УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ОБЪЕМА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПОЛОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01B11/08 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известно устройство измерения формы цилиндра лазерным доплеровским методом (Белоусова О.П., Белоусов П.П., Белоусов П.Я. «Измерение формы цилиндра лазерным доплеровским методом». Материалы 11-ой Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков (ОМИП)», Москва, 27-30 июня 2011 г., Издательский дом МЭИ, 2011 г.; стр.9). Оптический метод измерения формы цилиндра, описанный в этом техническом решении, основан на измерении линейной скорости цилиндра, катящегося по ровным направляющим опорам. Согласно этому методу, определение зависимости радиуса цилиндра от полярного угла дает возможность измерить малые отклонения формы направляющей от круглой. Устройство предназначено для диагностики формы круглых объектов в механике.

Недостатком этого известного устройства является сложность измерения доплеровской частоты, связанной с линейной скоростью катящегося по ровным направляющим опорам цилиндра при его вибрации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для бесконтактного измерения геометрических параметров цилиндрических изделий (патент №2178140, МПК G01B 11/30, 10.01.2002). В этом устройстве, содержащем источник лазерного излучения, фотоприемник, измерители диаметров и высоты, буферный запоминающий блок, блоки аналого-цифрового преобразователя и цифровой обработки, соединенные последовательно с компьютером, при облучении поверхности контролируемого изделия, принимается отраженный от поверхности изделия сигнал и после обработки этого сигнала в компьютере с учетом трех измерений диаметра и отклонения прямолинейности, а также одного измерения диаметра изделия, выдается информация о геометрическом параметре цилиндрического изделия.

Недостатком данного устройства можно считать сложность процедуры обработки информационных сигналов о геометрических параметрах контролируемого изделия.

Техническим результатом заявляемого решения является упрощение процедуры обработки информационных сигналов о геометрических параметрах цилиндрического изделия.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения внешнего объема цилиндрического полого изделия содержит первый источник излучения и первый приемник излучения, введены второй источник излучения, второй, третий и четвертый приемники излучения, первый и второй корреляторы, вычислитель, первая и вторая пара электродов для приложения электрических полей к контролируемому изделию, причем выход первого приемника соединен с первым входом первого коррелятора, второй вход которого подключен к выходу четвертого приемника, выход третьего приемника соединен с первым входом второго коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго приемника, выход первого коррелятора соединен с первым входом вычислителя, второй вход которого подключен к выходу второго коррелятора, выход вычислителя является выходом устройства.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при двойной искусственной поляризации цилиндрического полого изделия измерение времен отставания двух пар ортогонально поляризованных электромагнитных волн, дающее возможность вычислить одновременно диаметр и высоту контролируемого изделия, обеспечивает определение внешнего объема цилиндра.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения внешнего объема цилиндрического полого изделия на основе одновременного измерения высоты и диаметра цилиндра с дальнейшей несложной корреляционной обработкой информативных сигналов, полученных при облучении искусственно поляризованного изделия двумя парами ортогонально направленными электромагнитными волнами с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры обработки информационных сигналов о геометрических параметрах цилиндрического изделия.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Данное устройство содержит первый 1 и второй 2 электроды, первый 3 и второй 4 источники излучения, третий 5 и четвертый 6 электроды, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 приемники излучения, первый 11 и второй 12 корреляторы, вычислитель 13. На чертеже цифрой 14 обозначено цилиндрическое изделие.

Устройство работает следующим образом. Предварительно неанизотропное цилиндрическое изделие, высота которого больше диаметра, помещают в двойное электрическое поле, образованное посредством приложения напряжений к первому 1, второму 2, третьему 5 и четвертому 6 электродам соответственно. В результате воздействия на изделие таких двух электрических полей с взаимно перпендикулярными силовыми линиями изделие приобретает искусственную двойную анизотропию. После этого электромагнитными волнами первого 3 и второго 4 источников излучения облучают цилиндрическое изделие 14. При этом зондирующую волну с выхода источника 3 направляют по линии высоты цилиндрического изделия, а волну с выхода источника 4 - по линии диаметра цилиндрического изделия. Эти волны благодаря наличию двойной искусственной анизотропии в изделии поляризуются ортогонально. Другими словами, первым приемником 7 принимают поляризованную волну, направленную параллельно силовым линиям электрического поля (первого электрического поля), образованного электродами 1 и 2, а поляризованную волну, направленную перпендикулярно силовым линиям первого электрического поля, - третьим приемником 9. Аналогично, вторым приемником 8 принимают поляризованную волну, направленную параллельно силовым линиям электрического поля (второго электрического поля), образованного электродами 5 и 6, а поляризованную волну, направленную перпендикулярно силовым линиям второго электрического поля, - четвертым приемником 10. В рассматриваемом случае ввиду двойной анизотропии поляризованные волны, улавливаемые приемниками 7 и 8, будут распространяться через изделие с одной скоростью, а поляризованные волны, улавливаемые приемниками 9 и 10,Ю - другой скоростью. В силу этого для скоростей распространения поляризованных волн, улавливаемых приемниками 7 и 8, можно написать

υ_п=c/nΔn,

а для скоростей распространения поляризованных волн, улавливаемых приемниками 9 и 10, можно написать

υ_o=c/n.

Здесь υ_п и υ_o - скорости распространения поляризованных волн, улавливаемых приемниками 7, 8, 9 и 10 соответственно; с - скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, n - показатель преломления волны при отсутствии анизотропии (показатель преломления среды для волны с плоскостью поляризации, ортогональной силовым линиям поля зондирующей волны), определяемый диэлектрической проницаемостью контролируемого вещества без учета его анизотропных свойств, Δn - показатель преломления волны (показатель преломления среды для волны с плоскостью поляризации, параллельной силовым линиям поля зондирующей волны), связанный с диэлектрической проницаемостью вещества из-за его анизотропных свойств.

Из анализа выше приведенных выражений видно, что волны, улавливаемые, приемниками 7 и 8 отстают в скорости распространения волн, улавливаемых приемниками 9 и 10.

В данном случае для времен распространения поляризованных волн, направленных по линии высоты и диаметра цилиндрического изделия и улавливаемых приемниками 7 и 8, можно записать

t₁=HnΔn/c;

t₂=dnΔn/с,

где Н и d - высота и диаметр, например, диэлектрического цилиндрического полого изделия, t₁ - время распространения волны, улавливаемой приемником 7, t₂ - волны, улавливаемой приемником 8. Здесь для показателя преломления Δn принимается

Δn=rn³E_вн/2,

здесь r - линейный электрооптический эффект, Е_вн - напряженность внешнего электрического поля. Аналогичным образом для времен распространения волн, улавливаемых приемниками 9 и 10, можно принимать

t₃=Hn/с;

t₄=dn/c,

где t₃ и t₄ - время распространения волн по линиям высоты и диаметра цилиндрического изделия, улавливаемых соответственно приемниками 9 и 10.

Из сравнения t₁=HnΔn/c и t₃=Hn/с видно, что время (t₁) распространения по линии высоты цилиндра поляризованной параллельно силовым линиям первого электрического поля волны превосходит время (t₃) распространения по линии высоты цилиндра поляризованной перпендикулярно силовым линиям второго электрического поля волны. Аналогично, при сравнении t₂=dnΔn/c и t₄=dn/c - время (t₂) распространения по линии диаметра цилиндра поляризованной параллельно силовым линиям второго электрического поля волны - время (t₄) распространения по линии диаметра цилиндра поляризованной перпендикулярно силовым линиям первого электрического поля волны. В рассматриваемом случае для вычисления временных отставаний указанных поляризованных волн можно использовать взаимокорреляционые свойства двух сигналов. Согласно этой теории, опережающие поляризованные волны будут задерживаться во времени относительно отстающих поляризованных волн. В силу этого, если обозначить время задержки поляризованной волны с временем распространения t₃=Hn/с τ₁, то после корреляционной обработки этой волны и поляризованной волны с временем распространения t₁=HnΔn/c, для τ₁ можно записать

τ₁=(HnΔn-Hn)/c.

Отсюда можно определить высоту цилиндрического диэлектрического изделия как

H=τ₁C/(nΔn-1).

Таким образом, после корреляционной обработки двух сигналов, соответствующих двум поляризованным волнам, путем измерения времени задержки опережающего сигнала можно судить о величине высоты контролируемого изделия. Аналогичным образом, для времени задержки поляризованной волны с временем распространения t₄=dn/c τ₂, после корреляционный обработки этой волны с поляризованной волной с временем распространения t₂=nΔn/c, можно записать

τ₂=(dnΔn-dn)/c.

Отсюда для диаметра цилиндрического диэлектрического изделия можно принимать

d=τ₂c/(nΔn-1).

Итак, при постоянных значениях r, с, n, Δn и напряженностей двух электрических полей посредством одновременного измерения диаметра и высоты цилиндрического диэлектрического изделия 14 можно вычислить внешний объем этого изделия.

В данном техническом решении для оценки времени задержки τ_1, выходные сигналы приемников 7 и 9, подают на первый и второй входы первого 11 коррелятора соответственно, а τ₂, выходные сигналы приемников 8 и 10, - на первый и второй входы второго коррелятора 12 соответственно. Выходные сигналы первого и второго корреляторов, соответствующие временам задержки τ₁ и τ₂, поступают на первый и второй входы вычислителя 13. Здесь отображается информация о величине внешнего объема цилиндрического полого диэлектрического изделия.

Согласно принципу действия предлагаемого технического решения, местом ввода электромагнитных волн в контролируемое изделие может служить край изделия таким образом, чтобы возникающие ортогонально поляризованные составляющие вводимых волн распространялись по линиям высоты и диаметра цилиндрического изделия. Кроме того, необходимым условием при приобретении равномерной двойной анизотропии контролируемым изделием является идентичность параметров двух электрических полей. Характеристики двух источников и четырех приемников излучения также должны быть идентичными.

Таким образом, согласно предлагаемому устройству на основе одновременного измерения высоты и диаметра цилиндра с последующей несложной корреляционной обработкой сигналов, связанных с ними, можно обеспечить упрощение процедуры обработки результатов измерения внешнего объема цилиндрического полого изделия.

Изобретение относится к области измерительной техники. Техническим результатом заявляемого решения является упрощение процедуры обработки информационных сигналов о геометрических параметрах цилиндрического изделия. Устройство для определения внешнего объема цилиндрического полого изделия содержит первый источник излучения и первый приемник излучения. Дополнительно введены второй источник излучения, второй, третий и четвертый приемники излучения, первый и второй корреляторы, вычислитель, первая и вторая пара электродов для приложения электрических полей к контролируемому изделию. При этом выход первого приемника соединен с первым входом первого коррелятора, второй вход которого подключен к выходу четвертого приемника, выход третьего приемника соединен с первым входом второго коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго приемника, выход первого коррелятора соединен с первым входом вычислителя, второй вход которого подключен к выходу второго коррелятора, выход вычислителя является выходом устройства. 1 ил.

Устройство для определения внешнего объема цилиндрического полого изделия, содержащее первый источник излучения и первый приемник излучения, отличающееся тем, что в него введены второй источник излучения, второй, третий и четвертый приемники излучения, первый и второй корреляторы, вычислитель, первая и вторая пара электродов для приложения электрических полей к контролируемому изделию, при этом выход первого приемника соединен с первым входом первого коррелятора, второй вход которого подключен к выходу четвертого приемника, выход третьего приемника соединен с первым входом второго коррелятора, второй вход которого подключен к выходу второго приемника, выход первого коррелятора соединен с первым входом вычислителя, второй вход которого подключен к выходу второго коррелятора, а выход вычислителя является выходом устройства.