Метод и средства двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов

Содержание  работы 

     Во  введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, показаны направления исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

     В первой главе проведен аналитический обзор методов контроля влажности материалов и способов повышения точности диэлькометрического метода. В результате анализа установлена перспективность применения двухпараметрового резонансного метода контроля для измерения влажности материалов, которые при увлажнении не образуют с водой устойчивых химических связей, а при удалении влаги полностью восстанавливают свои свойства. Такой метод реализуется посредством цифрового измерения и обработки амплитудных и фазочастотных параметров выходных сигналов емкостных датчиков.

     Методы  измерения влажности в общем  случае принято делить на две группы: прямые и косвенные. При использовании прямых методов производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. При использовании косвенных методов измеряют вторичные величины, функционально связанные с контролируемой влажностью материала. Прямые методы (чаще всего это термостатно-весовой метод) применяют, в основном, для получения градуировочных зависимостей при калибровке влагомеров под различные материалы. Среди косвенных методов измерения влажности наибольшее распространение получили кондуктометрические и диэлькометрические методы. Область применения кондуктометрических методов ограничена малыми и средними значениями влажности.

     Среди диэлькометрических методов измерения влажности особое место занимают резонансные, для которых характерно использование явления резонанса в колебательном контуре с сосредоточенными параметрами, одним из элементов которого является емкостный датчик влажности. Такие методы получили широкое распространение благодаря ряду достоинств, главными из которых являются высокая чувствительность и значительная помехоустойчивость, обусловленные избирательными свойствами резонансных контуров. При контроле влажности резонансными методами используют зависимости амплитуды, частоты и фазы напряжения на выходе измерительного преобразователя на основе LC-контура от влажности материала, изменяющей его диэлектрическую проницаемость, которая влияет на комплексную проводимость емкостного датчика, включенного в резонансный контур.

     Электрические свойства влажных материалов в слабых переменных электрических полях можно описать любыми двумя параметрами, связанными с комплексной диэлектрической проницаемостью с учетом ее вещественной и мнимой составляющих, или диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь материала, а также величиной и удельной проводимостью материала s (точнее, ее активной составляющей).

     Зависимости между этими величинами имеют  следующий вид:

      Активные  потери в исследуемом материале  складываются из диэлектрических потерь и потерь проводимости. Диэлектрические потери определяются совокупностью всех видов поляризации, и на различных частотах поля могут иметь место отдельные виды поляризации, имеющиеся в материале.

     Если  не учитывать влияние индуктивности (на частотах до 30 МГц), то эквивалентную схему влажного материала в синусоидальном электрическом поле можно представить в виде параллельного соединения RC-элементов (рис. 1).

Рисунок 1 – Эквивалентная схема замещения влажного материала

   в электрическом поле при 

(а) и его векторная диаграмма (б)  

     Изменение активной проводимости материала является возмущением, воздействующим на выходную электрическую величину датчика и, следовательно, на измерительную систему влагомера. Логическим следствием является необходимость исключения влияния электрической проводимости на результаты контроля влажности материалов.

     Проведенный анализ показал, что существующие методы диэлькометрического контроля не позволяют решить задачу высокоточного измерения влажности материалов в широком диапазоне изменения влажности при воздействии мешающих факторов, особенно активной проводимости материала. В связи с этим необходимо усовершенствовать резонансный метод диэлькометрического контроля и оптимизировать параметры контролирующей аппаратуры на основании проведения теоретических и экспериментальных исследований.

     Во  второй главе разработаны и представлены модели процесса двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов с повышенной активной проводимостью и рассмотрены некоторые побочные явления, возникающие при быстрой перестройке частоты возбуждающего генератора.

     Описание процесса измерения влажности нелинейным стохастическим дифференциальным уравнением с переменными параметрами позволяет представить его модель в виде эквивалентного колебательного L_КC_К-контура с подключенным к нему через конденсатор изоляции С_И емкостным датчиком, имеющим емкость C_Х и сопротивление R_Х (рис. 2, а).

     При известных параметрах контура его резонансная частота , где – есть функция от емкости датчика C_Х , зависящей от влажности контролируемого материала.

     При наличии активных потерь добротность контура уменьшается, а измеряемая частота отличается от резонансной частоты .

     Погрешность определения резонансной частоты и влажности по максимуму резонансной кривой становится тем больше, чем больше потери в контролируемом материале (рис. 2, б).

                                          

                          

                          а                                                            б

     Рисунок 2 − Эквивалентная схема измерительного преобразователя (а),

        и графики изменения дополнительной погрешности при резонансном

измерении влажности в условиях наличия активных потерь (б)

                                                                                         

     При наличии потерь сопротивление датчика  становится величиной комплексной, а измеряемая частота зависит от "кажущейся" емкости , величина которой тем больше отличается от истинной емкости , чем больше потери в среде:

     

,

где – фактор, учитывающий геометрию электродов в контролируемой среде, – релаксационная составляющая диэлектрической проницаемости.

     Определение резонансной частоты сводится к вычислению истинной емкости датчика

     

,

 где ,  ,

      . 

     В это выражение входит проводимость потерь G_X, от величины которой зависит второй информативный параметр – амплитуда напряжения на контуре, по измеренным значениям которого определяются потери: 

     

. 

     С учетом потерь вычисляется истинная емкость датчика , а затем и резонансная частота . Предложенная функциональная обработка сигналов позволяет скомпенсировать одну из составляющих методической погрешности влагомеров, зависящей от проводимости контролируемого материала.

     При стабилизации амплитуды выходного  сигнала датчика информация о значении контролируемой влажности содержится в изменении частоты выходного сигнала преобразователя. При этом резонанс в системе наиболее точно определяется по фазовой характеристике, поэтому для повышения достоверности контроля необходимо, в первую очередь, уменьшать погрешность измерения этих параметров. 

     В существующих влагомерах, реализующих аналогичный принцип преобразования, точность ограничена инструментальной ошибкой измерения фазы Dj » (1…3)°, что при больших потерях в емкостном датчике приводит к ошибке определения резонансной частоты , достигающей единиц килогерц.

     Предложен и рассмотрен перспективный способ повышения точности измерений при резонансном диэлькометрическом контроле влажности в условиях воздействия мешающих факторов, основанный на линейном изменении частоты возбуждающего сигнала.

     При реализации этого способа с помощью генератора пилообразного напряжения изменяют частоту возбуждающего высокочастотного генератора до ее совпадения с резонансной частотой измерительного контура.

     Динамические  процессы в резонансной системе, моделью которой является колебательный контур, описываются линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка:

     

,

где  – мгновенная фаза.

     При входном сигнале в виде переменного тока

,

решение дифференциального уравнения, полученное численным методом Рунге – Кутта четвертого порядка, графически представлено на рисунке 3, б и позволяет оценить влияние скорости развертки частоты на погрешность "сноса".  

                    а                                                                       б 

                   в                                                                                   г

Рисунок 3 – Закон изменения частоты возбуждающего ЛЧМ-сигнала (а);

диаграмма изменения выходного сигнала при скорости перестройки             частоты V_f =100 кГц/мс (б); амплитудный (в) и фазовый (г) резонансы в колебательном контуре при возбуждении ЛЧМ-сигналом

     При быстром изменении частоты возбуждающего сигнала возникает ряд негативных явлений. Во-первых, максимальное значение огибающей выходного сигнала (амплитудный резонанс, рис. 3, в) не совпадает с частотой нуля фазовой характеристики колебательного контура (фазовый резонанс, рис. 3, г), и оба резонанса не совпадают с истинной резонансной частотой контура, которая зависит только от значений параметров реактивных элементов. Во-вторых, наблюдается уменьшение максимума значения огибающей амплитуды колебаний, которое практически может ограничить диапазон измерения контролируемой влажности.

     К основным путям преодоления этих явлений, снижающих точность измерений – "сноса" резонансной частоты и уменьшения амплитуды выходного сигнала – относятся: применение двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала с изменением направления и скорости развертки во втором такте преобразования; использование генератора импульсов тока в качестве источника возбуждающего сигнала и автоматическая стабилизация амплитуды выходных колебаний емкостного резонансного преобразователя.

     Радикальным способом, позволяющим уменьшить влияние мешающих факторов на точность измерений, является одновременная подача возбуждающего сигнала на образцовый и исследуемый измерительные преобразователи и сравнение их амплитудно-фазовых параметров в реальном масштабе времени.

     При анализе свойств двух измерительных преобразователей, работающих в системе взаимосвязанных контуров, проведено схемотехническое моделирование устройств по программе Electronics Workbench (EWB) при различном сочетании и варьировании контролируемых RLC-параметров (рис. 4).