СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01N27/04 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности капиллярно-пористых материалов.

Известен способ [см. кн. Берлинер М.А. Измерения влажности. -М.: Энергия, 1973., с.52-54.], заключающийся в осуществлении контакта с образцом с помощью четырех электродов, расположенных вдоль линии, на фиксированном расстоянии друг от друга. Через внешние электроды пропускают постоянный ток, а между внутренними измеряют напряжение, по которым определяют удельное объемное сопротивление материала и влажность.

Недостатками этого способа являются низкая точность измерений вследствие зависимости электрического сопротивления пробы материала от пропускаемого тока, электроды должны быть удалены от всех поверхностей материала, кроме исследуемой, среда должна быть полубесконечной.

За прототип принят способ [см. патент РФ №2187098, G 01 N 27/04, 2002. Бюл. №22], заключающийся в измерении диффузионной проводимости по вольт-амперной характеристике (ВАХ). Для этого измеряют электрические характеристики пробы материала в диапазоне 10-29% на напряжении 5-10 В.

Недостатками прототипа являются низкая оперативность, вызванная необходимостью ожидания установившегося режима ВАХ, наличие динамической и методической погрешности, ограниченные возможности автоматизации контроля.

Технической задачей способа являются повышение достоверности измерений и оперативности контроля в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью.

Поставленная техническая задача достигается следующим.

1. В способе определения влажности древесины, 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, состоящую из последовательно включенных влажного материала и эталонного сопротивления, измеряют значение падения напряжения на эталонном сопротивлении и определяют влажность, в отличие от прототипа регистрируют время сравнения текущей амплитуды с пороговым значением и измеряют второе напряжение в кратный момент времени от первоначального времени, по двум напряжениям и моментам времени находят диффузионный ток в образце, как отношение амплитуды установившегося потенциала к постоянной времени, по которым определяют влажность.

2. Способ по п.1 отличается тем, что определение диффузионного тока осуществляют на эталонных материалах по оптимальным информативным параметрам, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых электродинамических характеристик в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью.

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1-5.

Предлагаемый способ включает 2 этапа:

измерение диффузионного тока исследуемого образца;

оптимизацию информативных параметров на эталонных материалах.

1. Влажность древесины определяют за счет измерения диффузионного 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 на измерительную ячейку, состоящую из последовательно включенных влажного материала и эталонного сопротивления (фиг.1) и измеряют значение падения напряжения на эталонном сопротивлении R₀. Регистрируют время сравнения t₁ текущей амплитуды U₁ с пороговым значением U₀₁ и измеряют второе напряжение U₂ в кратный момент времени t₂(t₂=2t₁) от первоначального времени (фиг.2). По двум напряжениям U₁, U₂ и моментам времени t₁, t₂ находят диффузионный ток I_d в образце, по которому определяют влажность.

Экспериментальная зависимость U(f)=U динамического процесса (фиг.2, а) от приложенного напряжения (фиг.2, б) на измерительную ячейку изменяется по экспоненциальному закону

Зависимость (1) связывает между собой измеряемое значение амплитуды U напряжения за время t исследования до установившегося значения Е потенциала с постоянной времени Т.

Параметры Е и Т однозначно определяют динамическую характеристику эксперимента по зависимости (1), поэтому их целесообразно принять за информативные параметры динамического процесса аналитического контроля. Определение информативных параметров Е и Т организовано по двум измеренным значениям амплитуды U₁, U₂ напряжения в два момента времени t₁, t₂ из системы уравнений для первого и второго измерений:

Выразим из уравнений системы t₁ и t₂

и запишем отношение

Решение в явном виде получено при после приведения к общему знаменателю

Проэкспоненциируем данное уравнение и выразим параметр Е

Для нахождения Т подставим выражение (3) в первое уравнение системы (2)

По полученным информативным параметрам Е, Т и по формуле (1), пользуясь бинарной кратностью времен, восстанавливают электродинамические зависимости (фиг.3). Полученные кривые идентифицируют эксперименту для определения диффузионного тока и соответственно влажности образца.

2. В предлагаемом способе определение диффузионного тока осуществляют по оптимальным информативным параметрам на эталонных материалах, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых электродинамических характеристик в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью (фиг.3).

Идентифицируют полученные динамические кривые U_i, экспериментальной зависимости U_Э по критерию оценки σ _i, среднеквадратического отклонения

и оценивают по нормированному критерию

σ ₀ ≥_{σ i,}

где σ ₀=0.02 - эталонный критерий, с которым сравниваются i-тые значения среднеквадратического отклонения σ _i, моделируемых U_i электродинамических кривых при на j-тых интервалах аппроксимации U_j-тых значений напряжения. Амплитуды U_i моделируют зависимостью (3) по нормируемым информативным параметрам E_i, T_i (эквивалентам) с заданной точностью, регламентируемой погрешностью ε _i.

Если среднеквадратическое отклонение i-той моделируемой кривой отвечает требованиям критерия, то информативные параметры E_i и Т_i зависимости с минимальным критерием σ _imin идентифицируют экспериментальной зависимости U_Э адаптивного диапазона.

С помощью эквивалентов Е и Т по принципу аналогии (емкостный ток определяется как отношением ) находят для С=1 предельное значение диффузионного тока влажного материала

Связь влаги W_d с диффузионным током исследуемого и эталонного материалов осуществляют по аналогии с весовым анализом зависимостью делителя тока (см. фиг.1):

где - диффузионный ток эталонного материала с нормированной влагой W_S, - вес воды; M_m - вес сухого материала.

При этом погрешность ε , равная абсолютному отклонению W_d относительно W_S, не превышает 4%.

Для доказательства информативности I_d оценим погрешности, возникающие при определении влажности по дифференциальному току и диффузионному току I_d по формуле (6), который является пределом дифференциального тока

Подставив в формулу (6) выражения (3, 4) для n=i, получим

Для упрощения данного выражения введем обозначение

и найдем соотношение между диффузионным I_d и дифференциальным I_i=U_i/t_i токами:

Измеряют дифференциальный ток при различных напряжениях, например U_i, или U_i+1 и временах t_i или t_i+1, поэтому в (i+1)-ой точке эксперимента I_i+1=U_i+1/t_i+1 изменяется в несколько раз по сравнению с i-тым значением I_i=U_i/t_i и не соответствует диффузионному току I_d, который не зависит от текущих значений напряжения и времени (см. фиг.4). Величина отклонения I_i от I_d при увеличении моментов времени эксперимента нелинейно (8) возрастает до 46,3%. Это доказывает информативность I_d как параметра древесины (см. фиг.4).

На фиг.5 приведены зависимости влажности W_d, определенной по динамическому способу от диффузионного тока I_d и влажности W_i, определенной по прототипу от диффузионной проводимости Y_i, которые имеют один и тот же характер, но чувствительность прототипа на прядок ниже в отличие от заявляемого способа в диапазоне влажности 1÷ 40%.

Это следует из оценки эффективности способов.

1) Чувствительности заявляемого способа η _d и прототипа η _i (скорость нарастания динамической и статической характеристик влажности) (см. табл.1) соответственно равны

где Δ Y_i, Δ I_i - разности проводимостей и динамических токов соответственно относительно фиксированного диапазона влажности Δ W=1% (фиг.5).

Эффективность ψ _i, характеризующая достоверность измерений динамического относительно статического способа, определяется из (9) соотношением

Полученные значения чувствительностей (9) и эффективности (10) рассматриваемых способов сведены в табл.1.

Из табл.1 и фиг.5 видно, что чувствительность η _d динамического способа растет по экспоненте, в то время как скорость η _i нарастания статической зависимости стремится к нулю во всем исследуемом диапазоне влажности. Это соответствует низкой точности измерений статического способа, так как эффективность динамического способа относительно прототипа ψ _i растет от 4.73 до 147.37 в диапазоне влажности 1÷ 40%. Следовательно, достоверность предложенного изобретения на порядок выше известных решений.

2) Эффективность, характеризующая оперативность контроля при заданных метрологических характеристиках, определяется по формуле

где τ _d - время проведения измерений по динамическому способу, выбираемое меньше постоянной времени Т (τ _d ≤_{T), так как для получения необходимых режимных параметров по заявляемому способу достаточно двух измерений (не достигая установившегося режима);}

τ _i - время регистрации данных по статическому способу при достижении установившегося режима Е с заданной погрешностью (фиг.2, а) ε _i=(Е-U_i)/E

Подставляя значения τ _d ≈_{T и (13) в (12), находим зависимость}

цифровые значения которых сведены в табл.2.

Анализ табл.2 показывает, что продолжительность контроля по статическому способу относительно заявляемого способа, время измерений которого не превышает постоянной времени Т, растет от 2,3 Т до 6,91T. Это характеризует оперативность динамического способа, которая возрастает в 3-10 раз с уменьшением от 5 до 0,1% заданной погрешности измерений.

Следовательно, оперативность заявляемого способа на порядок выше прототипа.

Реализация предлагаемого способа осуществлена на программно-управляемом кондуктометрическом влагомере “ТЕМП-282”, результаты эксперимента иллюстрируют фиг.1-5. В отличие от известных решений, предлагаемый способ позволяет повысить на порядок точность, достоверность и оперативность контроля влажности в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности капиллярно-пористых материалов. В способе определения влажности древесины в динамическом режиме определяют диффузионный ток, оптимизируемый по электродинамическим характеристикам. Способ позволяет повысить на порядок точность, достоверность и оперативность контроля влажности в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 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, измеряют напряжение на эталонном сопротивлении и определяют влажность, отличающийся тем, что регистрируют время сравнения текущей амплитуды с пороговым значением и измеряют второе напряжение в кратный момент времени от первоначального времени, по двум напряжениям и моментам времени находят диффузионный ток в образце, как отношение амплитуды установившегося потенциала к постоянной времени, по которым определяют влажность.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение диффузионного тока осуществляют на эталонных материалах по оптимальным информативным параметрам, которые находят при сопоставлении экспериментальной и моделируемых электродинамических характеристик в адаптивном диапазоне по нормируемым эквивалентам с заданной точностью.