СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАЗОРА ДО МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01B15/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам измерения зазора между чувствительным элементом и металлической поверхностью, предназначено для бесконтактного измерения положения контролируемого объекта и может быть использовано при контроле физических величин, измерение которых может быть преобразовано в изменение зазора, а также для обнаружения и контроля развития трещин и других дефектов на металлических поверхностях, в том числе через изолирующее покрытие.

Известен способ контроля величины зазора до металлической поверхности, включающий установку параллельно поверхности формирователя переменного электромагнитного поля в виде катушки индуктивности и измерение индуктивности формирователя, по величине которой судят о зазоре между формирователем и контролируемой поверхности. Известный способ может быть также использован для бесконтактного контроля линейных размеров тонких металлических пластин и покрытий, а также для обнаружения поверхностных царапин и трещин [1].

Недостатком известного способа контроля является низкая точность, обусловленная зависимостью индуктивности формирователя переменного электромагнитного поля не только от величины зазора, но и от проводимости металла и состояния его поверхности.

Известен способ контроля величины зазора до металлической поверхности, включающий размещение объемного резонатора сверхвысокой частоты открытым концом к контролируемой поверхности, возбуждение в резонаторе электромагнитных колебаний и измерение резонансной частоты, по величине которой судят о зазоре между резонатором и металлической поверхностью [2].

Известно устройство для осуществления контроля величины зазора до металлической поверхности, содержащее по меньшей мере один полый резонатор с открытым концом, подсоединенный к выходу свип-генератора, и анализатор спектра, обеспечивающий измерение резонансной частоты [3].

Недостатками известных способа контроля зазора и устройства для его осуществления являются сложность проведения измерений, громоздкость и дороговизна используемых приборов, а также низкая точность измерений, обусловленная большими электромагнитными потерями на сверхвысоких частотах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ контроля величины зазора между чувствительным элементом и контролируемой металлической поверхностью, включающий установку параллельно контролируемой поверхности отрезка плоской замедляющей системы, возбуждение в указанном отрезке замедленной электромагнитной волны со смещением энергии магнитного поля в область контролируемого зазора и измерение фазового времени запаздывания этой волны, по которому судят о величине зазора [4]. Указанный способ используется также для контроля толщины металлизации на диэлектрической подложке [5].

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контроля зазора до металлической поверхности, содержащее чувствительный элемент в виде диэлектрической подложки, на противоположные стороны которой друг против друга нанесены арифметические спирали с противоположными направлениями намотки, образующие отрезок связанных арифметических спиралей, включенный в цепь обратно связи генератора с запаздывающей обратной связью, буферный усилитель и частотомер [4].

Недостатком известного способа и устройства является относительно небольшая чувствительность, вызванная быстрым спаданием амплитуды поля волны от поверхности чувствительного элемента.

Задача изобретения - создание способа измерения зазора до металлической поверхности и устройства для его осуществления, позволяющих увеличить чувствительность измерений.

Задача решается тем, что при реализации способа измерения зазора, включающего размещение параллельно контролируемой поверхности отрезка замедляющей системы, возбуждение в нем замедленной электромагнитной волны со смещением энергии магнитного поля в область контролируемого зазора на частоте, на которой глубина проникновения поля в металл существенно меньше толщины металла с контролируемой поверхностью, и измерение запаздывания фазы этой волны согласно изобретению преобразуют запаздывание фазы волны в сигнал, с помощью которого управляют частотой генератора, поддерживая ее на участке максимального изменения фазы и измеряют частоту генератора, по которой судят о величине зазора.

Задача решается также тем, что в устройстве для измерения зазора до металлической поверхности, содержащем высокочастотный генератор управляемый напряжением, частотомер и чувствительный элемент в виде диэлектрической подложки, на противолежащие стороны которой симметрично друг против друга нанесены проводники, образующие связанные замедляющие системы, согласно изобретению, выход генератора соединен с разветвителем, одно плечо которого непосредственно, а другое через чувствительный элемент соединен с разными входами фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу генератора.

В связи с этим:
выгодно, если вход чувствительного элемента включен в разрыв одного из проводников высокочастотного тракта, соединяющего плечо разветвителя с фазовым детектором;
полезно, когда нанесенные на противолежащие стороны диэлектрической подложки проводники образуют две пары идентичных по размерам связанных замедляющих систем, расположенных симметрично так, что вход одной пары обращен к входу другой и соединен с ним параллельно, причем входной конец проводника одной пары соединен с входным концом проводника другой пары;
выгодно, если образующие связанные замедляющие системы проводники имеют форму радиальных спиралей;
целесообразно, если расположенные на одной и той же поверхности диэлектрической подложки радиальные спирали имеют противоположные направления намотки, причем их входные (наружные) концы электрически соединены с наружними концами спиралей, находящихся на другой стороне подложки;
полезно, если расстояние d между осями симметрии соседних пар связанных спиралей выбирается из условия
d ≥ πw,
где
w - максимальное значение измеряемого зазора;
выгодно, если радиальные спирали имеют овальную форму, причем большие оси каждой из образованных спиралями пар параллельны друг другу;
полезно, когда выход каждой из пар связанных спиралей разомкнут;
целесообразно, чтобы внутренние концы спиралей были выполнены в виде площадок, расположенных одна над другой в каждой паре связанных спиралей;
выгодно, если радиальные спирали имеют постоянный шаг;
полезно, когда радиальные спирали имеют плавно увеличивающийся наружу шаг;
целесообразно, чтобы диэлектрическая подложка, на которую нанесены связанные замедляющие системы, имела форму поверхности, до которой измеряется зазор;
полезно, когда диэлектрическая подложка выполнена в виде цилиндрического желоба, причем обе пары связанных замедляющих систем установлены одна за другой вдоль желоба.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа;
фиг. 2 - эскиз чувствительного элемента, выполненного в виде связанных меандр-линий;
фиг. 3 - эскиз чувствительного элемента, выполненного в виде связанных арифметических спиралей;
фиг. 4 - вариант включения ЧЭ "на проход";
фиг. 5 - вариант включения ЧЭ в разрыв проводника высокочастотного тракта;
фиг. 6 - обобщенное изображение ЧЭ, образованного двумя парами связанных замедляющих систем;
фиг. 7 - эскиз ЧЭ, выполненного в виде двух пар связанных арифметических спиралей овальной формы;
фиг. 8 - вариант выполнения ЧЭ в виде желоба;
фиг. 9 - положение чувствительного элемента относительно контролируемой поверхности;
фиг. 10 - типичные фазо-частотные и амплитудно-частотные характеристики ЧЭ;
фиг. 11 - распределение токов, наведенных на контролируемой поверхности;
фиг. 12 - зависимость резонансной частоты от расстояния w между металлической поверхностью и ЧЭ, выполненном в виде двух пар связанных арифметических спиралей овальной формы.

Варианты осуществления изобретения.

Устройство для измерения зазора до металлической поверхности содержит высокочастотный генератор, управляемый напряжением (ГУН) 1 (фиг. 1), на выходе которого установлен разветвитель 2, плечо 3 которого через плечо 4 другого разветвителя 5 подключено непосредственно к входу 6 фазового детектора (ФД) 7, а плечо 8 разветвителя 2 подключено через чувствительный элемент (ЧЭ) 9 к входу 10 ФД 7, выход 11 которого соединен с управляющим вводом 12 ГУН 1 через управляющий элемент-интегратор (не показан). Плечо 13 разветвителя 5 через буферный усилитель 14 соединено с частотомером 15 или с другим прибором (не показан), осуществляющим преобразование частоты в удобный для дальнейшей обработки сигнал.

ЧЭ 9 представляет собой отрезок двухпроводной связанной замедляющей системы, выполняемой, как правило, в виде металлизаций на противоположных сторонах диэлектрической подложки 16 (фиг. 2). При этом конфигурация проводников 17 и 18 является повернутым на 180^o изображением друг против друга, как например изображенные на фиг. 2 меандр-линии, сдвинутые относительно друг друга на половину периода T [6] или подобные изображенному на фиг. 3 конкретному варианту ЧЭ 9, выполненному на арифметических спиралях с противоположными направлениями намотки.

ЧЭ 9 может быть включен непосредственно или через буферный элемент (на чертеже не показан) в высокочастотный тракт 19 (фиг. 4), соединяющий плечо 8 разветвителя 2 с входом 10 ФД 7 или только в один из его проводников, например в разрыв внутреннего проводника 20 коаксиального кабеля, выполняющего роль высокочастотного тракта 19 (фиг. 5). В первом случае ЧЭ 9 представляет собой включенный "на проход" четырехполюсник с входом 21 и выходом 22, а во втором случае - двухполюсник, полюса 23 и 24 входа 21 которого включены последовательно с трактом 19, при этом можно осуществлять режим короткого замыкания, когда полюса 25 и 26 выхода 22 замкнуты друг с другом, и режим холостого хода, при котором указанные полюса разомкнуты и находятся под плавающим потенциалом.

ЧЭ 9 может быть выполнен в виде двух идентичных пар 27 и 27' связанных замедляющих систем, обращенных своими входами 21 и 21' друг к другу (фиг. 6). При этом полюс 23 пары 27 гальванически соединен с одним из полюсов пары 27', а полюс 24 на противолежащей стороне подложки соединен с другим полюсом пары 27'.

Практически интерес представляет случай, когда проводники 17 и 18 пары 27 и проводники 17', 18' пары 27' выполнены в виде радиальных спиралей, например арифметических, изображенных на фиг. 3, или плавно увеличивающийся наружу шаг, как это имеет место в случае логарифмических спиралей [7], при этом спирали могут иметь овальную форму (фиг. 7).

Кроме того, представляет интерес выполнение внутренних участков 28, 29 и 28', 29' всех четырех спиралей увеличенной ширины в виде расположенных друг против друга площадок (фиг. 7).

При выполнении ЧЭ 9 в виде пар 27, 27', образованных радиальными спиралями, расстояние d между параллельными осями симметрии выбирается из условия d ≥ π w, где w - максимальное значение измеряемого зазора.

Так как поле замедленной волны, возбуждаемое в ЧЭ 9, прижимается к его поверхности, то выгодно выбирать конфигурацию диэлектрической подложки 16 той же формы, что и контролируемая поверхность. Например, при контроле зазора до цилиндрической поверхности подложка 16 может быть выполнена в виде желоба (фиг. 8). На фиг. 8 показан фрагмент ЧЭ 9, выполненный на связанных спиралях с увеличивающимся наружу шагом.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Параллельно контролируемой поверхности 30 (фиг. 9) размещают ЧЭ 9, выполненный в виде отрезка замедляющей системы, в котором с помощью ГУН 1 возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область контролируемого зазора на частоте, на которой глубина проникновения поля в металл существенно меньше толщины металла с контролируемой поверхностью 30. Такое смещение магнитного поля достигается благодаря использованию связанных замедляющих систем и противофазному их возбуждению 7. Наличие металлической поверхности приводит к уменьшению замедления волны в ЧЭ 9 тем большему, чем меньше величина измеряемого зазора w. Это уменьшение замедления вызвано возбуждением на контролируемой поверхности токов, направленных противоположно токам в проводниках 17 и 18 ЧЭ 9.

В отличие от токовихревых способов измерений предлагаемый способ нечувствителен к различию в величинах проводимости металла контролируемого объекта, а также нечувствителен к диэлектрическим включениям, например, к слоям защитной антикоррозионной изоляции на трубопроводе. Объясняется это тем, что в связанных замедляющих системах энергия электрического поля в области измеряемого зазора приблизительно в квадрат замедления меньше энергии магнитного поля, а величины замедления достигают сотни и тысячи раз.

Сравнивая задержку фазы волн, проходящих с плеч 3 и 8 разветвителя 2, ФД 7 вырабатывает последовательность импульсов, частота которых пропорциональна изменению фазы волны в ЧЭ 9 и является управляющим сигналом, обеспечивающим настройку частоты ГУН 1 на значение, близкое к резонансной частоты ЧЭ 9 или сдвигу фаз Δϕ = 0 (фиг. 10).

Так как максимальная крутизна фазовой характеристики соответствует частотам, близким к резонансной частоте ЧЭ 9 (фиг. 10), в известных схемах первичных преобразователей на замедляющих системах [8] диапазон измеряемого зазора существенно ограничен резким уменьшением чувствительности при увеличении зазора. Предлагаемый способ обладает существенно большей чувствительностью благодаря тому, что каждый раз при изменении величины измеряемого зазора частота f ГУН 1 изменяется так, что она остается на участке максимальной крутизны. По измеренному значению частоты и калибровочной характеристике легко определить величину зазора.

Включение ЧЭ 9 последовательно в разрыв проводника высокочастотного тракта 19 позволяет увеличить наклон фазо-частотной характеристики и тем самым увеличить чувствительность измерений.

Выполнение ЧЭ 9 в виде двух идентичных пар связанных замедляющих систем позволяет создать оптимальную структуру магнитного поля, благодаря тому, что в этом случае, как это видно на примере радиальных спиралей овальной формы (фиг. 11), наведенные на контролируемой поверхности 28 токи замыкаются на площади, приблизительно равной площади ЧЭ 9. При этом напряженность магнитного поля, возбуждаемого токами в центральных проводниках вчетверо превышает напряженность поля одной спирали. Объясняется это тем, что при противофазном возбуждении спиралей с противоположной намоткой токи в противолежащих проводниках имеют одинаковое направление и возбуждаемые ими поля складываются. Если при этом параллельное возбуждение обеих пар связанных спиралей осуществляется так, что поля в соседних витках обеих пар направлены одинаково, то и наведенные ими поля тоже складываются. Так, например, если лежащие на одной поверхности проводники обеих пар имеют противоположные направления намотки, то указанное выше условие сложения полей выполняется при соединении наружного конца спирали одной пары к наружному концу спирали, находящейся на противоположной стороне подложки 16 и относящейся к другой паре.

С учетом того, что направление токов в крайних проводниках спиралей противоположно, область сосредоточения магнитного поля а, следовательно, и максимальное значение измеряемого зазора приблизительно равна расстоянию d между осями симметрии обеих пар, деленному на π.
Эффективность применения для контроля зазора двух пар связанных замедляющих систем демонстрируется сравнительными измерениями зависимостей относительного замедления n_o/n от зазора w до металлической поверхности, полученными на одной паре связанных арифметических спиралей (кривая 31 на фиг. 12) и на двух парах связанных арифметических спиралей (кривая 32 на фиг. 12). Увеличение чувствительности приблизительно втрое получено при одинаковых площадях чувствительных элементов. Здесь n_o замедление волны в ЧЭ 9 при отсутствии металлической поверхности 30.

Приведенные на фиг. 10 амплитудно-частотные (33 и 34) и фазо-частотные (35, 36) характеристики, полученные при испытании устройства на варианте ЧЭ 9, изображенном на фиг. 7, соответствуют отсутствию объекта 30 (кривые 33 и 35) и наличию металлической поверхности 30, расположенной с зазором w = 2 мм. Как видно из фиг. 10, размещение измеряемого объекта 30 на расстоянии 2 мм сопровождается согласованным сдвигом пар амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик по оси частот с почти двойным изменением резонансной частоты.

В Московском Государственном институте электроники и математики было изготовлено и испытано предлагаемое устройство. Результаты испытаний показали его работоспособность и достижение поставленной при создании данного изобретения цели.

Изобретение может быть использовано в области физических исследований, в металлургической промышленности, на транспорте, в том числе трубном транспорте, в электронной промышленности.

Наиболее важными примерами применения изобретения являются следующие:
мониторинг толщины проката;
контроль усилий на механизмах прокатных станов и прессов;
контроль деформаций и вибраций металлических конструкций;
непрерывный контроль зазора между направляющим рельсом и полюсами магнитов поезда на магнитной подвеске;
контроль состояния поверхности рельсов;
обнаружение и контроль развития трещин на поверхностях металлических трубопроводов;
контроль коррозионных процессов на поверхностях металлических объектов, находящихся в коррозионной среде;
контроль толщины металлизации на диэлектрической или полупроводниковой подложке в процессе напыления и т.д.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Левшина Е. С., Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин.- Энергоатомиздат, 1983, с. 190 - 191.

2. Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов.- Энергоатомиздат, 1989. с. 36 - 47).

3. Hiromu Soga A New Microwave Gauge. Jornal of Microwave Power, 1973, N 8 (3), p. 253 - 266.

4. Пчельников Ю. Н. , Елизаров А. А. Радиоволновые методы измерений с использованием замедляющих систем. Метрология, 1994, N 8, с. 20 - 28.

5. Авторское свидетельство СССР N 1421049. Ю. Н.Пчельников, А. М.Амельянец, В. Н.Гуничев.

6. Пчельников Ю. Н. Исследование связанных замедляющих систем для повышения эффективности устройств СВЧ. Научные труды МЭИ.- М., 1984, с. 40 - 45.

7. Пчельников Ю. Н. , Елизаров А. А., Миловская Л. А. Параметры радиальных резонаторов на связанных спиралях. Электронная техника. Серия "СВЧ-техника", 1992, N 8 (452), с. 26 - 32.

8. Пчельников Ю. Н., Анненков В. В., Елизаров А. А., Фадеев А. В. Первичные измерительные преобразователи на замедляющих системах. Измерительная техника, 1994, N 5, с. 22 - 24.

Изобретение предназначено для бесконтактного измерения положения объекта и может быть использовано при контроле физических величин, изменение которых может быть преобразовано в изменение зазора. Устройство содержит высокочастотный генератор, управляемый напряжением, частотомер и чувствительный элемент (ЧЭ). Выход генератора подключен к разветвителю , плечи которого подключены к входам фазового детектора. В одно из плеч разветвителя включен ЧЭ, выполненный в виде диэлектрической подложки, на противолежащие стороны которой нанесены проводники, образующие связанные замедляющие системы. В ЧЭ возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область зазора на частоте, на которой глубина проникновения поля в металл существенно меньше толщины металла с контролируемой поверхностью. При помощи фазового детектора измеряют запаздывание фазы этой волны. Управляя генератором, поддерживают частоту на участке максимального изменения фазы. По частоте генератора судят о величине зазора. Изобретение позволяет увеличить чувствительность измерений. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 12 ил.

1. Способ измерения зазора до металлической поверхности, заключающийся в том, что параллельно контролируемой поверхности размещают отрезок замедляющей системы, в котором возбуждают замедленную электромагнитную волну со смещением энергии магнитного поля в область контролируемого зазора на частоте, на которой глубина проникновения поля в металл существенно меньше толщины металла с контролируемой поверхностью, и измеряют запаздывание фазы этой волны, отличающийся тем, что преобразуют запаздывание фазы волны в сигнал, с помощью которого управляют частотой генератора, поддерживая ее на участке максимального изменения фазы, и измеряют частоту генератора, по которой судят о величине зазора. 2. Устройство для измерения зазора до металлической поверхности, содержащее высокочастотный генератор, управляемый напряжением, частотомер и чувствительный элемент в виде диэлектрической подложки, на противолежащие стороны которой симметрично друг против друга нанесены проводники, образующие связанные замедляющие системы, отличающееся тем, что выход генератора соединен с разветвителем, одно плечо которого непосредственно, а другое через чувствительный элемент соединены с разными входами фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу генератора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вход чувствительного элемента включен в разрыв одного из проводников высокочастотного тракта, соединяющего плечо разветвителя с фазовым детектором. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что нанесенные на противолежащие стороны диэлектрической подложки проводники образуют две пары идентичных по размерам связанных замедляющих систем, расположенных симметрично так, что вход одной пары обращен к входу другой и соединен с ним параллельно, причем входной конец проводника одной пары соединен с входным концом проводника другой пары. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что образующие связанные замедляющие системы проводники имеют форму радиальных спиралей. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что расположенные на одной и той же поверхности диэлектрической подложки радиальные спирали имеют противоположные направления намотки, причем их входные (наружные) концы электрически соединены с наружными концами спиралей, находящихся на другой стороне подложки. 7. Устройство по пп. 5 и 6, отличающееся тем, что расстояние d между осями симметрично соседних пар связанных спиралей выбирается из условия
d ≥ πw,
где W - максимальное значение измеряемого зазора. 8. Устройство по пп. 5 - 7, отличающееся тем, что радиальные спирали имеют овальную форму, причем большие оси каждой из образованных спиралями пар параллельны одна другой. 9. Устройство по пп. 5 - 8, отличающееся тем, что выход каждой из пар связанных спиралей разомкнут. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутренние концы спиралей выполнены в виде площадок, расположенных одна над другой в каждой паре связанных спиралей. 11. Устройство по пп.5 - 10, отличающееся тем, что радиальные спирали имеют постоянный шаг. 12. Устройство по пп.5 - 10, отличающееся тем, что радиальные спирали имеют плавно увеличивающийся наружу шаг. 13. Устройство по пп. 1 - 12, отличающееся тем, что диэлектрическая подложка, на которую нанесены связанные замедляющие системы, имеет форму поверхности, до которой измеряется зазор. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что диэлектрическая подложка выполнена в виде цилиндрического желоба, причем пары связанных замедляющих систем установлены одна за другой вдоль желоба.