ДАТЧИК МАЛЫХ РАССТОЯНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01N22/00 G01B7/15 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения расстояний (зазоров) до отражающей электромагнитные волны поверхности. Оно может быть использовано, в частности, для измерения толщины горячего и холодного проката (металлических листов).

Известен датчик малых расстояний до отражающей (металлической) поверхности на основе волноводного СВЧ-резонатора. Одна из торцевых поверхностей его открыта и расположена вблизи металлической поверхности, являющейся бесконтактной торцевой стенкой этого резонатора. При изменении расстояний до данной стенки изменяется длина резонатора и, следовательно, его собственная частота электромагнитных колебаний, определяя которую можно судить об интересующем расстоянии. Этот датчик, однако, имеет недостаточную чувствительность к перемещениям металлической поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (датчику) является датчик расстояний, которая имеет оба торца открытых и расположенных вблизи контролируемой поверхности. При этом имеет место воздействие отражателя (поверхности) на оба торца резонатора, что существенно повышает чувствительность по сравнению с известным датчиком. Но и этот датчик имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что открытыми торцами резонатора зондируют разные области поверхности отражателя. Любые перекосы, смещения отражающей поверхности относительно торцов резонатора имеют следствием неодинаковость измеряемых расстояний, что снижает точность измерения. На практике это происходит при измерении толщины движущегося металлического листа в процессе проката, где используют два датчика, расположенных с обеих сторон листа, измеряют их собственные (резонансные) частоты, являющиеся функциями расстояний до соответствующих поверхностей листа, и по результатам этих измерений определяют искомую толщину листа. Диапазон однозначных измерений контролируемых расстояний не превышает четверти длины волны. Это при работе в 3-сантиметровом диапазоне длин волн (частота 10 ГГц) составляет 7,5 мм.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в датчике малых расстояний, содержащем волноводный резонатор, один торец которого открыт и установлен перпендикулярно контролируемой поверхности, к второму торцу волноводного резонатора одним плечом подсоединен трехплечий циркулятор, два других плеча которого короткозамкнуты или соединены между собой волноводом.

На фиг. 1 изображен предложенный датчик, в конструкции которого два плеча циркулятора короткозамкнуты; на фиг. 2 то же, два плеча циркулятора соединены между собой волноводом; на фиг. 3 траектория распространения волн в резонаторе; на фиг. 4 эквивалентная схема взаимодействия резонатора с контролируемой поверхностью; на фиг. 5 пример схемы устройства, содержащего датчик.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 контролируемая поверхность, 2 волновод с открытым торцом, 3 циркулятор, 4, 5 короткозамкнутые плечи циркулятора, 6 волновод, 7 вторичный преобразователь.

На фиг. 1 и 2 показано устройство в статике. Здесь к одному из плеч циркулятора подключен волновод 2 с открытым торцом, направленным в сторону контролируемой поверхности 1. Два других плеча циркулятора 3 замкнуты накоротко (см. фиг. 1) или соединены между собой волноводом 6 (см. фиг. 2).

Устройство (датчик) работает следующим образом.

С помощью волновода 2, имеющего открытый торец, направленный в сторону поверхности 1, осуществляют ее зондирование. При этом отраженная от поверхности 1 волна поступает по волноводу 2 в трехплечий циркулятор 3 и далее распространяется в направлении, показанном стрелкой. На фиг. 1 показано, что эта волна поступает сначала в короткозамкнутое плечо 4 циркулятора, отражается от короткозамыкателя, затем поступает через циркулятор 3 и в другое короткозамкнутое плечо 5 циркулятора, вновь отражается от короткозамыкателя в этом плече и приходит по циркулятору в волновод 2. В схеме на фиг. 2 волна между двумя плечами циркулятора 3 проходит по волноводу 6, соединяющему эти плечи.

На фиг. 3 показана траектория распространения электромагнитных волн в рассматриваемом резонаторном датчике. Здесь имеем по существу волноводный резонатор с одним отражателем, у которого один и тот же торец одновременно служит для получения полезной информации об измеряемом расстоянии до поверхности 1. На фиг. 4 показана эквивалентная схема взаимодействия волн в резонаторе с отражающей эти волны поверхностью 1. Здесь имеет место воздействие одновременно на оба торца резонатора так же, как и в датчике-прототипе. Но в отличие от прототипа, теперь контролируемую поверхность 1 зондируют в одной и той же области с помощью одного и того торца резонатора, который является единственным отражателем в таком резонаторе, позволяющим получать полезную информацию. Длина (электрическая) такого резонатора определяется расстоянием, проходимым волной в каждом из направлений между двумя последовательными отражениями, т.е. в данном случае электрической длиной контура на фиг. 3. Как и в прототипе, диапазон однозначности измерений расстояния составляет четверть длины электромагнитной волны (т.е. суммарно для двух отражателей в таких датчиках половину длины волны). Спектр собственных частот резонатора (как предлагаемого, так и прототипа) вдвое гуще (на том же интервале частот), чем в резонаторе с одним рабочим торцом.

Введение в схему датчика волновода 6, соединяющего два плеча циркулятора, дает возможность регулировать длину резонатора, и следовательно, длину волны в резонаторе, определяющую диапазон однозначности измерений. Это также позволяет располагать элементы возбуждения и съема колебаний в резонаторе и на этом волноводе, что может быть удобно на практике.

В качестве примера выполнения устройства для измерения малых расстояний, содержащего предлагаемый датчик, на фиг. 5 приведена схема такого устройства. Здесь к волноводу 6 подсоединен вторичный преобразователь 7, который осуществляет возбуждение в резонаторе (датчике) электромагнитных колебаний и измерение его собственной (резонансной) частоты, служащей информативным параметром. Блок 7 может являться автогенератором, в частотозадающую цепь которого включен предлагаемый датчик, частота этого автогенератора в данном случае является информативным параметром. В общем же случае элементы возбуждения и съëма колебаний могут располагаться в произвольных областях конструкции резонатора, место их расположения влияет на величину связи и амплитуду снимаемых сигналов.

Датчик за счет зондирования одной и той же области контролируемой поверхности обоими торцами волноводного резонатора позволяет повысить точность измерения по сравнению с прототипом. Он может найти применение для измерения малых (соизмеримых с длиной волны) расстояний до поверхностей, отражающих электромагнитные волны. Коэффициент отражения при этом влияет на величину добротности резонатора, которая, как показывает практика, может быть и невысокой (но не менее 10 20). Предпочтительная область применения металлургия, прокатное производство, а также и другие отрасли и задачи, где необходимо определять расстояния (зазоры) и перемещения металлических поверхностей.

Использование: в измерительной технике для бесконтактного измерения расстояний до поверхности, отражающей электромагнитные волны. Сущность изобретения: повышение точности измерения достигается за счет того, что к одному из торцов волноводного резонатора, открытого с другого торца, который направлен в сторону контролируемой поверхности, подсоединен трехплечий циркулятор одним из его плеч. Два других плеча циркулятора короткозамкнуты или соединены между собой волноводом. 5 ил.

ДАТЧИК МАЛЫХ РАССТОЯНИЙ, содержащий волноводный резонатор, один торец которого открыт и установлен перпендикулярно контролируемой поверхности, отличающийся тем, что к второму торцу волноводного резонатора одним плечом подсоединен трехплечий циркулятор, два других плеча которого короткозамкнутые.