Способ определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия

Способ определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен резонаторный способ для бесконтактного измерения диаметра тонких диэлектрических нитей (см. В.А. Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. Москва, Энергоиздат, 1989, стр. 62-63). Устройство, реализующее данный способ, содержит чувствительный элемент в виде резонаторной полости генератора на диоде Ганна. Контролируемую нить пропускают через резонаторную полость, представляющую собой отрезок прямоугольного волновода. Наличие нити в полости генератора влияет на его рабочую частоту, которая сравнивается с частотой идентичного, но ненагруженного генератора. Разность частот, зависящая от диаметра нити, измеряется частотомером.

Недостатком этого известного способа является низкая чувствительность измерения диаметра нити и нестабильность разности частот двух генераторов из-за их различных температурных поведений.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ бесконтактного измерения диаметра изолированных холоднотянутых проводов в процессе их производства (см. В.А. Викторов и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. Москва, Энергоиздат, 1989, стр. 68-69). Этот способ, реализуемый на базе передающей и приемной антенн, предусматривает облучение контролируемого провода, движущегося в направлении, параллельном вектору электрического поля электромагнитной волны между передающей и приемной антеннами. Электромагнитная волна на пути от передающей антенны к приемной дифрагирует на проводе, и сравнение интенсивности волны, поступающей в передающую антенну с интенсивностью волны, улавливаемой приемной антенной, в СВЧ-тройнике, дает возможность определить диаметр провода. Сигнал разбаланса тройника в этом случае является функцией диаметра провода.

Недостатком данного способа следует считать нестабильность результата измерения из-за температурных изменений интенсивностей (амплитуд) волн, сравниваемых в тройнике.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение стабильности измерения.

Технический результат достигается тем, что способ определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия включает

облучение контролируемого изделия электромагнитной волной, прием и измерение параметра принятой волны, контролируемое изделие предварительно помещают в электрическое поле, принимают поляризованные волны, измеряют разность хода между этими волнами и диаметр d контролируемого изделия определяют по формуле

где δ - разность хода волн в диэлектрическом изделии, λ - длина волны, r - линейный электрооптический коэффициент, n - показатель преломления волны в полом диэлектрическом изделии при отсутствии внешнего электрического поля, Е_вн - напряженность внешнего электрического поля.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что благодаря искусственной анизотропии контролируемого изделия, по измерению разности хода двух поляризованных волн, формирующих при зондировании изделия электромагнитной волной, определяют диаметр диэлектрического полого цилиндрического предмета.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия на основе измерения разности хода двух ортогонально поляризованных волн с желаемым техническим результатом, т.е. повышением стабильности измерения контролируемого параметра.

На чертеже схематично представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит источник излучения электромагнитных волн 1, соединенный выходом с излучателем 2, первый 3 и второй 4 электроды, первый приемник 5, второй приемник 6 и интерферометр 7. На чертеже цифрой 8 обозначено диэлектрическое полое цилиндрическое изделие.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В природе известны вещества, обладающие свойством анизотропии, и вещества, не обладающие этим свойством. Данный способ предусматривает измерение диаметра не обладающего анизотропией изделия.

Из теории анизотропных веществ известно, что при локации (облучении) вещества с анизотропией электромагнитной волной, благодаря анизотропии в веществе формируются поляризованные волны, распространяющиеся по веществу с разными скоростями. В соответствии с этим явление анизотропии положено в основу рассматриваемого способа.

Так как предлагаемый способ направлен на измерение диаметра неанизотропного изделия, то для приобретения анизотропии контролируемым изделием его необходимо предварительно поместить в электрическое поле, обеспечивающее анизотропию (искусственную) этому изделию.

Пусть искусственно анизотропное полое цилиндрическое изделие облучается электромагнитной волной. Тогда согласно вышесказанному в полом цилиндрическом (диэлектрическом) изделии возникнут две ортогонально поляризованные волны с разными скоростями распространения по этому цилиндрическому изделию. При этом из двух поляризованных волн одна составляющая будет распространяться перпендикулярно силовым линиям приложенного к электродам 3 и 4 электрического поля, а вторая - по направлению (параллельно) силовым линиям. Причем у составляющей, распространяющейся параллельно силовым линиям электрического поля, скорость распространения по искусственно анизотропному изделию будет меньше, чем у составляющей, распространяющейся перпендикулярно силовым линиям наружного электрического поля. В соответствии с этим для скорости параллельно силовым линиям электрического поля распространяющейся волны можно написать (изменение показателя преломления волны)

а скорости распространения перпендикулярно силовым линиям волны (постоянство показателя преломления волны) -

где c - скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, n - показатель преломления полого изделия в отсутствии внешнего электрического поля, Δn - показатель преломления изделия из-за его анизотропии, определяемый следующим выражением:

где r - линейный электрооптический коэффициент, Е_вн - напряженность внешнего электрического поля.

Из выше приведенных формул видно, что составляющая, распространяющаяся параллельно силовым линиям внешнего электрического поля, отстает в скорости распространения составляющей, распространяющейся перпендикулярно силовым линиям внешнего электрического поля. Поэтому, если сравнить эти составляющие при их выходе из анизотропного цилиндрического изделия, то получим разность хода между ними. В результате из-за различия скоростей распространения выше рассмотренных ортогонально поляризованных волн для разности хода можно записать

δ 2 π l Δ n / λ   ( 2 ) ,

где l - путь, проходимый поляризованными волнами в полом цилиндрическом изделии. Совместное преобразование выражений (1) и (2) позволяет записать

l=δλ/πrn³E_вн.

В рассматриваемом случае если учесть, что измеряется диаметр цилиндрического изделия радиусом, равным высоте этого цилиндрического изделия, то с определенной точностью можно допускать, что в последней формуле вместо 1 можно использовать радиус R цилиндрического изделия. Здесь принимается, что зондирующая электромагнитная волна направляется по оси основание - основание цилиндрического изделия (на центр одного из оснований контролируемого изделия). Тогда последнее выражение может быть переписано как

R=δλ/πrn³E_вн.

Из этой формулы следует, что поляризованные волны проходят одинаковый путь в цилиндрическом изделии (радиус основания равен высоте изделия), но с различными значениями скоростей. Окончательное выражение, дающее возможность рассчитать диаметр d изделия имеет вид:

d=2δλ/πrn³E_вн.

На основании последнего выражения можно заключить, что при известных (постоянных) значениях λ, r, n и E_вн измерением δ (разность хода) можно обеспечить определение диаметра цилиндрического изделия.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. К электродам 3 (первый) и 4 (второй) для создания анизотропии (искусственной) в диэлектрическом полом цилиндрическом изделии 8 прикладывают электрическое(внешнее) поле. Выходной сигнал источника излучения электромагнитных колебаний 1 подают на вход излучателя 2. С выхода последнего сигнал (электромагнитную волну) направляют в сторону контролируемого изделия по его оси основание-основание (перпендикулярно к силовым линиям внешнего электрического поля). Благодаря анизотропии в изделии возникают параллельно и перпендикулярно силовым линиям внешнего электрического поля поляризованные волны. Далее параллельно силовым линиям поляризованную волну принимают первым приемником 5, а перпендикулярно поляризованную - вторым приемником 6. Выходные сигналы первого и второго приемников соответственно подают на первый и второй входы интерферометра 7. В последнем измеряют разность хода (эффект искусственной анизотропии в диэлектрическом цилиндрическом изделии) между указанными выше волнами δ, которую далее используют для определения диаметра контролируемого цилиндрического изделия.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе измерения разности хода двух поляризованных волн в искусственно анизотропном цилиндрическом изделии можно обеспечить, стабильность определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия.

Способ определения диаметра диэлектрического полого цилиндрического изделия, включающий облучение контролируемого изделия электромагнитной волной, прием и измерение параметра принятой волны, отличающийся тем, что контролируемое изделие предварительно помещают в электрическое поле, принимают поляризованные волны, измеряют разность хода между этими волнами и диаметр d контролируемого изделия определяют по формуле где δ - разность хода волн в диэлектрическом изделии, λ - длина волны, r - линейный электрооптический коэффициент, n - показатель преломления волны в полом диэлектрическом изделии при отсутствии внешнего электрического поля, Е_вн - напряженность внешнего электрического поля.