RU1775598C - Способ измерени параметров прозрачных труб и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  геометрических параметров, а также показател  преломлени  материала прозрачных труб непосредственно во врем  выт жки. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуации показател  преломлени  материала труб и компенсации погрешностей , вызываемых угловыми наклонами трубы по врем  выт жки. Одновременно с первым лучом направл ют второй световой луч, который расположен в плоскости, определ емой первым лучом и геометрической осью трубы, под фиксированным углом к плоскости поперечного сечени  трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определ ют по их значени м показатель преломлени  материала труб и угол наклона трубы дл  дальнейшего вычислени  толщины стенки и внутреннего диаметра трубы. Устройство дл  реализации данного способа содержит последовательно расположенные лазер, цилиндрическую телескопическую систему, светоделитель, раздел ющий лазерный пучок на два пучка, два отраженных элемента, обеспечивающих одновременно облучение контролируемой трубы под углами падени  а и/3 (а /3), два координатно-чувствитель- ных фотоприемника с видеоусилител ми, соединенными с вычислительными блоками , выходы которых соединены с входом блока сравнени  сигналов с вычислительным устройством, а выход соединен с индикатором . К входам вычислительных блоков подключена обратна  св зь с выхода блока сравнени  сигналов с вычислительным устройством . 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил. w Ё V4 1 СЛ СЛ О 00

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  геометрических параметров, а также показател  преломлени  материала прозрачных труб непосредственно во врем  выт жки.

Известен способ измерени  геометрических размеров прозрачных труб, заключающийс  в параллельном сканировании узкого светового пучка в направлении, перпендикул рном геометрической оси стекл нной трубы, и регистрации четырех точек пересечени  светового пучка с образующими поверхност ми трубы.

Недостатками этого способа  вл ютс  нестабильность сканировани  светового

пучка в плоскости, строго перпендикул рной геометрической оси трубы, а также отсутствие учета дифракции светового пучка на границах с образующими цилиндрическими поверхност ми трубы, что снижает точность проводимых измерений.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению  вл етс  способ измерени  геометрических параметров стекл нных труб в процессе выт жки, заключающийс  в том, что формируют узкий световой пучок, направл ют его под фиксированным углом а 45-75° к плоскости поперечного сечени  трубы, в плоскости анализа сканируют световые сигналы, сформированные четырьм  световыми пучками, отраженными от наружной и внутренней поверхностей трубы, и преобразуют их в электрические сигналы, по которым определ ют наружный и внутренний диаметры трубы и толщину ее стенки.

Недостатками указанного способа  вл ютс  отсутствие учета флуктуации показател  преломлени  материала прозрачной трубы, а также неоднозначность результатов измерений в случае наклонов трубы во врем  выт жки.

Эти недостатки привод т к снижению точности и достоверности измерений, что ограничивает практическое применение данного способа.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуации показател  преломлени  материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во врем  выт жки.

Указанна  цель достигаетс  тем, что направл ют одновременно с первым лучом второй световой луч, который расположен в плоскости, проход щей через первый луч и геометрическую ось трубы, под фиксированным углом /(агЈ/3) к плоскости поперечного сечени  трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы , сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определ ют по их значени м показатель преломлени  п материала трубы, угол Дна- клона трубы и с их учетом рассчитывают толщину I стенки трубы и внутренний диаметр d трубы.

Толщину I стенки трубы рассчитывают из соотношени :

ai (ПРХ ± д п) cos d cos 2 А

sin 2 (а ± А) где ai - проекци  рассто ни  между первым и вторым световыми лучами, образовавшиI

мис  от первого луча, на первую плоскость анализа;

d - угол преломлени  первого луча на наружной цилиндрической поверхности трубы:

5П - величина флуктуации показател  преломлени  материала трубы:

&п ПОА-П,

где п0 показатель преломлени  материала трубы, известный до измерени , соответствующий длине волны излучени .

Внутренний диаметр трубы рассчитывают из соотношени :

bi cos 2 А

0

5

0

d 2 sin (оГ± А) где bi - проекци  рассто ни  между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимис  от первого луча в результате отражени  от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на первую плоскость анализа.

Показатель преломлени  п материала трубы определ ют из выражени :

30

Г аТ sin2 2 (а ± A) sin2 Q3 ± А)- /1- / з2. sln2 2 (а ± А) - a12 sin2 2 (0 ± А) - а2. sin2 2 (ff ± А) sin2 (а ± Д)

где ai - проекци  рассто ни  между первым и вторым световыми лучами, образо- вавшимис  от второго луча, на вторую плоскость анализа.

Угол А наклона трубы определ ют из выражени :

bi - bi tg a

А arctg

bi tga + bi

j

где bi - проекци  рассто ни  между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимис  от второго луча в результате отражени  от внутренней цилиндрической поверхности трубы на вторую плоскость анализа.

Указанна  цель достигаетс  также тем,

что устройство дл  измерени  параметров прозрачных труб снабжено последовательно установленными за формирующей оптической системой по ходу излучени  светоделителем дл  разделени  излучени 

на два световых пучка и отражателем, выполненным в виде двух зеркал, предназначенных дл  одновременного облучени  трубы под двум  различными углами падени , вторым координатно-чувствительным фотоприемником с видеоусилителем и вы

числительным блоком, блоком сравнени  сигналов с вычислительным устройством, вход которого соединен с выходами вычислительных блоков, а обратна  св зь от которого соединена со входами обоих вычислительных блоков, выход блока сравнени  сигналов св зан с входом индикатора, а формирующа  оптическа  система выполнена в виде цилиндрической телескопической системы,

На фиг.1 показана схема реализации способа; на фиг.2 - схема измерений при наличии угловых наклонов трубы во врем  выт жки; на фиг.З - принципиальна  схема устройства.

Способ осуществл ют следующим образом .

Два световых пучка направл ют в центр прозрачной трубы под разными фиксированными углами аи/ в направлени х навстречу друг другу таким образом, чтобы они пересекались с наружной поверхностью трубы в одной точке М (фиг. 1). При этом в плоскости, определ емой пространственным положением световых лучей и геометрической осью трубы (плоскость чертежа) прозрачные стенки трубы работают как плоскопараллельные пластины. При падении световых лучей на наружную поверхность стенки трубы они частично преломл ютс 

под углами о1 и/31 и падают на внутреннюю поверхность стенки трубы, где также происходит частичное отражение и преломление. Затем лучи проход т внутреннюю полость трубы и снова попадают на внутреннюю и наружную поверхность стенки трубы. В результате четырех пересечений границы среда-диэлектрик образуютс  четыре отраженных луча, попадающих соответственно в точки А, А1, В, В . С. С1 Е Е1 плоскостей анализа Р и Р1.

Из анализа хода лучей на фиг.1 следует, что величины отрезков между проекци ми лучей в плоскост х анализа Р и Р1 определ ютс  геометрическими параметрами трубы (толщиной I стенки и внутренним диаметром d трубы, а также углом падени  пучков а и/ на образующую поверхность трубы) и показателем преломлени  п материала трубы.

При строго фиксированных известных углах падени  лучей а и/3 , а также известном показателе преломлени  п0 материала трубы (п0х const), рассто ни  между световыми лучами определ ютс  как

AB 2l -tgo1 ВС Ь 2 d sin a.

cos а,

0

5

0

5

где a - рассто ние между световыми лучами

1и 2 в плоскости анализа Р;

С - рассто ние между световыми лучами 3 и 4 в плоскости анализа Р;

а - угол падени  луча О на наружную цилиндрическую поверхность трубы;

b - рассто ние между световыми лучами

2и 3 в плоскости анализа Р;

а1 - рассто ние между световыми лучами 11 и 2 в плоскости анализа Р ;

с1 - рассто ние между световыми лучами З1 и 41 в плоскости анализа Р1;

Ь1 - рассто ние между световыми лучами 21 и 3 в плоскости анализа Р1;

/ - угол падени  луча О1 на наружную цилиндрическую поверхность трубы;

о1 - угол преломлени  луча О на наружной цилиндрической поверхности трубы;

/З1 - угол преломлени  луча О на наружной цилиндрической поверхности трубы.

Откуда несложно найти все основные контролируемые геометрические параметры трубы

-толщину стенки

. а п0х cos о1 а1 п0 cos /31 sin 2 а sin 2(3

-внутренний диаметр

d

2 sin a 2 sin/Г

- наружный диаметр D d +2 I.

Вычисленные параметры I и d по отрезкам в двух плоскост х анализа Р и Р1 долж- ны быть равны вне зависимости от величины углов и направлени  падени  лучей.

Рассмотрим случай, когда показатель преломлени  материала трубы неизвестен или имеютс  неоднородности или флуктуации показател  преломлени  п вдоль геометрической оси трубы.

Исход  из услови , что толщина I стенки трубы не измен етс  в процессе измерений (const), т.к. врем  измерени  весьма мало, можно записать равенство

п cos

sin 2/3

I.

Уа sin2 2 а sin2/ - a2 sin2 2/6 sin2 g а12 sin2 2 а-а2 sin2 2@

При выборе фиксированных углов зондировани  в соответствии с условием /3 - 90° - а расчетное выражение значительно упрощаетс  к виду

sin/3,

В С1 b 2d

tg/31 -cos/S,

cos a-a

sin2 a

а12 - а2

Полученное выражение позвол ет определить абсолютную величину показател  материала трубы и регистрировать неоднородности показател  преломлени  непосредственно во врем  выт жки, что позвол ет уменьшить погрешность измерений за счет учета флуктуации показател  преломлени  материала трубы.

Рассмотрим случай, когда контролируема  труба совершает угловые биени  во врем  выт жки (фиг.2). Следует отметить, что смещение трубы параллельно своей геометрической оси не вносит погрешности в измерени  геометрических параметров. В то же врем  угловые наклоны трубы в плоскости чертежа (фиг.2), привод т к значительным искажени м размеров контролируемых отрезков в плоскост х анализа Р и Р1.

Предположим, что труба наклонилась на угол Аотносительно первоначальной геометрической оси. В этом случае анализируемые отрезки Ai Bi, 81 Ci, Ci Ei, Ai 81 , Br Ci1 , Cr Er между проекци ми лучей в плоскост х анализа Р и Р описываютс  сле- дующими выражени ми

I sin 2 (а + Д)

cos 2 Д п V1 .sin (a + А)ч2

П

I sln2(ff-A)

cos 2 А n V1 /sin (0- Ate

br

2 d sin (a + A).

cos 2 A h i- 2d -sin Q8-A) 01cos 2 A

За счет того, что зондирующие лучи О и О1 направлены в противоположных направлени х проекции рассто ний на плоскость анализа Р между лучами ai, BI. ci дл  луча О будут увеличиватьс , ai1, BI , ci1 дл  луча О1 будут уменьшатьс , т.е. приращение к отрезкам ai, ei, ci и ai1, BI . ci1 будет происходить с противоположным знаком.

Использу  вторую систему уравнений, получим

. bt cos 2 A bi cos 2 A

2 sin (a + A) 2 sin (0-A) После преобразовани  получим форму дл  расчета угла наклона трубы

n ai к sin2 2 (« ± Д) 0 ± Д) - ail2 sin2 2 (ff ± A) sin2 (a ± Д) ai12 -sln22(a±A)-ai2 -sin22fl ±A)

а при условии $ 90° - а. она упрощаетс 

. V ai 2 cos2 (а ± Д) - аЗ sin2 (оТ-ЕДТat12 -

A arctg

bi - bi tgrr

bi tg« + bi

Таким образом, наличие разности результатов вычислений внутреннего диаметра трубы в двух измерительных каналах свидетельствует о наклоне трубы во врем  измерений. Полученное выражение позвол ет вычислить угол наклона контролируемой трубы и ввести поправку в результат производимых измерений.

Так как на практике не соблюдаютс  услови  n const и Д О из-за флуктуации

показател  преломлени  материала трубы и угловых наклонов трубы во врем  выт жки, то расчетные формулы дл  I и d преобразуютс  к виду

-дл  расчета толщины I стенки трубы

ai (п0Д±(У) COS z cos 2 Д

sin 2 (а ± Д) ai (пол ) cos 2 A

sin 2 (fi ± A)

где ai - проекци  рассто ни  между свето- выми лучами 1 и 2 на плоскость анализа Р (отрезок Ai Bi):

ai - проекци  рассто ни  между световыми лучами 1 и 2 на плоскость анализа Р (отрезок At1 81);

дп величина флуктуации показател 

преломлени  материала трубы

дп ,

где п0 - показатель преломлени  материала трубы, известный до измерени , соответствующий длине волны измерени ;

п - показатель преломлени  материала трубы дл  контролируемого участка, вычисленный в результате измерений.

-дл  расчета внутреннего диаметра

bi cos 2 Д bi cos 2 Д 2 sin (а ± А) 2 sin (ft ± A) где bi - проекци  рассто ни  между световыми лучами 2 и 3 на плоскость анализа Р (отрезка Bi Ci);

br проекци  рассто ни  между световыми лучами 2 и З1 на плоскость анализа Р1 (отрезок Bi1 Ci1).

В случае измеренного наклона трубы расчетна  формула дл  определени  материала трубы преобразуетс  к виду

Устройство дл  реализации данного

способа (фиг.З) содержит последовательно

расположенные лазер 1, цилиндрическую

55 телескопическую систему 2. светоделитель

3. раздел ющий лазерный пучок на два пучка , два отражательных элемента 4 и 4, обеспечивающих одновременное облучение контролируемой трубы 5 под углами падени  аи/3 (а /), два координатно- чувствительных фотоприемника 6 и 6 с видеоусилител ми 7 и 7,соединенными с вычислительными блокам и 8 и 8 , выходы которых соединены с входом блока сравнени  сигналов с вычислительным устройством 9, а выход с индикатором 10. Ко входам вычислительных блоков 8 и 8 подключена обратна  св зь с выхода блока сравнени  сигналов с вычислительным устройством 9.

Устройство работает следующим образом .

Излучение лазера 1 с помощью цилиндрической телескопической системы 2, формирующей лазерное излучение в виде выт нутого в сагиттальной плоскости параллельного светового пучка дл  обеспечени  непрерывности измерений при смещени х контролируемой трубы во врем  выт жки, направл етс  на светоделитель 3, где раздел етс  на два пучка. С помощью отражательных элементов 4 и 41 направл ют зондирующие пучки в центр контролируемой трубы, что обеспечивает одновременное облучен.ие одного участка цилиндрической наружной поверхности контролируемой трубы под фиксированными углами о. и/, причем а. /.

После последовательного преломлени  и отражени  на образующих поверхност х трубы лазерные пучки формируют по четыре световых блика от каждого из двух зондирующих пучков, которые попадают на коорди- натно-чувствительные фотоприемники 6 и 6 (например, ПЗС - линейки). При считывании потенциального рельефа, образуемого на светочувствительных сло х фотоприемников 6 и 6 , определ ютс  отрезки между энергетическими центрами четырех отраженных бликов, цифровые значени  которых направл ютс  видеоусилител ми 7 и 7 в вычислительные блоки 8 и 81, а затем поступают в блок сравнени  сигналов 9, имеющего вычислительное устройство, и результаты обработки вывод тс  на индикатор 10(например, цифровой вольтметр, дисплей и т.д.). Перед началом измерений в вычислительные блоки 8 и 81 ввод тс  величины углов падени  а и/ лазерных пучков и показатель преломлени  материала трубы дл  данной длины волны измерени  лазера (в случае, если показатель преломлени  материала трубы известен). Использу  полученные данные о величине отрезков между отраженными бликами в соответствии с

описанным способом измерений, определ ют толщину стенки контролируемой трубы, ее внутренний и наружный диаметры в вычислительных блоках 8 и 8 , а показатель преломлени  материала трубы и ее угол на- клонаво врем  выт жки - в вычислительном устройстве блока сравнени  сигналов 9 по полученным расчетным формулам.

В случае несовпадени  результатов вычислений контролируемых параметров I и d в обоих измерительных каналах блок сравнени  сигналов 9, имеющий вычислительное устройство, выдает сигнал рассогласовани , соответствующий значени м

Л или (5П, и направл ет его по обратной св зи в вычислительные блоки 8 и 8 . Таким образом осуществл етс  функци  контрол  правильности и достоверности полученных результатов измерений. Вычислительные

блоки 8 и 81 учитывают дополнительную

функцию о наличии угла Д наклона трубы

или флуктуации показател  преломлени 

5П и провод т пересчет контролируемых величин . Эта операци  продолжаетс  до тех

пор пока величины контролируемых параметров , измеренных в обоих измерительных каналах не совпадут. Тогда блок сравнени  сигналов с вычислительным устройством 9, формирующий окончательный

результат измерений, посылает сигнал на индикатор 10, представл ющий информацию о контролируемых параметрах в цифровом или другом удобном дл  воспри ти  виде.

Способ измерений параметров прозрачных труб и устройство дл  его осуществлени  позвол ет повысить точность измерени  за счет учета флуктуации показател  преломлени  материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во врем  выт жки , высокой надежности и простоты реализации .

Способ и устройство могут быть использованы при контроле геометрических размеров труб непосредственно во врем  выт жки, так как низкочастотные угловые колебани , характерные дл  этого технологического процесса, учитываютс  в процессе вычислений контролируемых величин, а также позвол ют вычислить отдельно абсолютное значение показател  преломлени  материала трубы и его возможные флуктуации , что также учитываетс  при определении контролируемых величин.

Проведенные экспериментальные исследовани  позволили определить контролируемые параметры I и d с относительной погрешностью не хуже 1% и вычислить абсолютное значение показател  преломлени  трубы с погрешностью дп 1 Ю при амплитуде колебани  трубы ± 5 мм, угловых наклонах до ± 3 и частоте колебаний до 50 Гц.

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ измерени  параметров прозрачных труб, заключающийс  в том, что направл ют световой луч под фиксированным углом а к плоскости поперечного сечени  трубы, сканируют в плоскости анализа световые сигналы, сформированные четырьм  световыми лучами, отраженными от наружной и внутренней поверхности трубы, и преобразуют их в электрические сигналы, по которым определ ют наружный и внутренний диаметры трубы и толщину ее стенки , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуации показател  преломлени  материала трубы и компенсации погрешностей , вызываемых угловыми наклонами тру- бы во врем  выт жки, направл ют одновременно с первым лучом второй световой луч, который расположен в плоскости, проход щей через первый луч и геометрическую ось трубы, под фиксированным углом /() к плоскости поперечного сечени  трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определ ют по их значени м показатель п преломлени  материала трубы угол А наклона трубы, и с их

   sir/ 2(аТдТ

   sin Q3 ± Д) - ai Д) sin (a ± AT 22(а±ДЬа12 5Ш22(Й±Д

   Vf.Ч---....- -.--А-,..-..ч-...--. .-J...-. ..--Л.Јai |2 sin2 2 (а ± Д) - ai 2 sin2 2 (ft ± Д)

   где ai - проекци  рассто ни  между первым и вторым световыми лучами, образовавшимис  от второго луча, на вторую плоскость анализа.

   5. Способ по п.1, отличающийс  тем, что угол Д наклона трубы определ ют из выражени 

   Д arctg

   61 - Вт iga

   Bi tg« + Bi

   где Bi - проекци  рассто ни  между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимис  от второго луча в результате отражени  от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на вторую плоскость анализа.

   0

   I

   учетом рассчитывают толщину I стенки трубы и внутренний диаметр d трубы.

   .
2. 2. Способ по п.1,отличающийс  тем, что толщину I стенки трубы рассчитыва- ют из соотношени 

   ai (пол±(5п) cos a1 cos 2 Д

   sin 2 (а ± Д)

   где ai - проекци  рассто ни  между первым и вторым световыми лучами, образовавшимис  от первого луча, на первую плоскость анализа;

   d - угол преломлени  первого луча на наружной цилиндрической поверхности 5 трубы;

   дп - величина флуктуации показател  преломлени  материала трубы,

   3п п,

   показатель преломлени  материа- 0 лэ трубы, известный до измерени , соответствующий длине волны излучени .

   3, Способ по п. 1,отличающийс  тем, что внутренний диаметр d трубы рассчитывают из соотношени 

   d

   Bi cos 2 Д

   2 sin (а±Д) где BI - проекци  рассто ни  между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимис  от первого луча в результате отражени  от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на первую плоскость анализа.

   4, Способ по п. 1,отличающийс  тем, что показатель п преломлени  материала трубы определ ют из выражени 

   6. Устройство дл  измерени  параметров прозрачных труб, содержащее последовательно установленные источник света и формирующую оптическую систему, координатно-чувствительный фотоприемник с видеоусилителем и вычислительным блоком и индикатор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  геометрических размеров труб за счет учета

   флуктуации показател  преломлени  материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во врем  выт жки, оно снабжено последовательно установленными за формирующей

   оптической системой по ходу излучени  светоделителем дл  разделени  излучени  на два световых пучка и отражателем, выполненным в виде двух зеркал, предназначенных дл  одновременного облучени  трубы

   под двум  различными углами падени , вторым координатно-чувствительным фотоприемником с видеоусилителем и вычислительным блоком, блоком сравнени  сигналов с вычислительным устройством, вход которого соединен с выходами вычислительных блоков, а обратна 

   св зь от которого соединена с входами обоих вычислительных блоков, выход блока сравнени  сигналов св зан с входом индикатора , а формирующа  оптическа  система выполнена в виде цилиндрической телескопической системы.

   Фиг. 1

   it

   86S9UI

   CPu.2. 3