СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА Российский патент 2014 года по МПК G01N22/04 

Описание патента на изобретение RU2532424C1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности волокнистых материалов, и может быть использовано в текстильной и хлопчатобумажной промышленности.

Остаточная влажность вискозного волокна определяет его качество и подлежит обязательному контролю в условиях промышленного производства. Повышение объективности данного контроля позволяет улучшить технические и коммерческие показатели волокна.

Известен термогравиметрический способ контроля содержания воды в волокне, основанный на регистрации изменения его массы при нагреве в сушильной камере (Аналитический контроль производства искусственных волокон. Справочное пособие под ред. А.К. Диброва и B.C. Матвеева. - М.: Изд. Химия. - 1986. - 334 с.).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится высокая длительность (4-5 часа) измерений и их низкая объективность (используются порции волокна массой в сотни грамм).

Известен способ определения влажности вещества, основанный на многократном пропускании через его пробу электромагнитных СВЧ-сигналов и последующем определении среднего значения измеряемой величины (Р.И. Сайтов, Р.Г. Абдеев, Н.А. Серафимов и др. - Патент РФ №2380689. Способ измерения влажности материалов. Опубл. 27.01.2010 г.).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что в нем применяется сложное экспериментальное оборудование и анализируются пробы материала массой в десятки грамм. В результате также не достигается требуемая объективность контроля влажности промышленных партий продукции.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ измерения влажности вискозного волокна, заключающийся в приложении переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного исследуемого материала и измерении ее электропроводности (И. Форейт. Емкостные датчики неэлектрических величин. - М.-Л.: Энергия. - 1966. - С.15, 99 - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе применяется одночастотный режим (из диапазона 0,2-5,0 МГц) измерений электропроводности проб исследуемого материала. В результате контролируемая величина тока, проходящего через волокно, кроме тока смещения (информативный параметр), включает в себя и ток проводимости. Данные токи сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол в (90-δ) градусов (δ - угол, характеризующий диэлектрические потери в волокне). Величины составляющих контролируемого тока и δ различным образом зависят от частоты напряжения, приложенного к образцу исследуемого волокна, его влажности и степени прессования. Игнорирование этих факторов, как это сделано в прототипе, приводит к значительным неконтролируемым погрешностям.

Задача данного изобретения заключается в повышении чувствительности и точности диэлькометрического способа измерения влажности волокна.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном способе, включающем приложение переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного вискозного волокна, и измерение ее электропроводности, прессование пробы волокна производят до объемной плотности материала, большей 400 кг/м3. Затем к электродам последовательно прикладывают переменное напряжение амплитудой 20-30 В с частотой ≤50 Гц и с частотой (20-100)·103 Гц, контролируют соответствующие токи (I1 и I2), протекающие между электродами, и определяют значение тока смещения, проходящего через пробу, по формуле:

в которой I0 - фоновое значение тока, контролируемое между электродами на частоте (20-100)·103 Гц при отсутствии волокна. После этого находят величину массы воды в исследуемой пробе волокна на основании предварительно установленной зависимости тока смещения от массы воды в волокне.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет выбора оптимальной плотности исследуемого волокна и использования контроля тока, проходящего через него, на двух различных частотах.

При плотности волокна, меньшей 400 кг/м3, на величины контролируемых токов I1 и I2 влияют переходные емкости на границе раздела "волокно - измерительные электроды", которые зависят от массы пробы волокна и ее расположения относительно электродов. При плотности волокна, большей 400 кг/м3, указанная граница раздела обогащается избыточной водой и переходные емкости исчезают, что обеспечивает стабильность регистрируемых сигналов и минимизацию погрешностей их измерения.

Ток через волокно, контролируемый на частоте, меньшей 50 Гц, равен току проводимости (I1), а на частоте 20-100 кГц - векторной сумме токов проводимости и тока смещения. При этом δ при влажности волокна в практически важном диапазоне 4-12% близок к нулю. В результате обеспечивается возможность простого определения истинного тока смещения, проходящего через волокно и однозначно связанного с массой находящейся в нем воды.

Использование амплитуды переменного напряжения в 20-30 В обеспечивает относительную погрешность измерения токов на уровне 1-2%.

В процессе проведенного анализа уровня техники не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения. А сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения технического результата. Анализ также показал, что заявляемое изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как не обнаружены технические решения, в которых содержание воды в вискозном волокне контролируется при его определенной плотности на основании регистрации токов, проходящих через пробу волокна на двух различных частотах.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" и "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Чертежи, иллюстрирующие особенности реализации предлагаемого способа, представлены на фиг.1-5. Здесь на фиг.1-2 приведены соответственно частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости волокна, контролируемые при его различной влажности (ρH20, кг/м3: 1-0; 2-40; 3-50; 4-64); на фиг.3 - частотные зависимости угла диэлектрических потерь волокна (ρH20, кг/м3: 1-0, 2-52, 3-64, 4-76, 5-104); на фиг.4 - зависимость тока смещения, проходящего через волокно, от массы находящейся в нем воды; а на фиг.5 - зависимость от степени уплотнения волокна нормированной величины контролируемого тока (влажность волокна 10%, частота зондирующего напряжения - 20 кГц, амплитуда - 20 В).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Проба вискозного волокна помещается в измерительную камеру (формы, близкой к кубической) и прессуется до получения плотности волокна, не меньшей 400 кг/м3. Затем к двум измерительным электродам, расположенным на внутренней поверхности противоположенных сторон камеры, прикладывается синусоидальное напряжение и контролируется ток, проходящий через волокно. Величина этого тока однозначно связана с количеством воды, находящейся в пробе волокна.

При реализации известных способов контроля влажности волокна (например, прототип) измерения тока проводят на одной частоте, находящейся в диапазоне от 0,2 до 5,0 МГц. При этом в регистрируемом полезном сигнале (Iизм) кроме токов смещения (Iсм - информативный параметр, однозначно связанный с содержанием воды в волокне) присутствует ток проводимости (Iпр) и паразитный ток, проходящий через камеру в отсутствие в ней волокна (I0). Амплитудное значение тока проводимости неконтролируемым образом зависит от плотности волокна, его химического состава и влажности. Кроме этого Iпр смещен относительно Iсм на угол (90-δ). Угол диэлектрических потерь также зависит от электрофизических свойств волокна и частоты зондирующего сигнала. Искомый ток в этом случае определяется соотношением:

Из полученного выражения следует, что определение количества воды в волокне по Iсм осуществляется с переменной погрешностью (Iпр и δ - переменные величины), учесть которую не представляется возможным.

Устранить указанную неопределенность позволяет индивидуальное определение тока проводимости и выбор частоты зондирующего напряжения, при которой диэлектрические потери в волокне пренебрежимо малы (δ близок к нулю).

Ток проводимости может быть определен при использовании переменного напряжения с частотой, не превышающей 50 Гц. На постоянном токе эти измерения затруднены процессами ионно-миграционной поляризации волокна (токоперенос в объеме электролитических ячеек, образованных в местах локального скопления воды в волокне). При частоте, большей 50 Гц, на контролируемую величину начинает накладываться ток смещения и погрешность измерения Iпр составляет 3-7%.

Выбор высокочастотного диапазона напряжения осуществлен на основании исследования электрофизических свойств волокна - контролировались частотные зависимости действительной (ε′) и мнимой (ε″) частей диэлектрической проницаемости волокна при различном содержании в нем воды. Полученные зависимости представлены на фиг. 1-2, соответственно.

Зависимость ε″ имеет максимум около 106 Гц, чему соответствует процесс ориентации молекул воды (диполей), адсорбированных на поверхности волокна, в направлении приложенного поля. При влажности волокна, превышающей 12%, ε″ возрастает, что свидетельствует о появлении еще одного механизма поляризации с большим характерным временем - макрополяризация электролита, заполняющего отдельные поры волокна.

Действительная часть диэлектрической проницаемости волокна на низких частотах (до 105 Гц) изменяется слабо (фиг.2), заметно возрастая при влажности, превышающей 11%.

Угол диэлектрических потерь при влажности волокна, меньшей 12%, и частоте используемого напряжения, не превышающей 100 кГц, близок к нулю (фиг.3).

При выборе оптимального диапазона частот зондирующего высокочастотного напряжения учитывались следующие обстоятельства. При частоте, меньшей 20 кГц, начинает заметно снижаться контролируемый ток - возрастает емкостное сопротивление волокна. При частоте, большей 100 кГц, становится существенным уменьшение ε′ и возрастание угла диэлектрических потерь. В диапазоне частот 20-100 кГц искомое значение тока смещения, проходящего через волокно, может быть определено по упрощенной формуле:

где I2=Iизм и I1=Iпр - токи через волокно, контролируемые на частоте 20-100 кГц и 1-50 Гц соответственно.

Искомое значение массы воды в исследуемом волокне находится по предварительно установленной зависимости между током смещения, проходящего через волокно, и содержанием в нем воды - фиг.4.

Величина тока, проходящего через волокно, критична к степени его сжатия - фиг.5. Этот факт обусловлен существованием переходной емкости на границе раздела "волокно-поверхность электрода". При плотности волокна, большей 400 кг/м3, влияние данного фактора становится несущественным.

Реализация предлагаемого способа осуществлялась в условиях производства на кипах волокна, находящихся в камере окончательного прессования (размеры камеры - 940×570×500 мм). Амплитуда напряжений, прикладываемых к измерительным электродам, составляла 20 В, частоты 20 Гц и 20 кГц, соответственно. Оценка интегрального содержания воды в кипах вискозного волокна осуществлялась на основании предварительно установленной на уменьшенном макете камеры прессования градуировочной зависимости, представленной на фиг.4. После взвешивания кипы определялась влажность находящегося в ней волокна (Вэкс), которая затем сравнивалась с результатами оценки влажности волокна, выполненной 5-6 раз по стандартной методике (В0 - термогравиметрический метод). Полученные результаты измерений представлены в таблице.

Вэкс 8,6-8,8 7,8-8,1 8,4-8,5 12,0-12,4 В0 7,8-13,0 7,2-10,3 8,1-9,4 9,3-13,3

Из анализа полученных результатов следует, что наблюдается качественное совпадение Вэкс и В0. При этом разработанный метод отличается существенно большей объективностью и повторяемостью результатов. Данное обстоятельство является следствием малой выборки порций волокна при использовании стандартного метода оценки его влажности.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить объективность измерения содержания воды в вискозном волокне, что обеспечивает повышение его качества и коммерческих показателей.

Похожие патенты RU2532424C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ 2010
  • Румянцев Михаил Михайлович
RU2411512C1
Способ определения структурной влаги в материалах с ортогональной анизотропией 1990
  • Джежора Александр Александрович
SU1778661A1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНА 2013
  • Гольцов Юрий Иванович
  • Стельмах Сергей Анатольевич
  • Щербань Евгений Михайлович
  • Явруян Хунгианос Степанович
RU2538567C1
СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СОЕДИНЕНИЙ 2014
  • Тимохин Виктор Михайлович
RU2594626C2
СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ 2002
  • Ныркова Л.А.
  • Ныркова О.А.
  • Калинин В.Ф.
  • Глинкин Е.И.
RU2240545C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МЕТОДОМ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ТОМОГРАФИИ 1996
  • Корженевский А.В.
  • Черепенин В.А.
RU2129406C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА 1992
  • Пасечник Александр Тимофеевич
  • Петлеванов Борис Павлович
  • Харченков Георгий Георгиевич
  • Шубин Александр Борисович
RU2034288C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПЛЕНКИ 1993
  • Иванов А.Ю.
  • Федоров А.С.
  • Неволин В.К.
RU2072587C1
Способ определения эксплуатационных качеств картерных масел 1980
  • Ахметкалиев Рыскали Бактгереевич
  • Надиров Надир Каримович
SU935774A1
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ВЕРХУШКИ КОРНЯ ЗУБА 2008
  • Боттерон Сирил
  • Мер Роман
  • Фарин Пьер-Андре
  • Эби Франсуа
RU2488366C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 532 424 C1

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности волокнистых материалов, и может быть использовано в текстильной и хлопчатобумажной промышленности. Предлагаемый способ включает в себя размещение между двумя электродами пробы волокна, приложение к ним переменного напряжения и контроль тока, проходящего через материал. При этом прессование пробы волокна производят до его объемной плотности материала, превышающей 400 кг/м3, к электродам последовательно прикладывают переменное напряжение с частотой ≤50 Гц и частотой 20-100 кГц, контролируют соответствующие токи (I1 и I2), протекающие между электродами, и определяют значение тока смещения, проходящего через пробу, по формуле: I с м = I 2 2 I 1 2 I 0 , где I0 - фоновое значение тока, контролируемое между электродами на частоте 20-100 кГц при отсутствии между электродами волокна, затем находят величину массы воды в исследуемой пробе волокна на основании предварительно установленной зависимости тока смещения от массы воды в волокне. Повышение чувствительности и точности измерения влажности волокна является техническим результатом изобретения. 5 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 532 424 C1

Способ измерения содержания воды в вискозном волокне, заключающийся в приложении переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного исследуемого материала, и измерении ее электропроводности, отличающийся тем, что прессование пробы волокна производят до объемной плотности материала, превышающей 400 кг/м3, затем к электродам последовательно прикладывают переменное напряжение с частотой ≤50 Гц и частотой 20-100 кГц, контролируют соответствующие токи (I1 и I2), протекающие между электродами, и определяют значение тока смещения, проходящего через пробу, по формуле:
I с м = I 2 2 I 1 2 I 0 ,
в которой I0 - фоновое значение тока, контролируемое между электродами на частоте 20-100 кГц при отсутствии волокна, и после этого находят величину массы воды в исследуемой пробе волокна на основании предварительно установленной зависимости тока смещения от массы воды в волокне.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2532424C1

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ 2008
  • Саитов Раиль Идиятович
  • Абдеев Ринат Газизьянович
  • Серафимов Николай Альфонистович
  • Железняков Александр Николаевич
  • Рыскулов Денис Раифович
  • Абдеев Эльдар Ринатович
RU2380689C2
CN 101876105 A, 03.11.2010
US 6049211 A, 11.04.2000
Электрический аккумулятор 1929
  • Белявский А.В.
SU12974A1
JP S6454340 A, 01.03.1989
Способ определения ориентации волокон в материалах 1990
  • Курнаев Михаил Васильевич
  • Поляков Виталий Михайлович
  • Тищенко Юрий Григорьевич
SU1758531A1

RU 2 532 424 C1

Авторы

Крютченко Олег Николаевич

Морозов Дмитрий Александрович

Чиркин Михаил Викторович

Даты

2014-11-10Публикация

2013-12-23Подача