автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электронно-акустические устройства измерения длины труб

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ТРУБ (УИДТ).

1.1. Труба как объект исследований. Анализ информационных показателей.

1.2. Классификация и сравнительная характеристика устройств измерения геометрических параметров труб.

1.3. Основные проблемы построения электронно-акустических

УИДТ, постановка задачи исследований.

1.4. Выводы.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОННО-АКУСТИЧЕСКИХ УИДТ.

2.1. Математическая модель электронно-акустических методов измерения длины труб. Общее и частные решения.

2.2. Анализ влияния геометрических параметров и материала трубы на условия распространения акустических сигналов.

2.3. Анализ и расчет влияния формы импульсов и параметров излучателя на скорость распространения акустических сигналов.

2.4. Выводы.

Глава 3. ИНФОРМАЦИОННО - МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УИДТ.

3.1. Основные погрешности.

3.2. Дополнительные погрешности.

3.3. Методы повышения точности и стабильности УИДТ.

3.4. Выводы.

Глава 4. КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И СХЕМО

ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ УИДТ.

4.1. Обоснование выбора и технические характеристики элементной базы.

4.2. Схемотехника УИДТ.

4.3. Выводы.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УИДТ.

5.1. Результаты экспериментальных исследований.

5.2. Анализ результатов и методика обработки экспериментальных данных.

5.3. Применение УКГПТ в системах управления процессом отгрузки.

5.4. Выводы.

Точный коммерческий учет объема труб, находящихся на складах и разгрузочных площадках, а также оперативный контроль при отгрузочных операциях требуют создания портативного прибора, способного измерять их длину одним человеком при условии доступа с одного конца. Известные методы контроля объема отпускаемых труб, основанные на измерении веса, не дают достаточной точности и неудобны для контроля остатков на складе, так как требуют применения подъемных механизмов. Простое измерение длины трубы рулеткой занимает очень много времени, требует доступа к трубе с двух сторон, что не всегда возможно в разнообразных условиях складирования и разгрузки. Кроме того, применение такого прибора позволяет точно определить объем поставки еще до начала разгрузки, а также повысить культуру и скорость обслуживания покупателей при оптовой и розничной торговле. Специалистами подсчитано, что на крупных коммерческих базах, торгующих трубами, из-за отсутствия портативных приборов, достаточно точно и оперативно контролирующих их геометрические параметры, убытки составляют около 100,0 тыс. долларов США в год.

Актуальность проблемы контроля геометрических параметров труб возрастает в связи с постановлением Минстроя России № 18-46 от 11.07.96 г. об обязательном использовании при прокладке водопровода и канализации пластиковых труб, которые легко гнутся и поставляются на катушках. Оценка длины таких труб непосредственно на катушке является новой задачей и возможна только на основе электронно-акустических методов.

В настоящее время накоплено много материала по оценке качества труб, в частности, по прочностным характеристикам, механическим дефектам, контролю толщины покрытий, неравномерности толщины стенки. Однако геометрические параметры труб, такие, как длина, кривизна, диаметр и форма торца контролируются механическими, в лучшем случае, электромеханическими методами, которые громоздки, имеют малое быстродействие и неприменимы в реальных условиях эксплуатации и хранения при ограниченных условиях доступа к трубам, в частности, при нахождении их в штабелях, пачках и на стеллажах.

Наиболее перспективными направлениями разработок приборов контроля геометрических параметров труб следует признать пьезо-электронную акустику и оптоэлектронику. Развитие пьезо-электронной элементной базы, оптоэлектронной, волоконно-оптической и сигнальной микропроцессорной техники создаёт широкие возможности для создания высокоточных бесконтактных приборов оперативного контроля длины труб с использованием новых информационных технологий.

Целью работы является повышение точности, помехозащищенности и расширение функциональных возможностей электронно-акустических устройств измерения и контроля длины труб. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач.

1. Экспериментальные и теоретические исследования законов распространения акустических сигналов в трубах. Выявление корреляционных зависимостей между параметрами распространяющихся сигналов и геометрическими параметрами трубы.

2. Разработка конструкций бесконтактных устройств измерения и контроля длины труб (УИДТ), а также электронных схем, алгоритмов и программ обработки сигналов, повышения их точности и стабильности.

В последнее время появился ряд работ по использованию электронно -акустических и оптоэлектронных методов определения длины и диаметра внутренней полости труб /3, 4, 12/. Кроме того, известны работы по использованию оптоэлектронных методов контроля формы отверстий. Однако они не охватывают весь комплекс проблем, связанных с решением поставленных задач. В частности, недостаточно исследованы вопросы, связанные с отражением акустических сигналов от открытого конца трубы, а также условий возникновения резонанса при частичной закрытости трубы с одного конца, что почти всегда имеет место в процессе измерений. Нет исследований по влиянию материала, кривизны и профиля трубы на результаты измерений. Мало изучены вопросы влияния климатических условий, внешних шумовых факторов на работоспособность и точностные характеристики электронно-акустических приборов.

Работа основывается на идеях, заложенных в трудах Красильникова В.А., Клюева В.В., Ванштейна JI.A., Конюхова Н.Е., Горбатова A.A., Руда-шевского Г.Е., Скворцова Б.В. и включает в себя разработку и исследование созданных автором оригинальных конструкций УИДТ. Особое внимание уделено теоретическому исследованию распространения акустических сигналов в полости трубы и выявлению их зависимости от контролируемых геометрических параметров. Наряду с этим рассмотрены информационно-метрологические характеристики УИДТ, а также варианты их практического применения, в том числе как элементов систем управления технологическим процессом проката труб.

Диссертация является результатом исследований, проведенных автором в научно-исследовательской лаборатории Самарского аэрокосмического университета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сравнительный анализ известных и разработанных с участием автора конструкций электронных УИДТ показал, что на современном уровне развития технологии и элементной базы перспективными являются электронно-акустические устройства, которые позволяют при прочих равных условиях минимизировать габариты и проводить измерения при условии доступа с одного конца.

2. Основные пути совершенствования электронных УИДТ связаны с созданием конструкций, основанных на вычислении и анализе реальных условий распространения акустических сигналов в трубах.

3. Отражение в трубе с открытым концом имеет место при условии, когда длина волны посылаемого акустического сигнала много больше диаметра трубы. Амплитуда, фаза и длина стоячих волн зависит от геометрических размеров трубы.

4. Время распространения прямого и отраженного акустических импульсов пропорционально длине трубы и зависит также от ее геометрических параметров, в частности, от искривленности, чистоты обработки внутренней полости трубы, формы и относительных размеров профиля, формы акустического импульса, диаграммы направленности и размеров излучателя.

5. Различные частотные составляющие импульсов распространяются с разной скоростью, но о скорости распространения акустического импульса следует судить по модулю групповой скорости, вычисленной на частоте, соответствующей максимуму спектральной амплитуды посылаемого импульса. На процесс распространения акустических импульсов влияют такие параметры среды, как вязкость, температура, упругость, плотность, теплоемкость, которые учитываются при конструировании УИДТ.

6. Созданная математическая модель процесса измерения длины труб позволила учесть геометрические и климатические параметры, провести расчеты, количественно оценить их влияние на результаты измерений.

7. Основная погрешность время-импульсных приборов измерения длины трубы определяется суммарной погрешностью измерения временного интервала между посланным и отраженным импульсами, которая для достижения достаточной потребительской точности не должна превышать 0,06 мсек.

8. Дополнительные погрешности УИДТ определяются в основном климатическими условиями: температурой, давлением, влажностью, ветром, примесями газов в атмосферном воздухе, внешними акустическими шумами. Максимальная дополнительная погрешность в ожидаемых условиях эксплуатации без применения корректирующих устройств составляет 4,68 %.

9. Применение комбинированных методов коррекции погрешностей, связанных с использованием дополнительного микрофона и модуляцией посылаемого акустического импульса, позволяет достичь достаточной точности в ожидаемых условиях эксплуатации, погрешности 0,2 - 0,5 % в диапазоне температур (—30 - + 40 град).

10. Современная серийно выпускаемая элементная база электроники позволяет создавать портативные приборы контроля длины труб с автономным питанием, требуемыми техническими характеристиками, возможностью суммирования результатов измерений и передачи данных в стационарный компьютер. Приборы УИДТ целесообразно выполнять на основе программируемых микроконтроллеров с применением унифицированных блоков излучения, приема и индикации.

11. Экспериментальные испытания созданных приборов УИДТ-2 и УИДТ-5 показали их высокие метрологические характеристики, правильность основных теоретических положений, используемых при проектировании, и возможность их коммерческого использования в производственных условиях. Приборы внедрены в ЗАО «Сервисный металлоцентр «Металл-маркет»» г. Самара с предполагаемым экономическим эффектом 480 000 руб. в год.

1. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику.-М.: Наука, 1984.

2. Ванштейн Л.А. Дифракция электромагнитных и звуковых волн на открытом конце волновода.-М.: Сов. Радио, 1953.

3. A.c. SU 1747893. Способ определения внутреннего размера изделия с полостью. /С.А. Волобуев, А.Ю. Калядин, А.И. Шарапа / бюл. № 26, 1992.

4. Веремеенко С.В., Горский В.В., Демченко A.C.// Дефектоскопия, 1994, № 1.

5. Патент RU 2037141. Способ бесконтактного определения длины волновода и устройство для его осуществления, /А.Армин, В. Гдличка/ бюл. № 6, 1995.

6. Клюев В.В. (ред.) Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник.- М.: Машиностроение, 1986, 275 с.

7. A.c. SU 1763887. Ультразвуковой толщиномер, / Меледин Г.Ф., Алексеев

8. A.П., Бобров В.В., Бухарев H.A., Егунов Л.И., Скоморохов Ю.И., Химикус В.А./ бюл. № 36 ,1992.

9. A.c. SU 1768940. Способ контроля поперечной разнотолщинности металлической трубы. /Губин А.Е., Сироткин С.Н./ бюл. № 38, 1992 .

10. Дорофеев A.A., Никитин Б.Н., Рубин А.Л. Индукционная толщинометрия-М.: Энергия, 1978.

11. A.c. SU 1781538. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер. /Потапов

12. B.Н., Картамышев В.А., Потапова В.А./ бюл. № 46, 1992.

13. A.c. SU 1796885 AI, G 01 В 7/06 Марк Э.Э. Толщиномер, б.и. № 7, 1993.

14. Лавров В.В. Измеритель длины труб нефтяного сортамента ПИТ-3. Приборы и системы управления, 1992, № 8.

15. Кайно Г. Акустические волны.- М.: Мир, 1990.

16. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985.

17. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М.: Радио и связь, 1987.

18. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1985.

19. A.c. SU 1312385, МКИ G 01 В 21/02, бюл. № 19, 1987.

20. A.c. SU 1516771, МКИ G 01 В 11/02, бюл. № 34, 1889.

21. A.c. SU 2052768, МКИ G 01 В 17/00, бюл. № 22, 1995.

22. A.c. SU 1657960, МКИ G 01 В 21/10, бюл. № 23, 1991.

23. A.c. SU 1675664, МКИ G 01 В 11/02, бюл. № 33, 1991.

24. A.c. SU 1312385, МКИ G 01 В 21/02, бюл. № 19, 1987.

25. A.c. SU 1762122, МКИ G Ol В 21/10, бюл. № 34, 1992.

26. A.c. SU 1732147, МКИ G Ol В 11/08, бюл. № 26, 1992.

27. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике.- М.: Наука, 1974.

28. Вайнштейн JI.A. Распространение импульсов. Успехи физических наук. Том 118, вып. 2, 1976.

29. Горбатов A.A., Рудамевский Г.Е. Акустические методы и средства измерения расстояний в воздушной среде .- М.: Энергия, 1973.

30. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране.- М.: Мир, 1977.

31. Мартюшов К.И. Зайцев Ю.В., Тихонов А.И. Методы расчета резисторов,-М.: Энергия, 1971.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для инженеров и научных работников.- М.: Наука, 1974.

33. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.- М.: Радио и связь, 1986.

34. Справочник по радиоизмерительным приборам.- М.: Энергия, 1976.

35. Р.Г. Карпов, Н.Р. Карпов. Электрорадиоизмерения.- М.:Высшая школа, 1978.

36. Кикоин И.К.(ред.) Таблицы физических величин. Справочник.- М.: Атомиздат, 1976.

37. Кошкин Н.И., М.Г. Ширкевич Справочник по элементарной физике.- М.: Наука, 1982.

38. Сидоров И.Н., Димитров A.A. Микрофоны и телефоны.- М.: Радио и связь, 1993.

39. Бурко, Лямин П.М. Бытовые акустические системы.-Минск.: Беларусь, 1996.

40. A.c. SU №236034 Электроакустический преобразователь. /Рудашевский Г.Е., Горбатов A.A./ бюл. №6, 1969.

41. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.: Мир, 1993.

42. CHIP NEWS. Новости о микросхемах, № 5, 1998.

43. Яковлев В.Н.(ред.). Справочник по устройствам цифровой обработки информации, Киев, 1988.

44. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах.-JI.: Энергоатомиздат, 1988.

45. Интегральные микросхемы. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Справочник.-М.: ДО ДЭКА, 1996.

46. Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Справочник.- М.: ДО ДЭКА, 1996.

47. Перельман Б.Л., Петухов В.М. Новые транзисторы. Справочник.- М.: Солон, Микротех, 1994.

48. Нефедов A.B., Савченко A.M., Феоктистов Ю.Ф. Справочник. Полупроводниковые приборы. Зарубежные интегральные микросхемы.- М.: КУбК-а, 1995.

49. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин.- Л.: Энергоатомиздат, 1983.

50. Диденко В.И., Минин А.Г. Датчики температуры и давления со встроенным микропроцессором. //Тезисы доклада X научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик-98) Гурзуф, 1998.

51. Атаев Д.И., Болотников В.А. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Справочник.-М.: МЭИ, 1992.

52. Санковский Е.А. (ред.) Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления. Минск.: Высшая школа, 1973.

53. Свидетельство на полезную модель БШ № 7492 Ш, Электронно-акустическое устройство измерения длины труб./ Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю., Скоробогатов Е.Г./ бюл. № 8 от 16.08.1998.

54. Жиганов И.Ю. Исследование распространения акустических сигналов в трубах. Сборник научных трудов НИИ "Приборостроения" Самара, СГАУ, 1997.

55. Скворцов Б.В., Жиганов И.Ю. Электронно-акустические приборы измерения длины труб. // Тезисы доклада X научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик 98), Гурзуф, 1998.

56. Конюхов Н.Е. Жиганов И.Ю. Организационно-производственные основы использования бесконтактных приборов контроля геометрических параметров труб. //Сборник научных трудов Международного института рынка, РАН, Самара, 1998 г.