УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРА ПРОВОДА

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 для измерения диаметра других протяженных металлических изделий (стержней, нитей и т.п.).

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. Недостатками этого устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью его реализации и ненадежностью конструкции, вызванные наличием подвижных элементов конструкции.

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 E₀₁₀ или типа Е₁₁₀. 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 в предлагаемом устройстве для измерения диаметра провода, содержащем металлическую трубу и на измерительном участке объемный резонатор, включающий отрезок этой металлической трубы, внутри металлической трубы соосно с ней размещен контролируемый провод, электронный блок для возбуждения в объемном резонаторе электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний, электрически соединенный посредством линии связи и элемента связи с объемным резонатором, достигается тем, что металлическая труба выполнена из трех участков, первый и второй участки которой вне измерительного участка имеют одинаковый внутренний диаметр, а третий участок, расположенный между ними на измерительном участке и образующий с проводом коаксиальный объемный резонатор с колебаниями типа H_m1p (m=1, 2, 3 …; p=1, 2, 3, …), имеет внутренний диаметр, увеличенный по сравнению с внутренним диаметром металлической трубы на первом и втором ее участках, при этом частота электромагнитных колебаний, возбуждаемых в коаксиальном объемном резонаторе, открытом с обоих торцов, выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн в коаксиальных волноводах, образуемых вне измерительного участка проводом и каждым из первого и второго участков металлической трубы.

Предлагаемое устройство для измерения диаметра провода поясняется чертежом на фиг. 1.

Здесь показаны 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 - там, где следует измерить диаметр контролируемого провода - 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 и режим нераспространения (т.е. запредельный режим) вне него можно путем расположения снаружи провода соосно по отношению к нему отрезка металлической трубы, при отличии диаметров которой в пределах измерительного участка 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 часто [f₁, f₂], соответствующем изменению диаметра провода в измеряемом диапазоне, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельных волноводов на этих частотах были такими, при которых критическая частота f_кр их возбуждения была выше максимальной частоты f₂ 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.

Конструктивные особенности устройства. Высший тип волны в коаксиальной линии, характеризующийся наибольшей критической длиной волны λ_кр, есть Н₁₁, начиная с длин волн λ>λ_крН11≈π(R₁+R₂), где R₁ и R₂ - радиусы, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии. Затем следует тип поля E₀₁, начиная с λ>λ_крЕ01≈π(R₂-R₁) и т.д. Собственная (резонансная) частота f_p такого резонатора близка к собственной частоте закрытого коаксиального резонатора и может быть оценена по формуле (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С.45-46):

где l - длина резонатора; р=0, 1, 2, …; с - скорость света.

Формула (1) при работе на колебаниях типа Н₁₁₁ принимает вид

Колебания типа H_m1p (m=1, 2, 3 …; р=1, 2, 3, …), среди которых низший тип есть H₁₁₁ с собственной частотой, определяемой формулой (2). В этом случае имеем следующее выражение для критической длиной волны λ_крН11 (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат.464 с. С.45-46):

и, соответственно формуле (3), следующее выражение для f_кр:

где R - значение внутреннего радиуса R₂ металлической трубы вне измерительного участка с объемным резонатором.

Особенностью волн этих Н-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для λ_кр суммы радиусов R₁ и R₂. Именно это определяет, как нетрудно видеть, увеличение внутреннего диаметра 2R₂ металлической трубы в пределах объемного резонатора по сравнению с ее диаметром, то есть диаметром запредельных волноводов, расположенных с обеих сторон этого объемного резонатора.

В самом деле, условие f₂<f_кр можно записать с учетом (1) и (3) в следующем виде:

или после преобразований

Здесь R - радиус внешнего проводника коаксиальной линии на запредельных торцевых участках резонатора, то есть значение внутреннего радиуса R₂ металлической трубы вне измерительного участка с объемным резонатором. Поскольку второй член (дробь) произведения в правой части данного неравенства меньше единицы, то оно выполняется, если R<R₂.

Устройство на фиг. 1 содержит резонаторный датчик в виде коаксиального 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 объемного резонатора снаружи контролируемого провода 3 соосно с ним располагают металлическую трубу 4. Возбуждение и съем колебаний в резонаторе, в 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 ее внутренний диаметр лишь на участке, на котором организуется объемный резонатор.

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 R₂ металлической трубы, а также, исходя, в частности, из необходимой степени локальности измерений, длину l этой части трубы; затем рассчитывают на основе формул (1) или (2) диапазон изменения резонансной частоты f_р и, зная ее максимальную величину f₂, определяют радиус R металлической трубы вне резонатора (и, следовательно, величину скачка R-R2 радиуса этого трубы в граничных сечениях резонатора) таким образом, чтобы удовлетворить условию f₂<f_кp, где f_кр - критическая частота коаксиального волновода с наружным проводником радиуса R; f_кр=с/λ_кр, с - скорость света; чем лучше удовлетворяют частоты f₂, f_кр 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).

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 R₁).

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.