УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике в текстильной промышленности и касается устройств для измерения параметров продуктов прядения, в частности, определения линейной плотности волокнистых материалов.
Известно устройство для контроля толщины волокон и нитей [А.с. №1350478 СССР, МКИ5 G01B 7/08. Устройство для контроля толщины волокон и нитей / Свиридов Н.М., Скрипник Ю.А., Ефремов В.А., Свиридов A.M., Лунев А.Д., Савельева Н.М., Глухов А.П., Макаревич В.Б.; заявитель и патентообладатель Киевский технологический институт легкой промышленности. - №4070993; заявл. 23.05.1986, опубл.: 07.11.1987 - 3 с.: ил.], содержащее емкостный датчик, измерительный генератор, усилитель, регистратор, генератор опорной частоты, синхронный детектор и блок смещения волокон или нитей.
В качестве прототипа выбрано устройство для контроля линейной плотности волокнистых материалов [Патент №2010153 РФ, МКИ5 G01B 7/08. Устройство для измерения линейной плотности влагосодержащих материалов / Мурзаев С.К., Брякин И.В., Нагорнов С.С., Рычков Н.А.; заявитель и патентообладатель Институт автоматики АН Республики Кыргызстан, Кыргызский камвольно-суконный комбинат. - №4449281/28; заявл. 23.05.1988, опубл. 30.03.1994 - 3 с.: ил.], содержащее емкостной датчик, подключенный к цепочке из последовательно соединенных измерительного генератора, усилителя и регистратора, блок перемещения датчика, выполненный с возможностью перемещения датчика по трем измерительным позициям, вычислительный блок и блок временной задержки, при этом вычислительный блок входом соединен с выходом регистратора, управляющий выход вычислительного блока - с входом блока перемещения датчика и входом блока временной задержки, выход которого соединен с управляющим входом регистратора.
Недостатками известных устройств является нестабильность показаний прибора в условиях изменения влажности измеряемого продукта ввиду различия влажности эталонного и измеряемого волокна, а также низкие быстродействие и надежность.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности и оперативности измерения линейной плотности продуктов прядения, расширение технических возможностей устройства.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для измерения линейной плотности влагосодержащих материалов, содержащем емкостной датчик, подключенный к цепочке из последовательно соединенных генератора и усилителя, согласно полезной модели, генератор выполнен с возможностью перестройки его частоты, к выходу генератора подключен делитель, образованный емкостным датчиком и эталонным конденсатором, выход делителя соединен с входом усилителя, на выходе усилителя установлен детектор и аналого-цифровой преобразователь, после которого установлен микроконтроллер, при этом один из выходов микроконтроллера соединен с управляющим входом генератора.
Указанный результат достигается потому, что диэлектрическая проницаемость продукта измеряется на нескольких частотах, что позволяет, используя зависимость диэлектрической проницаемости влагосодержащего материала от частоты электромагнитного поля, на которой производится измерение, вычислить массу «сухого» диэлектрика, массу влаги, и массу влагосодержащего материала, что позволяет повысить точность и оперативность измерения линейной плотности продуктов прядения, а так же вычислить влажность материала.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения плотности влагосодержащих материалов, на фиг.2 график зависимости диэлектрической проницаемости конденсатора с диэлектриком из влагосодержащего хлопкового волокна от частоты, для постоянной массы пробы и различных значений влажности, полученный экспериментально.
Устройство содержит генератор 1, выполненный с возможностью перестройки частоты в широком диапазоне (от 1 кГц до 10 МГц), к выходу генератора 1 подключен делитель, образованный емкостным датчиком 2 и эталонным конденсатором 3, выход делителя соединен с входом усилителя 4, на выходе усилителя установлен детектор 5 и аналого-цифровой преобразователь 6, после которого установлен микроконтроллер 7. Один из выходов микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом генератора 1. Так же к микроконтроллеру подключено устройство отображения 8 (дисплей).
Устройство работает следующим образом. Исследуемый продукт заправляют между обкладками емкостного датчика 2. Микроконтроллер 7 устанавливает наименьшую частоту генератора 1 из заданной сетки частот. Напряжение с генератора 1 поступает на делитель, образованный емкостями датчика 2 и эталонного конденсатора 3. Существенно, что величина емкости датчика 2 много меньше емкости эталонного конденсатора 3, поэтому напряжение на эталонном конденсаторе 3 прямо пропорционально емкости датчика 2, а, следовательно, диэлектрической проницаемости его диэлектрика. Сигнал с эталонного конденсатора 3 усиливается, детектируется, преобразуется в цифровой код и сохраняется в памяти микроконтроллера 7. Далее микроконтроллер 7 устанавливает следующую частоту из сетки и измеряет диэлектрическую проницаемость материала для данной частоты. Таким образом, в результате перебора всех заранее заданных частот, в памяти микроконтроллера сохраняется выборка значений, описывающих зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частоты. Для влагосодержащего материала эта зависимость носит нелинейный характер, причем, чем больше влажность материала, тем больше кривизна характеристики (фиг.2).
После измерения зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты, микроконтроллер 7 производит вычисление массы влаги, массы материала, а так же влажности материала. Масса воды в образце вычисляется по формуле:
1
где k - коэффициент, зависящий от коэффициента передачи устройства;
max
f - максимальная частота, на которой производилось измерение, Гц;
min
f - минимальная частота, на которой производилось измерение, Гц;
ε(f) - значение диэлектрической проницаемости на текущей частоте;
max
ε(f) - значение диэлектрической проницаемости на максимальной частоте.
Масса «сухого» материала в образце вычисляется по формуле:
2
где k - коэффициент, зависящий от геометрических размеров емкостного датчика 2, коэффициента передачи устройства и плотности волокна;
3
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от вида волокна, коэффициента передачи устройства и рассматриваемого диапазона частот;
Масса влагосодержащего материала:
Разделив полученное значения массы «сухого» материала на длину пластин емкостного датчика 2 получают линейную плотность продукта. Таким образом, измерение диэлектрической проницаемости влагосодержащего материала на нескольких разнесенных друг от друга частотах позволяет вычислить массу сорбированной материалом воды а так же массу сухого продукта, за счет чего и стало возможным повышение точности измерения линейной плотности волокна.
Используя полученные значения вычисляют влажность материала по формуле:
%.(4),
чем достигается расширение функциональных возможностей прибора.