Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B15/00 

Изобретение относится к контролы-ю- и,змеригельной технике широкого класса физических величин и может быть использовано для контроля параметров длинномерных объектов, к которым относятся длинные (до десятков километров и более) вертикальные и горизонтальные трубопроводы, гибкие шланги, тросы, силовые и информационные кабели, спускаемые на дно моря или в подземные шахты, и так далее и, кроме того, для контроля состояния протяженных участков в различных средах.

Цель изобретения - повышение точности контроля и расширение диапазона данных о состоянии объекта за счет использования многомодового канала передачи волновой энергии, одна из мод которого используется в качестве опорно-информативной.

На фиг.1 и 2 представлены соответственно конструкция волновода круглого се- чения и конструкция волновода из сочетания элементов круглого сечения; на фиг.З и 4 -соответственно конструкция вол повода прямоугольного сечения и конструкция волновода из сочетания элементов прямоугольного сечения; на фиг.5 - конструкция волновода с петлями задержки одной или нескольких мод; на фиг.6 - структурная схема устройства для реализации спосо&а: на фиг.7 - структурная схема демодулятора при работе в оптическом или инфракрасном (ПК) диапазоне; на фиг.8 - структурная схема устройства, работающая на видеосигналах.

Устройство для контроля состояния длинномерного объекта содержат последовательно соединенные источник 1 модулированной волновой энергии, выполненный, например, в виде связанных между собой генератора 2 модулирующих видеоимпульсов и генератора 3 СВЧ или оптического диапазона, первый пространственный фильтр 4, канал передачи волновой энергии в виде волновода 5, второй пространственный фильтр 6 и демодулятор 7, выполненный в виде двух синхронных детекторов 8 и 9, подключенных к выходам второго пространственного фильтра 6, интегратора 10, подключенного к выходу детектора 9 и связанного с выходами интегратора 10 и второго детектора 8 операционного усилителя 11.

В состав синхронных детекторов входит генератор 12 сигналов, синхронизированный через направленный ответвитель 13 с опорным выходом пространственного фильтра 6. Кроме того, в состав устройства может входить гетеродинный преобразователь 14 частот сигналов, включенный между выходами второго пространственного фильтра 6 и входами синхронных детекторов 8 и 9. Преобразователь 14 может быть выполнен, например, в виде попарно последовательно соединенных первых смесителя 15 и

5 усилителя 16 промежуточной частоты и последовательно соединенных гетеродина 19 и третьего смесителя 20, при этом опорный выход фильтра б подключен к входам второго смесителя 17 и гетеродина 19, а информа0 тивный выход фильтра 6 - к входу первого смесителя 15, выходы усилителей 16 и 18 подключены соответственно к входам детекторов 8 и 9, а второй вход и выход третьего смесителя связаны соответственно с

5 вторым выходом генератора 12 сигналов и вторыми входами смесителей 15 и 17,

Возможно использование схемы устройства, работающей на видеосигналах, при этом из источника 1 модулированной

0 волновой энергии исключается генератор 3 СВЧ или оптического диапазона и упрощается схема демодулятора (фиг.8).

Способ осуществляется следующим образом.

5Способ основан на свойстве многомодового (многоволнового) волновода, заключающемся в его способности перераспределять волновую энергию между модами в зависимости от локальных и

0 распределенных изменений его структуры. Под структурой понимается как геометрия волновода, так и свойства материалов его заполнения. Физически сущность способа основана на использовании в волноводе не5 скольких связанных типов волн (мод) в качестве опорного и измерительных каналов.

Волновод 5 помещают в зоне контроля объекта, в качестве которого могут быть использованы протяженные участки или обла40 сти любой среды, или протяженные обьекты и конструкции. В последнем случае волновод 5 жестко связывают с объектами или конструкциями.

Изменение состояния зоны контроля

45 сопровождается изменением параметров передачи волновой энергии через волновод 5. К таким параметрам относятся амплитуд- но-фазочастотные характеристики мод этой энергии. К данным о состоянии зоны конт50 роля относятся давление, температура, влажность и физико-механические (в том числе геометрические) параметры, характеризующие указанные объекты и конструкции.

55 Установлено, что изменение контролируемых данных различно сказывается на змплитудно-фазочастотных характеристиках мод волновой энергии в волноводе 5. При этом фиксируют соответствующие мо- ды, наиболее информативные по указанным

.данным, и опорно-информативную моду, амплитудно-фазочастотная характеристика которой (или ее часть) наиболее стабильна при изменении контролируемых данных в зоне контроля.

Использованием опорно-информативной моды в качестве базовой при сравнении ее характеристики с характеристиками других мод значительно повышают точность контроля.

Кроме того, расчетно-эмпирическим путем получены конструкции волноводов 5, наиболее богатых информативными модами с точки зрения достижения максимально возможного эффекта преобразования изменения требуемых данных о зоне контроля в электрические сигналы. Наиболее простая из этих конструкций (фиг.1) - волновод 5 круглого сечения. Остальные конструкции - сочетания элементов круглого и прямоугольного сечений (фиг.2-4). При этом для повышения указанного эффекта преобразования и выделения более стабильной опорно-информативной моды в волноводах 5 выполнены щели для связи между их элементами,

В некоторых случаях для введения задержки по времени передачи мод по волноводу 5 в его конструкции (фиг.5) предусмотрены петли, изменяющиз время распространения некоторых мод в волноводе относительно других мод. Предусмотрено заполнение полости волновода 5 (частично или полностью) средой, электромагнитные постоянные которой изменяются под воздействием изменения данных в зоне контроля. Это повышает чувствительность, например, при контроле температуры и давления.

Способ реализуется следующим образом.

От источника 1 модулированной волновой энерии через пространственный фильтр- 4. волновод 5 и пространственный фильтр б энергия передается в демодулятор 7, В последнем посредством синхронного детектора 8 фиксируют моды колебаний волновой энергии и посредством выбора соответствующей конструкции волновода 5 и настройки фильтра б формируют опорно-информативную моду, которая детектируется синхрон- ным детектором 9. Генератор 12, обеспечивающий функционирование детекторов 8 и 9. синхронизируется опорно-информативной модой через направленный ответвитель 13.

Задавая, например, априорно известную деформацию волноводу 5 посредством детекторов 8 и 9, интегратора 10 и операционного усилителя 11, выделяют наиболее

информативные моды колебаний энергии в волноводе 5. При этом измеряют амплитуду, фазу и частоту этих мод, а также их реакцию на изменение указанной деформации вол- 5 повода 5,

Таким образом, выявляют зависимость между изменением данных в зоне контроля, в дачном случае деформации волновода 5, и характеристиками мод волновой энергии в 10 нем. Аналогично могут быть выявлены и другие зависимости, например от температуры и давления среды. Используя полученные известные зависимости, проводят контроль в той же зоне описанным путем. В случае 15 использования волновой энергии более высоких частот, например в световом диапазоне, в схему устройства включают гетеродинный преобразователь 14 (фиг.7). Посредством его частоту мод сигналов с вы- 0 хода фильтра б понижают известным путем, а сигналы с выхода преобразователя 14 обрабатывают далее так же, как и в устойстве без гетеродинного преобразователя 14.

В некоторых случаях волновод 5 воз- 5 буждают через фильтр 4 от источника 2 модулирующих видеоимпульсов (фиг.8) и после демодулятора 7, имеющего в этом случае более простую конструкцию, выходные сигналы регистрируют на видеоконтрольном 0 устройстве (не показано). Этим устройством целесообразно пользоваться при экспресс- контроле быстропротекающих изменений состояния в зоне контроля.

Может быть использована и акустиче- 5 екая волновая энергия. При этом способ контроля м устройства в принципе не изменяются, так как необходимо только использование известных электроакустических преобразователей для ввода и вывода вол- 0 новой энергии. Другие виды волновой энергии соответственно сопровождаются преобразованием этой энергии на входе и выходе протяженного энерговода (волновода).

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для контроля параметров длинномерных объектов и протяженных участков в различных средах. Цель изобретения - повышение точности контроля - достигается за счет использования многомодового канала передачи волновой энергии в виде волновода, одна из мод которого используется в качестве опорно-информативной, при этом выделяют из указанных мод наиболее информативные, по контролируемым физико-механическим данным и измеряют параметры каждой из этих мод. Для осуществления указанных операций используется устройство, в состав которого входят источник 1 модулированной волновой энергии, первый пространственный фильтр 4, волновод 5, второй пространственный фильтр 6 и демодулятор 7. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил. (Л С

Формул а изобретения

1, Способ контроля состояния длинномерного обьекта, заключающийся в.том, что в зоне контроля размещают протяженный канал передачи волновой энергии, измеря- 0 ют параметры последней и по ним определяют физико-мехзнические данные о состоянии объекта н их распределение в зоне контроля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля 5 и расширения диапазона данных, канал передачи волновой энергии выполняют в виде волнооэдз, фиксируют моды колебаний указанной энергии, формируют по крайней мере одну из них в качестве опорно-информативной, с ее учетом выделяют из

указанных мод наиболее информативные по указанным физико-механическим данным и измеряют параметры каждой из них.

2,Способ поп. отличающийся тем, что за параметры мод принимают амп- литудно-фазочастотные характеристики их передачи по волноводу и реакцию этих характеристик на изменение формы, структуры объекта и окружающих давления и температуры,

вой энергии, а второй пространственный фильтр - между входом демодулятора и входом канала передачи волновой энергии, который выполнен в виде многомодового протяженного волновода прямоугольного или круглого сечения или их сочетаний, а демодулятор выполнен в виде подключенных к выходам второго пространственного фильтра двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора и второго и синхронного детектора операционного усилителя.

ф«е. 2

Фаг.З

Фиг.ЧФиг 6