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,

5.4.5. Комбинированный оптико-диэлькометрический метод контроля влажности

Для решения данной задачи может быть применен комбинированный метод контроля влажности древесины основанный на оптическом и диэлькометрическом принципах измерения влажности.

Оптический метод контроля влажности основан на сравнительном измерении отражательной способности материала на двух длинах волн инфракрасного диапазона, из которых первая длина волны соответствует интенсивной абсорбции воды, а на другой длине волны излучения вода абсорбирует слабо. Отраженные потоки лучистой энергии преобразуются в электрические сигналы, соотношение которых пропорционально влажности объекта. Данный метод позволяет измерить влажность поверхностного слоя в материале.

Диэлькометрический метод измерения влажности является одним из самых распространенных. Одной из его разновидностей является емкостный метод, основанный на измерении емкости конденсаторного датчика, которая зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого материала. Данный метод позволяет измерить среднеинтегральную влажность материала. Интегральная же оценка не позволяет оценить неравномерность влажности по глубине материала.

Для оценки неравномерности влажности по глубине материала может быть применен цифровой поточный прибор контроля влажности древесины, работа которого основана на оптическом и диэлькометрическом принципе измерения влажности.

На рис. 5.8 представлена блок-схема цифрового поточного прибора контроля влажности древесины [112]:

Рис. 5.8. Блок-схема цифрового поточного прибора контроля влажности древесины: I – схема обработки измерительной информации, полученной при помощи оптического метода; II – схема обработки измерительной информации, полученной при помощи диэлькометрического метода; III – вычислительный блок

Излучение от источника излучения 1 через составной светофильтр 2, выполненный из двух светофильтров, один из которых является опорным и пропускает излучение при слабой абсорбции воды с длиной волны λ1 = 1,75 мкм, а другой является измерительным и пропускает излучение при интенсивной абсорбции с длиной волны λ2 = 1,95 мкм, попадает на фотопреобразователь 5 из сернистого свинца с токовой чувствительностью S1, преобразующий поток излучения FО в электрический ток i = S1·FО. Электрический сигнал с фотопреобразователя 5 поступает на первый усилитель фототока 6, которым усиливается до величины

(5.76)

где RН – сопротивление нагрузки фотопреобразователя.

Сигнал с генератора тактовых импульсов 12 с частотой f поступает на делитель частоты 13 с коэффициентом деления n. Сигнал с делителя частоты 13, имеющий частоту f/n и период Т = n/f, поступает на усилитель мощности 4. Переменное напряжение с усилителя мощности 4 поступает на электродвигатель 3, который вращает составной светофильтр 2. Светофильтр 2 в течение полупериода Т1 пропускает отраженный от измеряемого объекта поток излучения FО, соответствующий опорной длине волны λ1. Это условие достигается подбором положения светофильтра 2 относительно оси электродвигателя 3. При вращении светофильтра 2 на выходе первого усилителя фототока 6 образуется импульсный сигнал.

На рис. 5.9 представлена временная диаграмма, поясняющая работу I блока

В течение промежутка времени Т1 сигнал с делителя частоты 13 поступает на управляющий вход двухвходового коммутатора 7, который на это время подключает первый усилитель фототока 6 к интегратору 9 с постоянной времени Ти, на выходе которого образуется линейно возрастающее напряжение. Напряжение на выходе интегратора 9 в конце промежутка времени Т1 определяется с помощью выражения:

. (5.77)

Рис. 5.9. Временная диаграмма работы оптического блока

В момент времени Т1 происходит переключение двухвходового коммутатора 7 и установка триггера 11 в единичное состояние с помощью сигнала от делителя частоты 13. В течение промежутка времени Т1 – Т светофильтр 2 пропускает отраженный поток Fи, соответствующий измерительной длине волны λ2, а двухвходовой коммутатор 7 на это время между усилителем фототока 6 и интегратором 9 подключает инвертирующий усилитель 8, на выходе которого присутствует напряжение:

(5.78)

На выходе интегратора 9 образуется линейно убывающее напряжение

(5.79)

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 9 срабатывает компаратор 10, который переводит триггер 11 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора 10, т.е. промежуток времени, в течение которого триггер 11 находится в единичном состоянии через переменную Т2, выразим напряжение на выходе интегратора 9 в момент срабатывания компаратора 10:

(5.80)

Откуда

(5.81)

т.е. длительность импульса на выходе триггера 11 определяется влажностью объекта.

Выход триггера 11 подключен к управляющему входу ключа 14, соединяющего генератор тактовых импульсов 12 со счетчиком импульсов 15. Фотоэлементный датчик положения 17 образца соединен со вторым усилителем фототока 18, который соединен с третьим входом триггера 11. Логическая единица на третьем входе триггера 11 означает отсутствие образца в измерителе. Счетчик импульсов 15 соединен с запоминающим устройством 16.

Уровень сигнала, соответствующий логической единице на выходе бесконтактных переключателей 23 и 24 и логическому нулю на выходе компаратора 26, означает отсутствие образца в измерительном преобразователе 19. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 25 замыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 источник напряжения 28. В результате этого счетчик импульсов 22 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 20 с частотой f1, соответствующей незаполненному измерительному преобразователю 19, а на выходе интегратора 30 образуется линейно падающее напряжение:

(5.82)

где U28 – напряжение на выходе источника напряжения 28; τ – постоянная интегрирования интегратора 30.

На рис. 5.10 представлена временная диаграмма, поясняющая работу II блока.

Момент времени t2 соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактного переключателя 23, означающему частичное заполнение образцом измерительного преобразователя 19. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 25 размыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 22 перестают поступать импульсы от генератора 20, а на выходе интегратора 30 образуется постоянное напряжение:

(5.83)

Рис. 5.10. Временная диаграмма работы диэлькометрического блока

Момент времени t3 соответствует уровню логического нуля на выходе бесконтактных переключателей 23 и 24, означающему полное заполнение образцом измерительного преобразователя 19. В этот момент времени происходит следующее. Фронт импульса с выхода логического устройства 25 замыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 источник напряжения 29 отрицательной полярности. В результате этого счетчик импульсов 22 начинает считать импульсы, поступающие от генератора 20 с частотой f2, соответствующей заполненному измерительному преобразователю 19, а на выходе интегратора 30 образуется линейно возрастающее напряжение:

(5.84)

где U29 – напряжение на выходе источника напряжения 29.

Момент времени t4 соответствует уровню логической единицы на выходе компаратора 26, означающей равенство нулю напряжения на выходе интегратора 30. В этот момент происходит следующее. Срез импульса с выхода логического устройства 25 размыкает ключ 21 и подключает к интегратору 30 через коммутатор 27 нулевое напряжение. В результате этого на счетчик импульсов 22 перестают поступать импульсы от генератора 20, а на выходе интегратора 30 образуется постоянное напряжение

(5.85)

Обозначив число импульсов, поступивших на счетчик импульсов 22 за время Δt1 = t2 – t1 через переменную N1 = Δt1 f1, а за время Δt2 = t4 – t3 через переменную N2 = Δt2 f2, получим

N2 = N1(f2 /f1)(U28 /U29).

Момент времени t5 соответствует уровню логической единицы на выходе бесконтактного переключателя 23, означающему частичное заполнение измерительного преобразователя 19 образцом, однако никаких изменений предыдущего состояния при этом не происходит.

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

Запоминающее устройство 16, счетчик импульсов 22 и блок принятия решения 31 составляют III вычислительный блок, позволяющий производить сравнение поверхностной и средней по сечению влажности материала.

На рис. 5.11 представлен алгоритм принятия решения.

Входы блока принятия решения W1 и W2 неравнозначны и характеризуются весовыми коэффициентами k1 и k2, определяющими важность поступающей по ним информации.

Сначала производится сравнение величин влажности W1 и W2, измеренных при помощи оптического и диэлькометрического методов. Если измеренные величины отличаются более чем на заданную величину δW, определяемую требованиями к категории качества сушки, подается команда на устройство сортировки, и данный образец отбраковывается и отправляется на досушку.

Рис. 5.11. Алгоритм принятия решения

Если измеренные величины влажности отличаются менее чем величину δW, то производится определение уточненного показателя через весовые коэффициенты:

(5.86)

Коэффициенты k1 и k2 находятся экспериментально для различных сортов древесины.

Уточненное значение влажности сравнивается с требуемым значением конечной средней влажности WТРЕБ, и если условие W ≤ WТРЕБ не выполняется, данный образец отбраковывается и отправляется на досушку. Значение измеренной влажности выводится на индикатор блока принятия решения 31.

Комбинация двух методов измерения влажности, а именно оптического, позволяющего измерять влажность на поверхности, и диэлькометрического, измеряющего среднюю влажность, позволяет косвенно определить неравномерность влажности.

Необходимо отметить, что этот способ на основе комбинации двух методов может быть реализован с помощью нейросетевых технологий, поскольку задание коэффициентов k1 и k2 целесообразно определять по результатам проведения экспериментов, т.е. выполнять операции обучения. При этом нейрокомпьютер будет учитывать неидеальные свойства датчиков: неравномерность распределения влаги по объему для конденсаторного датчика и неравномерность распределения поверхностной влажности для оптического датчика.

Таким образом, техническая реализация двух физических принципов измерения влажности расширяет потенциальные возможности и улучшает технические характеристики приборов контроля влажности древесины.

Оценим точность предложенной системы, реализующей оптико-диэлькометрический метод контроля влажности.

На рис. 5.12 изображена структурная функциональная схема диэлькометрического блока цифрового прибора для измерения влажности.

Рис. 5.12. Структурная схема диэлькометрического блока измерения влажности

Звено 1 описывает преобразование влажности W в емкость конденсаторного датчика с образцом С, которая связана с диэлектрической проницаемостью образца ε(W). Звено 2 представляет собой автоколебательный мультивибратор (рис. 5.13), на выходе которого получают импульсы прямоугольной формы с частотой, зависящей от емкости. Звеном 3 является аналого-цифровой преобразователь частоты, которая поступает на цифровой вход микроконтроллера 4. Программа работы микроконтроллера базируется на экспериментально определенной зависимости W(f) по образцам с известной влажностью для различных пород древесины D. Выходной сигнал микроконтроллера управляет устройством сортировки 5.

Источниками погрешностей цифрового влагомера являются: для звена 1 – изменение неинформативных свойств материала (температура, плотность и т.д.); для звена 2 – нестабильность параметров пассивных элементов R и C в составе автоколебательного мультивибратора; для звена 3 – неточность установки номинала частоты fo опорного генератора, временная и температурная нестабильность, отсутствие синхронизации сигнала частоты f с сигналом частоты fo, преобразование непрерывной величины, а именно частоты f, в дискретную величину, т.е. погрешность дискретизации; для звена 4 – погрешность алгоритма работы микроконтроллера, обусловленная расчетами с плавающей запятой.

Рис. 5.13. Принципиальная схема RC-генератора

Проанализируем инструментальную погрешность цифрового влагомера, т.е. погрешности звеньев 2, 3 и 4 структурной схемы.

Частота выходного сигнала мультивибратора:

(5.87)

Выражение для суммарной погрешности измерения частоты, вызванное изменением параметров пассивных элементов схемы, с доверительной вероятностью Pд = 0,9 имеют следующий вид [63]:

(5.88)

(5.89)

(5.90)

(5.91)

(5.92)

Для выявления погрешностей звена 3 рассмотрим аналого-цифровой преобразователь частоты [36] (рис. 5.14).

Сигнал прямоугольной формы частоты подается с выхода мультивибратора на один из двух входов логического элемента DD. На другой вход подается импульс, имеющий заданную длительность Δτ0. Он получается на выходе делителя частоты: FR, который делит в k раз опорную частоту сигнала прямоугольной формы, вырабатываемого генератором импульсов G. На выходе логического элемента DD образуется сигнал, переходы которого от состояния 0 к 1 на интервале Δτ0 подсчитываются счетчиком импульсов СТ.

а

б

Рис. 5.14. Структурная схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) аналого-цифрового преобразователя частоты

Без учета погрешностей в соответствии с рис. 5.14, б можно записать

(5.93)

где Т – период входного сигнала. Отсюда

(5.94)

где q – квант, т.е. значение единицы дискретности преобразователя.

Можно выделить три источника погрешностей аналого-цифрового преобразователя частоты:

а) отличие Δq кванта от номинального значения qном из-за ухода частоты f0 от номинального значения f0ном на Δf0 из-за неточности установки номинала, временной и температурной нестабильности и т.д., т.е.

q = qном(1 + δfо), (5.95)

где δfо = Δq/q = Δf0/f0ном – относительная погрешность генератора импульсов.

б) отсутствие синхронизации сигнала частоты f с сигналом частоты f0; максимальная абсолютная погрешность, обусловленная этим фактором, составляет ±0,5q;

в) преобразование непрерывной величины, а именно частоты f, в дискретную величину qN, т.е. погрешность дискретности, максимальное абсолютное значение которой также составляет ±0,5q.

Последние два фактора вместе обусловливают максимальное абсолютное значение погрешности DN = ±q. Погрешности, вызванные этими факторами, имеют равномерный закон распределения при нулевом математическом ожидании.

Суммарная средняя квадратичная погрешность и доверительный интервал суммарной погрешности аналого-цифрового преобразователя частоты:

(5.96)

(5.97)

где

Поскольку на вход микроконтроллера частота f поступает в виде цифрового кода N, то его погрешность обусловлена только операциями программы с плавающей запятой при расчете влажности по экспериментальной зависимости W(f).

Относительная погрешность диэлькометрического блока измерения влажности с учетом выражений (5.88) и (5.97), а также погрешности микроконтроллера, имеет вид:

(5.98)

Оценим инструментальную погрешность диэлькометрического блока измерения влажности при следующих параметрах R0 = 100 кОм; R1 = 10 кОм; R2 = 1,6 кОм; С = 300 пФ; f0 = 50 Гц; k = 10.

Используя формулы (4.87)–(4.92), (4.97), (4.98), получим: f = 6400 Гц; Относительная инструментальная погрешность составляет

На рис. 5.15 изображена структурная функциональная схема оптического блока цифрового прибора для измерения влажности.

Рис. 5.15. Структурная схема оптического блока измерения влажности

Выходной сигнал оптического блока измерения влажности:

(5.99)

где Fλ1, Fλ2 – потоки излучения на опорной и измерительной длинах волн, отраженные от контролируемого объекта; k1, k2 – коэффициенты поглощения на опорной и измерительной длинах волн; kp – коэффициент пропорциональности.

Основными источниками погрешностей являются изменения интенсивностей опорного и измерительного потоков и погрешность делителя. С учетом этого получим:

(5.100)

где δk1, δk2 – относительные мультипликативные погрешности опорного и измерительного каналов; Δy1, Δy2 – абсолютные аддитивные погрешности опорного и измерительного каналов; δд – относительная мультипликативная погрешность делителя.

Погрешность, приведенная ко входу оптического блока и найденная методом бесконечно малых приращений высшего порядка:

(5.101)

где α0*, αλ* – коэффициенты, характеризующие чувствительность опорного и измерительного потоков излучения к измерению влажности.

В рабочих условиях эксплуатации выходной сигнал Uвых зависит не только от информативного параметра – влажности W, но и от неинформативных параметров – температуры окружающей среды tокр, температуры контролируемой среды t, напряжения питания Uсс, концентрации неинформативных параметров ξ (шероховатости). Следовательно, выходной сигнал и коэффициент отражения являются функциями внешних факторов и неинформативных параметров:

(5.102)

где Uн – номинальное значение выходного сигнала при нормальных условиях; Aξ – коэффициент влияния внешних факторов на выходной сигнал, определяемый экспериментально.

При нормальных условиях ξ = ξ0; tокр = tокр0; Aξ = 1 коэффициент отражения:

(5.103)

где KW – коэффициент, характеризующий относительное изменение коэффициента отражения от контролируемой среды на единицу влажности W.

Относительная приведенная к диапазону измерения характеристика случайной погрешности σi при нормальных условиях описывается выражением:

(5.104)

где SW = dUвых/dW – чувствительность блока к изменению влажности; σ2Wi = D[Uвых] – дисперсия выходного сигнала.

Характеристика случайной погрешности для логометрической структурной схемы:

(5.105)

(5.106)

γ = (W – Wmin)/(Wmax – Wmin); (5.107)

Zmax = KW·(Wmax – Wmin), (5.108)

где R – коэффициент взаимной корреляции сигналов опорного U1 и измерительного U2 каналов; δш = σш/M[Uш] – относительная погрешность, обусловленная электрическими шумами; δU – относительная погрешность, обусловленная фотоэлектрическим сигналом, причем относительная погрешность δU одинакова для опорного и измерительного каналов и не зависит от их уровня:

δU = σ1/M[U1] = σ2/M[U2], (5.109)

где σ1 = D[U1], σ2 = D[U2] – дисперсии опорного и измерительного сигналов соответственно; M[U1], M[U2] – математические ожидания опорного и измерительного сигналов соответственно; σш, M[Uш] – дисперсия и математическое ожидание, обусловленные сигналом шумов Uш.

Относительная погрешность обратного преобразователя (устройства, реализующего отношение):

δкос = σкос/M[Кос], (5.110)

где σкос = D[Кос] – дисперсия коэффициента обратной связи делителя M[Кос] – математическое ожидание коэффициента обратной связи делителя.

Относительная погрешность, обусловленная нестабильностью источником опорного напряжения:

δUоп = σUоп/M[Uоп], (5.111)

где σUоп = D[Uоп] – дисперсия опорного напряжения; M[Uоп] – математическое ожидание опорного напряжения.

Относительная погрешность оптического блока измерения влажности с учетом выражений (5.109)–(5.111), имеет вид:

(5.112)

Оценим инструментальную погрешность оптического блока измерения влажности. При нормальных условиях tокр = tокр0; коэффициенте влияния внешних факторов Aξ = 1 и коэффициенте взаимной корреляции сигналов опорного и измерительного каналов R = 0,98 относительная погрешность оптического блока измерения влажности составляет 0,07 %, что соответствует абсолютной погрешности не более 0,65 % в диапазоне измеряемых влажностей от 4 до 9 %.