Метод и средства двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов

Рисунок 4 – Моделируемая схема (а) и ее частотные характеристики (б) 

     Для повышения точности определения резонансной частоты предложено возбуждать преобразователь импульсами изменяющейся во времени частоты и при появлении нулевого значения фазы D измерять резонансную частоту контура.

     В третьей главе разработаны и исследованы резонансные способы контроля влажности материалов с повышенной точностью и предложены различные структурные схемы построения приборов двухпараметрового контроля.

     С учетом выводов из анализа применения ЛЧМ-сигналов при резонансном контроле предложено изменять скорость и направление развертки частоты импульсов возбуждающего тока в двух тактах преобразования и использовать в качестве второго информативного параметра амплитуду резонансных колебаний. Данный алгоритм реализуется устройством (рис. 5), в котором амплитуда сигнала выделяется амплитудным детектором АД, а фаза – формирователями импульсов ФИ1, ФИ2 и D-триггером, выполняющим функцию фазового компаратора.  
 

 

Рисунок 5 – Структурная схема прибора двухпараметрового контроля с изменением направления и скорости развертки частоты возбуждающего сигнала

     Блок  обработки БОД управляет аналоговым коммутатором АК, который служит для изменения скорости и направления развертки частоты импульсов. Для цифрового измерения резонансной частоты , выделяемой по нулевой разности фаз ±Dj  при контроле влажности материала, на блок обработки подаются импульсы высокой частоты от тактового генератора ГТИ. После обработки данных результаты контроля выводятся на цифровой индикатор ЦИ.

     При реализации предложенного способа контроля предусмотрено измерение среднего значения частоты на интервале времени Т_ИЗМ, кратном периоду сетевого напряжения (20 мс), что позволяет ослабить влияние помех промышленной частоты на результат преобразования. Кроме того, за счет автоматической регулировки амплитуды импульсов возбуждающего тока в ПНТ стабилизируется амплитуда выходного сигнала LC-контура. Поэтому инструментальные погрешности детектора АД и формирователей пренебрежимо малы и практически не оказывают влияния на достоверность результатов контроля.

     При высокой частоте возбуждающего сигнала ³ 30 МГц возможен дополнительный сдвиг фаз между измерительными каналами из-за разброса динамических параметров элементов даже при их одинаковом количестве в каждом канале. Для реализации таких приборов предложено применять аддитивную коррекцию погрешностей, выполняемую перекрестным переключением каналов преобразования в двух соседних тактах с последующим вычислением полусуммы результатов измерений, получаемых в этих тактах.

     Для повышения надежности срабатывания D-триггера, выполняющего функцию фазового компаратора, необходимо на его входы подавать импульсы, имеющие скважность Q = 2. С учетом этого предложено использовать в составе управляемого генератора УГИ дополнительные триггеры, обеспечивающие двукратное деление частоты импульсов, и применять в каждом измерительном канале одинаковые функциональные узлы.

     Изменение направления развертки частоты  возбуждающего сигнала с одинаковой скоростью в двух тактах преобразования реализовано в устройстве со следящей автоподстройкой частоты (рис. 6). 

     

 

     Рисунок 6  – Структурная схема допускового следящего влагомера

      

     Для повышения фазовой чувствительности в этом устройстве применена двухконтурная схема включения эталонного и рабочего емкостных датчиков. При проведении контроля в эталонный датчик с емкостью , подключаемый к образцовому -контуру, устанавливается материал с известной диэлектрической проницаемостью, а подключенный к LC-контуру рабочий емкостный датчик размещается в контролируемой среде. Такое построение устройства позволяет обеспечить высокую чувствительность при допусковом контроле влажности материалов.

       Применение микропроцессорного блока обработки данных БОД позволяет линеаризовать характеристику преобразования и выводить результаты контроля на цифровой индикатор непосредственно в процентах влажности.

     Один  из алгоритмов обработки фазовых  параметров при контроле влажности материалов реализован устройством (рис. 7). В процессе контроля на LC-контур подают импульсы возбуждающего тока , а амплитуду выходного сигнала преобразователя сравнивают с пороговым уровнем напряжения . Затем усиливают сигнал разбаланса в раз и этим усиленным сигналом регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока.

     Импульсы  выходного сигнала резонансного преобразователя сравниваются по фазе с импульсами генератора ГИ логическим элементом 2И, длительность импульсов на выходе которого пропорциональна разности фаз. 

     

 

     Рисунок 7  – Структурная схема прибора с фазовым компаратором на элементе 2И

     В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки функциональных узлов двухпараметровых влагомеров и обоснования выбора схемотехнических решений по построению отдельных блоков, в частности генераторов импульсов. При проведении экспериментальных исследований использован генераторный принцип – емкостный датчик подключался к цепи обратной связи высокочастотного генератора импульсов на быстродействующих логических элементах. Для измерения резонансной частоты применялся цифровой частотомер. При разработке принципиальных схем высокочастотных генераторов использована программа схемотехнического моделирования Electronics Workbench (EWВ), позволяющая автоматизировать расчет электронных устройств и уделять основное внимание изучению динамических процессов, протекающих в электрических схемах приборов контроля.

     В портативных приборах контроля влажности  предложено использовать универсальную схему двухпараметрового генераторного датчика на полевом транзисторе с измерительным LC-контуром (рис.8, а). 
 

     

Рисунок 8 – Принципиальная схема (а) и зависимость напряжения U_Р

генераторного датчика влажности от сопротивления  материала (б) 

     В данной схеме полевой транзистор VT в каждом периоде колебаний открывается только на короткое время, а гармонический выходной сигнал формируется за счет избирательных свойств LC-контура. Благодаря высокой добротности контура обеспечивается стабильность частоты колебаний и нелинейная зависимость падения напряжения на образцовом резисторе R₂ от сопротивления материала.

     Согласно  графику экспериментально снятой зависимости напряжения от тока питания генератора (рис. 8, б), понижение сопротивления контролируемого материала приводит к увеличению напряжения от единиц до сотен милливольт. Это напряжение затем кодируется с помощью АЦП, входящего в состав микропроцессорного блока цифрового влагомера, и совместно с резонансной частотой используется для вычисления и коррекции результатов измерения влажности в зависимости от электрической проводимости материала.

     Градуировка двухпараметрового прибора контроля проведена по стандартной методике посредством сравнения измеряемых параметров (частоты резонанса и напряжения разбаланса) с результатами измерения влажности термостатно-весовым методом. При этом в качестве контролируемого материала использовались два вида песка – кварцевый и речной. Образцы песка предварительно высушивались, затем помещались в емкостный датчик и последовательно увлажнялись с дискретностью в 5% начального веса.

     В результате проведенных исследований и статистической обработки результатов измерений (по 10 измерений для каждого значения влажности) получены градуировочные кривые прибора для двух видов материала (рис. 9).

     При построении данных градуировочных характеристик использовались средние значения относительного изменения резонансной частоты (рис. 9, а) и напряжения (рис. 9, б). На основании полученных данных составлена таблица поправочных коэффициентов, записанных в память микропроцессора, которые используются для вычисления и представления результатов измерений на цифровом индикаторном табло прибора непосредственно в процентах влажности. 
 

 

Рисунок 9 – Градуировочные кривые двухпараметрового влагомера (а, б) для

кварцевого  песка (1), и речного песка (2) 

     В результате статистической обработки результатов экспериментальных исследований определена основная погрешность влагомера: при СКО в пределах 0,05÷0,1 % среднее отклонение от результатов, полученных термостатно-весовым методом в диапазоне контроля влажности от 0 до 45 %, составляет ±(0,1…0,3) % (рис. 10). При этом максимальная погрешность прибора не превышает значения 0,6% даже с учетом случайной погрешности от неравномерного распределения влаги в материале, погрешностей аппроксимации характеристики преобразования и дискретности счета.  

     Рисунок 10 – Погрешности измерения влажности двух видов песка

     Основные  результаты и выводы 

     В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

     1. Усовершенствован метод диэлькометрического резонансного контроля влажности материалов, основанный на функциональной связи между амплитудно-частотными  параметрами измерительных преобразователей и влажностью, отличающийся изменением крутизны и направления развертки возбуждающего сигнала, обеспечивающий повышение точности измерения резонансной частоты при контроле влажности материалов в широком диапазоне;

     2. Разработан способ резонансного контроля влажности материалов, позволяющий уменьшить инструментальную погрешность преобразования за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала, подаваемого на емкостный датчик, в зависимости от свойств материала. При этом обеспечена стабилизация амплитуды выходного сигнала емкостного датчика с относительной погрешностью ± 0,1 %, а сигнал рассогласования используется для коррекции амплитуды возбуждающего сигнала и отстройки от влияния активной электрической проводимости контролируемого материала. 

     3. Предложены и исследованы новые алгоритмы обработки фазовых параметров высокочастотных сигналов в приборах двухпараметрового резонансного контроля влажности, позволяющие исключить влияние гистерезиса при фазовых измерениях за счет применения аддитивной коррекции погрешности.

     4. На основе предложенных алгоритмов преобразования разработаны структурные схемы приборов для контроля влажности твердых и сыпучих материалов, позволяющие за счет совместной обработки двух информативных параметров в полтора раза уменьшить погрешность измерений при контроле влажности материалов с активными потерями. Новизна предложенных технических решений подтверждена патентами на полезные модели и положительным решением по заявке на изобретение устройства контроля влажности.

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

     Список  опубликованных работ

     1. Шведов, С. Н. Сравнительный анализ моделей диэлектрических свойств почвы при автогенераторных измерениях влажности [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Измерительная техника, № 2, 2008. – С. 64 – 67. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

     2. Шведов, С. Н. Повышение точности многопараметровых приборов контроля с резонансным преобразованием [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 1/ 279(592), 2010. – С. 88 – 95. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

     3. Шведов, С. Н. Высокочувствительные двухконтурные устройства контроля влажности почвы [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 2/274 (560), 2009. – С. 91 – 97.