RU2682565C1 - Способ измерения длины электропроводного объекта - Google Patents
Способ измерения длины электропроводного объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2682565C1 RU2682565C1 RU2017146112A RU2017146112A RU2682565C1 RU 2682565 C1 RU2682565 C1 RU 2682565C1 RU 2017146112 A RU2017146112 A RU 2017146112A RU 2017146112 A RU2017146112 A RU 2017146112A RU 2682565 C1 RU2682565 C1 RU 2682565C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- measuring
- length
- frequency
- resonant frequency
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 29
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в автоматизированных системах производства, а также при измерении длины радиоактивных объектов, отрезков тонких проводов и других электропроводных объектов, измерение которых известными способами затруднено. Для повышения точности измерений при небольших затратах времени на проведение измерений с использованием простых приборов в способе измерения длины электропроводного объекта, основанном на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты, объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формулегде- резонансная частота антенны, с - скорость света, а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны. 4 ил.
Description
Предлагаемый способ относится к контрольно-измерительной технике и может быть использован в автоматизированных системах производства, а также при измерении длины радиоактивных объектов, отрезков тонких проводов и других электропроводных объектов, измерение которых известными способами затруднено.
Известен способ бесконтактного радиоволнового определения размеров электропроводных изделий (Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. «Применение двухдиодных автодинов в устройствах радиоволнового контроля размеров изделий»// Измерительная техника. 2016. №7. С. 24-28). При использовании этого способа автодин применяют как доплеровский локатор, измеряют угол между вектором скорости движения объекта и осью диаграммы направленности антенны, с помощью специального датчика регистрируют измерительный интервал за время движения объекта и считают количество импульсов, попавших в измерительный интервал. По этим данным вычисляют длину объекта.
Общими признаками с заявляемым способом являются измерение длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большая погрешность измерений, обусловленная погрешностью датчика, формирующего сигналы измерительного интервала, большие затраты времени на проведение измерений и сложность приемо-передающей аппаратуры. Для реализации данного способа необходимо обеспечить движение объекта.
Известен бесконтактный радиоволновый способ измерения длины электропроводного объекта, основанный на использовании зависимости параметров электромагнитного поля от расстояния и длины электрически проводимых структур (в предлагаемом способе - электропроводного объекта). (Гартнянски Р. и др. «Измерение длины проводника в электромагнитном поле». Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» Издательство: Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (Ижевск), ISSN: 1813-7911). При использовании этого способа измеряемый электропроводный объект помещают вблизи полуволнового вибратора и определяют положение минимума функции активной части входного сопротивления этого вибратора в диапазоне частот. По результатам этих измерений вычисляют длину объекта.
Общими признаками с заявляемым способом являются измерение длины электропроводного объекта в радиоволновом диапазоне с использованием зависимости параметров электромагнитного поля от длины объекта, без непосредственного контакта с объектом.
Недостатками аналога являются большая погрешность измерений и большие затраты времени на проведение измерений с использования сложных приборов, поскольку минимум функции входного сопротивления, определяемый при измерении, выражен не четко
Из известных способов измерения длины наиболее близким по технической сущности является бесконтактный радиоволновый способ измерения длины электропроводного объекта, основанный на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты. (В.А. Викторов и др. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов». - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр. 80-81). При использовании этого способа измеряемый электропроводный объект используют в качестве элемента двухпроводной или коаксиальной линии, разомкнутой на обоих концах, возбуждают в объекте электромагнитное колебание и измеряют его резонансную частоту. По результатам измерения резонансной частоты вычисляют длину объекта.
Существенными признаками, общими с существенными признаками заявляемого способа, являются возбуждение в объекте электромагнитного колебания, измерение его резонансной частоты и вычисление длины объекта по результатам измерения резонансной частоты.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются низкая точность измерений и сложность эксплуатации, поскольку частотная характеристика использованной одноконтурной колебательной системы имеет тупой экстремум. Кроме того, на величину резонансной частоты влияют не учтенные элементы связи объекта с измерительными цепями и элементы крепления объекта. Измеритель сложен в эксплуатации, поскольку необходимо обеспечивать определенное взаимное расположение объекта и измерительных цепей.
Технический результат, на решение которого направлен предлагаемый способ, - повышение точности измерений при небольших затратах времени на проведение измерений с использованием простых приборов.
Технический результат достигается тем, что при измерении объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле 
, где 
- резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Для достижения технического результата в способе измерения длины электропроводного объекта, основанном на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты, при измерении объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле где - резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена одна из возможных схем измерителя; на фиг. 2 - схема колебательной системы измерителя; на фиг. 3 вид частотных характеристик, а на фиг. 4 - сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
На фиг. 1 представлены: противовес антенны 1; высокочастотный листовой диэлектрик 2; контурный конденсатор 3; индуктивность контура 4; опорная площадка 5; измеряемый объект 6; элементы связи LC-контура с измерительными приборами 7 и 8; амплитудный детектор 9; соединительные кабели 10; измеритель частотных характеристик 11; устройство обработки сигналов 12.
Листовой диэлектрик 2 необходим для крепления опорной площадки 5. Индуктивность 4 вместе с суммарной емкостью С, включающей контурную емкость 3, емкость опорной площадки и емкости элементов связи, образуют измерительный LC-контур. Перестройку резонансной частоты этого контура можно осуществлять изменением емкости и индуктивности. Наличие емкости опорной площадки и емкости элементов связи не влияет на погрешность измерения резонансной частоты антенны, поскольку их реактивности скомпенсированы индуктивностью 4. Объект, используемый в качестве антенны, и измерительный LС-контур образуют двухконтурную колебательную систему (фиг. 2). На фиг. 2 показаны элементы LC-контура (L, С, r) и антенны вблизи частоты ее последовательного резонанса (LA, СА, rА). Типичный вид суммарной частотной характеристики двухконтурной колебательной системы показан на фиг. 3. При высокой добротности LC-контура (Q>5) и точном совпадении резонансных частот ZC-контура и антенны суммарная частотная характеристика получается симметричной (фиг. 3, а).
При измерении объект длиной l используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны (l=λ/4). Объект устанавливают на опорной площадке, приподнятой над противовесом, возбуждают в нем электромагнитное колебание и измеряют частоту первого последовательного резонанса. При измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формуле где - резонансная частота антенны; с - скорость света; а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны. При измерении ось объекта должна быть перпендикулярна плоскости противовеса 1. Противовес может быть ориентирован в пространстве произвольным образом.
Возможно проведение измерений и на высоких номерах частот последовательного резонанса антенны: l=3λ/4, l=5λ/4 и т.п., однако лишь при измерении на частоте первого последовательного резонанса получается однозначность отсчета длины объекта.
В качестве противовеса антенны может быть использован металлический диск. Как известно, наибольшие потери мощности происходят в зоне земли, ограниченной диаметром 0,35λ относительно штыревой антенны (Григоров И.Н. Антенны. Настройка и согласование. - М.: ИП РадиоСофт, 2010, стр. 15). Именно металлизация этой зоны может решить проблему, связанную с потерями в земле. Поэтому диаметр D металлического диска должен удовлетворять условию D>0,35λ. При использовании противовеса меньшего диаметра снижается добротность антенны, а в результат измерения длины необходимо вводить поправочный коэффициент.
Для индикации частотных характеристик использован измеритель частотных характеристик (ИЧХ) 11. Высокочастотное напряжение с выхода ИЧХ 11 по соединительному кабелю 10 поступает на элемент связи 8 и далее на опорную площадку 5. С опорной площадки высокочастотное напряжение через элемент связи 7 поступает на амплитудный детектор 9 и далее по другому соединительному кабелю 10 поступает на вход ИЧХ 11. Соединительные кабели 10 должны иметь достаточную длину, чтобы измерительные приборы и тело оператора были удалены от антенны и не искажали электромагнитное поле антенны. При необходимости, наряду с визуальной оценкой вида частотной характеристики LC-контура и антенны может быть использовано устройство обработки сигналов 12.
Для повышения точности измерений необходимо повышать добротность LC-контура, поскольку с увеличением добротности уменьшается полоса пропускания контура и, соответственно, снижается погрешность измерения его резонансной частоты и улучшается селекция полезного сигнала. Поскольку измерение частоты может быть выполнено с наибольшей точностью, погрешность измерения получается малой. Благоприятным является и то обстоятельство, что величина коэффициента А сравнительно слабо зависит от диаметра антенны, площади противовеса, и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Благодаря тому, что LC-контур обеспечивает свойственную резонансным методам измерения частотную селекцию полезного сигнала от электромагнитных сигналов окружающей среды, измерения могут быть выполнены в лабораторных условиях, без использования экранированной камеры и при малой мощности генератора. Величина минимального напряжения между опорной площадкой и противовесом определяется чувствительностью амплитудного детектора и не превышает долей вольта, что удовлетворяет требованиям безопасности.
При экспериментальном исследовании были использованы отрезки проводов длиной от 29 до 130 см и диаметром 2,1 мм. Их размеры близки к размерам проводников, использованных в аналоге (Гартнянски Р. и др. «Измерение длины проводника в электромагнитном поле». Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» Издательство: Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (Ижевск), ISSN: 1813-7911). Был использован противовес диаметром 80 см. При таком диаметре противовеса в соответствии с условием D>0,35λ частота измерений должна быть не менее ƒ>0,35c/D)=0,35⋅3⋅108/0,8=131 МГц. При возбуждении антенны на частоте первого последовательного резонанса ее длина должна быть не более l≤Ac/ƒ=0,23⋅3⋅108/131⋅106=0,5 м.
В качестве измерителя частотных характеристик был использован прибор типа X1-47. Оператор, измерительные приборы и другие проводящие объекты были удалены от измеряемого объекта на расстояние не менее 3 м. Результаты измерений показаны на фиг.4 пунктирной линией. Для сравнения на фиг. 4 сплошной линией показаны результаты расчета по формуле l=Ac/ƒ=0,23 c/ƒ. Как видно из фиг. 4, расчетные и экспериментальные результаты хорошо соответствуют друг другу.
На фиг. 3,а показан вид частотной характеристики при точной настройке LC-контура на резонансную частоту антенны, а на фиг. 3,b и 3,с при небольших расстройках в сторону верхних и нижних частот. Чем больше величина расстройки частоты, тем сильней частотная характеристика отличается от симметричной.
Таким образом, теоретически и экспериментально доказано, что предлагаемый способ измерения длины объекта обеспечивает высокую точность измерения при небольших затратах времени на проведение измерений с использованием простых в эксплуатации измерительных приборов. Предлагаемый способ особенно удобен при измерении длины объектов малого диаметра, то есть объектов с малой площадью поперечного сечения (трубы, прутки, провода и т.п.), когда использование известных методов затруднено.
Актуальность поиска новых способов измерения длины объектов подтверждается, в частности, данными аналога. Разработкой способа измерения, основанного на регистрации изменений электромагнитных характеристик в зависимости от геометрических размеров измеряемого объекта, занимались ученые Словацкого технического университета, Братислава (Словакия) и Ижевского государственного технического университета. Их работа выполнена при финансовой поддержке проекта VEGA 1/0963/12 и VEGA 2/0006/10. Статья в журнале «Интеллектуальные системы в производстве» профинансирована в рамках проекта №2010-218-02-259 за счет субсидий Минобрнауки России по договору №13.G25.31.0094 от 22.10.2010 г.
Claims (1)
- Способ измерения длины электропроводного объекта, основанный на возбуждении в объекте электромагнитного колебания, измерении резонансной частоты этого колебания и вычислении длины объекта по величине этой частоты, отличающийся тем, что при измерении объект используют в качестве четвертьволновой штыревой антенны и измеряют частоту первого последовательного резонанса этой антенны, причем при измерении резонансной частоты используют измерительный параллельный LC-контур в цепи питания антенны, который настраивают на резонансную частоту антенны таким образом, чтобы частотная характеристика колебательной системы, образованной этим контуром и антенной, имела симметричный вид, а длину объекта определяют по формулегде
- резонансная частота антенны, с - скорость света, а А=0,22-0,24 - коэффициент, величина которого зависит от диаметра антенны, площади противовеса и электропроводных объектов, находящихся вблизи антенны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146112A RU2682565C1 (ru) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Способ измерения длины электропроводного объекта |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017146112A RU2682565C1 (ru) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Способ измерения длины электропроводного объекта |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2682565C1 true RU2682565C1 (ru) | 2019-03-19 |
Family
ID=65805912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017146112A RU2682565C1 (ru) | 2017-12-26 | 2017-12-26 | Способ измерения длины электропроводного объекта |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2682565C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2787070C1 (ru) * | 2022-08-12 | 2022-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Способ измерения длины металлической трубы |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2185095A6 (ru) * | 1972-05-16 | 1973-12-28 | Commissariat Energie Atomique | |
| SU442361A1 (ru) * | 1972-08-07 | 1974-09-05 | Днепропетровский Трубопрокатный Завод Им.Ленина | Способ измерени длины прот жных изделий |
| SU1298538A1 (ru) * | 1985-04-19 | 1987-03-23 | Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) | Способ измерени внутреннего диаметра металлической трубы |
| RU2037141C1 (ru) * | 1989-01-16 | 1995-06-09 | Инж. Армин В.Грдличка | Способ бесконтактного определения длины волновода и устройство для его осуществления |
| WO2014085000A1 (en) * | 2012-11-30 | 2014-06-05 | Illinois Tool Works Inc. | System and method for determining welding wire diameter |
-
2017
- 2017-12-26 RU RU2017146112A patent/RU2682565C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2185095A6 (ru) * | 1972-05-16 | 1973-12-28 | Commissariat Energie Atomique | |
| SU442361A1 (ru) * | 1972-08-07 | 1974-09-05 | Днепропетровский Трубопрокатный Завод Им.Ленина | Способ измерени длины прот жных изделий |
| SU1298538A1 (ru) * | 1985-04-19 | 1987-03-23 | Институт Проблем Управления (Автоматики И Телемеханики) | Способ измерени внутреннего диаметра металлической трубы |
| RU2037141C1 (ru) * | 1989-01-16 | 1995-06-09 | Инж. Армин В.Грдличка | Способ бесконтактного определения длины волновода и устройство для его осуществления |
| WO2014085000A1 (en) * | 2012-11-30 | 2014-06-05 | Illinois Tool Works Inc. | System and method for determining welding wire diameter |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2787070C1 (ru) * | 2022-08-12 | 2022-12-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Способ измерения длины металлической трубы |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7315173B2 (en) | Method of measuring electric field distribution and electric field distribution measuring instrument | |
| JP3616627B2 (ja) | 電磁波探査機における媒体中誘電率の測定方法、並びに、電磁波探査機 | |
| KR100741432B1 (ko) | 비흡수율 측정 장치 | |
| KR101756325B1 (ko) | 평면형 플라즈마 진단 장치 | |
| EP1916531A1 (en) | Specific absorption rate measurement system and method | |
| US10180342B2 (en) | Level finding using multiple search steps | |
| US6879167B2 (en) | Noncontact measuring system for electrical conductivity | |
| US9151720B2 (en) | Device for testing a surface including an extraction unit for extracting a shifted frequency component and associated method | |
| RU2682565C1 (ru) | Способ измерения длины электропроводного объекта | |
| Kim et al. | Non-contact crack detection in metals using a cutoff-cavity probe | |
| Migliore et al. | Far-field antenna pattern estimation from near-field data using a low-cost amplitude-only measurement setup | |
| Wensink et al. | MEASURED UNDERWATER NEAR‐FIELD E‐PATTERNS OF A PULSED, HORIZONTAL DIPOLE ANTENNA IN AIR: COMPARISON WITH THE THEORY OF THE CONTINUOUS WAVE, INFINITESIMAL ELECTRIC DIPOLE1 | |
| JP2004354362A (ja) | アンテナの遠方界放射パターン測定法 | |
| Nesterova et al. | Analytical study of 5G beamforming in the reactive near-field zone | |
| JP3860824B2 (ja) | 媒体中誘電率の測定方法、並びに、電磁波探査機 | |
| RU2677113C1 (ru) | Способ контроля длины электропроводного объекта | |
| JPH02112716A (ja) | 細長い素子の位置測定方法およびその装置 | |
| RU2063641C1 (ru) | Способ измерения эффективной площади рассеяния и устройство для его осуществления | |
| Baskakova et al. | Investigation of waveguide sensors for ultra-short-distance measurements | |
| JP2011017535A (ja) | 遠方電磁界ノイズ測定方法および装置 | |
| SU1357880A1 (ru) | Способ определени диаграммы направленности антенны | |
| Barbano | Phase center distributions of spiral antennas | |
| Cao et al. | Multiple reflection error analysis for planar near field measurement in time domain | |
| RU2564454C1 (ru) | Способ получения радиоголограмм подповерхностных проводящих объектов цилиндрической формы | |
| Drobakhin et al. | Multifrequency radar images of electrodynamics objects located behind dielectric layer in millimeter wave range |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201227 |