Способ измерения параметров прозрачных труб и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных труб непосредственно во время вытяжки. Целью изобретения является повышение точности измерения геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуации показателя преломления материала труб и компенсации погрешностей , вызываемых угловыми наклонами трубы по время вытяжки. Одновременно с первым лучом направляют второй световой луч, который расположен в плоскости, определяемой первым лучом и геометрической осью трубы, под фиксированным углом к плоскости поперечного сечения трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определяют по их значениям показатель преломления материала труб и угол наклона трубы для дальнейшего вычисления толщины стенки и внутреннего диаметра трубы. Устройство для реализации данного способа содержит последовательно расположенные лазер, цилиндрическую телескопическую систему, светоделитель, разделяющий лазерный пучок на два пучка, два отраженных элемента, обеспечивающих одновременно облучение контролируемой трубы под углами падения а и/3 (а /3), два координатно-чувствительных фотоприемника с видеоусилителями, соединенными с вычислительными блоками , выходы которых соединены с входом блока сравнения сигналов с вычислительным устройством, а выход соединен с индикатором . К входам вычислительных блоков подключена обратная связь с выхода блока сравнения сигналов с вычислительным устройством . 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил. w Ё V4 1 СЛ СЛ О 00

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„. Ж„„1775598 А1 (я) G 01 В 11/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

r ф, " Ю в Нар, +gч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ;; -",;" @, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4897658/28 (22) 02.01,91 (46) 15,11,92, Бюл. N. 42 (71) Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосьемки и картографии (72) А.А.Арефьев. А.Ц,Вартаньянц, Ю.А.Фо. тиев и М.IÎ.Шатин (56) Авторское свидетельство СССР

N. 815487, кл, G 01 В 11/08, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N 836518, кл. 6 01 В 11/08, 1981, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных труб непосредственно во время вытяжки.

Известен способ измерения геометрических размеров прозрачных труб. заключающийся в параллельном сканировании узкого светового пучка в направлении, перпендикулярном геометрической оси стеклянной трубы, и регистрации четырех точек пересечения светового пучка с образующими поверхностями трубы, Недостатками этого способа являются нестабильность сканирования светового (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПРОЗРАЧНЫХ ТРУБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения геометрических параметров, а также показателя преломления материала прозрачных труб непосредственно во время вытяжки, Целью изобретения является повышение точности измерения геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуаций показателя преломления материала труб и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы по время вытяжки. Одновременно с первым лучом направляют второй световой луч, который расположен в плоскости, определяемой первым лучом и геометрической осью трубы, под фиксированным углом к плоскости поперечного сечения трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определяют по их значениям показатель преломления материала труб и угол наклона трубы для дальнейшего вычисления толщины стенки и внутреннего диаметра трубы. Устройство для реализации данного способа содержит последовательно расположенные лазер, цилиндрическую телескопическую систему, светоделитель, разделяющий лазерный пучок на два пучка, два отраженных элемента, обеспечивающих одновременно облучение 3 контролируемой трубы под углами падения а Иф (а AД, два координатно-чувствительных фотоприемника с видеоусилителями, соединенными с вычислительными блоками, выходы которых соединены с входом блока сравнения сигналов с вычислительным устройством, а выход соединен с индиВ катором. К входам вычислительных блоков подключена обратная связь с выхода блока сравнения сигналов с вычислительным устройством. 2 с, и 4 з.п, ф-лы, 3 ил. Q1

1775598 пучка в плоскости, строго перпендикулярной геометрической оси трубы, а также отсутствие учета дифракции светового пучка на границах с образующими цилиндрическими поверхностями трубы, что снижает точность проводимых измерений.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является способ измерения геометрических параметров стеклянных труб в процессе вытяжки, заключающийся в том, что формируют узкий световой пучок, направляют его под фиксированным углом a = 45-75 к плоскости поперечного сечения трубы, в плоскости анализа сканируют световые сигналы, сформированные четырьмя световыми пучками, отраженными от наружной и внутренней поверхностей трубы, и преобразуют их в электрические сигналы, по которым определяют наружный и внутренний диаметры трубы и толщину ее стенки.

Недостатками указанного способа являются отсутствие учета флуктуации показателя преломления материала прозрачной трубы, а также неоднозначность результатов измерений в случае наклонов трубы во время вытяжки, Эти недостатки приводят к снижению точности и достоверности измерений, что ограничивает практическое применение данного способа.

Целью изобретения является повышение точности измерений геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуации показателя преломления материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во время вытяжки.

Указанная цель достигается тем, что направляют одновременно с первым лучом второй световой луч, который расположен в плоскости, проходящей через первый луч и геометрическую ось трубы, под фиксированным углом 8(а ФД к плоскости поперечного сечения трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определяют по их значениям показатель преломления п материала трубы, угол Л наклона трубы и с их учетом рассчитывают толщину 1 стенки трубы и внутренний диаметр d трубы.

Толщину стенки трубы рассчитывают из соотношения: а1 nni+. д n COS а cos 2 Ь

sin 2 (а =" Л) где а1 — проекция расстояния между первым и вторым световыми лучами, образовавшимися от первого луча. на первую плоскость анализа; а — угол преломления первого луча на

I наружной цилиндрической поверхности трубы: д — величина флуктуации показателя преломления материала трубы; п поА А, где n<> — показатель преломления материала трубы, известный до измерения, соответствующий длине волны излучения.

Внутренний диаметр трубы рассчитывают иэ соотношения:

Ь cps 26

2 sin (а + Л) где b> — проекция расстояния между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимися от первого луча в результате отражения от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на первую плоскость анализа.

Г1оказатель преломления и материала трубы определяют из выражения:

25 а sin 2 (Х+ Л sin Л з . 2

a) з п 2 а +- Л - à sin 2 +. Л г 12 2

П=

-а за где Ь вЂ” проекция расстояния между втоl рым и третьим световыми лучами, образо45 Вавшимися от второго луча в результате отражения от внутренней цилиндрической поверхности трубы на вторую плоскость анализа.

Указанная цель достигается также тем, что устройство для измерения параметров прозрачных труб снабжено последовательно установленными за формирующей оптической системой по ходу излучения светоделителем для разделения излучения на два световых пучка и отражателем, выполненным в виде двух зеркал, предназначенных для одновременного облучения трубы под двумя различными углами падения, вторым координатно-чувствительным фотоприемником с видеоусилителем и выгде а — проекция расстояния между перI вым и вторым световыми лучами, образо35 вавшимися от второго луча. на вторую плоскость анализа.

Угол Л наклона трубы определяют из выражения;

4О Л = аГССС Ь вЂ” Ь Сц а

b> tg a+ b>

1775598 числительным блоком, блоком сравнения сигналов с вычислительным устройством, вход которого соединен с выходами вычислительных блоков, а обратная связь от которого соединена со входами обоих вычислительных блоков, выход блока сравнения сигналов связан с входом индикатора, а формирующая оптическая система выполнена в виде цилиндрической телескопической системы.

На фиг.1 показана схема реализации способа; на фиг.2 — схема измерений при наличии угловых наклонов трубы во время вытяжки; на фиг.3 — и ринципиальная схема устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

Два световых пучка направляют в центр прозрачной трубы под разными фиксированными углами аиР в направлениях навстречу друг другу таким образом, чтобы они пересекались с наружной поверхностью трубы в одной точке М (фиг.1), При этом в плоскости, определяемой пространственным положением световых лучей и геометрической осью трубы (плоскость чертежа), прозрачные стенки трубы работают как плоскопараллельные пластины. При падении световых лучей на наружную поверхность стенки трубы они частично преломляются под углами а! иp и падают на внутреннюю

I поверхность стенки трубы, где также происходит частичное отражение и преломление.

Затем лучи проходят внутреннюю полость трубы и снова попадают на внутреннюю и наружную поверхность стенки трубы. В результате четырех пересечений границы среда-диэлектрик образуются четыре отраженных луча, попадающих соответственно в точки А, А, B. В . С. С . Е. Е плоскостей

1 1 I анализа Р и Р, Из анализа хода лучей на фиг.1 следует, что величины отрезков между проекциями лучей в плоскостях анализа P u P определя1 ются геометрическими параметрами трубы (толщиной! стенки и внутренним диаметром

d трубы, а также углом падения пучков а vip на образующую поверхность трубы) и показателем преломления п материала трубы.

При строго фиксированных известных углах падения лучей и Np, а также известном показателе преломления пор материала трубы (пах= const), расстояния между световыми лучами определяются как

АВ = СЕ = а = с = 2 . tg а . cos а, BC =b =2d sina, АВ =С Е =а =c =2 I tgP cosP, ВС =Ь =2d. sinP, где а — расстояние между световыми лучами

1 и 2 в плоскости анализа Р;

С вЂ” расстояние между световыми лучами 3 и 4 в плоскости анализа Р;

5 а — угол падения луча О на наружную цилиндрическую поверхность трубы;

b — расстояние между световыми лучами

2 и 3 в плоскости анализа Р; а — оасстояние между световыми луча1

10 ми 1 и 2 в плоскости анализа Р; с — расстояние между световыми луча1 ми 3 и 4 s плоскости анализа Р;

b — расстояние между световыми лучаl ми 2 и 3 в плоскости анализа Р;

15 P — угол падения луча О на наружную цилиндрическую поверхность трубы; а! — угол преломления луча О на наружной цилиндрической поверхности трубы;

Р - угол преломления луча О на наруж! I ной цилиндрической поверхности трубы.

Откуда несложно найти все основные контролируемые геометрические параметры трубы — толщину стенки а по11 cos а1 а n„ cos

sin 2 а sin 2 р — внутренний диаметр

Ь Ь

30 2 з!и а 2 sinp

С!— — наружный диаметр 0 = d +2 !.

Вычисленные параметры и d по отрезкам в двух плоскостях анализа Р и P должI ны быть равны вне зависимости от величины углов а Np и направления падения лучей, Рассмотрим случай, когда показатель преломления материала трубы неизвестен или имеются неоднородности или флуктуа40 ции показателя преломления и вдоль геометрической оси трубы.

Исходя из условия, что толщина стенки трубы не изменяется в процессе измерений (i=const), т.к, время измерения весьма мало, можно записать равенство — э и сова а Й . Cos

sin 2 а sin 2

Откуда получим

50 а sin га-а -1п гр

12..2 2..2

При выборе фиксированных углов зондирования в соответствии с условием p =

= 90 — а расчетное выражение значительно упрощается к виду а — а

1775598

Ь -ь тда

Л = BKlg

b> tg и+ bt

Таким образом, наличие разности результатов вычислений внутреннего диаметра трубы в двух измерительных каналах свидетельствует о наклоне трубы во время измерений, Полученное выражение позво1О ляет вычислить угол наклона контролируемой трубы и ввести поправку в результат производимых измерений.

Так как на практике не соблюдаются условия и= const и Л = 0 из-за флуктуации

15 показателя преломления материала трубы и угловых наклонов трубы во время вытяжки, то расчетные формулы для 1 и d преобразуются к виду — для расчета толщины 1 стенки трубы

20 at . п<Д д COSA соз 2Ь зlп 2 (а + Ь) sin 2 ф+ Ь) где at — проекция расстояния между свето25 выми лучами 1 и 2 на плоскость анализа P (отрезок А 81);

a> — проекция расстояния между светоl выми лучами 1 .и 2 на плоскость анализа P (отрезок At Bt); д — величина флуктуации показателя преломления материала трубы

6>= п п, где np — показатель преломления материала трубы, известный до измерения, соответствующий длине волны измерения;

n — показатель преломления материала трубы для контролируемого участка, вычисленный в результате измерений. — для расчета внутреннего диаметра

Ь соз2Ь bt cos26

2 sin (a + Л) 2 sin {P + Ь) где bt - проекция расстояния между световыми лучами 2 и 3 на плоскость анализа Р

45 (отрезка Ât С1);

b t — проекция расстояния между свето-! выми лучами 2 и 3 на плоскость анализа

Р (отрезок Ât С ).

В случае измеренного наклона трубы

5р расчетная формула для определения материала трубы преобразуется к виду соз2Л а> з1п 2 a h, sin + Ь -at па! з1п 2 (а + Л) — at а при условии ф = 90 — а она упрощается

Полученное выражение позволяет опрелелить абсолютную величину показателя материала трубы и регистрировать неоднородности показателя преломления непосредственно во время вытяжки, что позволяет уменьшить погрешность измерений эа счет учета флуктуации показателя преломления материала трубы.

Рассмотрим случай, когда контролируемая труба совершает угловые биения во время вытяжки (фиг.2). Следует отметить, что смещение трубы параллельно своей геометрической оси не вносит погрешности в измерения геометрических параметров, 8 то же время угловые наклоны трубы в плоскости чертежа (фиг.2), приводят к значительным искажениям размеров контролируемых отрезков в плоскостях анализа P и Р.

Предположим, что труба наклонилась на угол Лотносительно первоначальной геометрической оси. В этом случае анализируемые отрезки А В>, 8> С, С> Е, А> Ât, 1

Bt Ct С Åt между проекциями лучей в плоскостях анализа Р и Р описываются следующими выражениями

1 зlп 2 а+А

at =с!— ., — НД)р и

1 sin 2 — Л а1 -с *

bti—

cos2Л

3а счет того, что зондирующие лучи 0 и

0 направлены в противоположных направ1 лениях проекции расстояний на плоскость анализа Р между лучами a>, at. ct для луча О будут увеличиваться, а > l . at, c t для луча 0 будут уменьшаться, т.е. приращение к отрезкам at, at, ct и а1, et . ct будет npoucxo! f дить с противоположным знаком, Используя вторую систему уравнений, получим

bt cos 2 Л bt cos 2 Л

2 sin (а + Л) 2 sin ф — Л)

После преобразования получим форму для расчета угла наклона трубы а1 .cos ай — à sin а+ а — а1

sin 2 +h, з1п а «Ь

sin 2 @ +Л)

Устройство для реализации данного способа (фиг,3) содержит последовательно расположенные лазер 1, цилиндрическую телескопическую систему 2. светоделитель

1775598

3, разделяющий лазерный пучок на два пучка, два отражательных элемента 4 и 4, обеспечивающих одновременное облучение контролируемой трубы 5 под углами падения Q UIP (Q WP), два координатночувствительных фотоприемника 6 и 6 с виI деоусилителями 7 и 7, соединенными с выI числительными блоками 8 и 8, выходы

I которых соединены с входом блока сравнения сигналов с вычислительным устройством 9, а выход с индикатором 10. Ко входам вычислительных блоков 8 и 8 подключена обратная связь с выхода блока сравнения сигналов с вычислительным устройством 9.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 с помощью цилиндрической телескопической системы 2, формирующей лазерное излучение в виде вытянутого в сагиттальной плоскости параллельного светового пучка для обеспечения непрерывности измерений при смещениях контролируемой трубы во время вытяжки, направляется на светоделител ь 3, где разделяется на два пучка. С помощью отражательных элементов 4 и 4 направляют

I зондирующие пучки в центр контролируемой трубы, что обеспечивает одновременное облучение одного участка цилиндрической наружной поверхности контролируемой трубы под фиксированными углами G NP, причем а Ð.

После последовательного преломления и отражения на образующих поверхностях трубы лазерные пучки формируют по четыре световых блика от каждого из двух зондирующих пучков, которые попадают на координатно-чувствительные фотоприемники 6 и 6

I (например, ПЗС вЂ” линейки). При считывании потенциального рельефа, образуемого на светочувствительных слоях фотоприемников 6 и 6, определяются отрезки между ! энергетическими центрами четырех отраженных бликов, цифровые значения которых направляются видеоусилителями 7 и 7 в вычислительные блоки 8 и 8 . а затем поI ступают в блок сравнения сигналов 9, имеющего вычислительное устройство, и результаты обработки выводятся на индикатор 10(например, цифровой вольтметр, дисплей и т.д.). Перед началом измерений в вычислительные блоки 8 и 8 вводятся вели1 чины углов падения а lnP лазерных пучков и показатель преломления материала трубы для данной длины волны измерения лазера (в случае, если показатель преломления материала трубы известен). Используя полученные данные о величине отрезков между отраженными бликами в соответствии с

10 описанным способом измерений, определяют толщину стенки контролируемой трубы, ее внутренний и наружный диаметры в вычислительных блоках 8 и 8, а показатель преломления материала трубы и ее угол наклонаво время вытяжки — в вычислительном устройстве блока сравнения сигналов 9 по полученным расчетным формулам, В случае несовпадения результатов вычислений контролируемых параметров I u d в обоих измерительных каналах блок сравнения сигналов 9, имеющий вычислительное устройство, выдает сигнал рассогласования, соответствующий значениям

15 Л или 0>, и направляет его по обратной связи в вычислительные блоки 8 и 8 . Таким образом осуществляется функция контроля правильности и достоверности полученных результатов измерений. Вычислительные

20 блоки 8 и 8 учитывают дополнительную функцию о наличии угла h, наклона трубы или флуктуации показателя преломления дп и проводят пересчет контролируемых ве. личин. Эта операция продолжается до тех

25 пор пока величины контролируемых параметров, измеренных в обоих измерительных каналах не совпадут. Тогда блок сравнения сигналов с вычислительным устройством 9, формирующий окончательный результат измерений, посылает сигнал на индикатор 10, представляющий информа, цию о контролируемых параметрах в цифровом или другом удобном для восприятия виде.

Способ измерений параметров прозрачных труб и устройство для его осуществления позволяет повысить точность измерения за счет учета флуктуаций показателя преломления материала трубы и ком40 пенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во время вытяжки, высокой надежности и простоты реализации, Способ и устройство могут быть использованы при контроле геометрических размеров труб непосредственно во время вытяжки, так как низкочастотные угловые колебания, характерные для этого технологического процесса, учитываются в процес50 се вычислений контролируемых величин, а также позволяют вычислить отдельно абсолютное значение показателя преломления материала трубы и его возможные флуктуации, что также учитывается при определе55 нии контролируемых величин.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить контролируемые параметры I u d с относительной погрешностью не хуже 17ь и вычислить аб1775598

12 учетом рассчитывают толщину! стенки трубы и внутренний диаметр d трубы, 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину i стенки трубы рассчитыва5 ют иэ соотношения а (пo + д, cos а cos 2 Л

I ! в

sin 2 (a+. Л) где а) — проекция расстояния между первым и вторым световыми лучами, образовавшимися от первого луча, на первую плоскость анализа; а — угол преломления первого луча на наружной цилиндрической поверхности трубы; д — величина флуктуации показателя преломления материала трубы, дп=nog п, no — показатель преломления материа20 ла трубы, известный до измерения. соответствующий длине волны излучения.

3, Способ по п,1, отличающийся тем, что внутренний диаметр d трубы рассчитывают из соотношения

25 8 cps 2 Л

2 sin (a h) где B> — проекция расстояния между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимися от первого луча в результате отраже30 ния от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на первую плоскость анализа, 4, Способ по п,1, отличающийся тем, что показатель и преломления матери35 ала трубы определяют из выражения а sin 2 а"=Л sin + Л вЂ” а sin

n-а sin 2 (а Л) — a> sin 2 (P +Л) 40

5. Способпоп1,отличающийся тем, что угол Ь наклона трубы определяют из выражения

8> - 8> 19 а

8i tg rz+ В где B> — проекция расстояния между вто1 рым и третьим световыми лучами, образо- 50 вавшимися от второго луча в результате отражения от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на вторую плоскость анализа. солютное значение показателя преломления трубы с погрешностью дп = 1 10 при амплитуде колебания трубы + 5 мм, угловых наклонах до ": 3 и частоте колебаний до 50

Гц.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров прозрачных труб, заключающийся в том, что направляют световой луч под фиксированным углом а к плоскости поперечного сечения трубы, сканируют в плоскости анализа световые сигналы, сформированные четырьмя световыми лучами, отраженными от наружной и внутренней поверхности трубы, и преобразуют их в электрические сигналы, по которым определяют наружный и внутренний диаметры трубы и толщину ее стенки. отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений геометрических размеров прозрачных труб за счет учета флуктуаций показателя преломления материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во время вытяжки, направляют одновременно с первым лучом второй световой луч, который расположен в плоскости, проходящей через первый луч и геометрическую ось трубы, под фиксированным углом

P(c 3) к плоскости поперечного сечения трубы, сканируют во второй плоскости анализа световые сигналы, сформированные отраженными лучами, преобразуют их в электрические сигналы и определяют по их значениям показатель п преломления материала трубы, угол Л наклона трубы, и с их где а1 — проекция расстояния между перI вым и вторым световыми лучами, образовавшимися от второго луча, на вторую плоскость анализа, 6. Устройство для измерения параметров прозрачных труб, содержащее последовательно установленные источник света и формирующую оптическую систему, координатно-чувствительный фотоприемник с видеоусилителем и вычислительным блоком и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения геометрических размеров труб за счет учета флуктуаций показателя преломления материала трубы и компенсации погрешностей, вызываемых угловыми наклонами трубы во время вытяжки, оно снабжено последовательно установленными за формирующей оптической системой по ходу излучения светоделителем для разделения излучения на два световых пучка и отражателем, выполненным в виде двух зеркал, предназначенных для одновременного облучения трубы

1775598 под двумя различными углами падения, вторым координатно-чувствительным фотоприемником с видеоусилителем и вычислительным блоком, блоком сравнения сигналов с вычислительным устройством, вход которого соединен с выходами вычислительных блоков, а обратная связь от которого соединена с входами обоих вычислительных блоков, выход блока сравнения сигналов связан с входом индикатора, а формирующая оптическая система

5 выполнена в виде цилиндрической телескопической системы;

1775598

1775598

Пog

СРи2, 5

Составитель Ю.Фотиев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор B.Ïåòðànj

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4028 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5