Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Технологический процесс сушки древесины 11
1.1. Анализ физико-химических процессов взаимодействия влаги с материалом 11
1.2. Виды технологических процессов сушки древесины 18
1.3. Анализ физических процессов, происходящих при сушке 20
1.4. Механизм процесса сушки 22
1.5. Технология и режимы камерной сушки пиломатериалов 28
1.6. Показатели качества сушки и их контроль 31
Выводы к главе 1 34
Глава 2 Выбор и обоснование способов и методов контроля влажности древесины 35
2.1. Контроль влажности высушиванием 35
2.2. Электрофизические методы контроля влажности 37
2.3. Радиометрические методы 44
2.4. Комбинированные методы контроля влажности древесины 46
2.471. Общие понятия о комбинированных методах контроля влажности 47
2.4.2. Детерминированный синтез комбинирующей функции влагомера... 50
2.4.3. Вероятностный синтез комбинирующей функции влагомера 53
2.4.4. Анализ точности комбинированных методов
при автоматическом контроле влажности 60
2.5. Сравнительный анализ методов контроля влажности 66
Выводы к главе 2 68
Глава 3 Математическое моделирование процессов контроля влажности древесины 69
3.1. Электрофизическая модель влажной древесины 69
3.2. Методика синтеза электрических схем замещения по частотным характеристикам
Выводы к главе 3 81
Глава 4 Сравнительный анализ вариантов структурных схем информационно- измерительных систем контроля влажности древесины 82
Выводы к главе 4 97
Глава 5 Анализ погрешностей системы контроля влажности древесины 98
5.1. Анализ влияния нестабильности параметров системы контроля влажности древесины на инструментальную погрешность 98
5.2. Анализ влияния шумов элементов схемы измерительного преобразователя на его инструментальную погрешность 104
Выводы к главе 5 114
Глава 6 экспериментальные исследования 115
Выводы к главе 6 119
Заключение 120
Список литературы
- Виды технологических процессов сушки древесины
- Электрофизические методы контроля влажности
- Методика синтеза электрических схем замещения по частотным характеристикам
- Анализ влияния шумов элементов схемы измерительного преобразователя на его инструментальную погрешность
Введение к работе
Актуальность темы. Решение задач деревообрабатывающей промышленности означает увеличение производительности труда, экономию сырья, повышение качества продукции на основе автоматизации технологических процессов. Решение этих задач во многом зависит от особенностей древесины, а, следовательно, и от совершенствования процесса ее сушки. Это объясняется тем, что допустимый разброс влажности высушенной древесины ограничен довольно узкими пределами. Современное технологическое оборудование сушки древесины не позволяет обеспечить постоянства влажности габаритных изделий по всему объему, что зачастую приводит к отклонениям от установленных пределов влажности. Это приводит к браку и потерям не только в материалах, но и в тепловой и электрической энергии. Особенно это касается дорогостоящих изделий из древесины, например, паркетной доски.
В настоящее время необходимо разрабатывать системы, основанные на контроле не только температуры сушильного агента, но и на контроле влажности - наиболее важного параметра, который определяет качество сушки древесины.
Вопросам теории расчёта и конструирования приборов и систем контроля влажности посвящены труды учёных: Берлинера М. А., Кричевского Е. С, Лапшина А. А., Мелкумяна В. Е., Музалевского В. П., Познаева А. П., Ройфе В. С. и др.
Несмотря на то, что в настоящее время разработано большое количество методов и средств контроля влажности, не все из них могут быть использованы для непрерывного быстродействующего стопроцентного контроля дорогостоящих изделий из древесины, например, паркетной доски. Поэтому необходимо провести анализ существующих косвенных методов контроля влажности с целью обоснованного выбора метода, наиболее удовлетворяющего всем указанным требованиям. Кроме того, внедрение цифровых устройств позволяет существенно расширить потенциальные возможности методов и систем контроля влажности.
Сложность задачи контроля влажности заключается в том, что на контролируемую физическую величину, являющуюся источником информации о влажности, влияют многие другие параметры древесины. Часть из них может быть измерена и учтена введением поправок, измерение же многих других параметров, например, плотности древесины в абсолютно сухом состоянии, температуры, ориентации волокон, структуры, - задача не менее сложная, чем измерение самой влажности. Поэтому наиболее целесообразным является использование комбинированных методов влагометрии, где не требуется измерение влияющих параметров и введение поправок, поскольку достигается компенсация их влияний на контролируемую величину.
Сложность анализа физических процессов, протекающих в процессе контроля влажности, формирует еще одну из наиболее актуальных на сегодняшний день задач: создание математических моделей этих процессов. Такие модели нужны не только для анализа и синтеза систем контроля влажности, но и, самое главное, для перехода от эмпирических методов градуировки и расчета этих систем к строгим и точным математическим.
Цель работы состоит в разработке и исследовании систем непрерывного контроля влажности паркетной доски в процессе ее производства.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Произведен анализ существующих методов контроля влажности древесины, из которого следует, что наиболее целесообразным является использование диэлькометрического метода, позволяющего создавать быстродействующие устройства для контроля влажности изделий на потоке.
Разработана методика синтеза электрофизических процессов во влажной древесине в форме электрических схем замещения, параметры которых рассчитаны по экспериментальным частотно-влажностным характеристикам.
Разработаны структурные схемы информационно-измерительных систем контроля влажности древесины, реализующих диэлькометрический метод.
Получены выражения, позволяющие оценить влияние нестабильности параметров элементов измерительного преобразователя влажности на его погрешность.
Выведены математические выражения спектральных характеристик измерительного преобразователя влажности, позволяющие оценить его помехоустойчивость.
Основные методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории функции комплексной переменной, операционного исчисления, теоретических основ электротехники, теории автоматического управления, теории вероятностей, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью математических выводов и результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна.
1. Разработаны математические модели электрофизических процессов в древе
сине паркета в форме электрических схем замещения, отличающиеся возможностью
их использования для градуировки и расчета систем контроля влажности.
Разработаны структурные схемы систем контроля влажности паркетной доски на основе диэлькометрического метода, отличающиеся тем, что позволяют увеличить быстродействие процесса контроля влажности на потоке.
Разработана методика анализа погрешностей измерительного преобразователя влажности, отличающаяся тем, что учитывает влияние внутренних шумов элементов его схемы.
Практическая значимость результатов.
Получена методика синтеза электрических имитационных устройств для тарировки и поверки измерительной системы контроля влажности.
Разработаны варианты технической реализации диэлькометрического метода контроля влажности, позволяющие производить непрерывный быстродействующий контроль влажности древесины в потоке с компенсацией мультипликативной составляющей погрешности.
3. Предложенная методика анализа погрешностей измерительного преобразователя влажности позволяет обоснованно выбирать его параметры, обеспечивающие требуемую точность измерения.
Реализация научно-технических результатов. Основные результаты работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета в курсах «Электротехника и электроника» и «Метрология, стандартизация и сертификация».
Положения, выносимые на защиту:
Методика синтеза математических моделей электрофизических процессов в древесине в форме электрических схем замещения, параметры которых рассчитаны по экспериментальным данным.
Результаты анализа функций погрешностей моделирования, преобразования измерительной информации и спектрального распределения шумов.
Методика расчета основных параметров диэлькометрического преобразователя влажности, обеспечивающих требуемую погрешность.
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 3 - «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных систем, методы проведения их метрологической аттестации», 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 научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (2005-2010 гг.), на 7 международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» г. Курск (4-7.10.2005), на всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергосбережение и экологоэнергети-ческая безопасность промышленных городов» г. Волжский (26-28.09.2006), на межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энергоресурсосберегающих технологий» г. Волжский (22-25.09.2009), на международной научной конференции «Modern IT & (Е-) Learning» г. Астрахань (6-8.10.2009).
Личный вклад автора. Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоя-
тельно и под руководством научного руководителя.
Публикации. Основные результаты исследования представлены в 9 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, шести глав, заключения, содержит 121 страницу основного текста, 46 рисунков, список литературы (116 наименований) и приложение, содержащее протокол измерения влажности контрольным методом.
Виды технологических процессов сушки древесины
Конвективно-тепловая камерная сушка. Основной промышленный способ сушки пиломатериалов в настоящее время - конвективно-тепловая камерная сушка, осуществляемая в специальных сооружениях, называемых ле-сосушильными камерами, куда пиломатериалы загружают штабелями. Тепло древесине передается за счет омывания ее нагретым воздухом или другим газом (такая передача тепла называется конвективной). Для нагревания воздуха и его циркуляции в штабелях сушильные камеры снабжают нагревательными и циркуляционными устройствами.
При камерной сушке гарантируются сравнительно короткие сроки про-сыхания пиломатериалов - от десятков часов до нескольких суток, вполне надежное регулирование процесса, доведение древесины до любой конечной влажности и получение заданного ее качества, отвечающего тому или иному назначению пиломатериалов.
Атмосферная сушка. Второй по промышленному значению способ сушки пиломатериалов - атмосферная сушка. Доски здесь укладывают в штабеля, размещаемые на специальной открытой территории (складе), и они постепенно просыхают за счет омывания их атмосферным воздухом.
Преимущество атмосферной сушки состоит в сравнительно низкой ее себестоимости, так как отсутствует расход энергии на испарение влаги. Недостатки атмосферной сушки по сравнению с камерной: ее сезонность (зимой сушка практически прекращается); большая продолжительность, измеряемая неделями и месяцами; невозможность доведения древесины до низкой конечной влажности. С сезонностью и большой продолжительностью атмосферной сушки связана необходимость создания и хранения большого непроизводительного запаса древесины.
Сушка в жидкостях. Пакет пиломатериалов погружается в ванну с гидрофобной, т. е. не смешивающейся с водой, жидкостью (обычно расплавленным высококипящим маслом), температура которой поддерживается выше точки кипения воды, на уровне 105-120 С. Интенсивная передача тепла от жидкости к древесине вызывает испарение (а в начале процесса - кипение) влаги, которая в виде пара удаляется в атмосферу, преодолевая сопротивление слоя жидкости. Продолжительность сушки по сравнению с камерной сокращается при прочих одинаковых условиях в 3-4 раза.
Индукционная, или электромагнитная, сушка. Индукционная сушка выполняется в камере, внутри которой (по стенам, потолку и полу) смонтированы витки толстых проводов, образующих электрический соленоид. Доски укладывают в штабель и разделяют междурядными железными прокладками -решетками. Штабель закатывают внутрь соленоида, где переменным током промышленной частоты создается электромагнитное поле. Железные прокладки в этом поле нагреваются индуктивными токами, передавая тепло древесине и воздуху.
Индукционная сушка не получила широкого промышленного распространения вследствие большого расхода электроэнергии и повышенной в связи с этим себестоимости, а также недостаточно высокого качества пиломатериалов после сушки. Она применяется в небольшом объеме на мелких полукустарных предприятиях из-за сравнительной простоты оборудования и обслуживания.
Диэлектрическая, или высокочастотная, сушка. Штабель пиломатериалов помещают между пластинами электрического конденсатора, где специальным генератором создается электромагнитное поле высокой частоты. В этом поле древесина вследствие диэлектрических потерь интенсивно нагревается и очень быстро (в 20 - 30 раз быстрее, чем при камерной сушке) высыхает [106]. Диэлектрическая сушка требует очень большого расхода электроэнергии и не обеспечивает высокого качества древесины. Хорошие качественные показатели получаются при комбинировании диэлектрической сушки с обычной камерной сушкой или вакуумной сушкой (при пониженном давлении) [62].
В процессе сушки с поверхности высушиваемых древесных сортиментов испаряется влага. Одновременно происходит перемещение влаги изнутри на поверхность. Необходимое для испарения влаги тепло передается древесине от окружающей среды посредством конвективного поверхностного теплообмена. Если среда имеет повышенную температуру, то древесина при сушке нагревается и происходит перемещение тепла по материалу вследствие теплопроводности. К основным физическим явлениям конвективной сушки, таким образом, относятся: а) передача тепла от газообразной среды к поверхности высушиваемых сортиментов, т. е. теплообмен древесины со средой посредством конвекции, б) перемещение тепла от поверхности внутрь сортиментов вследствие теплопроводности; в) испарение влаги с поверхности высушиваемых сортиментов, т. е. вла гообмен древесины со средой; г) перемещение влаги по древесине от центра сортиментов к поверхности; это перемещение принято называть влагопереносом.
Из перечисленных явлений наиболее сложен и важен влагоперенос. На закономерности процесса сушки он оказывает наиболее существенное влияние. Влагоперенос, т.е. движение влаги в древесине, происходит под действием трех основных движущих сил: перепада влажности, перепада температуры и перепада давления паровоздушной смеси в древесине
Электрофизические методы контроля влажности
Из проведенного анализа однопараметровых методов контроля влажности древесины видно, что каждый метод обладает своими преимуществами и недостатками, поэтому наиболее перспективна разработка и внедрение комбинированных методов контроля влажности. В настоящее время такие методы могут быть широко применены в науке и технике в связи с внедрением микропроцессорных устройств и могут относиться к интеллектуальным методам контроля влажности [5, 48, 116].
Точность однопараметровых методов контроля влажности древесины зачастую не удовлетворяет требованиям производства. Это объясняется значительным разбросом параметров контролируемого материала и сложностью их контроля с целью компенсации вызываемых ими погрешностей. Так, например, при контроле влажности массивной древесины наибольшую погрешность вызывает анизотропия ее свойств и нестабильность качества поверхности. Кроме того, на электрические свойства всех древесных материалов заметное влияние оказывает температура древесины. Поэтому для увеличения точности влагомеров необходимо вводить поправку на ее изменения.
Перечисленные выше мешающие параметры измерять очень трудно, в связи, с чем применение систем их компенсации ведет к значительному усложнению конструкций и измерительных схем влагомеров древесины. При разработке таких влагомеров лучше применять методы контроля влажности, при которых обеспечивается наибольшая чувствительность измеряемого физического параметра к массе воды. Это позволяет уменьшить число компенсируемых погрешностей и упростить конструкцию влагомера. В то же время такой подход к выбору метода не совсем обоснован [48]: если предположить, что имеется од-нопараметровый метод идеально точного измерения массы воды тв в образце и проанализировать его погрешность в соответствии с выражением (2.2), представленным в виде W=- —t (2.16) где р0 - плотность, a v0 - объем абсолютно сухого образца, то источниками погрешности такого метода будут колебания объема v0 и плотности р0. Влияние колебаний объема легко устранить его измерением или соответствующей подготовкой образцов, а влияние колебаний плотности при данном методе не 48 устранимы, так как в результатах измерения отсутствует информация о них. Вследствие этого и возникает погрешность, которая определяется следующим выражением: AWp= -Ap W -. (2.17)
Для иллюстрации этого факта можно представить ряд образцов с одинаковыми размерами и равными количествами воды, но с различными плотностями, а, следовательно, и различными влажностями. Поскольку этот метод позволяет иметь для всех образцов одинаковые результаты контроля, он дает методическую погрешность AWp. Кроме этой, у реальных методов имеется еще погрешность, обусловленная чувствительностью Кх используемого в качестве меры влажности электрического параметра Z к изменению плотности древесины. Эта погрешность определяется выражением AWz= -Ap0, (2.18) где Kx=dZ І др0 - чувствительность электрического параметра к изменению плотности р0; К2 =ду/ 13W - чувствительность влагомера к влажности древесины; Z = y/(W) - статическая характеристика влагомера. Поскольку изменение плотности вызывает однозначные погрешности AWp и AWZ, суммарная погрешность AW, вызываемая колебанием плотности древесины, равна (w кЛ Таким образом, критерий оценки метода контроля влажности должен учитывать не только его чувствительность к массе воды, но и к другой равноценно определяющей влажность величине - плотности древесины в абсолютно сухом состоянии. Наилучшим в этом смысле будет метод, который наиболее точно измеряет отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины в образце. Такая постановка вопроса требует для определения влажности кон троля как минимум двух электрофизических параметров древесины, и если это существенно различные физические параметры, то они каждый по-своему зависят от масс воды тв и древесины т0. Для упрощения можно предположить, что колебания других мешающих параметров устранены или они несущественны, тогда результаты контроля влажности двумя различными методами определяют по следующим выражениям: Z, =fx{me,p0) ; Z2 = f2(me,p0) . Поскольку fj f2, возможно решение этой системы уравнений относительно величины тв I р0 и колебания плотности будут полностью скомпенсированы.
К недостаткам комбинированных методов относится некоторое усложнение электронной измерительной схемы влагомера. Однако применение современных средств полупроводниковой техники и микроэлектроники [23] позволяет сделать эту схему малогабаритной и высоконадежной. В то же время отпадает необходимость применения дополнительных преобразователей для контроля мешающих параметров и значительно упрощается конструкция основного преобразователя влажности.
В разработке комбинированных методов возможны два пути выявления комбинирующей функции - детерминированный и вероятностный. Первый путь - детерминированный основан на использовании функциональных теоретических или экспериментальных зависимостей между влажностью и мешающими параметрами древесины для различных методов контроля влажности и вычислении по ним комбинирующей функции в соответствии с выбранным критерием. Второй путь - вероятностный - основан на представлении влажности и мешающих сигналов в виде случайных величин при периодическом контроле и случайных функций при непрерывном контроле. Если для них определены многомерные законы распределения, а также авто- и взаимнокорреляционные функции, то комбинирующая функция может быть найдена из условия получения максимальной информации о влажности.
Первый путь целесообразно использовать при нелинейных зависимостях между полезным и мешающими параметрами и при наличии в контролируемом материале одного наиболее сильно мешающего параметра.
Второй путь - вероятностный дает более высокую точность и целесообразен при наличии большого числа примерно равнозначных мешающих параметров, которые учесть в отдельности довольно затруднительно из-за их очень малых колебаний относительно их математических ожиданий. Этот путь разработки комбинированных методов может быть также полезен при компенсации динамических погрешностей автоматически действующих влагомеров, так как появляется возможность фильтрации мешающих сигналов, т.е. частичной их компенсации без измерения и введения поправок.
Методика синтеза электрических схем замещения по частотным характеристикам
В непрерывном технологическом потоке с автоматическим контролем влажности древесины погрешность влагомера определяется суммой статической и динамической погрешностей. Последняя обусловлена динамическими свойствами влагомера и функциями спектральной плотности влажности и мешающих сигналов. В высокопроизводительных сушилках динамические погрешности обычно приводят к значительным колебаниям стрелки показывающего прибора. Часто для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры. Одновременно с подавлением высокочастотных помех такие фильтры уничтожают часть информации о влажности. Решение о допустимых потерях информации необходимо принимать в зависимости от назначения влагомера.
При расчете сглаживающих фильтров влагомеров необходимо учитывать возможность избирательной фильтрации мешающих сигналов [25]. Дело в том, что колебания влажности и мешающих сигналов вызываются различными причинами и могут иметь различные спектральные характеристики. Здесь появляется возможность применения специального фильтра или передаточной функции собственно влагомера, оптимально подавляющих мешающие сигналы. Это позволяет значительно повысить точность контроля даже без применения комбинированных методов. Такой влагомер рассматривается как динамическая система, на вход которой подаются полезный и мешающие сигналы, представляющие собой случайные функции времени. Передаточную функцию влагомера рассчитывают так, чтобы на его выходе было минимальное влияние мешающего сигнала [53, 56, 65].
В данном случае, исходя из условия минимума среднеквадратической погрешности, может быть найдена или оптимальная передаточная функция, или оптимальные значения коэффициентов передаточной функции при заданной структуре влагомера. Как известно [65], среднеквадратическая погрешность динамической системы определяется выражением r=Y 1К(ИЧН +— \\We(jco)\Sc( o)dcD, (2.58) —00 —0D где W3 (jco) и We (ja) - передаточные функции влагомера соответственно по полезному сигналу и ошибке, Sn((o), Sc(a ) - функции спектральной плотности помехи и полезного сигнала. При фильтрации помех в однопараметровых влагомерах одновременно с подавлением погрешности теряется часть информации о полезном сигнале, так как функции их спектральной плотности взаимно перекрываются. В комбинированных влагомерах появляется возможность фильтрации помех без потерь, а это совместно с их частичной взаимной компенсацией способствует значительному повышению точности контроля в динамическом режиме.
Структурная схема комбинированного влагомера с компенсацией погрешности. Известны два типа комбинированных измерителей - с компенсацией и с фильтрацией. Схема компенсации основана на максимально возможном выделении специальным звеном погрешности одного из методов и последующем введении поправки в результаты другого метода. Структурная схема такого измерителя представлена на рисунке 2.6. Влажность w измеряется двумя различными методами, которые дают результаты Z t) и Z2 (ґ). На схеме в точке А выделяется разность сигналов Z, (7) - Z2 (7) = ух (ґ) - у2 (t), в которой не содержится полезного сигнала. Фильтр ТУф(р) выделяет из разности сигналов погрешность yx(t} и подавляет погрешность y2(t). В точке В происходит вычитание сигналов о(р) = г,(р)-жф(р)[г,(р)-г2(р)]= Если функции спектральной плотности помех не перекрываются, возможно достаточно точное выделение помехи j i (t) из разности сигналов. В этом случае на выходе системы возникает сигнал, в котором отсутствует погрешность. В реальных условиях спектральные функции помех частично перекрываются и в точку В подходит помеха ух (t) с погрешностями. Это не позволяет добиться полной их компенсации. При известных спектральных функциях помех S co) и S2(a ) и их взаимной спектральной плотности S (co) дисперсия погрешности выходного сигнала определится выражением [65]
С учетом того, что подынтегральные функции, в двух последних интегралах определяются произведениями комплексно сопряженных функций, можно написать [і - їф {-]а )]іГф (ja )Sl2 (jco) + [\-Жф 0 со)Уф (-jco)Sl2 (-jco) = = 2Re{[l-J (yfl))] (-y)SI2(-y»)}. Таким образом, дисперсия выходного результата равна +со +00 Do= j\l-W ja )\2sMdto+ \\wt(ja )(s2((D)da + —со —со -co +2 Re{[l-Жф Оа )Уф (-jo)S2l (jco)}dco. (2.61) (2.62)
Достоинством схемы компенсации (рисунок 2.6) следует считать отсутствие динамических искажений полезного сигнала, так как воздействию фильтра подвергаются только погрешности ух (t) и у2 (t).
На рисунке 2.7 представлена другая схема комбинированного измерителя - схема фильтрации. Здесь оба результата контроля Z, (t) и Z2 (t) подаются на фильтры Жф1 (р) и \ф2 (р), рассчитанные на максимальное подавление помех, и затем в точке В подаются на сумматор. Передаточные функции фильтров рассчитывают таким образом, чтобы полезный сигнал W(p) воспроизводился на выходе системы без динамических погрешностей. Это может быть при выполнении условия М )+М 0=1- (2-63) Действительно, в соответствии с блок-схемой имеется равенство G(p) Z](p)W,](p) + Z2(p)W (p) = (2.64) -mp)[Wlp](p) + Wil)2(P)] + W (p)yi(p) + W (P)y2(p), откуда и вытекает соотношение (2.63). Учитывая условие (2.63), соотношение (2.64) можно представить в виде G(p) = W(p) + у2 (р) + Жф1 {р)[Уі (р) - у2 (/,)]. (2.65) Сравнение выражений (2.65) и (2.59) показывает полное совпадение результатов контроля по обоим типам схем. Разница проявляется лишь в конструктивном выполнении влагомеров. Поскольку схемы компенсации и фильтрации равноточны и описываются одними выражениями, целесообразно рассмотреть только схему компенсации как более наглядную. В соответствии с уравнением (2.65) необходимо иметь передаточную функцию фильтра, максимально подавляющую погрешность ;;, (ґ) в разности сигналов yx{i)-y2(t).
Анализ влияния шумов элементов схемы измерительного преобразователя на его инструментальную погрешность
Для анализа и синтеза влагомеров удобно пользоваться обобщенной структурной схемой [9, 69, 72] в виде последовательного соединения трех звеньев (рисунок 4.1). Звено 1 описывает связь «состав - свойство», т. е. преобразование влажности W в физическое свойство е контролируемого материала, используемое для контроля влажности. Характер величины е зависит от принятого метода контроля, например, в электрических методах е может представлять собой вещественную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической проницаемости материала, в оптических - оптическую плотность прошедшего или отраженного излучения определенной длины волны и т. д. Указанное преобразование характеризует существующую в природе зависимость физических или физико-химических свойств вещества от содержания влаги. Звено 2 - первичный измерительный преобразователь, на выходе которого получают полезный выходной сигнал х, удобный для дальнейшей обработки. Звено 3 соответствует измерительному устройству, сравнивающему величину х с мерой этой величины и дающему выходной сигнал у прибора - отклонение стрелки указателя, унифицированный электрический или пневматический сигнал и т. п.
Возмущающими воздействиями являются: для звена 1 - z, т. е. изменение состояния и свойств материала, помимо влажности (температура, плотность, химический состав); для звена 2 - и, т. е. изменение условий контроля (частота электрического поля, масса образца и его положение); для звена 3 - помехи v, воздействующие на измерительное устройство.
В общем случае имеется несколько параметров z, її, v, и их удобно считать координатами векторов (z = zl,z2,z3,...,zn и т. д.); иногда это относится и к вели чине е.
В структурных схемах реальных приборов для контроля влажности звенья 1, 2, 3 заменяются нескольким элементарными преобразователями с различными способами соединения [29, 32, 38,42, 45].
Согласно схеме на рисунке 4.1 можно выделить две основные составные части влагомеров: датчик и измерительное устройство. Под датчиком подразумевается конструктивная совокупность преобразователей 1 (в большинстве случаев этот преобразователь не реализуется в виде отдельного функционального элемента) и 2, устройств для введения в преобразователь исследуемого материала, его перемещения и выгрузки; а таюке дополнительных устройств для получения информации о значениях внешних влияющих воздействий z, и или для стабилизации и компенсации этих воздействий.
В автоматических влагомерах функционирование (непрерывное или дискретное) датчика и измерительного устройства не требует участия человека. В неавтоматических приборах операции, необходимые для выполнения контроля, или их часть (загрузку и выгрузку образца, уравновешивание измерительного устройства) выполняет оператор; эти приборы, как правило, рассчитаны на дискретное действие.
Метрологическая и информационная оптимизация любого влагомера сводится к требованию наилучшего выделения полезного сигнала из его смеси с шумами. Изменение выходного сигнала у (рисунок 4.1) описывается уравнением dy = -Q-dW + -ck + du + -dv (4.1) dW dz ди dv Назначением влагомера, как и любой информационной системы, является наилучшее пропускание полезного сигнала (dy/dW)dW при максимальном подавлении помех, описываемых остальными составляющими правой части уравнения (4.1). Минимизация погрешности достигается при условии, что чувствительность влагомера к влажности Sw-dyldW максимальна, а чувствительность к помехам Sn =dy/dz + dy/du + dy/dv минимальна.
На рисунке 4.2, а изображена структурная функциональная схема прибора для контроля влажности [75]. В качестве измерительного преобразователя использован конденсатор 1, представляющий установленные на станочной линии две плоские пластины, между которыми перемещается контролируемая деталь. Функцию низкопотенциальной пластины преобразователя выполняет станина станка. Преобразователь 1 соединен с генератором 2, который представляет собой автоколебательный мультивибратор, собранный на операционном усилителе (рисунок 4.2, б) [7, 20]. Период колебаний выходного напряжения генератора зависит от величины емкости преобразователя С
