Способ измерения параметров прозрачных труб и устройство для его осуществления

а 1 де а 1 - проек и вторым све+дп соза соззп 2 (аД)я расстояния между первы выми лучами, образовавши 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 а = 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 Д наклона трубы и с их учетом рассчитывают толщину 1 стенки трубы и внутренний диаметр д трубы.Толщинустенки трубы рассчитывают из соотношения:мися от первого луча, на первую плоскость анализа;а - угол преломления первого луча нанаружной цилиндрической поверхности трубы;дл - величина флуктуации показателя преломления материала трубы;дп= поА и,где по - показатель преломления материала трубы, известный до измерения, соответствующий длине волны излучения.Внутренний диаметр трубы рассчитывают иэ соотношения:Ь 1 соз 2 Д2 з 1 п (а + Д)где Ь 1 - проекция расстояния между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимися от первого луча в результате отражения от внутренней цилиндрической поверхности трубы, на первую плоскость анализа.Показатель преломления и материала трубы определяют из выражения: 25 а вп 2 (Х+Д в 1 пД, 2 п 2 а + Д -1 2 + Д г 12 2 П=30 яния между перлучами, образоуча, на вторую где а 1вым и втвавшимиплоскостУголвыражен проекция расст орым световым ся от второго ь анализа.Д наклона труб ия; определяют из 01 - Ь 119 4 сда+Ь где Ь 1 - проекция расстояния между вторым и третьим световыми лучами, образо Вавшимися от второго луча в результатеотражения 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 вы1775598 со АВ = С Е = а = с =2 1 С = Ь = 2 с зи Р, 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 наклоное трубы во время вытяжки; на фиг,3 - принципиальная схема устройства.Способ осуществляют следующим образом.Деа световых пучка направляют в центр прозрачной трубы под разными фиксированными углами аи 3 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 и Р и падают на внутреннюю1 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, В, В . С. С, Е. Е плоскостей1 1 1 анализа Р и Р,Из анализа хода лучей на фиг.1 следует, что величины отрезков между проекциями лучей в плоскостях анализа Р и Р определя 1 ются геометрическими параметрами трубы (толщиной стенки и внутренним диаметром б трубы, а также углом падения пучков а иф на образующую поверхность трубы) и показателем преломления и материала трубы.При строго фиксированных известных углах падения лучей и ир, а также известном показателе преломления по материала трубы (поъ= сопя), расстояния между световыми лучами определяются как АВ = СЕ = а = с = 2Щ а соз а, ВС =Ь =2 г зпа,где а - расстояние между световыми лучами 1 и 2 в плоскости анализа Р;С - расстояние между световыми лучами 3 и 4 в плоскости анализа Р; 5 а - угол падения луча О на наружную цилиндрическую поверхность трубы;Ь - расстояние между световыми лучами 2 и 3 в плоскости анализа Р; а - расстояние между световыми луча 1 10 ми 1 и 2 в плоскости анализа Р; с - расстояние между световыми луча 1 ми 3 и 4 е плоскости анализа Р; Ь - расстояние между световыми луча 1 ми 2 и 3 в плоскости анализа Р;1 15 р - угол падения луча О на наружную цилиндрическую поверхность трубы;а - угол преломления луча О на наружной цилиндрической поверхности трубы; ,В -угол преломления луча О на наруж 1 ной цилиндрической поверхности трубы.Откуда несложно найти все основные контролируемые геометрические параметры трубы - толщину стенки а по 1 соз а а п, соз1з и 2 а зи 2 р - внутренний диаметрЬ Ь 30 2 зпа 2 зпРс -- наружный диаметр О = 4 +2 . Вычисленные параметрыи с по отрезкам в двух плоскостях анализа Р и Р должны быть равны ене зависимости от величины углов а иф и направления падения лучей,Рассмотрим случай, когда показатель преломления материала трубы неизвестен или имеются неоднородности или флуктуа О ции показателя преломления и вдоль геометрической оси трубы.Исходя из условия, что толщинастенки трубы не изменяется в процессе измерений (=сопзс), т.к, время измерения весьма мало, можно записать равенствосоза а изи 2 а зи 2Откуда получим эди 2 а - дьнп 28122 2.,2При выборе фиксированных углов зондирования в соответствии с условием Р = = 90 - а расчетное выражение значительно упрощается к виду1775598 Ь - Ь тда Ь = дГС 19 Ь сд и+ Ь1 Таким образом, наличие разности результатов вычислений внутреннего диаметра трубы в двух измерительных каналахсвидетельствует о наклоне трубы во времяизмерений, Полученное выражение позво 10 ляет вычислить угол наклона контролируемой трубы и ввести поправку в результатпроизводимых измерений,Так как на практике не соблюдаютсяусловия и= сопз 1 и Ь = О из-за флуктуации15 показателя преломления материала трубы иугловых наклонов трубы во время вытяжки,то расчетные формулы для 1 и б преобразуются к виду- для расчета толщины 1 стенки трубы20 а 1 п 0 Дйд, СОВ а соз 2 Ьз 1 п 2 (а + Ь) з 1 п 2 фйЬ)где а - проекция расстояния между свето 25 выми лучами 1 и 2 на плоскость анализа Р(отрезок А В);а - проекция 0 асстояния между световыми лучами 1.и 2 на плоскость анализа Р(отрезок А В);дп - величина флуктуации показателяпреломления материала трубыд = пы-п,где п 0 - показатель преломления материалатрубы, известный до измерения, соответствующий длине волны измерения;и - показатель преломления материалатрубы для контролируемого участка, вычисленный в результате измерений.- для расчета внутреннего диаметраЬ 1соз 2 Ь Ьсоз 2 Ь2 з 1 п (а + Ь) 2 з 1 п (р й Ь)где Ь 1- проекция расстояния между световыми лучами 2 и 3 на плоскость анализа Р45 (отрезка В С 1);Ь 1 - проекция расстояния между световыми лучами 2 и 3 на плоскость анализаР (отрезок В С 1),В случае измеренного наклона трубы50 расчетная формула для определения материала трубы преобразуется к виду ь,- --соз 2 Ьа 1 зи 2 а+Ь з 1 п +Ь -апаз 1 п 2(а+Ь) - а а при условии ф= 90 - аона упрощается 55 Полученное выражение позволяет определить 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, В то же время угловые наклоны трубы в плоскости чертежа (фиг.2), приводят к значительным искажениям размеров контролируемых отрезков в плоскостях анализа Р и Р.Предположим, что труба наклонилась на угол Ьотносительно первоначальной геометрической оси. В этом случае анализируемые отрезки А 1 81, 81 С, С Е, А 1 81,1 81 С, С Е 1 между проекциями лучей в плоскостях анализа Р и Р описываются следующими выражениями 1 з 1 п 2 а+Ь а= с - 2и1 з 1 п 2 - Ь а 1-с- г д,г; - урЬ Ьсоз 2 ЬЗа счет того, что зондирующие лучи О и О направлены в противоположных направ 1 лениях проекции расстояний на плоскость анализа Р между лучами а, в. с для луча О будутувеличиваться, а. в 1, с 1 для луча О будут уменьшаться, т.е. приращение к отрезкам а 1, в 1, с 1 и а 1, в. с 1 будет происходить с противоположным знаком,Используя вторую систему уравнений, получим Ь 1 соз 2 Ь Ь соз 2 Ь 2 з 1 п (а + Ь) 2 зп ф - Ь)После преобразования получим форму для расчета угла наклона трубы а 1 соз ай - а з 1 п а+а 1 ц - а 1 з 1 п 2 + Ь з 1 п аЬ з 1 п 2 (р + Ь) Устройство для реализации данного способа (фиг,3) содержит последовательно расположенные лазер 1, цилиндрическую телескопическую систему 2. светоделитель3, разделяющий лазерный пучок на два пучка, два отражательных элемента 4 и 4, обеспечивающих одновременное облучение контролируемой трубы 5 под углами падения аи 3(а Фф, два координатно- чувствительных фотоприемника 6 и 6 с ви деоусилителями 7 и 7, соединенными с вычислительными блоками 8 и 8, выходы1которых 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 направляют1зондирующие пучки в центр контролируемой трубы, что обеспечивает одновременное облучение одного участка цилиндрической наружной поверхности контролируемой трубы под фиксированными углами а ИД, причем а Д.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 61 (например, ПЗС - линейки). При считывании потенциального рельефа, образуемого на светочувствительных слоях фотоприемников 6 и 6, определяются отрезки междуэнергетическими центрами четырех отраженных бликов, цифровые значения которых направляются видеоусилителями 7 и 7 в вычислительные блоки 8 и 8, а затем поступают 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 вели 1чины углов падения а иф 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 с5 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 и б в обоих измерительных каналах блок сравнения сигналов 9, имеющий вычислительное устройство, выдает сигнал рассогласования, соответствующий значениям 15 Л или д, и направляет его по обратнойсвязи в вычислительные блоки 8 и 8 . Таким образом осуществляется функция контроля правильности и достоверности полученных результатов измерений. Вычислительные 20 блоки 8 и 8 учитывают дополнительнуюфункцию о наличии угла Ь наклона трубы или флуктуации показателя преломления д 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 30 результат измерений, посылает сигнал наиндикатор 10, представляющий информа. цию о контролируемых параметрах в цифровом или другом удобном для восприятия виде.35 Способ измерений параметров прозрачных труб и устройство для его осуществления позволяет повысить точность измерения за счет учета флуктуаций показателя преломления материала трубы и ком пенсации погрешностей, вызываемыхугловыми наклонами трубы во время вытяжки, высокой надежности и простоты реализации,Способ и устройство могут быть исполь зованы при контроле геометрических размеров труб непосредственно во время вытяжки, так как низкочастотные угловые колебания, характерные для этого технологического процесса, учитываются в процес се вычислений контролируемых величин, атакже позволяют вычислить отдельно абсолютное значение показателя преломления материала трубы и его возможные флуктуации, что также учитывается при определе нии контролируемых величин.Проведенные экспериментальные исследования позволили определить контролируемые параметрыи б с относительной погрешностью не хуже 1 и вычислить аб1775598 12 учетом рассчитывают толщинустенки трубы и внутренний диаметр с трубы,2. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что толщинустенки трубы рассчитыва 5 ют из соотношенияа 1 (пм + д, соз а соз 2 Ь-зи 2 (а+ Ь)где а - проекция расстояния между первыми вторым световыми лучами, образовавшимися от первого луча, на первую плоскостьанализа;а - угол преломления первого луча нанаружной цилиндрической поверхноститрубы;дл - величина флуктуации показателяпреломления материала трубы,дл = по) и,по - показатель преломления материа 20 ла трубы, известный до измерения, соответствующий длине волны излучения.3, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что внутренний диаметр с трубы рассчитывают из соотношения25 В 1 соз 2 Ь2 зи (а + Л)где В 1 - проекция расстояния между вторыми третьим световыми лучами, образовавшимися от первого луча в результате отраже 30 ния от внутренней цилиндрическойповерхности трубы, на первую плоскостьанализа,4, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что показатель и преломления матери 35 ала трубы определяют из выражения а 1 зи 2 а . Ь зи + Ь - а 1 зии=а 1 зи 2 (а+ Ь) - а 1 зи 2 (Р+Л) 405. Способпоп 1,отличающийсятем, что угол Ь наклона трубы определяютиз выражения 45 В - В 1 19 аВ 1 т 9 а+ В 1 где В 1 - проекция расстояния между вторым и третьим световыми лучами, образовавшимися от второго луча в результатеотражения от внутренней цилиндрическойповерхности трубы, на вторую плоскостьанализа,солютное значение показателя преломления трубы с погрешностью дп = 110 при амплитуде колебания трубы + 5 мм, угловых наклонах до .ф. 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 В(а ф 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 и преломления материала трубы, угол Л наклона трубы, и с их где а 1 - проекция расстояния между первым 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 трубыпод 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 Составитель Ю,ФотиевТехред М.Моргентал Корректор В,Петращ Редак ул. Гагарина, 101 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж Заказ 4028 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5