Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор методов и средств измерения влажности 11
1.1 Влага в твердых и сыпучих материалах 11
1.2 Обзор и классификация методов измерения влажности 15
1.3 Свойства влажных материалов в электрическом поле 22
1.4 Аналитический обзор способов повышения точности высокочастотных диэлькометрических влагомеров 28
Выводы по первой главе 43
Глава 2 Разработка математических моделей процессов контроля влажности материалов 44
2.1 Математическая модель процесса измерения влажности 44
2.2 Модель контроля фазовых параметров в двухконтурной резонансной системе 58
2.3 Модель контроля влажности с параметрической модуляцией 67
2.4 Разработка способов оценки фазовых параметров при развертке частоты возбуждающего сигнала 86
Выводы по второй главе 93
Глава 3 Разработка резонансных способов контроля влажности материалов 94
3.1 Двухпараметровый контроль влажности материалов при постоянной частоте возбуждающего сигнала 94
3.2 Двухпараметровый способ контроля влажности с линейным изменением частоты возбуждающего сигнала 100
3.3 Двухпараметровый контроль влажности материалов со следящей разверткой частоты возбуждающего сигнала 107
3.4 Высокочастотные приборы контроля влажности с аддитивной коррекцией фазовой погрешности 112
Выводы по третьей главе 123
Глава 4 Разработка и исследование характеристик приборов контроля влажности 124
4.1 Разработка функциональных узлов прибора для контроля влажности материалов 124
4.2 Особенности построения многоканального прибора допускового контроля влажности 136
4.3 Исследование двухпараметрового генератора для влагомера с автономным питанием 143
4.4 Особенности калибровки приборов для контроля влажности сыпучих материалов 149
Выводы по четвертой главе 157
Заключение 158
Список литературы 160
- Аналитический обзор способов повышения точности высокочастотных диэлькометрических влагомеров
- Разработка способов оценки фазовых параметров при развертке частоты возбуждающего сигнала
- Двухпараметровый способ контроля влажности с линейным изменением частоты возбуждающего сигнала
- Особенности построения многоканального прибора допускового контроля влажности
Введение к работе
Актуальность темы. Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас биосферы, а также большинства материалов, используемых человеком. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов. Поэтому измерения влажности различных материалов и веществ занимают важное место в современной аналитической измерительной технике. Эти измерения важны для многих отраслей народного хозяйства и в целом ряде областей научных исследований.
Необходимость повышения достоверности результатов, получаемых при контроле влажности материалов, обусловлена следующими причинами:
в строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов, теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений, конструкций и ограждений и, следовательно, их эксплуатационные качества, долговечность и надежность;
ПС прогнозам развития литейного производства песчано-глинистые формы сохранят свое доминирующее положение и в XXI веке; влажность определяет значение многих других свойств формовочных смесей и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках могут возникать газовые раковины;
в сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения тех или иных агротехнических приемов. Контроль влажности почвы необходим для правильного орошения земель. Влажность зерна и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих их качество, эффективность последующей переработки и возможность длительного хранения без порчи и потерь;
— в ряде отраслей промышленности (текстильной, легкой, пищевой, химической и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов.
Таким образом, влажность промышленного сырья и полуфабрикатов оказывает большое влияние на качество выпускаемой продукции и производительность оборудования. В условиях повышения требований к конкурентоспособности отечественной продукции необходимо применение новых приборов и устройств экспрессного контроля влажности в большинстве технологических процессов.
В настоящее время все методы контроля влажности различных материалов и веществ можно условно разделить на две большие группы - прямые и косвенные. При использовании прямых методов производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. При использовании косвенных методов контроля измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Наибольший интерес в плане совершенствования аппаратуры контроля представляет группа косвенных методов, связанных с диэлькометрическими измерениями. Данные методы основаны на измерении диэлектрических свойств контролируемых материалов и получили широкое распространение благодаря многим преимуществам по сравнению с другими методами. Диэлькометрия дает возможность осуществления неразрушающе-го, быстродействующего контроля влажности широкого класса материалов и веществ без необходимости применения каких-либо средств биологической защиты для обслуживающего персонала при использовании сравнительно несложной, недорогой и надежной электронной аппаратуры, позволяющей выполнять измерения с достаточной точностью и имеющей неограниченные пределы совершенствования. При этом обеспечивается простота получения унифицированных выходных сигналов и широкие возможности для применения современных цифровых методов обработки сигналов и построения автоматизированных систем контроля.
В основе диэлькометрических методов лежит зависимость относительной диэлектрической проницаемости контролируемых материалов от их влажности. Емкостный датчик, основным элементом которого является первичный измерительный преобразователь — конденсатор, заполняется влаж-
ным материалом. При изменении влажности меняется диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества, пропорционально которой изменяется емкость датчика и ряд параметров резонансной системы (амплитуда, частота и фаза колебаний), в составе которой применяется емкостный датчик влажности.
Принцип действия большинства диэлькометрических приборов, применяемых для контроля влажности сыпучих материалов, основан на измерении амплитудных, частотных или фазовых параметров высокочастотного сигнала, снимаемого с первичного измерительного преобразователя. Значения измеряемых параметров практически зависят от многих сопутствующих факторов: активной электрической проводимости или сопротивления контролируемого материала, его минерального состава и плотности, температуры окружающей среды и т. п. Результаты контроля определяются совокупным влиянием перечисленных факторов, что существенно снижает их достоверность. Вследствие этого для повышения точности косвенных измерений влажности необходимо применять дополнительные меры по нейтрализации или компенсации целого ряда мешающих факторов.
Для уменьшения влияния различных дестабилизирующих факторов на достоверность результатов контроля влажности применяют самые различные способы. Наиболее перспективным является использование способов параметрической модуляции, при реализации которых измерительная цепь оказывается под воздействием двух сигналов. Один из них — рабочий — несет как полезную, так и избыточную информацию, а второй — управляющий — только меняет условия прохождения первого сигнала через измерительный преобразователь. Изменение условий прохождения рабочего сигнала означает, что в функцию цепи вводится какой-то новый известный параметр, значение которого можно задавать произвольно или по определенному закону, независимо от значений искомой переменной. Задавая параметру разделения сигналов различные значения можно избавиться от паразитных влияний и получить истинное значение измеряемой влажности.
Широкое распространение в практических схемах влагомеров находит линейная частотная модуляция. Общий принцип работы таких устройств заключается в том, что емкостный датчик используется в качестве элемента измерительного двухполюсника с модулируемыми параметрами. Изменение влажности контролируемого материала приводит к изменению емкости датчика, пропорционально которой изменяются амплитуда, частота и фаза высокочастотного сигнала на выходе измерительного двухполюсника. С помощью генератора пилообразного напряжения изменяют управляемую емкость измерительного двухполюсника до совпадения его резонансной частоты с частотой задающего генератора или, наоборот, автоматически регулируют частоту возбуждающего сигнала до ее совпадения с резонансной частотой двухполюсника. Влажность контролируемых материалов определяют в этих случаях по измеренным значениям отклонений амплитуды, частоты или фазы колебаний от их номинальных (исходных) значений.
Точность таких устройств контроля влажности ограничивается тем, что при линейном изменении частоты возбуждающего высокочастотного генератора или резонансной частоты измерительного двухполюсника возникает погрешность от "сноса" резонансной частоты, которая зависит от скорости развертки частоты и постоянной времени измерительного двухполюсника, являющейся функцией добротности резонансной системы.
Кроме того, на точность резонансного контроля влажности существенное влияние оказывает электрическая проводимость материалов, при повышении которой уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к возрастанию погрешности выделения экстремума по амплитуде выходного сигнала емкостного датчика. При увеличении проводимости ухудшается форма резонансной характеристики измерительного двухполюсника, которая становится более широкой и пологой, а ее максимум — расплывчатым. Это не позволяет обеспечить точное определение максимума амплитуды колебаний, вследствие чего значительно увеличивается общая погрешность измерения влажности контролируемых материалов.
Уменьшение погрешности измерений при осуществлении контроля влажности различных материалов невозможно без совершенствования аппаратуры контроля и улучшения характеристик влагомеров. Этим обстоятельством характеризуется актуальность темы исследований.
Объектом исследования в работе являются методы и средства диэль-кометрического контроля влажности материалов.
Предмет исследования - способы повышения точности измерений при резонансном контроле влажности материалов.
Целью диссертационной работы является повышение точности измерений при резонансном контроле влажности материалов в условиях воздействия мешающих факторов.
К основным задачам исследований относятся:
анализ особенностей применения параметрической модуляции при резонансном контроле влажности с наличием мешающих воздействий;
разработка алгоритмов измерения резонансной частоты, обеспечивающих снижение инструментальной погрешности и расширение диапазона измерения при резонансном контроле влажности в условиях повышенной электропроводности материалов;
разработка структур построения устройств для контроля влажности материалов с повышенной точностью и расширенным диапазоном измерения;
экспериментальная проверка разработанных способов и структурных схем приборов резонансного контроля влажности материалов, с моделированием процесса контроля и оценкой погрешностей преобразования.
Методы и средства исследований. При решении поставленных диссертационных задач использовались методы общей теории систем и теории автоматического управления, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, теория погрешностей измерений, теория функций комплексного переменного, а также современные методы аппроксимации ха-
рактеристик нелинейных элементов и спектральный анализ электрических сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
усовершенствован двухпараметровый метод резонансного контроля влажности материалов, повышающий точность измерений за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала с линейно изменяющейся частотой и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по смене знака фазовой характеристики;
разработаны алгоритмы измерения резонансной частоты и амплитуды колебаний на выходе измерительного преобразователя, повышающие достоверность контроля влажности материалов за счет двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала с изменением скорости и направления развертки в каждом такте преобразования и применения автоматической коррекции погрешностей, а также использования двухконтурной схемы преобразователя;
разработаны структурные схемы и алгоритмы работы приборов для контроля влажности, защищенные патентами на полезную модель, обеспечивающие автоматизацию процесса и повышение производительности контроля.
Практическая ценность заключается в том, что на основе проведенных исследований разработан и внедрен цифровой прибор для автоматического контроля влажности сыпучих материалов. Разработаны и экспериментально исследованы высокостабильные резонансные емкостные преобразователи с минимальным энергопотреблением, предназначенные для допускового контроля влажности. Разработаны схемы и конструкции универсальных емкостных датчиков с унифицированными выходными сигналами для приборов допускового контроля влажности, в том числе влажности почвы в целях автоматизации процесса полива в тепличных хозяйствах.
Результаты проведенных исследований внедрены на ЗАО "Научпри-бор" (г. Орел).
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции "ИНФОРМТЕХ-2008" (г. Курск, 2008), на двух Всероссийских научных конференциях (г. Орел, Академия ФСО, 2007, 2009).
По материалам диссертационной работы опубликовано десять тезисов докладов, статья в журнале "Измерительная техника",четыре статьи в журнале "Известия ОрелГТУ", получены два патента РФ на полезные модели и решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2305280 от 27.08.2009.
Основные положения, выносимые на защиту:
Усовершенствованный метод резонансного преобразования, обеспечивающий повышение достоверности результатов при контроле влажности материалов за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала линейно-изменяющейся частоты и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по изменению знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами измерительного преобразователя.
Схемотехническая модель процесса допускового контроля влажности по изменениям фазы выходного сигнала емкостного преобразователя, включенного в систему связанных резонансных контуров, при одновременной подаче на них возбуждающего сигнала линейно-изменяющейся частоты.
Структурные схемы и алгоритмы функционирования приборов для контроля влажности материалов, в которых за счет применения двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала и автоматической коррекции погрешностей преобразования ослаблено влияние электропроводности материалов на достоверность результатов контроля.
Аналитический обзор способов повышения точности высокочастотных диэлькометрических влагомеров
Для определения влажности применяют различные измерительные схемы, основанные на известных методах радиотехнических измерений рези-стивно-емкостных параметров диэлектриков [5].
Однако диэлектрические измерения влажности сыпучих материалов имеют ряд специфических особенностей: - максимальная емкость датчиков обычно ограничена десятками пико-фарад и редко превышает 100 пф, в то же время значение tg5 датчика с материалом может достигать нескольких единиц и больше; - современные влагомеры градуируются эмпирическим путем, поэтому от измерительных устройств не требуется определения действительных значений є и tg6 материала, которые корректируются в процессе поверки. Классификация измерительных устройств диэлькометрических влагомеров основана на различных признаках. По характеру измеряемой входной величины датчика их разделяют на устройства, служащие для измерения полного сопротивления датчика и на измерительные устройства с разделением составляющих, дающие информацию о значениях реактивной или активной составляющей комплексного сопротивления датчика. В обеих группах диэлькометрических влагомеров находят применение: а) резонансные схемы, использующие явление резонанса в колеба тельном контуре с сосредоточенными параметрами, одним из элементов ко торого является емкостный датчик; б) схемы измерения без использования явления резонанса: мостовые, дифференциальные и разностные устройства. Основная разница между обеими категориями влагомеров заключается в роли, выполняемой генератором высокочастотных колебаний: в.резонансных схемах генератор является составной частью измерительной цепи, а в схемах второго типа он служит источником питания измерительной цепи. Среди классификационных признаков основным является способ учета диэлектрических потерь в датчике влагомера (измерение с разделением или без разделения составляющих полного сопротивления). К достоинствам резонансных методов измерений относятся высокая чувствительность и значительная помехоустойчивость, которые обусловлены высокими избирательными свойствами резонансных контуров. В резонансных измерительных приборах генераторы работают, как правило, в режимах переменной нагрузки или перестройки частоты, а информационными параметрами могут являться два параметра — приращения частоты или амплитуды напряжения или тока контура (генератора). Получило распространение деление резонансных методов измерения влажности на контурные, генераторные и автогенераторные [6]. В группу с разделением составляющих полного сопротивления входят резонансные методы, использующие частотные зависимости. Приборы контроля влажности без разделения составляющих полного сопротивления основаны на методах, в которых используются амплитудные зависимости выходного напряжения датчика от частоты колебаний.
При контроле влажности резонансными методами в качестве косвенных параметров используют амплитуду или частоту резонансных колебаний.
Использование амплитудных зависимостей основано, прежде всего, на свойствах резонансной кривой колебательного контура. У идеального контура на резонансной частоте присутствует ярко выраженный максимум амплитудно-частотной характеристики, а при расстройке частоты кривая резко падает вниз. В области резонанса чувствительность амплитуды к изменениям первичных параметров контура равна нулю. Наибольшая чувствительность достигается при расстройке частоты контура, соответствующей максимальной крутизне резонансной кривой на уровне 0,707 от ее максимального значения.
Активные потери в емкостных датчиках, являющихся элементами колебательных контуров, заметно ухудшают измерительные свойства влагомеров, основанных на амплитудных зависимостях. Усилия их разработчиков до настоящего времени направлены, в основном, на уменьшение влияния активной проводимости на точность измерений влажности, повышение быстродействия и чувствительности приборов.
Быстродействие диэлькометрических влагомеров, использующих резонансные явления, уменьшается в связи с необходимостью процесса настройки в резонанс. Измерения различных значений влажности происходят на разных частотах, что ухудшает сопоставимость получаемых результатов. Повышение быстродействия и точности измерений достигается применением стабильного генератора и использованием участка АЧХ с наибольшей крутизной [7]. При этом параметрическая модуляции контура позволяет уменьшить зависимость выходного сигнала - амплитуды напряжения на контуре - от изменения добротности контура, связанной с активными потерями. Однако вследствие значительной нелинейности АЧХ на участке наибольшей крутизны даже использование параметрической модуляции не позволяет обеспечить высокую точность преобразования из-за влияния погрешности нелинейности, которая ограничивает диапазон измерения влажности.
Основным способом расширения диапазона измерений при контроле влажности различных сыпучих материалов является применение генераторов с перестраиваемой частотой или высокочастотных гетеродинов [44].
Параметры резонансной системы модулируются последовательностью прямоугольных импульсов с выхода модулятора, подаваемой на варикап, включенный в состав контура. Огибающая высокочастотного выходного сигнала контура на выходе демодулятора имеет вид модулирующей последовательности и относительно ее сдвинута по фазе при разбалансе схемы. Баланс достигается при совпадении резонансной частоты контура с частотой возбуждающего сигнала генератора, перестраиваемого посредством фазового компаратора, собранного на триггере и интеграторе. Информация о влажности содержится в частоте генератора и определяется по напряжению на выходе преобразователя частоты в напряжение. Расширение диапазона измерений обеспечивается перестройкой частоты генератора, а повышение точности достигается за счет применения низкочастотной параметрической модуляции, что позволяет уменьшить погрешность выделения экстремума АЧХ.
При использовании такого способа измерения точность ограничивается тем, что модуляция емкости варикапа приводит практически к периодическому изменению или "рысканью" частоты генератора в окрестности резонанса контура, что приводит, в конечном итоге, к повышению погрешности измерения частоты и, соответственно, влажности материала.
В схемах без параметрической модуляции увеличение точности возможно при измерениях влажности на разных частотах [9]. При двухчастот-ных измерениях применяют два генератора фиксированных частот, два колебательных контура и емкостной датчик, являющийся общим элементом этих контуров. Для повышения чувствительности выходных напряжений контуры расстроены относительно частот генераторов. Потери в среде существенно зависят от частоты, в то время как диэлектрическая проницаемость и влажность среды от значения частоты зависит мало. Совместная обработка результатов измерений амплитуд сигналов на выходах двух контуров позволяет скомпенсировать влияние активных потерь на достоверность контроля влажности, но только в узком диапазоне ее изменения.
Разработка способов оценки фазовых параметров при развертке частоты возбуждающего сигнала
Вычисленные таким образом частоты амплитудного и фазового резо-нансов будут равны: f = 1004 кГц, f « 1002 кГц. Полученные результаты соответствуют проведенному ранее анализу и позволяют утверждать, что при быстрой перестройке частоты возбуждающего сигнала применение фазового параметра примерно вдвое уменьшает погрешность определения резонанса.
Для уменьшения влияния эффекта "сноса" резонансной частоты можно использовать разные алгоритмы развертки частоты возбуждающего сигнала: 1) выполнять развертку частоты f& в цикле измерения Тизм за Два такта преобразования Т\, 7 с уменьшением скорости развертки Vn/ во втором такте в 10... 100 раз по сравнению со скоростью развертки V\fB первом такте Т\, 2) выполнять двухтактную развертку частоты с одинаковой скоростью развертки, но в противоположном направлении развертки во втором такте по сравнению с первым (Vi/ =-V\j), после чего вычислять полусумму результатов измерений частоты за два такта преобразования jp = 0,5(Jpi + fpz); 3) устанавливать в начальном состоянии частоту возбуждающего сигнала на середине диапазона контроля ( « Jp), и в зависимости от знака разности фаз между возбуждающим и выходным сигналами преобразователя либо увеличивать частоту возбуждения JB СО скоростью развертки Vj- (при ф 0), либо уменьшать эту частоту со скоростью развертки —Vf (при ф 0); 4) комбинировать перечисленные способы развертки частоты возбуж дающего сигнала в Для уменьшения инструментальной погрешности. Наиболее эффективным представляется первый алгоритм, основанный на изменении скорости и направления развертки частоты возбуждающего сигнала в разных тактах преобразования, что позволяет снизить погрешность "сноса" А/р при небольшом увеличении длительности цикла измерения Тизм При подаче на ZC-контур с частотой резонанса fp = 1 МГц импульсов возбуждающего сигнала с разверткой частоты в диапазоне от 0,5 до 1,5 МГц со скоростью V\f= 100 кГц/мс длительность первого такта преобразования составит Т\ (7Р —/MIN) /V\f 5 мс при сносе частоты на А/р] 3 кГц. При 100-кратном понижении скорости развертки до значения Vn/ = 1 кГц/мс и одновременном изменении направления развертки возбуждающего сигнала длительность второго такта составит 7? = Д/р IVfi = 3 мс, а абсолютная погрешность от "сноса" резонансной частоты понижается до уровня А/Р2 «30 Гц, что эквивалентно относительной погрешности ур — 100А/р2/./р = 0,003%. Следовательно, применение такого алгоритма позволяет при относительно небольшом увеличении длительности цикла измерения (от 5 до 8 мс) обеспечить 100-кратное уменьшение погрешности "сноса" резонансной частоты LC-контура при линейной развертке частоты возбуждающего сигнала. Примерно аналогичный результат по снижению погрешности "сноса" получается при реализации второго алгоритма преобразования, основанного на изменении направления развертки частоты возбуждающего сигнала при сохранении постоянной скорости развертки V\f = Vnf — const. В этом случае после окончания первого такта необходимо измерить и запомнить первое значение частоты резонанса fp\ =Jp + Д/рь а после линейного уменьшения частоты возбуждающего сигнала во втором такте измерить второе значение частоты7Р2 =JP — А/Р2- После вычисления среднего значения этих двух частот можно получить результат преобразования, который при равенстве "сноса" частот Л/рі - А/р2 » 0 в двух соседних тактах практически не зависит от скорости развертки и соответствует резонансной частоте емкостного датчика влажности: Изменение частоты возбуждающего сигнала, подаваемого на резонансный измерительный двухполюсник в цикле измерения, позволяет расширить диапазон контроля влажности и повысить универсальность приборов контроля влажности. Генераторы с автоматической регулировкой частоты колебаний (гетеродины) широко применяются в радиотехнических и телевизионных устройствах. На современном этапе такие генераторы можно реализовать на кварцевых генераторах и цифровых счетчиках импульсов с переключаемыми коэффициентами деления частоты [28]. При возбуждающем сигнале импульсной формы можно исключить формирователи импульсов из гармонических сигналов во входных цепях фазовых компараторов в приборах контроля влажности материалов. Однако в приборах допускового контроля с подключением эталонного и рабочего датчиков к резонансным ZC-контурам выходное напряжение резонансных емкостных преобразователей имеет синусоидальную форму вследствие фильтрующих свойств применяемых Z/C-контуров. Поэтому для выделения разности фаз необходимо сформировать из двух гармонических сигналов импульсы прямоугольной формы [29, 30, 31]. Рисунок 2.16 - Выделение разности фаз сигналов на частоте = const В итоге процесс измерения разности фаз Аф сводится к выделению интервалов времени tu между моментами перехода двух гармонических сигналов через нулевое значение и их последующего измерения (рис. 2.16). При постоянной частоте /в или периоде Тв возбуждающего сигнала проще всего вычислять среднее значение импульсного напряжения на интервале измерения Тизм : 7в в аналоговом виде. Например, при постоянной амплитуде импульсов, задаваемой источником опорного напряжения UQ, среднее значение напряжения за период TR будет прямо пропорционально измеряемой разности фаз в соответствии с выражением поэтому разность фаз Аф линейно зависит от среднего значения напряжения: Несмотря на линейность характеристики преобразования, погрешность аналоговых фазометров обычно составляет ±(1...3) из-за нестабильности уровней срабатывания и зоны гистерезиса формирователей импульсов. Кроме того, такие фазометры характеризуются относительно большим временем измерения, составляющим Тизм (0,5...1,0) с, уменьшение которого приводит к нестабильности показаний из-за недостаточного сглаживания или фильтрации среднего значения напряжения. Перечисленные недостатки не позволяют применять аналоговые фазометры для измерения мгновенных значений фазы выходных сигналов емкостных преобразователей при изменяющейся во времени частоте возбуждающих импульсов.
Подобные ограничения по быстродействию имеют и цифровые фазометры, которые отличаются от аналоговых только тем, что импульсы длительностью 4ь выделяемые формирователями, заполняются тактовым сигналом высокой частоты f\ » 1/ 4ь поэтому на результат измерения не оказывает влияния стабильность амплитуды UQ импульсов [30, 31].
Двухпараметровый способ контроля влажности с линейным изменением частоты возбуждающего сигнала
Исследование вопросов достижения высоких точности и стабильности результатов измерения влажности в условиях повышенной электропроводности контролируемых материалов представляет практический интерес. Наличие активных электрических потерь, величина которых изменяется при различных значениях проводимости материала, серьезно усложняет реализацию диэлькометрических методов контроля. Физически связь между электропроводностью и диэлектрической проницаемостью зависит как от изменения влажности, так и от ряда трудно учитываемых факторов. В этих условиях для повышения точности измерений нужно исключать или уменьшать влияние активной проводимости на результаты контроля влажности.
Для повышения точности диэлькометрических измерений влажности различных материалов и веществ целесообразно применять методы многопа-раметрового контроля, позволяющие компенсировать погрешности измерений при влияниях мешающих факторов разного вида.
Процесс контроля влажности может быть сведен во многих случаях к измерению или сравнению с допустимыми значениями двух параметров -амплитуды Uт и частоты /р выходного сигнала резонансного преобразователя
с емкостным датчиком, возбуждаемого высокочастотным сигналом. Такие методы контроля принято называть двухпараметровыми [1], и они основаны на ранее рассмотренных контурных и генераторных методах измерений.
Как показано в главе 1, повышение точности измерения влажности при использовании двух параметров обеспечивается различными способами. Общим недостатком всех известных способов является сравнительно низкая точность измерений в широком диапазоне контроля влажности, причем по 95 грешность преобразования особенно увеличивается при возрастании активных потерь в исследуемом материале.
Для уменьшения влияния электрической проводимости материала на результаты контроля его влажности можно использовать чисто конструкторское решение - покрывать электроды датчика влажности изолирующей пленкой или лаком, что позволяет повысить добротность Z/C-контура и фазовую чувствительность прибора. В этом случае целесообразно использовать предложенный способ двухпараметрического контроля, согласно которому емкостный датчик включают в параллельный ZC-контур и возбуждают его импульсами тока. Амплитуду выходного сигнала преобразователя Uт сравнивают с пороговым уровнем напряжения С/дОР усиливают полученный сигнал разбаланса AU = Um — t/jTOP В U ; Р и используют его для регулирования амплитуды импульсов возбуждающего тока /g, а также в качестве второго информативного параметра при контроле влажности. При этом первым параметром является разность фаз Аф между возбуждающим и выходным сигналами емкостного резонансного преобразователя [48, 49].
Способ контроля влажности материалов с постоянной частотой возбуждающего сигнала и автоматической стабилизацией амплитуды выходных колебаний емкостного резонансного датчика реализуется устройством, структурная схема которого приведена на рисунке 3.1.
В составе влагомера применен генератор импульсов ГИ, преобразователь напряжения в ток ПНТ и измерительный преобразователь на основе емкостного датчика Сх и Z-C-контура с переменным конденсатором Сц. На выходе датчика установлены амплитудный детектор АД и формирователь импульсов ФИ, имеющие большие входные сопротивления. Выход формирователя импульсов ФИ подключен к логическому элементу 2И, который применен для выделения знака разности фаз Аф между импульсами генератора ГИ и выходным сигналом ZC-контура (рис. 3.1).
Для регулирования амплитуды импульсов возбуждающего тока выход амплитудного детектора АД через дифференциальный усилитель ДУ соединен с управляющим входом преобразователя ПНТ. Второй вход усилителя
ДУ подключен к источнику стабильного порогового напряжения /гіОР по этому на выходе ДУ формируется напряжение разбаланса Up =AU-Ky, которое подается на микропроцессорный блок обработки данных БОД для последующего кодирования второго информативного параметра влажности.
В процессе работы влагомера от генератора ГИ через преобразователь ПНТ подаются прямоугольные импульсы возбуждающего тока I-Q на колебательный ZC-контур с емкостным датчиком. При высокой добротности LC-контура на его выходе формируется напряжение /вых(0 гармонической формы, частота которого задается генератором импульсов ГИ.
Амплитудным детектором АД и усилителем ДУ выделяется и усиливается- сигнал разбаланса (разность напряжений) Up = Кц {UJIOP — Uт ) между пороговым значением (t/rjOP — 2 В) и амплитудой Uт выходного сигнала емкостного преобразователя, входящего в состав ХС-контура. Напряжением разбаланса Up регулируется амплитуда импульсов тока /в в преобразователе напряжения в ток ПНТ. Кроме того, напряжение разбаланса Up кодируется с помощью АЦП в блоке обработки данных, и в результате преобразования формируется и запоминается код, пропорциональный этому напряжению: который используется в качестве одного параметра при контроле влажности. Формирователь ФИ преобразует выходной сигнал датчика вых(0 в последовательность прямоугольных импульсов. Данные импульсы сравниваются по фазе логическим элементом 2И с выходными импульсами генератора ГИ. Вследствие этого на выходе элемента 2И формируется последовательность импульсов, длительность каждого из которых прямо пропорциональна разности фаз между выходными сигналами генератора ГИ и датчика:
Особенности построения многоканального прибора допускового контроля влажности
Этим обеспечиваются высокая фазовая чувствительность прибора и линейность его фазочастотной характеристики при контроле влажности.
Затем емкостной датчик заполняется контролируемым материалом и выполняется цифровое измерение его влажности по двум параметрам с выводом результатов преобразования на цифровой индикатор прибора.
Особенностью схемы влагомера (рис. 3.1) является применение переменного резистора Ru для регулировки ширины диапазона измерения влажности резонансным способом. Увеличение резистора Ru позволяет повысить фазовую чувствительность (при сужении диапазона контроля влажности), а уменьшение Rn, наоборот, расширяет диапазон контроля, но одновременно приводит к уменьшению фазовой чувствительности прибора.
Для оценки взаимосвязи чувствительности емкостного датчика с диапазоном измерения влажности проведено моделирование устройства (рис. 3.1) по программе Electronics Work Bench. В результате моделирования построена зависимость фазовой чувствительности прибора к относительному изменению емкости датчика S = Аф /(АСх/ Сх) и график относительного изменения емкости датчика от добротности О резонансного контура в диапазоне изменения фазы-45 Аф 45(рис. 3.2).
Согласно полученным результатам моделирования, увеличение добротности резонансного LC-контура от Q = 2 до Q = 100 приводит к повышению фазовой чувствительности от Smjn =1,15 7% до уровня Smax = 44,95/%. Диапазон контроля влажности материала в полосе пропускания резонансного ZC-контура при изменении фазы в пределах -45 Аф 45 уменьшается обратно пропорционально добротности контура. Допустимое относительное изменение емкости датчика понижается от максимального АСх/Сх = 50% (при добротности О = 2) до минимального АСХ/ Сх 1,0% (при Q = 100).
Регулировкой переменного резистора Ru (рис. 3.1) можно задавать необходимые значения фазовой чувствительности и диапазона измерения прибора при контроле влажности разных материалов. При большой добротности контура Q 10 изменение резистора Rn сравнительно мало влияет на резонансную частоту fj , поэтому резистор Rn можно применять для калибровки прибора по известной влажности контролируемого вещества.
Нелинейная зависимость разности фаз от влажности опре деляется типовой формой фазочастотной характеристики ZC-контура. При увеличении разности фаз (Аф 45) между возбуждающим и выходным сигналами датчика нелинейность фазовой характеристики возрастает, а фазовая чувствительность к влажности контролируемого материала уменьшается.
Вследствие этого схему (рис. 3.1) целесообразно использовать только для контроля влажности материалов в относительно узком диапазоне, например, для контроля влажности шерсти или зерна. А в широкодиапазонных влагомерах следует выполнять автоподстройку частоты возбуждающих импульсов и реализовать измерение не разности фаз, а частоты резонанса.
С целью расширения диапазона измерения и одновременного повышения производительности контроля влажности разработан новый способ, который также можно использовать для оценки добротности и настройки резонансной частоты радиотехнических ZC-контуров [48, 50].
Согласно данному способу измерения, емкостный датчик включают в параллельный ZC-контур. Частоту резонанса /р контура при контроле влажности устанавливают в середине расчетного диапазона регулировкой конденсатора переменной емкости. При контроле на LC-контур подают импульсы возбуждающего тока 7g, а амплитуду выходного сигнала преобразователя Um сравнивают с заданным пороговым уровнем напряжения /пОР
Затем усиливают сигнал разбаланса AU = Uт — t/jiOP в U Р33 аналогично предыдущей схеме (рис. 3.1), и усиленным сигналом разбаланса U-p = AU KJJ регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока /g.
Для расширения диапазона контроля влажности предложено использовать двухтактный режим преобразования с регулировкой скорости и направления развертки частоты импульсов возбуждающего тока. В первом такте преобразования длительностью 7] увеличивают частоту /g импульсов возбуждающего тока /в в диапазоне контроля до момента изменения знака разности фаз Аф между возбуждающим током и выходным сигналом первичного преобразователя. Во втором такте преобразования 7 медленно уменьшают эту частоту до момента появления начального знака разности фаз.
