Пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалу

Корисна модель відноситься до області аналізу складу матеріалів за рівнем теплових шумів та може бути використана для контролю поверхневої вологості листових та рулонних матеріалів (тканин, шкіри, паперу, плівки та ін.) без прикладення зовнішньої електричної напруги до контрольованого матеріалу. Листові та рулонні матеріали в сухому вигляді є гарними діелектриками з питомим опором 1012-10 15Ом×см. При зволоженні матеріалу їх поверхневий опір різко зменшується. При цьому залежність опору від кількості вологи нелінійна, так як визначається не тільки кількістю адсорбованої води, а й концентрацією електролітів, розчинених у воді. Зміст електролітів та їх тип залежить від технології обробки матеріалу та структури самого матеріалу. Крім того, іонний характер електропровідності вологих матеріалів обумовлює залежність поверхневого опору матеріалу від величини прикладеної напруги. Це призводить до неоднозначності контролю при вимірюванні опору на різних межах прибору контролю. Тому відомим пристроям контролю вологості за значенням поверхневого опору притаманна велика похибка та неоднозначність в оцінці поверхневої вологості [див. Берлинер Μ.Α. "Измерение влажности." Изд второе, переработ и доп - М.: Энергия, 1973, с. 92-94]. Відомий також пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалів [див. Патент України №66563А, МПК G01N33/00, бюл. №5, 2004], який містить вимірювальний та опорний електроди пробника, автоматичний перемикач, один вхід якого з'єднаний з вимірювальним електродом пробника, вихід через перший розділовий конденсатор з'єднаний з одним входом диференціального підсилювача, другий вхід якого через другий розділовий конденсатор з'єднаний з опорним електродом пробника, до виходу диференціального підсилювача підключені з'єднані послідовно смуговий підсилювач, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, підсилювач частоти комутації та фазочутливий випрямляч. Крім того, відомий пристрій містить аналоговий вимірювальний прибор, комутаційний генератор змінної напруги та резистор, що перемикається, який імітує норму вологості матеріалу. Використання теплових шумів контрольованого матеріалу в якості джерела електричної напруги виключає поляризаційні та електрохімічні процеси всередині та на поверхні матеріалу, що виключає неоднозначність результатів контролю. В той же час залежність результату контролю від несталості загальної крутизни перетворення поверхневої вологості матеріалу у вихідну електричну напругу знижує достовірність контролю. Загальну крутизну перетворення стабілізувати складно, так як вона визначається добутком великих значень коефіцієнтів підсилення, які потрібні для підсилення слабких шумових сигналів, які співмірні з власними шумами активних елементів вимірювальної схеми. Не виключається вплив несталості температури контрольованого матеріалу. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалу, в якому введення нових елементів та зв'язків між ними забезпечить підвищення достовірності контролю за рахунок зниження похибки оцінки вологості. Поставлена задача вирішується таким чином, що в пристрій для контролю поверхневої вологості, який містить вимірювальний та опорний електроди пробника, автоматичний перемикач, один вхід якого з'єднаний з вимірювальним електродом пробника, вихід через перший розділовий конденсатор з'єднаний з одним входом диференціального підсилювача, другий вхід якого через другий розділовий конденсатор з'єднаний з опорним електродом пробника, до виходу диференціального підсилювача підключені послідовно з'єднані смуговий підсилювач, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, підсилювач частоти комутації та фазочутливий випрямляч, згідно з корисною моделлю, додатково введені інтегруючий аналого-цифровий перетворювач, мікроЕОМ, цифроаналоговий перетворювач, цифро-керований магазин резисторів та цифровий індикатор, при цьому цифровий вихід інтегруючого аналого-цифрового перетворювача з'єднаний зі входом мікро-ЕОМ, перший вихід якої з'єднаний зі входом цифроаналогового перетворювача, другий вихід з'єднаний зі входом цифро-керованого магазина резисторів, а третій вихід - з цифровим індикатором, вихід цифроаналогового перетворювача з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача та керуючим входом фазочутливого випрямляча, вихід якого з'єднаний зі входом інтегруючого аналого-цифрового перетворювача, цифро-керований магазин резисторів включений між другим входом автоматичного перемикача та опорним електродом пробника. Введення в пристрій інтегруючого аналого-цифрового перетворювача, цифро-керованого магазина резисторів та цифрового індикатора, включених зазначеним чином, дозволяє програмним шляхом виключити вплив несталості загальної крутизни перетворення поверхневої вологості у електричну напругу на результат контролю в межах допустимих значеннях вологості. Зменшення похибки при визначення значення поверхневої вологості визначає підвищення достовірності контролю якості рулонних матеріалів без їх електрохімічної руйнації. На кресленні представлена функціональна схема пристрою для контролю поверхневої вологості матеріалів без їх електрохімічної руйнації. Пристрій містить вимірювальний 1 та опорний 2 електроди пробника, цифро-керований магазин резисторів 3, автоматичний перемикач 4, розділові конденсатори 5 та 6, диференціальний підсилювач 7, смуговий підсилювач 8, квадратичний детектор 9, фільтр 10 нижніх частот, підсилювач 11 частоти комутації, фазочутливий випрямлювач 12, інтегруючий аналого-цифровий перетворювач 13, цифроаналоговий перетворювач 14, мікроЕОМ 15 і цифровий індикатор 16. Позицією 17 позначений контрольований листовий чи рулонний матеріал. Вимірювальний електрод 1 пробника з'єднаний з одним входом автоматичного перемикача 4, інший вхід якого з'єднаний з опорним 2 електродом пробника через цифро-керований магазин резисторів 3. Вихід автоматичного перемикача 4 та опорний електрод 2 через розділові конденсатори 5 та 6 з'єднані зі входами диференціального підсилювача 7. До виходу диференціального підсилювача 7 підключені послідовно з'єднані смуговий підсилювач 8, квадратичний детектор 9, фільтр 10 нижніх частот, підсилювач 11 частоти комутації та фазочутливий випрямлювач 12. Вихід фазочутливого випрямлювача 12 через інтегруючий аналого-цифровий перетворювач 13 з'єднаний зі входом мікро-ЕОМ 15. Керуючий вхід автоматичного перемикача 4 та керуючий вхід фазочутливого випрямлювача 12 з'єднані між собою та підключені до виходу цифроаналогового перетворювача 14, який входом з'єднаний з першим виходом мікро-ЕОМ 15. До другого виходу мікро-ЕОМ 15 підключений керуючий вхід цифрового магазина резисторів 3. До третього виходу мікро-ЕОМ 15 підключений цифровий індикатор 16. Вимірювальний 1 та опорний 2 електроди пробника розміщені на поверхні контрольованого матеріалу 17 на фіксованої відстані, яка забезпечується жорсткою конструкцією пробника. Пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалу працює наступним чином. Між вимірювальним 1 та опорним 2 електродами пробника діє шумова напруга, яка викликається тепловими флуктуаціями електричних зарядів, які присутні у вологому матеріалі. Середній квадрат (дисперсія) шумової напруги згідно формули Найквіста визначається за формулою 2 U1 = 4kT DfR X , (1) де k - стала Больцмана; Τ - термодинамічна температура навколишнього середовища; Df - смуга частот, в якій виділяються теплові шуми смуговим підсилювачем 8; RX - поверхневий опір вологого матеріалу між електродами 1 і 2. При вказаному положенні автоматичного перемикача 4 на входи диференційного підсилювача 7 через розділові конденсатори 5 та 6 надходить шумова напруга U1, дисперсія якої співмірна з дисперсією власних шумів диференціального підсилювача 7. Адитивна суміш шумів контрольованого матеріалу 17 диференціального підсилювача 7 підсилюється смуговим підсилювачем 8 в смузі частот Df та детектується квадратичним детектором 9. В результаті усереднення, яка задається фільтром 10 нижніх частот, формується постійна складова квадратованої шумової напруги. Так як з'єднаний з шумами контрольованого матеріалу 17, шуми диференціального підсилювача 7 та смугового підсилювача 8 між собою не корельовані, то постійна напруга на виході фільтра 10 нижніх частот пропорційна сумі дисперсій складових шумової напруги 2 2 2 2 2 2 U4 = Sk1 k 2 æ U1 + U2 k1 + U3 k1 k2 ö (2) 2ç 2÷ è ø, де S - крутизна квадратичного перетворення з урахуванням усереднення; k1 - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 7; k2 - коефіцієнт підсилення смугового підсилювача 8; 2 U2 - дисперсія власних шумів диференціального підсилювача 7 на його виході; 2 U3 - дисперсія власних шумів смугового підсилювача 8 на його виході. В протилежному положенні автоматичного перемикача 4 на входи диференціального підсилювача 7 надходить шумова напруга цифро-керованого магазина резисторів 3. Опір магазина резисторів 3 по цифровому коду N1 мікро-ЕОМ 15 встановлюється рівним поверхневому опору контрольованого матеріалу 17, яке відповідає його поверхневому опору при максимальному зволоженні. Дисперсія шумової напруги резисторів по аналогії з (1) визначається як 2 (3) U5 = 4kT DfR 1, де R1 - поверхневий опір контрольованого матеріалу, який відповідає верхній межі допуску на зволоження матеріалу (R1RX). Дисперсія шумової напруги, яка знімається з магазину резисторів, в цьому випадку прийме вид N/ X = 2 (9) U9 = 4kT DfR 2 . В результаті безперервної роботи автоматичного перемикача 4 на диференціальний підсилювач 7 почергово надходить шумова напруга контрольованого матеріалу 17 з дисперсією (1) та шумова напруга з магазину резисторів 3 з дисперсією (9). Фільтром 10 нижніх частот із підсилених та квадратованих шумових напруг виділяється низькочастотна напруга, пропорційна згідно (6) різниці дисперсій шумових напруг, які комутуються автоматичним перемикачем 4. При цьому різницева напруга не залежить від рівня власних шумів диференціального 7 та смугового 8 підсилювачів. Випрямлена фазочутливим випрямлювачем 12 низькочастотна напруга аналогічно з виразом (7) буде мати вид 2 U10 = 2k 1 k 2k 3k 4 k 5SkT Df (R 2 - R X ). 2 (10) За допомогою інтегруючого аналого-цифрового перетворювача 13 вона перетворюється в другий цифровий код 2(1 + g ) 2 2 k1 k 2k 3k 4 k 5 SkT Df (R2 - R X ), (11) q1 який запам'ятовується в мікро-ЕОМ 15. Далі за програмою в процесорі мікро-ЕОМ 15 виконується операція ділення першого коду Ν/X на другий код // Ν X з утворенням коду частного от ділення N// X = N/ X (12) . N// X Підставляючи у вираз (12) значення коду Ν/ X з (8) та коду Ν//X з (11), отримаємо значення результуючого коду R - R1 N3 = X . (13) R2 - R X Розв'язав рівняння (13) відносно поверхневого опору RX матеріалу, що контролюємо, остаточно отримаємо N R + R1 RX = 3 2 . (14) N3 + 1 Опори R1 і R2 цифро-керованого магазина резисторів 3 задаються цифровими кодами N1 і N2. Тому шуканий N3 = опір N3 N2 + N1 q2 , (15) N3 + 1 де q2 - одиниця молодшого розряду цифро-керованого магазина резисторів 3. В процесорі мікро-ЕОМ 15 рахується значення опору (15) по кодам, які занесені в її пам'ять. За калібровочною кривою, яка зв'язує поверхневу вологість матеріалу з її опором та яка занесена в пам'ять мікроЕОМ 15, визначається код поверхневої вологості. Значення коду декодується та виводиться на цифровий індикатор 16. Таким чином, за допомогою запропонованого пристрою здійснюється автоматичний вимір поверхневої вологості рулонного матеріалу без впливу на матеріал зовнішньої електричної напруги чи струму. При цьому, як виходить із виразу (15), на результат контролю не впливає несталість коефіцієнтів підсилення електронних підсилювачів (k1 і k2) крутизни квадратичного перетворення (S), коефіцієнта підсилення низькочастотного підсилювача (k4), коефіцієнтів передачі фільтра нижніх частот (k3) та фазочутливого випрямлювача (k5 ), похибки аналого-цифрового перетворення (g). Достовірність контролю визначається тільки стабільністю резисторів цифро-керованого магазина (R1 та R2), яка досить велика. Комп'ютерне моделювання запропонованої схеми пристрою показало можливість контролю поверхневої вологості тканин в діапазоні от 0,2 до 15% з достовірністю не менше 0,95, що забезпечує підбір тканин для гігієнічних цілей. При цьому значно знижені вимоги до стабільності підсилювачів та других активних елементів електронної схеми. Це дозволило використовувати менш стабільні мікросхеми, але більш широкосмугові, що дозволило знизити поріг чутливості пристрою до вологи до 0,05%. Цифрова обробка результатів вимірювальних перетворень забезпечила зниження систематичної похибки до ±0,1%, що також підвищує достовірність контролю. RX =