(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 R Z E C Z P O S P O L IT A PO LSK A (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 U rząd Patentow y R zeczypospolitej Polskiej (21) N um er zgłoszenia: (22) D ata zgłoszenia: (5 1 ) In t.cl.5: G01B 11/08 (54) Sposób pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek przezroczystych rur (73) Uprawniony z patentu: (43) Z głoszenie ogłoszono: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL BUP 23/90 (72) Twórcy wynalazku: (45) O udzieleniu p aten tu ogłoszono: Paweł Fotowicz, Warszawa, PL Ryszard Jabłoński, Warszawa, PL WUP 01/93 PL (5 7 ) 1. S p o só b p o m ia ru średnicy w ew n ętrznej i gru b o ści ścian ek p rzezro czysty ch ru r, zgodnie z k tó ry m ru rę o św ietla się św iatłem lasero w y m, sk a n u je się w iązką p ro - sto p a d le d o p rz ek ro ju p o p rzeczn ego ru ry i m ierzy się n atężen ie św iatła p o o d b iciu i przejściu przez ścian k i tej ru ry, znam ienny tym, że m ierzy się odleg ło ść (pd) m iędzy d w o m a p u n k ta m i całk o w iteg o w ew nętrznego o d b icia św iatła o d pow ierzchni w ew nętrznej ru ry (R), a także m ierzy się zn an y m sp o so b em średnicę zew n ętrzn ą (dz) rury (R). zaś średnicę w ew nętrzną wylicza się ze w zoru : a g ru b o ść ścianki wylicza się ze w zoru B1 gdzie n je st w spółczynnik iem z ałam a n ia św iatła w rurze (R). 2. S p o só b w edług zastrz. 1, znam ienny tym, że m ierz o n ą ru rę (R ) przesu w a się w p o p rzek w iązki (W ) w jej o g n isk u (O ). FIG 2

2 Sposób pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek przezroczystych rur Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek przezroczystych rur, zgodnie z którym rurę oświetla się światłem laserowym, skanuje się wiązką prostopadle do przekroju poprzecznego rury i mierzy się natężenie światła po odbiciu i przejściu przez ścianki tej rury, znamienny tym, że mierzy się odległość (Pd) między dwoma punktami całkowitego wewnętrznego odbicia światła od powierzchni wewnętrznej rury (R), a także mierzy się znanym sposobem średnicę zewnętrzną (dz) rury (R), zaś średnicę wewnętrzną wylicza się ze wzoru a grubość ścianki ze wzoru gdzie n jest współczynnikiem załamania światła w rurze (R). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzoną rurę (R) przesuwa się w poprzek wiązki (W) w jej ognisku (O). 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązkę (W) przemiata się w poprzek mierzonej rury (R), zaś mierzone odległości (dz), (pa) wzorcuje się poprzez pomiar odstępów czasu (tdz, tpd) potrzebnych do przebycia przez wiązkę (W) tych odległości (dz, Pd). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że punkt całkowitego wewnętrznego odbicia światła określa się jako pierwsze lokalne maksimum sygnału (U) przesłonięcia wiązki (W). 5. Sposób pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek przezroczystych rur, zgodnie z którym rurę oświetla się światłem laserowym i mierzy się jego natężenie po odbiciu i przejściu przez ścianki tej rury, znamienny tym, że przesuwa się względem siebie mierzoną rurę (R) i wiązkę laserową (W) przekrojem poprzecznym rury prostopadle do osi wiązki (W) oraz mierzy się odległość (pg) między punktem całkowitego wewnętrznego odbicia światła od wewnętrznej powierzchni rury (R) a punktem zetknięcia się osi wiązki (W) powierzchnią zewnętrzną rury, a także mierzy się znanym sposobem średnicę zewnętrzną (dz) rury (R), zaś średnicę wewnętrzną (dw) wylicza się ze wzoru:

3 a grubość ścianki - ze wzoru: gdzie n jest współczynnikiem załamania światła w rurze (R). 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że mierzoną rurę (R) przesuwa się w poprzek wiązki (W) w jej ognisku (O). 7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wiązkę (W) przemiata się w poprzek mierzonej rury (R), zaś mierzone odległości (dz) i (pg) wzorcuje się poprzez pomiar odstępów czasu (tdz, tpg). 8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że punkt całkowitego wewnętrznego odbicia światła określa się jako pierwsze lokalne maksimum sygnału (U) przesłonięcia wiązki (W). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek przezroczystych rur stosowanych, zwłaszcza w technologii światłowodów. Znany jest z publikacji USA Proceedings of the IEEE vol. 70 No 6 June 1982 sposób pomiaru ścianek przezroczystych rur, zgodnie z którym uformowana wiązka laserowa oświetla krawędź rurki. Część wiązki odbija się od powierzchni zewnętrznej a druga jej część odbija się od powierzchni wewnętrznej rury. W ten sposób powstają dwie wiązki przesunięte względem siebie proporcjonalnie do grubości mierzonej ścianki. Odległość tę mierzy się za pomocą fotolinijki. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr sposób pomiaru średnic i grubości zgodnie z którym zaogniskowaną wiązkę świetlną skanuje się prostopadle do mierzonego elementu. Miarą średnicy zewnętrznej mierzonego elementu jest wielkość przesłonięcia fotodetektora. Bezpośrednio mierzy się odległość między zboczem opadającym i narastającym sygnału elektrycznego rejestrując minimalne wartości sygnału elektrycznego. Powyższy sposób charakteryzuje się wysokimi kosztami przyrządów. Zgodnie z wynalazkiem przesuwa się względem siebie mierzoną rurę i wiązkę laserową przekrojem poprzecznym rury prostopadle do osi wiązki oraz mierzy się odległość między dwoma punktami całkowitego wewnętrznego odbicia światła od powierzchni wewnętrznej rury. Mierzy się także znanym sposobem średnicę zewnętrzną rury. Średnicę wewnętrzną wylicza się ze wzoru: a grubość ścianki wylicza się ze wzoru gdzie n jest współczynnikiem załamania światła w rurze.

4 W drugiej odmianie wynalazku zamiast mierzyć odległość między dwoma punktami całkowitego wewnętrznego odbicia mierzy się odległość między punktem całkowitego wewnętrznego odbicia światła od wewnętrznej powierzchni rury a punktem zetknięcia się osi wiązki z powierzchnią zewnętrzną rury. Średnicę wewnętrzną oblicza się ze wzoru a grubość ścianki ze wzoru W obu odmianach wynalazku mierzoną rurę przesuwa się w poprzek wiązki w jej ognisku, albo wiązkę przesuwa się w poprzek mierzonej rury. Mierzone odległości wzoruje się poprzez pomiar odstępów czasu potrzebnych do przebycia przez wiązkę tych odległości. Punkt całkowitego wewnętrznego odbicia wiązki określa się jako pierwsze lokalne maksimum sygnału przesłonięcia wiązki. Sposób według wynalazku pozwala na dynamiczny pomiar przy zastosowaniu dostępnych standardowych, krajowych i tanich zespołów elektronicznych. Układ optyczny według wynalazku jest prosty, zachowując jednocześnie wysoką dokładność pomiaru przy dużej szybkości pomiaru. Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony przykładowo na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek rur przezroczystych z przesuwem rury w poprzek osi wiązki, fig. 2 przedstawia kształt sygnału przesłonięcia w przekroju rury, fig. 3 przedstawia schematycznie układ pomiaru średnicy wewnętrznej i grubości ścianek rur przezroczystych ze skanowaniem, a fig. 4 - kształt sygnału przesłonięcia w funkcji czasu. Mierzona rura R umieszczona w ognisku O światła z lasera L skupionego za pomocą soczewki pomiarowej SP jest przesuwana prostopadle do osi tak utworzonej wiązki W laserowej. W ten sposób wiązka ta przesłania stopniowo kolejne fragmenty przekroju poprzecznego tej rury R wzdłuż osi x, jak to wynika z fig. 2. Wiązka przesłaniania przez rurę, formowana soczewką detektora SD dochodzi do fotodetektora. Sygnał na wyjściu detektora, jako sygnał przesłonięcia przedstawiony jest na fig. 2. Od momentu zetknięcia się wiązki z powierzchnią zewnętrzną rury następuje przesłanianie wiązki powodujące spadek wartości sygnału przesłonięcia U. Następnie na skutek całkowitego wewnętrznego odbicia od powierzchni wewnętrznej ścianki wiązka wychodzi na zewnątrz mierzonej rury R wywołując chwilowy wzrost wartości sygnału U. Dalsze przesuwanie rurki prostopadle do osi wiązki W powoduje rozproszenie i odchylenie wiązki W od osi układu pomiarowego, co wywołuje ponowny spadek wartości sygnału przesłonięcia U. Położenie lokalnego maksimum sygnału U przy brzegu ścianki rury R odpowiada miejscu równoległego przejścia wiązki W przez ściankę rury R. Ponowny wzrost sygnału U pośrodku rury R spowodowany jest przejściem wiązki przez środek rury R. Kształt sygnału jest symteryczny względem środka rury R gdyż opisane zjawiska są identyczne z obu stron przesuwanej rury R.

5 Z poniższych równań, formuujących prawa załamania, odbicia oraz z twierdzenia sinusów: sinα = n sinβ gdzie n - współczynnik załamania dz - średnica zewnętrzna dw - średnica wewnętrzna pg - odległość zbocza w połowie jego wysokości a najbliższym maksimum pd - odległość między obu maksimami przy powierzchni rury wynika, że średnica wewnętrzna rurki opisana jest zależnością lub a grubość ścianki lub W ten sposób możliwy jest pomiar odległości między charakterystycznymi punktami sygnału przesłonięcia U jak odległości pd między pierwszym i ostatnim maksimum sygnału oraz odległość między zboczem i najbliższym maksimum pg. Grubość ścianki i średnicę wewnętrzną rury R wyznacza się z powyższych wzorów. Wartość średnicy zewnętrznej dz można wyznaczyć bezpośrednio przez pomiar odległości między zboczem opadającym i narastającym sygnału przesłonięcia w połowie jego wysokości lub przez pomiar innymi znanymi metodami.

6 Przesunięcie rury R wiązki można także zrealizować przez skanowanie, czyli przez przemiatanie wiązki laserowej W w poprzek mierzonej rury R. Jak to ilustruje fig. 3 obracające się zwierciadło skanujące ZS nadaje wiązce ruch kątowy. Soczewka pomiarowa SP przekształca ten ruch na przesunięcie poprzeczne wiązki W w obszarze pomiarowym, w którym znajduje się mierzona rura R. Detektor D rejestruje sygnał przesłonięcia U wiązki W przez mierzoną rurę R. Układ elektroniczny mierzy czasy tpd, tpg i tdz przedstawione na fig. 4 odpowiadające i proporcjonalne do odpowiednich odległości na wykresie przedstawiającym sygnał przesłonięcia U w poprzek rury R. Czasy te mierzy się również między charakterystycznymi punktami na wykresie sygnału przesłonięcia wiązki w poprzek rury R. FIG.4 FIG.3 FIG.1 FIG.2 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena zł