устройство для контроля внутренних размеров металлических труб

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ, содержащее источник СВЧ-волн для работы в однодинном режиме и датчик для обеспечения кругового фронта СВЧ-волн с наружным и внутренним проводниками, отличающееся тем, что оно снабжено диодом Ганна, во внутреннем проводнике выполнена цилиндрическая резонансная камера, ось которой совпадает с осью датчика для обеспечения кругового фронта СВЧ-волн, диод Ганна подпружинен по оси, а окно связи датчика для обеспечения кругового фронта СВЧ-волн выполнено со стороны наружного проводника в виде отверстия, диаметр которого равен диаметру внутренней поверхности внутреннего проводника датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий, а именно к устройствам для бесконтактного измерения изменения внутреннего диаметра металлических труб с использованием электромагнитных волн СВЧ-диапазона, и может применяться, в частности, в химической промышленности.

Известен способ определения малых перемещений [1] основанный на том, что генерируемые клистроном электромагнитные волны с помощью фокусирующего устройства направляются на поверхность и отразившись от нее, по тому же пути попадают на электронный промежуток клистрона, вызывая изменения постоянного тока в цепи питания резонатора, что и используется в предлагаемом способе.

Недостатками этого способа являются невозможность использования данной системы из-за ее больших габаритов для измерения изменения внутреннего диаметра труб малого сечения (диаметра 15-30 мм).

Данную систему нельзя использовать для измерения изменения диаметра металлургических труб большой длины (более двух метров) вследствие больших потерь в коаксиальном кабеле (не менее 10 дБ/м на частоте 10 гГц), в то время как использование коаксиального кабеля необходимо для соединения клистрона с датчиком;

необходимость трудоемкой операции настройки поршнем при значительном изменении расстояния до поверхности для обеспечения неизменного вида функциональной зависимости автодинного сигнала от поршня;

необходимость постоянного контроля работы обеспечения работы клистрона на вершине зоны генерации в процессе измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является датчик для контроля внутренних размеров металлических труб [2] в котором использован двойной Т-мост, генератор СВЧ-волн, короткозамкнутый поршень и соединенный с ними через коаксиальный кабель датчик, состоящий из латунного цилиндра и входящего в него поршня, имеющего форму фигур, полученных вращением четвертей дуг соответствующих окружностей вокруг прямой, проходящей через ось коаксиальной линии, что позволяет сделать зазор постоянной величины между цилиндром и поршнем и получить круговой фронт СВЧ-волн на выходе датчика, благодаря которому осуществляется контроль изменения диаметра по всему сечению трубы. Изменяя положение короткозамкнутого поршня, получают максимальный сигнал, при этом изменение положения поршня соответствует изменению внутренних размеров трубы.

К недостаткам этого устройства следует отнести:

ограничение по длине контролируемого отрезка трубы (не более 2 м) вследствие больших (не менее 10 дБ/м на частоте 10 гГц) потерь в коаксиальном кабеле, сочлененном с датчиком;

трудоемкость процесса измерения, обусловленную механическим изменением положения поршня в обоих направляющих для каждого изменения диаметра трубы;

большие затраты времени на проведение измерений.

Техническим результатом изобретения является увеличение длины контролируемого участка труб до размеров, необходимых при решении практических задач в химической промышленности (до 10 м 18 м) путем создания соответствующего устройства, снижение трудоемкости процесса контроля, уменьшение времени измерения.

На фиг. 1 показано устройство для контроля внутренних размеров металлических труб, общий вид; на фиг. 2 структурная электрическая схема установки для контроля внутренних размеров металлических труб.

Устройство содержит цилиндрическую резонансную камеру, образованную частично удаленной цилиндрической частью датчика, при этом создается цилиндрическая полость с диаметром, равным внутреннему диаметру внутреннего проводника 1 для обеспечения кругового фронта СВЧ-волн. К торцу внешнего проводника 2 поршня с помощью цилиндрического тела 3, укрепленного на торце, прижимается металлическая шайба 4. По оси цилиндрического тела делается гнездо для одного из контактов диода Ганна. Между внешним и внутренним проводниками поршня непосредственно за металлической шайбой 4 устанавливается полуволновая втулка 5. Далее на расстоянии от шайбы, равным длине волны, помещается металлический цилиндр 6, в средней части которого делается гнездо для другого контакта диода Ганна, причем для обеспечения необходимого электрического контакта этот металлический цилиндр прижимается к диоду 7 Ганна с помощью пружины 8. В сконструированной таким образом цилиндрической резонансной камере для возбуждения Е₀₁₀ волн диод Ганна, являющийся источником СВЧ-волн для работы в автодинном режиме, располагается по оси резонатора.

Расположение диода Ганна именно таким образом обусловлено следующими предпосылками:

лишь резонатор, работающий на волнах типа Е₀₁₀, способен обеспечить круговой фронт ТЕМ волн с одинаковой мощностью излучения из датчика по всем направлениям;

в волнах типа Е₀₁₀ максимум напряженности электрического поля будет на оси цилиндрической резонансной камеры и направлен вектор напряженности по оси цилиндрической резонансной камеры, т.е. предложенное расположение диода Ганна обеспечивает еще и оптимальные условия для генерации последним электромагнитных колебаний.

Для распространения в полости датчика ТЕМ радиальных волн, обеспечивающих на выходе датчика круговой фронт волны, окно связи делается в виде кольцевого отверстия. По периферии датчик закрывается крышкой 9. Окно связи в виде кольцевого отверстия создается за счет цилиндрической внутренней поверхности внутреннего проводника 1, используемого в качестве наружного проводника окна связи и внешней поверхности шайбы 4, являющейся внутренним проводником окна связи, при этом проводящие поверхности окна связи образуют канал для передачи энергии СВЧ-волн в полость, далее к поверхности трубы. Размеры окна связи для каждого конкретного размера труб рассчитываются исходя из минимальности коэффициента отражения от окна связи на резонансной частоте.

Установка содержит устройство для контроля внутренних размеров металлических труб 10, блок 11 питания диода Ганна, самописец 12 для записи сигнала, снимаемого с резистора R. Устройство 10 перемещается внутри контролируемой трубы 13.

Данное устройство для контроля внутренних размеров металлических труб работает следующим образом.

Генерируемые диодом Ганна электромагнитные колебания через окно связи поступают в полость между внутренним и внешним проводниками, образуя там радиальные ТЕМ волны, которые поступают на внутреннюю поверхность исследуемой трубы 13 (фиг. 2) и, отразившись от внутренней поверхности трубы, по тому же пути попадают на диод Ганна. Отраженная волна, поступающая на диод, влияет на мощность генерируемых колебаний, т.е. генератор работает в автодинном режиме. При изменении диаметра трубы изменяется фаза отраженной волны, поступающей на диод. Вследствие этого изменяется мощность и частота генерируемых колебаний, поэтому изменяется и сила тока диода Ганна и как следствие изменяется напряжение на резисторе, включенном последовательно с диодом Ганна, т. е. имеет место автодинный сигнал.

Устройство вследствие помещения диода Ганна на оси особым образом сконструированной цилиндрической резонансной камеры, расположенной непосредственно в датчике, позволяет контролировать внутренние размеры металлических труб длиной 10 18 м и более из-за устранения необходимости использования коаксиального кабеля для передачи СВЧ-волн от генератора до датчика, ибо в коаксиальном кабеле на частоте 10 гГц затухание сигнала составляет не менее 10 дБ на каждый метр длины, из-за чего длина контролируемой трубы при использовании коаксиального кабеля не может превышать 2 м. Контроль труб длиной 10 18 м весьма актуален на предприятиях химической промышленности. Кроме того, преимуществом использования устройства является также снижение трудоемкости и увеличение эффективности процесса контроля металлических труб, так как изменение диаметра автоматически записывается на ленту самописца.