СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ Российский патент 2004 года по МПК G01N27/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности древесины.

Существует способ измерения влажности древесины [см. кн. Лапшин А.А. Электрические влагомеры. - М.: Госэнергоиздат, 1960. - С.15-20], где в качестве параметра, по которому определяют влажность, используется дифференциальное электрическое сопротивление пробы материала. Способ заключается в определении электрического сопротивления пробы материала на постоянном токе при одном фиксированном напряжении.

Недостатками этого способа являются низкая точность измерений из-за зависимости электрического сопротивления пробы материала от приложенного напряжения, высокое напряжение для ухода на линейный более крутой участок характеристики и узость диапазона измерения вследствие фиксации напряжения.

Известен способ [см. кн. Берлинер М.А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. - М.-Л.: Энергия, 1965. - С.56], заключающийся в измерении электрического сопротивления на поддиапазонах, на основе которого был разработан кондуктометрический измеритель влажности древесины.

Недостатками этого способа являются низкая точность измерений, вызванная неучетом нелинейности ВАХ, высокие напряжения, расхождение показаний влажности на перекрывающихся поддиапазонах.

Общими недостатками способов являются низкая точность измерения электрического сопротивления и, как следствие, влажности капиллярно-пористого материала, вызванная нелинейностью вольт-амперной характеристики (ВАХ) пробы, а также применение высокого напряжения, требующее применения дополнительных мер защиты от поражения электрическим током.

За прототип принят способ определения влажности капиллярно-пористых материалов [см. Патент №2187098 (РФ), G 01 N 27/04, 2002. Бюл. №22], заключающийся в измерении диффузионной проводимости по вольт-амперной характеристике (ВАХ). Прикладывают напряжение на измерительную ячейку и измеряют ток, изменяют напряжение кратно двум от первоначального и измеряют второй ток, по двум напряжениям и токам находят диффузионную проводимость образца, по которой определяют влажность.

Недостатками прототипа являются низкая точность, вызванная ограничением диапазона контроля кратностью напряжений U₂/U₁=2, питающих измерительную ячейку, и отсутствием оптимальных режимов измерений.

Технической задачей способа являются повышение точности и расширение диапазона контроля при заданных метрологических характеристиках.

Поставленная техническая задача достигается тем, что:

1. В способе определения влажности древесины контакт с образцом осуществляется с помощью двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга, прикладывают напряжение на измерительную ячейку, состоящую из последовательно включенных влажного материала и эталонного сопротивления, устанавливают такой минимальный ток, при котором возможно измерить падение напряжения на образце, и определяют влажность, в отличие от прототипа, изменяют ток по линейному закону относительно первоначального и измеряют второе напряжение, по двум токам и напряжениям находят диффузионное сопротивление образца, по которому определяют влажность.

2. В способе по п.1 определение диффузионного сопротивления осуществляют по оптимальным режимным параметрам на эталонных материалах, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых вольт-амперных характеристик при различных соотношениях токов, для которых погрешность минимальна.

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1, 2, 3. Предлагаемый способ включает 2 этапа:

1) измерение диффузионного сопротивления исследуемого образца;

2) определение диффузионного сопротивления осуществляется по оптимальным режимным параметрам на эталонных материалах.

1. Влажность древесины определяется за счет измерения диффузионного сопротивления исследуемого образца. Для этого осуществляют контакт с образцом при помощи двух электродов, расположенных вдоль линии, перпендикулярной волокнам образца, на фиксированном расстоянии друг от друга. Прикладывают напряжение на измерительную ячейку (фиг.1), состоящую из последовательно включенных влажного материала и эталонного сопротивления, устанавливают минимальный ток I₁, при котором возможно измерить падение напряжения на образце U₁ (фиг.2), изменяют ток по линейному закону I₂=n· I₁ относительно первоначального и измеряют второе напряжение U₂(I₂), по двум токам и напряжениям находят диффузионное сопротивление R_d образца.

ВАХ пробы имеет нелинейный характер, а ток изменяется по экспоненциальному закону (фиг.2)

где I - текущее значение тока через пробу материала, U - приложенное напряжение на пробе материала, I_d - ток, обусловленный диффузией ионов через мембраны клеток (диффузионный ток), U_d - падение напряжения на пробе материала, вызванное диффузией ионов через мембраны клеток (эдс, соответствующая диффузионному току).

Уникальным свойством, заключающимся в том, что вне зависимости от условий проведения эксперимента постоянством, отражающим характер вольт-амперной зависимости, обладает диффузионное сопротивление R_d (или проводимость Y_d=1/R_d), которое является информативным параметром влажности материала

Для расширения диапазона расчета диффузионного сопротивления ток I₁ увеличивают пропорционально в n раз

Каждое i, j-значение из полученных в эксперименте данных может быть использовано для расчета по нижеприведенным зависимостям, где i≠ j, .

Диффузионное сопротивление R_d можно определить по зависимости (1) из системы уравнений для токов I_i, I_j:

Приведем систему (4) к виду, удобному для логарифмирования:

и, поделив одно уравнение системы (5) на другое, получим выражение

где , i≠ j - порядковые номера режима измерения.

Прологарифмируем уравнение:

и выразим U_d:

Для нахождения I_d выразим его из первого уравнения системы (4)

и подставим выражение (6) в формулу (7):

Полученное решение (8) относительно тока I_d получено в неявном виде и имеет решение только при численном моделировании по итерационному алгоритму, поэтому перепишем его для итеративного расчета в виде:

По соотношениям (9) и (6) рассчитаем величину тока I_d и напряжения U_d.

Для расчета диффузионного тока, приведенного в неявном виде (9), введем критерий оценки адекватности последующего с предыдущим значением ( - число итераций):

где ε ₀=0.001 - допустимая погрешность.

Алгоритм расчета формулы (9) заключается в следующем:

- первоначальное значение находим по формуле (9) при =0 (k=l);

- последующее значение получим из выражения (9) при использовании ();

- по итеративному критерию (10) оценим точность вычисления ε _k с мерой ε ₀;

- если соотношение (10) выполняется, то расчет I_d по формуле (9) прекращается, и последний результат итерации принимают за действительное значение диффузионного тока пробы;

- если соотношение (10) не выполняется, то осуществляется следующая (k+1) итерация.

По найденному значению диффузионного тока I_d определяют по формулам (6 и 2) U_d и сопротивление R_d, а также строят ВАХ по модели (1). При этом напряжение на измерительной ячейке в ходе эксперимента будет изменяться по логарифмическому закону

U_i=U₀· ln(i+1).

Диффузионное сопротивление R_d по предложенной методике является информативным параметром от влажности и не зависит от приложенного на пробу материала напряжения (см. фиг.3), тогда как дифференциальное сопротивление R_i убывает по экспоненте (см. эффективность по точности, п.1).

2. Определение диффузионного сопротивления осуществляется по оптимальным режимным параметрам на эталонных материалах, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых ВАХ различных соотношений токов с минимальной погрешностью.

Для определения оптимальных режимных параметров осуществляется процесс нормировки значения шкал экспериментальной ВАХ (фиг.2), и последующий анализ ведется с применением алгоритма расчета информативных параметров, описанного выше.

В процессе поиска оптимальных режимных параметров предложенного способа построено ряд ВАХ на основе перебора значений тока, где номер выбранного значения тока, относительно которого происходит перебор, является постоянным до последнего значения (i=1; j=i+1, ..., p). Аналогично выбирается следующее значение, относительно которого также осуществляется перебор токов (i=2; j=i+l, ..., p). Этот процесс осуществляется до тех пор, пока постоянным значением окажется предпоследний номер тока (i=n-1; j=p, где n=р).

Погрешность адекватности моделируемых ВАХ с экспериментом рассчитывается по среднегеометрическому отклонению (СГО) α :

где

- относительная погрешность s-ого шага оценки .

На фиг.2 показано оптимальное сближение кривых в режимных условиях i=5, j=7 из 50 парных выборок режимов, где СГО не более 2%.

Связь влаги с электрофизическими характеристиками осуществляется по аналогии с весовым анализом

моделью делителя напряжения (см. фиг.4):

где Y_d=1/R_d, Y_m=1/R_m - диффузионная проводимость влаги и сухого материала; - вес воды; М_m - вес сухого материала.

Докажем эффективность предлагаемого способа относительно прототипа.

1) Эффективность по достоверности измерений оценим через отношение η _N гибкости N_U и N_I сопоставляемых способов.

Гибкость измерений прототипа определяется числом N_U сочетаний разбиения диапазона ВАХ на поддиапазоны по двоичному коду. С учетом бинарной кратности напряжений для любых нескольких точек контролируемого диапазона измерений (см. фиг.5) справедлива зависимость U_j+1=2· U_j, связывающая аналитически весь контролируемый диапазон из n измерений алгоритмом U_n=2^j·^{U_n-j, где и n≥ 2, тогда для j=n-1 находим соотношение между максимальной электрической величиной U_n и минимальной U₁ мерой разбиения U_n=2n-1·U₁ (см. фиг.5а).}

Число N_U сочетаний возможных поддиапазонов определяется двоичным логарифмом отношения

Оценим гибкость измерений предлагаемого способа по коду N_I сочетаний измерений, характеризующему гибкость управления контролируемого диапазона по линейному закону.

Если для повышения гибкости диапазона расчета диффузионного сопротивления ток I₁ увеличивают пропорционально в n раз по линейному закону (см. фиг.5б), то число сочетаний N_I для j поддиапазонов имеет вид

,

где n≥ 2 - количество интервалов, .

Сумма линейного ряда характеризует гибкость контролируемого диапазона

Тогда эффективность η _N по достоверности диапазона измерений предлагаемого способа относительно прототипа пропорциональна половине числа поддиапазонов, т.к.

Таким образом, за счет увеличения числа сочетаний N_I в n/2 раз повышается гибкость выбора оптимальных режимов, поэтому достоверность измерений в предлагаемом способе при возрастании точек разбиения n=4-20 увеличивается в η _N=2-10 раз по отношению к прототипу, повышая точность измерений.

2) Оценим диапазоны измерений сопоставляемых способов.

Для равных по длине поддиапазонов Δ контролируемый диапазон D_I определяется для предлагаемого способа кратных токов числом n поддиапазонов D_I=Δ _I·_n.

В прототипе, из-за ограниченности диапазона измерений кратностью напряжений U₂/U₁=2, питающих измерительную ячейку, сокращается число поддиапазонов, так как в каждом следующем поддиапазоне расстояние между крайними точками в два раза больше расстояния предыдущего, что приводит к уменьшению диапазона, а следовательно, достоверности измерений (см. фиг.5а). Поэтому контролируемый диапазон D_U прототипа описывается зависимостью вида D_U=Δ _U·_n/2.

Тогда, при равных интервалах Δ _I=Δ _U=Δ , эффективность по расширению диапазона измерений предлагаемого способа определяется как отношение диапазонов сопоставляемых способов

или

Из отношения (13) следует, что использование в предлагаемом способе линейного закона управления режимами измерений приводит к увеличению диапазона измерений в 2 раза относительно прототипа при регламентированных погрешностях Δ . Следовательно, при фиксированном диапазоне измерений D_I=D_U повышается в два раза точность выбора параметров ВАХ.

3) Эффективность по точности измерений параметров ВАХ оценим в процессе моделирования экспериментальных ВАХ через СГО (11).

Из-за ограничения контролируемого диапазона кратностью напряжений в прототипе моделирование экспериментальной ВАХ осуществляется в нескольких поддиапазонах для режимов {i, j}={1-2, 2-3}. В результате получены две моделируемые кривые (I₁₂(U₁₂), I₂₃(U₂₃)), среднее значение α _U СГО которых от экспериментальной ВАХ (I_э(U_э)) (см. фиг.6а) составляет α _U=6.3%.

В предлагаемом способе за счет использования линейного закона преобразования моделирование экспериментальных кривых производится по оптимальным режимным условиям измерений i=5, j=7 (см. фиг.6б), где СГО не более 2%.

Эффективность η α по точности определяется отношением СГО сопоставляемых способов

и, следовательно, выше в 3 раза у предлагаемого способа относительно прототипа.

Таким образом, за счет линейного закона управления режимами измерений в предлагаемом способе, в отличие от прототипа, увеличивается число сочетаний N_I, что приводит к повышению гибкости выбора оптимальных режимов и достоверности измерений (п.1), а следовательно, к расширению диапазона (п.2) и повышению точности измерений (п.3).

4) Эффективность по точности измерения влажности.

В ходе анализа сопоставляемых методов по точности определения влажности выявлено, что линейный закон управления режимами измерений в прелагаемом способе соответствует стабилизации изменения текущего тока при дрейфе влажности, а в прототипе наблюдается стабилизация изменения текущего напряжения за счет его кратности U₂/U₁=2.

При стабилизации текущего тока из (1) справедливо выражение вида

Тогда чувствительность текущего напряжения к колебаниям влажности имеет вид

Нестабильность измерений η _I определяется отношением чувствительностей текущего напряжения Δ U/Δ W и диффузионного Δ U_d/Δ W относительно влажности и изменяется при увеличении тока стабилизации по логарифму

Для стабилизации текущего напряжения справедливо выражение вида (1). Тогда, по аналогии с математическими преобразованиями при стабилизации по току, нестабильность η _U по чувствительности текущего тока Δ I_i/Δ W относительно диффузионного Δ I_d/Δ W увеличивается по экспоненте

Тогда эффективность η _W по точности измерения влажности η _W при стабилизации текущего тока определяется отношением вида

Для анализа эффективности результаты вычислений сведем в таблицу:

В результате анализа выявлено, что точность измерения влажности при стабилизации текущего тока предлагаемого способа относительно стабилизации текущего напряжения прототипа возрастает в 2.2-11.3 раз, т.е. в среднем в 7 раз - почти на порядок.

Следовательно, за счет линейного выбора кратных токов в предлагаемом способе осуществляется их стабилизация, которая приводит к снижению нестабильности режимов и параметров, при этом влажность пропорциональна логарифмической функции (14). В прототипе при стабилизации напряжений за счет бинарного выбора кратных напряжений, увеличивается нестабильность режимов и параметров от влажности пропорционально экспоненциальной зависимости (15) от напряжений.

Реализация предлагаемого способа осуществлена на базе микропроцессорного анализатора влажности древесины “ТЕМП-284”, построенного на базе персонального компьютера PC.

Результаты экспериментов, проведенных на базе микропроцессорного анализатора влажности древесины “ТЕМП-284”, построенного на базе персонального компьютера PC, представлены на фиг.2, 3, 6. Из графиков видно, что предлагаемый способ позволяет определить искомую величину диффузионного сопротивления и влажность в заданном диапазоне с регламентируемой точностью контроля.

Таким образом, предлагаемый способ, благодаря линейному закону управления оптимальными режимами измерений, в отличие от прототипа позволяет гибко проводить измерения влажности при стабилизации текущего тока, что повышает почти на порядок точность измерений влажности и не менее чем в два раза расширяет диапазон контроля при заданных метрологических характеристиках.

Применение предложенного способа для определения влажности древесины приведет к повышению сырьевых и экономических показателей в деревообрабатывающей промышленности; сортности древесины в процессе ее сушки и качества контроля при хранении, автоматизации и экспрессности процесса сушки древесины.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности древесины. Сущность: предложен способ определения влажности древесины кондуктометрическим методом, отличающийся тем, что изменяют ток по линейному закону относительно первоначального и измеряют второе напряжение. По двум токам и напряжениям находят диффузионное сопротивление образца, по которому определяют влажность. Определяют диффузионное сопротивление по оптимальным режимным параметрам на эталонных материалах, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых вольт-амперных характеристик при различных соотношениях токов, для которых погрешность минимальна. Техническим результатом способа являются повышение точности и расширение диапазона контроля при заданных метрологических характеристиках. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ определения влажности древесины, заключающийся 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, состоящую из последовательно включенных влажного материала и эталонного сопротивления, устанавливают такой минимальный ток, при котором возможно измерить падение напряжения на эталонном сопротивлении, и определяют влажность, отличающийся тем, что изменяют ток по линейному закону относительно первоначального и измеряют второе напряжение, по двум токам и напряжениям находят диффузионное сопротивление образца, по которому определяют влажность.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение диффузионного сопротивления осуществляют по оптимальным режимным параметрам на эталонных материалах, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых вольтамперных характеристик различных соотношений токов, для которых погрешность минимальна.