерения длины металлической трубы.
1
2
1
2
20
2
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения длины металлической трубы, при котором на измерительном участке контролируемое изделие располагают изолированно над заземленной металлической плоскостью, возбуждают электромагнитные колебания в первом радиоволновом резонаторе в виде отрезка длинной линии, разомкнутого на концах и образуемого совокупностью проводников - металлической трубы и данной плоскости, и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии, дополнительно возбуждают электромагнитные колебания во втором радиоволновом резонаторе, размещаемом в пределах измерительного участка и заполняемом окружающей средой на измерительном участке, и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний этого резонатора, производят совместное преобразование измеренных резонансных частот ƒ и ƒ согласно соотношению , n=1,2,…, где ƒ - значение ƒ незаполненного средой второго радиоволнового резонатора, с - скорость света, по результату которого судят о длине металлической трубы.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где показана функциональная схема устройства для реализации способа измерения длины металлической трубы.
Устройство, реализующее способ, содержит металлическую трубу 1, диэлектрические опоры 2, металлическую плоскость 3, элемент связи 4, линию связи 5, электронный блок 6, электронный блок 7, резонатор 8, функциональный преобразователь 9, регистратор 10.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Согласно данному способу измерения длины металлической трубы, контролируемую трубу располагают на измерительном участке изолированно над заземленной металлической плоскостью.
1
В совокупности проводников - металлической трубы и данной металлической плоскости - возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке длинной линии, разомкнутом на обоих концах и являющимся первым радиоволновым резонатором. Измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний этого отрезка длинной линии, которая является функцией длины  контролируемой трубы и описывается формулой:
Здесь с - скорость света, ε и μ - диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость окружающей средой на измерительном участке, n - число полуволн электромагнитного поля стоячей волны вдоль данного отрезка длинной линии.
2
Дополнительно возбуждают электромагнитные колебания во втором радиоволновом резонаторе, размещаемом в пределах измерительного участка и заполняемым окружающей средой на измерительном участке. Таким резонатором может быть колебательный контур, дополнительный отрезок длинной линии или полый объемный резонатор, резонансная (собственная) частота электромагнитных колебаний которых зависит от электрофизических параметров ε и μ окружающей среды на измерительном участке. Измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний этого резонатора, которая описывается формулой:
2
где  - значение ƒ в незаполненном средой (при ε=1 и μ=1) втором резонаторе.
1
2
Далее производят совместное функциональное преобразование измеренных резонансных частот ƒ и ƒ согласно соотношению
В формуле (3) отсутствуют значения диэлектрической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ окружающей среды на измерительном участке, то есть данное соотношение является инвариантом к величинам ε и μ.
Из формулы (3) следует соотношение для определения текущего значения  длины трубы:
Если n=1, что соответствует полуволновому отрезку длинной линии, разомкнутому на обоих концах, то формула (4) принимает следующий вид:
1
2
Таким образом, измерение длины металлической трубы с достижением инвариантности результата измерения к электрофизическим параметрам ε и μ окружающей среды сводится к совместному преобразованию резонансных частот ƒ и ƒсогласно соотношению (4) или, при n=1, соотношению (5).
Согласно данному способу, в первом радиоволновом резонаторе - отрезке длинной линии, разомкнутом на концах, возбуждают электромагнитные колебания типа ТЕМ. Для образования данного радиоволнового резонатора - разомкнутого на обоих концах отрезка длинной линии - контролируемую металлическую трубу 1 располагают на диэлектрических опорах 2 над металлической плоскостью 3 (фиг. 1).
1
С помощью элемента связи 4, которым может являться металлическая петля (индуктивность), и линии связи 5 (коаксиального кабеля) 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 резонансной частоты ƒ электромагнитных колебаний разомкнутого на обоих концах отрезка длинной линии на выбранной гармонике, характеризуемой индексом n.
2
Дополнительно, с применением электронного блока 7, осуществляют возбуждение электромагнитных колебаний во втором радиоволновом резонаторе 8. Этот резонатор 8 входит в состав электронного блока 7, размещается в пределах измерительного участка и заполняется окружающей средой на измерительном участке. С применением электронного блока 7 измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний этого резонатора 8.
1
2
1
2
1
2
Выход электронного блока 6 подсоединен к одному из двух входов функционального преобразователя 9, куда поступает информация о текущем значении резонансной частоты ƒ. Ко второму входу функционального преобразователя 9 подсоединен выход электронного блока 7, куда поступает информация о текущем значении резонансной частоты ƒ. В функциональном преобразователе 9 производят совместное преобразование измеренных резонансных частот ƒ и ƒ согласно соотношению (4). По результату этого преобразования резонансных частот ƒ и ƒ судят об измеряемой длинетрубы. К выходу функционального преобразователя 9 подсоединен регистратор 10, выходной сигнал которого соответствует измеряемому значению длины  металлической трубы.
Процесс измерения согласно данному способу достаточно прост в реализации и не связан с необходимостью проведения двух последовательных тактов измерений с операциями замыкания накоротко и размыкания совокупности проводников - металлической плоскости и располагаемой изолированно над ней металлической трубы. Данный способ измерения может найти применение на практике там, где требуется производить высокоточные бесконтактные измерения длины различных металлических труб при наличии возможных изменений электрофизических параметров окружающей среды в области расположения измерительного участка, где производят измерения длины металлической трубы.