Способ измерения геометрических размеров прозрачных труб Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения прозрачных труб.

Известен способ измерения геометрических размеров прозрачных труб, заключа- ющийся в том, что световой поток перемещают по сечению трубы перпендикулярно ее геометрической оси, определяют смещение пучка в момент изменения направления движения пучка, прошедшего трубу, и по величине смещения судят о внутреннем и внешнем диаметрах трубы.

Недостатком способа является невысокая точность измерения, вызванная косвен- ным методом измерения, а также необходимостью определять положение центра пучка, высокой чувствительностью к перемещениям измеряемой трубы.

Известен способ измерения размеров прозрачных труб, заключающийся в том, что направляют два параллельных световых пучка на трубу в плоскости, перпендикулярной ее геометрической оси, и регистрируют положение пучков в этой плоскости, причем пучки формируются с помощью диафрагмы с непрозрачной шторкой, поперечный размер которой меньше внутреннего диаметра, но больше внутреннего радиуса.

Недостатком сгю соба является невысо „. -е -

кая точность, обусловленная косвенным методомизмерения,высокой чувсгвигепьнос1-ь & Г емещ&н ля из е- ряемой трубы, а также малый диапазон измеряемых величин, определяемый ограничениями на размер шторки диафрагмы.

Из известных способов наиболее близким является способ измерения диаметров стеклянной трубы, по которому измеряемую трубу помещают пёфед Ьсве тителем, представляющим собой в верхней части нить лампы накаливанй яТа В ШГней - диффузно освещенную поверхность с диафрагмой, края которой параЯле льны и симметричны оси трубы, внутренний диаметр измеряют по двум теневым полосам, образующимся вследствие отражения краев диафрагмы от внутренней и внешней поверхностей трубы, внешний диаметр измеряют по теневым краям, образующимся при освещении трубы нитью лампыЛрезультат измерения

внешнего диаметра используют для коррекции внутреннего диаметра.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения,вызванная косвенным методом коррекции внутреннего диаметра, зависимостью результатов измерения от смещения трубы, измерением внутреннего и внешнего диаметра в разных сечениях, эмпирическй1ГЬпределением коэффициентов корректирующего выражения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Для достижения указанной цели в способе, заключающемся в том, что контролируемую трубу освещают с помощью пространственно ограниченного источника диффузного излучения, формируют ее изображение и определяют внутренний и внешний диаметр трубы по сформированному изображению, размер источника диффузного излучения и местоположение контролируемой трубы выбирают таким образом, что каждый из углов при вершине треугольника, образованного линиями, касательными к внутренней поверхности трубы, опирающегося на апертуру источника диффузного излучения и лежащего в плоскости, перпендикулярной оси трубы, образуемый высотой и боковыми сторонами треугольника, не превышает значения 32°, внешний диаметр трубы определяют по расстоянию между серединами фронтов наружных краев изображения, а внутренний - по расстоянию между серединами фронтов наружных краев светлых полос, находящихся у внутренних краев изображения

На фиг. 1 приведено распределение света изображения трубы; на фиг. 2 - схема устройства для реализации способа.

Внутренний диаметр трубы определяют по расстоянию между серединами фронтов 1 и 1, а внешний диаметр измеряют по расстоянию между фронтами 2 и 2.

Повышение точности способа достигается тем, что расстояние между указанными фронтами, используемыми для измерения внутреннего диаметра не зависит от смещения и размеров трубы, благодаря чему отпадает необходимость в коррекции, а также тем, что измерение внутреннего и внешнего диаметров производят в одном сечении, вследствие чего устраняется погрешность, вносимая отклонениями формы трубы от идеального цилиндра.

Устройство (фиг. 2) содержит лампу 1, рассеиватель 2, диафрагму 3, измеряемую трубу 4, объектив 5, линейный фотоприемник 6 с зарядовой связью (ЛФЗС), АЦП 7, тактовый генератор 8, индикатор 9, интерфейс 10, микропроцессор 11, блок 12 памяти, генератор 13 опроса и микропроцессорную магистраль 14.

В устройстве для измерения геометри5 ческих размеров стеклянных труб оптически последовательно соединены пространственно ограниченный источник диффузного излучения, представляющий собой лампу 1, рассеиватель 2, диафрагму 3, измеряемую

0 трубу 4, объектив 5, линейный фотоприемник 6, входы которого соединены с генератором 13 опроса, выход - с первым входом АЦП 7, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 опроса, выходы АЦП

5 7 соединены с первыми входами интерфейса 10, первые выходы которого соединены с индикатором 9, вторые входы и выходы соединены через двунаправленные шины микропроцессорной магистрали 14 с

0 соответствующими входами-выходами микропроцессора 11, блок 12 памяти, генератор

13опроса, входы микропроцессора 11 соединены с выходами тактоврго генератора 8.

В конкретном выполнении лампа 1 5 лампа накаливания с протяженным нитевидным телом свечения, расположенным в плоскости фиг 2, перпендикулярно оси трубы 4, рассеиватель 2 - матовое стекло, ди- афрагма 3 - рамка со щелью, размер

0 которой превосходит максимальный диаметр трубы 4, объектив 5 - высокоразрешающий объектив Ж-53, ЛФЗС 6 - микросхема К1200ЦЛ, АЦП 7 - стандартным образом соединенные микросхемы К1107ПВ1,

5 КР544УД2, К155ЛП10, тактовый генератор 8 - микросхема КР580ГФ24, индикатор 9 - стандартным образом соединенные цифровой индикатор ИВ-27, светодиоды АЛ307, дешифратор К555ИДЗ и буферный элемен0 ты К555ЛНЗ, интерфейс 10 - микросхема КР580ВВ55 с буферными логическими элементами К155ЛП10, микропроцессор 11 - МС КР580ВМ80 и МС KP58QBK38, блок 12 памяти собран на микросхемах ОЗУ

5 КР537РУ10 и ПЗУ У573РФ5, генератор 13 опроса - цифровая схема управления линейками фотоприемников, собранная на микросхемах КР580ВИ53, КР597САЗ, К155ИЕ5, К155ИЕ4, К155РЕЗ, К155ТМ2,

0 К155ЛА11, микропроцессорная магистраль

14- стандартный набор шин для подключения элементов устройства.

Устройство работает следующим образом.

5 При включении питания лампа 1 освещает рассеиватель 2, часть поверхности которого, ограниченная диафрагмой 3, освещает диффузно измеряемую трубу 4, изображения краев диафрагмы отражаются

от внешней и внутренней поверхностей трубы, образуя теневую картину, которая проецируется объективом 5 на ЛФЗС б. Также при включении питания в тактовом генераторе 8 формируется сигнал Сброс, который инициализирует микропроцессор 11 и интерфейс 10. Далее по сигналам тактового генератора 8 микропроцессор 11 начинает выполнять программу, содержащуюся в ПЗУ блока 12 памяти. Программа измерения диаметров и толщины стенок труб включает в себя загрузку генератора 13 опроса, циклов опроса ЛФЗС б, оцифровки и ввода амплитуд измеренных сигналов фотоприемников в ОЗУ блока памяти 12 через АЦП I, Оцифровка входных сигналов ЛФЗС 6 осуществляется в реальном масштабе времени, при этом выходные сигналы ЛФЗС 6 поступают в АЦП 7, на управляющий вход которого подаются стробирующие сигналы из генератора 13 опроса, коды амплитуд выходных сигналов фотоприемников с выходов АЦП 7 через интерфейс 10 под управлением микропроцессора 11 записываются в блок 12 памяти. Между двумя циклами ввода выходных кодов АЦП 7 производится сложение текущих амплитуд с накопленными ранее для последующего усреднения.

После циклов опроса и усреднения массив чисел а, описывающий выходные сигналы ЛФЗС 6, подвергается медианной фильтрации, в процессе которой исключаются провалы отсчетов, вызванные разбросом параметров фотоприемников и фильтрации скользящим средним, которая сглаживает массив, в результате формируется массив BJ. Далее производится выделение перепадов яркости изображений, причем к-й фотоприемник, находящийся на первом краю, соответствующем внешней поверхности трубы, определяется из условий

|К 10

Ьк М

Ьк+1 М, 9

2ь,

гдеМ- - -(1)

Фотоприемник к, находящийся на втором краю изображения, соответствующем внутренней поверхности трубы, определяется из условий;

f 10

J Ьк М

I Ьк+1 М,

Аналогично ищутся фотоприемники с номерами и к , находящиеся на третьем и четвертом краях изображения, соответствующих внутренней и внешней поверхности трубы.

0

Затем в промежутках k, k и k , k определяются точки kmin и kmin с минимальной амплитудой в bkmin и bk&in. После этого находится верхняя граница фронтов 1 и 1 краев 2 и 3, заключенных соответственно между точками kmin и kmin и точками локального максимума kmax2. kmax3, последние определяются по максимуму второй производной. Точка kmax2 считается точкой перегиба, если в ней выполняются условия

I2bkmax2 Ь kmax2-3 Ь kmax2 +3 I L, (3)

где L - порог обнаружения, L - 5.

Аналогично находится точка kmax3. Затем определяется средний уровень перепадов яркости указанных фронтов

bkmax2 + bkmin ./ й

9 V4 )

5

0

5

0

5

0

5

В - bkmax3 + bkmin

(5)

{

и номера фотоприемников г и з, имеющих

амплитуды, удовлетворяющие условиям:

Jbi2 B2;/f)

Jbto-H B2;

, ,

Ь |3 - 1 В3(

После этого вычисляются расстояние от начала линейки фотоприемников до точек S2, 83, соответствующих положению внутренних поверхностей трубы с учетом линейной апроксимации фронтов 1 и 1, и внутренний диаметр d:

... ;(8)

Зз зb 2 + 1 Ь(2 Бз - bi3

(9)

b 13 - 1 big d T- a (S3 - 82),(10)

где Т - период линейки фотоприемников, а- коэффициент уменьшения оптической схемы.L . .

Для вычисления внешнего диаметра трубы D определяются границы фронтов 2 и 2 первого и четвертого краев изображения, соответствующих наружной поверхности трубы;верхние: Д 7 Д

kmaxt - К -

(11) kmax4 K +,(12)

где Д- максимальная длина наружного края изображения

Нижними границами являются точки локальных минимумов kmint, kmin4, удовлетворяющие условиям

- I2bkmmf Ь kmini - 3- - Ь kmlnl +3 I L ; I 2 Ь(т1п4 Ь kmln4 - 3 Ь kmln4 +3 I L . (13)

Дальнейшие операции аналогичны определению внутреннего диаметра; определяют(14)

ся фотоприемники с номерами h и Ц, удовлетворяющие условиям: Ьи Bi ;

.

ОЦ+1

оbkminl + bkmaxl .

где в 1я,

В4

bkmax4 +

(16)

и вычисляется внешний диаметр D с учетом линейной аппроксимации фронтов 2-м 2 :

с iBi-Ьц

Sl il- U.. .и...07)

84 4 +

Ьц-1 - Ьц В4 Ьц

(18)

Ь (4 + 1 Ь|4

D T-a(S4-St).(19)

После этого вычисляются толщины стенок трубы wi и W2 я плоскости наблюдения:

wi T-a(S2-Si);(20)

w2 T-a(S4-S3}.(21)

После выполнения указанных операций микропроцессор 11 -записывает результаты измерений D, d, wi, W2 в интерфейс 10 через магистраль 14 и осуществляет безусловный переход в начало программы. Интерфейс 10 выводит записанную информацию на индикатор 9.

В сравнении с известным предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения геометрических размеров прозрачных труб. Повышение точности способа достигается путем перехода от косвенного определения внутреннего диаметра к прямому измерению. При измерении известным способом внешний и внутренний диаметры определяются в различных сечениях, что вносит погрешность, обусловленную отклонениями формы трубы. Косвенный метод определения внутреннего диаметра требует нахождения значений трех эмпирических коэффициентов, что делает процедуру калибровки и настройки весьма громоздкой и малоточной. Отклонение оси измеряемой трубы- от плоскости симметрии щели диафрагмы, также вносит погрешность в значение внутреннего диаметра.-Заявляемый способ позволяет измерять внешний и внутренний диаметр прозрачной трубы в одном сечении и вычислять толщину стенок по расстоянию между характерными участками фронтов теневой

картины, Указанные расстояния не зависят от размеров диафрагмы, положения измеряемой трубы относительно диафрагмы и от размеров и толщины стенок трубы, что позволяет отказаться от коррегирующих выражений и производить калибровку по одному эталону.

Таким образом, предлагаемый способ в сравнении с известным позволяет существенно в 10-40 раз (для различных измеряемых диапазонов), повысить точность измерения, устойчивость к смещениям измеряемого объекта, упростить и повысить точность калибровки, что, в свою очередь, позволяет создать высокоточный измеритель для применения непосредственно в производственных условиях.

Формула изобретения Способ измерения геометрических размеров прозрачных труб, заключающийся в освещении контролируемой трубы с помощью пространственно ограниченного ис- точника диффузного излучения, формировании изображения контролируемой трубы и определении внутреннего и внешнего диаметров трубы по сформированному изображению, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности, размер источника диффузного излучения и

местоположение контролируемой трубы выбирают так, что каждый из углов при вершине треугольника, образованного линиями, касательными к внутренней поверхности трубы, опирающегося из апертуру источника диффузного излучения и лежащего в плоскости, перпендикулярной к оси трубы, образуемый высотой и боковыми сторонами треугольника, не превышают значения 32°, внешний диаметр трубы определяют по расстоянию между серединами фронтов наружных краев изображения, а внутренний - по расстоянию между серединами фронтов наружных краев светлых полос, находящихся у внутренних краев изображения.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности. В способе подсвечивают измеряемую трубу с помощью пространственно-ограниченного источника диффузного излучения, при этом положение трубы выбирают таким образом, что каждый из углов при вери/ийе треугольника, образованного линиями, касательными к внутренней поверхности трубы, пропирающегося на апертуру источнй к1ТоБразуемую высотой и боковыми сторонами треугольника, не превышает значения 32°. 2 ил.

Фиг. I

2У М. g

/2

№/г. 2

fiL