V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Существует большая потребность в точном измерении длины произведенного экструдата. При проведении работ по модернизации современного производства, связанного с изготовлением электрических кабелей, проводников с изоляционным покрытием возникает целый ряд технологических задач контроля длины и скорости линейного перемещения изготавливаемых протяженных изделий. Сложность точного измерения таких параметров обусловлена неравномерностью движения и изменением расстояния между датчиками и объектом контроля, а также влиянием внешних факторов и контакта с движущимся объектом.

В процессе изготовления стальных канатов, прядей, проводов и проволоки требуется измерять длину соответствующих изделий. На предприятиях торговли и предприятиях-потребителях продукции измерения применяются на участках приемки и контрольной перемотки канатов, тросов и проволоки, а так же на участках отпуска готовой продукции покупателям.

В зависимости от вида преобразователя, устанавливаемого на линии движения, измерители длины можно разбить на два больших класса: электромеханические измерители длины (контактные) и фото импульсные измерители длины (бесконтактные). Кроме того, к бесконтактным измерителям длины относятся приборы с магнитными и тепловыми метками, а также приборы, основанные на эффекте Доплера.

Косвенные методы измерения длины преобразуют скорость движения изделия в длину путем ее интегрирования по времени. Фото импульсные методы измеряют время, за которое передний или задний концы изделия пройдут некоторое базовое расстояние, тем самым, определяя скорость движения, а также время, за которое все изделие пройдет мимо преобразователя (рис.1).

Рис. 1. Методы измерения длины протяжённых изделий

Считая, что скорость движения во все время измерения остается постоянной и, произведя ее перемножение на время можно тем самым определить длину изделия. Очевидно, что особенно для длинномерных изделий, скорость движения может существенно изменяться в процессе измерения, искажая тем самым результаты измерения, поэтому такие методы не нашли широкого применения и используются в основном для измерения длины относительно коротких изделий в некоторых лабораторных макетах и стендах.

Электромеханический метод измерения длины и скорости

Принцип работы электромеханических измерителей длины заключается в следующем. Измерительный цилиндрический ролик, вращаемый на оси, прижимается к изделию и обкатывает его при поступательном движении. С роликом жестко связан импульсный датчик, который выдаст определенное число импульсов на один оборот ролика. Цена импульса может быть определена по следующей формуле:

k =πD/ nμ ,

где D – диаметр мерительного ролика; n – число импульсов на один оборот импульсатора; μ – передаточное отношение между роликом и импульсатором.

Подсчитав число импульсов т, можно определить длину изделия L:

L = k ⋅m ,

где k – цена импульса; m – число импульсов.

В данной системе возможно проскальзывание ролика по изделию. Чтобы избежать этого, применяют магнитные ролики или специальные прижимы.

В качестве импульсных датчиков применяются индуктивные фотоэлектрические, электромеханические, электромагнитные и другие устройства.

При выборе импульсного датчика важна стабильность импульса во время работы измерительного ролика. Кроме того, надо учитывать, что увеличение числа импульсов на один оборот измерительного ролика уменьшает цену импульса, т.е. увеличивает точность измерения.

Несмотря на все принимаемые меры, полностью избежать проскальзывание между роликом и изделием не удается, особенно в переходных режимах. Ошибка измерения в этом случае зависит от длины изделия и может достигать величин, не удовлетворяющих требованиям производства. В связи с этим схему измерительной установки строят так, что производят измерение с помощью мерительного ролика не всего изделия, а только части, равной превышению длины изделия над так называемым «базовым расстоянием» δ L . Длину базового расстояния принимают обычно равной минимально возможной длине изделия. Точность измерения в этом случае значительно повышается.

Бесконтактные методы измерения длины и скорости

Бесконтактные методы измерения длины и скорости протяжённых изделий целесообразно использовать только в тех случаях, когда по тем или иным причинам невозможно использовать контактный электромеханический метод. Например, при измерении длины оптоволокна и оптоволоконных кабелей невозможно применять контактный метод из-за хрупкости объекта измерения. А при измерении длины и скорости стальных канатов, проката, арматуры и т.п., контактный метод непригоден, так как мерные колёса не выдерживают нагрузок возникающих при производстве этих изделий и быстро изнашиваются. Также электромеханический метод измерения малопригоден при движении измеряемого объекта с большими скоростями (более 1000 м/мин) из-за своей инерционности.

Приборы, использующие бесконтактные схемы измерения, как правило, на порядки более сложны, дороги и потенциально менее надёжны хоть зачастую и обеспечивают хорошие метрологические характеристики.

На рис. 2 изображено сравнение контактных методов измерения длины с бесконтактными.

Рис. 2. Сравнение контактного метода с бесконтактным

Исходя из данного рисунка можно сделать вывод, что бесконтактные измерители имеют преимущества над контактными. Они заключаются в меньшей погрешности измерения, отсутствии трения с измеряемым объектом, возможности производить калибровку элементов на месте, отсутствии контакта с изделием [1].

Измерения длины протяженных, движущихся объектов с использованием ЛДИС

С 1970-80-х годов в США, Германии, Японии, Дании и в России начали разрабатываться лазерные и оптические измерители скорости и длины на базе допплеровских, времяимпульсных, растровых и корреляционных методов. Эти приборы не имеют механического контакта с контролируемым объектом и, соответственно, погрешностей, связанных с проскальзыванием, износом, налипшей грязью, практически не требуют калибровок и профилактического обслуживания, рассчитаны на широкую номенклатуру контролируемых изделий.

Сегодня на рынке предлагаются различные модели лазерных допплеровских измерителей скорости и длины [2,3] и, менее широко, оптические измерители на основе растровых анализаторов или ПЗС-камер, использующие некогерентные источники излучения [4,5].

Эти приборы обеспечивают высокую точность измерения (0,05% - 0,2%) в широком диапазоне скоростей и ускорений и рассчитаны на расстояние до объекта от 30 мм до 300 мм. Они надежно работают практически с любыми поверхностями от черных матовых до блестящих металлических.

Времяимпульсные и корреляционные измерители скорости серийно не выпускаются, опубликованы материалы об испытаниях лабораторных и опытных образцов [6,7].

Принципиальная оптическая схема лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС) приведена на рис.3.

Рис. 3. Структурная схема ЛДИС

Лазерный пучок расщепляется светоделительной призмой на 2 луча, которые, пересекаясь на поверхности контролируемого объекта, образуют интерферирующую картину с периодом "d".

Излучение, рассеянное неоднородностями на поверхности объекта, собирается приемной оптикой и преобразуется фотоприемным устройством в электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости движения объекта

где f – выходная частота лазерного датчика;

V – скорость объекта;

Q- угол между лазерными лучами;

λ – длина волны лазера.

Таким образом, измеряя выходную частоту лазерного датчика, можно определить скорость и, соответственно, длину движущегося объекта.

где К_гр – градуировочный коэффициент прибора; L – длина объекта; t – время измерения.

Технология работы лазерного (доплеровского) измерителя длины изображена на следующем изображении (рис. 4).

Рис. 4. Лазерный (доплеровский) метод

Кратко рассмотрим основные элементы и узлы современных ЛДИС.

В первых образцах ЛДИС в качестве излучателей применялись газовые лазеры, что определяло большие габариты и относительно высокую стоимость приборов. Поэтому их использовали, главным образом, в металлургической промышленности в системах управления, контроля, раскроя и учета холодного и горячего проката.

Переход на полупроводниковые лазеры (ППЛ) позволил значительно уменьшить габариты датчиков и упростить конструкцию ЛДИС. Однако зависимость длины волны ППЛ и, соответственно, погрешности измерения от окружающей температуры потребовали применения систем термостабилизации, что увеличивало сложность и стоимость ЛДИС.

Поэтому в последние годы были разработаны различные оптические системы, в частности, на основе интегрированных диффракционных оптических элементов, что позволило отказаться от применения систем стабилизации длины волны лазера, упростить и уменьшить габариты датчиков [6].

На рис.5 показан интегральный оптический модуль, совмещающий функции расщепления и передачи лазерных пучков, а также приема рассеянного излучения. На основе такого модуля можно создать простые и малогабаритные датчики ЛДИС, не требующие стабилизации длины волны лазера.

Рис. 5. Интегральный оптический модуль ЛДИС

Фотоприемные устройства ЛДИС обычно выполнены на базе PIN-фотодиодов и малошумящих операционных усилителей, что позволяет получить необходимое отношение сигнал/шум даже на поверхностях с низкой отражательной способностью при мощности лазеров в пределах 10 - 30 мВт.

Выходной допплеровский сигнал фотоприемного устройства, частота которого может меняться в пределах 10 - 107 Гц, состоит из неинформационной низкочастотной составляющей, информационной высокочастотной допплеровской составляющей, оптических и электрических шумов.

Поэтому задача создания системы обработки допплеровских сигналов с высокими метрологическими и динамическими параметрами является достаточно сложной и ей посвящено большое количество публикаций [7].

Реальный вид допплеровского сигнала (без н.ч. составляющей) приведен на рис.6.

Рис. 6. Общий вид допплеровского сигнала без низкочастотной составляющей

а – сигнал с аддитивным шумом; в, с – зашумленные сигналы соответственно в области максимальных и минимальных значений; d, e – многократные паразитные переходы через нулевой уровень; f – скачкообразное изменение фазы сигнала; g – нарушение монотонности изменения сигнала.

Алгоритм обработки такого сигнала должен в общем случае удовлетворять достаточно противоречивым требованиям, что и обуславливает определенную сложность его аппаратурной реализации. Все основные методы обработки допплеровского сигнала можно разделить на 5 основных групп:

• спектральный или корреляционный анализ,

• следящие фильтры-демодуляторы,

• счетно-импульсные процессоры,

• корреляторы фотоотсчетов,

• системы на базе РС.

В последнее время для промышленных приборов наибольшее распространение получили различные варианты счетно-импульсных процессоров, основанных на выделении переходов допплеровского сигнала через нулевое значение, как аппаратными, так и программными средствами.

Высокоточный сигналпроцессор, оптимизированный для работы в ЛДИС, должен обеспечивать:

• максимальное число отсчетов в единицу времени,

• минимальную вероятность ложных отсчетов,

• оптимальное усреднение информации.

Реализация этих условий определяет структуру современных сигналпроцессоров, которые имеют следующие преимущества:

• обеспечивается конвейерная обработка сигнала, при которой нет потерь информации;

• используется счетный метод непосредственного измерения периода, который всегда предпочтительней косвенных, по результатам обработки спектра;

• автоматически учитывается стохастический характер появления отсчетов путем заполнения пауз между отсчетами частотой синтезатора по последнему отсчету;

• отсутствует аппаратурная избыточность, и поэтому сравнительно низка стоимость процессоров.

Типовая блок-схема сигналпроцессора приведена на рис.7. В его состав входят:

• Параллельные или последовательные фильтры для снижения уровня низкочастотных и высокочастотных шумов. Для повышения их эффективности можно использовать цифровые и когерентные фильтры.

• Аналогоцифровой преобразователь "время-импульсного" типа и система идентификации сигнала, которая позволяет практически исключить погрешности, связанные с регистрацией шумовых импульсов и сигналов с малым отношением сигнал/шум.

• Системы управления фильтрами, формирования выходных сигналов и индикации.

Рис. 7. Блок-схема сигналпроцессора допплеровского сигнала счетно-импульсного типа:

1 - входной усилитель, 2- полосовые фильтры, 3- генератор поиска, 4 - индикатор поиска, 5 - коммутатор фильтров, 6 - формирователь кода, 7- когерентный фильтр, 8 - идентификатор, 9 - измеритель периода, 10 - синтезатор, 11 - блок индикации и управления, 12 - блок статистической обработки, 13 - RS-232

Первые образцы подобных сигналпроцессоров были выполнены на дискретных элементах. Сейчас в них используется FPGA-технология или современные микропроцессорные устройства.

Основные проблемы в этих сигналпроцессорах связаны с высокими требованиями к частотнофазовой характеристике фильтров, что требует применения точных и высокостабильных элементов и, соответственно, удорожает прибор.

Поэтому более целесообразным является создание систем обработки на основе цифровых сигналпроцессоров (DSP), которые обеспечивают достаточно высокие метрологические и динамические характеристики при простоте схемной реализации.

Современные сигналпроцессоры обеспечивают погрешность измерения допплеровской частоты 0.01% в диапазоне частот более 1000:1 и передают на выносные индикаторные табло и в АСУ оперативную информацию о скорости, текущей и суммарной длины, а также различную дополнительную информацию.

Конструктивно ЛДИС обычно выполняются в одном пылевлагозащищенном корпусе и монтируются непосредственно у объекта измерения. Если объект имеет температуру более 200°С, - предусматриваются защитные водоохлаждаемые корпуса.

В наиболее совершенных ЛДИС предусмотрено определение направления движения объекта, что важно при наличии реверсивного движения [8].

На основе рассмотренных технических решений в компании SIKORA AG был разработан лазерный допплеровский измеритель скорости и длины LENGTH 6000 со следующими техническими характеристиками:

Диаметр продукта	5 - 180 мм
Линейная скорость	0 ... 500 м/мин
Точность измерения	< 0.05 %
Интерфейсы	RS485, RS232 (Diagnostic), Pulse output; LAN (Ethernet)*1), Profibus-DP*1), Ethernet/IP*1), ProfiNet*1) etc.
Допустимая температура окружающей среды	5 - 50 °C
Источник питания	100 ... 240 V AC, ± 10 %, 50/60 Hz
Размеры	387 x 130 x 300 mm (LxDxH)

Измеритель легко встраивается в существующую технологическую линию.

Технология LENGTH 6000 основана на принципе оптического измерения. Два датчика изображения в комбинации с двумя лазерными диодами располагаются рядом с друг другом. Кабель пересекает два датчика изображения поочередно (рис. 8). Время, за которое продукция проходит от первого датчика ко второму, измеряется. Даже для продукции с отражающей поверхности сенсоры с высоким разрешением определяют ее уникальную текстуру посредством дифракционного анализа.

Рис. 8. Технология LENGTH 6000

Обычные измерители длины используют принцип сдвига частоты, известный как "допплер-эффект", и позволяют измерять плоские материалы из бумаги, стальных пластин или текстиля. Однако, эта технология не работает с круглым профилем или чистыми поверхностями.

Технология LENGTH 6000, которая определяет длину через сравнение образцов изображения текстур, также надежно для круглых продуктов и для продуктов с отражающей поверхностью. Система рассчитывает длину независимо от направления движения продукции. Кроме того, измерение начинается со скорости линии, равной нулю.

Изобретение исходит из того факта, что дифракционная картина, полученная на ограниченном отрезке (участке) кромки экструдата, характерна для этого отрезка экструдата и отличается от дифракционных картин, полученных на последующих отрезках экструдата. Если при помощи приемной поверхности подходящего датчика изображений и в результате анализа дифракционной картины обнаруживается, что однажды полученная дифракционная картина или характерный признак дифракционной картины снова проявляется в пространственно удаленной точке, то на основании времени, прошедшего между получением первой дифракционной картины и получением совпадающей дифракционной картины во второй точке, а также расстояния между точками можно определить скорость, с которой экструдат прошел участок между первой и второй точками. Если описанный процесс повторяют постоянно, то в любой момент времени становится возможным рассчитать скорость экструдата и, тем самым, точно определить длину, даже если скорость подачи экструдата была подвержена колебаниям.

Сушественная экономия затрат

Использование устройств для измерения длины в кабельной продукции делает возможным существенную экономию затрат. Например, если линия ошланговки производит продукции в среднем на 30 млн €/год, то любая экономия связанная с измерением длины, является значимой. Таким образом, 30,000 € могут быть сэкономлены, если точность измерения улучшится настолько, что позволит сохранить 0.1% длины произведенной продукции [9].

Бесконтактность, надежность, высокие метрологические и динамические параметры лазерных измерителей скорости и длины определяют эффективность их применения в современных промышленных технологиях. Дополнительным фактором, определяющим перспективность применения лазерных приборов, является интенсивное развитие элементной базы оптоэлектроники (полупроводниковых лазеров и фотоприемников, волоконной и интегральной оптики, акустооптики), что позволяет упростить конструкцию и снизить стоимость приборов.

Литература

1. Редько В.В., Федоров Е.М. Методы и средства контроля в кабельной промышленности. Сборник методических указаний по выполнению лабораторных работ по программе магистерской подготовки «Приборы и методы контроля качества и диагностики». Томск, ТПУ, 2007, 118с.

2. Дубнищев Ю.Н., Белоусов П.Я., Меледин В.Г. Лазерные измерительные технологии для контроля металлургического проката. Труды конференции: "Оптические методы исследования потоков". Москва 2001 г.

3. Коронкевич В.П., Соболев В.С., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Наука.1983 г.

4. Rabe D.C., Dancey C.L. Comparison of laser transit and laser Doppler anemometer measurements in fundamental flous. "AIAA", 1986, №86-1650, pp.1-7

5. Gogoasa I. "Meas. Sci. Technol."An extrinsic optical fibre speed sensor based on cross correlation., 1996, 7, №8, 1148-1152

6. В.Сторк, А.Вагнер. Лазерный допплеровский измеритель скорости твердых поверхностей. Труды конференции "Sensor-99", 1999, Германия.

7. Ruck B., Schmitt F., Loy T. Signalbewertung in der Laser-Doppler-Anemometrie durch Periodenlдngevergleich. "Techn. Meas.", 1986, 53. №5, 185-191

8. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потока. М.Наука. 1990 г.

9. Веб-сайт компании «SIKORA AG» www.sicora.com

Код для цитирования: Скопировать