УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИСТА Российский патент 1996 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины металлических листовых изделий, в частности в металлургии для автоматизации техпроцесса прокатки.

Известно устройство для измерения толщины фольги или листового ленточного материала и его варианты /1/, содержащее измерительные головки, распложенные по обе стороны отленты и детекторы для измерения расстояния от каждой головки до поверхности ленты. Устройство снабжено детектором для измерения расстояния между измерительными головками. Недостатками устройства являются пониженная точность вследствие измерения абсолютной величины толщины материала, возможность измерения только очень тонкого ленточного материала, являющегося неметаллом, поскольку среди применяющихся рассматриваются оптические и индуктивные методы просвечиванием измеряемого материала.

Наиболее близким по технической сущности и устройству является СВЧ-измеритель толщины металлического листа /2/, содержащий СВЧ автодинный генератор, четыре приемопередающие антенны, расположенные по обе стороны контролируемого изделия попарно, три γ-циркулятора, индикатор. В нем сигнал от генератора поступает через g-циркуляторы 2, 3 в антенну 5 и облучает плоскость металлического листа 9. Отраженный сигнал принимается той же антенной 5 и по циркулятору 3 поступает в антенну 8, которая вторично облучает ту же плоскость. Затем антенна 8 принимает отраженный сигнал, который через циркуляторы 2, 3 аналогичным образом дважды следовательно облучают противоположную сторону контролируемого листа антеннами 6 и 7, после чего через циркуляторы 4, 2 сигнал поступает обратно в автогенератор, воздействуя на генераторный диод и изменяя его режим работы /автодиодное преобразование/. Это изменение сказывается на токе потребляемом генератором 1 при отклонении толщины листа от стандартной и измеряется регистрирующим устройством 10. Недостатком прототипа является низкая точность, т.к. автодинный генератор работает в нестабильном режиме /принцип работы устройства основан на измерении режима работы СВЧгенератора/.

Техническим результатом изобретения является повышение точности.

Технический результат достигается тем, что в СВЧ-измеритель толщины металлического листа, содержащий четыре антенны, располагаемые по две с каждой стороны контролируемого изделия, генератор и регистрирующий прибор, введены два измерителя разности фаз, сумматор, блок памяти и блок вычитания.

Достижение технического результата доказывается следующим.

Фаза сигнала в точке А в момент времени t
v_A=2πft+Φ_AO (1)
В точке В /перед излучением/ фаза сигнала получит набег
Φ_B=2πft+Φ_AO+Φ_AB (2)
После излучения и отражения от контролируемого изделия, пройдя в пространстве расстояние R₁ в за время τ₁=R₁/C, C скорость распространения волны, она в точке приме С будет иметь фазу
Φ_C=Φ_B+2πfτ₁-γ₁ (3)
γ₁ изменение /скачок/ фазы при отражений волны от поверхности изделия. На входы первого измерителя разности фаз поступят сигналы с фазами
Φ₁₁=Φ_A+Φ_AE; Φ₁₂=Φ_C+Φ_CD (4)
Первый измеритель разности фаз определит разность
Δ₁=Φ₁₁-Φ₁₂=Φ_AE-Φ_AB-2πfτ₁+γ₁-Φ_CD, (5)
независящую от нестабильности генератора, а зависящую только от расстояния R₁, пройденного волной до контролируемого изделия, все остальные слагаемые в /5/ константы.

Аналогично для второго измерителя разности фаз и второй пары антенн, расположенных в с обратной стороны изделия /волна проходит расстояние
Δ₂=Φ₂₁-Φ₂₂=Φ_FL-Φ_FG-2πfτ₂+γ₂-Φ_HK, (6)
где переменной величиной в функции Δ является только расстояние R₂ (буквенные обозначения аналогичны обозначениям /5/).

Расстояния R₁ и R₂ однозначно определяют расстояния h₁, и h₂ от каждой пары антенн до соответствующей стороны измеряемого изделия. Поскольку расстояние h между парами антенн 1,2
h h₁ + h₂ + d /7/
постоянно /d толщина изделия, антенны неподвижны/, то d определяется суммами h₁ + h₂ или R₁ + R₂. Если перед началом измерения в устройство ввести образцовый лист с эталонной толщиной d_o, то исходя из /7/ можно определить соответствующую этой эталонной толщине эталонную сумму h₁₀ + h₂₀ или взаимооднозначную ей сумму расстояний R₁₀ + R₂₀
d_o h (h₁₀ + h₂₀) /8/
Отклонение измеряемой толщины d от ее номинального значения
Dd=d-d_o=h₁₀+h₂₀-(h₁+h₂) (9)
Исходя из взаимооднозначности h₁ + h₂ и R₁ + R₂
Δd=k[R₁₀+R₂₀-(R₁+R₂) (10)
Определив зависимость h(R), например, путем определения

сложив эталонные Δ₁₀, Δ₂₀

и (рабочие) измерительные Δ₁, Δ₂ разности фаз

и вычисляя разность полученных сумм:

определим отклонение толщины, измеряемое устройством:

Точность измерения толщины определяется длиной волны используемого излучения λ и точностью измерения разности фаз, причем генератор работает в устойчивом стабилизированном режиме.

Таким образом, в предлагаемом устройстве введение совокупности новых блоков и их связей по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения толщины.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства.

Устройство для измерения отклонений толщины металлического листа содержит последовательно соединенные генератор 1, первый измеритель 2 разности фаз, сумматор 3, блок 5 памяти блок 5 вычитания, регистрирующий прибор 6, выход генератора 1 подключен также и к входу первой антенны 7, ее отраженное от первой стороны контролируемого изделия 12 излучение принято второй антенной 8, выход которой подключен к второму входу первого измерителя 2 разности фаз, выход генератора 1 подключен также к объединенным входам второго измерителя 9 разности фаз и третьей антенны 10, ее отраженное от второй стороны контролируемого изделия 12 излучение принято четвертой антенной 11, выход которой подключен к второму входу второго измерителя 9 разности фаз, выход которого подключен к второму входу сумматора 3, выход которого подключен также и к второму входу блока 5 вычитания.

Устройство для измерения отклонений толщины металлического листа работает следующим образом. В рабочую зону устанавливается образец эталонной толщины d_o. При включении устройства происходит очистка памяти блока 4 памяти 4. Генератор 1 генерирует радиоволну /СВЧ диапазона/, поступающую одновременно на входы измерителей 2, 9 разности фаз и первой и третьей антенн 7, 10.

Фаза волны в точках А и F определяется /1/ и /15/:
v_f=2πft+Φ_F (15)
Первая и третья антенны 7,10 облучают эталонный образец сигналами с фазой Φ_B /2/, Φ_G с двух сторон:
Φ_G=Φ_F+Φ_FG (16)
Радиоволны, отраженные двумя сторонами эталонного образца и прошедшие в пространстве расстояния R₁₀ и R₂₀, принимаются второй и четвертой антеннами 8, 11 с фазами Φ_CO и Φ_HO /см.13/

Сигналы с выхода этих антенн подаются на измерители разности фаз 2, 9, где сбиваются по фазе с сигналами опорного генератора 1. Измерители разности фаз определяют величины Δ₁₀ и Δ₂₀.

Эти измеренные величины подаются на сумматор 3, где вычисляется их сумма Σ_o /11/. С выхода сумматора эталонная сумма Σ_o записывается в свободную ячейку памяти блока памяти 4. Затем в рабочую зону устройства устанавливается измеряемое изделие. Работа устройства с контролируемым изделием осуществляется аналогично, фазы сигналов в точках A, В, С, F, Н, G определяются формулами /1/, /2/, /3/, /15/, /16/
Φ_н=Φ_G+2πfτ₂-γ₂
После облучения контролируемого изделия с двух сторон в измерителях 2, 9 разности фаз формируются величины Δ₁ /5/ и Δ₂ /6/. Эти величины подаются на вход сумматора 3, где суммируются по формуле /12/. С выхода сумматора сумма Σ поступает на вход блока 5 вычитания, на другой вход которого поступает сигнал эталонной суммы S_o с блока 4 памяти. Блок 5 вычитания реализует формулу /13/, с его выхода и сигнал, пропорциональный отклонению толщины контролируемого изделия от номинального значения, поступает на регистрирующий прибор 6.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины металлических листовых изделий в машиностроении и металлургии. Полученный технический результат - повышение точности путем измерения колебаний фазового пути радиоволны от антенного блока до контролируемого изделия. Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1, измеритель 2 разности фаз, сумматор 3, блок 4 запоминания, блок 5 вычитания, регистрирующий прибор 6, выход генератора 1 подключен также и к входу первой антенны 7, ее отраженное от первой стороны контролируемого изделия излучение принято второй антенной 8, выход которой подключен к второму входу измерителя 2 разности фаз, выход генератора 1 подключен также к объединенным входам второго измерителя 9 разности фаз и третьей антенны 10, ее отраженное излучение от второй стороны контролируемого изделия 12 принято четвертой антенной 11, выход которой подключен к второму входу измерителя 9 разности фаз, выход которого подключен к второму входу сумматора 3, выход которого подключен также и к второму входу блока 5 вычитания. 1 ил.

Устройство для измерения толщины металлического листа, содержащее четыре приемопередающие антенны, установленные попарно с противоположных сторон контролируемого изделия, генератор и блок регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено двумя измерителями разности фаз, сумматором, блоком вычитания и блоком памяти, выход генератора соединен с первыми входами измерителей разности фаз и объединенными входом передающих антенн, выходы приемных антенн подключены к вторым входам соответствующих измерителей разности фаз, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входном блока памяти и первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, а его выход с блоком регистрации.