Измерительно-вычислительная система определения влажности капиллярно-пористых материалов

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 электрических характеристик пробы материала, в частности, влажности и проводимости в кондуктометрическом методе. Существующие эмпирические модели не учитывают ни один из факторов, влияющих на результаты определения влажности (напряжение, температура, солевой состав влаги в пробе и т. д.). Кроме того, 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 вольтамперная характеристика (ВАХ) пробы влажного материала имеет нелинейный характер. Особенно это проявляется на низких напряжениях. 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 (ИВС).

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 измерительно-вычислительной 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 вольтамперной характеристики;

— математическое моделирование объяснено физической моделью кинетического процесса в структуре мембраны, которая аппроксимирована моделью р-п перехода;

— по модели кинетического процесса выявлен информативный параметрдиффузионное сопротивление;

— предложен оригинальный способ определения диффузионного сопротивления по напряжениям, который позволяет оперативно находить информативный параметр по двум замерам в кратных точках вольтамперной характеристики;

— создан новый способ определения диффузионного сопротивления по 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 разработку математических моделей и способов определения диффузионного сопротивления по вольтамперной характеристике, нахождение влажности по диффузионной проводимости, проведение калибровки;

— создана методика проектирования измерительно-вычислительной системы определения влажности, позволяющая формализовать создание прибора с заданной точностью измерения.

Практическая ценность: на основании предложенной методики проектирования и математических моделей разработана ИБС определения влажности «ТЕМП-281» с расширенным диапазоном контролясоздана ИБС определения влажности «ТЕМП-282», повышающая достоверность измеренийснижены измерительные напряжения за счет нахождения диффузионного сопротивления — информативного параметра влажности.

Для прибора разработаны: алгоритм функционирования, аппаратное и программное обеспечение, метрологические средства, позволившие снизить погрешность измерений и 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 «Тамбовмебель» (г. Тамбов);

— ИВС «ТЕМП-282», используемой 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 на конференции «Перспективные технологии в высшей школе» (Тамбов, 1995), 3-ей научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996), на конференции «Высокие технологии в радиоэлектронике» (Нижний Новгород, 1996), на конференции Московского Энергетического Института (Москва, 1996), на Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Москва, 1996), на 3-ей Международной теплофизической школе (Тамбов, 1998), на 5-й научной конференции ТГТУ (Тамбов, 2000).

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 составляет 177 страниц. Основная часть диссертации изложена на 134 страницах машинописного текста. Работа содержит 68 рисунков и 30 таблиц.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований:

— информационный анализ показал, что наиболее точным является весовой метод контроля влажности, результаты которого могут служить мерой влажности. Для автоматизации выбран кондуктометрический метод, для которого необходимо разработать математическую модель;

— разработана сеточная модель влажного материала, позволяющая получить распределения потенциалов в образце произвольной конфигурации, доказывающая нелинейность вольтамперной характеристики;

— математическое моделирование объяснено физической моделью кинетического процесса в структуре мембраны, которая аппроксимирована моделью р-п перехода;

— модель кинетического процесса позволила определить информативный параметр — диффузионное сопротивление, позволяющее найти влажность из данных, снятых на нелинейном участке вольтамперной характеристики, которое по сравнению с дифференциальным сопротивлением не зависит от величины напряжения на пробе;

— предложен оригинальный способ определения диффузионного сопротивления по напряжениям, который позволяет оперативно находить информативный параметр по двум замерам в кратных точках вольтамперной характеристики;

— создан новый способ определения диффузионного сопротивления по 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, которая по отношению к эмпирическим моделям расширяет диапазон и повышает точность контроля;

— 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: разработку математических моделей и способов определения диффузионного сопротивления по вольтамперной характеристикенахождение влажности по диффузионной проводимостипроведение калибровки, которая по сравнению со стандартной, позволяет повысить точность в 1.3 раза и расширить диапазон контроля в 2.1 раза;

— предложена архитектура измерительно-вычислительной системы определения влажности капиллярно-пористого материала, включающая аппаратные средства и программное обеспечение, позволяющая реализовать способы, следующие из матричной математической модели;

— разработаны аппаратные средства измерительно-вычислительной системы определения влажности, позволяющие создать натурный образец влагомера на стандартном микропроцессорном комплекте 2−80- предложена методика проектирования измерительно-вычислительной системы определения влажности, позволяющая формализовать разработку прибора с заданной точностью измерения, по которой созданы макеты ИБС «ТЕМП-281», «ТЕМП-282», которые внедрены на АО «Тамбовмебель» и в учебный процесс на кафедре «Электрооборудование и автоматизация» «Тамбовского государственного технического университета» по дисциплине «Применение микропроцессоров в ВЭЛ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решены актуальные задачи, направленные на разработку измерительно-вычислительной системы определения влажности капиллярно-пористых материалов с расширенным диапазоном контроля и нормируемой точностью.