Способ определения диаметра стеклянной трубы и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля диаметра транспортируемых стеклянных труб в процессе их производства. Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей. Способ заключается в том, что перпендикулярно направлению движения стеклянной трубы формируют узкий пучок света. При соприкосновении края трубы с краем луча света, от поверхности трубы отражается пучок света, регистрируемый фотоприемником. Точно такой же пучок света возникает при соприкосновении с краем луча света второго края трубы, диаметрально противоположного первому. При этом на выходе фотоприемника возникает два импульса, временной интервал между которыми дает информацию о диаметре трубы, если известна скорость транспортировки. Последенюю определяют, пропуская через луч с той же самой скоростью стандартный образец известного размера. Поскольку измеряются временные, а не амплитудные параметры выходного сигнала, влияние амплитудных факторов на результаты измерений не происходит. Расширение функциональных возможностей происходит за счет определения степени эллиптичности стеклянной трубы, которую определяют по длине сфокусированного трубой изображения светового луча. 2 с.и 6 з.п, ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения и контроля диаметров транспортируемых прозрачных изделий типа стеклянных трубок в процессе их производства.

Известен способ определения диаметра стеклянной трубы, перемещающейся перпендикулярно своей оси [1] Способ заключается в том, что трубу облучают параллельным световым лучом, диаметр которого превышает предполагаемый диаметр стеклянной трубы, и регистрируют с помощью двух дифференциально включенных фотоприемников интенсивность прошедшего мимо трубы света в момент, когда разность фототоков на выходе фотоприемников равна нулю.

Известно устройство того же назначения, содержащее источник коллимированного света, два дифференциально включенных фотоприемника, установленных симметрично относительно оптической оси источника света, и блок обработки фотоэлектрического сигнала [1] Недостатком известных способа и устройства является то, что их работа основана на регистрации амплитуды проходящего света. Это приводит к зависимости получаемых результатов от влияния посторонних амплитудных факторов: паразитных засветок, изменения интенсивности источника света и т.п.

Известен способ определения диаметра стеклянной трубы, заключающийся в последовательном пересечении узким световым лучом стеклянной трубы и стандартного образца известного диаметра, преобразования световых потоков, получаемых при взаимодействии светового луча с трубой и стандартным образцом в электрические сигналы с последующим определением диаметра стеклянной трубы путем обработки полученных электрических сигналов [2] Известно устройство аналогичного назначения, содержащее коллимированный источник света, фотоприемную систему, стандартный образец заданного диаметра и блок обработки фотоэлектрического сигнала, включающий запоминающее устройство и усилитель, подключенный к выходу фотоприемной системы, а также регистратор диаметра [2] Недостатком известного способа и устройства является низкая точность измерений диаметра, связанная с наличием краевых эффектов, возникающих при взаимодействии луча с краями стеклянной трубы и вносящих неопределенность в измерение диаметра трубы, а также с наличием влияния амплитудных факторов, которые хотя в значительной мере и компенсируются в известном устройстве могут по разному влиять на измеряемый объект и стандартный образец и тем самым вносить погрешность в измерение диаметра.

К недостаткам прототипа также следует отнести невозможность оценки эллиптичности стеклянной трубы.

Целью изобретения является повышение точности определения диаметра в условиях поперечного перемещения стеклянной трубы.

Дополнительной целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения эллиптичности стеклянной трубы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения диаметра стеклянной трубы, заключающемся в последовательном пересечении световым лучом стеклянной трубы и стандартного образца известного диаметра d_o, преобразовании световых потоков, получаемых при взаимодействии светового луча с трубой и стандартным образцом в электрические сигналы с последующим определением диаметра стеклянной трубы путем обработки получаемых электрических сигналов, стандартному образцу задают скорость перемещения, равную скорости перемещения стеклянной трубы, а в электрические сигналы преобразуются световые потоки, отраженные от краев стеклянной трубы и стандартного образца. Затем по полученным электрическим сигналам измеряются отрезки времени Δt и Δt_о, соответствующие временам прохождения светового луча краями стеклянной трубы и стандартного образца, а диаметр d стеклянной трубы определяется из соотношения d=d_o Δt/ Δ t_o.

Кроме того, дополнительно измеряют длину изображения светового луча, сфокусированного стеклянной трубой в момент пересечения светового луча диаметральным сечением стеклянной трубы, и по длине сфокусированного изображения судят о степени эллиптичности стеклянной трубы.

Кроме того, дополнительно проводят частотную модуляцию светового луча, а преобразование световых потоков в электрические сигналы проводят на частоте модуляции светового луча.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для определения диаметра стеклянной трубы, содержащем коллимированные источник света, фотоприемную систему, стандартный образец заданного диаметра и блок обработки фотоэлектрического сигнала, включающий запоминающее устройство и усилитель, подключенный к выходу фотоприемной системы, а также регистратор диаметра, стеклянная труба и стандартный образец расположены на едином носителе, а фотоприемная система расположена под углом к оптической оси источника света, в блок обработки фотоэлектрического сигнала дополнительно введены измеритель временных интервалов, блок масштабирования и блок деления, при этом выход усилителя соединен с входом измерителя временных интервалов, выход которого соединен с запоминающим устройством и вторым входом блока деления, первый вход которого подключен к выходу блока масштабирования, вход которого через запоминающееся устройство соединен с выходом измерителя временных интервалов.

Кроме того, фотоприемная система может быть выполнена в виде модели абсолютно черного тела с расположенным в ней фотоприемником, причем фотоприемник расположен напротив входной диафрагмы модели абсолютно черного тела.

Кроме того, устройство дополнительно содержит оптический ослабитель и линейку фотоприемников, последовательно установленные на оптической оси источника света, а также блок считывания, второй и третий блоки масштабирования, второе запоминающее устройство, блок сравнения и регистратор эллиптичности, причем фотоприемники, симметрично расположенные относительно оптической оси в линейке, подключены дифференциально к блоку считывания, выход которого через последовательно соединенные второй блок масштабирования и второе запоминающее устройство подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с входом блока деления, а выход с регистратором эллиптичности.

Кроме того, устройство дополнительно содержит частотный модулятор светового потока, установленный на выходе источника света, и резонансные фильтры, расположенные на выходах фотоприемной системы и линейки фотоприемника.

Кроме того, фотоприемная система выполняется с возможностью освещения в плоскости, перпендикулярной оптической оси источника света.

На фиг. 1-3 представлена оптическая схема устройства для реализации способа; на фиг. 4 электрическая схема устройства; на фиг. 5 и 6 временные диаграммы для пояснения существа способа.

Существо способа заключается в том, что на трассе перемещения стеклянной трубы 1 (фиг. 1) диаметром d, который требуется определить, формируют параллельный пучок света 2 диаметром d₁, меньшим предполагаемого диаметра стеклянной трубы.

Кроме того, вдоль трассы следования стеклянной трубы или в стороне от нее устанавливают стандартный образец, известного диаметра d₀, который бы перемещался с точно такой же скоростью V, что стеклянная труба. Например, если труба перемещается транспортером, то в качестве стандартного образца можно принять палец транспортера, флажок, транспортера и т.п. При этом необходимо, чтобы стандартный образец и труба не находились одновременно в зоне распространения светового луча 2.

В стороне от трассы следования трубы и стандартного образца, а также в стороне от луча располагают фотоприемное устройство, выполненное, например в виде модели 3 абсолютно черного тела, напротив входной диафрагмы 4 которого внутри установлен фотоприемник 5. Фотоприемное устройство выполняют с возможностью установки его под различными углами к оптической оси. Поскольку фотоприемное устройство установлено под углом к оптической оси источника света, то прямые световые лучи на него не попадают.

Симметрично относительно оптической оси источника света устанавливают линейку 6 фотоприемников. Причем фотоприемники линейки, симметричные относительно оптической оси, включены попарно дифференциально, и поэтому дают сигнал лишь при одинаковой их засветке.

Перед линейкой 6 фотоприемников устанавливают оптический ослабитель 7 в виде нейтрального светофильтра, который пропускает только проходящий сквозь трубу свет и полностью ослабляет отраженные от трубы лучи света. Причем перед центральной частью 8 линейки 6, в которую непосредственно проектируется световое пятно луча 1, устанавливается непрозрачный экран. Или же линейку 6 выполняют из двух половин, симметричных относительно центральной части 8. Это позволяет исключить влияние проходящего непреломляемого трубой света на работу устройства.

Электронная схема 9 устройства, реализующего способ (фиг. 2) содержит усилитель 10, подключенный к выходу фотоприемника 5, и последовательно соединенные измеритель 11 временных интервалов, запоминающее устройство 12, блок 13 масштабирования, блок 14 деления и регистратор 16 диаметра трубы. Выход измерителя 11 временных интервалов подключен также к второму входу блока 14 деления.

Блок 9 обработки выходных сигналов содержит блок 16 считывания выходных сигналов с линейки 6 фотоприемников, а также последовательно соединенные блок 17 масштабирования, запоминающее устройство 18, сравнивающее устройство 19 и блок 20 масштабирования. Выход последнего соединен с выходом блока 14 деления, выход сравнивающего устройства с регистратором 21 эллиптичности трубы.

Устройство позволяет реализовать способ следующим образом.

При пересечении краем стеклянной трубы 1 луча 2 под острыми углами к оптической оси формируются пучки 22, 23 света. На один из таких отраженных лучей настраивается фотоприемная система 3-5, выполненная, например, в виде модели абсолютно черного тела, позволяющей из множества лучей выделить практически только один луч.

Стеклянная труба 1, представляющая собой с одной стороны цилиндрический отражатель, а с другой оптический световод при пересечении 2 луча конечной ширины d₁ включает в динамику его новые элементарные пучки. При этом на выходе фотоприемника получается импульс 24 (фиг. 5) с длительностью равной d₁/V, где V скорость движения трубы.

При своем дальнейшем движении стеклянная труба "наплывает" на луч 2 (фиг. 2) своим диаметральным сечением и в этот момент начинает "работать" как цилиндрическая линза, формирующая на линейке 6 фотоприемников изображение в виде световой полосы, длина которой зависит от оптической силы линзы, т. е. от диаметра и эллиптичности стеклянной трубы 1, а также от ширины луча d₁. Последующая фаза движения трубы наступает в момент, когда верхний край трубы касается верхнего края луча 2. Это вновь приводит к появлению отраженных лучей 25, 26 (фиг. 3) на входе фотоприемника 5, не пропадающему до момента соприкосновения верхнего края трубы с нижним краем луча 2. При этом на выходе фотоприемника 5 появляется второй импульс 27 (фиг. 5) той же длительности, что и импульс 24.

Временной интервал между фронтами импульсов 24, 27 пропорционален диаметру и скорости движения стеклянной трубы. Для определения скорости трубы согласно предлагаемого способа луч света пересекает стандартным образом известную ширину d₀. При этом на выходе фотоприемника 5 также появляется два импульса, временной интервал Δ t₀ между которыми при известной базе измерения d₀ позволяет определить скорость перемещения образца, равной скорости движения трубы как V=d₀/ Δt₀. А поскольку искомый диаметр трубы равен d=V Δt, то d=d₀Δt/ Δt₀ (1) Формула (1) является алгоритмом работы верхней части электронной схемы.

Сигнал с фотоприемника 5 усиливается усилителем 10 до насыщения сигнала, так что на его выходе возникают сигналы прямоугольной формы, расстояние между передними или задними фронтами которых дает информацию о диаметре трубы. Выбором местоположения фотоприемной системы относительно оптической оси луча 2 можно добиться, чтобы коэффициент пропорциональности в формуле (1) был равен именно d₀ с наперед заданной погрешностью.

Измеритель 11 временных интервалов измеряет сначала величину Δt, которая запоминается в запоминающем устройстве 12, а затем величину Δ t_б, непосредственно подаваемую на второй вход блока 14 деления. Величина Δt в соответствии с алгоритмом (1) умножается на величину d₀ в блоке 13 масштабирования и делится на Δ t₀ в блоке 14 деления. Найденная величина d регистрируется регистратором 15 в качестве диаметра стеклянной трубы 1.

Вторая (нижняя) половина блока 9 обрабатывает сигнал с линейки 6 фотоприемников для определения степени эллиптичности трубы. В зависимости от эллиптичности трубы, а, b, с (фиг. 6, слева) получается различная степень фокусировки луча (фиг. 6, справа). Поэтому для оценки данного параметра требуется для известного диаметра трубы определить длину сфокусированного трубой изображения.

Данная задача решается в проходящем свете в момент пересечения лучом диаметрального сечения трубы, когда изображение луча будет строго симметричным относительно середины 8 линейки 6.

Количество засвеченных фотоприемников (например, выполненных на приборах с зарядной связью) будет пропорционально длине изображения. При этом сигнал с фотоприемников линейки, считываемый блоком 16 считывания, поступает затем на блок 17 масштабирования и запоминается в запоминающем устройстве 18. Сигнал, пропорциональный диаметру трубы, поступает с блока 14 деления также на блок 19 масштабирования. Блоки 17 и 20 масштабирования приводят сигналы к виду, удобному для их сравнения в сравнивающем устройстве 19. Результаты сравнения, несущие информацию о степени эллиптичности трубы 1 для измеренного диаметра d, регистрируются в блоке 21 регистрации эллиптичности.

Следует отметить, что наличие эллиптичности вносит неопределенность в измерениe диаметра трубы, поскольку заявленным способом в этом случае измеряется миделево сечение трубы, которое будет для одной и той же трубы различным в зависимости от разворота трубы по отношению к лучу света, т.е. в случае большой степени эллиптичности измерение параметров каждой отдельной трубы будет вносить только оценочный характер. В этом случае интерес представляют, как правило, среднестатистические измерения диаметра и степени эллиптичности трубы.

Для повышения соотношения сигнал-шум регистрация выходных сигналов фотоприемников может проводиться на какой-то одной гармонической составляющей при модуляции на определенной частоте направляющегося на трубу светового потока. Для этого на выходе источника света устанавливается оптический модулятор (на чертеже не показан), а на выходах всех фотоприемников резонансные фильтры на частоту модуляции.

Это позволяет в значительной мере исключить влияние посторонних амплитудных факторов на результаты измерений.

Использование заявленного способа определения диаметра стеклянной трубы и устройства для его реализации позволяет повысить точность измерения диаметра трубы за счет того, что на результаты измерений практически не оказывают влияния различные амплитудные факторы, меняющиеся во время (интенсивность световых помех, засветки, изменение интенсивности источника света, старения фотоприемника и т.п.).

В предлагаемом способе регистрируются не амплитудные, а временные характеристики сигналов. Фотоприемное устройство в предложении по существу работает в режиме Да-Нет света, амплитуда же света роли не играет. Это и обеспечивает преимущество способа по точности по сравнению с известными.

Кроме того, возможность оценки эллиптичности трубы расширяет функциональные возможности способа и устройства.

Формула изобретения

1. Способ определения диаметра стеклянной трубы, заключающийся в последовательном пересечении световым лучом стеклянной трубы и стандартного образца известного диаметра d₀, преобразовании световых потоков, получаемых при взаимодействии светового луча с трубой и стандартным образцом в электрические сигналы, по которым судят о диаметре стеклянной трубы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения диаметра в условиях поперечного перемещения стеклянной трубы, стандартному образцу задают скорость перемещения, равную скорости перемещения стеклянной трубы, а в электрические сигналы преобразуют световые потоки, отраженные от краев стеклянной трубы и стандартного образца, затем по полученным электрическим сигналам измеряют отрезки времени Δt и Δt_o, соответствующие временам прохождения светового луча краями стеклянной трубы и стандартного образца, а диаметр d стеклянной трубы определяют из соотношения d=d_oΔt/Δt_o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно измеряют длину изображения светового луча, сфокусированного стеклянной трубой, в момент пересечения светового луча диаметральным сечением стеклянной трубы и по длине сфокусированного изображения судят о степени эллиптичности стеклянной трубы.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно проводят частотную модуляцию светового луча, а преобразование световых потоков в электрические сигналы проводят на частоте модуляции светового луча.

4. Устройство для определения диаметра стеклянной трубы, содержащее коллимированный источник света, фотоприемную систему, стандартный образец заданного диаметра и блок обработки фотоэлектрического сигнала, состоящий из запоминающего устройства и усилителя, подключенного к выходу фотоприемной системы, а также регистратора диаметра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено измерителем временных интервалов, блоком масштабирования и блоком деления, выход усилителя соединен с входом измерителя временных интервалов, выход которого соединен с запоминающим устройством и вторым входом блока деления, первый вход которого подключен к выходу блока масштабирования, вход которого через запоминающее устройство соединен с выходом измерителя временных интервалов, а фотоприемная система расположена под углом к оптической оси источника света.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что фотоприемная система выполнена в виде модели абсолютно черного тела с фотоприемником, расположенным в ней напротив ее входной диафрагмы.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим ослабителем и линейкой фотоприемников, последовательно установленными на оптической оси источника света, блоком считывания, вторым и третьим блоками масштабирования, вторым запоминающим устройством, блоком сравнения и регистратором эллиптичности, фотоприемники, симметрично расположенные относительно оптической оси в линейке, подключены дифференциально к блоку считывания, выход которого через последовательно соединенные второй блок масштабирования и второе запоминающее устройство подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с выходом блока деления, а выход с регистратором эллиптичности.

7. Устройство по пп.4 и 6, отличающееся тем, что оно снабжено частотным модулятором светового потока, установленным на выходе источника света, и резонансными фильтрами, установленными на выходах фотоприемной системы и линейки фотоприемников соответственно.

8. Устройство по пп.4 6, отличающееся тем, что фотоприемная система выполнена с возможностью смещения в плоскости, ортогональной оптической оси источника света.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6