Спосіб надлишкових вимірювань вологості оптично прозорих листових матеріалів

Спосіб надлишкових вимірювань вологості оптично прозорих листових матеріалів, заснований на формуванні нормованого за значенням потужності потоку Ф0 направленого оптичного випромінювання із заданою довжиною хвилі l 0 ± Dl , де k 2 Dl - ширина спектра оптичного випромінювання при k2=2, на якій має місце поглинання потужності оптичного випромінювання як водою, так і оптично прозорим листовим матеріалом до певних меж його товщини, вимірюванні потужності потоку оптичного випромінювання, що пройшов через вологий матеріал з невідомою концентрацією вологості, визначенні вихідної напруги U1 вимірювального каналу при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання, запам'ятовуванні отриманих значень напруг з насту C2 2 84589 1 3 84589 4 потоку оптичного випромінювання, запам'ятовукоефіцієнтів поглинання вологи та матеріалу на ванні отриманих значень напруг з наступним вивибраній довжині хвилі, а також коефіцієнта розсізначенням вологості матеріалу за відповідним ювання. Все це обумовлює недостатню точність рівняннями вимірювань. вимірювання. Відомий спосіб не забезпечує високу точність В основу винаходу покладена задача створенвимірювання. Це обумовлено використанням двох ня такого способу надлишкових вимірювань володовжин хвиль і нерівномірностю спектральної хагості паперу, у якому, шляхом введення заданої рактеристики фотоприймача на вибраних частокількості, умов та послідовності виконання оператах. Нерівномірність спектральної характеристики цій, забезпечувалося б: фотоприймача вносить додаткову похибку вимілінійну залежність кінцевого результату вимірювання. Часова та температурна нестабільність рювання від вологості досліджуваного оптично параметрів функцій перетворення фотоприймача прозорого листового матеріалу; обмежує отримання високої точності вимірювання. виключення адитивної та мультиплікативної Відомий спосіб вимірювання вологості оптично складових систематичної похибки вимірювання за прозорих листови х матеріалів [А.С. СССР рахунок обробки результатів проміжних вимірю№972341 МКИ 3, кл. G01N21/27, Фотометр / вань згідно з відповідним рівнянням надлишкових Е.П.Попечителев, Б.И.Чигирев. Бюл. №41, 1982], вимірювань; заснований на формуванні нормованого за знапідвищення точності вимірювання при часової ченням потужності потоку направленого оптичного та температурної нестабільності параметрів функвипромінювання з заданою довжиною хвилі, на ції перетворення вимірювального каналу; якій має місце поглинання потужності оптичного виключення впливу на результат вимірювання випромінювання як водою, так й досліджуваним коефіцієнтів поглинання вологи та матеріалу на матеріалом, вимірюванні потужності потоку оптичвибраній довжині хвилі; ного випромінювання, що пройшов через еталонвиключення впливу на результат вимірювання ний та досліджуваний матеріал з невідомою конкоефіцієнта розсіювання; центрацією вологи, визначенні та запам'ятанні виключення дії нерівномірності спектральної отриманих значень напруг з наступним визначенхарактеристики фотоприймача на результат виміням вологості досліджуваного матеріалу за відпорювання; відним рівняннями вимірювань. створення одноканального вимірювача з підВідомий спосіб не дозволяє забезпечити висовищеними технічними та метрологічними характеку точність вимірювання по причині залежності ристиками тощо. результатів вимірювання від нестабільності функПоставлена технічна задача вирішується зації перетворення вимірювального каналу. Обмевдяки тому, що спосіб надлишкових вимірювань жена швидкодія обумовлена використанням звовологості оптично прозорих листових матеріалів, ротного зв'язку. заснований на формуванні нормованого за знаНайбільш близьким за своєю технічною суттю ченням потужності потоку Ф0 направленого оптичє спосіб вимірювання вологості оптично прозорих ного випромінювання з заданою довжиною хвилі листових матеріалів [див. наприклад, Мухитдинов l0±Dl, де k2Dl - ширина спектру оптичного випроМ., Мусаев Є.С. Оптические методы у устройства мінювання при k2=2, на якій має місце поглинання контроля влажности. - М.: Энергоатомиздат. 1986.потужності оптичного випромінювання як водою, 96 с.: ил. - (Б-ка по автоматике; Вып.662). - С.33так й оптично прозорим листовим матеріалом (до 38], заснований на формуванні нормованого за певних меж його товщини), вимірюванні потужносзначенням потужності потоку Ф0 направленого ті потоку оптичного випромінювання, що пройшов оптичного випромінювання з заданою довжиною через вологий матеріал з невідомою концентраціхвилі, на якій має місце поглинання потужності єю вологості, визначенні вихідної напруги U1 виміоптичного випромінювання як водою, так й оптичрювального каналу при нульовому значенні потуно прозорим листовим матеріалом (до певних меж жності потоку оптичного випромінювання, його товщини), вимірюванні потужності потоку опзапам'ятовуванні отриманих значень напруг з натичного випромінювання, що пройшов через волоступним визначенням вологості матеріалу за відгий матеріал з невідомою концентрацією вологосповідним рівняннями вимірювань, від відомих відті, визначенні вихідної напруги вимірювального різняється тим, що одночасно з формуванням каналу при нульовому значенні потужності потоку першого каліброваного за значенням потужності оптичного випромінювання, запам'ятовуванні Ф0 потоку оптичного випромінювання формують отриманих значень напруг з наступним визначендругий, калібрований за значенням потужності ням вологості матеріалу за відповідним рівнянняпотік оптичного випромінювання Фк , який несе інми вимірювань. формацію про нормовану за значенням концентВідомому способу притаманна недостатня торації Св0 вологість зразкового матеріалу, пропусчність вимірювання, яка обумовлена тим, що у кають потік Фк оптичного випромінювання через відомому способі результати вимірювання вологовологий матеріал з невідомою за значенням волості оптично прозорих матеріалів залежіть від негістю Cвх, перетворюють потужність послабленого стабільності та нелінійності функції перетворення потоку у відповідну напругу U3 , запам'ятовують вимірювального каналу, у тому числі коефіцієнта отримане значення, встановлюють потужність Ф0 підсилення, нестабільності функції аналогового потоку оптичного випромінювання з заданою довлогарифмування, наявності похибки апроксимації жиною хвилі l0±Dl шляхом зміни напруги Uп2 живлогарифмічної функції тощо. У відомому способу лення джерела оптичного випромінювання на нане виключений вплив на результат вимірювання пругу Uп1 , перетворюють потужність послабленого 5 84589 6 потоку оптичного випромінювання, що пройшов (1) через вологий матеріал з невідомою за значенням Ux = S'лФ х + DUзм , вологістю С вх у відповідну напругу U4, значення де Фх - світловий потік, що поступає на фотоякої також запам'ятовують, а про дійсне значення приймач; Uх - вихідна напруга фотоприймача; DUзм вологості оптично прозорого листового матеріалу - напруга зміщення фотоприймача; S' л = Sл (1 + g л ) судять згідно з рівнянням надлишкових вимірю- крутість функції перетворення фотоприймача, що вань враховують вплив на фотоприймач дестабілізуюln(U 3 - U1 ) - ln(U 2 - U1 ) C вх = С в 0 . чих факторів, а також їх зміну у часі; Sл - номінальln(U 3 - U1 ) - ln(U 4 - U1 ) на за значенням крутість функції перетворення Нижче, на рисунку, зображена структурна схефотоприймача; gл - відхилення крутості функцій ма вимірювача для визначення вологості паперу, перетворення фотоприймача від номінальних знаякий реалізує запропонований спосіб, де 1 - джечень, що викликані впливом на фотоприймач дерело оптичного випромінювання; 2 - передавальне стабілізуючих факторів та їх зміною у часі. оптичне волокно, що підводить потік оптичного Оскільки поглинання потужності потоку оптичвипромінювання до паперу; 3 - приймальне оптичного випромінювання здійснюється згідно з законе волокно, що відводить послаблений потік оптином Ламберта-Бугера-Бера, то функція перетвочного випромінювання, що пройшов через матерірення може бути записана наступним чином ал, до фотоприймача; 4 - вологий матеріал; 5 -(aв С вх + aц (1- Свх )+K p )×l e фотоприймач з лінзою; 6 - підсилювач змінного Ux = S' л Ф 0 е + DUзм , (2) струму; 7 - синхронний детектор; 8 - цифроаналогде Ф0 - нормований за значениям потужності говий перетворювач (кодокероване джерело живпотік оптичного випромінювання з довжиною хвилі лення); 9 - аналого-цифровий перетворювач; 10 l0±Dl, який поступає на вологий матеріал; a в мікроконтролер; 11 - цифровий відліковий прикоефіцієнт поглинання вологи на довжині хвилі l0; стрій, 12 - загальна шина. a ц - коефіцієнт поглинання матеріалу на довжині Причому, джерело 1 оптичного випромінюванхвилі l0 ; Свх - концентрація вологи; kр - коефіцієнт ня оптично з'єднаний через передавальне оптичне розсіювання; lе - ефективна товщина матеріалу волокно 2, оптично прозорий листовий матеріал 4 і невідомої вологості. приймальне оптичне волокно 3 з лінзою фотоЗапропонований спосіб надлишкових вимірюприймача 5. Вихід фотоприймача 5 через послідовань вологості оптично прозорих листови х матерівно з'єднані підсилювач 6 і синхронний детектор 7 алів заснований на тому, що спочатку формують підключений до входу аналого-цифрового перенормований за значенням потужності потік Ф0 натворювача. Виходи аналого-цифрового перетвоправленого оптичного випромінювання з заданою рювача з'єднані з загальною шиною 12, до якої довжиною хвилі l0±Dl, де k2Dl - ширина спектру підключені також цифро-аналоговий перетворювач оптичного випромінювання; k2=2. 8, аналого-цифровий перетворювач 9, мікроконтНа заданій довжині хвилі має місце поглинанролер 10 і цифровий відліковий пристрій 11, приня потужності оптичного випромінювання як волочому вхід управління синхронним двигуном з'єдгою, так й матеріалом (до певних меж його товщинаний з виходом одного з регістрів ни). мікроконтролера і підключений до входу керування Нормований за значенням потужності потік Ф0 модулятором генератора 1 оптичного випромінюнаправленого оптичного випромінювання з задавання, другий вхід з'єднаний з виходом цифроною довжиною хвилі l0±Dl пропускають через воаналогового перетворювача 8. логий матеріал з невідомою концентрацією вологи Припустимо, що функція перетворення виміСвх. Вимірюють потужність послабленного потоку рювального каналу (з фотоприймачем 5, підсилюоптичного випромінювання, а отриману напругу вачем 6 і синхронним детектором 7 описується запам'ятовують. лінійним рівнянням величин Визначають вихідну напругу U1 = S' л Ф 0 е - (a в С в 0 + a ц (1- С в0 ) + k p )×l e вимірювального каналу (до аналогоцифрового перетворювача 8) при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання, тобто при {Ф0}=0. Отримане значення напруги (3) запам'ятовують у вигляді коду числа N1 у оперативній пам'яті мікроконтролера 10. Як видно з наведеної структурної схеми, виключення джерела 1 потоку оптичного випромінювання дійсно дає можливість вимірити дрейф нуля на виході вимірювального каналу. На практиці апріорі, до проведення вимірювань, необхідно здійснити процес калібрування потужності випромінювання джерела 1 оптичного випромінювання з метою отримання на його вихо + DU зм = DU зм , (3) ді нормованого за потужностями Ф0 та Фк потоку оптичного випромінювання. Для цього необхідно визначити напруги живлення, при яких джерело 1 оптичного випромінювання буде генерувати потоки оптичного випромінювання потужністю Ф0 або Фк . Якщо Ф0 нормована за значенням потужність вхідного потоку оптичного випромінювання, що проходить через досліджуваний об'єкт через світловод 2, що підводить світло до паперу, то Фк - потужність потоку оптичного випромінювання, який пройшов через зразок паперу з нормованим значенням вологості Св0 Процес калібрування потужності потоку оптичного випромінювання джерела 1 здійснюється за 7 84589 8 наперед заданому (чи розрахунковому) значенні Згідно з законом Ламберта-Бугера-Бера, при потужності потоку Ф0 оптичного випромінювання, потужності потоку оптичного випромінювання Ф0, що генерується джерелом 1, при напрузі живлення що пройшов через матеріал, що досліджується, Uп1. одержують напругу Uк = S' л Ф0е - (a вС в0 + aц (1- С в0 )+ k p )× le пропорціональну потужності Фк послабленого потоку оптичного випромінювання. В (3.5) Фк - потужність потоку оптичного випромінювання, який пройшов через зразок матеріалу з нормованою вологістю Cв0. Значення результату вимірювань (3.5) запам'ятовується. Після зразок матеріалу з нормованою вологістю Св0 виймається з під оптичних волокон, що підводять та приймають (відводять) потік оптичного випромінювання. Далі, з'єднав світловоди 2 і 3, потік оптичного випромінювання направляють безпосередньо на фотоприймач 5 (див. рисунок). Змінюють (як правило зменшують) напругу Uп1 живлення джерела 1 до значення Uп2, при якому на виході вимірювального каналу встановиться те ж значення напруги (3.5), як й при наявності зразка матеріалу з заданою вологістю Cв0. Отримане значення напруги живлення Uп2 запам'ятовується в пам'яті мікроконтролера 10. Як відмічалося вище, калібрування джерела 1 оптичного випромінювання здійснюється для того, щоб при здійсненні подальших тактів вимірювань + DUсм = S' л Фк + DUсм , (3,5) вологості матеріалу точно знати, при яких значеннях напруг живлення джерела 1 можна сформувати нормовані за потужністю потоки оптичного випромінювання Ф0 и Фк . Згідно з запропонованим способом, одночасно з формуванням першого каліброваного за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання формують другий, калібрований за значенням потужності - (a вСв 0 + aв (1-С в0 )+ k p )×le Фк = Ф0 е (4) потік оптичного випромінювання. Практично це здійснюється шляхом зміни (наприклад, по команді з мікроконтролера 10) на вході цифроаналогового перетворювача 8 кода числа NUп1 на код числа NUп2, тобто напруги Uп1 живлення джерела 1 оптичного випромінювання на напругу Uп2 (див. рисунок). При потоці Фк (4), що проходить через вимірювальний канал, забезпечується отримання нормованої за значенням напруги - (a вСв 0 + aц (1- Св0 )+ k p )×le U2 = S'л Фк + DUсм = S' л Ф0 е + DUзм , (5) яка відповідає нормованій за значенням концентрації Св0 зразка матеріалу. Отриману на виході синхронного детектора 7 напругу (5) за допомогою аналого-цифрового перетворювача 9 перетворюють у відповідний код числа N2, який запам'ятовують в оперативній пам'яті мікроконтролера 10. Пропускають потік Фк (4) оптичного випромінювання через вологий матеріал з невідомою за значенням вологістю С вх. Перетворюють потужність послабленого потоку у відповідну напругу -(aвСвх +aц (1-Свх )+k p )×le (6) U3 = S' л Фк е + DUзм . Запам'ятовують отримане значення напруги (6). Практично це здійснюється шляхом перетворення вихідної напруги синхронного детектора 9 у відповідний код числа N3 та запам'ятанні останнього в оперативній пам'яті мікроконтролера 10 (див. рисунок). Встановлюють потужність Ф0 потоку оптичного випромінювання з заданою довжиною хвилі l0±Dl шляхом зміни кода числа NUп2 на код числа NUп1 на входа х цифроаналогового перетворювача 8 по команді з мікроконтролера 10, тобто шляхом зміни напруги Uп2 живлення джерела 1 оптичного випромінювання на напругу Uп1. Перетворюють потужність послабленого потоку оптичного випромінювання, що пройшов через вологий матеріал з невідомою за значенням вологістю Свх у відповідну напругу -(aвСвх +(1- Свх )+ kp )×le (7) U4 = S'л Ф0е + D Ucм , значення якої також запам'ятовують. Практично це здійснюється також шляхом аналогоцифрового перетворення напруги (7) у код числа N4, з подальшим його запам'ятанні у оперативній пам'яті мікроконтролера 10. Про дійсне значення вологості паперу судять по результату обробки отриманих значень напруг згідно з рівнянням надлишкових вимірювань ln(U3 - U1) - ln(U2 - U1) Cвх = Св 0 (8) ln(U3 - U1) - ln(U4 - U1) , або по рівнянню числових значень ln(N3 - N1) - ln(N2 - N1) NCвх = {Св0 } (9) ln(N3 - N1) - ln(N4 - N1) , де {Св0}- нормоване значення концентрації зразкового матеріалу. Завдяки використання мікро контролера 10 забезпечується автоматизація процесів вимірювання потоків оптичного випромінювання, автоматична зміна нормованих за значенням потужностей на виході джерела 1, управління роботою синхронного детектора 7 та процесом модуляції потоку оптичного випромінювання. Результат обчислення значення вологості матеріалу відображається на цифровому відліковому пристрої 11. Обробка результатів проміжних вимірювань ((3), (5)-(7)) за рівняннями надлишкових вимірювань (8) чи (9), забезпечує: лінійну залежність кінцевого результату вимірювання від вологості до 9 84589 10 сліджуваного оптично прозорого матеріалу; отривимірювача з підвищеними технічними та метромання дійсного значення вологості матеріалу за логічними характеристиками тощо. три такти вимірювання та одного такту обробки Це легко довести, якщо у рівняння надлишкорезультатів проміжних вимірювань; виключення вих вимірювань (8) підставити аналітичні вирази адитивної та мультиплікативної складових систедля напруг (3), (5)-(7) та зробити відповідні спроматичної похибки вимірювання за рахунок обробки щення. результатів проміжних вимірювань згідно з запроВикористання синхронного детектора 7 з внутпонованим рівнянням надлишкових вимірювань; рішнім інтегратором забезпечує зменшення й випідвищення точності вимірювання при часовій та падкових складових похибки результату вимірютемпературній нестабільності параметрів функції вання. перетворення вимірювального каналу; виключення Таким чином введення нової сукупності, умов впливу на результат вимірювання коефіцієнтів та послідовності операцій вимірювання різних за розсіювання; виключення дії нерівномірності спекрозмірами інтенсивності світлових потоків і викотральної характеристики фотоприймача на реристання нового рівняння надлишкових вимірюзультат вимірювання; створення одноканального вань вологості паперу, дало можливість вирішити поставлену те хнічну задачу. Комп’ютерна в ерстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601