Пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалів

Винахід відноситься до області аналізу складу матеріалів за рівнем власних електричних флуктуацій і може бути використаний для контролю поверхневої вологості листових і рулонних матеріалів (паперу, картону, текстильних матеріалів, полімерних плівок, шкіри, гуми і т.д.) без прикладення зовнішньої електричної напруги до електродів пробника вимірника вологості. При прийманні листових і рулонних матеріалів виникає необхідність у визначенні поверхневої вологості, що оцінюється як відношення кількості вологи, що змочує поверхню матеріалу, до ваги сухого матеріалу. Відбір поверхневої вологи звичайно здійснюють фільтрувальним папером, гранульованим силікагелем чи рідким легколетучим поглиначем вологи (спиртом та ін). Зважуванням зразка контрольованого матеріалу до і після висушування визначають поверхневу вологу матеріалу. На цьому заснований влагомер поверхневої вологості ППВЧК-1, у якому поглинання поверхневої вологи здійснюється твердим силікагелем (двоокисом кремнію) (див. Мелкумян В.Е. Измерения и контроль влажности материалов. - М.: Изд-во стандартов, 1970, с.64-66). Однак час виміру цим приладом велико, а точність виміру низька. Відомий пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалів (моделі KG-4L, вироблено японською фірмою "КК Sanko Denshi Kenkyv Но"), який містить електродний пробник притискного типу і пробник із дротяною сіткою. Живлення пристрою здійснюється сухими батареями. Принцип дії вимірника поверхневої вологості паперу KG-4L заснований на вимірі поверхневого електричного опору постійному струму ( а точніше кореляції між опором постійному струму і змістом вологи в папері). Шкала даного пристрою про градуйована у відсотковому вмісту вологи на основі середнього значення, отриманого при використанні вимірів, найбільш часто застосовуваного тип у паперу. Пристрій цього типу використовують для виміру поверхневої вологості паперу, го фрованого картону, багатошарового картону. Листові і рулонні матеріали у сухому виді є добрими діелектриками з питомим опором 1010-1015Ом×см. В процесі зволоження опір поверхневого шару знижується, тому що основну кількість носіїв струму дає волога (чиста вода має питомий електричний опір 20-25.106Ом ×см). Однак поверхневий опір багато в чому визначається змістом електролітів, що розчиняються у воді. Тому в залежності від технологічної обробки матеріалу змінюється зміст різних електролітів, а отже, і величина поверхневого опору. З іонним характером електропровідності зв'язаний негативний вплив і іншого електричного параметру розміру напруги прикладеної до електродів. Наскрізна провідність вологого матеріалу залежить від розміру прикладеної напруги. Якщо різним піддіапазонам виміру відповідають неоднакові напруги на електродах, то однієї і тієї ж вологості відповідають різні значення вимірюваного опору. Тому виникають великі похибки у вимірі вологості при переході з одного на інший піддіапазон. Відомий також пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалів (див. Берлинер М.А. Измерение влажности. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: "Энергия", 1973, С. 92-94), що містить вимірювальний і опорний електроди пробника, в якому опорний електрод з'єднаний з входом блока опорних резисторів та одним із входів ди ференційного підсилювача, смуговий підсилювач змінних напруг і квадратичний детектор, які послідовно з'єднані з виходом диференційного підсилювача, та вимірювальний прилад. Крім того у відомий пристрій входить джерело електричної напруги, що підключено до електродів пробника, а також потенціометр для встановлення нуля приладу. Підключення до електродів пробника джерела змінної напруги знижує вплив поляризації й електролітичного розкладання на результат виміру вологості, але не виключає їхній негативний вплив цілком. При зовнішнім живленні електродів навіть змінною напругою залишається прояв не лінійності вольт амперної характеристики вологого матеріалу. Істо тно впливає неоднорідність будівлі речовини, а отже і розташування електродів при волокнистій структурі матеріалу. До цього варто додати сильний вплив на результати виміру контактного опору між електродами і матеріалом, що істотно впливає на силу струму, що протікає між електродами. Усі ці фактори знижують точність виміру та обмежують діапазон вимірюваних вологостей відомими пристроями. В основу винаходу поставлена задача створити такий пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалів, в якому введення нових елементів та їх зв'язків забезпечило б підвищення точності контролю поверхневої вологості матеріалу щодо нормованої вологості і розширення діапазону її виміру. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалу, що містить вимірювальний і опорний електроди пробника, в якому опорний електрод з'єднаний з входом блока опорних резисторів та одним із входів диференційного підсилювача, смуговий підсилювач змінних напруг і квадратичний детектор, які послідовно з'єднані з виходом диференційного підсилювача, та вимірювальний прилад який відрізняється тим, що в нього введені автоматичний перемикач, фазочутливий випрямляч, комутаційний генератор, фільтр верхніх частот, фільтр нижніх частот і підсилювач частоти комутації, причому вихід комутаційного генератора з'єднаний з керуючими входами фазочутливого випрямляча та автоматичного перемикача, один вхід якого з'єднаний з вимірювальним електродом пробника, інший вхід з'єднаний з виходом блока опорних резисторів, вихід з'єднаний з другим входом диференційного підсилювача, вхід підсилювача частоти комутації з'єднаний з виходом квадратичного детектора, через фільтр верхніх часто т ви хід з'єднаний із сигнальним входом фазочутливого випрямляча, вихід якого з'єднаний через фільтр нижніх частот з вимірювальним приладом. Введення в пристрій автоматичного перемикача, фазочутливого випрямляча, комутаційного генератора, а також фільтрів верхніх і нижніх частот, підсилювача частоти комутації, включених зазначеним образом, дозволяє порівняти середньоквадратичне значення напруги флюктуіруючи х стр умів у вологому матеріалі з середнє квадратичним значенням напруги теплових шумів опорного резистора незалежно від рівня власних шумів вимірювальної схеми і сформувати різницю цих напруг, яка пропорційна різниці поверхневого опору вологого матеріалу й опору опорного резистора, що підвищує точність контролю поверхневої вологості матеріалу відносно нормованої вологості і розширює діапазон вимірюваних вологостей. На кресленні представлена схема пристрою для контролю поверхневої вологості матеріалів. Пристрій містить вимірювальний 1 і опорний 2 електроди пробника, блок 3 опорних резисторів, автоматичний перемикач 4, розділові конденсатори 5 і 6, диференціальний підсилювач 7, виконаний на операційних підсилювачах 8, 9 і 10, смуговий підсилювач 11 змінних напруг, квадратичний детектор 12, фільтр 13 верхніх частот, підсилювач 14 частоти комутації, комутаційний генератор 15, фазочутливий випрямляч 16, фільтр нижніх частот 17 і вимірювальний прилад 18. Позицією 19 позначений контрольований листовий чи рулонний матеріал. Вимірювальний електрод 1 пробника з'єднаний з одним входом автоматичного перемикача 4, другий вхід якого з'єднаний з опорним електродом 2 пробника через блок 3 опорних резисторів. Вихід автоматичного перемикача 4 і опорний електрод 2 пробники через розділові конденсатори 5 і 6 з'єднані з входами диференційного підсилювача 7, що виконаний на трьох операційних підсилювачах 8, 9 і 10. До виходу диференційного підсилювача 7 підключені послідовно з'єднані смуговий підсилювач 11 змінних напруг, квадратичний детектор 12, фільтр верхніх частот 13, підсилювач 14 частоти комутації, фазочутли вий випрямляч 16 по сигнальному входу, фільтр 17 нижніх частот і вимірювальний прилад 18. Керуючі входи автоматичного перемикача 4 і фазочутливого випрямляча 16 підключені до виходу комутаційного генератора 15. Вимірювальний 1 і опорний 2 електроди пробника розміщені на поверхні досліджуваного матеріалу 19 на заданій відстані 1о, що забезпечується конструкцією пробника. Пристрій для контролю поверхневої вологості матеріалу працює таким чином. У матеріалі 19, що має термодинамічну температуру більшу за нуль, завжди присутні електричні флуктуації елементарних зарядів (електронів, іонів, диполів). Електричні флуктуації є наслідком дискретної природи електрики, хаотичності руху носіїв заряду або випадковості появи елементарних носіїв електрики. Хаотичні рухи носіїв стр уму викликають флуктуації рівномірного розподілу по поверхні матеріалу і появи незбалансованості зарядів. Останні створюють різницю потенціалів і струм, що вирівнює цю різницю. Різниця потенціалів і відповідний струм флюктуір ує біля своїх середніх значень, рівних нулю. Це приводить до того, що в між електродному просторі матеріалу в будь-які моменти часу будуть протікати флюктуіруючі стр уми, що створюють відповідне падіння напруги. Середній квадрат падіння флюктуіруючої напруги не дорівнює нулю і відповідно до формули Найквіста визначається виразом де Ux - флюктуір уюче падіння напруги між вимірювальним і опорним електродами; U2 = 4KDfT1R x , x (1) U2 x - дисперсія випадкової напруги; K - постійна Больцмана; D f - смуга часто т флюктуіруючої напруги; T1 - термодинамічна температура контрольованого досліджуваного матеріалу (по шкалі Кельвіна); Rx - поверхневий опір матеріалу. Флюктуірюча напруга Ux( t ) має випадковий характер і виходячи з закону рівномірного розподілення енергії по ступенях волі має рівномірний спектр у широкій смузі частот D f . При певному положенні автоматичного перемикача 4 напруга Ux через розподільні конденсатори 5 і 6 надходить на диференційний підсилювач 7 і підсилюється до значення U2 = k1(U2 + U2 ), x x 2 (2) 2 де U3 - дисперсія підсилювальної випадкової напруги; k1 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача по потужності; U2 - дисперсія власних шумів диференційного підсилювача, приведених до його входу. 2 У протилежному положенні автоматичного перемикача 4 на вхід диференційного підсилювача 7 надходить шумова напруга з одного з резисторів блоку 3 опорних резисторів. Середній квадрат напруги шумів Uo резистора також визначається формулою Найквіста U2 = 4KD fT2R0 , 0 (3) де T2 - термодинамічна температура резисторів блоку 3; R0 - опір включеного опорного резистора. Посилена напруга U4 за аналогією з виразом (2) має вигляд (4) U2 = k1(U2 + U2 ), 4 0 2 Так, як шумові напруги підсилювача 7, опорного резистора 3 і флюктуіруюча напруга електродів 1 і 2 між собою некоррельовані, то у вираженнях (3) і (4) входять тільки суми їхніх дисперсій. У смугу пропущення частот ди ференційного підсилювача 7 попадають і низькочастотні шуми матеріалу 19, що не пов'язані з тепловими флуктуаціями електричних зарядів, наприклад флікер-шуми, контактні шуми й ін. Тому вихідна напруга ди ференційного підсилювача 7 додатково підсилюється смуговим підсилювачем 11 змінних напруг (спектральних складових) із заданою смугою пропускання Df , у яку попадають тільки теплові шуми і флюктуючі напруги (1), викликані тепловими електричними флуктуаціями. Посилені в смузі частот Df напруги (3) і (4) по черзі надходять на квадратичний детектор 12 у залежності від положення перемикача 4. В результаті квадратичного перетворення й усереднення фільтром квадратичного детектора 12 з випадкових напруг (2) і (4) формуються відео імпульси з амплітудами: U5 = k 2SU2 3 (5) U5 = k 2SU2 4 (6) де k 2 - коефіцієнт посилення смугового підсилювача змінних напруг 11 по потужності. S - крутість перетворення квадратичності детектора 12. У процесі безперервної роботи автоматичного перемикача 4, який керується прямокутною напругою комутаційного генератора 15, формується чергова послідовність відео імпульсів з амплітудами (5) і (6). Фільтром 13 верхніх частот з послідовності відео імпульсів відділяється напруга їхньої огинаючої частоти комутації з амплітудою U - U6 (7) U7 = k 3 5 , 2 де k 3 - коефіцієнт передачі фільтра 13 верхніх частот. Змінна напруга частоти комутації з амплітудою (7) підсилюється підсилювачем 14 частоти комутації і випрямляється фазочутливим випрямлячем 16, що керується напругою комутаційного генератора 15. Випрямлена напруга згладжується фільтром 17 нижніх частот 1 (8) U8 = к 3к 4к 5к 6 (U5 - U6 ), 2 де к 4 - коефіцієнт посилення підсилювача 14 частоти комутації; к 5 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 16; к 6 - коефіцієнт передачі фільтра 17 нижніх частот. Підставляючи в (8) значення напруг (5) і (6) одержуємо 1 (9) U8 = к 2к 3к 4к 5к 6S(U3 - U 2 ). 3 4 2 Якщо у вираз (9) підставити значення дисперсій (2) і (4), то одержуємо напругу, що не залежить від рівня власних шумів підсилювачів 1 (10) U8 = к 2к 3к 4к 5к 6S(U2 - U 2 ). x 0 2 Підставивши в (10) значення дисперсій (1) і (3), остаточно одержимо (11) U8 = 2Kк1к 2к3к 4к5к 6 SDf ( T1Rx - T2R0 ). При контролі поверхневої вологості листових і рулонних матеріалів звичайно температура цих матеріалів відповідає навколишній, отже, і температурі опорних резисторів блоку 3. Тому можна вважати, що T1 = T2 = T0 , і напруга (11) прийме вигляд U8 = S 0 (R x - R0 ), (12) де S0 = 2Kк1к 2к 3к 4к 5к 6SD fT0 - крутість перетворення поверхневого опору матеріалу в напругу [В/Ом]. Для контролю вологості опір опорного резистора R0 вибирають рівним опору вологого матеріалу Rx, значення якого відповідає нормі по вологості (R0 = RN ). Тоді різниця опорів резисторів Rx - RN характеризує відхилення вологості контрольованого матеріалу від норми. Для цього різницева напруга (12) вимірюється приладом 18, шкала якого градуюється в одиницях відносного відхилення вологості від норми. Переключення резисторів у блоці 3 дозволяє встановити норму для кожного виду досліджуваного матеріалу. Якщо контроль поверхневої вологості матеріалу здійснюється в ході те хнологічного процесу, коли температура матеріалу перевищує навколишню температуру, то блок 3 опорних резисторів термостатується, а його температура підтримується рівній температурі досліджуваного матеріалу. З виразу (12) випливає, що вимірювана напруга пропорційна тільки опору вологого матеріалу. Тому при зменшенні вологості росте поверхневий опір і збільшується відповідно вимірювана напруга. Це дозволяє здійснювати точний контроль малих вологостей (менше 8%) таких матеріалів як папір, картон, текстиль і т.п., що особливо важливо при грошових розрахунках з постачальником. Відсутність струму в досліджуваному матеріалі від зовнішнього джерела напруги виключає електролітичне розкладання вологого матеріалу за рахунок неминучої присутності в ньому тих чи інши х електролітів, що підвищує точність виміру поверхневої вологості, особливо в ході технологічного процесу. Відсутність електролітичного розкладання матеріалу і як наслідок поляризації електродів зменшує не лінійність залежності опору матеріалу від вологості. Приклад Для виміру поверхневої вологості папера і картону виготовлений макет електронного вологоміру, у якому поверхневий опір матеріалу вимірюється без подачі зовнішньої електричної напруги на електроди пробника. Рівень потужності сигналу, що знімається з електродів пробника при температурі 293К і поверхневої вологості 5-8% складає усього лише 10-14Вт, що порівняно з потужністю власних шумів диференціального підсилювача AD 628 фірми Analog Devices з коефіцієнтом підсилення 100. Смуга частот у смуговому підсилювачі змінних напруг з коефіцієнтом підсилення 1000 обрана в межах від 10кГц до 200кГц. У якості автоматичного перемикача використано малогабаритне бістабильне реле типу РЕ фірми SCHRACK, кількість спрацьовувань яких при малих струмах гарантується не менш 107. Частота переключень контактів реле обрана 75Гц, що забезпечується прямокутною напругою комутаційного генератора, виконаного за схемою симетричного мультивібратора. Квадратичний детектор складається з діода Шоттки типу УАА101Б, конденсаторів і резисторів, що забезпечує автоматичний зсув робочої точки в залежності від рівня детектируємої напруги. Перевірка метрологічних характеристик показала, що запропонованим пристроєм можна вимірювати поверхневу вологість у діапазоні від 2 до 10% на нижньому діапазоні і від 10 до 30% на верхньому діапазоні. При цьому систематична похибка вимірювання не перевищує 0,8% при випадковій складовій похибки в межах ±0,12%.