Метод и средства двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов

На правах рукописи 
 

ШВЕДОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ 
 
 
 
 

МЕТОД И  СРЕДСТВА ДВУХПАРАМЕТРОВОГО  

РЕЗОНАНСНОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ 

                                                               
 
 

Специальность:   05.11.13 –  Приборы и методы контроля природной

                                                 среды, веществ,  материалов  и  изделий 
 
 
 
 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 
 
 
 
 
 
 
 
 

Орел 2010

     Работа  выполнена в Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации 

     Научный руководитель:                кандидат технических наук, доцент

                                                             Лисичкин Владимир Георгиевич

                                                

     Официальные оппоненты:           доктор технических наук, профессор

                                                             Иванов Юрий Владимирович   

               кандидат технических наук, доцент

               Мишин Владислав Владимирович 

 

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (г. Москва) 
 

     Защита  состоится  27 апреля 2010 года  в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.01 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29. Ауд. 212.

     Факс: (4862) 41-98-19, тел.: (4862) 41-66-84 

     С диссертацией можно ознакомиться в  библиотеке Орловского государственного технического университета. 

     Автореферат разослан  «___»____________ 2010г. 

     Отзывы  на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу Совета университета: 302020, г. Орел,                 Наугорское шоссе, 29. 
 

Ученый  секретарь

диссертационного  Совета,

кандидат  технических наук,

доцент                                                                                                  Волков В. Н. 

Общая характеристика работы 

     Актуальность  темы. Практически во всех сферах деятельности человека возникает необходимость измерения влажности. В ряде отраслей промышленности (строительной, текстильной, легкой, пищевой, химической, электронной и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов. 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. В сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения различных агротехнических приемов. Влажность зерна и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих их качество, эффективность последующей переработки и возможность длительного хранения без потерь. Большое значение имеет влажность материалов в ВПК при производстве и хранении вооружения, военной техники и средств обеспечения повседневной деятельности войск. Вследствие этого контроль влажности различных материалов является актуальной задачей.

     Одним из перспективных методов контроля влажности материалов, которые в процессе увлажнения не образуют химических связей с водой (вода не входит в состав молекул материала), является диэлькометрический метод, основанный на взаимодействии электрического поля с веществом. Теория метода базируется на трудах Д. К. Максвелла, Г. А. Лоренца, К. В. Вагнера, П. Дебая, Г. Фрелиха. Методике диэлькометрии посвящены классические работы Г. И. Сканави, В. Брауна, Ф. Эме и современные исследования Т. Ханаи, С. Вена,     Г. П. де Лоора, А. А. Потапова, О. И. Гудкова. Большой вклад в развитие технических систем диэлькометрического контроля внесен трудами института механики полимеров (Латвия) под руководством И. Г. Матиса, школой Е. С. Кричевского в С.-Петербургском горном университете, лабораторией Московского института строительной физики под руководством В. С. Ройфе. Наиболее глубоко разработана диэлькометрическая влагометрия трудами А. Ю. Бера и Ю. П. Секанова (НПО «Агроприбор»), Т. Я. Гораздовского (Московское НПО «Спектр»), В. И. Корякова и А. С. Запорожец (Ур. НИИ метрологии), В. П. Катушкина (С.-Петербургский технологический университет) и многими другими.

     При диэлькометрическом контроле влажности  широко используются резонансные явления в измерительных преобразователях на основе колебательных контуров, в состав которых входят емкостные датчики влажности.

     Для уменьшения влияния дестабилизирующих  факторов на достоверность результатов контроля влажности применяют различные методы. Среди них наиболее перспективно использование параметрической модуляции, позволяющей избавиться от паразитных влияний и получить наиболее близкое к истинному значение контролируемой влажности. В широкодиапазонных схемах влагомеров применяют разновидность параметрической модуляции – линейную частотную модуляцию. Однако точность таких устройств ограничивается тем, что при линейном изменении частоты возбуждающего сигнала возникает погрешность от сдвига максимума резонансной кривой колебательной системы относительно его "истинного" значения. Данное явление "сноса" резонансной частоты возникает при быстрой перестройке и зависит от скорости развертки частоты и постоянной времени измерительного преобразователя, зависящей от добротности резонансной системы. Кроме того, на точность резонансного контроля влажности существенно влияет электрическая проводимость материалов, при повышении которой уменьшается добротность резонансного измерительного преобразователя, что приводит к возрастанию погрешности выделения экстремума по максимуму амплитуды выходного сигнала.

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

     Объектом  исследования в работе являются методы и средства диэлькометрического контроля влажности материалов.

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

     Целью диссертационной работы является повышение точности измерений влажности материалов при резонансном контроле 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 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 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 работы 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 автономных приборов 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.

     Реализация  и внедрение результатов  исследований.

     Результаты  исследований внедрены на ЗАО "Научприбор" (г. Орел).

     Апробация и публикации результатов  работы.

     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 семь печатных работ, включая пять статей в периодических изданиях и два патента на полезную модель на разработанные устройства, а также имеется положительное решение на выдачу патента на способ диэлькометрического контроля влажности материалов

     На  защиту выносятся  следующие положения:

     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.

     Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержание которых изложено на 170 страницах, содержит 44 рисунка и список источников из 89 наименований.