СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕССНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/22 G01N25/18 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения физических свойств веществ путем измерения электрической емкости, и может быть использовано для экспрессного определения теплофизических характеристик неметаллических материалов, например строительных.

Известны способ и устройство для определения теплопроводности материалов путем нагрева исследуемого образца подвижным точечным источником нагрева, регистрации температуры поверхности образца по линии перемещения источника нагрева датчиком температуры, двигающимся с фиксированным отставанием от источника нагрева, и вычисления теплопроводности по приведенным формулам (Патент РФ №2153664 C1 «Способ экспрессного определения теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления», кл. G01N 25/18, опубликовано 27.07.2000).

Недостатком этого способа и устройства является большая трудоемкость и длительность подготовительных операций и необходимость в наборе эталонных образцов с различными известными значениями теплопроводности и температуропроводности.

Известны также способ и устройство для определения теплофизических характеристик материала путем создания на его поверхности теплового импульса, регистрации изменения температуры во времени с последующим вычислением по формуле значения теплопроводности и измерения емкости датчика, по которой определяют объемную влажность материала (А.с. СССР №800846 «Способ определения теплофизических характеристик материалов в строительных конструкциях», кл. G01N 25/18, БИ №4, 1981 г. и А.с. СССР №805154 «Устройство для определения теплофизических характеристик материалов строительных конструкций», кл. G01N 25/18, БИ №6, 1981 г.).

Недостатком указанного способа и устройства для определения теплофизических характеристик материалов является невозможность повторных измерений без достижения изотермических условий из-за большой инерционности тепловых измерений, не позволяющей повторять эти измерения чаще чем через несколько часов.

Известны способы и устройства экспрессного определения влажности материалов путем измерения емкости датчика («Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов», под ред. Е.С.Кричевского, М.: Энергия, 1980, с.94-95).

Однако эти способы не позволяют совместно с влажностью определять теплопроводность материала.

Наиболее близким к заявляемому (выбранным в качестве прототипа) является способ определения теплопроводности неметаллических влажных капиллярно-пористых материалов путем измерения емкости датчика и перевода ее с помощью градуировочной зависимости в значение теплопроводности (А.с. СССР №1224695 «Способ определения теплопроводности неметаллических влажных капиллярно-пористых материалов», кл. G01N 25/18, БИ №14, 1986 г.).

Однако этот способ имеет ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в определении только одной характеристики материала - теплопроводности.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является устройство для измерения влажности материалов (А.с. СССР №1774244 «Влагомер», кл. G01N 27/22, БИ №41, 1992 г.), однако и оно не позволяет совместно с влажностью определять теплопроводность материала.

Техническими результатами изобретения являются расширение функциональных возможностей способа, заключающееся в совместном (одновременном) определении влажности и теплопроводности, повышение экспрессности и исключение теплового воздействия на материал при определении теплопроводности.

Эти технические результаты достигаются благодаря тому, что измеряют емкость датчика при нахождении его в воздухе, преобразуют измеренную емкость в пачку импульсов, которые заносят в память устройства, вводят датчик в соприкосновение с исследуемым материалом, повторяют операции по измерению, преобразованию емкости датчика в пачку импульсов и занесению их в память устройства, вычисляют значение влажности по формуле w=а+b₁·(N₁-N₂)+b₂·(N₁-N₂)², где w - влажность; a, b₁, b₂ - эмпирические константы, хранящиеся в памяти устройства; N₁ и N₂ - число импульсов, занесенных в память устройства при нахождении датчика в воздухе и в соприкосновении с материалом соответственно, вычисляют значение теплопроводности по формуле λ=λ_0i+k_i·w, где λ, - искомая теплопроводность, а λ_0i (теплопроводность материала в сухом состоянии) и k_i (коэффициент приращения теплопроводности на процент влажности) - константы для конкретных материалов, хранящиеся в памяти устройства, и поочередно выводят на индикатор устройства полученные значения влажности и теплопроводности в единицах их измерения.

Реализация предложенного способа осуществляется с помощью устройства, включающего в себя емкостной датчик, измерительный четырехполюсник с модулируемыми параметрами, высокочастотный генератор, управляемый напряжением, модулятор, фазовый компаратор, управитель частоты, делитель частоты, преобразователь частоты в пачки импульсов, микропроцессор, запоминающее устройство, блок управления и индикатор, причем датчик подключен к первому полюсу четырехполюсника, второй полюс которого подключен к выходу генератора одновременно с входом делителя частоты, третий полюс четырехполюсника соединен с одним из выходов модулятора, второй выход которого соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого подключен к четвертому полюсу четырехполюсника, а выход - к входу управителя частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора, выход делителя частоты соединен с входом преобразователя частоты в пачки импульсов, выход которого подключен к одному из входов микропроцессора, к другим входам которого подключены запоминающее устройство и блок управления, выход микропроцессора соединен с индикатором.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Изобретение работает следующим образом.

Емкостной датчик 1 подключен к четырехполюснику 2, питаемому высокочастотным синусоидальным напряжением от генератора, управляемого напряжением (ГУН) 3. Параметры четырехполюсника скачкообразно меняются под воздействием модулятора 4, вырабатывающего модулирующее напряжение в виде прямоугольных импульсов низкой частоты. Одновременно модулирующее напряжение подается на фазовый компаратор 5, который вырабатывает сигнал ошибки (рассогласования) и подает его на управитель частоты 6. В зависимости от знака разности фаз на выходе компаратора частота генератора будет уменьшаться или увеличиваться. Таким образом, замыкается цепь воздействий, образуя систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом ФАПЧ всегда стремится к динамическому равновесию. В состоянии динамического равновесия частота генератора однозначно соответствует текущему значению емкости датчика. Эта частота после делителя 7 и преобразователя 8 в виде пачки импульсов поступает на один из входов микропроцессора 9 в ячейку оперативной памяти. Согласно заявляемому способу емкость датчика измеряется дважды: первый раз, когда датчик находится в воздухе, и второй раз, когда датчик находится на (в) материале, поэтому в оперативной памяти микропроцессора записываются две пачки импульсов: при нахождении датчика в воздухе и на (в) материале соответственно. Из запоминающего устройства 10 по команде, поступившей из блока управления 11, в микропроцессор заносятся константы для конкретного материала, и производится вычисление значений влажности и теплопроводности, которые поочередно выводятся на индикатор 12 в единицах их измерения.

Заявленное устройство может работать в двух режимах: измерение влажности и измерение теплопроводности. Выбор режима, а также выбор конкретного контролируемого материала, константы которого хранятся в постоянной энергонезависимой памяти, осуществляется с помощью клавиатуры через блок управления.

Весь процесс измерения как влажности, так и теплопроводности является безынерционным, занимает несколько секунд, при этом полностью исключено тепловое воздействие на контролируемый материал, что позволяет, во-первых, избежать изменения теплофизических характеристик материала в процессе измерения в результате его нагрева и, во-вторых, неоднократно повторять измерения в одной и той же зоне материала (на одних и тех же образцах) без длительной временной выдержки, требуемой для достижения изотермических условий в известных тепловых методах.

Изобретение к способам и устройствам определения физических свойств веществ путем измерения электрической емкости. Сущность изобретения состоит в том, что измеряют емкость датчика при нахождении его в воздухе, преобразуют измеренную емкость в пачку импульсов, которые заносят в память устройства, вводят датчик в соприкосновение с исследуемым материалом, повторяют операции по измерению, преобразованию емкости датчика в пачку импульсов и занесению их в память устройства, вычисляют значение влажности по формуле w=a+b₁·(N₁-N₂)+b₂·(N₁-N₂)², где w - влажность; a, b₁, b₂ - эмпирические константы, хранящиеся в памяти устройства; N₁ и N₂ - число импульсов, занесенное в память устройства при нахождении датчика в воздухе и в соприкосновении с материалом соответственно, вычисляют значение теплопроводности по формуле λ=λ_0i+k_i·w, где λ - искомая теплопроводность, a λ_0i (теплопроводность материала в сухом состоянии) и k₁ (коэффициент приращения теплопроводности на процент влажности) - константы для конкретных материалов, хранящиеся в памяти устройства, и поочередно выводят на индикатор устройства полученные значения влажности и теплопроводности в единицах их измерения. Также предложено устройство для приведенного выше способа. Изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, заключающееся в совместном (одновременном) определении влажности и теплопроводности, повышение экспрессности и исключение теплового воздействия на материал при определении теплопроводности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ экспрессного определения влажности и теплопроводности неметаллических материалов, основанный на электротепловых аналогиях, заключающийся в измерении электрической емкости датчика, преобразовании ее в значения определяемых величин и регистрации этих значений в измерительно-вычислительном устройстве, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения экспрессности, измеряют емкость датчика при нахождении его в воздухе, преобразуют измеренную емкость в пачку импульсов, которые заносят в память устройства, вводят датчик в соприкосновение с исследуемым материалом, повторяют операции по измерению, преобразованию емкости датчика в пачку импульсов и занесению их в память устройства, вычисляют значение влажности по формуле w=a+b₁·(N₁-N₂)+b₂·(N₁-N₂)², где w - влажность; a, b₁, b₂ - эмпирические константы, хранящиеся в памяти устройства; N₁ и N₂ - число импульсов, занесенных в память устройства при нахождении датчика в воздухе и в соприкосновении с материалом, соответственно, вычисляют значение теплопроводности по формуле λ=λ_0i+k_i·w, где λ - искомая теплопроводность, a λ_0i (теплопроводность материала в сухом состоянии) и k_i (коэффициент приращения теплопроводности на процент влажности) - константы для конкретных материалов, хранящиеся в памяти устройства, и поочередно выводят на индикатор устройства полученные значения влажности и теплопроводности в единицах их измерения.

2. Устройство для экспрессного определения влажности и теплопроводности неметаллических материалов, включающее в себя емкостной датчик, измерительный четырехполюсник с модулируемыми параметрами, высокочастотный генератор, управляемый напряжением, модулятор, фазовый компаратор, управитель частоты, делитель частоты, преобразователь частоты в пачки импульсов, микропроцессор, запоминающее устройство, блок управления и индикатор, причем датчик подключен к первому полюсу четырехполюсника, второй полюс которого подключен к выходу генератора одновременно с входом делителя частоты, третий полюс четырехполюсника соединен с одним из выходов модулятора, второй выход которого соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого подключен к четвертому полюсу четырехполюсника, а выход - ко входу управителя частоты, выход которого соединен с управляющим входом генератора, выход делителя частоты соединен с входом преобразователя частоты в пачки импульсов, выход которого подключен к одному из входов микропроцессора, к другим входам которого подключены запоминающее устройство и блок управления, выход микропроцессора соединен с индикатором.