На правах рукописи


ШВЕДОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
МЕТОД И СРЕДСТВА ДВУХПАРАМЕТРОВОГО
РЕЗОНАНСНОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

                                                             


Специальность:   05.11.13 –  Приборы и методы контроля природной

                                                 среды, веществ,  материалов  и  изделий


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Орел 2010

Работа выполнена в Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации

Научный руководитель:                кандидат технических наук, доцент

                                                         Лисичкин Владимир Георгиевич

                                          

Официальные оппоненты:            доктор технических наук, профессор

                                                         Иванов Юрий Владимирович 
                кандидат технических наук, доцент

                Мишин Владислав Владимирович

 

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» (г. Москва)


Защита состоится  27 апреля 2010 года  в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного Совета  Д 212.182.01 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29. Ауд. 212.

Факс: (4862) 41-98-19, тел.: (4862) 41-66-84

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан  «___»____________ 2010г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу Совета университета: 302020, г. Орел,                 Наугорское шоссе, 29.

         

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

кандидат технических наук,

доцент                                                                                                  Волков В. Н.
Общая характеристика работы

Актуальность темы. Практически во всех сферах деятельности человека возникает необходимость измерения влажности. В ряде отраслей промышленности (строительной, текстильной, легкой, пищевой, химической, электронной и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов. 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. В сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения различных агротехнических приемов. Влажность зерна и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих их качество, эффективность последующей переработки и возможность длительного хранения без потерь. Большое значение имеет влажность материалов в ВПК при производстве и хранении вооружения, военной техники и средств обеспечения повседневной деятельности войск. Вследствие этого контроль влажности различных материалов является актуальной задачей.

Одним из перспективных методов контроля влажности материалов, которые в процессе увлажнения не образуют химических связей с водой (вода не входит в состав молекул материала), является диэлькометрический метод, основанный на взаимодействии электрического поля с веществом. Теория метода базируется на трудах Д. К. Максвелла, Г. А. Лоренца, К. В. Вагнера, П. Дебая, Г. Фрелиха. Методике диэлькометрии посвящены классические работы Г. И. Сканави, В. Брауна, Ф. Эме и современные исследования Т. Ханаи, С. Вена,     Г. П. де Лоора, А. А. Потапова, О. И. Гудкова. Большой вклад в развитие технических систем диэлькометрического контроля внесен трудами института механики полимеров (Латвия) под руководством И. Г. Матиса, школой Е. С. Кричевского в С.-Петербургском горном университете, лабораторией Московского института строительной физики под руководством В. С. Ройфе. Наиболее глубоко разработана диэлькометрическая влагометрия трудами А. Ю. Бера и Ю. П. Секанова (НПО «Агроприбор»), Т. Я. Гораздовского (Московское НПО «Спектр»), В. И. Корякова и А. С. Запорожец (Ур. НИИ метрологии), В. П. Катушкина (С.-Петербургский технологический университет) и многими другими.

При диэлькометрическом контроле влажности широко используются резонансные явления в измерительных преобразователях на основе колебательных контуров, в состав которых входят емкостные датчики влажности.

Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов на достоверность результатов контроля влажности применяют различные методы. Среди них наиболее перспективно использование параметрической модуляции, позволяющей избавиться от паразитных влияний и получить наиболее близкое к истинному значение контролируемой влажности. В широкодиапазонных схемах влагомеров применяют разновидность параметрической модуляции – линейную частотную модуляцию. Однако точность таких устройств ограничивается тем, что при линейном изменении частоты возбуждающего сигнала возникает погрешность от сдвига максимума резонансной кривой колебательной системы относительно его "истинного" значения. Данное явление "сноса" резонансной частоты возникает при быстрой перестройке и зависит от скорости развертки частоты и постоянной времени измерительного преобразователя, зависящей от добротности резонансной системы. Кроме того, на точность резонансного контроля влажности существенно влияет электрическая проводимость материалов, при повышении которой уменьшается добротность резонансного измерительного преобразователя, что приводит к возрастанию погрешности выделения экстремума по максимуму амплитуды выходного сигнала.

Уменьшение погрешности измерений при контроле влажности различных материалов невозможно без совершенствования способов построения аппаратуры контроля и улучшения технических характеристик влагомеров. Этим обстоятельством характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования в работе являются методы и средства диэлькометрического контроля влажности материалов.

Предмет исследования – способы повышения точности измерений при резонансном контроле влажности материалов.

Целью диссертационной работы является повышение точности измерений влажности материалов при резонансном контроле 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 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 методы аппроксимации характеристик 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 работы 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 автономных приборов 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.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты исследований внедрены на ЗАО "Научприбор" (г. Орел).

Апробация и публикации результатов работы.

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 семь печатных работ, включая пять статей в периодических изданиях и два патента на полезную модель на разработанные устройства, а также имеется положительное решение на выдачу патента на способ диэлькометрического контроля влажности материалов

На защиту выносятся следующие положения:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержание которых изложено на 170 страницах, содержит 44 рисунка и список источников из 89 наименований.

Содержание работы
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, показаны направления исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор методов контроля влажности материалов и способов повышения точности диэлькометрического метода. В результате анализа установлена перспективность применения двухпараметрового резонансного метода контроля для измерения влажности материалов, которые при увлажнении не образуют с водой устойчивых химических связей, а при удалении влаги полностью восстанавливают свои свойства. Такой метод реализуется посредством цифрового измерения и обработки амплитудных и фазочастотных параметров выходных сигналов емкостных датчиков.

Методы измерения влажности в общем случае принято делить на две группы: прямые и косвенные. При использовании прямых методов производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. При использовании косвенных методов измеряют вторичные величины, функционально связанные с контролируемой влажностью материала. Прямые методы (чаще всего это термостатно-весовой метод) применяют, в основном, для получения градуировочных зависимостей при калибровке влагомеров под различные материалы. Среди косвенных методов измерения влажности наибольшее распространение получили кондуктометрические и диэлькометрические методы. Область применения кондуктометрических методов ограничена малыми и средними значениями влажности.

Среди диэлькометрических методов измерения влажности особое место занимают резонансные, для которых характерно использование явления резонанса в колебательном контуре с сосредоточенными параметрами, одним из элементов которого является емкостный датчик влажности. Такие методы получили широкое распространение благодаря ряду достоинств, главными из которых являются высокая чувствительность и значительная помехоустойчивость, обусловленные избирательными свойствами резонансных контуров. При контроле влажности резонансными методами используют зависимости амплитуды, частоты и фазы напряжения на выходе измерительного преобразователя на основе LC-контура от влажности материала, изменяющей его диэлектрическую проницаемость, которая влияет на комплексную проводимость емкостного датчика, включенного в резонансный контур.

Электрические свойства влажных материалов в слабых переменных электрических полях можно описать любыми двумя параметрами, связанными с комплексной диэлектрической проницаемостью  с учетом ее вещественной и мнимой  составляющих, или диэлектрической проницаемостью  и тангенсом угла диэлектрических потерь  материала, а также величиной  и удельной проводимостью материала s (точнее, ее активной составляющей).

Зависимости между этими величинами имеют следующий вид:



Активные потери в исследуемом материале складываются из диэлектрических потерь и потерь проводимости. Диэлектрические потери определяются совокупностью всех видов поляризации, и на различных частотах поля могут иметь место отдельные виды поляризации,  имеющиеся в материале.

Если не учитывать влияние индуктивности (на частотах до 30 МГц), то эквивалентную схему влажного материала в синусоидальном электрическом поле можно представить в виде параллельного соединения RC-элементов (рис. 1).



Рисунок 1 – Эквивалентная схема замещения влажного материала

   в электрическом поле при  (а) и его векторная диаграмма (б)

Изменение активной проводимости материала является возмущением, воздействующим на выходную электрическую величину датчика и, следовательно, на измерительную систему влагомера. Логическим следствием является необходимость исключения влияния электрической проводимости на результаты контроля влажности материалов.

Проведенный анализ показал, что существующие методы диэлькометрического контроля не позволяют решить задачу высокоточного измерения влажности материалов в широком диапазоне изменения влажности при воздействии мешающих факторов, особенно активной проводимости материала. В связи с этим необходимо усовершенствовать резонансный метод диэлькометрического контроля и оптимизировать параметры контролирующей аппаратуры на основании проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Во второй главе разработаны и представлены модели процесса двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов с повышенной активной проводимостью и рассмотрены некоторые побочные явления, возникающие при быстрой перестройке частоты возбуждающего генератора.

Описание процесса измерения влажности нелинейным стохастическим дифференциальным уравнением с переменными параметрами позволяет представить его модель в виде эквивалентного колебательного L_КC_К-контура с подключенным к нему через конденсатор изоляции С_И емкостным датчиком, имеющим емкость C
_Х и сопротивление R
_Х  (рис. 2, а).

При известных параметрах контура его резонансная частота  , где  – есть функция от емкости датчика
C
_Х , зависящей от влажности контролируемого материала.

При наличии активных потерь добротность контура  уменьшается, а измеряемая частота отличается от резонансной частоты .

Погрешность определения резонансной частоты и влажности по максимуму резонансной кривой  становится тем больше, чем больше потери в контролируемом материале (рис. 2, б).

                                            

                     


                     а                                                            б

Рисунок 2 − Эквивалентная схема измерительного преобразователя (а),

        и графики изменения дополнительной погрешности при резонансном

измерении влажности в условиях наличия активных потерь (б)

                                                                                          

При наличии потерь сопротивление датчика становится величиной комплексной, а измеряемая частота зависит от "кажущейся" емкости , величина которой тем больше отличается от истинной емкости , чем больше потери в среде:

,

где – фактор, учитывающий геометрию электродов в контролируемой среде, – релаксационная составляющая диэлектрической проницаемости.

Определение резонансной частоты сводится к вычислению истинной емкости датчика

,

где ,  ,

.

В это выражение входит проводимость потерь G_X, от величины которой зависит второй информативный параметр – амплитуда напряжения на контуре, по измеренным значениям которого определяются потери:

.
С учетом потерь вычисляется истинная емкость датчика , а затем и резонансная частота . Предложенная функциональная обработка сигналов позволяет скомпенсировать одну из составляющих методической погрешности влагомеров, зависящей от проводимости контролируемого материала.

При стабилизации амплитуды выходного сигнала датчика информация о значении контролируемой влажности содержится в изменении частоты выходного сигнала преобразователя. При этом резонанс в системе наиболее точно определяется по фазовой характеристике, поэтому для повышения достоверности контроля необходимо, в первую очередь, уменьшать погрешность измерения этих параметров. 

В существующих влагомерах, реализующих аналогичный принцип преобразования, точность ограничена инструментальной ошибкой измерения фазы Dj » (1…3)°, что при больших потерях в емкостном датчике приводит к ошибке определения резонансной частоты , достигающей единиц килогерц.

Предложен и рассмотрен перспективный способ повышения точности измерений при резонансном диэлькометрическом контроле влажности в условиях воздействия мешающих факторов, основанный на линейном изменении частоты возбуждающего сигнала.

При реализации этого способа с помощью генератора пилообразного напряжения изменяют частоту возбуждающего высокочастотного генератора до ее совпадения с резонансной частотой измерительного контура.

Динамические процессы в резонансной системе, моделью которой является колебательный контур, описываются линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка:

,

где  – мгновенная фаза.

При входном сигнале в виде переменного тока

,

решение дифференциального уравнения, полученное численным методом Рунге – Кутта четвертого порядка, графически представлено на рисунке 3, б и позволяет оценить влияние скорости развертки частоты на погрешность "сноса".  



               а                                                                       б





              в                                                                                   г

Рисунок 3 – Закон изменения частоты возбуждающего ЛЧМ-сигнала (а);

диаграмма изменения выходного сигнала при скорости перестройки             частоты V_f
=100 кГц/мс (б); амплитудный (в) и фазовый (г) резонансы в колебательном контуре при возбуждении ЛЧМ-сигналом

При быстром изменении частоты возбуждающего сигнала возникает ряд негативных явлений. Во-первых, максимальное значение огибающей выходного сигнала (амплитудный резонанс, рис. 3, в) не совпадает с частотой нуля фазовой характеристики колебательного контура (фазовый резонанс, рис. 3, г), и оба резонанса не совпадают с истинной резонансной частотой контура, которая зависит только от значений параметров реактивных элементов. Во-вторых, наблюдается уменьшение максимума значения огибающей амплитуды колебаний, которое практически может ограничить диапазон измерения контролируемой влажности.

К основным путям преодоления этих явлений, снижающих точность измерений – "сноса" резонансной частоты и уменьшения амплитуды выходного сигнала – относятся: применение двухтактной развертки частоты возбуждающего сигнала с изменением направления и скорости развертки во втором такте преобразования; использование генератора импульсов тока в качестве источника возбуждающего сигнала и автоматическая стабилизация амплитуды выходных колебаний емкостного резонансного преобразователя.

Радикальным способом, позволяющим уменьшить влияние мешающих факторов на точность измерений, является одновременная подача возбуждающего сигнала на образцовый и исследуемый измерительные преобразователи и сравнение их амплитудно-фазовых параметров в реальном масштабе времени.

При анализе свойств двух измерительных преобразователей, работающих в системе взаимосвязанных контуров, проведено схемотехническое моделирование устройств по программе Electronics

Workbench
(EWB) при различном сочетании и варьировании контролируемых RLC-параметров (рис. 4).

 



Рисунок 4 – Моделируемая схема (а) и ее частотные характеристики (б)

Для повышения точности определения резонансной частоты предложено возбуждать преобразователь импульсами изменяющейся во времени частоты   и при появлении нулевого значения фазы D измерять резонансную частоту  контура.

В третьей главе разработаны и исследованы резонансные способы контроля влажности материалов с повышенной точностью и предложены различные структурные схемы построения приборов двухпараметрового контроля.

С учетом выводов из анализа применения ЛЧМ-сигналов при резонансном контроле предложено изменять скорость и направление развертки частоты импульсов возбуждающего тока в двух тактах преобразования и использовать в качестве второго информативного параметра амплитуду резонансных колебаний. Данный алгоритм реализуется устройством (рис. 5), в котором амплитуда сигнала  выделяется амплитудным детектором АД, а фаза – формирователями импульсов ФИ1, ФИ2 и D-триггером, выполняющим функцию фазового компаратора.




Рисунок 5 – Структурная схема прибора двухпараметрового контроля с изменением направления и скорости развертки частоты возбуждающего сигнала

Блок обработки БОД управляет аналоговым коммутатором АК, который служит для изменения скорости и направления развертки частоты импульсов. Для цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по нулевой разности фаз ±Dj  при контроле влажности материала, на блок обработки подаются импульсы высокой частоты  от тактового генератора ГТИ. После обработки данных результаты контроля выводятся на цифровой индикатор ЦИ.

При реализации предложенного способа контроля предусмотрено измерение среднего значения частотына интервале времени Т_ИЗМ, кратном периоду сетевого напряжения (20 мс), что позволяет ослабить влияние помех промышленной частоты на результат преобразования. Кроме того, за счет автоматической регулировки амплитуды импульсов возбуждающего тока в ПНТ стабилизируется амплитуда выходного сигнала LC-контура. Поэтому инструментальные погрешности детектора АД и формирователей пренебрежимо малы и практически не оказывают влияния на достоверность результатов контроля.

При высокой частоте возбуждающего сигнала³ 30 МГц возможен дополнительный сдвиг фаз между измерительными каналами из-за разброса динамических параметров элементов даже при их одинаковом количестве в каждом канале. Для реализации таких приборов предложено применять аддитивную коррекцию погрешностей, выполняемую перекрестным переключением каналов преобразования в двух соседних тактах с последующим вычислением полусуммы результатов измерений, получаемых в этих тактах.

Для повышения надежности срабатывания D-триггера, выполняющего функцию фазового компаратора, необходимо на его входы подавать импульсы, имеющие скважность Q = 2. С учетом этого предложено использовать в составе управляемого генератора УГИ дополнительные триггеры, обеспечивающие двукратное деление частоты импульсов, и применять в каждом измерительном канале одинаковые функциональные узлы.

Изменение направления развертки частоты возбуждающего сигнала с одинаковой скоростью в двух тактах преобразования реализовано в устройстве со следящей автоподстройкой частоты (рис. 6).


Рисунок 6  – Структурная схема допускового следящего влагомера

 

Для повышения фазовой чувствительности в этом устройстве применена двухконтурная схема включения эталонного и рабочего емкостных датчиков. При проведении контроля в эталонный датчик с емкостью , подключаемый к образцовому -контуру, устанавливается материал с известной диэлектрической проницаемостью, а подключенный к LC-контуру рабочий емкостный датчик  размещается в контролируемой среде. Такое построение устройства позволяет обеспечить высокую чувствительность при допусковом контроле влажности материалов.

 Применение микропроцессорного блока обработки данных БОД позволяет линеаризовать характеристику преобразования и выводить результаты контроля на цифровой индикатор непосредственно в процентах влажности.

Один из алгоритмов обработки фазовых параметров при контроле влажности материалов реализован устройством (рис. 7). В процессе контроля на LC
-контур подают импульсы возбуждающего тока , а амплитуду выходного сигнала преобразователя  сравнивают с пороговым уровнем напряжения . Затем усиливают сигнал разбаланса  в  раз и этим усиленным сигналом регулируют амплитуду импульсов возбуждающего тока.

Импульсы выходного сигнала резонансного преобразователя сравниваются по фазе с импульсами генератора ГИ логическим элементом 2И, длительность импульсов на выходе которого пропорциональна разности фаз.



Рисунок 7  – Структурная схема прибора с фазовым компаратором на элементе 2И

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки функциональных узлов двухпараметровых влагомеров и обоснования выбора схемотехнических решений по построению отдельных блоков, в частности генераторов импульсов. При проведении экспериментальных исследований использован генераторный принцип – емкостный датчик подключался к цепи обратной связи высокочастотного генератора импульсов на быстродействующих логических элементах. Для измерения резонансной частотыприменялся цифровой частотомер. При разработке принципиальных схем высокочастотных генераторов использована программа схемотехнического моделирования Electronics
W
orkbench
(EWВ), позволяющая автоматизировать расчет электронных устройств и уделять основное внимание изучению динамических процессов, протекающих в электрических схемах приборов контроля.

В портативных приборах контроля влажности предложено использовать универсальную схему двухпараметрового генераторного датчика на полевом транзисторе с измерительным LC-контуром (рис.8, а).




     

Рисунок 8 – Принципиальная схема (а) и зависимость напряжения U_Р

генераторного датчика влажности от сопротивления материала (б)



В данной схеме полевой транзистор VT в каждом периоде колебаний открывается только на короткое время, а гармонический выходной сигнал формируется за счет избирательных свойств LC-контура. Благодаря высокой добротности контура обеспечивается стабильность частоты колебаний и нелинейная зависимость падения напряжения  на образцовом резисторе R₂  от сопротивления  материала.

Согласно графику экспериментально снятой зависимости напряжения  от тока питания генератора (рис. 8, б), понижение сопротивления контролируемого материала приводит к увеличению напряжения  от единиц до сотен милливольт. Это напряжение затем кодируется с помощью АЦП, входящего в состав микропроцессорного блока цифрового влагомера, и совместно с резонансной частотой  используется для вычисления и коррекции результатов измерения влажности в зависимости от электрической проводимости материала.

Градуировка двухпараметрового прибора контроля проведена по стандартной методике посредством сравнения измеряемых параметров (частоты резонанса и напряжения разбаланса) с результатами измерения влажности термостатно-весовым методом. При этом в качестве контролируемого материала использовались два вида песка – кварцевый и речной. Образцы песка предварительно высушивались, затем помещались в емкостный датчик и последовательно увлажнялись с дискретностью в 5% начального веса.

В результате проведенных исследований и статистической обработки результатов измерений (по 10 измерений для каждого значения влажности) получены градуировочные кривые прибора для двух видов материала (рис. 9).

При построении данных градуировочных характеристик использовались средние значения относительного изменения резонансной частоты (рис. 9, а)  и напряжения (рис. 9, б). На основании полученных данных составлена таблица поправочных коэффициентов, записанных в память микропроцессора, которые используются для вычисления и представления результатов измерений на цифровом индикаторном табло прибора непосредственно в процентах влажности.


Рисунок 9 – Градуировочные кривые двухпараметрового влагомера (а, б) для

кварцевого песка (1), и речного песка (2)

В результате статистической обработки результатов экспериментальных исследований определена основная погрешность влагомера: при СКО в пределах 0,05÷0,1 % среднее отклонение от результатов, полученных термостатно-весовым методом в диапазоне контроля влажности от 0 до 45 %, составляет ±(0,1…0,3) % (рис. 10). При этом максимальная погрешность прибора не превышает значения 0,6% даже с учетом случайной погрешности от неравномерного распределения влаги в материале, погрешностей аппроксимации характеристики преобразования и дискретности счета.



Рисунок 10 – Погрешности измерения влажности двух видов песка

Основные результаты и выводы
В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Усовершенствован метод диэлькометрического резонансного контроля влажности материалов, основанный на функциональной связи между амплитудно-частотными  параметрами измерительных преобразователей и влажностью, отличающийся изменением крутизны и направления развертки возбуждающего сигнала, обеспечивающий повышение точности измерения резонансной частоты при контроле влажности материалов в широком диапазоне;

2. Разработан способ резонансного контроля влажности материалов, позволяющий уменьшить инструментальную погрешность преобразования за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала, подаваемого на емкостный датчик, в зависимости от свойств материала. При этом обеспечена стабилизация амплитуды выходного сигнала емкостного датчика с относительной погрешностью ± 0,1 %, а сигнал рассогласования используется для коррекции амплитуды возбуждающего сигнала и отстройки от влияния активной электрической проводимости контролируемого материала. 

3. Предложены и исследованы новые алгоритмы обработки фазовых параметров высокочастотных сигналов в приборах двухпараметрового резонансного контроля влажности, позволяющие исключить влияние гистерезиса при фазовых измерениях за счет применения аддитивной коррекции погрешности.

4. На основе предложенных алгоритмов преобразования разработаны структурные схемы приборов для контроля влажности твердых и сыпучих материалов, позволяющие за счет совместной обработки двух информативных параметров в полтора раза уменьшить погрешность измерений при контроле влажности материалов с активными потерями. Новизна предложенных технических решений подтверждена патентами на полезные модели и положительным решением по заявке на изобретение устройства контроля влажности.

5. Разработаны принципиальная схема цифрового влагомера с автономным питанием и конструкции емкостных датчиков, которые внедрены в лаборатории СКБ "Научприбор" (г. Орел) и используются при выполнении опытно-конструкторской работы по подготовке производства к выпуску портативных влагомеров с автономным питанием для целей сельского хозяйства.
Список опубликованных работ

1. Шведов, С. Н. Сравнительный анализ моделей диэлектрических свойств почвы при автогенераторных измерениях влажности [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Измерительная техника, № 2, 2008. – С. 64 – 67. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

2. Шведов, С. Н. Повышение точности многопараметровых приборов контроля с резонансным преобразованием [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 1/ 279(592), 2010. – С. 88 – 95. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

3. Шведов, С. Н. Высокочувствительные двухконтурные устройства контроля влажности почвы [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 2/274 (560), 2009. – С. 91 – 97.

4. Шведов, С. Н. Устройство для контроля влажности с повышенной точностью измерения [Текст] / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 3–2/275 (561), 2009. – С. 62 – 66.

5. Шведов, С. Н.  Двухпараметрическое устройство контроля влажности [Текст] / С. Н. Шведов,  Б. Р. Иванов, В. Г. Лисичкин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии,     № 6/278 (577), 2009. – С. 84 – 88.

6. Пат. на пол. модель 87803 Российская федерация, МПК G
01
N
27/22. Устройство измерения влажности [Текст] / В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов. : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. – №  2009125172/22 ; заявл. 30.06.09 ; опубл. 20.10.09, Бюл. № 29. – 2 с. : ил.

7. Пат. на пол. модель 88153 Российская федерация, МПК G
01
N
27/22. Электронный влагомер [Текст] / В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов. : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. – №  2009121254/22 ; заявл. 03.06.09 ; опубл. 27.10.09, Бюл. № 30. – 1 с. : ил.

         8. Положительное решение о выдаче патента на изобретение. Cпособ диэлькометрического контроля влажности материалов [Текст] / Б. Р. Иванов, В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов. : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. – №  2305280;  заявл. 27.08.2009.


Шведов Сергей Николаевич

МЕТОД И СРЕДСТВА ДВУХПАРАМЕТРОВОГО

РЕЗОНАНСНОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
                       05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,

             веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

______________________________________________________

Подписано в печать 23.03.10г. Формат 60х84/16. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 0,92. Тираж  80 экз. Заказ № 65   

Отпечатано в типографии Академии ФСО России

302034, г. Орел, ул. Приборостроительная, 35.