Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства измерения диэлектрических величин
1.1. Диэлектрические свойства материалов и отражение макропроявлениями микроструктурных факторов
1.2. Анализ способов учета микропроявлений в макропараметрах
1.3. Исследование диэлькометрических методов и средств
1.4. Выбор методов применимых для решения поставленной задачи
Выводы
Глава 2. Исследование информативности диэлькометрического измерительного преобразования и разработка элементов многофункциональных диэлькометрических систем
2.1. Информационная оценка диэлькометрического измерительного преобразования
2.2. Анализ методов диэлькометрического преобразования
2.3. Разработка диэлькометрических узкополосных автоматических измерительных модулей для многофункционального контроля
2.4. Исследования метрологических характеристик диэлькометрических параметрических измерительных модулей
Выводы
Глава 3. Информационная оценка диэлькометрии сушеных хлебопекарных дрожжей
3.1. Информационная оценка многофункциональной системы
3.2. Исследование диэлектрических свойств сушеных хлебопекарных дрожжей
3.3. Анализ диэлектрических спектров сушеных хлебопекарных дрожжей
3.4. Информационная оценка диэлектрических спектров и выбор частот измерительного преобразования
Выводы
Глава 4. Разработка многофункциональной диэлькометрической информационно-измерительной системы
4.1. Синтез структуры многофункциональной диэлькометрической системы
4.2. Совмещение каналов и разработка алгоритмов совместной обработки результатов многоканальных измерений
4.3. Разработка уравнений повышения достоверности результатов многоканальных измерений диэлькометрического анализатора сушеных хлебопекарных дрожжей АСД1
4.4. Разработка уравнений выделения информации о подъемной силе сушеных хлебопекарных дрожжей из результатов измерений АСД1
4.5. Разработка способов поверки многофункциональных диэлькометрических систем
Выводы
Заключение
Библиографический список
Приложения
- Анализ способов учета микропроявлений в макропараметрах
- Анализ методов диэлькометрического преобразования
- Исследование диэлектрических свойств сушеных хлебопекарных дрожжей
- Совмещение каналов и разработка алгоритмов совместной обработки результатов многоканальных измерений
Введение к работе
Объектом исследования являются методы и средства измерения диэлектрических характеристик гетерогенных диссипативных диэлектриков.
Предметом исследования является изучение методов формирования измерительной информации при контроле физических и технологических характеристик дисперсных систем и разработка на этой основе многофункциональных диэлькометрических средств.
Актуальность темы. Производство современных высококачественных материалов невозможно без совершенствования технологии. Для этого в технологических процессах стремятся повысить достоверность контроля и увеличить число контролируемых свойств продукта. Так, в ходе производства многокомпонентных материалов, наиболее полная характеристика объекта достигается при контроле концентрации составляющих, характеристик, отражающих динамику процессов массопереноса и особенностей химического взаимодействия компонентов, дефектов структуры и других параметров. Применение экстенсивного подхода, при котором для измерения каждого из параметров используются отдельные специализированные средства, нерационально. Более эффективно, применение "интенсивных" автоматизированных методов, основанных на способах наиболее полного использования получаемой информации, что требует принципиально новых подходов к её получению.
Учитывая тот факт, что результат каждого измерительного преобразования обусловлен совокупностью факторов - свойств объекта, рационально для построения систем технологического контроля использовать многофункциональные измерительные системы.
В многофункциональной системе информационный поток содержит сведения о нескольких контролируемых технологических параметрах. В итоге количество подсистем в такой системе контроля значительно снижено, но их информационная насыщенность повышена. Для выделения в информационном потоке составляющей, обусловленной мешающими факторами, и получения в чистом виде полезной информации, позволяющей принимать верные решения, применяются интеллектуальные системы обработки данных.
Особенно важно для контроля состава и свойств гетерогенных материалов обеспечить применение многофункциональных диэлькометрических систем, базирующихся на измерении составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Принципиально их использование для контроля параметров такого класса материалов, как дисперсные системы, широко распространенных в агропромышленном комплексе, химической индустрии, легкой промышленности и т.д. При этом многофункциональная диэлькомет-
cnettftYft ,аЛ
рия обеспечивает неразрушающий анализ, что позволяет встраивать измерительные модули на её основе непосредственно в технологический процесс и, при непрерывном контроле продукции, оперативно корректировать его параметры.
Физический принцип диэлькометрического преобразования обеспечивает высокую чувствительность к различным факторам микро- и макроструктуры. Его применение для контроля объектов органической природы, обладающих спектром неоднородностей и, являющихся в этом плане высокоинформативными объектами, наиболее эффективно. В этом случае системы контроля на основе многофункционального диэлькометрического преобразования, за счет совместной обработки информации с нескольких измерительных каналов, позволяют, из комплексного воздействия на диэлектрические характеристики, выделить влияние отдельных компонентов и свойств объекта.
Однако внедрение многофункциональных диэлькометрических систем контроля тормозится отсутствием единого подхода к их созданию и организации. Поэтому задача разработки многофункциональных диэлькометрических методов и средств контроля дисперсных систем в целом и объектов органической природы, в частности, весьма актуальна.
Исследования выполнены в соответствии с планом обучения в аспирантуре по теме "Исследование и разработка многофункциональной диэлько-метрической системы", в течение 3-х лет с 1997г. по 2000г., а также научным планом работы кафедры КиПР СПИ с 1997 по 2003 г "Разработка анализаторов состава и свойств гетерогенных материалов".
Цель работы — исследование способов формирования измерительной информации при диэлькометрии дисперсных систем и разработка многофункциональных диэлькометрических средств контроля органических материалов.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
Теоретическое исследование феноменологии проявлений физических и физико-химических факторов и свойств объектов живой природы в их макроскопических электрофизических параметрах. .
Исследование процессов формирования измерительной информации при диэлькометрическом контроле биологических объектов.
Исследование и разработка способов реализации измерительных цепей для многофункциональной диэлькометрической системы.-
Создание методологии проектирования и метрологического обеспечения многофункциональных диэлькометрических систем.
Разработка структурных и алгоритмических методов выделения информации о параметрах объектов живой природы при многофункциональном преобразовании.
Методы исследований. В работе использовались: методы теории информации для исследования процессов формирования информационных потоков, методы корреляционного анализа для выявления возможности построения многофункциональных систем, методы математического моделирования эквивалентных CG-двухполюсников, как средство повышения разрешающей способности традиционных средств измерений, экспериментальные исследования модельных систем и оптимизация на их основе алгоритма обработки измерительной информации, методы проектирования средств многофункционального диэлькометрического контроля.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена использованием современных научно-обоснованных методов обработки информации, применением калибровочных образцов и эталонов, поверенных средств измерений, независимой экспертизой и апробацией основных материалов исследования на производстве и в учебной практике.
На защиту выносятся результаты исследований по созданию многофункциональной диэлькометрической системы, включающие следующее:
Теоретическое решение задачи по определению способа оценки информативности диэлькометрии;
Способ обеспечения информативности диэлькометрической системы путем замены сканирующих широкополосных устройств несколькими узкополосными, выбираемых путем оценки их корреляционных свойств в разных частотных диапазонах;
Способ повышения помехоустойчивости системы за счет применения измерительных цепей, совмещающих функции измерительного преобразования и формирования частотного или импульсного выходного сигнала;
Способ построения высокочастотного диэлькометрического параметрического автоматического измерительного модуля на основе автогенератора с источником переменного тока;
Способ построения низкочастотного диэлькометрического параметрического автоматического измерительного модуля на основе измерения времени релаксации;
Способ выбора частот и числа измерительных каналов в структуре многофункциональной диэлькометрической системы, основанный на оценке степени корреляции диэлектрических спектров;
Алгоритм метрологического обеспечения многофункциональной диэлькометрической системы, обеспечивающий учет ненормированной на разных частотах индуктивности первичного преобразователя;
Алгоритмы обработки результатов измерений, обеспечивающие повышение их точности и выделение дополнительной измерительной
информации об объекте, основанные на последовательном учете модулирующих и аддитивных факторов в результатах измерений и корреляционном анализе измеряемых характеристик и свойств материала;
9. Экспериментальные данные о диэлектрических свойствах материал лов органического происхождения, в частности свежих и после года хранения сушеных хлебопекарных дрожжей.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты
Разработан способ определения информативности диэлькометрии, дана ее* оценка и определены пути еб повышения.
Показана возможность замены непрерывной частотной развертки диэлькометрических характеристик сканированием по ограниченному числу точек.
Разработаны системо- и схемотехнические аспекты построения измерительных цепей, реализующих диэлькометрическое параметрическое автоматическое измерительное преобразование и обеспечивающих инвариантное преобразование параметров CG двухполюсников в сигналы, легко преобразуемые в цифровую форму.
Разработан способ выбора оптимальных частот и числа измерительных каналов.
Созданы научные основы проектирования диэлькометрических многофункциональных анализаторов с каналами измерений на дискретных частотах.
Разработаны алгоритмы, обеспечивающие повышение точности измерительного преобразования и выделение измерительной информации о параметрах материала.
Получены диэлектрические спектры и предложена физическая модель сушеных хлебопекарных дрожжей.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при создании диэлькометрической установки нового поколения, отличающейся от известных тем, что широкополосное непрерывно сканирующее преобразование заменено несколькими узкополосными, оптимально разнесенными по частоте.
На основе предложенного принципа построения узкополосных автоматически перестраиваемых диэлькометрических измерительных преобразователей созданы практические конструкции измерительных модулей для разных частотных диапазонов.
Созданные средства измерения позволяют контролировать влажность, подъемную силу и степень деградации сушеных хлебопекарных дрожжей. У
нефтепродуктов - влажность и динамические характеристики структуры: расслоение и седиментацию.
Предложенные алгоритмические способы снижения влияния неинформативных фоновых факторов позволили снизить погрешность измерения исследованных органических материалов до уровня, соответствующего стандартам.
Результаты экспериментальных исследований позволяют формировать градуировочные характеристики технологических средств измерений, которые могут быть использованы разработчиками при опытно-конструкторской разработке и серийном производстве комплекса измерительных средств.
Разработана многофункциональная система измерения влажности и подъемной силы сушеных хлебопекарных дрожжей с учетом неравномерности заполнения объема измерительного преобразователя, а также отклонений в химическом составе материала. Разработки внедрены на Сарапульском дрожжепивоваренном заводе.
Теоретические результаты работы используются в учебном процессе Сарапульского политехнического института по специальностям "Конструирование и производство радиоаппаратуры", "Вычислительные системы, сети и комплексы".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: XXXI научно-техническая конференция Ижевск, ИжГТУ, 1998 г.; вторая международная научно-техническая конференция Регионального Уральского отделения Академии инженерных наук РФ, Екатеринбург, УГТУ, 2000 г.; Шестая Международная Научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, МЭИ, 2000 г.; Ш международная научно-техническая конференция, Ижевск, ИжГТУ, 2001 г.; IV Международная научно-практическая конференция, Москва, МГАПИ, 2001 г.; V Международная научно-практическая конференция, Москва, МГАПИ, 2002 г. IV международная научно-техническая конференция, Ижевск, ИжГТУ, 2003 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 10 научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы и заключение на 132 страницах машинописного текста. В работу включены 43 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 121 наименования и приложение.
Анализ способов учета микропроявлений в макропараметрах
Статические значения диэлектрических величин и их частотные зависимости для статистических и матричных систем с включениями различной формы, хорошо объясняет теория Максвелла-Вагнера при удовлетворительном согласовании с экспериментальными данными [1,6,22,23]. Известны достаточно точные аналитические модели описания диэлектрических свойств статистических или матричных смесей для ряда форм включений и структур материалов, в том числе и органических [1,24-39]. Однако такие модели отражают лишь частные случаи определения свойств материалов при известных свойствах их составляющих.
Проводящие включения в диэлектрической среде также приводят к релаксационной поляризации по Максвеллу-Вагнеру, которая характеризуется как минимум двумя временами релаксации, связанными сложными функциями экранирования [29]. В реальных объектах: суспензиях, эмульсиях, биологических системах, капиллярно-пористых телах и диафрагмах из-за возникновения дополнительных релаксационных областей характер проявлений проводимости включений существенно усложняется [30-34]. Это приводит к возрастанию удельной проводимости в целом и увеличению мощности сигнала мнимой составляющей.
Применение модели, основанной на одновременном использовании обеих составляющих комплексной диэлектрической проницаемости, повышает точность описания [21]. Однако строгое инвариантное преобразование обеих составляющих комплексной диэлектрической проницаемости возможно лишь для материалов с tg5 в узком диапазоне tg6 « 1, что больше характерно для простых структур. Чаще сталкиваются с анализом сложных структур, в которых наиболее вероятно преобладание изменений одной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости над другой на несколько порядков. Так при контроле водных и влагосодержащих систем на фоне мощного сигнала активЕюй проводимости емкостный сигнал оказывается подавленным, что приводит к резкому усложнению измерения диэлектрической проницаемости [27] вплоть до ее полного подавления в системах измерения и контроля [35].
Наибольшую сложность при анализе гетерогенных материалов вызывает сложность состава и структуры фаз, сопровождающаяся многократным наложением релаксационных механизмов. Это характерно для дисперсных систем, содержащих агломераты, пленки, многослойные включения, связанную жидкость, типичные для коллоидов, органики, биологических объектов[24,29,36-41]. В таких системах существование множества релаксаторов с различными временами релаксаций обусловливает размывание релаксационных спектров [42], а разнообразие и сложность структур таких материалов дополнительно усложняют их интерпретацию.
Суперпозиция поляризационных механизмов таких систем отражается сложными частотными зависимостями диэлектрических величин. Однако частичная индивидуализация релаксаторов возможна при расшифровке диэлектрических спектров [36]. По сути, зависимости е (ш) и е"(о ) представляют сплошные диэлектрические частотные спектры, аналоги спектральной плотности, и могут фрагментарно описываться уравнениями Дебая [25]. В этом случае повышение достоверности результатов анализа потребует необходимость детального исследования каждого из диэлектрических спектров в широком диапазоне частот и воздействий. Соответственно для исследования и контроля дисперсных систем с развитыми структурой и составом необходимы технические средства, обеспечивающие диэлектрическую спектроскопию в гигантском диапазоне частот 101 - 102... 10ю-1012 Гц. Таким образом, феноменология измерения параметров гетерогенных материалов затрудняет оценку проявления отдельных микроскопических факторов, из-за их совокупного влияния. Повысить достоверность контроля позволяет одновременный анализ обеих составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Наивысшая достоверность достигается при анализе частотных зависимостей диэлектрических характеристик. Однако для такого вида контроля необходимы устройства обеспечивающие измерение составляющих комплексной диэлектрической проницаемости в широком интервале частот и воздействий
Способы измерения диэлектрических величин относят к группе электрофизических, основанных на изучении реакции системы при воздействии внешним электромагнитным полем [3,6,13,15,16,40,43]. При измерениях диэлектрических параметров гетерогенных материалов обычно используют методы: непосредственной оценки, нулевой и замещения [21,44-46]. Диэлектрические измерения относятся к косвенным видам измерений. Поэтому в диэлькометрии используются измерительные установки, включающие: первичный емкостный измерительный преобразователь (ПИП), реализующий преобразование є -»С, s"-»G [16,47,48], измерительный прибор, структура которого содержит одну или несколько цепей измерительного преобразования (ИЩ реализующих инвариантное преобразование емкости и проводимости в их сигналы [9,10,14,21,44,48,50-52,] и устройство обработки данных, в современном варианте на базе микропроцессора или микроконтроллера [53]. Поэтому, современная диэлькометрическая измерительная система - это совокупность аппаратной и программной частей.
В диэлькометрии используются устройства, ИЦ которых основаны на использовании цепей уравновешивания (различного рода мостовых и компенсационных схем), резонансных систем, среди которых выделяют контурные и ге 16 нераторные [46,54,55]. Границы применимости соответствующей ИЦ часто определяются тангенсом угла диэлектрических потерь, поскольку эта характеристика инвариантна к первичному преобразованию и одинаково характеризует и вещество, и его электрическую модель. Поэтому, часто tg6 определяет выбор как системотехнических, так и схемотехнических решений.
Частичного, а в ряде случаев полного, устранение влияния групп факторов внешнего воздействия (окружающей среды) и факторов измерительного преобразования добиваются, используя методы совершенствования конструктивного и аппаратурного построения устройств. При этом снижение уровня инструментальной погрешности изменяет соотношение факторов, вызывающих случайную погрешность, и приводит к преобладанию в погрешности составляющих, обусловленных факторами физико-химического происхождения и состояния объекта.
Существенного снижения влияния факторов физико-химического происхождения и состояния объекта добиваются при однокаиальиых измерениях применением методов математической статистики [57,58]. Однако, в условиях быстро изменяющихся технологических процессов, динамика изменений в контролируемом материале часто не позволяет получить совокупность исходных данных для статистического анализа. В этом случае потеря экспрессности контроля параметров нестационарных материалов, при многократном измерении и усреднении, приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности [58].
Иначе, при многофакторном воздействии, достоверность результатов измерений можно повысить за счет одновременного выявления законов влияния на диэлектрические характеристики наибольшего числа величин [59]. В этом случае, при известной зависимости измеряемой величины от контролируемого фактора, составляющую погрешности результата, обусловленную этим фактором, переводят из разряда случайных в разряд систематических. Затем в алгоритм обработки результатов совместных измерений вводят элементы коррекции результата контроля основной характеристики. Организация такого способа базируется на структуре многопараметровой системы [13,14,60], либо системы с мультиплицированием каналов на основе параметра разделения [61-63]. В первом случае вводят дополнительные каналы прямого измерения, во втором -косвенного.
Анализ методов диэлькометрического преобразования
Применение управляющего воздействия для энергоинформационного преобразования является особенностью диэлькометрических информационно-измерительных систем. В системном плане измерительные цепи (ИЦ) обеспечивают в рабочем зазоре первичного измерительного преобразователя (ПИП) с контролируемой средой, характеризуемой диэлектрической проницаемостью с и удельной проводимостью о, поле электростатической индукции D различной частоты [5,6,12,14,16,48]. Параметры є и с определяются совокупностью диэлектрических и проводящих свойств материала, а их частотные зависимости е (о ) и є"(ш) отражают инерционные свойства электрических моментов элементов структуры [5,11,40]. Измерение параметров среды производится косвенно, на основании известных зависимостей между Е (СО) И С(о ), E"(U)) и G(w), и все свойства среды переносятся на значения промежуточных параметров С и G [12,14,60]. Поэтому необходимым условием для реализации многофункциональной диэлькометрической системы является точное и инвариантное преобразование функций С(со) и С?(со) в электрические сигналы.
В реальной ИИС идеализированный информационный образ контролируемых характеристик / (Е, а) следует заменить образом Г (с, о, ), где , — обобщенный фактор влияющих воздействий. Параметр , помимо влияния информативных факторов, обусловленных структурой материала, содержит также составляющую инструментальных погрешностей. Преобладание в соотношении доли информативных факторов возможно за счет устранения или снижении уровня инструментальной погрешности в параметре . Поэтому практика создания диэлькометрических ИЦ подразумевает обязательную защиту от внешних воздействий, путем стабилизации выходного параметра относительно наиболее влиятельных внешних факторов, например [82]. Мультиплицирование каналов измерения за счет измерения обеих составляющих комплексного сигнала подразумевает инвариантное преобразование С(ш) и С7(СЙ) в электрические сигналы в широком диапазоне частот. Аппаратная реализация этого требования возможна на основе мостового [44,83], резонансного [44,49] методов и метода вольтамперметра [44]. При использовании мостового метода информацию извлекают из изменений амплитуды и фазы сигналов, снимаемых с элементов ИЦ [83]. Измерение составляющих є и є" на основе резонансного метода обеспечивается за счет контроля частоты и амплитуды сигнала на выходе резонансного контура [49,84]. По отношению к мостовому и резонансному методам, реализующими способ сравнения, метод вольтамперметра использует прямой способ измерения и не обладает высокой чувствительностью, что ограничивает его применение уровнем качественного анализа ряда свойств материалов.
Отсутствие свойства избирательности при использовании в качестве ИЦ моста требует стабильности формы и частоты сигнала генератора. Монохромный сигнал в синтезаторах частот, как правило, обеспечивается лишь на строго заданной частоте, а при необходимости её изменения требует перестройки фильтра гармоник. Использование прямоугольного сигнала вызывает погрешность от воздействия негармоническим сигналом [83]. При этом в комплексное сопротивление двухполюсника входят дополнительные составляющие, обусловленные влиянием спектрального сопротивления [83]. Кроме того, нестабильность частоты сигнала генератора обусловливает разбаланс моста и увеличение уровня инструментальной погрешности.
Применение в качестве ИЦ резонансного контура обеспечивает раздельное измерение составляющих комплексного двухполюсника с одновременной фильтрацией сигнала по высшим гармоникам. Однако возможно снижение точности преобразования из-за высокого уровня влияния выходного сопротивления генератора на сопротивление контура и при контроле сред обладающих высокими потерями, т.е. при tg5»l. Повысить чувствительность метода при высоких потерях позволяет применение метода параметри 33 ческой модуляции. Увеличить динамический диапазон резонансных измерителей и повысить чувствительность самого метода позволяет применение инверторов импеданса [85,86]. Их подключение параллельно исследуемому двухполюснику позволяет компенсировать значительную часть потерь и восстановить добротность контура. Однако не исключаются применение и кондуктометрических методов и средств [40]. При этом границы применимости диэлькометрии и кондуктометрии весьма условны, и эти методы, как правило, следует рассматривать как нечеткие, пересекающиеся множества и использовать исходя из свойств материалов, измерительных устройств и решаемых задач.
Качественно повысить точность преобразования ИЦ, а также обеспечить сопряжение цепей преобразования с вычислительными средствами позволяет организация выходного сигнала совместимого с цифровой формой или легко преобразуемого в цифровую форму [87]. Наиболее простое решение этой проблемы достигается дополнением традиционных мостовых и резонансных систем устройствами сопряжения: универсальными АЦП [88], преобразователями ток-частота (/- F) и напряжение-частота (U - F) [89]. Выходными параметрами устройств сопряжения может быть также период Т, длительность импульса т,„ скважность S=T/ ти. В первом случае точность измерения определяется, в основном разрядностью кодовой посылки, а во втором погрешностью преобразования в частоту или интервал времени [87]. При этом повышается точность измерения выходного параметра, за счет применения электронно-счетных методов измерения.
Однако применение устройств сопряжения, как устройств, дополняющих проверенные временем схемы аналогового преобразования, часто неудобно. Во-первых, возникает необходимость согласования сопротивлений измерительной схемы и устройства сопряжения. Во-вторых, для повышения помехоустойчивости преобразования схема устройства сопряжения должна выносится к первичному измерительному преобразователю вместе с измерительной цепью. При этом формируется, так называемый "частотный датчик" [65,90], метрологическая поверка которого сложна и обязана учитывать свойства обеих схем одновременно. Поэтому формирование выходного сигнала в форме удобной для работы с цифровым устройством должно производиться непосредственно в структуре ИЦ и быть её естественным элементом. Это значит, что необходимо разработать новый тип устройства - диэлькометри-ческий параметрический автоматически перестраиваемый измерительный модуль с выходным сигналом в виде последовательности импульсов, частота, период, скважность которых несут информацию об измеряемом параметре.
В качестве основы для построения диэлькометрического параметрического измерительного модуля, в сравнении с мостовым методом, преимущество имеет резонансный метод. Конструкция резонансного преобразователя имеет встроенный частотный выход по действительной составляющей г .
Исследование диэлектрических свойств сушеных хлебопекарных дрожжей
Определение корреляционных свойств и частотного разноса каналов измерений на основе теоретических представлений, например, Максвелла-Вагнера, дают лишь относительные частоты разноса каналов измерений (или их относительный сдвиг). Абсолютные значения частоты определяются исходя из частотных диэлектрических характеристик для конкретных материалов. Их поведение, в свою очередь, обусловлено факторами структуры и физико-химическими свойствами. Поэтому при многофункциональном диэлькометри-ческом контроле, при выборе частот измерительного преобразования, следует опираться на свойства исходного объекта вещества, т.е. на его физико-химико-биологические свойства. Это значит, что необходимо исследовать частотные свойства материала диэлектрических параметров, выявить дисперсионные области, определить чувствительность диэлектрических отображений к интересующим свойствам, исследовать корреляционные свойства диэлектрических параметров на разных частотах и, на этой основе, выбрать опорные частоты. Кроме того определить, что будем использовать в качестве основного информационного параметра или их группы.
Проведем экспериментальные исследования диэлектрических характеристик сыпучих материалов - сушеных хлебопекарных дрожжей. Рассматриваемые объекты в информационном плане являются информационно полными объектами (ИПО) [73]. Так сушеные дрожжи, являясь гетерогенной системой, характеризуются, во-первых, как биологический объект, состав (количество сахара и минеральных солей) и структура которого изменяются при смене погоды, времени суток и др. факторов. Во-вторых, с точки зрения механических аспектов, сушеные дрожжи являются гранулированным продуктом. Поэтому они могут рассматриваться в объеме первичного измерительного преобразователя (ПИП) как дисперсная система, а зависимость состояния поверхности взаимодействующих между собой и с полем частиц характеризуется степенью уплотнения и другими параметрами, влияющими на её электрофизические характеристики.
Особое внимание при производстве сушеных дрожжей отводится содержанию влаги в конечном продукте. Вода, являясь наиболее мощным фактором в жизни биологических объектов, в подавляющем большинстве определяет электрофизические характеристики объекта, поскольку является полярным диэлектриком. Качественным продуктом считают сушеные дрожжи при достаточном количестве влаги в связанном состоянии в дрожжевых клетках и практически полном её отсутствии в свободном состоянии, что характеризуется массовым влагосодержанием от 6,5 - 7 % до 8 - 8,5 %.
В динамических исследованиях пробы образцов сушеных хлебопекарных дрожжей отбирались непосредственно из установки сушки в кипящем слое и, после измерения их диэлектрических характеристик, передавались в лабораторию Сарапульского дрожжепивоваренного завода на химико-биологический анализ. Равновесные образцы готовила лаборатория, затем они исследовались на диэлькометрических установках.
Для получения диэлектрических спектров использовались: Q-метр (ВМ560) в диапазоне частот ЮОкГц - 31,6МГц, измеритель LCR цифровой 7-8 на частоте измерения 1 кГц, созданная нами измерительная установка на основе базового модуля НЧ преобразования [76], представленная на рис.13, работающая в диапазоне 1Гц - ЗІбкГц. Перекрытие частотных диапазонов используемых средств гарантировало достоверность получаемой информации.
Амплитудно-фазовый анализ релаксационных областей проводим раздельно для каждой с использованием диаграмм Коул-Коула. Из рис.16 видно, что значения є и є" расположены на кривых, которые можно экстраполировать как дуги в те области частот, в которых по техническим возможностям отсутствуют данные. Перпендикуляры к касательным Мк образуют с осями угол а, величина которого отлична от нуля. Это говорит о проявлении групповых свойств и процессов, что выражается в размытости функции распределения времен релаксации [6]. Из этого следует, что каждая область дисперсии обусловлена спектром времен.
Размытость значений времен релаксации позволяет определить лишь суммарное или групповое время из условия достижения максимума є" для каждой области дисперсии. Так для высокочастотной области групповое т ориентировочно 10"7 - 1 О 8 с, а в области низких частот 10"1 - 10 с. Экстраполяция в инфранизкочастотную (ИНЧ) область и в область СВЧ позволяет говорить об очень приближенной величине ss и «,. Так величина ES всей системы может достигать 60-80, а еот соответственно 1,5 - 1,2. Повысить достоверность экстраполируемых результатов можно применением устройств раздельного измерения є и є" в области ИНЧ и СВЧ [101,102].
Для анализа сушеных хлебопекарных дрожжей в отношении деградаци-онных факторов проведены исследования диэлектрических спектров образцов после года хранения. Для хранения образцы повторно упаковывались в полиэтиленовые пакеты и хранились при комнатной температуре в недоступном для света месте. Исследования материалов по истечении года проводились по той же схеме, что и для свежих. Числовые усредненные данные по диэлектрической спектрометрии и частоты измерений представлены в таблице 2. В таблице 2, в скобках, указаны влажности исходных дрожжей.
Совмещение каналов и разработка алгоритмов совместной обработки результатов многоканальных измерений
При организации многоканальной системы данные, получаемые с дискретных измерительных каналов, интегрируют в себе свойства контролируемого объекта [13,115]. Количество информации об объекте, при использовании дискретных по частоте каналов измерения, незначительно отличается от его объема при частотном сканировании [64,74,76]. При этом эффективная работа системы зависит как от информативности совокупности каналов измерений, так и от эффективности алгоритма совместной обработки измерительных данных.
Совмещение каналов в системе, а также выбор алгоритмов обработки являются элементами задачи градуировки системы [99]. Для её решения обеспечиваем, во-первых, нормировку показаний каждого канала измерений относительно одного из каналов, принятого за базовый. Во-вторых, путем выбора алгоритма совместной обработки данных, снижаем уровень шумов измерительного преобразования относительно неинформативных факторов. В третьих, выявляем связи между показаниями измерительных каналов и иными характеристиками и свойствами объекта и на их основании выбираем алгоритм обработки результатов измерений для отображения дополнительного свойства объекта. Измеряемые диэлектрические характеристики, в разработанной трехка-нальной двухчастотной измерительной системе, преобразуются в период (7) или частоту (F) выходного сигнала соответствующего измерительного преобразователя. Наибольшая точность достигается при измерении на низких частотах - периода, а на высоких частотах преобразования — частоты [87]. Совместная математическая обработка данных производится в микропроцессоре или микроконтроллере по следующему алгоритму: (Набор выходных сигналов Т или F) - (цифровой код численного значения Т или F) - (набор диэлектрических характеристик є И Є") - (Характеристика свойства или их совокупность).
Наибольшую трудоемкость при программной обработке данных представляет реализация преобразования цифрового кода в диэлектрические характеристики. В то же время в производственных условиях такая операция не представляет ценности, а потому, для снижения трудоемкости, может быть удалена из алгоритма. В таком случае цифровой код значений Гили Fявляется основанием для градуировки системы в отношении контролируемых свойств.
Для нормирования выходных сигналов ограничиваем их разрядность четырьмя десятичными знаками. Тогда максимальное значение шкалы выходных сигналов - 9999, а минимальное 0,000. В случае изменения крутизны преобразования и превышения результатами пределов шкалы существует возможность изменения крутизны за счет варьирования частоты счетных импульсов при измерении периода, а при измерении частоты - времени измерения. При этом динамический диапазон каждого канала масштабируется в соответствии с показаниями канала, принятого за базовый. Это позволяет получить шкалу относительных величин для каждого канала измерения.
Численные значения результатов измерений в многофункциональной ди-элькометрической системе содержат как информативную составляющую, так и погрешность. Разработка алгоритма совместной обработки результатов многоканальных измерений и регулировки многоканальных систем сложна и, зачастую, требует эмпирического подхода [116]. Как правило, такой подход обеспечивает существенное повышение достоверности информации, однако не позво 99 ляет вскрыть физические механизмы, обусловливающие наблюдаемые характеристики и оптимизировать измерительную систему. Причиной тому является сложность строгого математического моделирования в многоканальных информационно — измерительных системах, поскольку оно сопряжено с необходимостью выявления взаимосвязи между отклонениями результатов измерений и физическими причинами их вызвавшими. В таких случаях в практической ди-элькометрии полезно воспользоваться методом физической итерации [117], суть которого в выделении в измерительном преобразовании ранга фактора и поэтапном моделировании процесса, начиная с первого приближения. При этом сам фактор обезличивается и входит в совокупность себе подобных.
В системах технологического контроля, например влагометрии [12,77,118], влияющие факторы, чаще всего, проявляются как модулирующие воздействия, сопровождаемые аддитивным сдвигом [77]. В производственных условиях, обычно, доминируют модулирующие воздействия: влияние неравномерности заполнения измерительного преобразователя сыпучим материалом (фактор порозности), контактные явления, когезия и адгезия образца в преобразователе и др. При использовании разработанной трехканальной измерительной системы, реализующей одновременное преобразование диэлектрической проницаемости, коэффициента потерь и времени релаксации в частоту, с обозначениями каналов соответственно F, Un G, возможен следующий алгоритм ее физической итерации [116].
Особенно сложно работать с биологическими объектами, например зерном, сушеными хлебопекарными дрожжами, в которых изменение физических свойств зависит от процессов происходящих на клеточном уровне [1,119,120]. С точки зрения физики - это естественные процессы, индивидуализирующие живые организмы на клеточном уровне. Математическое описание влияния внутренних воздействий будет функцией многих переменных, зависящей от соотношения компонентов материала и характера внутренних процессов. Однако в объеме эти индивидуальности нивелируются, и вектор, отражающий контро 101 лируемое свойство объекта в целом, попадает в некоторое локализованное множество. Итоговое смещение результатов контроля является суммой обычно независимых и, зачастую, взаимно компенсирующихся векторов влияния внутренних факторов.
Для каждой измеряемой характеристики ширина множества различна. Поэтому итоговое воздействие носит характер не модулирующий, а аддитивный [99] и является отклонением результата измерения по контролируемому параметру от некоторого значения. Это значение можно определить как центр более широкого множества, проявляющийся при характеристике объекта выборкой весьма продолжительной во времени, с охватом всех его состояний, при всех комбинациях факторов, при данном значении контролируемого свойства. Такое состояние объекта можно назвать нормальным или качественным и наиболее часто проявляющимся. С позиции качественных характеристик материал при таком состоянии имеет среднестатистический состав и характерное ему соотношение компонентов, которое определяет вкусовые, качественные и иные позиции материала. С позиции количественных характеристик при таком состоянии выполняются все условия для обеспечения повторяемости результата.
Алгоритм учета аддитивного отклонения будет включать в себя, во-первых, определение причины изменения электрофизических характеристик объекта. Так, при производстве сушеных хлебопекарных дрожжей особую роль играют условия выращивания клеток, в том числе погодные условия, питание, электромагнитные и иные воздействия, а при контроле параметров зерновых культур влияние оказывают погодные условия в регионе выращивания, качество почвы, условия хранения и др. [96]. Во-вторых, выявление характеристик, подлежащих измерению, которые обеспечивали бы наивысшую чувствительность к отклонениям. В третьих, поиск условий взаимодействия данных с различных каналов и разработку алгоритма учета погрешности.
