СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО РАЗЛИЧНЫХ ТОЧЕК ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к области метрологии, в частности к способам измерения расстояний и формы объектов, и может использоваться в различных отраслях промышленности.

Известен способ функционирования однокоординатных звукодальномеров, при котором измерительная аппаратура содержит один тракт излучения и обязательно два тракта приема (аналог, книга, А.А.Горбатова, Г.Е.Рудашевского «Акустические методы измерения расстояний и управления». М.: Энергоиздат, 1981, стр.16, 115). С помощью первого тракта приема (по эталон-каналу) обеспечивается измерение неизменяющегося (эталонного) расстояния L_э в тех же газовых условиях, при которых производится измерение неизвестного (рабочего) расстояния L_x. Результатом совместной обработки измеренных величин является представление данных об измеренном в рабочем канале расстоянии L_x в масштабе эталонного расстояния L_э. Любые факторы, влияющие на скорость звука в среде, здесь автоматически исключаются.

Недостатком способа-аналога является то, что эталонная трасса должна находиться так близко к трассе основной неизвестной дистанции, как только это возможно, что затрудняет применение этого способа для трехкоординатных звукодальномеров, определяющих расстояния от облака контрольных точек, находящихся на поверхности объекта, с целью контроля его размеров и формы. Измеряемые расстояния от облака точек могут отличаться в несколько раз, а их трассы проходят под разными пространственными углами, что практически исключает возможность реализации эталонной трассы для каждой сканируемой контрольной точки поверхности объекта. Кроме того, реализация эталонной трассы требует дополнительных аппаратных затрат.

Известно трехкоординатное устройство измерения расстояния до различных точек поверхности объекта, содержащее жезл с заостренным наконечником и пусковой кнопкой, на котором закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, трехмикрофонную приемную антенну, трехканальный электронный блок, подключенный к общему интерфейсу и ЭВМ по патенту РФ №2260772. Патентовладельцем изготовлен, испытан и передан в опытно-промышленную эксплуатацию опытный образец локационно-акустической измерительной станции ЛАИС, реализующей указанное изобретение, (прототип, журнал «Вестник технологии судостроения» №15, 2007 г.). Способ измерения расстояния с помощью этого устройства принят за прототип.

Использование указанного известного устройства происходит следующим образом.

Вершину заостренного наконечника жезла прижимают к измеряемой точке поверхности объекта и запускают работу формирователя переднего фронта импульса, на выходе которого формируются импульсы длительностью порядка 20 миллисекунд и частотой порядка 1 Гц. Эти импульсы поступают на управляющие входы генератора переменного напряжения и двухканального коммутатора. Коммутатор синхронно с приходом импульсов формирователя поочередно подключает выход генератора к электрическим выводам акустических излучателей. Под влиянием напряжения генератора в двух излучателях поочередно возбуждаются механические микроколебания, вызывающие сферическую звуковую волну, которая начинает распространяться в окружающем воздушном пространстве. Синхронно с инициированием звуковой волны каждым излучателем жезла с выхода формирователя подают пусковой импульс на соответствующие входы измерителя временных интервалов.

Акустические сигналы от каждого излучателя жезла поочередно приходят на микрофоны приемника акустического излучения. Эти сигналы преобразуются в микрофонах в электрические и поступают на входы компараторов электронного блока. С выходов компараторов сигналы поступают на входы соответствующих счетчиков. Измеритель временных интервалов определяет интервалы времени между моментом генерации фронта звуковой волны каждым излучателем жезла и моментами воздействия этого фронта на микрофоны.

Затем ЭВМ по специальной программе вычисляет сначала расстояния между геометрическими центрами излучателей жезла и каждым из микрофонов, а затем вычисляет координаты этих центров в системе координат трехмикрофонной антенны: X, Y, Z.

Далее по программе происходит построение прямой, проходящей через центры излучателей, на которой откладывается известное расстояние между вершиной наконечника жезла и центром ближайшего к нему излучателя, что позволяет определить координаты точки поверхности измеряемого объекта, с которой контактирует наконечник жезла.

Таким образом, при использовании этого способа расстояние до измеряемой точки определяется с помощью акустического импульса, а ЭВМ рассчитывает координаты измеряемых точек по известным формулам, одним из аргументов которых является скорость звука в газовой среде. В то же время указанный способ не учитывает постоянно изменяющуюся многофакторную зависимость скорости звука от физических и химических параметров газовой среды, в которой производят измерения, а в используемом для измерений устройстве отсутствует эталонный измерительный канал, автоматически корректирующий результаты измерений при изменении газовых условий окружающей среды. На практике технология работы с аппаратурой ЛАИС допускает предварительное измерение расстояния между крайними точками объекта (стягивающей длины) с помощью механического инструмента, что дает возможность в ручном режиме приводить результаты измерений, выполненных ЛАИС, к калиброванной базе и обеспечить приемлемую точность контроля при изменении условий окружающей среды.

Задачей заявленного способа является использование современной звуколокационной аппаратуры для измерений координат любых, в том числе и труднодоступных точек замеряемого агрегата или устройства. Технический результат, достигаемый при использовании этого способа выражается в повышении точности и надежности измерений, получаемое за счет автоматически действующего эталонного измерительного канала, реализованного без дополнительных аппаратных затрат.

Указанный технический результат достигается при измерении расстояния до различных точек поверхности объекта с помощью звуколокационного устройства, при котором после касания измеряемой точки жезлом этого устройства поочередно генерируют акустические импульсы в двух установленных на жезле и конструктивно разнесенных друг от друга акустических излучателях. Затем эти импульсы после достижения ими приемника акустического излучения обрабатывают в электронном блоке устройства и определяют интервал времени между моментом генерации акустического импульса и моментом воздействия импульса на микрофоны приемника. После этого полученные данные через интерфейс передают на ЭВМ, которая по специальной программе определяет по известным формулам координаты измеряемой точки. Однако в отличие от прототипа в предлагаемом способе для каждой измеряемой точки предварительно измеряют расстояние между излучателями с помощью упомянутого звуколокационного устройства и устанавливают скорость звука в газовой среде измерения по формуле:

где C₁ - откорректированная скорость звука в среде измерения,

С_о - скорость звука, первоначально установленная в программе ЭВМ,

d_o - конструктивное расстояние между излучателями,

d₁ - измеренное расстояние между излучателями жезла,

Установив истинную скорость звука в среде измерения вводят соответствующую поправку в формулы определения координат измеряемой точки, заложенные в программу ЭВМ.

Заявленный способ поясняется чертежом и производится следующим образом. Оператор устанавливает наконечник 1 жезла 2 на контрольную точку 3 поверхности измеряемого объекта 4, после чего нажимается пусковая кнопка 5, связанная соединительным кабелем 6 с трехканальным электронным блоком 7. Электронный блок формирует начальную посылку мощных возбуждающих электрических импульсов, которые поочередно поступают на два акустических излучателя 8 и 9 жезла с интервалом около 1 секунды. Синхронно каждый излучатель генерирует начальную сферическую звуковую волну, которая распространяется в окружающем воздушном пространстве, а в каждом из трех каналов электронного блока запускаются измерители временных интервалов, функционально связанные с микрофонами 10, 11, 12 приемной антенны 13. Фронт звуковой волны от каждого излучателя жезла воспринимается микрофонами приемной антенны, преобразуется в электрические сигналы, останавливающие работу измерителей временных интервалов, определяя интервалы времени t1, t2, t3, t4, t5, t6 между моментом генерации фронта звуковой волны каждым излучателем жезла и моментами воздействия этого фронта на микрофоны.

По специальной программе ЭВМ 14 вычисляет сначала расстояния L1, L2, L3, L4, L5, L6 между геометрическими центрами излучателей жезла и каждым микрофоном по формулам: L1=t1·Со; L2=t2·Со; L3=t3·Со L4=t4·Со; L5=t5·Со; L6=t6·Со, где Со - скорость звука в окружающей среде с учетом поправки на ее температуру, вводимая предварительно оператором в компьютерную программу аппаратуры перед началом измерений геометрических параметров объекта. Затем ЭВМ вычисляет по триангуляционному методу координаты х1, у1, z1 и х2, у2, z2 геометрических центров двух излучателей жезла в системе координат антенны (ось Х - поперечная, проходящая через центры двух нижних микрофонов, ось Y - вертикальная, ось Z - продольная), а также определяет расстояние d₁ между этими центрами по формуле:

Далее в результате сравнения измеренного расстояния d₁ с конструктивным расстоянием d_о между центрами излучателей компьютерная программа автоматически корректирует первоначальное значение скорости звука С_о, установленное оператором перед началом работы с аппаратурой и подверженное влиянию факторов погрешностей, таких как изменения температуры, влажности, загрязненности окружающего воздуха. Корректировка производится по формуле, найденной авторами заявленного изобретения и проверенной ими экспериментально:

где С₁ - значение откорректированной скорости звука, автоматически введенное в программу ЭВМ перед повторной посылкой излучающих импульсов.

После завершения операций первой посылки акустических импульсов, производится идентично их повторная посылка. При этом расстояния L1, L2, L3, L4, L5, L6, а также координаты х1, у1, z1 и х2, у2, z2 определяются более точно с использованием откорректированного значения С₁ скорости звука в воздушной среде. Далее по программе формируется математическое выражение прямой линии, проходящей через найденные координаты геометрических центров излучателей жезла, на которой откладывается известное расстояние от наконечника жезла до центра ближайшего излучателя, что в результате позволяет получить координаты контрольных точек измеряемого объекта, по которым сканирует наконечник жезла.

Предложенная в предлагаемом изобретении формула корректировки скорости звука может быть обоснована с помощью следующего упрощенного расчета, поясняемого чертежом. Расчет выполнен при условии использования трехмикрофонной приемной антенны в форме прямоугольного треугольника и сканирования жезла при установке его на контрольную точку в вертикальном положении. Именно эти условия предусмотрены к выполнению при использовании способа с помощью созданного опытного образца звуколокационного устройства ЛАИС (локационно-акустическая измерительная станция).

По теореме решения треугольников

Вычисляются значения проекций a₁ и a₂ центров акустических излучателей на ось Y.

Расстояние между центрами акустических излучателей жезла выражается через расстояния от этих центров до микрофонов приемной антенны, лежащих на оси Y, аппаратно измеренные при оптимально установленной скорости звука С_о, как:

При изменении газовых условий окружающей среды в цикле эксплуатации звукодальномера скорость звука изменится с относительным коэффициентом Δ и станет С₁=ΔС_о. Обратно пропорционально с этим же коэффициентом изменятся интервалы времени пролета акустической волны, а следовательно, и измеренные расстояния от излучателей до микрофонов. При этом измеренное расстояние между излучателями выразится как

Следовательно