автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Средства автоматизации процесса измерениявлажности корнеобнтаемой среды высшихрастений для условий микрогравитации

На правах рукописи

СЛ

Норох Александр Анатольевич

Средства автоматизации процесса измерения влажности корнеобитаемой среды высших растений для условий микрогравитации

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2000

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) - МГИЭТ (ТУ).

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат технических наук, с.н.с. В.Н.Поротов

доктор технических наук, профессор Коледов Л.А.;

кандидат технических наук, Попель Л.М.

Ведущее предприятие - Государственный научный центр

российской федерации - Институт медико-биологических проблем, г. Москва

Защита состоится "__" _ 2000 г. в_час. на

заседании диссертационного совета Д.053.02.04 Московского государственного института электронной техники (технического университета), по адресу: 103498, г.Москва, Зеленоград, проезд 4806, дом 5 (МГИЭТ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ (ТУ). Автореферат разослан " 1? " НОЯ^рЯ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 053.02.04

доктор технических наук, профессор > —^ А.И.Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. За последние 30 лет в России и за рубежом было выполнено большое число экспериментов с высшими растениями на борту космических аппаратов по исследованию фундаментальных вопросов космической биологии и решению биотехнических задач по отработке режимов и технических средств для культивирования растений в условиях микрогравитации.

Существуют различные методы выращивания растений, которые отличаются между собой видом корнеобитаемых сред (КС), способом подачи жидкости (воды или питательного раствора) в корнеобитаемую среду, а также конструктивными решениями отдельных элементов культивационных устройств. При выращивании высших растений на борту космических аппаратов система автоматического увлажнения и аэрации должна постоянно иметь данные о режиме газожидкостного обеспеспечения корнеобитаемой среды с целью предупреждения переувлажнения и обеспечения надлежащей диффузии воздуха. В отличие от наземных условий при проведении биологических экспериментов в условиях микрогравитации устойчивость режима влагораспределения не обеспечивается ввиду того, что в ненасыщенной КС (зоне аэрации) происходит разносторонняя трансформация форм и состояний влаги. Поэтому для получения достаточно достоверной информации о влажности КС возникает необходимость введения в состав системы контроля определенного количества датчиков влажности с локальной зоной измерения, размещенных в разных местах корнеобитаемой зоны. Тогда при измерении влажности со всей совокупности датчиков следует ожидать получения достоверной картины влагораспределения не только в объеме, занимаемым корнеобитаемой средой, но и около конкретного органа растения (корня, стебля и др.), т.е. формирования понимания с точки зрения экофизиологии растений интерфейс-климата растений.

Процесс контроля уровня влажности капиллярно-пористых сред в условиях микрогравитации, к классу которых относится и КС, может осуществляться с помощью различных методов измерения влажности, однако, наилучшие результаты были получены в 90-х годах с помощью теплоимпульсного метода, который долгое время считали неперспективным. Однако все применяемые при этом технические средства измерения влажности, в том числе и датчики влажности, имели ограниченные возможности как в способности обеспечить оптимальные условия при выращивании растений в условиях микрогравитации, так и в возможности автоматизации процесса получения информации при проведении космического эксперимента.

Серьезный недостаток экспериментов с растениями в космических полетах заключается в сложности и несовершенстве математической трактовки поведения влаги не только в реальных КС, но и обычных устойчивых пористых средах.

Вот почему остаются актуальными исследования по разработке

методов и средств автоматизации измерения влажности корнеобитаемой среды для условий микрогравитации.

Исследования по теме выполнялись автором в рамках плановых НИР и ОКР, предусмотренных Концепцией Российской космической программы.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса измерения влажности корнеобитаемых сред на основе теплоимпульсного метода измерения влажности и разработка средств автоматизации процесса измерения влажности КС высших растений для условий микрогравитации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

- анализ существующих теплоимпульсных методов измерения и конструкций датчиков влажности и выявление их основных недостатков;

- вывод зависимостейтеплофизических параметров КС от влажности и температуры;

- разработка и реализация на ЭВМ математической модели теплоимпульсного датчика влажности;

- разработка интегрального теплоимпульсного метода измерения влажности;

- разработка алгоритмов расчета зависимостей характеристических параметров КС от значений теплофизических параметров корнеобитаемой среды;

- разработка методов калибровки теплоимпульсного датчика влажности и субстрата корнеобитаемой среды;

- синтез структурной схемы автоматического измерителя влажности;

- сопоставление расчетных и фактических погрешностей измерения влажности;

- оценка адекватности моделирования и обсуждение результатов испытаний.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались: классическая теория теплопереноса в твердых телах; численные методы решения уравнений теплопереноса, а именно метод Писмена-Рэкфорда и метод простых итераций; теория разностных уравнений; итерационный метод половинного деления; теория сплайн-функций; теория измерений; дифференциальное счисление и методы оценок погрешностей в первом приближении; методы математической статистики для обработки результатов измерений.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

1. Разработана математическая модель теплоимпульсного датчика влажности на основе разностных уравнений теплопереноса.

2. Предложен новый интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности корнеобитаемой среды, в котором реализуется учет температурных зависимостей теплофизических параметров корнеобитаемой среды от температуры.

3. Предложены структурная схема и алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности, обеспечивающие адаптацию к датчикам разной конструкции и мощности нагрева.

4. Получены экспериментальные данные, подтверждающие высокую эффективность разработанных средств автоматизации измерения влажности корнеобитаемой среды.

Практическая значимость. Использование совокупности теоретических положений и алгоритмических процедур позволяет:

- разрабатывать теплоимпульсные датчики влажности с погрешностью измерения не более 3%;

- разработать автоматический измеритель влажности, реализующий интегральный теплоимпульсный метод измерения;

- использовать разработанные методы калибровки и самонастройки автоматического измерителя влажности при изменении типа субстрата КС и замене датчиков влажности;

- расширить применение интегрального теплоимпульсного метода для использования в наземных оранжерейных комплексах автоматизированного выращивания растений.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке лабораторного образца биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды БТК01-0133-059, применяемого в ГНЦ РФ ИМБП для проведения биологических экспериментов по выращиванию растений для контроля уровня влажности корнеобитаемой среды. Комплекс БТКО1-0133-059 обладает высокими метрологическими характеристиками, позволяющими контролировать уровень влажности корнеобитаемой среды с точностью 1-3% в зависимости от типа субстрата и мощности нагрева КС.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика -97» (Москва, 1997), на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника-99» (Москва, 1999) и на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника-2000» (Москва, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в описании патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа содержит: 144 страницы машинописного текста, 48 рисунков, 10 таблиц , список литературы из 65 наименований, в том числе 45 иностранных. Объем приложения составляет 43 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цели и задачи диссертационной работы, приведены основные положения, выносимые на защиту. Описана структура и краткое содержание работы.

В первой главе на основе литературных источников проведен анализ современного состояния в технике средств измерения влажности капиллярно-пористых сред, использующей теплоимпульсные методы влажности. Для анализа применимости в автоматическом измерителе влажности рассмотрены однозондовые методы измерения Касубучи и Эндлера-Подольского-Бингхама (ЭПБ), двухзондовый метод Кэмпбелла и трехзондовый метод Бристова.

Показано, что метод Касубучи неприемлем для использования, т.к. предполагает линейную зависимость теплопроводности КС от влажности, не обладает локальной зоной измерения, не учитывает температурных зависимостей теплофизических характеристик КС от температуры, не обеспечивает экспрессность получения информации, а используемый длинный и тонкий датчик, не обеспечивает легкость внедрения в КС и механическую прочность.

Также показано, что двухзондовый метод Кэмпбелла и аналогичный трехзондовый метод Бристова не годятся для использования в силу сравнимости диаметров зондов и размеров частиц субстрата КС, что вызывает высокий уровень погрешности измерения. Кроме этого методам присуща трудноустранимая погрешность из-за конструктивных особенностей датчика, а использование в составе датчика влажности современных датчиков температуры в большинстве случаев невозможно.

Обоснован вывод о перспективности применения усовершенствованного метода ЭПБ.

Конструкция зонда влагомера приведена на рис.1. В методе ЭПБ для измерения влажности на нагревательный элемент подается тепловой импульс постоянной мощности и длительности (1 Вт, 15-20 с), в конце подачи импульса измеряется разность температуры Т. Влажность W корнеобитаемой среды определяется по соотношению

дг„-дг, """ (1)

где Т„, Т, - изменения температуры в сухой КС и КС в состоянии полной влагоемкости соответственно, полученные при калибровке. Wmm -значение влажности КС в состоянии полной влагоемкости.

Рис. 1. Конструкция зонда влагомера, 1 - нагревательный элемент, 2 -датчик температуры, 3 - наконечник, 4 -трубка, 5 - жгут, 6 - разъем.

Однако метод ЭПБ не учитывает температурные зависимости теплофизических характеристик КС и использует упрощенную линеаризованную зависимость влажности от измеряемой разницы температуры Т.

Делается вывод о необходимости совершенствования метода измерения, а именно повышения его помехоустойчивости, использования точных зависимостей измеряемых величин от влажности и создания средств автоматизации процесса измерения.

Во второй главе производится анализ применимости классической теории теплопереноса для случая капиллярно-пористой среды, к классу которых относится КС. Для описания теплопереноса в окрестностях остроконечного осесимметричного датчика цилиндрической формы берется уравнение теплопереноса в цилиндрических координатах вида

¡(г, + ¿/т ) = ф; г,т ) + - 7-+

с!т

Г . . д2«Г, 2,Х ) а(г, г)--!—-—- +

дг2

_ 1 д1(г, г, х )

+ а(к г)----------+

г дг

+ а(г, г)

д2((г, г,х ) дг2

с,0', г)

\

(2)

где г, 2-цилиндрические координаты, -время, с! - квант времени, ¡(г,:,) -значение температуры в точке с координатами (га) в момент времени . ql (/-г,) -объемная плотность генерации теплового потока, а(г,г) -температуропроводность, с/г,г)-объемная теплоемкость.

Обосновано применение численных методов для решения уравнения (2), т.к. точное аналитическое решение возможно только для объектов бесконечной длины цилиндрической формы, а реальный зонд влагомера будет

всегда существенно отличаться от таких идеализированных форм и нет никакого смысла накладывать ограничения на конструкцию зонда влагомера, снижающие его эксплуатационные характеристики, в силу разработанности численных методов решения задач теплопереноса, обладающих универсальностью и позволяющих решить задачу с наперед заданной точностью.

Для расчета процессов теплопереноса в датчике влажности разработана математическая модель, в которой применяются разностные аналоги уравнения (2). Для случая нестационарного режима теплопереноса система разностных уравнений имеет вид

1(1,],к+1)=1а,],к)+

(А1(и)1а-1,],к)-С1(иМ(Ш) + В1(и)1(1+1^,к)+ ) д/и.к)^ (3) \+Л2(\,])ф,]-1,к) - С2(1,],к)1(1,],к) + В2(и)«и + 1.к)) с„аг '

1 = 2,.....N-1 ]=2,...,Ы: -1,к = 0,.... Ик,

1(1,],к + 1) = г(2,],к), }=2,....,'Ы: -], к = 0,.....Ик, (4)

1(1,],к + 1)-0, ] - 1,N., к = 0„...,Ык, (5)

1(Ыг,1к + 1) = 0, ] = 1М_, к = 0,.....Ык,

(6)

где

а,/- Ф-МЦ) а(ч)

Л1(1,]) =-—--——, (7)

йг 2г(1)аг

¿г2 + 2ф)с1г' (8)

а0-1/2,])+а(1 + 1/2,])

С1(1,]) =---, (9)

¿г *

а0,]-1/2) А2(1,]) =--------------:

IЬ2

(10)

а{х, )*1/2)

В2(1,]) =-, (П)

йг 2

аг

1 = 1.....К ] = (13)

йг сЬ <1х

а(1,}) = а(1- с1г,} -¿г), О4)

где а(г,г) - значение температуропроводности в точке с координатами (г,г)

где (г> ) - значение плотности теплового потока в точке с координатами (г,г) в момент времени т .

1(1,},к) = 1(1 • с!г• ск,к • (к ), (16)

где ?(г, 1,Х ) - температура в точке с координатами (у, 2) в момент времени т , с„„ - объемная теплоемкость материала нагревательного элемента.

Система уравнений (3-16) решается продольно-поперечным методом Писмена-Рэкфорда.

Для стационарного режима теплопереноса система разностных уравнений имеет вид

А(Ц)1(1-Ц,к) - С(ихи, к) 4- В(Ш(г-+ 1,1 к) + Д7,у'Ж/ -1,к) + Е(и ми + 1,к) )

1 = 2,.....N,-1 ]=2,...,Иг-1,к = 0,1.....

1(Ц,к + 1) = 1(2,],к), ] = 2,....Яг-1, к = 0,1,... О8)

1(и,к + 1) = 0,] = Щ, к=0,1,..., (19)

1(Ыг,],к + 1) = 0, ] = 1,Ы,, к=0,1,..„ где

(20)

(21)

йг2 2г(1)йг

в 1(1, ]) = МИШ^И + 1 (22)

с1г2 2г(1)йг

С(. = Х(1-1/2,;) + Х(г + 1/2,у) + ХО,/-1/2) + +1/2)

(23)

йг2 сЬ2

1.(1,} -1/2)

Оа,1) = -(24)

¿I2

.. + 1/2) Е(г^) = —-7;--, (25)

г(1) = I ■ ¿г, (26)

1 = 1,....МГ ] = (27)

уУ. = Л/\ = 2"ш-г, г(I) = г • с1г, (30)

1 с!г с1г

1(г, /) = 1.(г- ¿У, ] ■ ¿г), (31)

где Х(г,значение теплопроводности в точке с координатами (>',") Ч,(I,],к) = йг,} • ск,к ■ (к), (32)

где ¡(г,г,к) - температура в точке с координатами (г,г) нак-й итерации. Система уравнений (17-32) решается методом простой итерации.

Тот факт, что количество рассчитанных численным методом значений конечно, а для измерения необходимы непрерывные зависимости, потребовал применения одного из методов интерполляции. Автором обосновывается применение кубических сплайнов, т.к. это сплайны минимальной степени, имеющие непрерывную кривизну. Кроме этого, в отличие от некоторых методов, сплайны не требуют оценки вида интерпеллируемой функции, что делает их применение универсальным для датчика, описываемого зависимостями любого вида.

Предложен новый интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности, в котором для измерения влажности на нагревательный элемент зонда подается импульс тепла постоянной мощности Р„ и длительности т,„ в течение всего времени подачи этого импульса вычисляется величина Q„, определяемая соотношением „

-ч)

0* = ——-—> (33)

п-Р

п = —

где с/т, , = • (1х,) , /-температура измерительного датчика (С), ск, - интервал дискретизации сигнала датчика (с), г0 - начальная температура. Величина ()„ представляет характеристический параметр КС и определяется величиной ее температуропроводности.

После окончания теплового импульса исходя из вычисленного значения ()„ по функции а = а(()п) определяется значение температуропроводности КС а , по которому далее итерационным методом половинного деления определяется величина влажности КС используя

соотношение

а=-, (-54)

рс -(сос +Ксс ■ ( + [V ■ (соя +Кея -0)

где коэффициенты X К- с, В, £/, сас, Ксс определяются по процедуре калибровки корнеобитаемой среды, сп, - теплоемкость воды при О С, К, „ -температурный коэффициент теплоемкости воды. Соотношение (34) учитывает экспоненциальную зависимость теплопроводности КС от влажности и использует линейную аппроксимацию зависимостей теплопроводности и теплоемкости от температуры.

Теплофизические параметры материала наконечника датчика влажности сильно влияют на зависимости характеристических параметров от теплофизических характеристик КС, поэтому в математической модели при разбиении датчика влажности зоны, соответствующие материалу наконечника (в качестве материала предполагается использование отверждаемого полимера) выделяются и расчет проводится для нескольких значений теплопроводности и температуропроводности этого материала.

На основе математической модели разработаны алгоритмы расчета

зависимостей

а=а(0„.ая)> ап=о/0кп), х=}-

Г1 л

,Х

Р

V'г» у

Я.. = К

где а,„ Х„- температуропроводность и теплопроводность полимера наконечника зонда соответственно, а, X - температуропроводность и теплопроводность КС соответственно, использующие расчет с последовательным измельчением сетки и оценку точности расчета исходя из последних двух результатов по правилу Рунге-Кутта.

Предложен метод калибровки датчика влажности для определения значений теплопроводности А.,, и температуропроводности а„ полимера наконечника для учета разброса процесса изготовления датчика и компенсации изменений его теплофизических параметров при старении. Во время процедуры калибровки зонд обтекается струей воды постоянной температуры (рис.2) для создания нулевых граничных условий на поверхности зонда, для определения а и \ используются рассчитанные зависимости йп = С1п („),

г

ст. и

Р /

Процедура калибровки датчика влажности включает в себя следующие

этапы.

1. Проводится калибровка датчика температуры, входящего в состав датчика влажности.

2. Зонд помещается в устройство, обеспечивающее ламинарное

обтекание зонда струей воды одинаковой одинаковой температуры со скоростью, достаточной для обеспечения постоянной температуры на его поверхности (рис.2). Для подстройки скорости струи скорость увеличивают, начиная с малой, и доводят до величины, когда дальнейшее увеличение практически не меняет измеряемую величину (ст или Qw.

3. По процедуре, аналогичной процедуре измерения влажности, вычисляется величина Qwn , после этой процедуры нагрев не снимается. По зависимости а — ап (()г „) определяется а„.

4. По зависимости а — а((2„,ап) вычисляется функция а = а(()к ) .

5. Нагрев продолжается до достижения стационарного режима,

измеряется величина температуры датчика

6. По зависимости Х=Х,

определяется Х„.

7. По зависимости X =Л| ~,Хп 1 вычисляется функция X - X

Вода

Рис.2. Калибровка датчика влажности Для определения шести коэффициентов для каждого субстрата КС Х,^, К: с, В, и, с„,, Кй е, предложена процедура калибровки субстрата КС, состоящая из следующих пунктов.

1. Датчик последовательно помещается в КС с влажностями 1¥,=0, 1У2=0, 1¥3=}Ушт, ИГ/-=И\., с температурами I,, !,, ¡4 соответственно, где Назначение влажности в состоянии полной влагоемкости, IV— произвольное значение влажности 0 < IV, < В каждом из четырех случаев проводится процедура, аналогичная измерению влажности, вычисляются £?,„ <2„2, Ои1,

соответственно, далее нагрев продолжается до наступления стационарного

режима теплопередачи, после чего измеряются температуры измерительного

датчика /<ы, ?„„_,, 1сЫ соответственно.

2. Для величин ()„ „ д._„ Оп1, (),, по функции а = а(()Ч1) вычисляются соответствующие величины температуропроводности

а„а2,а3,а4.

3. Для величин гст„ г„„:, /„„, по функции к = х

/• \

вычисляются

соответствующие величины теплопроводности к„ К2, /. ,, ~к4.

4. По величинам температуропроводности а,, а2, а3, а4 и теплопроводности "к,, Я„ к_„ л, по соотношению _ ^

а

вычисляются значения объемной теплоемкости с,.,, с,„ с,, соответственно.

5. Задается плотность сухой КС р, и определяются коэффициенты:

Сос=~ .ЫИЬЬ-; (35)

Р с

Кс,= (36)

^ =-;-----:-(37)

ЛА., — (X

(38)

(39)

6. Итерационным методом половинного деления по уравнению

КО,-*г)___|

(40)

определяется коэффициент II.

7. Определяется коэффициент В по соотношению

(Х1(13-12)л-\2(1!-13))(1-ехр(-и\Ушах))

Интегральный теплоимпульсный метод измерения впервые учитывает температурные зависимости теплофизических параметров КС от температуры и экспоненциальную зависимость теплопроводности КС от влажности. При измерении используется характеристический параметр КС О,,, не зависящий от мощности нагрева Р„, а при калибровке используется другой

^ СИ!

характеристический параметр КС р , также не зависящий от мощности нагрева, что позволяет применять в одном и том же измерителе датчики разной мощности или менять эксплуатационные режимы датчиков влажности. Дополнительно становится возможной компенсация разброса сопротивления резистивного нагревательного элемента датчика влажности.

В третьей главе производится синтез алгоритмов функционирования автоматического измерителя влажности (АЙВ). В соответствии с предложенным интегральным теплоимпульсным методом измерения влажности разработан реализующий его алгоритм процесса измерения влажности (рис.3), алгоритмы калибровки датчика влажности и субстрата КС.

Предлагаются 2 варианта структурной схемы автоматического измерителя влажности для аналогового и цифрового датчика влажности (рис.45 соответственно).

Автоматический измеритель влажности представляет собой электронный прибор, имеющий средства для подключения нескольких датчиков влажности (М датчиков), содержащих резистивный нагревательный элемент, при подстыковке датчика обоими контактами соединяющийся с соответствующими выходами схемы подачи теплового импульса. Также в состав датчика влажности входит датчик температуры, соединяющийся при подстыковке с соответствующей цепью коммутатора в случае аналогового датчика или с последовательной шиной, если цифровой. Размещаемая в датчике влажности память параметров используется для хранения зависимостей датчика в табличном виде и калибровочных коэффициентов. Память параметров каждого датчика влажности объединяется в шину 12С для обмена информации с процессором.

Основная память используется для хранения промежуточных данных и системной информации.

С аналогового датчика температура после обработки измерительным преобразователем и АЦП, а а с цифрового по шине датчика в процессор поступает цифровое значение №

N.

■ (¿*лап - /)

(42)

тах Щ1П

тах

где Ящ„- разрядность АЦП, I - значение температуры датчика, /.„„, /....., -

пределы шкалы измерения.

Далее процессор осуществляет обратное преобразование

которое используется в алгоритме измерения влажности для определения значения влажности IV.

Исследуются средства подачи теплового импульса, а именно нагревательный элемент, собственно схема подачи теплового импульса и схемы стабилизации напряжения нагревательного элемента, позволяющие довести погрешность мощности подаваемого в КС теплового импульса до 0,1%, т.е. до несущественной доли в суммарной погрешности измерения влажности.

Обсуждаются средства получения температурной кривой, приводятся схемы измерительных преобразователей для аналоговых токовых датчиков температуры и датчиков температуры с сигналом напряжения. Выводятся соотношения для расчета инструментальных погрешностей и производится расчет погрешностей измерительного преобразователя для токового датчика температуры.

Также обсуждаются информационно-вычислительные средства АИВ, а именно процессор, основная память, память параметров датчика и интерфейс. Разрабатываются алгоритмические средства обеспечения устойчивости функционирования АИВ.

С помощью анализа в первом приближении выводятся соотношения для составляющих инструментальной погрешности и суммарной инструментальной погрешности измерения влажности (рис.6,7). Показано, что в основном инструменальная погрешность определяется погрешностью датчика температуры.

(43)

(?)

[Измерение^)

©

Рис.3. Алгоритм процесса измерения влажности

Рис.4. Структурная схема АИВ для аналогового датчика влажности

Рис.5. Структурная схема АИВ для цифрового датчика влажности

В четвертой главе приводятся и обсуждаются результаты испытаний автоматического измерителя влажности в составе лабораторного образца биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды (БТККС) высших растений для условий микрогравитации БТК01-01333-0599 в соответствии с программой и методикой испытаний образца БТК01-01333-0599ПИ, которые проводились с целью проверки соответствия основных параметров лабораторного образца требованиям ТЗ. Структурная схема БТККС приведена

Рис.8. Структурная схема БТККС.

Программа включала в себя следующие испытания БТККС, касающиеся работы автоматического измерителя влажности:

1) определение погрешностей измерения датчиков влажности в воздушно-сухой КС при изменении температуры КС ог+10 до +40 С;

2) определение погрешностей измерения датчиков влажности при полной влагоемкости КС при изменении температуры КС от+10 до +40 С;

3) определение погрешностей измерений датчиков влажности в КС с уровнями влажности 15,09%, 32,48%, 45,75% при температуре+25 С;

4) определение характеристик надежности датчиков влажности.

7 6 б 4 3 2 1 О

0 5 10 15 20 25

Рис.9. Суммарная приведенная погрешность измерения влажности КС (%) в КС в состоянии полной влагоемкости для каждого датчика. На горизонтальной оси отмечены номера датчиков.

Программа испытаний подтвердила устойчивость функционирования и характеристики надежности автоматического измерителя влажности.

На рис.9-11 приведены гистограммы суммарной погрешности измерения влажности в КС в состоянии полной влагоемкости, приведенного среднеквадратического отклонения влажности в воздушно-сухой КС и КС в состоянии полной влагоемкости соответственно.

1н 1.1 II

О 5 10 15 20 25

Рис.10. Среднеквадратическое отклонение влажности КС (%) в воздушно-сухой КС для каждого датчика. На горизонтальной оси отмечены номера датчиков.

1 2

0 5 10 15 20 25

Рис.11. Среднеквадратическое отклонение влажности КС (%) в КС в состоянии полной влагоемкости для каждого датчика. На горизонтальной оси отмечены номера датчиков.

4 3.5 3 25 2 1 5 1

05 0

Рис.12. Суммарная приведенная погрешность измерения влажности КС (%) в КС с влажностью 32,48% для каждого датчика. На горизонтальной оси отмечены номера датчиков.

Рис.13. Суммарная приведенная погрешность измерения влажности КС (%) в КС с влажностью 45,75% для каждого датчика. На горизонтальной оси отмечены номера датчиков.

Суммарные приведенные погрешности для значений влажности 32,48% и 45,75% показаны на рис. 12,13.

Таким образом, результаты испытаний подтвердили, что цель диссертации достигнута. Новый интегральный теплоимпульсный метод и предложенные методы калибровки позволяют достичь максимальной суммарной приведенной погрешности измерения влажности 6% во всем диапазоне температур и не более 3-5% в диапазоне вегетации растений в диапазоне влажностей, требуемом для выращивания высших растений.

Новые средства автоматизации позволили получить автоматический измеритель влажности с требуемыми точностными параметрами и характеристиками надежности. Результаты испытаний показали возможность достичь высокой точности измерения при использовании теплоимпульсного метода измерения влажности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа существующих теплоимпульсных методов измерения показано, что имеющиеся методы и средства измерения не позволяют получить высокоточный автоматический измеритель влажности.

2. Установлена целесообразность совершенствования метода измерения влажности ЭПБ, использования численных методов расчета для получения зависимостей датчика влажности.

3. Выявлена необходимость создания методов и средств автоматизации процесса измерения влажности.

4. Составлены разностные уравнения теплопереноса для датчика влажности иразработанаматематическая модель датчика влажности.

5. Разработан новый интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности и методы автоматической калибровки датчика и субстрата КС.

7. Разработаны алгоритмы расчета зависимостей характеристических параметров КС от ее теплофизических параметров..

8. Проведен анализ погрешности измерения влажности.

9. Разработаны алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности.

10. Разработана структурная схема автоматического измерителя влажности, обеспечивающие взаимозаменяемость датчиков влажности любой конструкции и мощностей нагрева.

11. Проведена проверка теоретических результатов на опытном образце биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды.

12. Создан и внедрен опытный образец биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды высших растений (БТККС). Входящий в состав БТККС автоматический измеритель влажности по точностным показателям превосходит все аналогичные образцы, обеспечивая максимальную погрешность измерения в 6%, и среднюю не более 3%.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.А.Норох, В.А.Андренюк. Применение оптических средств контроля и управления для транспортной системы кристального производства микроэлектроники, использующей дискретный носитель с автономным питанием. М.: МИЭТ-ТУ, жур. Известия вузов. Электроника.. №3,2000 г., стр. 46-51.

2. И.Г.Подольский, В.Н.Поротов, А.А.Норох. Обоснование точности метода измерения влажности капиллярно-пористых тел для условий микрогравитации. М: жур. Авиационная и космическая медицина., в печати.

3. А.А.Норох В.Н.Поротов. Физическая модель теплоимпульсного влагомера для расчета шкалы измерения. Сб. научных трудов ф-та АиЭМ МГИЭТ-ТУ Научные основы новых технологий, оборудования и систем управления в производстве изделий электронной техники. 2000 г., стр. 161-168.

4. А.А.Норох, Способ приема и передачи информации оптическим сигналом и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2154906от 20.08.2000 г. МКИ Н04В10/00.

5. А.А.Норох. Способ приема и передачи информации оптическим сигналом и устройство для его осуществления. Заявка на патент на изобретение № 2000105503 от 09.03.2000 г. МКИ Н04В10/00.

6. А.А.Норох Применение микроконтроллеров серии MS196 в блоке управления служебных систем рентгеновского телескопа СОДАРТ. Сб. тезисов докладов на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 1997». М.: МИЭТ-ТУ, 1997 г, стр. 158.

7. А.А.Норох Применение энергонезависимой FLASH-памяти в блоке управления служебных систем рентгеновского телескопа СОДАРТ. Сб. тезисов докладов на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 1997». М. : МИЭТ-ТУ, 1997 г, стр. 159.

8. А.А.Норох. Определение точности измерения влажности капиллярно-пористых и сыпучих сред теплоимпульсным методом. Сб. тезисов докладов на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2000». М.: МИЭТ-ТУ, 2000 г., стр. 154.