Метод и средства двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов

Актуальность темы

Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас биосферы, а также большинства материалов, используемых человеком. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов. Поэтому измерения влажности различных материалов и веществ занимают важное место в современной аналитической измерительной технике. Эти измерения важны для многих отраслей народного хозяйства и в целом ряде областей научных исследований.

Необходимость повышения достоверности результатов, получаемых при контроле влажности материалов, обусловлена следующими причинами:

— в строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов, теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений, конструкций и ограждений и, следовательно, их эксплуатационные качества, долговечность и надежность;

— по' прогнозам развития литейного производства песчано-глинистые формы сохранят свое доминирующее положение и в XXI векевлажность определяет значение многих других свойств формовочных смесей и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках Moiyr возникать газовые раковины;

— в сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения тех или иных агротехнических приемов. Контроль влажности почвы необходим для правильного орошения земель. Влажность зерна и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих их качество, эффективность последующей переработки и возможность длительного хранения без порчи и потерь;

— в ряде отраслей промышленности (текстильной, легкой, пищевой, химической и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов.

Таким образом, влажность промышленного сырья и полуфабрикатов оказывает большое влияние на качество выпускаемой продукции и производительность оборудования. В условиях повышения требований к конкурентоспособности отечественной продукции необходимо применение новых приборов и устройств экспрессного контроля влажности в большинстве технологических процессов.

В настоящее время все методы контроля влажности различных материалов и веществ можно условно разделить на две большие группы — прямые и косвенные. При использовании прямых методов производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. При использовании косвенных методов контроля измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Наибольший интерес в плане совершенствования аппаратуры контроля представляет группа косвенных методов, связанных с диэлькометрическими измерениями. Данные методы основаны на измерении диэлектрических свойств контролируемых материалов и получили широкое распространение благодаря многим преимуществам по сравнению с другими методами. Диэлькометрия дает возможность осуществления неразрушающе-го, быстродействующего контроля влажности широкого класса материалов и веществ без необходимости применения каких-либо средств биологической защиты для обслуживающего персонала при использовании сравнительно несложной, недорогой и надежной электронной аппаратуры, позволяющей выполнять измерения с достаточной точностью и имеющей неограниченные пределы совершенствования. При этом обеспечивается простота получения унифицированных выходных сигналов и широкие возможности для применения современных цифровых методов обработки сигналов и построения автоматизированных систем контроля.

В основе диэлькометрических методов лежит зависимость относительной диэлектрической проницаемости контролируемых материалов от их влажности. Емкостный датчик, основным элементом которого является первичный измерительный преобразователь — конденсатор, заполняется влажным материалом. При изменении влажности меняется диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества, пропорционально которой изменяется емкость датчика и ряд параметров резонансной системы (амплитуда, частота и фаза колебаний), в составе которой применяется емкостный датчик влажности.

Принцип действия большинства диэлькометрических приборов, применяемых для контроля влажности сыпучих материалов, основан на измерении амплитудных, частотных или фазовых параметров высокочастотного сигнала, снимаемого с первичного измерительного преобразователя. Значения измеряемых параметров практически зависят от многих сопутствующих факторов: активной электрической проводимости или сопротивления контролируемого материала, его минерального состава и плотности, температуры окружающей среды и т. п. Результаты контроля определяются совокупным влиянием перечисленных факторов, что существенно снижает их достоверность. Вследствие этого для повышения точности косвенных измерений влажности необходимо применять дополнительные меры по нейтрализации или компенсации целого ряда мешающих факторов.

Для уменьшения влияния различных дестабилизирующих факторов на достоверность результатов контроля влажности применяют самые различные способы. Наиболее перспективным является использование способов параметрической модуляции, при реализации которых измерительная цепь оказывается под воздействием двух сигналов. Один из них — рабочий — несет как полезную, так и избыточную информацию, а второй — управляющий — только меняет условия прохождения первого сигнала через измерительный преобразователь. Изменение условий прохождения рабочего сигнала означает, что в функцию цепи вводится какой-то новый известный параметр, значение которого можно задавать произвольно или по определенному закону, независимо от значений искомой переменной. Задавая параметру разделения сигналов различные значения можно избавиться от паразитных влияний и получить истинное значение измеряемой влажности.

Широкое распространение в практических схемах влагомеров находит линейная частотная модуляция. Общий принцип работы таких устройств заключается в том, что емкостный датчик используется в качестве элемента измерительного двухполюсника с модулируемыми параметрами. Изменение влажности контролируемого материала приводит к изменению емкости датчика, пропорционально которой изменяются амплитуда, частота и фаза высокочастотного сигнала на выходе измерительного двухполюсника. С помощью генератора пилообразного напряжения изменяют управляемую емкость измерительного двухполюсника до совпадения его резонансной частоты с частотой задающего генератора или, наоборот, автоматически регулируют частоту возбуждающего сигнала до ее совпадения с резонансной частотой двухполюсника. Влажность контролируемых материалов определяют в этих случаях по измеренным значениям отклонений амплитуды, частоты или фазы колебаний от их номинальных (исходных) значений.

Точность таких устройств контроля влажности ограничивается тем, что при линейном изменении частоты возбуждающего высокочастотного генератора или резонансной частоты измерительного двухполюсника возникает погрешность от «сноса» резонансной частоты, которая зависит от скорости развертки частоты и постоянной времени измерительного двухполюсника, являющейся функцией добротности резонансной системы.

Кроме того, на точность резонансного контроля влажности существенное влияние оказывает электрическая проводимость материалов, при повышении которой уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к возрастанию погрешности выделения экстремума по амплитуде выходного сигнала емкостного датчика. При увеличении проводимости ухудшается форма резонансной характеристики измерительного двухполюсника, которая становится более широкой и пологой, а ее максимум — расплывчатым. Это не позволяет обеспечить точное определение максимума амплитуды колебаний, вследствие чего значительно увеличивается общая погрешность измерения влажности контролируемых материалов.

Уменьшение погрешности измерений при осуществлении контроля влажности различных материалов невозможно без совершенствования аппаратуры контроля и улучшения характеристик влагомеров. Этим обстоятельством характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования в работе являются методы и средства диэль-кометрического контроля влажности материалов.

Предмет исследования — способы повышения точности измерений при резонансном контроле влажности материалов.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерений при резонансном контроле влажности материалов в условиях воздействия мешающих факторов.

К основным задачам исследований относятся:

— анализ особенностей применения параметрической модуляции при резонансном контроле влажности с наличием мешающих воздействий;

— разработка алгоритмов измерения резонансной частоты, обеспечивающих снижение инструментальной погрешности и расширение диапазона измерения при резонансном контроле влажности в условиях повышенной электропроводности материалов;

— разработка структур построения устройств для контроля влажности материалов с повышенной точностью и расширенным диапазоном измерения;

— экспериментальная проверка разработанных способов и структурных схем приборов резонансного контроля влажности материалов, с моделированием процесса контроля и оценкой погрешностей преобразования.

Методы и средства исследований. При решении поставленных диссертационных задач использовались методы общей теории систем и теории автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория погрешностей измерений, теория функций комплексного переменного, а также современные методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов и спектральный анализ электрических сигналов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— усовершенствован двухпараметровый метод резонансного контроля влажности материалов, повышающий точность измерений за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала с линейно изменяющейся частотой и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по смене знака фазовой характеристики;

— разработаны алгоритмы измерения резонансной частоты и амплитуды колебаний на выходе измерительного преобразователя, повышающие достоверность контроля влажности материалов за счет двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала с изменением скорости и направления развертки в каждом такте преобразования и применения автоматической коррекции погрешностей, а также использования двухконтурной схемы преобразователя;

— разработаны структурные схемы и алгоритмы работы приборов для контроля влажности, защищенные патентами на полезную модель, обеспечивающие автоматизацию процесса и повышение производительности контроля.

Практическая ценность заключается в том, что на основе проведенных исследований разработан и внедрен цифровой прибор для автоматического контроля влажности сыпучих материалов. Разработаны и экспериментально исследованы высокостабильные резонансные емкостные преобразователи с минимальным энергопотреблением, предназначенные для допускового контроля влажности. Разработаны схемы и конструкции универсальных емкостных датчиков с унифицированными выходными сигналами для приборов допускового контроля влажности, в том числе влажности почвы в целях автоматизации процесса полива в тепличных хозяйствах.

Результаты проведенных исследований внедрены на ЗАО «Научпри-бор» (г. Орел).

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «ИНФОРМТЕХ-2008» (г. Курск, 2008), на двух Всероссийских научных конференциях (г. Орел, Академия ФСО, 2007, 2009).

По материалам диссертационной работы опубликовано десять тезисов докладов, статья в журнале «Измерительная техника», четыре статьи в журнале «Известия ОрелГТУ», получены два патента РФ на полезные модели и решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2 305 280 от 27.08.2009.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный метод резонансного преобразования, обеспечивающий повышение достоверности результатов при контроле влажности материалов за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала линейно-изменяющейся частоты и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по изменению знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами измерительного преобразователя.

2. Схемотехническая модель процесса допускового контроля влажности по изменениям фазы выходного сигнала емкостного преобразователя, включенного в систему связанных резонансных контуров, при одновременной подаче на них возбуждающего сигнала линейно-изменяющейся частоты.

3. Структурные схемы и алгоритмы функционирования приборов для контроля влажности материалов, в которых за счет применения двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала и автоматической коррекции погрешностей преобразования ослаблено влияние электропроводности материалов на достоверность результатов контроля.

Выводы по четвертой главе.

1 Ни термостатно-весовой метод, ни отдельные технические средства контроля не позволяют получить достоверную и полную информацию о влажности твердых, сыпучих материалов и почвы. При этом погрешность калибровки или настройки влагомеров реально ограничивается на уровне +0,2% из-за среднеквадратической погрешности измерений термостатно-весовым методом.

2 В диапазоне частот от сотен килогерц до единиц мегагерц на точность измерения влажности влияют одни и те же параметры контролируемого материала: его влажность, температура, плотность, химический и механический состав. Это позволяет выбирать частоту сигнала, подаваемого на емкостной резонансный датчик, исходя из конструктивных требований по минимизации массогабаритных показателей и обеспечения стабильности частоты и амплитуды возбуждающего сигнала.

3 Применение современной микромощной элементной базы и жидкокристаллических индикаторов позволяет уменьшить потребляемую мощность и габаритные размеры аналоговой и цифровой части приборов, что дает возможность конструктивно размещать цифровые блоки с автономным питанием непосредственно в рукоятках емкостных датчиков и обеспечивать универсальность применения для контроля влажности различных материалов.

4 Для калибровки диэлектрических приборов контроля с емкостными датчиками влажности целесообразно использовать наборы образцовых RC-элементов для упрощения процессов периодической проверки линейности характеристики преобразования двухпараметровых влагомеров, и в случае необходимости выполнять регулировку чувствительности приборов.

5 В результате экспериментальных исследований генераторного влагомера построены зависимости, позволяющие обеспечить контроль влажности сыпучих материалов по результатам измерения частоты резонанса и току потребления, который прямо пропорционален проводимости материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые сформулированы и обоснованы следующие положения.

1 Усовершенствован двухпараметровый метод резонансного контроля влажности материалов, позволяющий повысить точность измерений за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала с линейно изменяющейся частотой и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по смене знака фазовой характеристики.

2 Разработаны способы и алгоритмы измерения резонансной частоты и амплитуды колебаний на выходе измерительного преобразователя, повышающие достоверность контроля влажности материалов за счет двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала с изменением скорости и направления развертки в каждом такте преобразования и применения автоматической коррекции погрешностей, а также использования двухконтурного преобразователя влажности.

3 Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы приборов для контроля влажности сыпучих материалов, защищенные патентами на полезную модель, обеспечивающие автоматизацию процесса и повышение производительности контроля.

Кроме того, в результате проведенных диссертационных исследований решены следующие научно-технические задачи.

1 Проведен анализ математической модели процесса измерения влажности и модели диэлькометрического датчика, позволяющих определять и контролировать влажность сыпучих материалов с различной электрической проводимостью по двум параметрам — частоте и амплитуде выходных колебаний датчиков влажности, совместная обработка которых обеспечивает высокую информативность и достоверность результатов контроля.

2 Исследован метод резонансного контроля влажности сыпучих материалов, позволяющий минимизировать инструментальную погрешность преобразования за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала, подаваемого на емкостной датчик, в зависимости от свойств материала. Применение автоматической стабилизации амплитуды выходного сигнала емкостного резонансного датчика позволяет использовать в качестве второго информативного параметра сигнал разбаланса, определяемый отклонением амплитуды выходного сигнала датчика от порогового значения, и использовать его для коррекции результатов или подавления влияния электрической проводимости контролируемого материала.

3 Разработаны принципиальная схема цифрового влагомера с автономным питанием и конструкции емкостных датчиков, которые внедрены в лаборатории СКБ «Научприбор» и используются при выполнении опытно-конструкторской работы по подготовке производства к выпуску портативных влагомеров с автономным питанием для целей сельского хозяйства.

4 Предложены и исследованы новые способы обработки фазовых параметров высокочастотных сигналов в приборах резонансного двухпарамет-рового контроля влажности с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала емкостного преобразователя.

5 На основе предложенных алгоритмов преобразования разработаны структурные схемы приборов для контроля влажности сыпучих материалов. Новизна предложенных технических решений зафиксирована в патентах на полезные модели и заявке на изобретение устройства контроля влажности.

6 Разработана и исследована схема двухпараметрового датчика влажности для приборов с автономным питанием, характеризующаяся высокой чувствительностью при сравнительной простоте конструкции, применение которой позволяет выполнять измерения влажности материалов с большой электрической проводимостью при использовании емкостного датчика с диэлектрическим покрытием электродов.