автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средства двухпараметрового резонансного контроля влажности материалов

На правах рукописи 0046008Вг!

ШВЕДОВ СЕРГЕИ 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

1 5 ДПР 20:0

Орел 2010

004600882

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 £ ^О^ в 1400 часов на заседании диссертаци-

онного 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 ¿¡(а- - ¿Оо^ 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. Кри-чевского 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. Ка-тушкина (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 диэлько-метрического 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 двухпарамет-рового 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 фа-зочастотных 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 1С-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 8* с учетом ее вещественной е' и мнимой г" составляющих, или диэлектрической проницаемостью г и тангенсом угла диэлектрических потерь tg5 материала, а также величиной е и удельной проводимостью материала а (точнее, ее активной составляющей).

Зависимости между этими величинами имеют следующий вид:

е' = е; е"=с/со; = ; е* = е(1 - ^5).

Активные потери в исследуемом материале складываются из диэлектри-

ческих 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 ЛС-элементов (рис. 1).

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 диэлькометри-ческого 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 двухпара-метрового 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 1кСк-контура с подключенным к нему через конденсатор изоляции Си емкостным датчиком, имеющим емкость Сх и сопротивление кх (рис. 2, а).

При известных параметрах контура его резонансная частота /Р = 1/> где СП =СК+СИ~ СХ /(си + сх) ~ есть функция от емкости датчика Су, зависящей от влажности контролируемого материала.

При наличии активных потерь добротность контура <2 уменьшается, а

измеряемая частота /р = 402 отличается от резонансной частоты /р.

Погрешность определения резонансной частоты и влажности по максимуму резонансной кривой у = (/Р -/р)//р =\-^\-1/4()2 становится тем больше, чем больше потери в контролируемом материале (рис. 2, б).

а

б

Рисунок 1 - Эквивалентная схема замещения влажного материала в электрическом поле при Ь « 0 (а) и его векторная диаграмма (б)

1

1) м Ск = 1 = 1

1 "Т" 1

4= с*

5,0 3,0 2,0

0,5 0,3 од 0,1

- 1,5

2

"ДО 20

50

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 Сх, величина которой тем больше отличается от истинной емкости С'х, чем больше потери в среде:

с*х=сх-]

со

+ §сгге1Ч

где gc- фактор, учитывающий геометрию электродов в контролируемой среде, Е"ге1 ~ релаксационная составляющая диэлектрической проницаемости.

Определение резонансной частоты сводится к вычислению истинной емкости датчика

-Ь±-1ъ2 -4ас

Х=~~Та-

где а = со -со Ь = 2<я Сц-2со ¿^СкС^-ю

с = (й2Си+Сх

■ со

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

=(^ВЫХ0 -^вых^вых "ЛЭ0 =АС/ВЫХ/^ВЫХ '%0-

С учетом потерь вычисляется истинная емкость датчика С'х, а затем и резонансная частота /р. 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

Лф ~ (1...3)0, что при больших потерях в емкостном датчике приводит к ошибке определения резонансной частоты /р, 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:

¿гу , 1 /Р 4У ,

Л2 Qkdx

к ч/о,

у-

<Ьс

Спщ <к

= 0,

где х = с>о'- мгновенная фаза.

При входном сигнале в виде переменного тока

¡([) = /0 5т(|ш(г)л) = /0 бш

Щ1+-

Дсо^

2Т

= /о БШ

ю0г +

Ди/соо 2Гсоо

(«о')2

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

<0(Г)=С01 + {£/ и

I

0 5

1 34 10* 1 41 104 110* 1.55 Ю4 1 62 10* 1.69 -10* 1.76 104 (0 б

ъи

х

1 5845 1041 _5343 10*1 5349 104 1525 ю' 1 5251 Ш41.5353 Ю41 5854 104 <0 f 1 5776 1041 5773 Ю41 5779 Ю4 1.572 Ю4 1.5731 10*1 5723 10*1 5784 1С14 СО I

в г

Рисунок 3 - Закон изменения частоты возбуждающего ЛЧМ-сигнала (а); диаграмм-1 изменения выходного сигнала при скорости перестройки частоты = 100 кГц/мс (5); 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 .RZC-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 /в = F(t) и при появлении нулевого значения фазы Лср = 0 измерять резонансную частоту /р 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 ит выделяется амплитудным детектором АД, а фаза - формирователями импульсов ФИ1, ФИ2 и ¿»-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 /р, выделяемой по нулевой разности фаз +Лф при контроле влажности материала, на блок обработки подаются импульсы высокой частоты /р от тактового генератора ГТИ. После обработки данных результаты контроля выводятся на цифровой индикатор ЦИ.

При реализации предложенного способа контроля предусмотрено измерение среднего значения частоты /р на интервале времени 7изм, 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 ХС-контура. Поэтому инстру-' ментальные погрешности детектора АД и формирователей пренебрежимо малы и практически не оказывают влияния на достоверность результатов контроля.

При высокой частоте возбуждающего сигнала/р> 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 ¿»-триггера, выполняющего функцию фазового компаратора, необходимо на его входы подавать импульсы, имеющие скважность () = 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 С3, подключаемый к образцовому ¿оО) -контуру, устанавливается материал с известной диэлектрической проницаемостью, а подключенный к ¿С-контуру рабочий емкостный 'датчик Сх 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 ЬС-контур подают импульсы возбуждающего тока /3, а амплитуду выходного сигнала преобразователя 17т сравнивают с пороговым уровнем напряжения и пор • Затем усиливают сигнал разбаланса А и = 11 т - и пор в »1 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 частоты /р применялся цифровой частотомер. При разработке принципиальных схем высокочастотных генераторов использована программа схемотехнического моделирования Electronics Workbench (EWB), 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 ¿С-контуром (рис.8, а).

Рисунок 8 - Принципиальная схема (а) и зависимость напряжения 11? генераторного датчика влажности от сопротивления материала (б)

В данной схеме полевой транзистор УТ в каждом периоде колебаний открывается только на короткое время, а гармонический выходной сигнал формируется за счет избирательных свойств ¿С-контура. Благодаря высокой добротности контура обеспечивается стабильность частоты колебаний и нелинейная зависимость падения напряжения [/р на образцовом резисторе Л от сопротивления Ях материала.

Согласно графику экспериментально снятой зависимости напряжения С/р =/пит '^2 от тока питания генератора (рис. 8, б), понижение сопротивления контролируемого материала приводит к увеличению напряжения £/р от единиц до сотен милливольт. Это напряжение затем кодируется с помощью АЦП, входящего в состав микропроцессорного блока цифрового влагомера, и совместно с резонансной частотой /р используется для вычисления и коррек-

ции 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-Ю, 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.

ш, %

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.

с

J

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 ОрелГТ-У. 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 Орел-ГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 32/275 (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. № зо. -1с.: ил.

8. Положительное решение о выдаче патента на изобретение. Способ 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 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,92. Тираж 80 экз. Заказ № 65

Отпечатано в типографии Академии ФСО России 302034, г. Орел, ул. Приборостроительная, 35.

Введение.

Глава 1 Аналитический обзор методов и средств измерения влажности.

1.1 Влага в твердых и сыпучих материалах.

1.2 Обзор и классификация методов измерения влажности.

1.3 Свойства влажных материалов в электрическом поле.

1.4 Аналитический обзор способов повышения точности высокочастотных диэлькометрических влагомеров.

Выводы по первой главе.

Глава 2 Разработка математических моделей процессов контроля влажности материалов.

2.1 Математическая модель процесса измерения влажности.

2.2 Модель контроля фазовых параметров в двухконтурной резонансной системе.

2.3 Модель контроля влажности с параметрической модуляцией.

2.4 Разработка способов оценки фазовых параметров при развертке частоты возбуждающего сигнала.

Выводы по второй главе.

Глава 3 Разработка резонансных способов контроля влажности материалов.

3.1 Двухпараметровый контроль влажности материалов при постоянной частоте возбуждающего сигнала.

3.2 Двухпараметровый способ контроля влажности с линейным изменением частоты возбуждающего сигнала.

3.3 Двухпараметровый контроль влажности материалов со следящей разверткой частоты возбуждающего сигнала.

3.4 Высокочастотные приборы контроля влажности с аддитивной коррекцией фазовой погрешности.

Выводы по третьей главе.

Глава 4 Разработка и исследование характеристик приборов контроля влажности.

4.1 Разработка функциональных узлов прибора для контроля влажности материалов.

4.2 Особенности построения многоканального прибора допускового контроля влажности.

4.3 Исследование двухпараметрового генератора для влагомера с автономным питанием.

4.4 Особенности калибровки приборов для контроля влажности сыпучих материалов.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность темы. Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас биосферы, а также большинства материалов, используемых человеком. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов. Поэтому измерения влажности различных материалов и веществ занимают важное место в современной аналитической измерительной технике. Эти измерения важны для многих отраслей народного хозяйства и в целом ряде областей научных исследований.

Необходимость повышения достоверности результатов, получаемых при контроле влажности материалов, обусловлена следующими причинами:

- 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;

- по' прогнозам развития литейного производства песчано-глинистые формы сохранят свое доминирующее положение и в XXI веке; влажность определяет значение многих других свойств формовочных смесей и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках Moiyr возникать газовые раковины;

- в сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения тех или иных агротехнических приемов. Контроль влажности почвы необходим для правильного орошения земель. Влажность зерна и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих их качество, эффективность последующей переработки и возможность длительного хранения без порчи и потерь;

- в ряде отраслей промышленности (текстильной, легкой, пищевой, химической и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов.

Таким образом, влажность промышленного сырья и полуфабрикатов оказывает большое влияние на качество выпускаемой продукции и производительность оборудования. В условиях повышения требований к конкурентоспособности отечественной продукции необходимо применение новых приборов и устройств экспрессного контроля влажности в большинстве технологических процессов.

В настоящее время все методы контроля влажности различных материалов и веществ можно условно разделить на две большие группы - прямые и косвенные. При использовании прямых методов производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. При использовании косвенных методов контроля измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Наибольший интерес в плане совершенствования аппаратуры контроля представляет группа косвенных методов, связанных с диэлькометрическими измерениями. Данные методы основаны на измерении диэлектрических свойств контролируемых материалов и получили широкое распространение благодаря многим преимуществам по сравнению с другими методами. Диэлькометрия дает возможность осуществления неразрушающе-го, быстродействующего контроля влажности широкого класса материалов и веществ без необходимости применения каких-либо средств биологической защиты для обслуживающего персонала при использовании сравнительно несложной, недорогой и надежной электронной аппаратуры, позволяющей выполнять измерения с достаточной точностью и имеющей неограниченные пределы совершенствования. При этом обеспечивается простота получения унифицированных выходных сигналов и широкие возможности для применения современных цифровых методов обработки сигналов и построения автоматизированных систем контроля.

В основе диэлькометрических методов лежит зависимость относительной диэлектрической проницаемости контролируемых материалов от их влажности. Емкостный датчик, основным элементом которого является первичный измерительный преобразователь — конденсатор, заполняется влажным материалом. При изменении влажности меняется диэлектрическая проницаемость контролируемого вещества, пропорционально которой изменяется емкость датчика и ряд параметров резонансной системы (амплитуда, частота и фаза колебаний), в составе которой применяется емкостный датчик влажности.

Принцип действия большинства диэлькометрических приборов, применяемых для контроля влажности сыпучих материалов, основан на измерении амплитудных, частотных или фазовых параметров высокочастотного сигнала, снимаемого с первичного измерительного преобразователя. Значения измеряемых параметров практически зависят от многих сопутствующих факторов: активной электрической проводимости или сопротивления контролируемого материала, его минерального состава и плотности, температуры окружающей среды и т. п. Результаты контроля определяются совокупным влиянием перечисленных факторов, что существенно снижает их достоверность. Вследствие этого для повышения точности косвенных измерений влажности необходимо применять дополнительные меры по нейтрализации или компенсации целого ряда мешающих факторов.

Для уменьшения влияния различных дестабилизирующих факторов на достоверность результатов контроля влажности применяют самые различные способы. Наиболее перспективным является использование способов параметрической модуляции, при реализации которых измерительная цепь оказывается под воздействием двух сигналов. Один из них — рабочий — несет как полезную, так и избыточную информацию, а второй — управляющий — только меняет условия прохождения первого сигнала через измерительный преобразователь. Изменение условий прохождения рабочего сигнала означает, что в функцию цепи вводится какой-то новый известный параметр, значение которого можно задавать произвольно или по определенному закону, независимо от значений искомой переменной. Задавая параметру разделения сигналов различные значения можно избавиться от паразитных влияний и получить истинное значение измеряемой влажности.

Широкое распространение в практических схемах влагомеров находит линейная частотная модуляция. Общий принцип работы таких устройств заключается в том, что емкостный датчик используется в качестве элемента измерительного двухполюсника с модулируемыми параметрами. Изменение влажности контролируемого материала приводит к изменению емкости датчика, пропорционально которой изменяются амплитуда, частота и фаза высокочастотного сигнала на выходе измерительного двухполюсника. С помощью генератора пилообразного напряжения изменяют управляемую емкость измерительного двухполюсника до совпадения его резонансной частоты с частотой задающего генератора или, наоборот, автоматически регулируют частоту возбуждающего сигнала до ее совпадения с резонансной частотой двухполюсника. Влажность контролируемых материалов определяют в этих случаях по измеренным значениям отклонений амплитуды, частоты или фазы колебаний от их номинальных (исходных) значений.

Точность таких устройств контроля влажности ограничивается тем, что при линейном изменении частоты возбуждающего высокочастотного генератора или резонансной частоты измерительного двухполюсника возникает погрешность от "сноса" резонансной частоты, которая зависит от скорости развертки частоты и постоянной времени измерительного двухполюсника, являющейся функцией добротности резонансной системы.

Кроме того, на точность резонансного контроля влажности существенное влияние оказывает электрическая проводимость материалов, при повышении которой уменьшается добротность измерительного двухполюсника, что приводит к возрастанию погрешности выделения экстремума по амплитуде выходного сигнала емкостного датчика. При увеличении проводимости ухудшается форма резонансной характеристики измерительного двухполюсника, которая становится более широкой и пологой, а ее максимум — расплывчатым. Это не позволяет обеспечить точное определение максимума амплитуды колебаний, вследствие чего значительно увеличивается общая погрешность измерения влажности контролируемых материалов.

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

Объектом исследования в работе являются методы и средства диэль-кометрического контроля влажности материалов.

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

Целью диссертационной работы является повышение точности измерений при резонансном контроле влажности материалов 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 поставленных 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 современные 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 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 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.

Результаты проведенных исследований внедрены на ЗАО "Научпри-бор" (г. Орел).

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 десять тезисов докладов, статья в журнале "Измерительная техника",четыре статьи в журнале "Известия ОрелГТУ", получены два патента РФ на полезные модели и решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2305280 от 27.08.2009.

Основные положения, выносимые на защиту:

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.

Выводы по четвертой главе

1 Ни термостатно-весовой метод, ни отдельные технические средства контроля не позволяют получить достоверную и полную информацию о влажности твердых, сыпучих материалов и почвы. При этом погрешность калибровки или настройки влагомеров реально ограничивается на уровне +0,2 % из-за среднеквадратической погрешности измерений термостатно-весовым методом.

2 В диапазоне частот от сотен килогерц до единиц мегагерц на точность измерения влажности влияют одни и те же параметры контролируемого материала: его влажность, температура, плотность, химический и механический состав. Это позволяет выбирать частоту сигнала, подаваемого на емкостной резонансный датчик, исходя из конструктивных требований по минимизации массогабаритных показателей и обеспечения стабильности частоты и амплитуды возбуждающего сигнала.

3 Применение современной микромощной элементной базы и жидкокристаллических индикаторов позволяет уменьшить потребляемую мощность и габаритные размеры аналоговой и цифровой части приборов, что дает возможность конструктивно размещать цифровые блоки с автономным питанием непосредственно в рукоятках емкостных датчиков и обеспечивать универсальность применения для контроля влажности различных материалов.

4 Для калибровки диэлектрических приборов контроля с емкостными датчиками влажности целесообразно использовать наборы образцовых RC-элементов для упрощения процессов периодической проверки линейности характеристики преобразования двухпараметровых влагомеров, и в случае необходимости выполнять регулировку чувствительности приборов.

5 В результате экспериментальных исследований генераторного влагомера построены зависимости, позволяющие обеспечить контроль влажности сыпучих материалов по результатам измерения частоты резонанса и току потребления, который прямо пропорционален проводимости материала.

158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые сформулированы и обоснованы следующие положения.

1 Усовершенствован двухпараметровый метод резонансного контроля влажности материалов, позволяющий повысить точность измерений за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала с линейно изменяющейся частотой и цифрового измерения резонансной частоты, выделяемой по смене знака фазовой характеристики.

2 Разработаны способы и 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 двухконтурного преобразователя влажности.

3 Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы приборов для контроля влажности сыпучих материалов, защищенные патентами на полезную модель, обеспечивающие автоматизацию процесса и повышение производительности контроля.

Кроме того, в результате проведенных диссертационных исследований решены следующие научно-технические задачи.

1 Проведен анализ математической модели процесса измерения влажности и модели диэлькометрического датчика, позволяющих определять и контролировать влажность сыпучих материалов с различной электрической проводимостью по двум параметрам - частоте и амплитуде выходных колебаний датчиков влажности, совместная обработка которых обеспечивает высокую информативность и достоверность результатов контроля.

2 Исследован метод резонансного контроля влажности сыпучих материалов, позволяющий минимизировать инструментальную погрешность преобразования за счет автоматической коррекции амплитуды возбуждающего сигнала, подаваемого на емкостной датчик, в зависимости от свойств материала. Применение автоматической стабилизации амплитуды выходного сигнала емкостного резонансного датчика позволяет использовать в качестве второго информативного параметра сигнал разбаланса, определяемый отклонением амплитуды выходного сигнала датчика от порогового значения, и использовать его для коррекции результатов или подавления влияния электрической проводимости контролируемого материала.

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

4 Предложены и исследованы новые способы обработки фазовых параметров высокочастотных сигналов в приборах резонансного двухпарамет-рового контроля влажности с автоматической стабилизацией амплитуды выходного сигнала емкостного преобразователя.

5 На основе предложенных алгоритмов преобразования разработаны структурные схемы приборов для контроля влажности сыпучих материалов. Новизна предложенных технических решений зафиксирована в патентах на полезные модели и заявке на изобретение устройства контроля влажности.

6 Разработана и исследована схема двухпараметрового датчика влажности для приборов с автономным питанием, характеризующаяся высокой чувствительностью при сравнительной простоте конструкции, применение которой позволяет выполнять измерения влажности материалов с большой электрической проводимостью при использовании емкостного датчика с диэлектрическим покрытием электродов.

160

1. Берлинер, М. А. Измерения влажности Текст. / М. А. Берлинер. -М. : Энергия, 1973. 400 с.

2. Grant, Е. Н. Dielectric behaviour of water at microwave frequencies Текст. / E. H. Grant et al. J1 Chem. Phys., 1957, № 1

3. Бензарь, В. К. Техника СВЧ-влагометрии Текст. / В. К. Бензарь. -Мн. : Вышейшая школа, 1974. 350 с.

4. Кричевский, Е. С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов : моногр. Текст. / Е. С. Кричевский, А. Г. Волченко, С. С. Галушкин ; под общ. ред. Е. С. Кричевского. — М. : Энергоатомиздат, 1986. 136 с.

5. Эпштейн, С. Л. Измерение характеристик конденсаторов Текст. / С. Л. Эпштейн. М. : Энергия, 1965.

6. Полулях, К. С. Резонансные методы Текст. / К. С. Полулях. М. : Энергия, 1980.- 119 с.

7. А. с. 691743 СССР, М. Кл2 G 01 N 27/22, G 01 R 27/26. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов Текст. / Ю. В. Подгорный, А. В. Немаров (СССР). № 2513562/18-21 ; заявл. 01.08.77 ; опубл. 15.10.79, Бюл. №38-4 с.: ил.

8. А. с. 989435 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Диэлькометр Текст. / С. С. Галушкин, Е. С. Кричевский, А. А. Соколов (СССР). № 3306910/18-25 ; заявл. 23.06.81 ; опубл. 15.01.83, Бюл. № 2 - 5 с. : ил.

9. А. с. 1357817 СССР, М. Кл2 G 01 N 27/22. Устройство для измерения влажности Текст. / Ю. В. Подгорный (СССР). № 3700038/24-25 ; заявл. 13.02.84 ; опубл. 15.12.80, Бюл. № 45 -3 с. : ил.

10. А. с. 669279 СССР, М. Кл2 G 01 N 27/22. Измеритель влажности Текст. / В. В. Масловский, Е. Н. Тихомиров, В.И. Жерновой (СССР). № 2038510/18-25 ; заявл. 01.06.74 ; опубл. 25.06.79, Бюл. № 23. -2 с. : ил.

11. Пат. 2034288 Российская Федерация, МПК6 G 01 N 27/22. Измеритель влажности зерна Текст. / А. Т. Пасечник и др. : заявитель и патентообладатель Пасечник А. Т. и др. № 92007590/25 ; заявл. 23.11.92 ; опубл. 30.04.95, Бюл. № 22. -9с.: ил.

12. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем Текст. / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. М. : Радио и связь, 1991.-608 с.

13. Арш, Э. С. Автогенераторные измерения Текст. / Э. С. Арш. М. : Энергия, 1976. - 136 с.

14. Арш, Э. С. Автогенераторные методы и средства измерений Текст. / Э. С. Арш. М. : Машиностроение, 1979. - 256 с.

15. Загорский, Я. Т. Микромощные электронные измерительные устройства Текст. / Я. Т. Загорский, Б. Р. Иванов. — М.: Энергоатомиздат, 1993. — 320 с.

16. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы Текст. / И. С. Гоноровский. М. : Советское радио, 1963. - 696 с.

17. Кочанов Н. С. Линейные радиотехнические устройства Текст. / Н. С. Кочанов, М. И. Кузьменко, В. А. Куприянов. М. : Воениздат, 1974. - 448 с.

18. Галахова, О. П. Основы фазометрии Текст. / О. П. Галахова, Е. Д. Колтик, О. А. Кравченко. Л. : Энергия, 1976. - 256 с.

19. Лозицкий, Б. Н. Электрорадиоизмерения Текст. / Б. И. Лозицкий, И. И. Мельниченко. М. : Энергия, 1976. - 224 с.

20. Вострокнутов, Н. Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка Текст. / И. И. Вострокнутов. М. : Энергоатомиздат, 1990 - 208 с.

21. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений Текст. П. В. Новицкий , И. А. Зограф. 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Энергоатомиздат, 1991. — 304 с.

22. Кричевский, Е. С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов Текст. / Е. С. Кричевский, В. К. Бензарь, М. В. Венедиктов. М. : Энергия, 1980. - 240 с.

23. А. с. 529407 СССР, М. Кл2 G 01 N 27/22. Автоматический электронный влагомер Текст. / В. С. Ройфе (СССР). № 1942884/25 ; заявл. 12.07.73 ; опубл. 25.09.76, Бюл. № 35. -2с.: ил.

24. А. с. 798635 СССР, М. Кл3 G 01 R 27/26, G 01 N 27/22. Автоматический электронный влагомер Текст. / Е. П. Шамарин, JI. М. Проскуряков, Н. С. Снигирева (СССР). № 2748898/18-21 ; заявл. 06.04.79 ; опубл. 23.01.81, Бюл. № 3. - 3 с. : ил.

25. А. с. 1392478 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Автоматический электронный влагомер Текст. / И. Г. Виноградов, Е. П. Шамарин, (СССР). № 3879435/24-25 ; заявл. 08.04.85 ; опубл. 30.04.88, Бюл. № 16. - 3 с. : ил.

26. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы Текст. / И. С. Гоноровский. М. : Советское радио, 1971. — 672 с.

27. Петровский, И. И. и др. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. -М. : ТОО «БИНОМ», 1993.

28. Мейзда, Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений : Пер. с англ. Текст. / Ф. Мейзда. М. : Мир, 1990. — 535 с.

29. Ратхор, Т. С. Цифровые измерения. АЦП / ЦАП : Пер. с англ. Текст. / Т. С. Ратхор. М. : Техносфера, 2006. - 392 с.

30. Шляндин, В. М. Цифровые измерительные устройства Текст. / В. М. Шляндин. — М. : Высш. школа, 1981. — 335 с.

31. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем Текст. / В. И. Тихонов, В. Н. Харисов. — М. : Радио и связь, 1991.-608 с.

32. Лисичкин, В. Г. Высокочувствительные двухконтурные устройства контроля влажности почвы Текст. / В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов // ИЗВЕСТИЯ ОрелГТУ, № 2/274 (560), 2009. С. 91 - 97.

33. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы Текст. / С. И. Баскаков. М. : Высшая школа, 2000. - 464 с.

34. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник Текст. / Под редакцией Г. С. Самойловича. М. : Машиностроение, 1976. —456 с.

35. А. с. 1672336 СССР, МПК G 01 N 27/22. Электронный влагомер Текст. / В. М. Галкин, В. В. Ткаченко, В. Л. Федоров (СССР). № 4437536/25 ; заявл. 06.06.88 ; опубл. 23.08.91, Бюл. № 31. - 2 с. : ил.

36. А. с. 813235 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Влагомер Текст. / В. С. Ройфе, Л. И. Осиновский (СССР). № 2786179/18-25 ; заявл. 29.06.79 ; опубл. 15.03.81, Бюл. № 10. - 3 с. : ил.

37. Пат. 2314520 Российская Федерация, МПК G 01 N 27/22. Диэль-кометрический влагомер Текст. / В. В. Ключников, В. С. Афонин, В. К. Федотов. : заявитель и патентообладатель АлтГТУ — № 2005132719/28 ; заявл. 24.10.05 ; опубл. 27.04.07, Бюл. № 14. -9с.: ил.

38. Пат. 2137146 Российская федерация, МПК G 01 R 27/26. Способ измерения емкости с потерями Текст. / Н. Д. Бирюк, В. В. Юргелас. : заявитель и патентообладатель Воронеж. ГУ — № 98102422/09 ; заявл. 13.02. 98 ; опубл. 10. 09. 99, Бюл. № 28. 3 с. : ил.

39. Алейников, А. Ф. Датчики (перспективные направления развития) Текст. : учеб. пособие / А. Ф. Алейников, В. А. Гридчин, М. П. Цапенко : под общ. ред. М. П. Цапенко. — Новосибирск. : Изд-во НГУ, 2001. — 176 с.

40. Дьяченко, К. П. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс) Текст. : учеб. пособие для втузов / А. Ф. Дьяченко [и др.] : под общ. ред. Е. Г. Шрамкова. М. Высшая школа, 1972. - 520 с.

41. А. с. 788040 СССР, М. Кл3 G 01 R 27/26, G 01 N 27/22. Автоматический электронный влагомер Текст. / И. Д. Кухарев, Н. П. Марюхненко, Ю. И. Голендер (СССР). № 2710077/18-21 ; заявл. 04.01.79 ; опубл. 15.12.80, Бюл. № 46. - 3 с. : ил.

42. А. с. 1567954 СССР, М. Кл G 01 N 27/22. Диэлькометрический анализатор Текст. / Ю. В. Подгорный (СССР). № 4344606/25-25 ; заявл. 16.12.87 ; опубл. 30.05.90, Бюл. № 20.-4 с. : ил.

43. А. с. 1343333 СССР, МПК G 01 N 27/22. Влагомер Текст. / О. Ф. Кириченко и др. (СССР). № 3895903/22-25 ; заявл. 15.05.85 ; опубл. 07.10.87, Бюл. № 37. -4с.: ил.

44. А. с. 1539639 СССР, М. Кл3 G 07 R 27/26, G 01 N 27/22. Автоматический измеритель влажности и солесодержания почвы Текст. / С. С. Бон-даренко, В. К. Сыч, В. В. Хохлачев (СССР). № 4282669/25-25 ; заявл. 13.07.87 ; опубл. 30.01.90, Бюл. № 4. -2 с. : ил.

45. 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. -1с.: ил.

46. Положительное решение о выдаче патента на изобретение. Текст. / Б. Р. Иванов, В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов. : заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. № 2305280; заявл. 27.08.2009

47. Иванов, Б. Р. Двухпараметрическое устройство контроля влажности Текст. / Б. Р. Иванов, В. Г. Лисичкин, С. Н. Шведов // ИЗВЕСТИЯ Орел-ГТУ, № 6/278 (577), 2009. С. 84 - 88.

48. Kelleners, Т. J. е. а. // Soil Science Society of America Journal. 2004. -V. 68.-P. 430.

49. Remke, L. van Dam, Borchers, В., Hendrickx J. M. H. // Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets X. 2005. - V. 5794. — P. 188.

50. Орнатский, П. П. Автоматические измерения и приборы Текст. / П. П. Орнатский. Киев. : Вища школа, 1971. - 552 с.

51. Шило, В. JI. Популярные микросхемы КМОП: Справочник Текст. -М. : Ягуар, 1993.-63 с.

52. Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IBM PC Текст. — М. : Солон-Р, 1999.-506 с.

53. Справочник по радиоизмерительным приборам Текст. / Под ред. Гаврилова М. П. М. : Энергия, 1996. - 624 с.

54. Аш, Ж. Датчики измерительных систем : В 2 х кн. Кн. 1 : Пер. с фр. Текст. / Ж. Аш. - М. : Мир, 1992. - 480 с.

55. Евтихиев, Н. Н. Измерение электрических и неэлектрических величин Текст. / Н. Н. Евтихиев, Я. А. Купершмидт и др. М. : Энергоатомиз-дат, 1990.-352 с.

56. Клаассен, К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике : Пер. с англ. Текст. / К. Б. Клаассен. М. : По-стмаркет, 2000. -352 с.

57. Новицкий, П. В. Основы информационной теории измерительных устройств Текст. / П. В. Новицкий. -JI. : Энергия, 1968. 248 с.

58. Новицкий, П. В. Цифровые приборы с частотными датчиками Текст. / П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. — JI. : Энергия, 1970.-424 с.

59. Туричин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин Текст. / А. М. Туричин [и др.] : под общ. ред. П. В. Новицкого. 5-е изд., перераб. и доп. - JT.: Энергия, 1975. - 576 с.

60. Цапенко, М. П. Измерительно-информационные системы: Структуры и алгоритмы Текст. / М. П. Цапенко. М. : Энергоатомиздат, 1985 — 440 с.

61. Микропроцессорные автоматические системы регулирования Текст. / Под ред. В.В. Солодовникова. — М. : Высш. школа, 1991.-255 с.

62. Гольденберг, JL М. Цифровая обработка сигналов Текст. / JI. М. Гольденберг, Б. Д. Матюшкин, М. Н. Поляк. — М. : Радио и связь, 1990 256 с.

63. Браславский, Д. А., Точность измерительных устройств Текст. / Д. А. Браславский, В. В. Петров. М. : Машиностроение, 1986 — 312 с.

64. Адаптивные телеизмерительные системы Текст. / Под ред. А.В. Фремке.-JI. : Энергоиздат, 1991.-248 с.

65. А. с. 1052981 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Электронно-цифровой влагомер Текст. / Ю. П. Бурштейн, В. Е. Елизаров, Ю. К. Иванов (СССР). — № 3446570/18-25 ; заявл. 01.06.82 ; опубл. 07.11.83, Бюл. № 41. 7 с. : ил.

66. А. с. 1567953 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Цифровой измеритель влажности Текст. / П. Т. Харитонов (СССР). № 4289974/25-25 ; заявл. 27.07.87 ; опубл. 30.05.90, Бюл. № 20. - 3 с. : ил.

67. Пат. 2046332 Российская Федерация, МПК6 G 01 N 27/22. Электронный влагомер Текст. / Репьев В. Н., Коновалов В. А. : заявитель и патентообладатель НИИ МиФ при Сарат. ГУ. № 93010550/25 ; заявл. 01.03.93 ; опубл. 20.10.95, Бюл. № 18. - 7 с. : ил.

68. А. с. 842541 СССР, М. Кл3 G 01 N 27/22. Емкостной преобразователь влажности почвы Текст. / В. С. Зарицкий, В. Т. Якимец, В. Б. Светник (СССР). -№ 2778000/18-25 ; заявл. 07.06.79 ; опубл. 30.06.81, Бюл. № 24.-3 с. : ил.

69. ГОСТ 21718 84. Материалы строительные. Диэлькометрический метод измерения влажности Текст. — Введ. 1984-09-08. — М. : Госстандарт СССР : Изд-во стандартов, 1984. - 7 с.

70. ГОСТ 29027 91 Влагомеры твердых и сыпучих веществ. Общие технические требования и методы испытаний Текст. - Введ. 1992-01-07. -[Переизд.]. - М. : Изд-во стандартов, 2004. — 7 с.

71. Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин : (Измерительные преобразователи) Текст. : учеб. пособие для вузов / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. Л. : Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.

72. Музалевский, В. И. Измерение влажности древесины Текст. / В. И. Музалевский. -М. : Лесная промышленность, 1976. 120 с.

73. Гутников, В. С. Фильтрация измерительных сигналов Текст. / В. С. Гутников. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 192 с.

74. Рябцев, Г. Г. Измерение неэлектрических величин электрическими методами Текст. : учеб. пособие / Г. Г. Рябцев. — М. : МИИТ, 2007. — 64 с.

75. Винокуров В. И. Электрорадиоизмерения Текст. : учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов / В. И. Винокуров, С. И. Каплин, И. Г. Петелин :под ред. В. И. Винокурова. 2-е изд. перераб. и доп. - М. Высшая школа, 1986.-351 с.

76. Аш, Ж. Датчики измерительных систем : В 2 х кн. Кн. 2 : Пер. с фр. Текст. / Ж. Аш с соавт. - М. : Мир, 1992. - 424 с.

77. Вентцель, Е. С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения Текст. / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. М. : Наука, 1991. - 384 с.

78. Лисичкин, В. Г. Сравнительный анализ моделей диэлектрических свойств почвы при автогенераторных измерениях влажности Текст. / В. Г. Лисичкин , С. Н. Шведов,, // Измерительная техника, № 2, 2008. — С. 64 — 67.

79. Лисичкин, В. Г. Устройство для контроля влажности с повышенной точностью измерения Текст. / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин, // ИЗВЕСТИЯ ОрелГТУ, № 3-2/275 (561), 2009. С. 62 - 66.

80. Лисичкин, В. Г. Повышение точности многопараметровых приборов контроля с резонансным преобразованием Текст. / С. Н. Шведов, В. Г. Лисичкин, // ИЗВЕСТИЯ ОрелГТУ, № 1 / 279(578), 2010. С. 88 - 96.

81. ГОСТ 29234.5 —91. Пески формовочные. Метод определения влаги Текст. -Введ. 1993-01-01. -М. : Изд-во стандартов, 1992. -4 с.

82. Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 752004 ГСИ. Измерения влажности веществ. Термины и определения Текст. — Введ. 2005 09-01. - М. : Стандартинформ, 2005.