Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЕЕ СУШКИ

Макартичян С В, Шилин А Н, Стрижиченко А В,

Глава 7. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

Для анализа и синтеза влагомеров удобно пользоваться обобщенной структурной схемой [10, 97, 99] в виде последовательного соединения трех звеньев (рис. 7.1). Звено 1 описывает связь «состав – свойство», т.е. преобразование влажности W в физическое свойство е контролируемого материала, используемое для контроля влажности. Характер величины е зависит от принятого метода контроля, например, в электрических методах е может представлять собой вещественную и мнимую составляющие комплексной диэлектрической проницаемости материала, в оптических – оптическую плотность прошедшего или отраженного излучения определенной длины волны и т.д. Указанное преобразование характеризует существующую в природе зависимость физических или физико-химических свойств вещества от содержания влаги. Звено 2 – первичный измерительный преобразователь, на выходе которого получают полезный выходной сигнал х, удобный для дальнейшей обработки. Звено 3 соответствует измерительному устройству, сравнивающему величину х с мерой этой величины и дающему выходной сигнал у прибора – отклонение стрелки указателя, унифицированный электрический или пневматический сигнал и т.п.

Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема влагомеров

Возмущающими воздействиями являются: для звена 1 – z, т.е. изменение состояния и свойств материала, помимо влажности (температура, плотность, химический состав); для звена 2 – и, т.е. изменение условий контроля (частота электрического поля, масса образца и его положение); для звена 3 – помехи v, воздействующие на измерительное устройство.

В общем случае имеется несколько параметров z, и, v, и их удобно считать координатами векторов ( и т.д.); иногда это относится и к величине е.

В структурных схемах реальных приборов для контроля влажности звенья 1, 2, 3 заменяются нескольким элементарными преобразователями с различными способами соединения [33, 37, 45, 54, 62].

Согласно схеме на рис. 7.1 можно выделить две основные составные части влагомеров: датчик и измерительное устройство. Под датчиком подразумевается конструктивная совокупность преобразователей 1 (в большинстве случаев этот преобразователь не реализуется в виде отдельного функционального элемента) и 2, устройств для введения в преобразователь исследуемого материала, его перемещения и выгрузки; а также дополнительных устройств для получения информации о значениях внешних влияющих воздействий z, и или для стабилизации и компенсации этих воздействий.

В автоматических влагомерах функционирование (непрерывное или дискретное) датчика и измерительного устройства не требует участия человека. В неавтоматических приборах операции, необходимые для выполнения контроля, или их часть (загрузку и выгрузку образца, уравновешивание измерительного устройства) выполняет оператор; эти приборы, как правило, рассчитаны на дискретное действие.

Метрологическая и информационная оптимизация любого влагомера сводится к требованию наилучшего выделения полезного сигнала из его смеси с шумами.

Изменение выходного сигнала у (рис. 7.1) описывается уравнением

(7.1)

Назначением влагомера, как и любой информационной системы, является наилучшее пропускание полезного сигнала (∂y/∂W)dW при максимальном подавлении помех, описываемых остальными составляющими правой части уравнения (7.1). Минимизация погрешности достигается при условии, что чувствительность влагомера к влажности SW = ∂y/∂W максимальна, а чувствительность к помехам минимальна.

На рис. 7.2, а изображена структурная функциональная схема прибора для контроля влажности [103]. В качестве измерительного преобразователя использован конденсатор 1, представляющий установленные на станочной линии две плоские пластины, между которыми перемещается контролируемая деталь.

а

б

Рис. 7.2. Структурная схема влагомера (а) и электрическая схема генератора (б)

Функцию низкопотенциальной пластины преобразователя выполняет станина станка. Преобразователь 1 соединен с генератором 2, который представляет собой автоколебательный мультивибратор, собранный на операционном усилителе (рис. 7.2, б) [9, 21]. Период колебаний выходного напряжения генератора зависит от величины емкости преобразователя C

(7.2)

и, соответственно, влажности материала.

Выходной сигнал детектора 3 регистрируется стрелочным прибором 4, а через компаратор 5 и усилитель 6 управляет электромеханическим устройством сортировки 7. Компаратор настраивается на уровень напряжения, соответствующего уровню влажности брака.

В связи с тем, что емкость преобразователя C зависит помимо влажности от температуры, плотности и сортимента заготовок (бук, дуб, сосна и т.д.), градуировка шкалы прибора должна осуществляться по образцам с известной влажностью с учетом сортимента заготовок и температурных условий проведения эксперимента.

Амплитуда выходного напряжения генератора также зависит от величины емкости C и коэффициентов передачи цепей положительной (R1, R2) и отрицательной (R0) обратной связи. При незаполненном емкостном преобразователе значение выходного напряжения составляет UВЫХ = 4 В, а при заполненном деревянными заготовками различной влажности UВЫХ изменяется около значения 9 В.

На рис. 7.3 показана структурная схема цифрового прибора контроля влажности [110]. Измерительный преобразователь 1 представляет собой конденсатор, установленный на деревообрабатывающем станке. При этом низкопотенциальной пластиной конденсатора является станина станка. Преобразователь 1 включен во времязадающую цепь генератора 2, на выходе которого образуются прямоугольные импульсы напряжения, поступающие на счетчик 4 через ключ 3. Частота импульсов напряжения зависит от емкости конденсатора, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности.

Бесконтактные переключатели 5 и 6 установлены на торцах измерительного преобразователя 1 и служат для определения положения исследуемого образца относительно измерительного преобразователя 1.

Рис. 7.3. Структурная схема цифрового прибора контроля влажности

При движении образца по станочной линии возможны четыре его положения относительно измерительного преобразователя: образец находится вне измерительного преобразователя (рис. 7.4, а, интервал времени t1 – t2 на рис. 7.5), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (рис. 7.4, б, интервал времени t2 – t3 на рис. 7.5), образец заполняет измерительный преобразователь полностью (рис. 7.4, в, интервал времени t3 – t5 на рис. 7.5), внутри измерительного преобразователя находится часть образца (рис. 7.4, г, интервал времени t5 – t6 на рис. 7.5). Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6 (рис. 7.5, а, б) и логическому нулю на выходе компаратора 8 (рис. 7.5, в), представляющего собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 1 (момент времени t1 на рис. 7.5). В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7, работа которого поясняется рис. 4.5, г, замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник постоянного напряжения 10. Коммутатор 9 срабатывает от фронтов и срезов импульсов, поступающих на их входы. В результате этого счетчик импульсов микроконтроллера 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f1, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 1 (рис. 7.5, д), а на выходе интегратора 12 образуется линейно падающее напряжение (рис. 7.5, е)

(7.6)

где U10 – напряжение на выходе источника напряжения 10; τ – постоянная интегрирования интегратора 12.

Момент времени t2 соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (рис. 7.5, г) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов микроконтроллера 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (рис. 7.5, д), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (рис. 5, е)

(7.7)

а б

в г

Рис. 7.4. К пояснению работы бесконтактных переключателей

Рис. 7.5. Временные диаграммы, поясняющие работу прибора контроля влажности

Момент времени t3 соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 5 и 6, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 1. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 7 (рис. 7.5, г) замыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 источник постоянного напряжения 11 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов микроконтроллера 4 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 2 с частотой f2, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 1 (рис. 7.5, д), а на выходе интегратора 12 образуется линейно возрастающее напряжение (рис. 7.5, е)

(7.8)

где U11 – напряжение на выходе источника напряжения 11.

Момент времени t4 соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 8 (рис. 7.5, в), означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 12. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 7 (рис. 7.5, г) размыкает ключ 3 и подключает к интегратору 12 через четырехвходовый коммутатор 9 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов микроконтроллера 4 перестают поступать импульсы от генератора 2 (рис. 7.5, д), а на выходе интегратора 12 образуется постоянное напряжение (рис. 7.5, е)

(7.9)

Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов микроконтроллера 4 за время Δt1 = t2 – t1 через переменную N1 = Δt1f1, а за время Δt2 = t4 – t3 через переменную N2 = Δt2f2, получим

(7.10)

Момент времени t5 соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 5, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 1 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.

Начиная с момента времени t6 работа измерителя повторяется, но уже для следующего образца.

По результатам измерения микроконтроллер 4 управляет устройством сортировки 13.

Из формулы (7.10) видно, что цифровой код N2, связанный с влажностью объекта контроля, зависит от отношения частот импульсов автогенератора при заполненном и пустом преобразователе. Это позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности контроля, связанную с нестабильностью параметров автогенератора. Кроме того, результат контроля влажности представляется в цифровом виде, поэтому может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

На рис. 7.6 показана структурная схема цифрового прибора для контроля влажности [60, 105, 111].

Рис. 7.6. Структурная схема цифрового прибора контроля влажности

Первичным измерительным преобразователем является емкостный преобразователь 1, установленный на деревообрабатывающем станке. При этом низкопотенциальной пластиной конденсатора является станина станка. Преобразователь 1 включен во времязадающую цепь генератора 2, на выходе которого образуются прямоугольные импульсы напряжения. Частота этих импульсов зависит от емкости преобразователя, пропорционально связанной с диэлектрической проницаемостью образца, которая в свою очередь зависит от влажности. Бесконтактные переключатели 4 и 5 установлены на торцах преобразователя 1 и служат для определения положения исследуемого образца относительно преобразователя 1.

Рис. 7.7. К пояснению работы бесконтактных переключателей

Рис. 7.8. Временные диаграммы, поясняющие работу прибора

При движении образца по станочной линии возможны четыре его положения относительно емкостного преобразователя: образец находится вне емкостного преобразователя (рис. 7.7, а, интервал времени t1 – t2 на рис. 7.8), внутри емкостного преобразователя находится часть образца (рис. 7.7, б, интервал времени t2 – t3 на рис. 7.8), образец заполняет емкостный преобразователь полностью (рис. 7.7, в, интервал времени t3 – t4 на рис. 7.8), внутри емкостного преобразователя находится часть образца (рис. 7.7, г, интервал времени t4 – t5 на рис. 7.8).

Контроль влажности образца происходит в интервал времени t3 – t4, когда образец заполняет емкостный преобразователь полностью. Это соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 4 и 5 (рис. 7.8, а, б) и уровню логической единицы на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 6 (рис. 7.8, в). В момент времени t3 логический элемент ИЛИ-НЕ 6 устанавливает на разрешающем входе генератора 2 логический уровень напряжения, разрешающий генерирование, и запускает два внутренних счетчика микроконтроллера 3. Первый счетчик предназначен для счета импульсов генератора 2, второй счетчик – для счета тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 3 (рис. 7.8, г, рис. 7.8, д). В момент времени t4 на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ 6 (рис. 7.8, в) устанавливается уровень логического нуля, микроконтроллер 3 останавливает оба внутренних счетчика, в которых к этому моменту формируются двоичные коды N и M. Двоичный код M на выходе второго счетчика микроконтроллера 3 пропорционален емкости преобразователя с образцом, а, следовательно, связан с влажностью образца

M = NT1/T2, (7.11)

где N – количество периодов генератора 2, подсчитанных первым счетчиком; T1 – период следования прямоугольных импульсов генератора 2, прямо пропорционально связанный с емкостью преобразователя 1 с образцом; T2 – период следования тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 3, равный периоду следования прямоугольных импульсов генератора 2 при незаполненном преобразователе. По двоичному коду M микропроцессор микроконтроллера 3 находит в памяти значение влажности образца и управляет устройством сортировки 7. В памяти микроконтроллера должна находиться градуировочная характеристика для определения влажности по двоичному коду M.

Таким образом результат контроля выражается формулой (7.11), откуда видно, что цифровой код M, связанный с влажностью объекта контроля, зависит от отношения периодов следования импульсов генератора при заполненном и пустом емкостном преобразователе. Это позволяет компенсировать мультипликативную составляющую погрешности контроля, связанную с нестабильностью параметров генератора. Кроме того, результат контроля влажности представляется в цифровом виде, поэтому может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

На рис. 7.9 показана структурная схема автоматизированной цифровой системы двухчастотного контроля влажности древесины, которая состоит из емкостного преобразователя 1, подключаемого при помощи двухконтактного переключателя 2 во времязадающие цепи генераторов 3 и 4, микроконтроллера 5 и устройства сортировки 6.

Рис. 7.9. Структурная схема автоматизированного цифрового двухчастотного влагомера древесины

Микроконтроллер 5 в начале измерения подключает емкостный преобразователь 1 во времязадающую цепь генератора 3 через двухконтактный переключатель 2, устанавливает на разрешающем входе генератора 3 логический уровень напряжения, разрешающий генерирование, и запускает два внутренних счетчика. Первый счетчик предназначен для счета импульсов генератора 3, второй счетчик – для счета тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 5.

При переполнении первого счетчика микроконтроллер 5 останавливает второй счетчик, в котором к этому моменту формируется двоичный код N1. Двоичный код N на выходе второго счетчика микроконтроллера 5 пропорционален емкости преобразователя с образцом, а, следовательно, связан с влажностью образца

(7.12)

где N – количество периодов генератора 3, подсчитанных первым счетчиком, задается программным способом, что позволяет управлять разрешающей способностью измерительного устройства; T1 – период следования прямоугольных импульсов генератора 3, прямо пропорционально связанный с емкостью преобразователя с образцом древесины; T – период следования тактовых импульсов внутреннего генератора микроконтроллера 5. Далее микроконтроллер 5 подключает емкостный преобразователь 1 во времязадающую цепь генератора 4 через двухконтактный переключатель 2 и процесс измерений повторяется. Результат измерений

(7.13)

где T2 – период следования прямоугольных импульсов генератора 4.

По цифровым кодам N1 и N2 микроконтроллер 5 вычисляет значение комбинирующей функции G(N1, N2) и управляет устройством сортировки 6. Выбор комбинирующей функции и частот комбинируемых методов производится по экспериментальным частотно-влажностным характеристикам с позиции полной или частичной компенсации температурной погрешности в заданном диапазоне влажности. При этом необходимо добиться максимальной чувствительности комбинирующей функции к влажности в этом диапазоне.

Очевидно [3, 104, 106], что оптимальный режим сушки древесины может быть реализован с помощью системы автоматического управления технологическим процессом. Кроме того, система управления позволяет оптимизировать процесс сушки по целевой функции – минимальному потреблению энергии.

Состояние материала в процессе диэлектрической сушки характеризуется несколькими параметрами: температурой Θ древесины, ее влажностью W и технологическими показателями H. Параметры Θ и W между собой взаимосвязаны и оказывают влияние на технологические показатели H. Следовательно, система управления должна в течение технологического процесса управлять двумя взаимозависимыми параметрами с минимальными энергетическими затратами. Для повышения качества выпускаемой продукции необходима информация о начальном состоянии древесины, а также температуре и влажности древесины в течение всего процесса. Все поставленные задачи управления процессом сушки древесины могут быть решены с помощью цифровой системы управления (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Структурная схема цифровой системы управления сушкой древесины

Цифровая система управления сушкой древесины содержит генератор высокой частоты 1, измерительный преобразователь 2, конденсатор диэлектрического нагрева 3, микроконтроллер 4, измерительный конденсатор 5 и диэлькометрический влагомер 6. Блоки 1, 2 и 3 представляют собой упрощенную модель установки диэлектрического нагрева. С помощью измерительного преобразователя 2, включенного в силовую электрическую цепь, сравнительно просто могут быть измерены активная (потребляемая) Р и реактивная Q мощности, что позволяет получать информацию об удельных энергетических затратах и управлять режимом сушки материала. По измеренной влагомером 6 влажности W и электрическим величинам Р и Q микроконтроллер 4 подстраивает мощность высокочастотного генератора для обеспечения оптимального режима сушки. В памяти микроконтроллера должны находиться зависимости влажности и температуры древесины от времени при оптимальном режиме сушки.

Проведем сравнительный анализ приведенных структурных схем информационно-измерительных систем контроля влажности. Достоинствами схемы на рис. 7.2 является автоматизация процесса контроля, возможность контроля влажности на потоке и простота функциональной схемы. Достоинствами схем на рис. 7.3 и 7.4 является обработка сигналов измерительного преобразователя в цифровой форме. Использование принципа двухтактного интегрирования [91] позволяет компенсировать мультипликативную составляющую статической погрешности измерений. Кроме того, наличие в системе обработки информации современных микропроцессорных устройств позволяет достаточно просто вводить блоки коррекции динамической погрешности, возникающей вследствие поточного контроля влажности. Возможность программирования микропроцессорных устройств [46] позволяет производить контроль влажности различного сортимента образцов древесины.

К недостаткам схемы на рис. 7.2 относится аналоговая форма обработки сигналов на протяжении всего тракта измерений. При этом возникает дополнительная составляющая инструментальной погрешности, связанная с влиянием амплитудных факторов на процесс контроля. Кроме того для схем на рис. 7.2, 7.3, 7.6 существенным недостатком является свойственная для всех однопараметровых методов сложность учета влияющих на измерения факторов, а именно анизотропии и температуры древесины. Введение блоков коррекции возникающих вследствие этого погрешностей приводит к значительному усложнению измерительных схем. Приведенные недостатки могут быть устранены использованием комбинированного метода контроля влажности (схема на рис. 7.9). За счет различного влияния температуры и анизотропии на диэлектрические параметры древесины, измеренные на различных частотах, достигается полная или частичная компенсация температурной составляющей методической погрешности контроля.