Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор применяемых способов сушки древесины и методов контроля влажности 12
1.1 Свойства древесины как объекта сушки 12
1.2 Влагоперенос в древесине 15
1.3 Обзор различных способов сушки древесины 20
1.4 Анализ существующих режимов конвективной сушки древесины 28
1.5 Дефекты сушки древесины 31
1.6 Показатели качества сушки древесины 36
1.7 Обзор методов контроля влажности древесины
1.7.1 Прямые методы контроля влажности древесины 38
1.7.2 Косвенные методы контроля влажности
1.8 Обзор методик расчета процессов влагопереноса при сушке древесины. 43
1.9 Обзор существующих систем для управления процессом конвективной сушки древесины 45
Выводы к главе 1 48
Глава 2 Математическое моделирование процессов тепло - и массопереноса при конвективной сушке пиломатериалов 49
2.1 Математическая модель для расчёта полей температуры и влажности 49
2.2 Численный метод решения задачи 51
2.3 Алгоритм работы по анализу .кинетики и динамики процессов сушки древесины 56
2.4 Результаты численного исследования 64
2.5 Верификация результатов численного исследования 64
.2.6 Разработка оптимальных режимов конвективной сушки пиломатериалов при помощи численного анализа 68
2.6.1 Численный анализ прерывистых режимов конвективной сушки пиломатериалов
2.6.2 Численный анализ осциллирующих режимов конвективной сушки пиломатериалов 71
2.6.3 Численный анализ импульсных режимов конвективной сушки пиломатериалов 72
2.7 Оценка адекватности одномерной модели тепло- и влагопереноса применительно к реальным процессам в штабеле пиломатериалов 75
Выводы к главе 2 78
Глава 3 Разработка иис для управления процессом сушки пиломатериалов 79
3.1 Измерение влажности древесины в процессе камерной сушки 79
3.2 Информационно-измерительная система для управления процессом сушки древесины 82
3.3 Измерение влажности древесины на потоке 87
3.3.1 Комбинированный оптико-диэлькометрический метод контроля влажности 88
3.3.2 Комбинированный метод контроля влажности, основанный на измерении влажности на различных частотах внешнего электрического поля 95
3.3.3 Анализ погрешностей ИИС, реализующей комбинированные методы контроля влажности
Выводы к главе 3 107
Глава 4 Экспериментальные исследования 108
4.1 Экспериментальная установка.- 108
4.2 Экспериментальные исследования 109
Выводы к главе 4 118
Заключение 119
Список литературы
- Анализ существующих режимов конвективной сушки древесины
- Алгоритм работы по анализу .кинетики и динамики процессов сушки древесины
- Комбинированный метод контроля влажности, основанный на измерении влажности на различных частотах внешнего электрического поля
- Экспериментальные исследования
Введение к работе
Актуальность темы. Современный промышленный рынок диктует постоянную тенденцию к повышению качества выпускаемой продукции и снижению ее себестоимости, и поэтому развитие промышленности связано с совершенствованием технологических процессов и снижением энергетических затрат. Сушка древесины - один из основных технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Являясь одним из самых энергоёмких процессов в промышленности, в деревообработке она является ещё и самым ответственным этапом, так как от её качества зависит долговечность изделия в целом. Повышение эффективности процесса сушки возможно за счет сокращения расхода энергии и снижения потерь на технологический брак.
Древесина является сложным объектом, т.к. обладает неоднородной структурой и характеризуется анизотропными свойствами.
В настоящее время сушка древесины на предприятиях проводится в конвекционных сушильных камерах по сушильной программе, согласно которой в пространстве камеры параметры сушильного агента изменяются по заданному закону.
Системы управления процессом сушки в большинстве производимых сушильных установок опираются на приближенные эмпирически определенные графики сушильного процесса, учитывают лишь параметры сушильного агента без учета информации о температуре и влажности древесины в течение всего процесса сушки и не позволяют решить задачу оптимизации энергетических затрат. Нормативные и справочные документы регламентируют применение ступенчатых режимов сушки древесины, что позволяет лишь косвенно учесть влажностное состояние материала и изменение его теплофизических свойств.
Одним из перспективных направлений повышения энергоэффективности процессов сушки является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, имеющих обратные связи по параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала. Однако реализация таких систем требует достоверного математического описания объекта регулирования, а именно процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам теории расчёта процессов тепло- и влагопереноса в капиллярно-пористых телах в процессе сушки посвящены труды учёных: Афанасьева А. М., Гороховского А. Г., Кречетова И. В., Лыкова А. В., Рассева А.И., Федяева А. А и др. Дальнейшие исследования в данной области требуют получения достоверного математического описания процессов тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки с учетом зависимости теплофизических свойств древесины от ее температуры и влажности, а интенсивности влагообмена - от параметров сушильного агента.
Вопросам конструирования приборов и систем контроля влажности посвящены труды учёных: Берлинера М. А., Кричевского Е. С., Лапшина А. А., Мелкумяна В. Е., Музалевского В. И., Познаева А. П., Ройфе В. С. и др. Дальнейшей актуальной темой исследования в данной области является разработка информационно-измерительных систем для управления процессами сушки древесины, позволяющих получать информацию не только о текущей средней влажности пиломатериала, но и о неравномерности распределения влаги в материале в процессе сушки
Цель работы состоит в совершенствовании технологии конвективной сушки древесины путем повышения энергоэффективности процесса и снижения величины потерь на технологический брак.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Произведен анализ существующих способов сушки древесины, из которого следует, что наиболее целесообразным с точки зрения надежности, энергоэффективности и инвестиционных затрат является использование конвективного способа сушки пиломатериалов.
2. Разработана математическая модель совместного тепло- и влагопереноса в древесине, позволяющая рассчитывать температурное поле, распределение влаги и механические напряжения в пиломатериале в зависимости от параметров режима сушильного процесса.
3. Разработана структурная схемы информационно-измерительной системы для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, позволяющей получать информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала в процессе сушки.
4. Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов позволяющие определить неравномерность влажности по глубине материала.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теоретических основ теплотехники, термодинамики, теории теплопроводности и тепломассообмена, электротехники, теории автоматического управления, численные методы решения задач тепломассообмена, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также корреляцией полученных результатов с экспериментальными данными и выводами других исследователей.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель совмещенного процесса тепло- и влагопереноса в древесине в процессе сушки, отличающаяся тем, что в ней учтены влияние термодиффузии на поток влаги и зависимость теплофизических свойств древесины от ее температуры и влажности, что позволяет рассчитывать нестационарный процесс прогрева и сушки древесины и тем самым повысить точность расчетов и обоснованно выбирать режим сушильного процесса.
2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, отличающаяся тем, что она учитывает информацию о текущей влажности по глубине пиломатериала и в различных слоях штабеля.
3. Разработаны структурные схемы систем непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов, отличающиеся тем, что они позволяют определить неравномерность влажности по глубине материала.
Практическая значимость результатов.
1. Получена методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки, позволяющая разрабатывать энергоэффективные режимы сушки.
2. Разработана структурная схема ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов, имеющей обратные связи по параметрам режима сушки и по текущей влажности пиломатериала, что позволит сократить затраты энергии на проведение процесса сушки.
3. Разработаны структурные схемы приборов контроля влажности, позволяющих производить непрерывный быстродействующий неразрушающий контроль влажности древесины на потоке с оценкой неравномерности влажности по глубине материала.
Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета, а также внедрены на ООО «Светла» и ИП Поляков А.Е..
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель технологического процесса сушки пиломатериалов, позволяющая провести оптимизацию параметров режима сушки.
2. Методика численного расчета нестационарных полей распределения температуры и влаги в пиломатериалах в процессе конвективной сушки.
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 1 – «Научное обоснование перспективных информационно-измерительных и управляющих систем, систем их контроля, испытаний и метрологического обеспечения, повышение эффективности существующих систем», пункту 6 – «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных межвузовских научно-практических конференциях филиала ГОУ ВПО "МЭИ (ТУ)" в г. Волжском (2010-2013 гг.), III всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо- энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» г. Волжский (28–30.09.2010), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (20-23.09.2011), на XXIII международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «МИКМУС-2011», г. Москва (14-17.12.2011), на XXV международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ–25» г. Волгоград, (29-31.05.2012), на межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград-2013» г. Волгоград (9-11.04.2013), на международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» г. Прага, Чехия (22-26.04.2013 г), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» г. Волжский (24-27.09.2013).
Личный вклад автора заключается в том, что им а) получена математическая модель совмещенного тепло- и массопереноса при сушке пиломатериалов [1, 11]; б) произведено моделирование энергоэффективных режимов конвективной сушки [8, 9, 10]; в) совместно с научным руководителем разработаны структурные схемы ИИС для управления процессом конвективной сушки пиломатериалов и ИИС непрерывного быстродействующего неразрушающего контроля влажности пиломатериалов [2,4,5].
Публикации. Основные результаты исследования представлены в 11 работах, 2 из которых – патенты РФ, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 121 страницу, 47 рисунков, 6 таблиц и список литературы (126 наименований).
Анализ существующих режимов конвективной сушки древесины
Древесина состоит из разнообразных растительных клеток преимущественно удлиненной формы. В древесине хвойных пород основным типом клеток являются трахеиды, а лиственных пород - волокна либриформа и сосуды. Кроме того, имеются клетки сердцевинных лучей и в небольшом количестве клетки древесной паренхимы [65].
Полости клеток, соединенные между собой порами, образуют в древесине микрокапиллярную систему, которая хорошо проницаема для жидкостей и газов в направлении вдоль волокон и значительно меньше - поперек волокон.
Стенки клеток имеют волокнистое строение. Они формируются из отдельных волоконец - микрофибрилл, ориентированных вдоль оси клетки или под небольшим углом к ней. Микрофибриллы состоят из переплетённых между собой цепных молекул целлюлозы. Между микрофибриллами размещаются другие органические вещества - гемицеллюлозы и лигнин, а также имеются свободные сообщающиеся пространства, заполненные воздухом и влагой, количество которой непостоянно. Следовательно, в стенках клеток имеется своя капиллярная система, однако более тонкая, чем макрокапиллярная [46]. Микроскопическое строение древесины сосны показано на рисунке 1.1.
Влага в древесине может находиться как в полостях клеток, заполняя макрокапиллярную систему, так и в их стенках. Влагу, находящуюся в полостях клеток и в пространствах между клетками, назьшают свободной, а в клеточных стенках - связанной.
Содержание связанной влаги в древесине ограничено. Состояние, при котором стенки клеток имеют максимальную влажность при соприкосновении их с жидкой влагой, называется пределом их насыщения. Влажность предела насыщения практически не зависит от породы [11].
Если древесину длительное время выдерживать в воздухе неизменного состояния, то её влажность будет стремиться к определённой величине, которая называется устойчивой влажностью. Устойчивую влажность древесина может достигнуть, либо поглощая влагу из воздуха (сорбция), либо отдавая её в воздух (десорбция).
Влагу из воздуха могут поглощать только клеточные стенки [46]. Появление свободной влаги при этом невозможно, даже если воздух будет насыщен водяным паром. Максимальная устойчивая влажность, которую приобретает древесина при длительной выдержке в воздухе, насыщенном влагой, называется влажностью предела гигроскопичности озпг . Предел гигроскопичности, следовательно, такое состояние, при котором древесина поглотила путём сорбции максимально возможное количество связанной влаги, но не содержит свободной. При комнатной температуре влажность предела гигроскопичности составляет около 30 %. Устойчивая влажность древесины зависит только от температуры їй степени насыщения р воздуха [71].
Процессы сорбции и десорбции не вполне обратимы. При одинаковом состоянии воздуха устойчивая влажность при сорбции оус меньше, чем устойчивая влажность при десорбции со . Разность между ними называется показателем гистерезиса сорбции. Его величина зависит в основном от размеров древесного образца. Древесные сортименты крупных сечений - бруски, доски, заготовки - имеют показатель гистерезиса, равный в среднем 2,5 %.
Например, если два отрезка доски - один влажностью около 30 %, а другой в абсолютно сухом состоянии - выдерживать в воздушной среде с 1= 20 С и ср = 0,4, то через некоторое время масса образцов изменится: у первого уменьшится (в результате десорбции), а у второго увеличится (в результате сорбции). После достаточно длительной выдержки масса образцов изменяться не будет. Это означает, что первый образец приобрёл устойчивую влажность при десорбции, её величина равна 9 - 9,5 %, а второй образец - устойчивую влажность при сорбции, которая составляет б - 7,5 %. Древесные опилки с аналогичными исходными данными при выдержке в тех же условиях приобретут влажность около 8 %.
Устойчивую влажность измельчённой древесины, практически одинаковую при сорбции и десорбции, называют равновесной влажностью. При расчётах её величину определяют по диаграмме равновесной влажности, разработанной профессором П.С.Серговским. Она построена в координатах температура - степень насыщения воздуха воздуха с линиями постоянного значения равновесной влажности древесины сор = const. Данная диаграмма
применима для определения равновесной влажности практически всех сортов древесины, кроме тропических пород.
Алгоритм работы по анализу .кинетики и динамики процессов сушки древесины
Применяемая в настоящее время на практике методика расчета влажности древесины в процессе сушки не учитывает нестационарный процесс нагрева пиломатериала, а также изменение коэффициентов влагопроводности, влагообмена, теплофизических свойств древесины в процессе сушки и влияние термодиффузии на процесс сушки. Решение дифференциальных уравнений сушки аналитическими методами не всегда возможно, и задача получения распределения температуры и влажности в зависимости от параметров сушильного агента может быть решена численно с помощью математического моделирования.
Рассмотрим процесс конвективной сушки в воздушном потоке одиночной доски, показанной на рисунке 2 1а Расчёт полей температуры t [С] и влажности со [кг/кг] в образце в процессе сушки проводим при следующих допущениях: - ввиду того, что длина пиломатериалов L во много раз превышает толщину доски 2d и ее ширину В, учет термовлагопереноса в аксиальном направлении нецелесообразен, - влагоотдача с боковых торцов пренебрежимо мала по сравнению с влагоотдачей с поверхности: данное допущение справедливо для пиломатериалов с шириной B 40d, а также для пиломатериалов, укладываемых в штабель без шпаций (см. рисунок 1.2), - интенсивность теплообмена поверхности образца с набегающим потоком воздуха в каждый момент времени считаем постоянной вдоль всей поверхности; - считаем скорость и относительную влажность воздуха в каждый момент времени постоянными вдоль всей поверхности материала и равными их средним по поверхности .значениям: данное допущение справедливо для поперечного обтекания материала.
Данные допущения позволяют существенно . упростить алгоритм численного исследования, не затрагивая сути интересующих нас явлений.
При таких условиях искомые функции будут зависеть только от координаты х по толщине пиломатериала и времени т, то есть / = t (х, г) и со = со(х, т), и задача сводится к нахождению распределения температуры и влаги в материале в одной доске. Входными данными задачи являются: порода материала; характеристики воздушного потока tB, V ер - соответственно температура [С], скорость [м/с], относительная влажность [%]; толщина образца 2d [м].
Распределения полей влажности и температуры в процессе сушки описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений А.В.Лыкова для нестационарного внутреннего тепло- и влагопереноса при сушке влажных тел [1], [43]: Основная идея численного метода решения задач, описываемых дифференциальными уравнениями, состоит в замене исходного дифференциального уравнения и соответствующих граничных и начальных условий конкретной задачи системой алгебраических уравнений (дискретными аналогами), решение которой не представляет принципиальных трудностей.
В качестве метода дискретизации использовался метод контрольного объема [57]. В качестве основных неизвестных в численном методе рассматриваются значения зависимой переменной в конечном числе точек (называемых сеточными: узлами или узловыми точками) расчётной области. Главным недостатком численного метода является невозможность получения аналитических выражений, описывающих зависимость переменной от координат и времени. Поэтому для того, чтобы выяснить влияние какого-либо параметра на температурное поле, необходимо, как правило, выполнить большое число вариантных расчётов. Численные методы позволяют получать значения переменной в ограниченном числе точек рассматриваемой области, и результаты расчётов оказываются всегда приближёнными. Однако этот недостаток не является существенным, так как точность получаемых решений всегда может быть доведена до необходимых значений, а число точек, в которых определяются значения переменной, ограничивается только памятью компьютера и объёмом вычислений.
Комбинированный метод контроля влажности, основанный на измерении влажности на различных частотах внешнего электрического поля
Достичь энергоэффективности и реализовать потенциал энергосбережения при сохранении качества высушенного изделия можно при применении режима импульсной конвективной сушки, предложенного в [65] и исследованного в [26]. Сущность его заключается в ведении процесса сушки циклами, содержащими импульс и паузу. На стадии импульса происходит интенсивный подвод тепла к материалу, сушка происходит посредством циркуляции через штабель воздуха с повышенной температурой и низкой относительной влажностью. Эта стадия характеризуется высокой интенсивностью сушки, максимально возможной, с точки зрения развития сушильных напряжений, скоростью удаления влаги из древесины, большим градиентом влажности по толщине пиломатериала. Возникающие в материале механические напряжения сравнительно малы, а деформации являются преимущественно упругими из-за малой продолжительности этой стадии [26].
На стадии паузы нагревательные элементы и принудительная циркуляция агента сушки отключены, и происходит следующее: степень насыщенности воздуха возрастает из-за продолжающегося испарения воды из материала, поверхность древесины увлажняется из-за роста равновесной влажности, снижается градиент влажности в материале, в нем снимаются напряжения, образуется положительный градиент температуры, который ускоряет движение влаги к поверхности за счет термодиффузии.
На рисунке 2.13 представлены графики изменения влажности различных слоев пиломатериала толщиной 40 мм при использовании импульсного режима сушки. Порода древесины - сосна; температура воздуха 75 С; т1Ш= 2 ч; тпа = 2 ч. Начальная влажность - 60 %, конечная влажность 6 %, скорость циркуляции 0,68 м/с. Конечная влажность и перепад влажности по толщине материала соответствует I категории качества сушки. Удельные энергозатраты на сушку 1 м3 древесины и удаление 1 кг воды составляют соответственно 374 кВт-ч/м3 и 1,19 кВтч/кг, что на 23 % меньше, чем при использовании непрерывного режима сушки при той же температуре для достижения I категории качества сушки. Время сушки составило 248 часов, что на 9 % дольше непрерывного режима сушки при той же температуре.
На рисунке 2.14 представлен график изменения перепада влажности между поверхностным и центральным слоями древесины при использовании импульсного режима сушки.
Из данного графика видно, что наибольшее значение перепада влажности в древесине наблюдается через 18 часов после начала процесса сушки, в это время сушильные напряжения на растяжение поперек волокон максимальны. Также из графика видно, что разность между влажностью центральных слоев древесины и влажностью поверхностного слоя на стадии «пауза» уменьшается по мере высушивания материала. К моменту окончания процесса эта разность оказывается достаточно малой и находящейся в пределах допустимого, с точки зрения качества сушки, перепада влажности по толщине материала.
График изменения перепада влажности между поверхностным и центральным слоями в импульсном режиме В [26] проведен анализ механических эксплуатационных свойств древесины, прошедшей импульсную сушку, включающий в себя определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон, при статическом изгибе, статическую плотность и ударную вязкость при изгибе Результаты статистической обработки данных показали, что изменений рассматриваемых показателей при импульсной сушке по сравнению с классической не обнаружено.
Для проверки адекватности перехода к одномерной модели тепло- и влагопереноса оценим влияние неравномерности скорости циркуляции, температурного поля и относительной влажности сушильного агента в штабеле на возможность обеспечения требуемой категории качества сушки
Равномерность циркуляции агента сушки (коэффициент вариации) vv определяется по формуле 100 Р "1Г-\ і (24б) где AVn - отклонение скорости циркуляции в отдельной зоне штабеля от среднего значения Vncp; п - число зон измерения скорости циркуляции
В качестве показателя равномерности температуры сушильного агента используется коэффициент вариации о/ (2.47) т-\ где At - отклонение температуры сушильного агента от среднего значения, С, т - число замеров температуры
Рассчитаем неравномерность конечной влажности в штабеле применительно к сушильной камере СПЛК-2. В [60] бьшо проведено обследование температурных и аэродинамических полей для различных камер с горизонтальной и вертикальной циркуляцией сушильного агента в процессе сушки сосновых пиломатериалов толщиной 50 мм. Замеры скорости циркуляции сушильного агента по штабелю проводились на начальном этапе процесса сушки, когда величина температуры сушильного агента не превышала 45 С. Температурное поле исследовалось на протяжении всего процесса сушки. Коэффициенты вариации скорости vv для различных сушильных камер конвективного типа находятся в пределах от 16,8 % (КСМ-3) до до 72,1 % (Corpal). Для камеры СШЖ-2 коэффициент вариации vy составляет 38,9 %. При этом по результатам расчетов значений среднего квадратичного отклонения величин конечной влажности по партии сосновых пиломатериалов при использовании режимов для диапазона величин температуры сушильного агента от 50 С до 70 С уровень качества высушенных пиломатериалов соответствует требованиям первой категории качества. [60]. Значение коэффициента вариации температуры при температуре сушильного агента на входе в штабель, равной 66,2 С, составляет 2,38 % , и при повышении температура сушильного агента разброс величин температуры по штабелю уменьшается.
Экспериментальные исследования
Сигнал прямоугольной формы частоты подается с выхода мультивибратора на один из двух входов логического элемента DD. На другой вход подается импульс, имеющий заданную длительность Дт0 Он получается на выходе делителя частоты :FR, который делит в к раз опорную частоту сигнала прямоугольной формы, вырабатываемого генератором импульсов G. На выходе логического элемента DD образуется сигнал, переходы которого от состояния 0 к 1 на интервале Дг0 подсчитываются счетчиком импульсов СТ. Без учета погрешностей в соответствии с рисунком 3.13,6 можно записать N = Ar0/T = AT0-f = kf/2f0 (3.21) где Т - период входного сигнала Отсюда / = N/AT0=2f0N/k = qN (3.22) где q - квант, т е. значение единицы дискретности преобразователя. Можно выделить три источника погрешностей аналого-цифрового преобразователя частоты: а) отличие Aq кванта от номинального значения qHaa из-за ухода частоты/ от номинального значения /оцШ на А/о из-за неточности установки номинала, временной и температурной нестабильности и т.д., т. е. q = qm + sf0) (3 23) где df0 = Aqlq = А/0 //ваш - относительная погрешность генератора импульсов. 101 б) отсутствие синхронизации сигнала частоты / с сигналом частоты fo\ максимальная абсолютная погрешность, обусловленная этим фактором, составляет ± 0,5 q; в) преобразование непрерывной величины, а именно частоты f, в дискретную величину qN, т. е. погрешность дискретности, максимальное абсолютное значение которой также составляет ± 0,5д. Последние два фактора вместе обусловливают максимальное абсолютное значение погрешности Д# = ± q. Погрешности, вызванные этими факторами, имеют равномерный закон распределения при нулевом математическом ожидании.
Суммарная средняя квадратичная погрешность и доверительный интервал суммарной погрешности аналого-цифрового преобразователя частоты
Поскольку на вход микроконтроллера частота / поступает в виде цифрового кода N, то его погрепшость 7fM обусловлена только операциями программы с плавающей запятой при расчете влажности по экспериментальной зависимости соф. Относительная погрешность диэлько метрического блока измерения влажности с учетом выражений (3.15) и (3.24), а также погрешности микроконтроллера, имеет вид: S S RC+S AWI+S M (3.26) Оценим инструментальную погрешность диэлькометрического блока измерения влажности при следующих параметрах R0= 100 кОм, і? і - 10 кОм, R2 = 1,6 кОм, С = 300 пФ, ДЯ0 /R0 = 0,01 %, М, IR = 0,01 %, ДД2 /R2= 0,01 %, АС/С = 0,01 %,/о = 50 Гц, #о / /0 = 2-Ю"8 %, к = 10. 102 , , , Используя формулы (3.15-3.20), (3.25), (3.26), получим- /= 6400 Гц, 4/ sc= 21,36 Гц, ДГ0 = 0,41 Гц, 2f„ = 11,34 Гц , dfAIin= 11,34 Гц, ДГ - 24,19 Гц Относительная инструментальная погрешность составляет 5„, им = ДГ//= 0,38 % На рисунке 3.14 изображена структурная функциональная схема оптического блока цифрового прибора для измерения влажности. л5 W ,г U) 4 Рисунок 3.14 - Структурная схема оптического блока измерения влажности Выходной сигнал оптического блока измерения влажности: U(co)= р (3 27) где Fxi, Fa - потоки излучения на опорной и измерительной длинах волн, отраженные от контролируемого объекта; к], к2 - коэффициенты поглощения на опорной и измерительной длинах волн; кр - коэффициент пропорциональности. Основными источниками погрешностей являются изменения интенсивностей опорного и измерительного потоков и погрешность делителя. С учетом этого получим: kB-(l±dd)-k2.(l±dk2yF,2(0)±Ay2 (3.28) Ща )=-. /c1.(l±5H)-FA1(o))±Ay1 где Ski, ёк2 - относительные мультипликативные погрешности опорного и измерительного каналов; " Н ЦТИШ Hi 1 )ьц JJ -(Г) 103 ! I Ауі, Ду2 - абсолютные аддитивные погрешности опорного и измерительного каналов; дд - относительная мультипликативная погрешность делителя. Погрешность, приведенная ко входу оптического блока и найденная методом бесконечно малых приращений высшего порядка: Д= ; ; (3 29) «О "«А где а0 , ах - коэффициенты, характеризующие чувствительность опорного и измерительного потоков излучения к измерению влажности
В рабочих условиях эксплуатации выходной сигнал Увых зависит не только от информативного параметра - влажности со, но и от неинформативных параметров - температуры окружающей среды / р, температуры контролируемой среды t, напряжения питания Ucc, концентрации неинформативных параметров (шероховатости). Следовательно, выходной сигнал и коэффициент отражения являются функциями внешних факторов и неинформативных параметров. ивых = ивых(усс,о=л ик0 = K0{,tm 4) (з.зо) где UH - номинальное значение выходного сигнала при нормальных условиях, А - коэффициент влияния внешних факторов на выходной сигнал, определяемый экспериментально.
Похожие диссертации на Информационно-измерительная система для управления процессом сушки пиломатериалов
