СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ИПУЛЬСНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINATION OF HUMIDITY OF CAPILLARY AND POROUS MATERIALS BY PULSE DYNAMIC CHARACTERISTICS

Предлагаемая группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности капиллярно-пористых материалов.
Известен способ [см. патент РФ №2167416, G01 №27/416, 2001, бюл. №14], заключающийся в определение концентрации ионов водорода за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующего физико-химическому составу среды. Сигнал регистрируют по интервалу времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждом цикле.
Недостатками этого способа и устройства является низкая точность измерений влажности из-за pH-метрической ячейки.
Существует способ [см. патент РФ №2187098, G01N 27/04, 2002, бюл. №22], заключающийся в измерении диффузионной проводимости по вольт-амперной характеристики (ВАХ). Для этого измеряют электрические характеристики пробы материала в диапазоне 10-29% на напряжении 5-10 В.
Недостатками этого способа являются низкая точность из-за наличия динамической и методической погрешности.
Известен способ [см. патент РФ №2341788, G01N 27/04, 2008, бюл. №35], заключающийся в определении влажности по калибровочной характеристике предельного тока на двух эталонах, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона.
Недостатком способа является относительно низкая точность в реальных условиях из-за неучтенной нелинейности измеренной характеристики, что не позволяет автоматизировать мониторинг компьютерными анализаторами.
За прототип принят способ [см. патент РФ №2240546, G01N 27/04, 2004, бюл. №32], заключающийся в определение влажности древесины в динамическом режиме по диффузионному току и оптимизируемым электродинамическим характеристикам.
Недостатками прототипа являются низкая точность, достоверность и оперативность контроля влажности в адаптивном диапазоне, из-за нелинейности динамической характеристики.
Технической задачей способа являются повышение метрологической эффективности, а именно точности измерений, за счет устранения нелинейности.
Поставленная техническая задача достигается следующим образом.
1. В способе определения влажности капиллярно-пористых материалов, заключающемся в том, что осуществляют контакт с образцом с помощью двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга, прикладывают напряжение на измерительную ячейку, регистрируют время сравнения текущей амплитуды с пороговым значением и определяют влажность, в отличие от прототипа, определяют влажность по частоте калибровочных характеристик, длительность которой в каждом цикле определяется интервалом измерения, фронт которого формируют в момент сравнения порогового напряжения с линейным напряжением динамической характеристики измерительной ячейки, состоящей из последовательно включенных влажного материала и эталонной емкости, после чего организуют срез, за счет изменения полярности порогового напряжения.
2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, калибровочной характеристикой служат функция нормированной влажности и функция предельной частоты импульсов сухого материала, которую определяют в процессе измерения предельной частоты на двух эталонах, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона.
3. В устройство для определения влажности капиллярно-пористых материалов по динамической характеристике, состоящее из измерительной ячейки, состоящей из последовательного соединения исследуемого материала и эталонной емкости, в отличие от прототипа, организуют мультивибратор за счет включения измерительной ячейки в отрицательную обратную связь операционного усилителя, в положительную обратную связь которого включен эталонный делитель напряжения на резисторах, а выходным индикатором служит частотомер.
Сущность предлагаемых способа и устройства поясняется на фиг.1-5.
Предлагаемый способ включает 2 этапа:
измерение предельного тока исследуемого образца по частоте импульсов;
калибровка на эталонных материалах для определения действительных значений влажности.
0
i
0
i
1. Влажность капиллярно-пористых материалов определяют за счет измерения частоты тока исследуемого образца. Для этого осуществляют контакт с образцом с помощью двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга. Прикладывают напряжение U на измерительную ячейку (фиг.1, б), регистрируют время t сравнения текущей амплитуды U с пороговым U значением и определяют влажность по частоте f. Измеряют частоту f в образце (фиг.1, в), длительность которой в каждом цикле определяется интервалом измерения t, фронт которого формируют в момент сравнения порогового напряжения с линейным напряжением U динамической характеристики измеренной ячейки, состоящей из последовательно включенных влажного материала (1) и эталонной емкости (2) (фиг.2), после чего организуют срез, за счет изменения полярности порогового напряжения. Устройство для определения влажности капиллярно-пористых материалов по динамической характеристике состоит из измерительной ячейки, состоящей из последовательного соединения исследуемого материала (1) и эталонной емкости.
1
2
2. Организуют мультивибратор за счет включения измерительной ячейки в отрицательную обратную связь операционного усилителя (ОУ) (3), в положительную обратную связь которого включен эталонный делитель напряжения на резисторах R (4) и R (5), а выходным индикатором (6) служит частотомер (фиг.2).
0
4
5
0i
Опорное напряжение U через делитель RR прямого входа ОУ 3 сравнивается со значением линейно нарастающего U напряжения
1
0i
0
1
0
0i
формируемого RC-цепочкой на инверсном входе компаратора. В момент времени τ, когда U≤U, компаратор находится в единичном состоянии. Время τ находится из условия равенства U=U, т.е.
,
и соответствует
2
1
0i
0
На интервале τ-τ компаратор находится в нулевом состоянии, линейно убывающий сигнал - U сопоставляется с потенциалом низкого уровня U, т.е.
,
откуда находим интервал времени
2
1
Широта τ переключения компаратора за время τ+τ определяется соотношениями (1) и (2):
i
т.е. обратно пропорционально измеряемому напряжению U.
Исходя из равенств  и  формула (3) преобразуется к виду
i
i
i
i
Следовательно, частота импульсов f импульсной динамической характеристики f(U) прямо пропорциональна измеряемому напряжению U.
2. По аналогии с влажностной характеристикой древесины [патент РФ №2375704, G01N 27/00, 2009, бюл. №34]
i
i
влажностная характеристика W(f) древесины предлагаемого способа выглядит следующим образом:
0i
0i
где параметр F является функцией предельной частоты импульсов, а параметр W - функцией нормированной влажности.
i
i
Зависимость частоты f от влаги W следует из инверсии выражения (5).
0i
0i
эi
0
0
Неизвестные нормированную W (фиг.3, 1) и предельную F (фиг.3, 2) характеристики находят из сопоставления формулы (6) с эквивалентом f влажностной характеристики (фиг.3, 3) с информативными параметрами F и W (7).
i
01
02
При калибровке измеряют значения частоты f в нижней и верхней границах измеряемого диапазона влажности на эталонных материалах с известной влажностью W и W (фиг.3).
0i
i
Строится комбинированная характеристика с учетом того, что, по условию калибровки, f=f, то есть
.
0i
0i
Из полученного уравнения выразим W и F:
Из аналогичных рассуждений для характеристики (5) находят формулу (9):
01
02
Используя формулу (9), составим систему уравнений для двух известных значений W, W границ диапазона функции нормированной влажности:
0
Первое уравнение системы делят на второе, перемножают обе части уравнения с использованием правила пропорций и выражают информативный параметр F предельной частоты импульсов:
01
02
Используя формулу (8), составим систему уравнений для двух известных F и F значений границ диапазона функции предельной частоты:
0
Второе уравнение системы вычитается из первого, перемножают обе части уравнения с использованием правила пропорций, и выражают информативный параметр W нормированной влажности:
0
0
0i
0i
0i
0i
i
Полученные параметры W и F однозначно определяют функции нормированной влажности W и предельной частоты F, поэтому их принимают за информативные параметры, по которым строят калибровочные характеристики (фиг.3, кривые 4 и 5). По калибровочным характеристикам W (8) и F (9) и влажностной характеристике W(f) (фиг.3, 4) с учетом эталонных значений (фиг.3, 3) определяют действительные значения влажности  (фиг.3, 5).
Докажем эффективность калибровки.
i
Относительные отклонения от эксперимента ξ (фиг.4, 1) и  (фиг.4, 2) без калибровки и после калибровки вычисляются соответственно по формулам:
э
где W(f) - значения влажности, принятое за эталон (фиг.3, 3);
i
W(f) - влажность, рассчитанная без калибровки (фиг.3, 4);
- влажность, рассчитанная с калибровкой (фиг.3, 5).
Метрологическая эффективность (фиг.5) по частоте определяется отношением погрешностей до и после калибровки:
i
Максимальные пределы относительных отклонений от эксперимента без калибровки ξ и после калибровки  равны соответственно 45% и 0,000258765%, т.е. предлагаемое решение повышает точность калибровки минимум на 4 порядка, что очень важно при автоматизации мониторинга компьютерными анализаторами за счет создания программно управляемых высокоэффективных метрологических средств.
Таким образом, калибровочными характеристиками служат функция нормированной влажности и функция предельной частоты импульсов сухого материала, которые определяют в процессе измерения предельных частот, соответствующих нижней и верхней границам измеряемого диапазона, и по которым определяют нормированные меры: предельную частоту и нормированную влажность. Применение предлагаемых способа и устройства позволяет повысить метрологическую эффективность, а именно точность измерений, за счет устранения нелинейности, что позволяет автоматизировать мониторинг компьютерными анализаторами.