Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИПУЛЬСНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ

Предлагаемая группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности капиллярно-пористых материалов.

Известен способ [см. патент РФ №2167416, G01 №27/416, 2001, бюл. №14], заключающийся в определение концентрации ионов водорода за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующего физико-химическому составу среды. Сигнал регистрируют по интервалу времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждом цикле.

Недостатками этого способа и устройства является низкая точность измерений влажности из-за pH-метрической ячейки.

Существует способ [см. патент РФ №2187098, G01N 27/04, 2002, бюл. №22], заключающийся в измерении диффузионной проводимости по вольт-амперной характеристики (ВАХ). Для этого измеряют электрические характеристики пробы материала в диапазоне 10-29% на напряжении 5-10 В.

Недостатками этого способа являются низкая точность из-за наличия динамической и методической погрешности.

Известен способ [см. патент РФ №2341788, G01N 27/04, 2008, бюл. №35], заключающийся в определении влажности по калибровочной характеристике предельного тока на двух эталонах, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона.

Недостатком способа является относительно низкая точность в реальных условиях из-за неучтенной нелинейности измеренной характеристики, что не позволяет автоматизировать мониторинг компьютерными анализаторами.

За прототип принят способ [см. патент РФ №2240546, G01N 27/04, 2004, бюл. №32], заключающийся в определение влажности древесины в динамическом режиме по диффузионному току и оптимизируемым электродинамическим характеристикам.

Недостатками прототипа являются низкая точность, достоверность и оперативность контроля влажности в адаптивном диапазоне, из-за нелинейности динамической характеристики.

Технической задачей способа являются повышение метрологической эффективности, а именно точности измерений, за счет устранения нелинейности.

Поставленная техническая задача достигается следующим образом.

1. В способе определения влажности капиллярно-пористых материалов, заключающемся в том, что осуществляют контакт с образцом с помощью двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга, прикладывают напряжение на измерительную ячейку, регистрируют время сравнения текущей амплитуды с пороговым значением и определяют влажность, в отличие от прототипа, определяют влажность по частоте калибровочных характеристик, длительность которой в каждом цикле определяется интервалом измерения, фронт которого формируют в момент сравнения порогового напряжения с линейным напряжением динамической характеристики измерительной ячейки, состоящей из последовательно включенных влажного материала и эталонной емкости, после чего организуют срез, за счет изменения полярности порогового напряжения.

2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, калибровочной характеристикой служат функция нормированной влажности и функция предельной частоты импульсов сухого материала, которую определяют в процессе измерения предельной частоты на двух эталонах, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона.

3. В устройство для определения влажности капиллярно-пористых материалов по динамической характеристике, состоящее из измерительной ячейки, состоящей из последовательного соединения исследуемого материала и эталонной емкости, в отличие от прототипа, организуют мультивибратор за счет включения измерительной ячейки в отрицательную обратную связь операционного усилителя, в положительную обратную связь которого включен эталонный делитель напряжения на резисторах, а выходным индикатором служит частотомер.

Сущность предлагаемых способа и устройства поясняется на фиг.1-5.

Предлагаемый способ включает 2 этапа:

измерение предельного тока исследуемого образца по частоте импульсов;

калибровка на эталонных материалах для определения действительных значений влажности.

1. Влажность капиллярно-пористых материалов определяют за счет измерения частоты тока исследуемого образца. Для этого осуществляют контакт с образцом с помощью двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга. Прикладывают напряжение U₀ на измерительную ячейку (фиг.1, б), регистрируют время t сравнения текущей амплитуды U_i с пороговым U₀ значением и определяют влажность по частоте f. Измеряют частоту f в образце (фиг.1, в), длительность которой в каждом цикле определяется интервалом измерения t, фронт которого формируют в момент сравнения порогового напряжения с линейным напряжением U_i динамической характеристики измеренной ячейки, состоящей из последовательно включенных влажного материала (1) и эталонной емкости (2) (фиг.2), после чего организуют срез, за счет изменения полярности порогового напряжения. Устройство для определения влажности капиллярно-пористых материалов по динамической характеристике состоит из измерительной ячейки, состоящей из последовательного соединения исследуемого материала (1) и эталонной емкости.

2. Организуют мультивибратор за счет включения измерительной ячейки в отрицательную обратную связь операционного усилителя (ОУ) (3), в положительную обратную связь которого включен эталонный делитель напряжения на резисторах R₁ (4) и R₂ (5), а выходным индикатором (6) служит частотомер (фиг.2).

Опорное напряжение U₀ через делитель R₄R₅ прямого входа ОУ 3 сравнивается со значением линейно нарастающего U_0i напряжения

формируемого RC-цепочкой на инверсном входе компаратора. В момент времени τ₁, когда U_0i≤U₀, компаратор находится в единичном состоянии. Время τ₁ находится из условия равенства U₀=U_0i, т.е.

,

и соответствует

На интервале τ₂-τ₁ компаратор находится в нулевом состоянии, линейно убывающий сигнал - U_0i сопоставляется с потенциалом низкого уровня U₀, т.е.

,

откуда находим интервал времени

Широта τ переключения компаратора за время τ₂+τ₁ определяется соотношениями (1) и (2):

т.е. обратно пропорционально измеряемому напряжению U_i.

Исходя из равенств и формула (3) преобразуется к виду

Следовательно, частота импульсов f_i импульсной динамической характеристики f_i(U_i) прямо пропорциональна измеряемому напряжению U_i.

2. По аналогии с влажностной характеристикой древесины [патент РФ №2375704, G01N 27/00, 2009, бюл. №34]

влажностная характеристика W_i(f_i) древесины предлагаемого способа выглядит следующим образом:

где параметр F_0i является функцией предельной частоты импульсов, а параметр W_0i - функцией нормированной влажности.

Зависимость частоты f_i от влаги W_i следует из инверсии выражения (5).

Неизвестные нормированную W_0i (фиг.3, 1) и предельную F_0i (фиг.3, 2) характеристики находят из сопоставления формулы (6) с эквивалентом f_эi влажностной характеристики (фиг.3, 3) с информативными параметрами F₀ и W₀ (7).

При калибровке измеряют значения частоты f_i в нижней и верхней границах измеряемого диапазона влажности на эталонных материалах с известной влажностью W₀₁ и W₀₂ (фиг.3).

Строится комбинированная характеристика с учетом того, что, по условию калибровки, f_0i=f_i, то есть

.

Из полученного уравнения выразим W_0i и F_0i:

Из аналогичных рассуждений для характеристики (5) находят формулу (9):

Используя формулу (9), составим систему уравнений для двух известных значений W₀₁, W₀₂ границ диапазона функции нормированной влажности:

Первое уравнение системы делят на второе, перемножают обе части уравнения с использованием правила пропорций и выражают информативный параметр F₀ предельной частоты импульсов:

Используя формулу (8), составим систему уравнений для двух известных F₀₁ и F₀₂ значений границ диапазона функции предельной частоты:

Второе уравнение системы вычитается из первого, перемножают обе части уравнения с использованием правила пропорций, и выражают информативный параметр W₀ нормированной влажности:

Полученные параметры W₀ и F₀ однозначно определяют функции нормированной влажности W_0i и предельной частоты F_0i, поэтому их принимают за информативные параметры, по которым строят калибровочные характеристики (фиг.3, кривые 4 и 5). По калибровочным характеристикам W_0i (8) и F_0i (9) и влажностной характеристике W(f_i) (фиг.3, 4) с учетом эталонных значений (фиг.3, 3) определяют действительные значения влажности (фиг.3, 5).

Докажем эффективность калибровки.

Относительные отклонения от эксперимента ξ_i (фиг.4, 1) и (фиг.4, 2) без калибровки и после калибровки вычисляются соответственно по формулам:

где W(f_э) - значения влажности, принятое за эталон (фиг.3, 3);

W(f_i) - влажность, рассчитанная без калибровки (фиг.3, 4);

- влажность, рассчитанная с калибровкой (фиг.3, 5).

Метрологическая эффективность (фиг.5) по частоте определяется отношением погрешностей до и после калибровки:

Максимальные пределы относительных отклонений от эксперимента без калибровки ξ_i и после калибровки равны соответственно 45% и 0,000258765%, т.е. предлагаемое решение повышает точность калибровки минимум на 4 порядка, что очень важно при автоматизации мониторинга компьютерными анализаторами за счет создания программно управляемых высокоэффективных метрологических средств.

Таким образом, калибровочными характеристиками служат функция нормированной влажности и функция предельной частоты импульсов сухого материала, которые определяют в процессе измерения предельных частот, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона, и по которым определяют нормированные меры: предельную частоту и нормированную влажность. Применение предлагаемых способа и устройства позволяет повысить метрологическую эффективность, а именно точность измерений, за счет устранения нелинейности, что позволяет автоматизировать мониторинг компьютерными анализаторами.