Поляризационный градиентомер влажности

Предлагаемое устройство относится к метрологическому обеспечению технологических процессов обработки капиллярно-пористых материалов, таких как сушка древесины, полив почвы.
Промышленная камерная сушка пиломатериалов и полив почвы это затратные энергоемкие процессы, которые во многом определяет качество и себестоимость продукции. Повышение уровня автоматизации и совершенствование метрологического обеспечения в этих областях техники является актуальной технико-экономической задачей.
В представленной заявке объектом измерения перепада влажности является высушиваемый в камере пиломатериал. Анализ информационных ресурсов ФИПС, стандартов, научно-технической литературы и других информационных источников по устройствам сушки пиломатериалов показывает, что в настоящее время перепад влажности по толщине высушиваемого пиломатериала, являющийся основным показателем объемно-напряженного состояния пиломатериала, определяется в лаборатории весовым способом.
Широко известные электрические влагомеры, измеряющие относительную влажность образца контактным способом как функцию электрического сопротивления, не позволяют измерять перепад (градиент) влажности по толщине высушиваемого пиломатериала, так как имеют низкую точность измерений, особенно в начальной стадии процесса. Так при влажности пиломатериала более 12% точность измерений не превышает 30% [1].
В настоящее время достаточно точно при массовой промышленной сушке пиломатериалов перепад влажности определяется весовым способом по отобранным образцам в лабораторных условиях [2]. Этот метод ручной, достаточно точный, но в системах автоматического управления использован быть не может.
Разработанные опытные образцы дистанционного электрического средства измерения этого параметра, которые могли бы использоваться в системах автоматического управления промышленным процессом сушки пиломатериала, сложны в изготовлении и эксплуатации и в настоящее время в промышленных условиях не применяются.
ВП
+-
-+
Так в автоматизированной линии сушки пиломатериалов [3] в системе автоматического регулирования перепада влажности предлагается использовать поляризационный игольчатый градиентомер с одним чувствительным элементом. В преобразователе градиентомера реализуется зависимость ЭДС вызванной поляризации (Е) от перепада влажности по толщине пиломатериала. Полярность напряжения источника питания на силовых электродах через интервалы равные времени поляризации образца периодически переключается и по разности измеренных напряжений различных полярностей (U- U) в импульсном режиме формируется сигнал ΔU, пропорциональный перепаду влажности по толщине высушиваемого пиломатериала.
Функция преобразования игольчатого градиентомера имеет следующий вид:
2
где: R - электрическое сопротивление измерительного участка;
1
2
3
(R+R+R) - электрическое сопротивление всего участка.
Для переключения полярностей и суммирования измеряемых напряжений градиентомер снабжен программным контроллером, подключенным к регулирующему прибору.
Такой градиентомер на выходе формирует дискретный элетрический сигнал, который достаточно хорошо коррелируется с перепадом влажности по толщине высушиваемого пиломатериала. К его недостаткам следует отнести дискретность режима измерений и функционально сложный алгоритм программы формирования измерительного сигнала, что требует наличия в составе контроллера переключателя полярностей, реле времени и интегратора.
По количеству общих признаков и достигаемому результату в качестве прототипа выбран игольчатый градиентомер автоматизированной линии сушки пиломатериалов с одним чувствительным элементом [3], который является наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели.
Технической задачей является разработка поляризационного градиентомера влажности высушиваемого в камере пиломатериала, результат измерения которого формируется в виде непрерывного электрического сигнала.
Предлагаемый поляризационный градиентомер состоит из датчика, измерительного прибора и источника питания. В состав датчика входят два однотипных чувствительных элемента, в каждом из которых установлено по четыре игольчатых электрода. При установке датчика игольчатые электроды вдавливаются в образец параллельно его пласти с использованием направляющих упоров.
Крайние силовые электроды подключены по параллельной схеме так, что векторы поляризационных напряжений направлены навстречу друг другу. Измерительные электроды чувствительных элементов соединены так же навстречу друг другу, но по последовательной схеме. Расстояние между рядами электродов чувствительных элементов выбирается с учетом возможного взаимного влияния полей вызванных поляризаций.
Наличие в составе датчика двух чувствительных элементов и предлагаемая встречная схема подключения измерительных электродов в отличие от прототипа позволяет схематично реализовать способ измерения разности поляризационных напряжений как ЭДС вызванной поляризации, что определяется функцией преобразования поляризационного градиентомера влажности. При такой схеме включения на измерительный прибор непрерывно подается напряжение, величина которого определяется градиентом влажности dW/dx и пропорциональна интенсивности влагопереноса по толщине высушиваемого пиломатериала.
Функции преобразования поляризационных градиентомеров с одним и двумя чувствительными элементами идентичны, но способы реализации разностного метода измерений принципиально отличаются. При одноэлементном градиентомере результирующий измерительный сигнал формируется аппаратурно с использованием переключателя полярностей, реле времени и интегратора. При использовании предлагаемого двухэлементного градиентомера непрерывный измерительный сигнал формируется схематично за счет встречного включения полярностей измерительных электродов чувствительных элементов. Градуировка градиентомера в единицах перепада влажности ΔW,% как функции разности напряжений поляризации ΔU осуществляется весовым лабораторным методом измерения как наиболее точным.
Необходимо отметить, что рассмотренные различные устройства реализации разностного метода измерений вызванной поляризации высушиваемого пиломатериала на основные метрологические характеристики градиентомеров, такие как диапазон шкалы и класс точности, при соблюдении стандартных технических требований к конструкциям датчиков и схемным устройствам, значительного влияния на оказывают.
В предлагаемом градиентомере в качестве измерительного прибора используется милливольтметр постоянного тока, градуированный в единицах перепада влажности ΔW, %. Источником питания служит батарея постоянного тока напряжением 1,5V, что соответствует оптимальному значению напряжения поляризации пиломатериала.
В целом, совокупность признаков ограничительной и отличительной частей предлагаемой полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной задачи и в полном объеме ранее нигде не использовалась для решения поставленной или других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критериям существенной новизны и полезности.
Устройство датчика предлагаемого градиентомера влажности пиломатериала и принципиальная электрическая схема иллюстрируются чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
Фиг. 1 - датчик поляризационного градиентомера влажности.
Фиг. 2 - электрическая схема поляризационного градиентомера влажности.
Предлагаемый поляризационный градиентомер влажности состоит из датчика 2 с двумя чувствительными элементами, измерительного прибора для измерения малых напряжений постоянного тока и источника питания напряжением 1,5 V.
Корпус датчика 2 (фиг. 1) выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, в нижней плоскости которого закреплена контактная колодка, выполненная из диэлектрического материала. На контактной колодке установлены два параллельных ряда игольчатых электродов, представляющих собой чувствительные элементы ЧЭ1 и ЧЭ2 (фиг. 2). На боковой стенке датчика для подключения его к источнику питания и к измерительному прибору в сквозном отверстии установлена контактная панель 4.
Перед загрузкой штабеля пиломатериала в сушильную камеру игольчатые электроды датчика вдавливаются в кромку доски 1. Заданное положение корпуса в зоне максимального значения градиента влажности dW/dx от центра до пласти доски обеспечивается упорами 3 (фиг. 1), которые при установке являются направляющими и плотно прижимаются к пласти.
В каждом чувствительном элементе установлено по четыре игольчатых электрода: два силовых и два измерительных. Силовые электроды чувствительных элементов A1, В1 и А2, В2 (фиг. 1) подключены к источнику питания так, что вектора напряжений параллельны градиенту влажности и направлены в противоположные стороны.
Измерительные электроды чувствительных элементов M1, N1 и М2, N2 (фиг. 1) соединены встречно по последовательной схеме, в результате чего на измерительный прибор 5 через контактную панель 4 (фиг. 2) подается непрерывный сигнал ΔU пропорциональный перепаду влажности по толщине пиломатериала ΔW, %.
Наличие в датчике градиентомера двух чувствительных элементов и предлагаемая встречная схема подключения измерительных электродов позволяет с требуемой точностью и в непрерывном режиме реализовать способ измерения перепада влажности по толщине высушиваемого пиломатериала и выдавать сигналы на измерительный прибор и регулирующий прибор системы автоматического управления.
Экспериментальный образец предлагаемого градиентомера испытан в экспериментально-технологической лаборатории Томского сельскохозяйственного института Новосибирского ГАУ. В рабочем диапазоне шкалы его погрешность составила 5-7,8%. Промышленная применимость разработанного средства измерений определяется его низкий стоимостью в сравнении с прототипом, достаточно высокой точностью и дополнительным технико-экономическим эффектом при включении в систему автоматического регулирования перепада влажности как основного технологического параметра сушки пиломатериалов.
Предлагаемый поляризационный градиентомер может быть использован в системах автоматического регулирования перепада влажности при обработке различных капиллярно-пористых материалов, например при поливе почвы. Для этого достаточно изменить конструктивную схему датчика в соответствии с направлением вектора вызванной поляризации. Источники информации
1. Электроника для сушки древесины, https://esd70.ru/articles/2007-09-15/2-upravlenie-processom-sushki-drevesiny.html
2. Промышленная автоматика. Контроль перепада влажности по толщине пиломатериалов (заготовок), http://sushka.kiev.ua/ru/bibliot/48-ukovadyashie-tekhnicheskie-materialy
3. Бандаевский Г.И. и др. Автоматизированная линия сушки пиломатериалов. Патент РФ на полезную модель №152363. Приоритет от 07.07.2014 г.