Введение к работе
Актуальность работы. Проблема' определения влажности материалов, применяемых в промышленности и "сельском хозяйстве, является актуальной, так как в определенных условиях служит показателем их качества.' Влажность оказывает большое влияние на технологические и электрические свойства материалов, характеризует их чистый вес.
Широкое распространение получил весовой метод контроля, однако длительность процесса измерения и сложность автоматизации не позволяют применять его в информационных технологиях. Промышленное применение нашли,кондуктометрические влагомеры, однако процесс измерения влажности по электрофизическим характеристикам пробы влажного материала до настоящего времени остается мало изученным. Проведенный литературный обзор и патентный поиск, показал, что нет аналитических моделей, которые описывают взаимосвязь влажности и злектрігческих.ха-» рактеристик пробы материала, в частности, влажности, и проводимости в кондуктометрическом методе. Существующие, эмпирические модели не учитывают ни один из факторові,^влияющих на результаты определения влажности" (напряжение, температура, солевой состав влаги в пробе и т.д.). Кроме тбго, эмпирические выражения накладывают ограничения на величину диапазона влажности, в результате вся характеристика разбивается на несколько поддиапазонов, каждый из которых описывается своей эмпирической зависимостью. Известно, что вольт^амперная характеристика; (ВАХ) пробы влажного материала имеет нелйнёйньгаларактер.-Особенно это проявляется* на низких наггояжёниях. Чтобы уменьшить влияние нелинейности на результаты измерения дифференциальной Проводимости пробы материала, кондуктометрические влагомеры используют повышенные измерительные напряжения! При этом возникают процессы поляризации пробы, электролиза. В итоге метрологические характеристики электрометрических приборов остаются на низком уровне.
Включение в состав приборов определения влажности компьютерных средств (микропроцессоров и микро-ЭВМ) позволяет создавать принципиально новые - программно-управляемые системы. Актуальность работы подтверждается также отсутствием гибких моделей, способных адекватно отражать процесс влияния влажности на проводимость пробы материала и пригодных для использования в измерительно-вычислительной системе
4,
Предмет исследования: математическое моделирование твердых капиллярно-пористых влажных материалов, метрологическая оценка математических, моделей и алгоритмов контроля влажности, разработка аппаратных средств,и программного обеспечения ИВС, инженерная методика проектирования юмерительно-вьгчислительной. системы определения влажности.
Цель работы. Разработка измерительно-вычислительной системы определения влажности капиллярно-пористых материалов с расширенным диапазоном контроля и нормируемой точностью.
Идея работы заключается в применении "плавного регулирования входного напряжения на измерительной ячейке для'расширения диапазона контроля влажности капиллярно-пористых материалов по специальной программе, задаваемой измерительно-вычислительной системой.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы развитые для указанных задач методы системного анализа, математического моделирования, технической кибернетики, системотехники и метрологии.
Научная новизна: , ,
. - разработана сеточная модель влажного материала, доказывающая нелинейность вольт-амперной характеристики;
математическое моделирование объяснено физической моделью кинетического процесса в структуре мембраны,* «которая аппроксимирована моделью р-п перехода; ,
по модели кинетического процесса .выявлен информативный параметр -- диффузионное сопротивление; ,
предложен, оригинальный способ определения диффузионного сопротивления по напряжениям, который позволяет .оперативно находить информативный параметр по,,двум замерам в кратных точках вольт-амперной характеристики; . , .: ,
создан новый способ определения диффузионного сопротивления пэ токам, повышающий достоверность контроля за счет эффективного использования большего количества экспериментальных данных;
составлена и исследована аналитическая модель зависимости влажности от проводимости, соответствующая делителю тока, находящая аналогию в весовом методе;
разработан алгоритм калибровки, позволяющий выбрать оптимальную статическую характеристику определения влажности в заданном диапазоне с фиксированной точностью по материалам с нормированными характеристиками;
разработана методика определения влажности, включающая раз-
работку математических моделей и способов определения диффузионного сопротивления по вольт-амперной характеристике, нахождение влажности по диффузионной проводимости, проведение калибровки; .in-..!
создана методика проектирования измерительнсивычислительной системы "определения влажности, позволяющая' 'формализовать создание прибора с заданной точностью измерения.
Практическая ценность: на основании предложенной методики проектирования и математических моделей разработана ИВС определения влажности "ТЕМП-281"чс расширенным диапазоном контроля; создана ИВС определения влажности "ТЕМП-282", повышающая достоверность измерений; снижены измерительные напряжения за счет нахождения диффузионного сопротивления - информативного параметра влажности.
Для прибора разработаны: алгоритм фушсцирнйрования, аппаратное и программное обеспечение^ метрологические средства;-позволившие снизить погрешность измерений й расширить диапазон контроля влажности:
Реализация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение при создании:
ИВС "ТЕМП-281" определения влажности, прошедшей апробацию на АО закрытого типа "Т-амбошебель" (г. Тамбов);'"
- ИВС 'ТЕМП-282",лісгіользуемой.в_учебном процессе на кафедре "Электрооборудование и автоматизация" при'проведении лабораторных работ по дисциплине "Применение микропроцессоров в ВЭЛ" (Тамбовский государственный технический университет).
Апробация. Основные положения диссертации докладывались на конференции "Перспективные технологии в высшей школе" (Тамбов, 1995), Ш научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996), конференции Московского Энергетического Инстіітута (Москва, 1996), Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Москва, 1996), на III Международной теплофйзической школе (Тамбов, 1998).
Публикации. Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований, приложений. Общий объем работы составляетТ77 страниц. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 30 таблиц.