автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Диэлькометрический влагомер с несимметричным измерительным сигналом для контроля сыпучих материалов с малой влажностью

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ФАМ КОН Г ХОД

ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ СИГНАЛОМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ С МАЛОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения.

Научный руководитель — д. т. н., проф. БУГРОВ Александр Викторович.

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. УЛЫБИН Сергей Архипович, к. т.н., зав. сектором ТЕРЕЙКОВСКИЙ Вячеслав Николаевич.

Ведущая организация — Московский энергетический институт.

Защита состоится «2$.» сентября 1992 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 063.44.02 в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения.

Адрес: 107884, г. Москва, Б-66, ул. Старая Басманная, д. 21/4, МИХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «_» - 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

шишов г.д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

УАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Электрические влагомеры являются одним на аспространенных приборов контроля качества мат?риалов. В последние годы появилась необходимость измерены малых вл? "¡гостей или влажностей в сень узком диапазоне. И в том и в другом случае возникает проблема в повышении стабильности заботы влагомера, а соответств(...но и их точности. Проблема сгаби"ьности работы возникает и в том случае, когда необходимо производить экспрессные измерения через короткое время после включения прибора, а также в тех случаях, когда нежелательны или невозможны ручные операции по калибровке прибора

. Путь повышения стабильности, состоящий в использова ли параметрической обратной связи, напримеп, применение приборов компенсационного типа, нецелесообразен применительно к массовым приборам, так как высокая цена и сложность обслуживания ограничивает область их применения.

В данной работе исследуется технически более простой :уть повышения стабильности приборов, состоящий в лримгчении н'" симметричного измерительного сигнала. Этот путь дает возможность использовать во влагомере простую структуру с прямым поеосраэо-ванием сигнала. Иначе говоря, влагомер с несимметричным измерительным сигналом вследствие своей простоть., малой це^, высокой стабильности и точности позволяет ввести доступный технологический контроль не только в специальных лабораторилх, но и нг отдельных рабочих местах, что существенно повышает культуру производства. Например, при сушке материалов влагомер позволяет до 202 снизить расход тепловой энергии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и исследование влагомера "овьппенной точности на основе использования несимметричного измеритрчыюго сигнала

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

- выявление информационных'способностей несимметричных сигналов и нахождение его оптимальной формы;

- изучение характера изменения коэффициента заполнения несимметричного сигнала при его прохождении через различные цепи;

- аналитическое определение погрешностей, связанных " применением несимметричного сигнала;

- г -

- исследование работы приборов с несимметричным сигналом при использовании различных схем;

- определение метрологических характеристик влагомера с несимметричным измерительным сигналом;

- прогрдение сравнительного анализа возможностей приборов с си -метричным и несимметричным сигналами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. При проведении работы впервь^: •

- предложено для улучшения метрологических характеристик влагомера использовать несимметричный сигнал;

- выявлены типы несимметричных сигналов, пригодных для измерительных целей;

- для ос .овных типов асимметричных сигналов определен ха-рак1 р изменения их фермы при г~охождении через контролируемые цепи;

- определена зависимость изменения коэффициента заполнения импульсов еигн? ла о: параметров двух-. трех- и четырехэлем°чтных преобразовательных цег~й;

- выявлены причины появления погреьлюстей в приборах с несимметричным измерительным сигналом;

- количественно определено влияние различных причин на погрешности приборов с несимметричным измерительным сигналом.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Результаты теоретических и экспериментальны;: исследований чашли применение при создании:

- высокоотабил!"ого влагомера для цеолитов;

- рекомендаций по применению несимметрич чх сигналов для создания приборов для работы с датчиками переменного тока;

- высокочувствительного сигнализатора отклонения параметров емкостного датчика;

- математического и метрологического обеспечения приборов с несимметричным измерительным сигналом.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы обсуждались на: ;

1. Я1У нтучне технической конференции МИХМа в 1991г. (по докладу "Использование несимметричного периодического сигнала для измерения параметров датчика"). .

г 2. Научных се шнарах кафедры "Электротехника, электроника и электроавтоматика" в 1990, 1' 1 и 1992гг. |

ПУБЛИКАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы опубликованы в статье и

теь..сах доклада на научно-технической конференции.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии ( 65 наименований), приложения и включает страниц машинописного текста, б таблиц, 46 рисунков.

КРАТКО 3 ИЗЛОЖЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ СИГНАЛОВ РАЗЛИЧНО" ФОРШ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ.

В главе описан принцип использования несимметричного сигнале. в измерительной технике. На рис. 1 показана структура иг юри-о тельного прибора с несимметричным сигналом, а н рнс. г сигналы прибора. Сигнал от генератора 1, п; >ходя чер з объект контроля 2, пред. галяющий собой динамическое звено, например, инерционное, искажается и проходит через разделительную цепь 3. Разде и-тельная цепь служит для устранения постоянной составляйте.1, которую могут формировать или генератор 1 или объект конт эля 2. Из положительных импульсов произвольной формы нуль орган 4 нормирует прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой (/о . Низкочастотный фильтр 5 выделяет среднее значение сигнала 1'н , которое подается на показывающий прибор 6.

Среднее значение сигнала (/н равно 14 ^ , где У - коэффициент заполнения импульсов. Для исходного сигнала величина а для сигнала 1/р величина ЗГ= Т . Коэффициент заполнения сигнала 11ц зависит от динамических свойств объекта контроля.

Одна из важнейших особенностей преобр; ";ованиа несимметричного сигнала состоит в том, что сигнал с выхода нуль-орхана не зависит от маспггабных изменений сигнала 1/р ».см., например, сигнал 1/р на рис.2, в виде штрих-пунктирной линии), которые могут быть связаны, например, с дре'Йфами амплитуды сигнала от генератора ¿или¿кoэффициeнтa передачи усилителя.

Наиболее существенные особенности работы описанного типа прибора состоят в следующем:

1. В качестве измерительного сигнала используется несиммет-

Рис.1 Обобщенная структура прибора с несимметричным сигналом 1. Генератор несимметричного сигнала. 2. Объект контроля с параметрическим преобразователем и усилителем. 3. Разделительная ьепь. Нуль-орган. 5. Низкочастотный филь.р. о. Покапывающий прибор.

ричный сигнал, который хотя бы для одного момента времени не удовлетворяет условию

+ £) = «ЗА

где Т - период колебаний;

А - постоянная составляют"1! сигнала.

2. Измерения проводятся, в установившемся режиме колебаний.

3. На выходе Съекта контроля измеряется коэффициент заиления импульсов одной полярности в сигнале, не содержащем п зтоян-ной составляющей.

Далее в главе рассматриваются.устройства и методы измерения, близкие к тем, которые рассмотрены в диссертации, а также аналитические методики определения выходного сигнала электрических цепей в установившемся режиме при воздействии на цепь периодического сигнала

ГЛАВА П. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕСИММЕТРИЧНЫХ СИГНАЛС 3 В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Анализ разновидностей несимметричных сигналов пока:лвает, что их можно классифицировать по такому признаку как форма фрагментов кривых, из которых можно синтезирс ..ать сигнал.

Практически реализуемые сигналы можно классифицировать 'так:

1. Кусочно-линейные.

2. С отрезками экспонент и полусинусоид.

3. С целыми периодами синусоид.

К классу 3, например, относится сигнал, который получ ется путем суммирования прямоуголных низкочастотных колебаний с пачками высокочастотных прямоугольных колебаний которые формируются только в положительные полупериоды прямоугольных импульсов.

Для оценки степени несимметричности сигнала ^ез постоянной составляющей предложен критерия

т/г / ^

/ * ь

где "¿4 ^ \ - время начала и конца положительного импуль-, са;

Ф - порядковый номер импульса, находящегося в пределах одного периода колебаний.

Для численного определения изменения коэффициента заполнения си: налов при их прохождении через сложные электрические цепи разработаны алгоритмы и программы.

Д~ч обработки кусочно-линейных измерительных сигналов разработан алгоритм с использованием принципа суперпозиции. Этот ал горитм предусматривает следующие операции:

1. Определение времени переходного режима 2. Определение выходного сигнал." в уста^ови^июмся режиме. 3. Определение постоянной составляющей сигнал г. 4. Определение моментов перехода переменной составляющей че, ьз нуевое значение. 5. Определение коэффициента заполнения.

Для обработки сигналов произвольного вида разра лан алгоритм с и.лользованием метода спектрального анализа Этот алгоритм состоит из следующих операций: 1. Определение спектра входного сигнала 2. Определение частотных характеристик цепи. 3. Определение спектра выходного сигнала 4. Определение выходного сигнала 5. Оценка погрешностг определения выходного сигнала 6. Определение коэффициента заполнения.

Прямоугольный сигнал (рис.2), проходя через интегрирующую цепь с постоянной времени , имеет коэффициент заполнения

г*» КА= Ъ/Т ; Кг = Т/Т

Зависимость У от представлена на рис. 3. Как видно из рис. 3, коэффициент заполнения У при фиксированном измерительном сигнале имеет однозначную связ* с постоянной времени С электрической цепи.

Для электр! юских цепей, выполненных в виде делителей напряжения с одинаковыми по структуре плечами, проходящий прямоуголь-

V 0.5

0.3

0.1

- 7 -

Ю = —-

Ау/

ГУ

0 0.5" / *

Кг.

Рио.З Зависимость коэффициента заполнения сигнала от постоянной времени контролируемой и«пч

V 0-5

0-3

ОА

\и)=1гв.406

-14 -40 -д

Рио.4 Зависимость Коэффициента заполнена сигнала от емкости колебательного контура

ный сигнал изменяет свой коэффициент заполнения в том случае, если выполняется определенное условие. .

Так для делителя, содержащего две параллельные цепи №4 } С* и , (выходной сигнал снимается с плеча Rz , )

таким условием является

Р(т- Ь)

4- N _<-*-

м т

или

,

N -> ф-

М т

где м - 4 _ + ** с<

С, + с.

г

(С, + С2 )

Для того, чтобы использовать предлагаемую методику для контрол.. цепей в виде делителей напряжения с оди ювши по структуре плечами необходимо, чтобы измерительный несимметричный сигнал, ходя бы в одной точке прохождения через нулевое значение им<- . конечну. скорость изменения.

При прохождении прямоугольного сигнала через резонансные Циии вид зависимости от емкости колебательного контура изменяется в заьисьлости от частоты измерения. В случае, когда выходной сигнал снимается с параллельного колебательного контура, имеь ,э-<>го параметры

в -11 -9

Ь - 3 10 Гн, £ •= 10 Ом, С - 10 - 10 Ф,

а входной сигнал на контур подается через конденсатор связи ем--10

костью 10 Ф , зависимость Й от С показана на рис. 4.

Трехуровневый прямоугольный сигнал, имеющий следующие один за другим положительный и отрицательный импульсы с одинакслыми амт итудами и одинаковыми длительностями , причем 2"¿у < Т после прохождения через интегрирующую цепь с постоянной времени 'С , имеет коэффициент заполнения

-(*-**)/Кг.

у = 2.-е. -г_ )

\ -ге. + г

где

/С4 = Ъ/Т ) Кг. = ^/т

Трехуровневый сигнал имеет очень высокую чувствительность к малым значениям постоянной времени цепи, если с> арная длительность импульсов мало отличается от периода колебаний.

Для сигнало» треугольной формы наис^льшая /вствительность к постоянной времени цепи пол; 1ается, если убывание или возрастание измерительного сигнала происходит с мак ималы .) возможной скоростью.

Проведенные исследования показали, что измерение коэффициента заполнения несимметричного сигнала позволяет изм .^ять релаксационные свойства электрическое цепи и емкость датчика, включенного в эту цепь^независимо от амплитуды сигналов на вхеде и выходе цепи.

ГЛАВ/» Ш. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПА. Л МЕТ РОВ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ЦЕПИ МЕТОДОМ НЕСИММЕТРИЧНОГО СИГНАЛА

/

Экспериментальные исследования и анализ работы макетов приборов с несимметричным сигналом показал, что основные причины их погрешнос: 'л связаны с наличием зоны нечу1 твительности у компаратора, входящэго в состав нуль-органа, существованием паразитных динамических звеньев, находящихся между коы'рочируемой цепью с датчиком и компаратором, а •. жже воздействием высокочастотной по-

мехи на входе нуль-органа.

При использовании в риборе несимметричного сигнала с амплитудами положительного и отрицательного импульсов А^ и Ag и случае, когда контролируется инерционная цепь с постоянной времени f , погрешность измерения может быть найдена на основе вычисления производных сигнала на выходе цепи.

При возрастании этого сигнала значение его производной при переходе через нулевое значение .

-Ъ/т -t/z \J' - СА4 ч ЛгН4 - € ) -е •

где i^. - интервал времени, в течение которого сигнал убы-f вает;

Х- - момент времени перехода сигнала 1/J черев нулевое значение.

При убывании сигнала значение его производной при переходе чг'пев нулевое вначение в момент времени

- а-

j _ Ar)(Y - g ) а_

- TfTr

ZC4-е т/с )

где "¿j - интервал времени , в течение которого сигнал возрастает.

Относительная погрешность измерения коэффициента заполнения

б- А и/Vl - 4/Ул) XT

где Д - зона нечувствительности компаратора.

Например, для случая, когда А = Um /400 (где 0ц -максимальное значение сигнала с выхода контролируемой цепи), Z/j - 1 и значения коэффициента заполнения измерительного сигнала, равного 0,1, погрешность 6" - 0,042

Один из видов погрешности прибора связан с тем, что\на вход нуль-органа действует высокочастотная наводка в виде первой гар-

моники несимметричного измерительного сигнала Наличие наводки вызывает при использованиии прямоугольного несимметричного сигнала приращение длительности импульса в левой части на величину

^ Aw Sin(2M'/T)

V/ + (2ТГ/Г) Ат CoS (2П'/Г)

и в правой части -.на величину

i К Sm (Ж-t''/T)

б~ и/ + (21Г/Т) лт eos (UC/T)

где А^у, - амплитуда первой гармоники.

Относительная погрешность измерения : личины ^ составляет

= U +U) /(t'~1')

В том случае, если используется несимметричный сигнал с t¡(/T - 0,1, а отношение "2/Т - 2 относительная п-грешность 6" - 0,212, при /Уи - 1/100.

Погрешность от наличия паразитных динамических звеньев рассчитана на основе нахождения эквивалентной постоянной времени цепи, состоящей из контролируем!., о и паразитного звеньев.

Для цепи, содержащей контролируемое интегрирующее звено с элементами Rj и С* , на выходе коте чого г лючено интегрирующее паразитное звено с элементами 1л и Ср

Z* - т< 4 Ъ * fin /Гй + 5 + Zn Hh zp

2

ГД9 Г« = Ь с4 ) Zz -- RnÜ! > Zfi = R.4 Crr

3 -12 -12

при R> - 2 io , Ci - íoo io , Rv - ío, и Ca - ю ю ,

отношение Сq к Cj\ равно 1,1.

При наличии в приборе паразитного звена с большой постоянной времени необходимо проЕ^ ить индивидуальную градуировку прибора.

К погрешности от наличия паразитного динамического ввена относится и погрешность, связанная с тем, что в выходной цепи нуль-органа существует инерционная цепь, которая искажает прямоугольные выходные импульсы. Конечная длительность фронта импульса с выхода нуль-органа, приближенно равна трети постоянной времени ]См, цепи и приводит к следующэй з"чисимости выходного сигнала , на вы..^де сглаживающего фильтра от коэффициента заполнения

% = V - 0,5" 1А

Таким образом, реальная статическая характеристика является -смененной по сравнению о идеальной характеристикой и должна учитываться при индивидуальной градуировке прибора.

Проведенные расчеты показали, что погрешности из-за неидеальности конструкций прибора и его узлов ьаолне допустимы для промышленных приборов.

ГЛАВА 1У ПРИБОРЫ С НЕСИММЕТРИЧНЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ СИГНАЛОМ И ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В главе исследованы свойства электронных функциональных блоков ( компараторов, генераторов,усилителей), выполненных по различной схемотехнике и произведен их выбор в состав разработанных приборов. ■

На рис. 5 представлена принципиальная электрическая схема одного из вариантов измери ля влажности цеолита. Генератор несимметричного сигнала выполнен в виде схемы несимметричного мультивибратора на операционном усилителе Я 4 типа К574УД1. Для создания несимметричного сигнала резисторы и /?2.

имеют сопротивления, отличающиеся друг от друга в 10 раз. Частота измерения - 100 кГц. Несимметричный сигнал подается на делитель напряжения, состоящая из верхнего плеча в виде конденса-

Рис.6 Зависимости показ' ши прибора от влажности цеолита

тора О и нижнего плеча в виде параллельно включенных резистора £3 и емкостного дат' »ка Сд . Нуль-орган выполнен на интегральном компараторе А* типа К521САЗ. Сигнал с компаратора сглаживается низкочастотным фильтром на элементах Показания прибора отсчитываются по микроамперметру 1.

Статическая характеристика измерителя влажности показана на рис. 6. Исследования метрологичес. их свойств измерителя показали, что по сравнению с известными автогенерчторными и метрическими ди.¿йренциальными влагомерами он готов к пр эедении измерения практически сразу же после включения без проведения операции калибровки.

Основное метрологические характеристики прибора:

- диапьоон измерения влажности - 0-5Х

- относительная приведенная погр<._лость воспроизведения номинальной статической ларактеристики - 0,031;

- основная приведенная относительная погрешность - 5,31;

- систематическая погрешность - 2,4Х;

- случайная погрешность - 2.9Х;

- дс олнительная приведенная погрешность от изменения напряжения питания - 1Х/10в;

Для индикации отклонения влажности от заданного значения разработан высокочувствительный сигнализатор. В том сигнализаторе частоту измерения задает кварцевый генератор на цифровых элементах. Сигнал от генератора подается на двоично-десятичный счетчик, выполняющий роль распределителя импульсов. На одном из выходов счетчика формируется измерительный несимметричный сигнал, который поступает через измерительную цепь на нуль-орган. Сигналы с выхода компаратора и с выхода младшего разряда счетчика поступают на логическую суему, которая вырабатывает короткий импульс во время совмещения во времени входных сигналов, подаваемых на логическую схему. Импульс с логической схемы подается на расширитель импульсов, выполненный на интегральном одновибраторе К155АГ1. Единичный выходной сигнал одновибратора возникает при увеличении емкости датчика выше заданного значения.

Исследование работы приборов с несимметричным сигналом поз-

- 15 -

волило выявить следующие их возможности и преимущества-

1. Независимость показаний от коэффициента передачи измерительных усилителей. 2. Независимость оказаний от амплитуды напряжения генератора измерительного сигнала. 3, Высокая стабильность работы, сопоставимая со стабильностью компенсационно приборов. 4. Простота и отсутствие параметрических обратных связей. 5. Готовность к проведению измерений практически сразу после их включения. 6. Ненужность пров^ения опера' и "установка на нуль" перед измерением. 7. Возможность измерения очень малых приращений параметра датчика. 8. Возможность прямого измерения времени релаксации контролируемой цепи. 9. Возможность оценки степени неравномерности амплитудно-частотных характеристик объекта контроля. 10. Возможность определения отношения коэффициентов - ^редачи контролируемой цек 1 на двух значительно отличающихся друг от друга часто' х. И. Определение охклоненпя друг от друга времен релаксации двух параметрических датчиков. 12. Возможность работы с емкостным датчиком, имеющим малую рабочую емкость. 13. Возможность работы с различными параметрическими датчиками переменного тока.

Таким образом, испытан. I разработанных приборов с несимметричным измерительным сигналом показали их вь экие к^трологичес-кие и эксплуатационные характристики.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Доказана возможность повышения точности влагомероь при использовании несимметричного измерительного сигнала и на его основа разработан влагомер дл.. цеолитов.

2. Для несимметричных сигналов различных типов определен характер измене 1я их формы при прохождении через динамические преобразовательные цепи.

3. Исследованы зависимости коэффициенту заполнения несимметричного сигнала от параметров интегрирующих, диффе энцирующих и резонансных цепей.

4. Теоретически исследован вопрос о погрешностях влагомеров с несимметричным сигналом, и в том числе, связанных с зоной нечувствительности компаратора и существованием пг^азитньгх динамических звеньев.

5. Экспериментально определены метролог ческие характернее •

макета влагомера с несимметричным сигналом при измерении влажно и цеолитов.

б. Показана возможность применения несимметричного сигнала для создания высокостабильных сигнализаторов отклонения параметров преобразовательных цепей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТЕ

1. Бугров А. & , Фам Конг ХЬ \ Автоматическое определение динамических характеристик объектов несимметричным периодическим сигналом. В межвузовском сб. науч. тр. Моделирование и оптимальное управлени химическими производствами. /МИХМ - М. , 1991, 7274/.