В. В. Богачук, Б. І. Мокін

Вольфрамова нитка

ЛінзаФотоприймач ФД1

Фільтр Ф1

Фотоприймач ФД2

Фільтр Ф2

Скло

Об’єкт що

досліджується

l1

l2

ββ

S

α

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ

ВИМІРЮВАЛЬНОГО

КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ

ПОРОШКОПОДІБНИХ

МАТЕРІАЛІВ

Об’єкrn контролю

ФП2 ФП1

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

В. В. Богачук, Б. І. Мокін

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ

ВИМІРЮВАЛЬНОГО

КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ

ПОРОШКОПОДІБНИХ МАТЕРІАЛІВ

Монографія

УНІВЕРСУМ-Вінниця

2008

УДК 681.7.08

Б 73

Рецензенти:

В. Г. Петрук, доктор технічних наук, професор

В. М. Лисогор, доктор технічних наук, професор

Рекомендовано до видання Вченою радою Вінницького націо-

нального технічного університету Міністерства освіти і науки України

(протокол № 8 від 24 січня 2008 р.)

Богачук В. В., Мокін Б. І.

Б 73 Методи та засоби вимірювального контролю вологості

порошкоподібних матеріалів: Монографія. – Вінниця:

УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2008. – 141 с.

ISBN В монографії розглянуто питання вимірювального контролю воло-

гості порошкоподібних матеріалів. Особливу увагу приділено розробці ме-

тодів та створення на їх основі засобів безпервного контролю вологості

порошкоподібних матеріалів в умовах технологічного процесу їх виробни-

цтва. Розглянуто питання отримання основних метрологічних характерис-

тик вимірювального перетворення вологості в інфрачервоній області та

оцінювання невизначеності контролю запропонованими засобами.

Монографія розрахована на спеціалістів у галузі розробки засобів

вимірювального контролю, аспірантів та студентів старших курсів відпові-

дних спеціальностей.

УДК 681.7.08

ISBN

© В. Богачук, Б. Мокін, 2008

3

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ........................5

ВСТУП………………………………………………………….................6

1. АНАЛІЗ ВІДОМИХ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ КОНТРОЛЮ

ВОЛОГОСТІ ПОРОШКОПОДІБНИХ МАТЕРІЛІВ…….......................7

1.1. Особливості об’єкта контролю……......……............……….....…....7

1.2. Особливості вимірювального контролю вологості

порошкоподібних матеріалів у статиці та динаміці……........................8

1.3. Класифікація методів контролю вологості…………........................9

1.4. Порівняльний аналіз методів вимірювального контролю

вологості………….....................................................................................14

1.5. Аналіз оптичних засобів контролю вологості порошкоподібних

матеріалів…...............................................................................................28

1.5.1. Класифікація оптичних засобів контролю вологості…...............28

1.5.2. Порівняльна характеристика оптичних засобів контролю

вологості……………………..........……...................................................29

2. ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ’ЄКТА КОНТРОЛЮ ТА АНАЛІЗ

ПОСЛІДОВНОСТІ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ…………..40

2.1. Загальна характеристика об’єкта контролю....................................40

2.2. Дослідження математичної моделі процесу конвективної

сушки..........................................................................................................41

2.3. Розробка математичної моделі вимірювального

перетворювача….......................................................................................50

2.4. Дослідження основних статичних метрологічних

характеристик вимірювального перетворювача …………………...…60

2.4.1. Виведення рівняння перетворення ...............................................60

2.4.2. Виведення аналітичних залежностей для основних статичних

метрологічних характеристик..................................................................61

2.4.3. Виведення аналітичних залежностей для оцінювання

мультиплікативної похибки ……………………………........................63

3. РОЗРОБКА МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ

ПОРОШКОПОДІБНИХ МАТЕРІАЛІВ В ІНФРАЧЕРВОНІЙ

ОБЛАСТІ....................................................................................................66

3.1. Метод безпосереднього контролю вологості……………………..66

3.1.1. Суть методу безпосереднього контролю вологості ....................66

3.1.2. Структурна схема засобу та алгоритм вимірювального

контролю вологості ..................................................................................71

3.2. Відносний метод контролю………………………………...............78

3.2.1. Суть відносного методу контролю вологості ..............................78

3.2.2. Структурна схема засобу та адаптивний алгоритм

вимірювального контролю вологості .....................................................80

4

3.3. Оцінювання невизначеності вимірювань…………………….........87

3.3.1. Вимоги до оцінювання невизначеності вимірювань..................87

3.3.2. Методика та алгоритм оцінювання стандартної

невизначеності вимірювань......................................................................91

3.4. Оцінювання вірогідності контролю..........................……………....95

4. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ

ДОСЛІДЖЕННЯ.....................................................................................103

4.1. Методика проектування засобів вимірювального контролю…...103

4.2. Практична реалізація схем електричних принципових………....111

4.3. Метрологічні дослідження засобів вимірювального контролю..116

4.4. Результати експериментальних досліджень..................................121

ВИСНОВКИ ..............…..........................................................................128

ЛІТЕРАТУРА..............................………….............................................131

5

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ

АЦП

ВК

ДН

ДОН

ДС

ЗВТ

ЗЗВТ

ЗС

Л

ЛВ

ОК

ОПК

П

ПЗВТ

СКВ

ФП

Ф

D

G

HL

МСU

МХ

USB

Аналого-цифровий перетворювач

Вимірювальний канал

Джерело напруги живлення

Джерело опорної напруги

Джерело світла

Засіб вимірювальної техніки

Зразковий засіб вимірювальної техніки

Захисне скло

Лінза

Лічильник вимірювань

Об’єкт контролю

Опорний канал

Підсилювач

Повіряємий засіб вимірювальної техніки

Середнє квадратичне відхилення

Фотоприймач

Світлофільтр

Вірогідність контролю

Генератор тактових імпульсів

Індикатор

Мікроконтролер

Мультиплексом

Інтерфейс з персональним комп’ютером

6

ВСТУП

Підвищення якості продукції, більш повне і раціональне вико-

ристання сировини, інтенсифікація процесів її переробки відноситься

до найбільш актуальних завдань, які стоять перед промисловістю

України. Одна з основних причин зупинки промислових підприємств

– це низька конкурентоспроможність продукції, що зумовлено перш

за все високою її собівартістю та низькою якістю через застарілі тех-

нології та відсутність засобів достовірного контролю основних техно-

логічних параметрів. В першу чергу це стосується підприємств харчо-

вої та переробної промисловості агропромислового комплексу. На

сьогоднішній день значну частину діючих підприємств цих галузей

складають молокопереробні заводи, заводи з виготовлення сухого мо-

лока. Але через згадані вище причини продукція їх є недостатньо які-

сною.

Параметрами, що характеризують якість сухого молока, є: масо-

ва частка вільного жиру в готовому продукті; відносна швидкість роз-

чинення сухого молока; коефіцієнт пористості; середній розмір части-

нок; ступінь кристалізації лактози. Але основним технологічним па-

раметром якості сухого молока є масова частка вологи в готовому

продукті. В умовах виробництва цей параметр вимірюють у лаборато-

ріях термогравіметричним способом, що вимагає значних затрат часу,

а отже, робить неможливим оперативне керування технологічним

процесом сушки.

Відомі засоби контролю вологості порошкоподібних матеріалів,

до яких відносяться сухі молочні продукти, є громіздкими, працюють

переважно в ручному режимі, мають низьку точність, достовірність та

швидкодію.

З огляду на викладене вище, очевидною є необхідність розвитку

методів вимірювального контролю вологості порошкоподібних мате-

ріалів та створення на їх основі засобів безперервного контролю воло-

гості в процесі їхнього виробництва, що і розглядається в монографії.

В основу монографії лягли матеріали наукових досліджень та їх

практичної реалізації, отримані В.В. Богачуком під час роботи над

кандидатською дисертацією, виконаною під керівництвом Б.І. Мокіна.

7

1. АНАЛІЗ ВІДОМИХ МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ КОНТРОЛЮ

ВОЛОГОСТІ ПОРОШКОПОДІБНИХ МАТЕРІАЛІВ

1.1. Особливості об’єкта контролю

Вода є складовою частиною багатьох органічних та неорганіч-

них матеріалів. Матеріали, які утворюються в природних умовах та

отримують в процесі виробництва, завжди містять у своєму складі ту

чи іншу кількість води, яка залежить як від здатності матеріалу пог-

линати (сорбувати) або утримувати на поверхні (адсорбувати) воду,

так і від умов, в яких це явище має місце.

Присутність води в матеріалах навіть у незначних кількостях

суттєво впливає на їх фізико-хімічні і електричні властивості. Це

пов’язано з особливими властивостями води, якій властива висока ді-

електрична проникність і здатність вибірково поглинати електромаг-

нітне і оптичне випромінювання.

Вплив води на електричні та фізичні властивості матеріалів за-

лежить також і від того, яким чином вода входить до структури мате-

ріалу. Відомо три основні форми зв’язку води з твердими матеріала-

ми: хімічна, фізико-хімічна і фізико-механічна 1 – 3.

В залежності від форми енергії зв’язку і виду матеріалу волога

може бути у вигляді вільної води, капілярно зв’язана (фізико-

механічний зв’язок), адсорбційно зв’язана (фізико-хімічний зв’язок)

та хімічно зв’язана.

Найсильніше утримується хімічно зв’язана вода (гідратна або

кристалогідратна). Адсорбційна вода утворюється в результаті впливу

молекулярного силового поля. На поверхні речовини під дією молеку-

лярного силового поля утворюється молекулярний шар, який найтіс-

ніше пов’язаний з поверхнею адсорбента. Капілярно-зв’язана вода

утворюється в мікро капілярах поглинанням води з вологого повітря

або безпосередньою взаємодією речовини з водою. Причиною виник-

нення такої форми зв’язку є капілярний тиск, обумовлений кривизною

поверхні рідини в капілярах. Така вода отримала назву гігроскопічної.

Маса гігроскопічної води, виражена у відсотках до загальної маси ма-

теріалу, називається вологістю.

Наявність декількох форм зв’язку води з речовиною ускладнює

процес кількісного контролю вологості; додаткові труднощі викликає

і те, що в ряді процесів одна форма зв’язку поступово переходить в

іншу. Різні методи вимірювання вологості по-різному реагують на

форми зв’язку вологи 2.

Номенклатура порошкоподібних або, що одне і те ж, сипучих

матеріалів, які є об’єктом контролю вологості, надзвичайно різномані-

8

тна як за хімічним складом, так і за електрофізичними властивостями.

Часто один і той же матеріал у процесі його переробки, пов’язаної на

останніх етапах із зневоднюванням, переходить з одного класу в ін-

ший, або з однієї межі класу на іншу 4.

В системі суха речовина–вода мають місце складні взаємодії.

Така система зовсім не являє собою суміш сухого концентрату і води,

а піддається при введенні вологи складному комплексу змін, що є на-

слідками як хімічних реакцій, так і процесів формування гідратних

молекул, фізичні властивості яких відрізняються від властивостей су-

хої речовини, так як і від властивостей води 4, 5. Отже, об’єктами

вологометрії сипучих матеріалів є капілярнопористі тверді тіла, неод-

норідні за складом та властивостями, заповнення вологою яких обу-

мовлюється декількома механізмами і приводить до утворення в них

макроскопічних областей з різними видами зв’язку води з речовиною,

а отже і з різною її кількістю 6 – 10. Нерівномірність розподілу воло-

ги по всьому об’єму матеріалу викликають також такі фактори, як на-

явність дефектів різних типів, широкий набір розмірів пор – від мак-

ропор через мезопори і мікропори до субатомних “пор” 9.

Сухому молоку, як об’єкту контролю, властиві всі перераховані

вище особливості. Слід лише додати, що основна складова частина

органічних речовин молока знаходиться в колоїдному стані. Вода

входить до складу цих колоїдних систем і зв’язана з ними різним чи-

ном: від вільного стану до хімічно зв’язаного. Основні компоненти

молока – казеїн, альбумін, жир, молочний цукор, солі – зв’язують різ-

ну кількість води 11. Це також викликає нерівномірність розподілу

вологи в об’ємі об’єкта контролю.

1.2. Особливості вимірювального контролю вологості

порошкоподібних матеріалів у статиці та динаміці

Властивостями сипучих матеріалів, як об’єктів контролю воло-

гості, пояснюється складність процесу вимірювання вологості та сво-

єрідність підходів до нього. Їх особливості слід враховувати при ви-

борі та розробці як методу, так і засобу контролю вологості експрес-

методами (у статиці) та у потоці (у динаміці).

Серед особливостей контролю вологості сипучих матеріалів у

статиці слід перш за все виділити те, що для визначення вмісту води в

матеріалі відбирають певну кількість проб цього матеріалу і вимірю-

ють частку води саме в цих пробах. При цьому на точність результатів

вимірювань окрім похибок, властивих безпосередньо методу, впливає

ще один фактор – неоднорідність матеріалу як по розподілу вологи в

усьому об’ємі, так і за складом та теплофізичними характеристиками.

9

Впливом цього фактора неможливо керувати, його можна лише вра-

ховувати. Про вміст вологи в матеріалі судять з середнього значення

вмісту води в пробах. В залежності від методу та засобу, яким вимі-

рюють вологість проби, матеріал піддається подрібненню або ущіль-

ненню, або і тому, й іншому, що приводить до виникнення додаткових

похибок результатів вимірювань.

Процес відбору проб, проведення аналізу та обробка результатів

вимагають тривалого часу, що робить неможливим оперативний кон-

троль вологості.

Контроль вологості сипучих матеріалів значно ускладнюється

обмеженістю стандартних зразків складу матеріалу, а також відсутніс-

тю такого параметра як “одиниця вологості” 9, за допомогою якого

можна було б судити про дійсні значення вологості речовини.

Якою високою б не була точність дискретних (одиничних) вимі-

рювань, забезпечити якісне управління технологічними процесами,

пов’язаними зі зміною вологості в матеріалі, в реальних виробничих

умовах неможливо, оскільки інформаційна ємність одиниці дискрет-

ного вимірювання (проби) мала в порівнянні з об’ємом матеріалу,

який піддається обробці за час вимірювання 4. Саме тому для авто-

матизованих систем керування процесами постає завдання розробки

методів та засобів контролю вологості в потоці.

Особливостями вимірювання вологості матеріалів у потоці є

безперервність контролю, безконтактність та неруйнівний вплив на

об’єкт вимірювання, велика інформаційна ємність методу, що пояс-

нюється відсутністю відбору проб матеріалу. Оскільки безпосеред-

ньому контролю вологості піддається весь об’єм (потік) матеріалу,

вплив такого фактора, як неоднорідність складу, властивостей та роз-

поділу вологи в ньому значно зменшується. При вимірюванні волого-

сті в потоці чутливість методу до коливань швидкості руху матеріалу,

товщини шару, температури повинна бути мінімальна.

1.3. Класифікація методів вимірювання вологості

Відомо багато методів вимірювання вологості [1 – 3]. Всі мето-

ди вимірювання вологості поділяють на прямі, коли матеріал ділять на

суху речовину і вологу, і непрямі, коли вимірюють зміну фізичних ве-

личин або властивостей об’єкта контролю, функціонально пов’язаних

з вологістю матеріалу. Непрямі методи вимагають попереднього калі-

брування з метою встановлення залежності між вологістю матеріалу

та інформативним параметром.

При використанні прямих методів безпосередньо вимірюваними

величинами є маса води в пробі (навісі) mв і маса проби m. За резуль-

10

татами вимірювань mв і m розраховують масову частку води в речови-

ні [9]:

%100m

mW В , (1.1)

або інші відносні величини, такі як об’ємна або молярна частка води,

що використовується в якості характеристики “вологісного” стану

твердих речовин.

За способом виділення води з речовини прямі методи, які вико-

ристовують у виробництві та в умовах лабораторії, діляться на метод

висушування (ваговий або гравіметричний), дистиляційний, екстрак-

ційний та хімічний.

Всі перераховані вище прямі методи визначення вологи вима-

гають тривалого часу вимірювання і достатньо складних технічних за-

собів, але при цьому їм властива досить мала похибка вимірювання,

що обумовлює їх використання в якості лабораторних і зразкових за-

собів контролю [2, 12 – 14].

Систематизацію прямих методів вимірювання вологості показа-

но на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Систематизація прямих методів вимірювання вологості

Прямі методи

вимірювання

вологості

Термограві-

метричні

Екстракційний

Дистиляційний

Хімічні

Повітряно-

теплове сушіння

Вакуумно-

теплове

сушіння

Сушіння

ІЧ-випроміню-

ванням

Сушіння

енергією НВЧ

Метод Фішера

Метод з

використанням

карбіду кальцію

11

Друга група – непрямі методи вимірювання вологості – об’єднує

цілий ряд різноманітних методів, в яких оцінювання вологості здійс-

нюється за оцінюванням зміни властивостей об’єкта контролю.

Слід зазначити, що в даний час остаточно не розроблено класи-

фікацію методів вимірювання вологості. Так, наприклад, у класифіка-

ціях, що наведені в [1 – 3, 14 – 17] є істотні розходження. У зв’язку з

цим, а також з огляду на те, що мова йде лише про методи вимірю-

вання вологості твердих та сипучих матеріалів, пропонується до не-

прямих методів віднести методи, перераховані нижче.

Найбільш поширеними серед непрямих методів вимірювання

вологості є електричні методи. В їх основу закладено пряме вимірю-

вання електричних параметрів матеріалу, які залежать від вмісту в

ньому вологи. Вимірювання вологості електричними методами можна

вважати миттєвою процедурою, що дає можливість з їх допомогою

автоматизувати процеси контролю вологості, а також створити систе-

ми автоматичного управління за вологістю для великої кількості тех-

нологічних процесів. Електричні методи вимірювання вологості поді-

ляють на кондуктометричні, діелькометричні та надвисокочастотні

(НВЧ) [1 – 3, 17, 18]. Як самостійний серед них, автори виділяють та-

кож ємнісний метод.

Кондуктометричні методи базуються на залежності питомої

провідності (питомого опору) матеріалу, виміряної на постійному

струмі або струмі промислової частоти, від вмісту вологи. Діапазон

вимірювання визначається областю гігроскопічності матеріалів, які не

проводять струм у сухому стані. Метод не застосовується для вимірю-

вання вологовмісту дуже сухих та дуже вологих матеріалів.

Значне розповсюдження отримали діелькометричні методи ви-

мірювання вологості, які полягають у вимірюванні діелектричної про-

никності і тангенса кута діелектричних втрат матеріалів і речовин у

широкому діапазоні частот – від звукових до НВЧ [2]. На відміну від

кондуктометричних, ці методи вимагають значно більших апаратних

затрат, але вони дозволяють вимірювати вологість дуже сухих та дуже

вологих матеріалів, забезпечують індикацію рідини в ізольованих ззо-

вні порожнинах та видають сигнал, пропорційний усередненому воло-

говмісту, в той час як кондуктометричний метод забезпечує індикацію

тільки місцевих включень вологи. На результат вимірювання вологос-

ті діелькометричним методом суттєво впливає щільність матеріалу.

Ємнісні методи вимірювання вологості засновані на значній різ-

ниці між діелектричною проникністю води (в80) та інших речовин

(2–5) [4, 19], що і дозволяє судити про вміст вільної води зі значен-

ня діелектричної проникності зволоженої речовини. Діелектрична

12

проникність зволоженої речовини вимірюється через ємність конден-

саторного сенсора, заповненого речовиною, що контролюється.

За використанням в промисловості високочастотна вологомет-

рія, яка працює в діапазоні близько 5103510

7 Гц, може конкурувати

з НВЧ-методом, частота поля хвиль якого знаходиться в діапазоні до

30 Ггц [17, 20]. Перевагами НВЧ-методів є: можливість безконтактно-

го вимірювання, висока чутливість і точність.

До класифікації НВЧ-методів різні автори підходять по-різному.

Так, в роботі [21] їх розділяють на дві групи методів: засновані на ви-

мірюванні діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних

втрат в залежності від вологи, і методи, що базуються на дослідженні

оптичних характеристик вологих матеріалів – коефіцієнта поглинання

та відбиття. В роботі [1] автор класифікує НВЧ-методи таким чином:

методи вільного простору (з використанням прохідної чи відбитої

хвилі), резонаторні і хвилевідні методи. Тут також виділено методи,

які не отримали широкого поширення у вологометрії: зондові, повер-

хневої хвилі, методи, засновані на повороті площини поляризації.

В першій з наведених класифікацій перераховано залежні від

вологості параметри матеріалу, які змінюються на високій частоті, в

другій наведено способи локалізації електромагнітного поля в матері-

алі, що контролюється. Але ні одна з них не дозволяє провести порів-

няльний аналіз і вибір методу з врахуванням особливостей матеріалу

та умов вимірювання.

Більш повну та обґрунтовану класифікацію НВЧ-методів дано в

роботі [21]. Тут класифіковано методи, виходячи з результатів взає-

модії магнітного поля з вологим матеріалом. Оскільки на цей резуль-

тат може впливати не лише вологість матеріалу, а й інші неінформа-

тивні параметри (товщина, поверхнева вологість, діапазон вимірю-

вання вологості та ін.), то при такій класифікації потенціально

з’явиться можливість врахування цих впливових величин. В основу

побудови покладено три класифікаційні ознаки. Найбільш загальним

результатом взаємодії електромагнітного поля НВЧ з вологим матері-

алом є виникнення відбитої від матеріалу хвилі та хвилі, що пройшла

через нього. Розподіл на методи, що використовують відбиту чи про-

хідну хвилі, і є першою класифікаційною ознакою.

Вологість матеріалу, від якої залежать його діелектричні харак-

теристики, впливає на параметри поля, що з ним взаємодіє. Розподіл

на методи по параметру електромагнітної хвилі, який вимірюється –

друга класифікаційна ознака. Отже, НВЧ-методи, що досліджують ві-

дбиту чи прохідну хвилю, в свою чергу можуть бути амплітудними,

фазовими або частотними. Можливі також комбінації цих методів.

13

В залежності від модифікації елемента, що використовується

для введення матеріалу в НВЧ-поле, перераховані вище методи мо-

жуть бути: хвилевідними, резонаторними, зондовими та методами ви-

мірювання у вільному просторі [17, 22].

Оптичні (оптометричні) методи полягають у дослідженні залеж-

ності оптичних властивостей матеріалів від їх вологовмісту. Для твер-

дих матеріалів використовуються інфрачервона і видима області спек-

тра [23]. Оптичні методи отримали широке використання, оскільки їх

характерною особливістю є безконтактність вимірювань, можливість

інтегральної оцінки вологості у великих об’ємах (велика інформацій-

на ємність методу) [4]. Останнє є важливою перевагою, оскільки в ре-

альних виробничих умовах завжди спостерігається нерівномірний ро-

зподіл вологи в об’ємі. Найбільш поширеним серед оптичних методів

є інфрачервоний метод.

Радіаційні (радіометричні) методи базуються в основному на

сучасних способах дослідження складу, структури і властивостей ре-

човини, що використовують взаємодію різних видів електромагнітних

коливань і ядерних випромінювань з об’єктом контролю. В радіомет-

ричних (ядерно-фізичних) методах використовуються різні види ядер-

них випромінювань (гама-промені, бета-частки, швидкі нейтрони) і

взаємодій (поглинання і розсіяння гама-, і бета-випромінювань, пруж-

не розсіяння швидких нейтронів). Так, наприклад, в основі гама-

методів лежить послаблення інтенсивності гама-випромінювань воло-

гою матеріалу в результаті розсіювання і поглинання атомами речо-

вини. Найбільш поширеними серед радіаційних методів є метод ядер-

ного магнітного резонансу (ЯМР), рентгенівський та нейтронний ме-

тод [2].

В основі ЯМР-методу лежить резонансне поглинання радіочас-

тотної енергії ядрами атомів водню (протонами) води при введенні

вологого матеріалу в постійне магнітне поле. Явище ЯМР пов’язано з

квантовими переходами між енергетичними рівнями атомних ядер, які

виникають у результаті взаємодії ядерного магнітного моменту з зов-

нішнім магнітним полем.

Рентгенівський метод характеризується високою чутливістю че-

рез сильне поглинання вологою рентгенівського випромінювання.

Метод використовується для дослідження розподілу вологи в об’ємі

зразка в процесі сушки або зволоження. Однак рентгенівський метод

заборонено для вимірювання вологості продуктів харчової промисло-

вості і сільського господарства.

Фізичною основою нейтронного методу вимірювання вологості

є явище гальмування швидких нейтронів при їх пружному зіткненні з

атомами речовини. Швидкі нейтрони втрачають частину своєї енергії і

14

перетворюються у повільні або теплові зі значно меншою енергією

[2]. При зіткненні з легкими атомами водню, втрата енергії може бути

досить значною [17]. Отже, нейтронні промені, які гальмуються ато-

мами водню, без перешкоджень проходять через елементи з великим

атомним номером. Це явище протягом багатьох років використовуєть-

ся для визначення вологовмісту в великих накопиченнях матеріалів,

переважно піску, будівельних матеріалів, шлаку, грунту і т.і. В якості

джерела нейтронів використовують ізотопні випромінювачі на базі

берилію.

Слід зазначити, що нейтронний метод, як і рентгенівський, за-

боронено використовувати для вимірювання вологості продуктів хар-

чової промисловості.

Механічні методи базуються на вимірюванні механічних харак-

теристик матеріалів, які змінюються зі зміною його вологості.

В основу теплофізичних методів покладена залежність від воло-

гості матеріалу його теплофізичних якостей – коефіцієнта теплопрові-

дності, питомої та об’ємної теплоємності, енергії фазового переходу

[17]. Оскільки перераховані властивості суттєво залежать від грану-

лометричного складу і пористості матеріалу, що досліджується, в бі-

льшості випадків необхідне градуювання вологоміра для конкретного

матеріалу. Але за допомогою теплофізичних методів можна досліджу-

вати динаміку зміни вологи для матеріалу.

Акустичні методи базуються на залежності акустичних власти-

востей матеріалу від вмісту в ньому вологи. Метод полягає у вимірю-

ванні значення поперечної і повздовжньої швидкості ультразвукової

хвилі.

Перераховані вище непрямі методи вимірювання вологості та їх

класифікацію наведено на рис. 1.2.

1.4. Порівняльний аналіз методів вимірювання вологості

Порівняємо особливості перерахованих методів і здійснимо ана-

ліз недоліків та переваг кожного з них з точки зору можливості їх за-

стосування для контролю вологості сипучих матеріалів, а саме сухого

молока.

Серед прямих методів оцінки вологості різноманітних матеріа-

лів на практиці основними залишаються термогравіметричні методи,

що базуються на виділенні води з речовини та вимірюванні її маси до

та після сушки. Найбільш поширеним є метод висушування, який по-

лягає в повітряно-тепловому сушінні зразка матеріалу до досягнення

рівноваги з навколишнім середовищем. Ця рівновага умовно вважа-

ється рівнозначною повному видаленню вологи.

15

Рис. 1.2. Класифікація непрямих методів вимірювання вологості

матеріалів

Непрямі методи

вимірювання

вологості

Механічні

Електричні

Радіаційні

Акустичні

Надвисокочастотні

Оптичні

Кондуктометричний Діелькометричний Ємнісний

ЯМР Рентгенівський Нейтронний

Інфрачервоний

Прохідної хвилі Відбитої хвилі

Вільного

простору

Хвилевідні

Резонаторні

Зондові

Вільного

простору

Хвилевідні

Резонаторні

Зондові

Теплофізичні

Прохідної

хвилі

Відбитої

хвилі

16

Для багатьох матеріалів, в тому числі сухого молока, цей метод

прийнято в якості стандарту [25, 26].

Сутність методу полягає у визначенні масової частки вологи ма-

теріалу шляхом вимірювання зменшення маси навіски матеріалу, ви-

сушеного до постійної ваги або протягом певного проміжку часу. На

практиці використовують висушування до постійної ваги. Сушіння

закінчують, якщо в результаті двох послідовних зважувань зразка от-

римано однакові або близькі значення. Оскільки швидкість виділення

вологи поступово зменшується, то вважається, що при цьому вида-

ляється вся волога, що містилась у зразку. Тривалість визначення во-

логості таким методом складає від декількох годин до доби і більше.

При цьому отримуються результати вимірювань, пов’язані з винесен-

ням проби на повітря для зважування з неминучим поглинанням воло-

ги з навколишнього повітря.

Для контролю вологості сухого молока в лабораторіях прийнято

використовувати висушування проби в сушильній шафі при темпера-

турі (1022)оС протягом 2,5 години або при температурі (1252)

оС

протягом 20–25 хвилин (прискорений метод). При цьому абсолютна

похибка вимірювань становить 0,5–0,8 % [25].

В основному термогравіметричний метод призначений для ви-

мірювання вологості одиничних проб і є непридатним у класичному

варіанті для оперативного, безперервного, а тим паче динамічного

контролю вологості, головним чином через велику тривалість сушки.

Для підвищення її швидкості процес слід вести при якомога більш ви-

соких температурах, але їх границя, як правило, обмежена інерційни-

ми властивостями приладів, які використовуються для сушки, або

складностями визначення початку термічного розкладу речовини. Іс-

нують способи скорочення тривалості сушки. Наприклад, нагрівання

проби матеріалу інфрачервоним (ІЧ) випромінюванням або енергією

надвисокої частоти (НВЧ), а також сушка під вакуумом [27, 28] до-

зволяють запобігти утворенню поверхневої водонепроникної плівки,

яка перешкоджає подальшому видаленню вологи.

Незважаючи на високу точність зважування, яка може складати

частки міліграмів, похибки вимірювання вологості термогравіметрич-

ними методами можуть бути значними. Це пояснюється тим, що не

завжди можливе повне випарювання вологи при сушці проби, в якій

може міститись так звана “зв’язана вода”, що важко видаляється з ма-

теріалу. Похибки можуть бути викликані також втратами вологи під

час попереднього подрібнення проби перед сушкою. Ці втрати особ-

ливо значні, якщо при подрібненні зразок нагрівають.

Термогравіметричному методу вимірювання вологості властиві

значні похибки, які залежать від інструментальної похибки приладів,

17

що використовуються для сушки і техніки висушування [29-31]. Так,

наприклад, результати вимірювання вологості залежні від тривалості

сушки, від температури і атмосферного тиску, при яких протікало су-

шіння. Температура має особливо велике значення при використанні

прискорених методів, коли зниження температури значно впливає на

кількість видаленої вологи. На результати висушування вплив мають

також форма і розміри блока і сушильної шафи, розподіл в ній темпе-

ратурного поля, швидкість руху повітря, можливість перенесення дрі-

бних частинок зразка та ін.

Методу висушування властивий ще один суттєвий недолік, що

обмежує його застосування для деяких матеріалів: при нагріванні мо-

жливий термічний розпад одних сполучень або окислення інших.

Аналіз науково-технічної літератури та патентний пошук вка-

зують на поширення використання при вимірюваннях вологості тер-

могравіметричними методами безконтактного нагріву проб енергією

НВЧ та ІЧ випромінювання [31]. Основними особливостями НВЧ на-

гріву є безінерційність, майже стовідсоткове перетворення НВЧ енер-

гії в тепло, що виділяється в речовині, висока швидкість та значна

глибина нагріву, можливість підведення НВЧ енергії до окремих діля-

нок матеріалу. Якісна відмінність ІЧ нагріву від НВЧ полягає в меха-

нізмі перетворення енергії випромінювання в тепло. ІЧ випроміню-

вання проникає в речовину на меншу глибину, ніж НВЧ, але зберігає

основну властивість безконтактного нагріву – високу швидкість.

Основні переваги НВЧ та ІЧ термогравіметричних методів поля-

гають в тому, що вони дозволяють проводити експресні вимірювання

вологості (в середньому час сушки становить 10–20 хв.) [32], операти-

вно змінювати параметри теплопідведення в процесі вимірювання, в

значній мірі автоматизувати вимірювання, чим практично виключити

вплив на результати вимірювань суб’єктивної похибки. Недоліками

цих методів є необхідність вибору режиму нагрівання для кожної кон-

кретної речовини (для запобігання виникненню хімічної реакції го-

ріння). Принциповим недоліком НВЧ нагріву є менша, ніж в інших

типів нагріву, здатність до видалення малих кількостей води з речови-

ни, оскільки в цьому випадку знижується здатність речовини поглина-

ти НВЧ енергію.

Таким чином, висушування є чисто емпіричним методом, яким

визначається не істинне значення вологості, а залежне від умов суш-

ки. Вимірювання вологості, виконані в неоднакових умовах, дають ре-

зультати, які важко зіставити.

Хімічні методи вимірювання вологості матеріалів засновані на

використанні реакції взаємодії проби вологого матеріалу з різними хі-

мікаліями. Зразок обробляють реактивом, який взаємодіє лише з “ві-

18

льною” водою, що міститься в матеріалі, при цьому повинні строго

витримуватись їх кількісні співвідношення. Кількість води визнача-

ють за кількістю рідкого або газоподібного продукту, що отримується

в результаті реакції.

На практиці порівняно часто для визначення вологості викорис-

товують карбід кальцію. Наприклад, для вимірювання вологості піску,

його пробу змішують в герметичній посудині разом з карбідом каль-

цію. Мірою вологості в цьому випадку є тиск ацетилену, що утворю-

ється в результаті реакції. Абсолютна похибка вимірювань складає

близько 1% [2].

В нинішній час в багатьох лабораторіях малі вмісти вологи ви-

мірюють методом газової хроматографії. Методика аналізу передба-

чає здійснення реакції взаємодії наявної в пробі води з карбідом каль-

цію та наступне хроматографічне визначення кількості утвореного

ацетилену. Чутливість цього методу досить висока.

Для точних вимірювань малих значень вологості використову-

ють метод титрування по Карлу Фішеру, який характеризується уні-

версальністю та високою чутливістю. В його основу покладена реак-

ція спеціального розчину (реактив Фішера) з водою, наявною в пробі

матеріалу. Метод дозволяє знайти слідові концентрації до 0,1 мг в ек-

стракті розчинника, яким попередньо обробляється проба. Цей метод

не застосовується для матеріалів, які взаємодіють з реактивами та

утвореними в результаті реакції хімічними з’єднаннями.

Описані вище хімічні методи вимірювання вологості використо-

вують в основному для лабораторних вимірювань і для перевірки та

градуювання промислових вологомірів.

Екстракційні методи вимірювання вологості використовуються

на практиці як у заводських, так і в науково-дослідних лабораторіях.

Вони засновані на вилученні вологи з матеріалу за допомогою воло-

гопоглинаючої речовини (екстрагента). В якості екстрагентів викори-

стовують водопоглинаючі рідини, переважно спирти та діоксани [2].

Після екстрагування (виділення із зразка і поглинання екстрагентом)

вологи аналізують характеристики отриманого екстракту, залежні від

кількості вологи: діелектричну проникність, густину, температуру ки-

піння і т.п.

На результат вимірювання практично не впливає наявність у во-

логій речовині, яка досліджується, змінної кількості хімічних домі-

шок, щільності матеріалу, його температури, а результат аналізу не

змінюється в залежності від фазового складу води, форми зв’язку во-

логи з матеріалом. Ці особливості екстракційних методів зумовлені

тим, що при переході молекулярної води в допоміжне середовище (ек-

19

стракт) вся багаточисельність форм і видів її зв’язку з речовиною за-

мінюється однією формою – зв’язком води з екстрагентом.

При визначенні вмісту вологи передбачається, що вся волога з

матеріалу перейшла в екстракт. Знаючи початкову вагу вологого ма-

теріалу, кількість екстрагента і вміст вологи в ньому, можна з допомо-

гою розрахунку визначити початковий вміст вологи в матеріалі, що

аналізується.

Дистиляційний метод вимірювання вологості полягає в нагрі-

ванні зразка, який досліджується, в посудині з певною рідиною, яка не

змішується з водою (бензин, мінеральні масла та ін.). Верхня межа

вимірювання вмісту вологи 40 %, час вимірювання біля 40 хвилин, аб-

солютна похибка 1 %. [2]. Пари води, які виділяються при нагріванні і

пари рідини піддаються перегонці в холодильнику, конденсована в

ньому вода стікає в посудину, в якій вимірюється її об’єм (дистиля-

ційно-волюмометричний метод) або маса (дистиляційно-

гравіметричний метод). Реалізація дистиляційних методів вимагає ви-

користання складніших приладів, ніж, скажімо, гравіметричний ме-

тод. Ця обставина і пов’язані з нею додаткові джерела похибок у зна-

чній мірі обмежують використання дистиляційного методу, хоча в ря-

ді випадків він є доцільним.

Відомо, що вміст вологи в речовині чи матеріалі визначає його

фізичні властивості – теплові, оптичні, механічні, електрофізичні та

ін. [1, 33]. Функціональний зв’язок цих властивостей з вмістом вологи

є основою побудови різноманітних типів вологомірів, які працюють за

принципом непрямого вимірювання вологості матеріалів та речовин.

Як відзначалось вище, найбільш поширеними серед непрямих методів

є електричні.

В кондуктометричному методі [33, 34] оцінка вологовмісту

здійснюється за результатами вимірювання електричного опору

(об’ємного або поверхневого). Вологомісткі матеріали, будучи в су-

хому вигляді діелектриками, в результаті зволоження стають напівп-

ровідниками. Питомий опір змінюється в залежності від вологості в

досить широкому діапазоні. Неоднорідність діелектрика і наявність у

ньому вологи впливають не лише на значення питомої провідності,

але й на якісні особливості електропровідності і на її залежність від

напруженості електричного поля та температури.

Електропровідність твердого матеріалу визначається електролі-

тами, розчиненими у воді. Ці електроліти містяться, головним чином,

у самому матеріалі. При цьому характер залежності питомої електро-

провідності матеріалу від вмісту вологи визначається розподілом во-

логи в ньому, який в свою чергу залежить від пористої структури ма-

теріалу, форми пор, їх розміру і характеру розподілу.

20

Кондуктометричний метод доцільно використовувати для вимі-

рювання вологості в діапазоні від 2 до 30 % [2, 33]. При вологості ма-

теріалу більше 30 % метод має надзвичайно високу чутливість через

степеневу залежність опору від вологості. В діапазоні до 2 % вимірю-

вання вологості практично неможливе, оскільки опір матеріалу стає

більшим вхідних опорів вимірювальних пристроїв. Головною перева-

гою цього методу є простота схеми та конструкції засобів вимірюван-

ня, які дозволяють здійснювати контроль вологості безперервно та

майже безінерційно. Але вплив на результат вимірювання хімічного

та гранулометричного складу об’єкта контролю, характеру нерівномі-

рності розподілу вологи в зразку, наявність поверхневої вологи, тем-

ператури, щільності, а також вузький діапазон вимірювання обмежу-

ють область застосування цього методу.

Патентний пошук та аналіз літературних джерел [35 – 41] пока-

зав, що досить поширеним є діелькометричний метод, заснований на

використанні залежності деяких діелектричних характеристик матері-

алів від його вологості. Сутність методу полягає у вимірюванні діеле-

ктричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат в широкому

діапазоні частот – від звукових до НВЧ [2].

Відомо, що будь-яка речовина складається з позитивних атом-

них ядер, оточених негативними електронними сферами. Під дією зо-

внішнього електричного поля електронні шари зміщуються відносно

ядер. При цьому у атома виникає наведений дипольний момент і елек-

тронна поляризація речовини, в результаті якої збільшується його

провідність або діелектрична провідність.

Велика кількість твердих та сипучих матеріалів у сухому вигля-

ді мають дуже низьку діелектричну проникність (біля 1-10), а діелект-

рична проникність води майже на два порядки вища. Завдяки цьому,

навіть невеликі зміни вмісту води в речовині викликають суттєві змі-

ни його діелектричної проникності та діелектричних втрат [1, 24].

Цим пояснюється висока чутливість діелькометричного методу.

Діелектричну проникність вимірюють опосередковано через

електричну ємність сенсора, заповненого речовиною, що досліджу-

ється. Саме тому у літературі нерідко називають цей метод ємнісним

[3, 4, 33, 42, 43].

Перевагами діелькометричного (ємнісного) методу порівняно з

кондуктометричним є: менша чутливість до щільності та температури

матеріалу, висока швидкодія, точність (похибка біля 0,5 %) та діапа-

зон вимірювання [2, 44, 45]. При використанні цього методу на темпе-

ратурні, вологісні та частотні характеристики матеріалу вплив має

щільність матеріалу та його гранулометричний склад. Для усунення

цього недоліку використовують примусове ущільнення матеріалу

21

[46–50]. На результат вимірювання вологості діелькометричним мето-

дом впливають, крім того, співвідношення кількості вологи різних

станів і видів зв’язку. Не дивлячись на це, сфера використання цього

методу досить широка: вимірювання вологості зерна, борошна, інших

сипучих продуктів сільського господарства, харчової промисловості,

виробів целюлозно-паперового, текстильного та інших виробництв.

Всі надвисокочастотні методи вимірювання вологості базуються

на залежності параметрів електромагнітної хвилі, яка взаємодіє з во-

логим матеріалом, від його діелектричних характеристик. В самому

загальному вигляді взаємодія електромагнітної хвилі з матеріалом

описується рівняннями Максвела [22].

Вологий матеріал – це складна суміш, що складається з самого

матеріалу, вологи та повітря, причому волога в матеріалі знаходиться

в різних формах зв’язку з ним. Значення діелектричних параметрів

вологого матеріалу залежать від значень цих параметрів кожного з

компонентів, що містяться в ньому, а також від кількісного співвід-

ношення компонентів, їх форми та взаєморозміщення [51]. З усіх ком-

понентів, що входять до складу вологого матеріалу, найбільші зна-

чення діелектричних параметрів в діапазоні НВЧ має вільна вода, і ці

значення зменшуються пропорційно збільшенню енергії зв’язку води

з речовиною [22]. Тобто, очевидним є те, що в цьому діапазоні частот

основний вплив на діелектричні характеристики вологого матеріалу

має кількість в ньому вільної води.

НВЧ-методи вимірювання вологості застосовують в тих облас-

тях і для тих матеріалів, які є традиційними для електричних методів

вимірювання вологості. Найбільше поширення отримали методи про-

хідної хвилі, а саме, вимірювання вологості за поглинанням НВЧ-

енергії (за затуханням) [21, 52–55]. Близько 87 % усіх НВЧ-

вологомірів у світі побудовано за цим принципом. Простота техніч-

них рішень, висока чутливість, широкий динамічний діапазон, мала

похибка вимірювання, низька вартість елементів НВЧ-тракту в най-

більш поширеному трисантиметровому діапазоні – це найбільш хара-

ктерні ознаки цього методу [4]. Але при цьому результати вимірювань

в значній мірі залежать від температури.

НВЧ-методи, засновані на вимірюванні параметрів відбитої

хвилі, застосовуються у вологометрії значно рідше, ніж методи прохі-

дної хвилі, хоча мають суттєву перевагу – результати вимірювань не

залежать від товщини матеріалу, що контролюється. Похибки визна-

чаються відмінністю поверхневої вологи від середньої, а також ступе-

нем неоднорідності поверхневого шару.

Найбільш поширеною модифікацією НВЧ методів є вимірюван-

ня вологості у вільному просторі. Це пояснюється простотою методу,

22

нескладною методикою вимірювання, відсутністю контакту з пробою,

можливістю інтегральної оцінки вологості в значних об’ємах. Прин-

цип, який лежить в основі цих методів досить простий і полягає у ви-

мірюванні параметрів відбитої чи прохідної хвилі, попередньо зібра-

ної в вузенькі пучки за допомогою передавальної та приймальної ан-

тени, після взаємодії з матеріалом. На основі цього принципу реалі-

зуються три схеми вимірювання вологості – за значенням поглинання

енергії НВЧ-поля, значенням фазового зсуву коливань НВЧ і за пара-

метрами відбитої хвилі. На практиці найбільш поширеною є перша

схема. Метод відбиття широко не використовується через низьку точ-

ність вимірювань, особливо в діапазоні малих вологостей.

Амплітудний метод відрізняється високою чутливістю в усьому

діапазоні вимірювання, майже до 100 %-вої вологості [56–60]. Для

найбільш часто використовуваної довжини хвилі 3 см амплітудний

метод більше ніж в два рази чутливіший від фазового і в шість разів

чутливіший від методу відбиття [17]. Як амплітудний, так і фазовий

методи використовуються для контролю середніх та високих вологос-

тей. При низькому коефіцієнті ослаблення вплив неоднорідності ма-

теріалу на фазу є значно меншим, ніж на амплітуду прохідної хвилі

[22].

Слід зазначити, що в усіх трьох методах на контрольований па-

раметр впливають такі фактори, як щільність та температура матеріа-

лу, а також товщина шару. Зменшити такий вплив у деяких випадках

можна шляхом одночасного вимірювання затухання та фази [4, 17,

61–64].

Методи, засновані на залежності частоти резонансної системи

від діелектричних параметрів матеріалу, використовують для контро-

лю малих вологостей. Чутливість цього методу до незначних змін діе-

лектричних властивостей матеріалів пояснюється високою напружені-

стю поля і суттєвою взаємодією поля з речовиною [17, 22]. При цьо-

му, на відміну від аналогічних методів з використанням відбитої хви-

лі, в резонансних системах прохідної хвилі зміщення зразка мало

впливає на результати вимірювань. Обмеження діапазону вимірюван-

ня вологості визначається тим, що при підвищенні вологості збільшу-

ється частка розсіяної енергії, що знижує добротність системи та точ-

ність вимірювання частоти [21].

За допомогою хвилевідних методів вимірюють малі вологості,

особливо з використанням хвиль міліметрового діапазону. Цей метод

значно чутливіший порівняно з методом вимірювання у вільному про-

сторі через високу концентрацію поля. Експериментальні дослідження

показали можливість отримання чутливості на міліметрових хвилях

біля 310-5

% [17, 65]. Інформативним параметром є ослаблення чи фа-

23

зовий зсув прохідної чи відбитої хвилі. Обмеженість застосування

хвилевідних методів на практиці пояснюється складністю введення в

них контрольованого матеріалу.

Зондові методи призначені для контролю вологості невеликої

частини зі всієї маси матеріалу і, як правило, використовуються для

дослідження розподілу вологи в об’ємі матеріалу або її зміни в часі.

Інформативним параметром є амплітуда, фазовий зсув і частота елек-

тромагнітних коливань. На результати вимірювань суттєво впливає

поверхнева вологість матеріалу і неоднорідність по вологості та щіль-

ності його поверхневого шару.

Для зменшення впливу на результати вимірювання вологості

НВЧ-методами таких факторів, як температура, щільність, неоднорід-

ність та ін. доцільно використовувати комбіновані методи. В роботах

[4, 17–22, 66, 67] описано низку таких методів.

Серед оптичних методів визначення вологості найбільший інте-

рес викликають інфрачервоні методи, в основу яких покладено вимі-

рювання вибіркового поглинання вологою інфрачервоного (ІЧ) ви-

промінювання певної довжини хвилі, або відбитого від поверхні мате-

ріалу, або прохідного через матеріал. ІЧ-методи використовуються

для широкого класу речовин та матеріалів: газів, рідин, твердих та си-

пучих матеріалів як органічного, так і неорганічного походження. Ді-

апазон вимірювання вологості знаходиться в межах від 10-4

% до

100 %, причому температурні впливи є незначними. Зміна температу-

ри на 1% еквівалентна зміні вмісту вологи на 0,002 % [2].

Характерними особливостями ІЧ-методів є висока вибірковість,

чутливість, точність і відтворюваність вимірювань, а також можли-

вість безперервного контролю, безконтактність та експресність аналі-

зу [68]. Найбільша точність досягається при вологості 0–30 %, а для

вимірювання низького вологовмісту ці методи є просто незамінними.

Абсолютна похибка результатів вимірювання вмісту вологи складає

біля 0,05 %. Для створення ІЧ-вологомірів найбільш перспективною є

ближня ІЧ-область від 0,8 до 6,1 мкм, в якій волога має ряд смуг пог-

линання різної інтенсивності.

Головною особливістю ІЧ-спектрів є те, що поглинання випро-

мінювань залежить не лише від молекули в цілому, а й від окремих

груп присутніх в цій молекулі атомів. Це положення є основою для ІЧ

спектрального аналізу речовинного складу і визначення кількості тих

чи інших груп атомів, наявних в матеріалі. Кількісний аналіз вмісту в

контрольованому матеріалі того чи іншого компонента досить прос-

тий, якщо є смуга поглинання цього компонента, яка не перекриваєть-

ся смугами поглинання інших компонентів. Тоді глибина смуги добре

корелюється з концентрацією піддослідного компонента [17].

24

Вологоміри, як правило, реєструють прозорість Т, яка характе-

ризує відношення потоку, що пройшов через речовину, до потоку І0,

що падає на речовину

Т=І / І0 . (1.2)

Можна замість прозорості реєструвати оптичну густину D, що є

логарифмом оберненої прозорості [17]

D=lg(1/ Т)= lg(1/( І / І0))= lgІ0 – lgІ . (1.3)

Зв’язок між глибиною і концентрацією компонента визначається

законом Бугера-Ламберта-Бера [17]

І=І0 exp [ kc l], (1.4)

де k – коефіцієнт затухання, який також називають коефіцієнтом екс-

тинкції, якщо концентрація виражена в одиницях маси; c, l – концент-

рація і товщина шару контрольованої речовини.

Частіше користуються не інтенсивністю, а оптичною густиною

D, модель якої після підстановки (1.4) в (1.3) матиме вигляд [17]

D=lg( І0 / І)= kc l. (1.5)

Вода в ближній ІЧ-області спектра має декілька ліній поглинан-

ня, по інтенсивності яких можна оцінювати вологість матеріалів [69,

70]. Слід пам’ятати, що інтенсивність смуг поглинання зменшується зі

зменшенням довжини хвилі і залежить від температури контрольова-

ного матеріалу і рівня зв’язку води з твердою речовиною. Але більшо-

сті вуглеводів властиве інтенсивне поглинання в діапазоні довжин

хвиль більше 2 мкм. Тому для вологометрії в переважній більшості

випадків слід рекомендувати використання аналітичних довжин

хвиль, які мають 2 мкм [17].

В роботі [2] найбільш придатною для практичного використання

вважають довжину хвилі 1,94 мкм. Вода, яка попадає в речовину, змі-

нює її спектр. Із різних спектральних характеристик сухої речовини

(рис. 1.3, крива 1) і при вологості 9 % (крива 2) випливає, що на дов-

жині хвилі 1,94 мкм вода має значне поглинання. Отже, якщо контро-

льований об’єкт опромінювати ІЧ-променями з такою довжиною хви-

лі і вимірювати потужність прохідного або відбитого потоку випромі-

нювання, то вона буде змінюватись в залежності від вологості.

25

Але при вимірюваннях на одній довжині хвилі виникають похи-

бки, основними джерелами яких, окрім вологості, є розсіювання ви-

промінювання матеріалом, його товщина і т. д. Для вилучення таких

похибок використовують ще один потік випромінювання з опорною

довжиною хвилі, що лежить поза смугою поглинання вологою.

1

2

0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

0,5

1,0

1,5

2,0

Довжина хвилі, мкм

Показ

ни

к п

огл

ин

анн

я, м

км

Рис. 1.3. Спектральні характеристики сухої (1)

та вологої (2) речовини

У вологометрії твердих та сипучих матеріалів, крім описаного

вище методу контролю, який базується на пропускання ІЧ-

випромінювання, поширені методи, які використовують спектри ди-

фузно або дзеркально відбитих від матеріалу ІЧ-випромінювань [17].

Коефіцієнтом відбиття є відношення відбитого Ів і падаючого І0 пото-

ків випромінювання.

Як показано в роботах [69, 70], значення відбиття R і пропус-

кання Т для шару обмеженої товщини можна знайти із співвідношень

R = R(1- exp[-2αl])/ (1- R2 exp[-2αl]; (1.6)

Т= exp[-2αl](1- R2)/(1- R

2 exp[-2αl]); (1.7)

α = kSk 2 , (1.8)

де l – товщина шару матеріалу; k та S – коефіцієнти поглинання та ро-

зсіювання – константи.

26

Для найбільш поширених двохвилевих ІЧ-аналізаторів значен-

ня вологості W виражається формулою [68]

W=к0+ к1 lg( R1 / R0) , (1.9)

де R0 – коефіцієнт спектрального відображення на опорній спектра-

льній позиції; R1 – коефіцієнт спектрального відображення на вибра-

ній аналітичній спектральній позиції; к0 , к1 – градуювальні коефіці-

єнти.

Незалежність результатів вимірювання ІЧ-методом від маси

одиниці площі матеріалу, від вмісту в ньому деяких речовин та домі-

шок, а також безконтактність методу роблять його перспективним,

особливо для контролю вологості в потоці.

В радіометричних методах використовуються різні види ядер-

них випромінювань і взаємодій [71]. Найбільш поширений – нейтрон-

ний метод – заснований на сповільненні і розсіюванні швидких нейт-

ронів при пружних зіткненнях з ядрами водню, які входять до складу

води, що міститься у матеріалі чи продукті. Розсіюванням називають

зменшення енергії та зміну напрямку руху нейтронів. Ефект зменшен-

ня енергії тим більший, чим легші ядра елементів, з якими відбуваєть-

ся зіткнення. Для центрального удару цей ефект описується залежніс-

тю [4]

1 – ((А-1)/(А+1))2, (1.10)

де – втрати енергії нейтрона; – енергія нейтрона до взаємодії; А –

масове число елемента, з яким відбулась взаємодія.

При центральному ударі і при А=1 (тобто коли взаємодіючим

елементом є водень) нейтрон повністю передає свою енергію взаємо-

діючому ядру. Найбільш ефективно швидкі нейтрони сповільнюються

на ядрах водню [4, 72, 73]. Оскільки присутність водню у матеріалі,

що досліджується, найбільш часто пояснюється наявністю в ньому

води, то ця обставина і покладена в основу нейтронного методу вимі-

рювання вологості. Про вологість матеріалу судять за значенням ефе-

кту сповільнення швидких нейтронів, яке оцінюють, в свою чергу, за

значенням концентрації повільних нейтронів на певній відстані від

джерела.

Нейтронними вологомірами вимірюють вологість в шарі від 10

до 20 см або в сфері радіусом від 15 до 30 см. На покази вологомірів

впливають: 1) наявність органічних домішок, які збільшують концен-

трацію нейтронів; 2) вміст аномальних поглинань теплових нейтронів

(швидкість рахунку зменшується при масовій концентрації хлору

27

0,01 % і бору 0,001 % [74]); 3) варіації щільності контрольованого се-

редовища в межах +100 кг/м3, які призводять до похибок [75], що за-

лежать від діапазону вологості (при вимірюванні об’ємної частки води

в речовині від 10 до 40 % похибка вимірювання збільшується від

0,7 до 1,8 %); 4) зміна відстані між джерелом та детектором; 5) градіє-

нти вологості у вимірюваному середовищі [17].

Вплив вказаних джерел похибок можна зменшити: за допомо-

гою детекторів надтеплових нейтронів [76–77]; одночасним вимірю-

ванням концентрацій теплових і надтеплових нейтронів або теплових

нейтронів і захватного -випромінювання [74] при одному джерелі

нейтронів; використанням окремих джерел нейтронів і -випромі-

нювання і детекторів повільних нейтронів і -випромінювання.

Нейтронні вологоміри використовують для вимірювання воло-

гості речовин і продуктів, в яких водень міститься лише у воді, і не

використовуються для речовин, складовою частиною яких є водень.

До основних переваг нейтронного методу можна віднести такі:

вимірювання вологості в широкому діапазоні (до 100 %), нечутливість

до розподілу вологи в зразку і його мінералогічного складу, контроль

динаміки сушки, можливість вимірювати вологість матеріалів без від-

бору проб і порушення структури об’єкта, значний об’єм матеріалу,

що аналізується при вимірюванні вологості. Сфера використання ней-

тронного методу досить широка. Це контроль вологості ґрунтів, тор-

фу, будівельних матеріалів та конструкцій та ін.

Основними недоліками нейтронного методу є вплив на резуль-

тати вимірювань елементів, які ефективно поглинають нейтрони

(хлор, бор, залізо), форм зв'язку води з матеріалом, небезпека виник-

нення в досліджуваному матеріалі наведеної радіоактивності, необ-

хідність біологічного захисту [2].

Одним із перспективних методів вимірювання вологості речо-

вин тваринного та рослинного походження є метод ядерного магніт-

ного резонансу (ЯМР) [2]. Сутність методу полягає в тому, що при пе-

вних умовах в результаті переорієнтації ядерних спінів речовина вибі-

рково на фіксованій частоті поглинає енергію електромагнітного поля.

Частота, на якій це наступає, залежить від властивостей ядер і значен-

ня зовнішнього магнітного поля, яке впливає на речовину. Змінюючи

значення магнітного поля, можна знімати спектр ЯМР і визначити, які

ядра містяться в зразку.

Кількість енергії, яка поглинається, пропорційна числу ядер

(протонів), які містяться в зразку, а оскільки протони входять до скла-

ду молекул води, то для речовин, що не мають інших протонів, з інте-

нсивності поглинання енергії можна судити про їх вологість.

28

До переваг ЯМР-методу можна віднести неруйнівний характер

аналізу, його експресність, широкий діапазон вимірюваної вологості,

можливість калібровки приладів за сигналами герметизованих станда-

ртних зразків. Але висока вартість та складність апаратури, необхід-

ність розділення сигналів протонів води та інших протонів, що вхо-

дять до складу речовини, а також порівняно невеликий об’єм зразків,

що зумовлює збільшення похибки, пов’язаної з нерівномірним розпо-

ділом вологи в матеріалі, обмежують сферу використання вологомі-

рів, що реалізують ЯМР-метод.

З наведеного вище порівняльного аналізу відомих методів конт-

ролю вологості сипучих матеріалів, а також враховуючи особливості

сушки органічних речовин, можна зробити висновок, що для вимірю-

вання вологості сухого молока доцільним та перспективним є викори-

стання оптичних методів, а саме інфрачервоного. Це дозволить опти-

мізувати та автоматизувати процес управління сушінням молока за

вологістю, проводити експресний контроль вологості і найголовніше –

вимірювати вологість сухого молока в потоці, тобто, з врахуванням

динаміки процесу.

1.5. Аналіз оптичних засобів контролю вологості

порошкоподібних матеріалів

1.5.1. Класифікація оптичних засобів контролю вологості

Одним із перспективних напрямків вологометрії сипучих речо-

вин є оптична вологометрія. Основою оптичної вологометрії є власти-

вість води поглинати інфрачервоне випромінювання певної довжини

хвилі. Наявність властивих воді смуг поглинання в ІЧ-області оптич-

ного діапазону дозволяє розробляти прилади для різних матеріалів як

органічного, так і неорганічного походження.

Класифікацію оптичних вологомірів можна здійснювати за різ-

ними ознаками 2. За видом об’єкта, що досліджується, оптичні воло-

гоміри поділяються на вологоміри рідин, вологоміри газів (гігромет-

ри) та вологоміри твердих та сипучих речовин та матеріалів. Вони, в

свою чергу, можуть контролювати параметри відбитої або прохідної

хвилі. Тобто, за способом прийому частини випромінювання після

взаємодії з контрольованим об’єктом, оптичні вологоміри поділяють-

ся на вологоміри, засновані на прийомі відбитого від матеріалу ви-

промінювання або випромінювання, що пройшло через матеріал. Для

виділення аналізуючого випромінювання робочої ділянки спектра в

оптичних вологомірах можуть використовуватись світлофільтри або

монохроматичні джерела випромінювання – світлодіоди. За способом

обробки фотоелектричного сигналу вологоміри бувають: зі схемами

29

безпосередньої оцінки, диференціальні, комбіновані та з функціона-

льною розгорткою.

Вологоміри з використанням світлодіодів можна розділити на

оптоелектронні вологоміри імпульсної дії і вологоміри з функціо-

нальною розгорткою. В свою чергу останні діляться на вологоміри з

функціональною розгорткою з боку випромінювача і з боку фотоп-

риймача. Функціональна розгортка з боку випромінювача може бути

безперервною або дискретною; одного (наприклад, опорного) і обох

потоків випромінювання (опорного та вимірювального) [2]. В роботі

[17] автори не наводять такої розгалуженої класифікації оптичних во-

логомірів. Виділяються лише двохвилеві та трихвилеві вологоміри, які

засновані на прийомі відбитої або прохідної хвилі.

1.5.2. Порівняльна характеристика оптичних засобів

контролю вологості

Оптичні (інфрачервоні) вологоміри можуть бути одно-, дво- та

трихвилевими. Однохвилеві вологоміри прості за конструкцією та

принципами роботи, але мають ряд недоліків, основним з яких є зале-

жність результатів вимірювання від властивостей досліджуваного ма-

теріалу. Ці недоліки виключаються введенням опорної довжини хвилі.

Двохвилеві вологоміри дозволяють виключити такі фактори, як вплив

неінформативних параметрів та розсіювальних властивостей матеріа-

лів, нестабільність фотоприймача, старіння джерела випромінювання

та фотоприймача, завдяки чому значно підвищується точність та чут-

ливість приладу.

Якщо контрольоване середовище багатокомпонентне, то для ви-

ключення впливу на результат вимірювання різних компонентів сере-

довища, використовують трихвилеві вологоміри. Їх, як правило вико-

ристовують в лабораторних умовах. Збільшення числа довжин хвиль у

трихвилевих вологомірах значно ускладнюють їхню структуру, що

призводить до зниження надійності та невиправданих витрат.

До основних елементів ІЧ-вологомірів відносяться джерела ви-

промінювання, світофільтри (або світлодіоди), модулятори, фотоп-

риймачі і пристрої для обробки сигналу 2, 78–81.

Для вимірювання вологості сипучих матеріалів найчастіше ви-

користовують двохвилеві пристрої, засновані на прийомі відбитого

від матеріалу випромінювання.

Розглянемо основні з відомих двохвилевих вологомірів. В робо-

ті 2 наведено схему вологоміра (рис. 1.4), який складається з пер-

винного вимірювального тракту та вторинного засобу вимірювання.

На модуляторі 4, який приводиться в рух синхронним двигу-

ном 3, встановлено два світлофільтри. Довжини хвиль опорного та

30

вимірювального каналів складають 1,9 мкм (вимірювальна) та 1,7

мкм (опорна). При обертанні модулятора світловий промінь від дже-

рела випромінювання 1 (лампи розжарення), з частотою 100 Гц пере-

ривається і на дзеркало 2 почергово попадають потоки випроміню-

вання, які пройшли через перший та другий світлофільтри, відповідно

на опорній та вимірювальній довжині хвилі. Поворотне дзеркало на-

правляє потоки, що чергуються в часі, на контрольований об’єкт 8.

Відбиті від обох потоків частки випромінювання збираються ввігну-

тим дзеркалом 5 і фокусуються на світлочутливу поверхню фотоп-

риймача 7. Сигнал з виходу фотоприймача подається на попередній

підсилювач 6. Наявність попереднього підсилювача у первинному ви-

мірювальному тракті дозволяє отримати сигнал, достатній для пе-

редачі по кабелю на відстань до 100 м.

Рис. 1.4. Схема вологоміра з первинним вимірювальним трактом

та вторинним засобом вимірювання

Вторинний тракт вимірювання складається з підсилювача 1,

електронного перемикача 2 для розподілу сигналів від опорного і ви-

мірювального потоків, підсилювачів з регульованим коефіцієнтом пі-

дсилення 3 і 4, випрямлювачів 5, 6, кінцевого підсилювача 7, реєстру-

вальних приладів 8, перемикача виду робіт 9 і блока автоматичного

регулювання 10. Сигнал від потоків опорного і вимірювального кана-

лів з виходу первинного вимірювального тракту надходить на вхід

вимірювального пристрою. Сигнал вимірювального каналу менший.

Сигнал підсилювачем 1 доводиться до значення, зручного для оброб-

ки, і електронним перемикачем 2 розділяється в часі на опорний та

вимірювальний сигнали, які після детекторування подаються на дифе-

3

1

65

2

4

7

8

До вимірювального

пристрою

1 2

3

4

5

6

7

10

8

8

9

31

ренціальний підсилювач 7. Далі сигнал подається на реєструвальний

прилад 8. Перемикач роду робіт 9 дозволяє вести контроль за роботою

пристрою. Вихідний струм вимірювального пристрою знаходиться в

межах від 0 до 20 мА, вихідна напруга – від 0 до 1 В для навантаження

більшого 50 кОм.

Перевагами описаного вологоміра є проста структура та прин-

ципи роботи. До недоліків можна віднести низьку точність через за-

лежність опорного потоку випромінювання від вологості, низьку чут-

ливість приладу, зумовлену використанням ввігнутих дзеркал, а отже,

втратою частини відбитого випромінювання.

В роботі 82 описано пристрій, в якому використовується

фільтр з води (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема пристрою для вимірювання вологості

з водяним фільтром

Пристрій працює таким чином. Лінза 2 фокусує випромінюван-

ня від джерела 1 на поверхню матеріалу 11 через отвір ввігнутого дзе-

ркала 3. Відбите від матеріалу випромінювання попадає на ввігнуте

дзеркало 3, відбивається від нього, фокусується лінзою 4 і розклада-

ється на два промені за допомогою напівпрозорого кварцевого дзер-

кала 5. Промені проходять через фільтри 6, 8, та 9 і попадають на фо-

топриймачі 7 та 10. Смугові світлофільтри 6 та 8 мають центри смуг

пропускання, що відповідають центру однієї зі смуг поглинання води.

Водяний фільтр 9 (кварцева кювета, заповнена водою з товщиною ша-

ру 0,8–1 мм) має смугу поглинання, яка відповідає смузі поглинання

води. Таким чином, інтенсивність випромінювання, що реєструється

фотоприймачем 10, являє собою суму інтенсивностей інфрачервоного

1

2

34

5

10

9

8

6 7

11

32

випромінювання двох вузьких частин спектра, які прилягають з двох

сторін до смуги поглинання води. У зв’язку з цим, відношення інтен-

сивностей випромінювання, що реєструються фотоприймачами 7 та

10, однакове і залежить лише від вологості матеріалу.

Водний фільтр виключає залежність опорного потоку від воло-

гості, що є основною перевагою цього вологоміра. Однак, наявність

двох фотоприймачів понижує його надійність та точність. Низька чут-

ливість приладу, як і в попередньому випадку, зумовлена використан-

ням ввігнутих дзеркал, а отже, втратою частини відбитого випромі-

нювання.

В пристрої, описаному в роботі 83, для найбільш повного зби-

рання відбитого випромінювання використовують фотометричну ку-

лю (рис. 1.6).

7

6

5

12

3

4

8 9

10

11

12

Вихід

13

Рис. 1.6. Схема пристрою для вимірювання вологості з

фотометричною кулею

Випромінювання лампи розжарення формується за допомогою

лінз в паралельний пучок, який переривається при обертанні модуля-

тора 3 синхронним двигуном 1. Світлофільтри, встановлені на моду-

ляторі, пропускають лише промені на опорній 1,8 і вимірювальній

1,94 мкм довжинах хвиль. Імпульси випромінювання, які чергуються в

часі, через наскрізний отвір в фотометричній кулі 6 попадають на кон-

трольовану поверхню 7. Відбиті потоки випромінювання збираються

фотометричною кулею на світлочутливу поверхню фотоприймача 5 і

перетворюються в електричний сигнал. Після попереднього підсилен-

ня підсилювачем 8 сигнали електронним комутатором розділяються

33

на опорний та вимірювальний і після підсилювачів 10 та 11 окремо

надходять на входи обчислювального блока 12. З виходу обчислюва-

льного блока 12 сигнал різниці фіксується реєструвальним пристроєм

13. Електронний комутатор управляється за допомогою світлодіода 2

та фотоприймача 4. Для цього в диску модулятора зроблено додаткові

отвори, і при проходженні через них випромінювання світлодіодів си-

нхронно одному з потоків випромінювання спрацьовує комутатор 9.

Основними перевагами цього пристрою є висока чутливість,

обумовлена використанням фотометричної кулі, а також досить висо-

ка точність (абсолютна похибка не перевищує 0,35 %). Однак, складна

конструкція та вузький діапазон вимірювання через нелінійну залеж-

ність вихідного сигналу від вологості обмежують його застосування.

У вологомірах, розглянутих вище, контрольований об’єкт опро-

мінюється монохроматичними потоками випромінювання на двох до-

вжинах хвиль. У вологомірі ВО-1М 84 розщеплення (виділення)

опорного і вимірювального потоків відбувається після відбиття ви-

промінювання (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схема оптичного вологоміра ВО-1М

Випромінювання від двох джерел 4, відбите від поверхні конт-

рольованого матеріалу системою лінз 6, фокусується на світлочутливу

поверхню фотоприймача 7. Між фокусуючими лінзами та фотоприй-

мачем розміщений модулятор 3, який обертається синхронним двигу-

ном 1, з встановленими на ньому світлофільтрами. При обертанні мо-

дулятора на фотоприймач почергово попадають відбиті від поверхні

контрольованого об’єкта 5 потоки опорної та вимірювальної довжин

хвиль.

Сигнал з виходу фотоприймача попадає на блок 8, де відбува-

ється підсилення та розділення сигналів від опорного і вимірювально-

mA

1

2 7

8

3

4 4

5

6

34

го потоків. Розділення сигналів здійснюється за допомогою магнітних

пластин, закріплених на диску модулятора і геркона 2, синхронно з

появою вимірювального та опорного імпульсів. Далі відбувається пе-

ретворення цих імпульсів у сигнал постійного струму, значення якого

є пропорційним відношенню напруг від потоків на вимірювальній та

опорній довжинах хвиль.

Висока точність вимірювань досягається завдяки рівномірному

опроміненню об’єкта двома опромінювачами. Недоліком такого при-

ладу є необхідність переналагоджування під кожен продукт та вузь-

кий діапазон вимірювання вологості, що обмежує область застосуван-

ня.

Серед вітчизняних інфрачервоних двохвилевих вологомірів

найбільше поширення отримали вологомір типу ВСМІ (та його моди-

фікації) і фотометричний аналізатор “Берег” [17].

Принцип дії вологометричної системи ВСМІ-1 (рис. 1.8) базу-

ється на порівняльному вимірюванні відбиваючої здатності контро-

льованого продукту, що рухається по смузі, на двох довжинах хвиль

ІЧ діапазону, з яких перша (1,95 мкм) відповідає інтенсивній адсорбції

води, а для другої (1,75 мкм) [16] вода адсорбується слабо.

Рис. 1.8. Оптична схема вологоміра ВСМІ-1

Світловий потік формується за допомогою двох сферичних дзе-

ркал 1 і направляється на контрольований матеріал 8, який рухається

перпендикулярно оптичній осі при безперервних вимірюваннях. Час-

тина відбитого від контрольованого матеріалу випромінювання

4

34

5

7

1

8

35

сприймається об’єктивом 7, причому освітлювач і об’єктив механічно

пов’язані, що забезпечує можливість їх взаємної фокусировки і отри-

мання максимуму відбитого потоку енергії, який направляється на

світлофільтри 2 та 6, встановлені на диску, що закріплений на осі син-

хронного двигуна 3.

Оскільки світлофільтри входять в зону дії випромінювання по-

чергово з певною частотою, то потік набуває імпульсного характеру і

надалі конічним конденсором 5 направляється на приймач випромі-

нювання 4 (фоторезистор). Фоторезистор перетворює імпульси ви-

промінювання в електричні сигнали, і в колі фоторезистора утворю-

ються послідовності імпульсів постійної тривалості, але різних амплі-

туд U1 та U2, пропорційних інтенсивності відбитих від контрольова-

ного матеріалу потоків випромінювання на довжинах хвиль 1,95 мкм

та 1,75 мкм. Співвідношення цих сигналів пропорційне вологості кон-

трольованого продукту.

Діапазон вимірювання вологості вологоміром ВСМІ-1 – від

0,3 до 12 %, абсолютна похибка – 0,3 %. Допускається додаткова по-

хибка, викликана відхиленням температури від значення 205 оС і

зміною напруги живлення на 10 % (від 220 В), не більше 0,33 основ-

ної похибки.

Основною перевагою вологоміра ВСМІ-1 є можливість безпере-

рвного контролю вологості в потоці та досить висока точність вимі-

рювань. Однак, йому властиві і ряд недоліків: вузький діапазон вимі-

рювання вологості, значна залежність від коливань температури та

напруги живлення.

Фотометричний аналізатор "Берег" [17, 69, 85] служить для ви-

мірювання відношення двох потоків випромінювання в ближній ІЧ-

області в діапазоні від 0,75 мкм до 2,5 мкм. Існує дві його модифіка-

ції: "Берег-1" для лабораторних вимірювань і "Берег-2" для промисло-

вих (зокрема, безперервних) вимірювань.

Аналізатор "Берег" (рис. 1.9) являє собою однопроменевий дво-

канальний фотометр, що реєструє та показує відношення електричних

сигналів робочого (вимірювального) і порівняльного (опорного) кана-

лів.

Спектральний склад робочого каналу обирають так, щоб абсор-

бція води була максимальною: 1,93 мкм або 1,45 мкм, а спектральний

склад порівняльного каналу, що служить для компенсації впливу неі-

нформаційних факторів (забруднення оптики, зміна рівня контрольо-

ваного продукту і т.п.), обирають рівним 1,16 мкм, тобто таким, що

лежить в зоні мінімальної абсорбції води.

Вологомір працює так. Світловий потік від джерела випроміню-

вання 1 проходить почергово через світлофільтри 2 і 3, які закріплені

36

Рис.1.9. Схема фотометричного аналізатора "Берег"

на обтюраторі геометрично рознесені на 180о і виділяють із спектра

випромінювання джерела 1 необхідні довжини хвиль. Рознесені в часі

робочий і порівняльний світлові потоки дзеркалом 5 направляються

на кювету з матеріалом 7, а відбиті від матеріалу потоки дзеркалом 6

направляються на приймач випромінювання 8, де здійснюється перет-

ворення світлових сигналів в електричні. Останні підсилюються в

схемі автоматичного регулювання підсилення 9. Після підсилення

здійснюється розподіл робочого і порівняльного електричних сигналів

на електронному ключі 10. Уже розділені робочий і порівняльний си-

гнали проходять на відповідні входи диференційного підсилювача 11

(підсилювач вимірювальний). Вихід підсилювача 11 підключений до

індикатора 12, де індукується різниця між робочим і порівняльним си-

гналами.

Порівняльний сигнал Uп також надходить на вхід диференційно-

го підсилювача 13 (підсилювач розбалансу), куди також надходить

постійний за амплітудою сигнал від джерела опорної напруги 14. Ви-

хідним сигналом підсилювача 13 управляється підсилювач 9. Таким

чином, порівняльний сигнал на вході підсилювача 9 підтримується на

постійному рівні, що відповідає сигналу джерела 14. Система підтри-

мування постійного рівня порівняльного сигналу дозволяє одержати

на індикаторі значення, пропорційне відношенню робочого потоку до

порівняльного [85]:

=Кдп·Uдоп(1-п

р

Ф

Ф), (1.11)

1 2

3

4

5

6

7

8 9 10 11 12

13 14

Uр

Uп

37

де Кдп – коефіцієнт передачі диференціального підсилювача 11; Uдоп –

величина сигналу джерела опорної напруги 14; Фр , Фп – відбиті від

аналізованого матеріалу робочий і порівняльний світлові потоки від-

повідно.

Таким чином, зміна вихідної величини у формулі (1.11) зале-

жить від зміни відношення Фр / Фп, яке викликане зміною масової ча-

стки вологи в матеріалі. Для переходу від вимірювання цієї величини

до вимірювання масової частки вологи W необхідно встановити функ-

ціональний зв’язок між величинами W i Фр / Фп, тобто проградуювати

вологомір.

Діапазон вимірювання вологості вологоміром “Берег” від 0 до

80 %. Основна приведена похибка до 10 %. Додаткова похибка від

зміни температури на кожні 10 оС до 2 %, від зміни напруги в мережі

на 10 В – до 1 % 17. Основні переваги: можливість безперервного

контролю вологості в потоці та широкий діапазон вимірювання воло-

гості. Недоліками вологоміра "Берег" є залежність результатів вимі-

рювання від коливань температури та напруги живлення, що знижує

точність.

Серед двохвильових ІЧ-вогогомірів, які випускаються в зарубі-

жних країнах, найбільше поширення одержав вологомір "Анакон"

(США) моделі 106 [17] . Принцип дії та конструкція приладу аналогі-

чні вологометричній системі ВСМІ-1.

Для вимірювання вологості сипучих речовин, які погано відби-

вають і пропускають ІЧ-випромінювання, найбільш доцільними є во-

логоміри з використанням реагента (трансформатора вологи) [86]. В

оптичному вологомірі (рис. 1.10) трансформатор вологи 9 виконаний

у вигляді склянки з наскрізними отворами 10, заповненої пористим

матеріалом 11 і з’єднаної з корпусом аналізатора.

Склянка має оптично прозоре скло у вигляді плоско-опуклої лі-

нзи 4. При ввімкненні вологоміра в одному з напівперіодів змінної на-

пруги генератора 1 світлодіод 2, який ввімкнений в прямому напрям-

ку, пропускає струм, а світлодіод 3 – закритий. При іншому напівпарі-

оді – навпаки. За рахунок стабільної форми змінної напруги живлення

світлодіодів світлові потоки відповідно мають постійне співвідношен-

ня. Світлодіод у вимірювальному каналі випромінює в максимумі лі-

нії поглинання води (наприклад, 0,76; 0,98; 1,45; 1,94 мкм і т. д.), а

світлодіод в опорному каналі випромінює на довжині хвилі поблизу

лінії поглинання води, на якій відбивання мало залежить від вмісту

води (наприклад, 0,7; 0,88; 1,2; 1,8 мкм і т. д.). Світлові потоки від сві-

тлодіодів 2, 3 надходять по одному оптичному шляху через лінзу 4 на

вологий пористий матеріал 11 під однаковими кутами і, відбиваючись,

фокусуються на фотоприймачі 5.

38

Рис. 1.10. Схема вологоміра з використанням реагента

(трансформатора вологи)

Сигнали вимірювального та опорного каналів надходять на під-

силювач 6, підсилюються і передаються в комутатор каналів 7. Сигна-

ли розділяються комутатором каналів 7, синхронізованим від генера-

тора, по двох електричних колах і надходять у вимірювальний блок 8,

який вимірює відношення сигналів опорного та вимірювального кана-

лів.

Результати вимірювань вологості цим вологоміром не залежать

від зміни амплітуди напруги генератора, здатності матеріалу до роз-

сіювання та відбивання випромінювання, структури матеріалу, що до-

сліджується. Недоліки його викликані конструктивними особливостя-

ми приладу. Це перш за все необхідність заміни опорного світлодіода,

градуювання та переналагодження вологоміра для кожного виду дос-

ліджуваного капілярно-пористого матеріалу. Використання в конс-

трукції вологоміра світлодіодів з фіксованою довжиною хвилі зумов-

лює досить високу його вартість.

В роботі [87] описано вологомір з розширеними функціональ-

ними можливостями (рис. 1.11). Він складається з сенсора-аналізатора

1 та вимірювального блока 2. Сенсор-аналізатор складається з джере-

ла випромінювання 3, виконаного на двох світлодіодах (4 і 5) відпові-

дно у вимірювальному і опорному каналах. Живлення відбувається

від генератора змінної напруги 6. Світлодіод 4 опорного каналу осна-

щений регулятором 7 інтенсивності випромінювання (наприклад, діа-

фрагмою) і встановлений у отворі 8 дзеркального об’єктива 9, у фоку-

сі якого розміщений загальний фотоприймач 10, з’єднаний з поперед-

8 7

3

6

5

9

1011

1

39

нім підсилювачем 11. Комутатор каналів 12 з’єднаний на входах з ге-

нератором 6 і попереднім підсилювачем, а на виході – з вимірюваль-

ним блоком 2. Кювета 13 являє собою металеву склянку 14 з контро-

льованим сипучим дисперсним матеріалом.

Рис. 1.11. Схема вологоміра з розширеними функціональними

можливостями

Принцип роботи цього вологоміра аналогічний вологоміру, опи-

саному в 86. Сигнали вимірювального та опорного каналів надхо-

дять з фотоприймача 10, передаються в комутатор сигналів 12, надхо-

дять у блок 2, який вимірює відношення (або логарифм відношення)

сигналів опорного та вимірювального каналів.

Використання світлодіодів в опорному каналі з будь-якою дов-

жиною хвилі випромінювання та регулювання їх інтенсивності ви-

промінювання дозволяє значно зменшити тривалість переналагоджу-

вання вологоміра на інший матеріал (не вимагає заміни світлодіода) і

суттєво знижує вартість вологоміра та експлуатаційні витрати, а та-

кож значно розширює область його використання. До недоліків цього

вологоміра можна віднести досить вузький діапазон вимірювання во-

логості та невисоку точність.

Таким чином, для контролю вологості порошкоподібних ма-

теріалів у процесі їх виробництва найбільш доцільним є використання

двохвилевих інфрачервоних вологомірів, заснованих на прийомі

відбитого від матеріалу випромінювання. Але жоден з існуючих за-

собів не відповідає всім вимогам, які висуваються до засобу контролю

вологості в потоці, а саме: можливість безперервного експресного

контролю з високою точністю в широкому діапазоні вимірювання.

2. ДОСЛІДЖЕННЯ ОБ’ЄКТА КОНТРОЛЮ ТА АНАЛІЗ

ПОСЛІДОВНОСТІ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ

6 12

2

11

3

4

1

14

13

5

7

9

10

40

2.1. Загальна характеристика об’єкта контролю

Сушка є типовим масообмінним процесом, при якому волога

переміщується від матеріалу до сушильного агента [88–92]. Сушінню

підлягають різні харчові продукти, напівфабрикати та сировина. Про-

цес сушки здійснюється за рахунок підведеного до продукту тепла,

завдяки якому відбувається випаровування вологи. В якості сушиль-

ного агента застосовується повітря і перегріта пара, які насичуються

вологою, що випаровується з матеріалу.

Основною метою технологічного процесу сушіння є забезпе-

чення заданого значення вологості продукту, що сушиться, при збе-

реженні його якості. Якість матеріалу, що сушиться, має обмеження.

Оскільки якість продукту при сушці визначається температурою на-

гріву матеріалу і експозицією, то ці параметри і є параметрами обме-

ження. Параметрами, що керують діями сушильного агента, є витрати

повітря (швидкість) і температура, а іноді – витрати матеріалу, що

сушиться. Інші вхідні параметри стабілізують на вході або відносять

до впливових величин [92, 93].

Інформативним параметром якості сипучих матеріалів є воло-

гість, значення якої має знаходитись в межах від 3,5% до 10% [11, 25].

В теперішній час контроль вологості здійснюють прямими і опосеред-

кованими методами. Прямі методи є високоточними, але мають дуже

низьку швидкодію і тому не можуть застосовуватися безпосередньо

для автоматичного контролю вологості в процесі сушіння [94, 95].

Опосередковані методи характеризуються високою швидкодією, але

мають невисоку точність, що призводить до низької вірогідності кон-

тролю і суттєвого збільшення ризиків споживача і виробника [96].

Для розробки сучасних засобів автоматизованого контролю во-

логості сипучих матеріалів, які за швидкодією і вірогідністю контро-

лю задовольняли б вимоги виробника, необхідні математичні моделі,

які адекватно описують технологічний процес сушки. Відомі матема-

тичні моделі [94–99] розроблені для вирішення задач проектування

технічних засобів сушарок різного типу та систем керування процесом

сушіння. Оскільки процесу розробки автоматизованих засобів контро-

лю передує процес дослідження об’єкта контролю, то застосувати ці

підходи в якості вихідних неможливо.

Метою цього розділу є розробка математичної моделі процесу

сушіння сухих сипучих матеріалів, яка адекватно описує фізичні про-

цеси в конвективних сушарках.

41

2.2. Дослідження математичної моделі процесу конвективної

сушки

Схема сушарки [100] наведена на рис. 2.1. В сушарку 1 знизу

подається гаряче повітря, яке виходить через верхню частину сушар-

ки. В сушарці знаходиться матеріал 2, який підсушується.

Матеріал рухається з відомою швидкістю. Необхідно визначити

зміни в часі температур та вологовмісту повітря і матеріалу.

Побудуємо математичну модель сушарки у вигляді системи ди-

ференційних рівнянь збереження енергії для повітря, збереження ене-

ргії для матеріалу, збереження маси для сухого матеріалу та рівняння

збереження маси для вологи в повітрі, використовуючи методику, ви-

кладену в роботі [101].

Рис. 2.1. Схема конвективної сушарки

Рівняння збереження енергії для повітря. Вихідним тут є рів-

няння теплового балансу для часу t :

21

hhMΔQΔQnnм

, (2.1)

де м

ΔQ , n

ΔQ – теплота, сприйнята матеріалом та віддана повітрям;

nM , h – маса та ентальпія повітря.

Запишемо рівняння (2.1) для проміжку часу dt за законом Нью-

тона – Ріхмана для конвективної тепловіддачі

Вихід

повітря

Вихід

матеріалу

Вхід

повітря

Вхід

матеріалу

1 2

4м

4м

4м

2м

1м

1м

42

dtTTTT

FαΔQ ммпп

мпмм

22

2121 , (2.2)

де ïìα – коефіцієнт тепловіддачі від повітря до матеріалу;

мF – поверхня

матеріалу; п

T ,м

T – температури повітря і матеріалу.

Повітря віддасть теплоту в кількості

221

dhhh)dM(MΔQппп

, (2.3)

де п

dM – приріст маси повітря за проміжок часу dt ; 2

dh – зміна ента-

льпії повітря.

Прирівнявши (2.2) до (2.3) та поділивши на dt , отримуємо рів-

няння теплового балансу:

22

2121

12

2 ммпп

мпмппп

TTTTFαhLhL

dt

dhM , (2.4)

де dt

dML п

п – витрати повітря.

Рівняння збереження маси для вологи в повітрі. Врахувавши, що

за час dt вологовміст матеріалу зміниться на dW2, а вологовміст пові-

тря зміниться на dm2, отримаємо рівняння збереження маси для цього

випадку

22 dmMdWM пм ; (2.5)

dt

dW

М

M

dt

dm

п

м 22 . (2.6)

Рівняння збереження енергії для матеріалу. Вихідним для цього

випадку є рівняння (2.1). Протягом часу dt температура матеріалу м

T2

зміниться на м

dT2

:

22

21212 ммпп

мпм

м

мм

TTTTFα

dt

dTMc , (2.7)

де м

с – теплоємність матеріалу.

43

Рівняння збереження маси для вологи в матеріалі. Вихідним є

рівняння

мсΔWΔW , (2.8)

де ,ΔWс

м

ΔW – кількість видаленої вологи в процесі сушки та зміна

кількості вологи в матеріалі.

Величину с

ΔW визначимо, як [94]

22 dWMdtWWFk мрм (2.9)

або

рмм WWFkdt

dWМ 2

2 , (2.10)

де k – коефіцієнт сушки; рW – рівноважний вологовміст.

Рівняння приросту маси повітря було наведено вище. Рівняння

приросту маси матеріалу матиме вигляд

м

м Ldt

dM , (2.11)

де м

dM – приріст маси матеріалу протягом проміжку часу dt ; мL – ви-

трата матеріалу.

В рівнянні (2.4) змінною є ентальпія 2

h . Визначимо 2

h за допо-

могою рівняння, наведеного в роботі [101]

h = 1,004 t + 2500 m + m 1,84 t. (2.12)

Тоді

h1 = 1,004 T1п + 2500 m1 + m1 1,84 T1п , (2.13)

h2 = 1,004 T2п + 2500 m2 + m2 1,84 T2п . (2.14)

Продиференціюємо h2

пп T

dt

dm

dt

dmm

dt

dT

dt

dh2

222

22 84,1250084,1004,1 . (2.15)

Прирівнявши (2.4) до (2.15), матимемо

44

п

ммпп

п

мпм

п

п

ппп

п

п

п

Tdt

dm

dt

dm

TTTT

M

Fαh

M

L

mTmTM

L

mdt

dT

222

21211

2222

2

2

84,12500

22

84,12500004,1

84,1004,1

1 (2.16)

Визначимо витрати повітря та матеріалу. Введемо такі позна-

чення:

ппспρVSL ;

ммммρSL ; (2.17)

АFМ

αм

п

пм

210 3 ; B

М

L

п

м ; СМ

kF

м

м ; DМС

Fα

мм

мпм

2

10 3

; EM

L

п

п , (2.18)

де мс

S,S – перерізи сушарки та ємності з матеріалом; мп

, – швидко-

сті повітря і матеріалу; мпρ,ρ – густини повітря і матеріалу.

Тоді рівняння (2.16) прийме вигляд

п

ммпп

ппп

п

Tdt

dm

dt

dm

TTТTAEh

mTmTE

mdt

dT

222

2121

1

2222

2

2

84,12500

222

84,12500004,1

84,1004,1

1 . (2.19)

Введемо такі позначення:

y’1=T2п – кінцева температура повітря;

y’2=m2 – кінцевий вологовміст повітря;

y’3=W2м – кінцевий вологовміст матеріалу;

y’4=T2м, – кінцева температура матеріалу;

y’5=Mм – маса матеріалу;

y’6=Mп – маса повітря.

Використавши ці позначення, запишемо систему рівнянь мате-

матичної моделі (2.19) конвективної сушки у вигляді, зручному для

комп’ютерного моделювання

45

.L'y

L'y

yDTDyDTD'y

WCyC'y

'yy

y= 'y

y'y'yyTyT

A

hEyyyyE

y

'y

п

м

мп

р

мп

6

5

41114

33

3

6

52

1224111

2121

2

1

;

;

;

;

;84,12500

222

84,12500004,1

84,1004,1

1

(2.20)

Граничні умови:

,;;;;; 6514131211 ппмммп ρVyρVyTyWymyTy

де пм

V,V – об’єми ємності матеріалу та сушарки.

Розв'язок системи рівнянь (2.20) здійснено в програмному сере-

довищі, в якому використано метод Кутта–Мерсона для системи зви-

чайних диференційних рівнянь з автоматичним вибором кроку [102].

Вихідні дані до програми подані в таблиці 2.1. Результати робо-

ти програми наведені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.1

Вихідні дані до моделювання

№ Найменування Позна-

чення

Зна-

чення

1 Початкова температура гарячого повітря, ˚С T1г 150

2 Початковий вологовміст повітря, кг/кг D1п 0,01

3 Початкова температура матеріалу, ˚С T1м 20

4 Початковий вологовміст матеріалу, кг/кг W1м 0,3

5 Коефіцієнт тепловіддачі від повітря, Вт/м2гр пм 20

6 Поверхня матеріалу, м2 Fм 10

7 Швидкість повітря, м/с г 0,5

8 Об'єм матеріалу, м3 Vм 2

9 Швидкість матеріалу, м/с ì 0,05

46

Продовження таблиці 2.1

№ Найменування Позна-

чення

Зна-

чення

10 Теплоємність матеріалу, кДж/кггр cм 2

11 Рівноважний вологовміст, кг/кг Wр 0,02

12 Густина матеріалу, кг/м3 750

13 Коефіцієнт сушки, 1/c K 0,001

14 Об'єм сушарки, м3 Vс 96

15 Початок інтервалу часу, с t0 0

16 Кінець інтервалу часу, с t1 100

17 Крок інтегрування початковий, с dt 1

18 Температура гарячого повітря на початку інтервалу

часу, °С T20г 150

19 Вологовміст повітря на початку інтервалу часу, кг/кг 20 0,01

20 Температура матеріалу на початку інтервалу часу, °С T2м0 20

21 Вологовміст матеріалу на початку інтервалу часу,

кг/кг W20 0,3

22 Площа поперечного перерізу сушарки, м2 Sс 16

23 Площа поперечного перерізу матеріалу, м2 Sм 2

Таблиця 2.2

Результати розрахунку параметрів конвективної сушарки

№ Найменування Позна-

чення Значення

1 Маса повітря, кг Mг 124,8

2 Маса матеріалу, кг Mм 1500

3 Витрата повітря, кг/год Lг 37440

4 Витрата матеріалу, кг/год Lм 2700

5 Кінцева температура повітря, °С T2г 125,2

6 Кінцевий вологовміст повітря, кг/кг m2г 0,012

7 Кінцевий вологовміст матеріалу, кг/кг W2м 0,2991

8 Кінцева температура матеріалу, °С T2м 20,192

9 Остаточний крок інтегрування, °С dt 0,5

47

Продовження таблиці 2.2

№ Найменування Позначення Значення

10 Кількість теплоти, сприйнятої матеріа-

лом, кДж Qм 593,23

11 Кількість теплоти, відданої повітрям,

кДж Qп 565,03

12 Кількість вологи, відданої матеріалом,

кг Wм 1,461

13 Кількість вологи, сприйнятої повітрям,

кг Wп 1,461

14 Розрахункова кількість вологи сушки,

кг Wс 1,4613

Розроблена програма дозволяє також будувати залежності

f(t).Tf(t)Wf(t)mf(t)T ммп 2222 ;;;

Результати розрахунків зміни в часі ,T п2 ,2m ,T м2 мW2 при різ-

них пмα , та різних k наведені в табл. 2.3 та 2.4.

Як видно з табл. 2.3 та табл. 2.4, коефіцієнт тепловіддачі най-

більш впливає на температуру матеріалу, а коефіцієнт сушки – на кін-

цевий його вологовміст.

Таблиця 2.3

Результати моделювання для varпм

, k = 0,01

t

10пмα 20

пмα 30

пмα

пT

2

2

m м

T2

м

W2

п

T2 2

m мT

2 2W п

T2

2

m м

T2

м

W2

0 150 0,01 20 0,3 150 0,01 20 0,3 150 0,01 20 0,3

60 129 0,0141 20,2 0,299 128,5 0,0141 20,4 0,299 127,8 0,0141 20,6 0,299

600 126 0,0189 21,6 0,292 125,1 0,0189 23,3 0,291 124,4 0,0189 24,9 0,292

2400 125,6 0,0220 25,0 0,276 124,8 0,0219 29,7 0,276 124,2 0,0219 34,3 0,276

3600 125,6 0,0227 26,4 0,270 124,8 0,0227 32,6 0,269 124,2 0,0227 38,5 0,269

4800 125,6 0,0230 27,6 0,264 124,8 0,0233 34,9 0,264 124,2 0,0233 41,9 0,264

6000 125,6 0,0237 28,6 0,259 124,8 0,0237 36,8 0,259 124,2 0,0237 44,6 0,259

7200 125,6 0,0241 29,4 0,256 124,9 0,0241 38,4 0,255 124,2 0,0241 47,0 0,255

48

Таблиця 2.4

Результати моделювання для k = var, 10пм

t

k = 0,01 k = 0,1 k = 0,001

пT

2

2

m м

T2

м

W2

п

T2 2

m мT

2 2W

пT

2 2m

мT

2

мW

2

0 150 0,01 20 0,3 150 0,01 20 0,3 150 0,01 20 0,3

60 129 0,014 20,19 0,299 129,1 0,05 20,2 0,291 129,1 0,0104 20,2 0,299

600 125 0,019 21,7 0,291 125,8 0,093 21,6 0,227 125,8 0,0109 21,6 0,299

2400 125,6 0,022 25 0,276 125,6 0,112 24,9 0,132 125,6 0,011 25 0,297

3600 125,6 0,023 26,4 0,27 125,6 0,116 26,4 0,102 125,6 0,011 26,4 0,296

4800 125,6 0,023 27,6 0,264 125,6 0,118 27,6 0,08 125,6 0,011 27,6 0,296

6000 125,6 0,024 28,6 0,259 125,6 0,12 28,6 0,07 125,6 0,011 28,6 0,295

7200 125,6 0,024 29,4 0,255 125,6 0,12 29,4 0,06 125,6 0,011 29,4 0,295

14400 125,5 0,025 32,9 0,24 125,6 0,12 32,9 0,03 125,6 0,011 32,8 0,293

Перетворивши систему диференційних рівнянь (2.20) за Лапла-

сом, отримаємо [103]

)()(84,1)(2500

2

)(

2

)(2

))()(84,1

)(2500)(004,1(

)(84,1004,1

11)(

212

4111

21

21

2

1

pypyppyp

pyTpyTA

hEpypy

pypyE

pyppy

mn

; (2.21)

)(

)()()(

6

35

2py

pypypy

; (2.22)

p

WCpyCp

py )(1

)(33

; (2.23)

)()(1

)(41114

pypyTTDp

pymn

; (2.24)

p

Lpy M)(

5; (2.25)

p

Lpy n)(

6. (2.26)

Підставимо рівняння (2.25) і (2.26) в (2.22) і матимемо

49

FpypFp

Dp

pyTTDT

pyT

A

hEFpyFpyE

p

Fpy

mnm

n

)(84,12500

2

))((

2

)(

2

))(84,12500)(004,1(

1

]84,1004,1[)(

1

1111

11

11

1

, (2.27)

де p

WCpyCL

LF p

n

м 1))(( 3 .

Розв’язок (2.27) виконано в середовищі пакета прикладних про-

грам “MAТLAB”. Спочатку для часу t програмою розв’язку системи

рівнянь (2.20), визначалися коефіцієнти A, B, C, D, E. Далі значення

цих коефіцієнтів підставлялися в рівняння (2.27), яке розв’язувалось в

межах 5 оС до температур повітря і матеріалу відповідних часу суш-

ки t .

Для прикладу розрахуємо значення коефіцієнтів для моменту

часу 60 с і підставимо їх в (2.27):

3108,0 A ; 310067,0 C ; 31003,0 D ; 52,299E ; 448,176пh .

Отримаємо таке рівняння:

.62,1)(53733)108,97,300004,1()(

104,0)()103(52,299)108,97,300004,1()()(

132

1

16

132

13

pyppppy

pyphpppypy

Останнє рівняння однозначно пов’язує вхідну величину у1 –

температуру гарячого повітря та вихідну – у3 – вологовміст матеріалу.

Схему математичного моделювання показано на рис. 2.2 [103], а ре-

зультати моделювання – на рис. 2.3.

З рис. 2.3 видно, що при зростанні температури гарячого повітря

вологовміст матеріалу зменшується, але починаючи зі значення тем-

ператури 130 ºС вологість готового продукту залишається сталою і

наближається до нормованого значення 4 %.

50

Рис. 2.2. Схема моделювання конвективної сушарки

Рис. 2.3. Графік залежності вологовмісту матеріалу

від температури

2.3. Розробка математичної моделі вимірювального перетво-

рювача

Властивостями сипучих матеріалів, як об’єктів контролю воло-

гості, пояснюється складність процесу вимірювання вологості та сво-

єрідність підходів до нього. Їх особливості слід враховувати при ви-

борі та розробці як методу, так і засобу контролю вологості експрес-

методами (у статичному та динамічному режимах роботи).

180 160 140 120 100 80 60 40 20

12

8

4

W2

T2п,0С 0

Температура гарячого повітря

Температура гарячого повітря

51

Серед особливостей контролю вологості сипучих матеріалів у

статичному режимі слід перш за все виділити те, що для визначення

вмісту води в матеріалі відбирають певну кількість проб матеріалу і

вимірюють частку води саме в цих пробах. При цьому на точність ре-

зультатів вимірювань окрім похибок, властивих безпосередньо мето-

ду, впливає ще один фактор – неоднорідність матеріалу як по розподі-

лу вологи в усьому об’ємі, так і за складом та теплофізичними харак-

теристиками. Впливом цього фактора неможливо керувати, його мож-

на лише враховувати. Про вміст вологи в матеріалі судять з середньо-

го значення вмісту води в пробах. В залежності від методу та засобу,

яким вимірюють вологість проби, матеріал піддається подрібненню

або ущільненню, або і тому, і іншому, що приводить до виникнення

додаткових похибок результатів вимірювань.

Розглянемо оптичну схему пристрою для вимірювання вологості

білих порошкоподібних матеріалів [104]. Вона складається (рис. 2.4) з

світлофільтра Ф, фотоприймача ФП, що вибірково сприймає світлові

потоки відбитого світла з довжиною хвилі , електричної лампи біло-

го кольору, лінзи та захисного скла. Захисне скло, лінза та лампа

утворюють оптичну систему вимірювального перетворювача.

Об’єкт контролю (ОК) – білі порошки: борошно, сухе молоко,

пральний порошок та ін.

Колір – від білого з голубим відтінком до світлокремового.

Розмір частинок – від 2–3 мкм до 10–30 мкм.

Оптична система формує від вольфрамової нитки світловий по-

тік, який освітлює на поверхні ОК пляму діаметром 40 мм. Відбите від

об’єкту контролю світло сприймається фотоприймачем, який перетво-

рює випромінювання, що на нього поступило, в електричний сигнал.

У відповідності з рекомендаціями роботи 105 вольфрамову ни-

тку можна вважати рівно яскравим випромінювачем, що має середню

яскравість

1

04,1 LLср

, (2.28)

де L1 – яскравість у напрямку, перпендикулярному поверхні вольфра-

му.

Вважаємо, що вольфрамова нитка ідеальна, тобто, мають місце

такі припущення:

1. Діаметр нитки постійний по всій довжині.

2. Вісь нитки – пряма лінія.

52

Вольфрамова нитка

ЛінзаФотоприймач ФД

Фільтр Ф

Скло

Об’єкт що

досліджується

l1

β

S

α

l2

Рис. 2.4. Оптична схема пристрою

3. Нитка виготовлена з хімічно чистого металу, не містить неодно-

рідностей в своїй структурі; неоднорідності поверхні за розмірами

значно менші довжин хвиль випромінюваних однорідних потоків.

4. Температура постійна по всій поверхні нитки.

5. Нитка працює у високому вакуумі в колбі з відомим постійним

коефіцієнтом пропускання.

Приймаємо вольфрамову нитку за ідеальний рівно яскравий ци-

ліндр, що має яскравість L, діаметр D та висоту h. Сила світла, що ви-

промінюється боковою поверхнею циліндра під кутом , тобто, сила

світла лампи Іл, дорівнює [20]

лл

SinІІ , (2.29)

де hDLІ .

Світловий потік, що випромінюється боковою поверхнею цилі-

ндра визначаємо з роботи [105]:

л

IdSinІФ

2

0

22

, (2.30)

Досліджуваний об’єкт

ФП

53

Оскільки освітлювана поверхня в 200 разів більша випроміню-

ваної поверхні, то приймаємо вольфрамову нитку за точкове джерело

світла.

Освітленість Еп контрольованої поверхні, що знаходиться на ві-

дстані l1 від вольфрамової нитки (рис. 2.4), перпендикулярної осі ви-

промінювання [20]

S

ФЕ

п . (2.31)

Оскільки л

ІФ 2 та 2

1l

S , то

2

1

2

l

ІЕ л

п

. (2.32)

При освітленні цього середовища білим світлом, падаючий світ-

ловий потік розсіюється в усіх напрямках. Показник розсіювання за-

лежить від розмірів частинок, спектра поглинання і оптичних харак-

теристик частинок порошку. Показник розсіювання r() визначається

з графіка функції Стратона–Хатона 106

kRr 2 , (2.33)

де R – радіус розсіювальних частинок; k – функція Стратона–Хатона.

З графіка 106 видно, що для відносно великих частинок (R =

60 мкм і вище) показник розсіювання r() практично постійний в ши-

рокій області спектру. Область на графіку від 850 до 1600 нм – вико-

ристовуваний для вимірювання вологості різних середовищ спектра-

льний діапазон. В спектральному діапазоні від 850 до 1600 нм показ-

ник розсіювання постійний для частинок від 3 до 60 мкм і вище. Роз-

мір частинок в білих порошках знаходиться в діапазоні від 2 до 25

мкм. Тобто, розмір частинок не змінює оптичних характеристик від-

битого від порошкоподібної поверхні світла.

В табл. 2.5 105 наводяться коефіцієнти відбиття, поглинання та

пропускання деяких матеріалів при перпендикулярному падінні світла

на їх поверхню.

Очевидно, що

+ + = 1, (2.34)

54

де – коефіцієнт відбиття; – коефіцієнт поглинання; – коефіцієнт

пропускання.

Таблиця 2.5

Коефіцієнти відбиття, поглинання та пропускання

для деяких матеріалів у заданому діапазоні довжин хвиль

Матеріал

Папір білий тонкий 0,45 0,15 0,40

Крейда 0,85–0,90 0,15–0,10 –

Біла клейова фарба 0,7–0,8 0,3-0,2 –

Сірчанокислий барій 0,95 0,05 –

Чорний бархат 0,002 0,998 –

Віконне скло 0,08 0,02 0,9

Молочне скло товщиною 2-3

мм 0,45 0,15 0,4

З табл. 2.5 видно, що крейда і сірчанокислий барій мають найбі-

льші коефіцієнти відбиття і за своїми оптичними характеристиками

близькі до сухого молока, борошна, прального порошку і т.д. Прий-

мемо коефіцієнт відбиття для сухого молока = 0,87.

Як і крейда 106, сухе молоко, борошно і пральний порошок ві-

дносяться до дифузних тіл, тобто, не залежні від кутів падіння і зна-

чень світлового потоку, що падає на їх поверхню. Відбитий від такої

поверхні світловий потік рівномірно розподіляється в усіх напрямках.

Така поверхня є рівнояскравою.

В нашому випадку контрольована поверхня має форму рівнояс-

кравого диску діаметром 40 мм. Тоді, згідно з роботою 105, відбитий

світловий потік визначається

відбвідб

ІФ . (2.35)

Відбитий світловий потік сприймається вибірковим фотоприй-

мачем ФП.

Площа фотоелемента фотоприймача Sф менша випромінюючої

поверхні диску S в 1000 раз, тобто, її можна вважати точковою повер-

хнею (рис. 2.4).

Тоді освітленість площадки фотоприймача [105]

55

ф

відб

фS

CosCosФЕ

, (2.36)

де – кут падіння світла на площадку ФП; – кут між нормаллю до

відбиваючої поверхні і напрямом на відбиваючу площадку Sф.

Світловий потік Фф, що падає на фотоприймач, визначається як

2

відбф

ІФ , (2.37)

де 2 – тілесний кут в напрямку світлочутливої площадки фотоприй-

мача ФП; Івідб – сила світла рівнояскравого диска.

Тоді освітленість фотоприймача

2

2l

CosCosІЕ відб

ф

, (2.38)

де l2 – відстань від рівнояскравого диска до фотоприймача ФП.

Сила світла рівнояскравого диска площею Sд [105]

двідб

SLІ . (2.39)

Підставивши (2.39) в (2.38), отримаємо

2

2l

CosCosSLЕ д

ф

. (2.40)

Світимість рівнояскравого диска М рівна 107

п

ЕМ . (2.41)

Світимість рівнояскравого диска М через його яскравість визна-

чимо з роботи 107

LМ . (2.42)

З (2.41) та (2.42) яскравість диска

п

ЕL . (2.43)

56

Підставивши (2.32) в (2.43), отримаємо

2

1l

ІL л

. (2.44)

Підставивши (2.44) в (2.38), матимемо

CosCosll

SІЕ дл

ф

2

2

2

1

2

. (2.45)

З (2.45) видно, що освітленість світлочутливої площадки фотоп-

риймача ФП прямо пропорційно залежить від сили світла лампи,

площі освітлюваного середовища і коефіцієнта відбиття середовища і

обернено пропорційна квадрату відстані до освітлюваного середовища

і квадрату відстані від освітлюваного середовища до світлочутливої

площадки фотоприймача.

Коефіцієнт відбиття залежить від кольору вимірюваного сере-

довища, його вологості та оптичних властивостей (розміру частинок,

наявності кристалічних структур, шорсткості, форми і кутів нахилу і

т.д.)

Світлова характеристика фотоприймачів визначається виразом

[105]

ффф

ЕkІ , (2.46)

де ф

І – фотострум від фотоприймача; ф

k – коефіцієнт перетворення

світлового потоку, що падає на фотоприймач, в електричний струм.

Кожен фотоприймач випромінювання характеризується спект-

ральною та інтегральною чутливістю, ф

k – це інтегральна чутливість

фотоприймача.

Закон Столєтова описує перетворення світлової енергії фотое-

лемента фотоприймача в значення фотоструму

ефєєеф

ФkФсІ , (2.47)

де с – коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибраних одиниць

єФ і

еФ ;

е – коефіцієнт поглинання фотоприймача;

єФ – потік випро-

мінювання, що падає на фотоприймач; е

Ф – ефективно перетворений

приймачем потік випромінювання; є

– енергетичний коефіцієнт пере-

творення фотоприймача (відношення ефективно перетвореної фотоп-

риймачем енергії до поглинутої).

57

У зв’язку з тим, що перед фотоприймачем стоїть світлофільтр Ф

(рис. 2.4), то формула Столєтова (2.47) матиме вигляд

ееєф

ФkФсІ , (2.48)

де

k – спектральний коефіцієнт перетворення (аналогічний kф); е

Ф –

монохроматичний потік випромінювання, що падає на фотоприймач;

– спектральний коефіцієнт поглинання фотоприймача;

є– енерге-

тичний коефіцієнт спектрального перетворення фотоприймача.

Для ефективного вимірювання вологості порошкоподібних се-

редовищ вибирають вузькосмугові інтерференційні фільтри. Вибір та-

ких фільтрів обумовлений таким:

1. Ближня ІЧ-область – це область низькоенергетичних електрон-

них переходів, обертонів і комбінаційних частот валентних і дефор-

маційних коливань водневих груп СН, NH, OH і т.п. 107.

2. Група ОН володіє трьома нормальними коливаннями з такими

основними частотами для води: 1640 см-1

(деформаційні), 3428 см-1

(симетрична валентна) і 3580 см-1

(асиметрична валентна).

3. В ближній ІЧ-області спостерігається ряд смуг поглинання води,

що відповідають обертонам цих частот і їх комбінаціям. Поглинання

максимумів смуг і їх відношення наведено в табл.2.6 107.

4. Починаючи зі смуги 1,93 мкм, при переході до менших довжин

хвиль інтенсивність смуг швидко знижується.

5. Для визначення вологості органічних з’єднань використовують

в основному достатньо інтенсивні смуги 1,45; 1,93; і 2,93 мкм. При

промисловому аналізі перевагу віддають першим двом смугам.

Таблиця 2.6

Поглинання максимумів смуг і їх відношення

Тип коливання Розташування смуг

λ, мкм ν, см-1

Валентне симетричне 2,92 3428

Валентне асиметричне 2,79 3580

Комбіноване 1,93 5183

Валентне (1 обертон) 1,45 6920

Комбіноване 1,18 8370

Валентне (2 обертон) 0,98 10262

Комбіноване 0,85 11700

Валентне (3 обертон) 0,75 13300

58

Виходячи з даних табл. 2.6 і конструктивних особливостей во-

логоміра, довжина хвилі вимірювального каналу вибирається 985 нм.

Крім спектральних характеристик, інтерференційні фільтри ха-

рактеризуються коефіцієнтом пропускання . Тобто, якщо знову зве-

рнутись до рис. 2.4, промінь випромінювання, що виходить з вольф-

рамової нитки, проходить двічі захисне скло і фільтр.

Проходження захисного скла в прямому напрямку виразимо п.

Коефіцієнт пропускання інтерференційного фільтра у вимірю-

вальному каналі – 1. Тоді освітленість фотоприймача вимірювально-

го каналу дорівнює

CosCosll

SІЕ дл

пофв

2

2

2

1

2

11. (2.49)

Позначимо коефіцієнтом К вираз

CosCosll

SК д

по

2

2

2

1

2

. (2.50)

Звідси

лфвІКЕ

11 , (2.51)

де 1 – коефіцієнт відбиття від зразка на довжині хвилі 1 відповідно.

Площадка фотоелемента фотоприймача має малі розміри у порі-

внянні з відбиваючою поверхнею Sд, тобто, фотострум фотоприймача

вимірювального каналу рівний

фвфв

ЕkІ 1

. (2.52)

З результатів моделювання статичної характеристики (2.52) ви-

мірювального перетворювача вологості в інфрачервоній області, наве-

деної на рис. 2.5, робимо висновок, що статична характеристика в діа-

пазоні зміни вимірюваної величини лінійна.

Рис. 2.5. Результати моделювання статичної характеристики

Іфв , мА

W, %

59

Результати експериментальних досліджень показано на рис. 2.6.

Залежність фотоструму від вологості сухого молока в діапазоні від

1% до 5% також має лінійний характер.

Рис. 2.6. Результати експериментальних досліджень

Порівняльну характеристику результатів моделювання статич-

ної характеристики і експериментальних досліджень показано на

рис. 2.7.

Рис. 2.7. Порівняння математичного (1)

і фізичного (2) моделювання

Похибка між результатами теорії і експерименту

%100е

ефв

мI

II (2.53)

не перевищує 2,5%.

W, %

Іфв, мА

W, %

Іфв , мА

1

2

60

2.4. Дослідження основних статичних метрологічних харак-

теристик вимірювального перетворювача

2.4.1. Виведення рівняння перетворення

Перетворимо (2.52) до вигляду, зручного для оцінювання функ-

цій впливу. Фотострум на виході фотоприймача прямопропорційний

його освітленості:

впxффKSI , (2.54)

де 16,0фS – інтегральна чутливість фотоприймача.

Коефіцієнт відбиття від вологого молока x

з контрольованим

параметром x

W пов’язаний залежністю

3101

xx

W

, (2.55)

де 87,01 – коефіцієнт відбиття від сухого молока ( 0

xW ).

Стала вимірювального перетворювача визначається

coscos22

2

1

Ll

rФK no

вп, (2.56)

де 48,038,01

– коефіцієнт пропускання інтерференційного

фільтра у вимірювальному перетворювачі; 8,28,1 Ф – світловий

потік, що випромінюється боковою поверхнею циліндра вольфрамової

нитки лампи; 92,0n – коефіцієнт, що характеризує проходження

світла через захисне скло; 92,0o – коефіцієнт, що характеризує

проходження світла через оптичну систему; мl 4,0 – відстань від рі-

внояскравого диска до вольфрамової нитки лампи; мL 4,0 – відстань

від рівнояскравого диска до площадки фотоприймача; мr 4,0 – ра-

діус рівнояскравого диска; =26о – кут падіння світла на площадку

фотоприймача; =26о – кут між нормаллю до відбиваючої поверхні і

напрямом на відбиваючу площадку ф

S .

Напруга і струм на виході фотоприймача пов’язані залежністю

RIUфф

. (2.57)

61

Підставимо (2.54), (2.55) і (2.56) в (2.57) та отримаємо повне рі-

вняння перетворення для вимірювального перетворювача

x

nф

фW

Ll

ФrRSU

22

1

2

04coscos

10

. (2.58)

Результати моделювання (2.58) для описаних вище числових

номінальних значень показані на рис. 2.8. Аналіз наведених результа-

тів показує, що зміна світлового потоку, що випромінюється лампою,

в межах від Фмін до Фмах приводить до появи як адитивної так і муль-

типлікативної складових похибки вимірювального перетворення.

а) б)

Рис. 2.8. Вплив Ф на зміну статичної характеристики:

а) Фмін=1,8; б) Фмах=2,8

2.4.2. Виведення аналітичних залежностей для основних ста-

тичних метрологічних характеристик

Оцінимо виділені складові похибки, використавши методику,

наведену в роботі [108].

Чутливість вимірювального перетворювача визначається, як

22

2

014coscos

10Ll

ФrRS

W

US

nфф

. (2.59)

Зміна чутливості по діапазону відсутня, а саме:

02

12

2

W

US

ф

o і 0

6

13

3

W

US

ф

oo. (2.60)

Коефіцієнт впливу світлового потоку Ф на вихідний сигнал Uф

матиме вигляд

W, %

W, %

Uф , мВ Uф , мВ

62

22

2

014coscos

10Ll

rRS

Ф

Unфф

. (2.61)

Швидкість зміни коефіцієнта впливу на вихідний сигнал

02

1)(

2

2

Ф

UD

ф . (2.62)

Коефіцієнт сумісного впливу контрольованого параметра Wx і Ф

на швидкість зміни вихідного сигналу Uф визначається, як

22

2

014

2 coscos10

Ll

rRS

ФW

Unфф

. (2.63)

Використавши (2.59) і (2.60), отримаємо номінальну функцію

перетворення

.coscos

1022

2

014

32

x

nф

x

xooxoxфн

WLl

ФrRSWS

WSWSWSU

(2.64)

Порівняння статичної характеристики і номінальної функції пе-

ретворення показано на рис. 2.9. Вони є лінійними і збігаються одна з

одною.

а) б)

Рис. 2.9. Порівняння статичної характеристики а)

і номінальної функції перетворення б)

У зв’язку з тим, що статична характеристика лінійна, похибка

нелінійності номінальної функції перетворення відсутня, тобто,

032 xooxн

WSWSo . (2.65)

Uф , мВ Uф , мВ

W, % W, %

63

2.4.3. Виведення аналітичних залежностей для оцінювання

мультиплікативної похибки

Мультиплікативна похибка перетворення визначається

x

nф

xмW

Ll

ФrRSФW

22

2

014coscos

10

, (2.66)

де Ф – можливі межі зміни світлового потоку від різних типів ламп

від min

Ф до max

Ф .

Результати моделювання (2.66) для ймовірних значень контро-

льованого параметра показані на рис. 2.10. З цих графічних залежнос-

тей видно, що мультиплікативна похибка від заміни лампи може дося-

гати 0,8.

Рис. 2.10. Мультиплікативна похибка для

W = 2% (1), W = 4 % (2), W = 8 % (3)

Поверхня, яка показує зміну мультиплікативної похибки перет-

ворення в умовах зміни світлового потоку Ф на значення

1...0Ф (від 1,8 до 2,8) в діапазоні зміни контрольованого параметра

( %10...1Wx ) показана на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Оцінка мультиплікативної похибки

Ф, лм

Δм , %

Δ м , %

W, %

ΔФ, лм

3

2

1

64

Адитивна похибка перетворення відсутня, оскільки

0)( 2 ФDФa

. (2.67)

Для цього типу вимірювального перетворення теоретична зале-

жність для корекції мультиплікативної похибки має вигляд

ФWxмф 1.0 . (2.68)

Результати моделювання статичної характеристики вимірюва-

льного перетворювача вологості показують, що у випадку зміни зна-

чення коефіцієнта пропускання інтерференційного фільтра в межах

від 38,0min1 до 48,0

max1 , також має місце мільтиплікативна по-

хибка вимірювального перетворення (рис. 2.12).

а) б)

Рис. 2.12. Вплив значення 1

на зміну статичної характеристики:

а) 38,0min1 ; б) 48,0

max1

У зв’язку з цим отримаємо рівняння для цієї складової похибки і

для цього внутрішнього параметра вимірювального перетворювача

[109].

Зведемо всі необхідні проміжні рівняння для отримання залеж-

ності мультиплікативної похибки перетворення від умов зміни зна-

чення інтерференційного фільтра в табл. 2.7.

На рис. 2.13 показана поверхня, що характеризує зміну мульти-

плікативної похибки перетворення в умовах зміни значення параметра

інтерференційного фільтра 1,0...01 (від 0,38 до 0,48) в діапазоні

зміни контрольованого параметра ( %10...1x

W ).

W, % W, %

U, мВ U, мВ

65

Таблиця 2.7

Аналітичні залежності оцінювання основних метрологічних

характеристик вимірювального перетворювача в діапазоні зміни 1

Найменування Аналітична залежність Коефіцієнт сумісно-

го впливу Wx і 1

на швидкість зміни

Uф

22

2

04

1

2 coscos10

Ll

rRФS

W

Unф

x

ф

(2.69)

Швидкість зміни

коефіцієнта впливу

на вихідний сигнал 0

2

1)(

2

1

2

ф

UD (2.70)

Мультиплікативна

похибка

перетворення x

nф

xм

WLl

rRФS

ФW

122

2

04coscos

10

(2.71)

Розрахункова

залежність

15,01

xм W (2.72)

Рис. 2.13. Оцінка мультиплікативної похибки перетворення

Отже, отримана математична модель вимірювального перетво-

рення вологості порошкоподібних матеріалів в інфрачервоній області

(2.45) дозволяє враховувати параметри джерела світла, а рівняння пе-

ретворення (2.58) однозначно пов’язує вихідну величину – значення

фотоструму і вхідну – значення вологості, про що свідчить лінійність

його статичної характеристики в заданому діапазоні вологості.

В результаті оцінки функцій впливу неінформативних парамет-

рів на зміну вихідного сигналу показано, що в запропонованому вимі-

рювальному перетворювачі має місце мультиплікативна складова по-

хибки, для корекції якої виведено аналітичні залежності (табл. 2.7).

W, %

Δ м , %

Δτλ1

66

3. РОЗРОБКА МЕТОДІВ ТА ЗАСОБІВ

КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ ПОРОШКОПОДІБНИХ

МАТЕРІАЛІВ В ІНФРАЧЕРВОНІЙ ОБЛАСТІ

Проведені в попередньому розділі дослідження показують, що

на основі запропонованого вимірювального перетворювача можливо

реалізувати засоби контролю вологості. Оскільки операції контролю

передує операція вимірювання, то в основу побудови таких засобів

контролю можна покласти як метод безпосередньої оцінки, так і від-

носний метод вимірювання.

3.1. Метод безпосереднього контролю вологості

3.1.1. Суть методу безпосереднього контролю вологості

Суть методу полягає в тому, що якщо опромінювати об’єкт кон-

тролю від джерела світла в інфрачервоній області, то відбитий від

нього промінь сприймається фотоприймачем, який перетворює ви-

промінювання, що на нього надійшло, в електричний сигнал. При

цьому коефіцієнт відбиття від вологого молока однозначно

пов’язаний з контрольованим параметром такою залежністю

3101

xx

W

,

87.01

– коефіцієнт відбиття від сухого молока ( 0

xW ).

Рівняння перетворення для вимірювального перетворювача

x

nф

фW

Ll

ФrRSU

22

1

2

04coscos

10

(3.1)

та результати його моделювання показують, що зміна світлового по-

току, яка випромінюється лампою, в межах від Фмін до Фмах приводить

до появи мультиплікативної складової похибки вимірювального пере-

творення.

З метою зменшення мультиплікативної похибки необхідно ви-

значити світловий потік не при номінальній напрузі, вказаній в паспо-

рті на лампу, а при реальній напрузі джерела живлення засобу конт-

ролю. Наприклад, автомобільна лампа А12-21 розрахована на напру-

гу 13,5 В, а використовується при 12 В і т.д. В 105, 110 показано, що

при незначних змінах напруги, що лежать в межах U 0,1 Uн, змі-

ну світлового потоку можна визначити з точністю до 1–2 % за форму-

лою

6.3

00

U

U

Ф

ФХх (3.2)

67

Але, невідомим в (3.2) є значення номінального світлового по-

току Ф0, крім того, діапазон зміни реальних значень напруг живлення

дуже широкий.

Виходячи з цих передумов, для визначення світлових потоків

різних ламп нами запропонована залежність світлового потоку від

енергетичних параметрів електроламп у вигляді

)( 2

4 1 кRІФк

н , (3.3)

де

1,0))ln(

ln(lnln

ln1

UPI

RUPU

Rк

н

н ; (3.4)

RPU

Rк н

lnln

1ln

ln2

. (3.5)

При використанні вибіркових світлофільтрів для розрахунку

світлового потоку необхідно врахувати спектральний коефіцієнт ви-

промінювання (поглинання) вольфраму, тобто

ФФ . (3.6)

вибирається із графіка на рис. 8 роботи 111. Наприклад, для дов-

жин хвиль 1,3–1,45 мкм

= 0,32–0,35.

За (3.3) розраховано світлові потоки, які випромінюються лам-

пами А12-21, А12-15, СМ13-10 і А12-5. Дані розрахунків зведено в

табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Розрахункові значення електричних і світлових параметрів ламп

в залежності від зміни напруги живлення

Uл, В 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3

А1

2-2

1

27

8 л

м

Іл, А 1,64 1,56 1,48 1,4 1,31 1,21 1,11 1,01 0,89 0,79

Rн, Ом 7,32 7,05 6,76 6,43 6,11 5,78 5,4 4,95 4,49 3,8

W, Вт 19,7 17,16 14,8 12,6 10,48 8,47 6,6 5,05 3,56 2,37

Ф, лм 246,6 193,5 149,5 112,7 81,8 56,4 37,3 23,3 13 6,61

68

Продовження таблиці 3.1

Uл, В 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3

А1

2-1

5кд

15

2 л

м

Іл, А 1,27 1,21 1,15 1,08 1,01 0,94 0,86 0,78 0,7 0,6

Rн, Ом 9,45 9,09 8,69 8,33 7,92 7,44 6,97 6,41 5,71 5

W, Вт 15,24 13,3 11,5 9,54 8,08 6,6 5,16 3,9 2,8 2,4

Ф, лм 156,9 124,1 96,4 72,4 52,9 37,33 24,9 15,7 9,22 4,62

СМ

13

-10

80

лм

Іл, А 0,68 0,64 0,60 0,56 0,52 0,48 0,44 0,4 0,35 0,29

Rн, Ом 17,65 17,18 16,6 16,07 15,38 14,58 13,63 12,5 11,43 10,3

W, Вт 8,16 7,04 6,0 5,04 4,16 3,36 2,64 2,0 1,4 0,87

Ф, лм 58,36 46,1 35,52 27,40 20,44 14,86 10,46 7,11 4,53 2,77

А 1

2-5

кд

23

,45 л

м

Іл, А 0,34 0,32 0,3 0,29 0,27 0,25 0,23 0,21 0,19 0,17

Rн, Ом 38,2 37,5 36,6 34,5 33,3 32 30,4 28,6 26,3 23,5

W, Вт 3,84 3,3 2,9 2,43 2 1,61 1,26 0,95 0,65 0,42

Ф, лм 23,6 19,17 16,07 12,75 10,05 7,76 5,97 4,5 3,4 2,8

Із аналізу результатів, наведених в табл. 3.1, можна дійти таких

висновків:

1. Світловий потік в залежності від зміни напруги живлення

змінюється нелінійно (рис. 3.1). Нелінійність зростає пропорційно

збільшенню потужності електролампи.

2. Залежність сили струму від напруги живлення також

нелінійна (рис. 3.3). Вона зростає відповідно до збільшення сили

струму, що споживається електролампою.

3. Сила струму, в залежності від зміни напруги живлення,

змінюється лінійно (рис. 3.2).

4. Залежність опору лампи від напруги живлення змінюється за

лінійною залежністю (рис. 3.4).

На рис. 3.1–3.4 наведено залежності світлового потоку, струму,

потужності та опору від зміни напруги живлення.

69

Рис. 3.1. Залежність світлового потоку від напруги живлення

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

50

100

150

200

250

_A12_21i

_A12_15i

_A13_10i

_A12_5i

Ui

Рис. 3.2. Залежність струму від напруги живлення

Ф, лм

Uл , В

Uл , В

Іл , А А12-21

А12-15

А13-10

А12-5

А12-21

А12-15

А13-10

А12-5

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

50

100

150

200

250

_A12_21i

_A12_15i

_A13_10i

_A12_5i

Ui

70

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

5

10

15

20

W _A12_21i

W _A12_15i

W _A13_10i

W _A12_5i

Ui

Рис. 3.3. Залежність потужності від напруги живлення

Рис. 3.4. Залежність опору від напруги живлення

Uл , В

W, Вт

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10

20

30

40

R_A12_21i

R_A12_15i

R_A13_10i

R_A12_5i

Ui

Rн , Ом

А12-5

А13-10

А12-15

А12-21

Uл , В

А12-21

А12-15

А13-10

А12-5

71

3.1.2. Структурна схема засобу та алгоритм вимірювального

контролю вологості

Аналіз наведених залежностей (рис. 3.1–3.4) показує, що світло-

вий потік джерела світла залежить від струму і напруги живлення. Для

введення коригувального коефіцієнта (зменшення мультиплікативної

складової похибки) представимо рівняння (3.3) у вигляді

1ln)(lnlnln

lnln

ln1ln

lnlnln10

ln

10

42

2

2

I

UUUUII

I

UUIU

eIФIUI

UIUU

I

U

л.(3.7)

Цю залежність і покладемо в основу алгоритму корегування му-

льтиплікативної складової похибки. З урахуванням цього твердження

наведемо структурну схему і алгоритм контролю вологості методом

безпосередньої оцінки.

На рис. 3.5 показана структурна схема засобу контролю волого-

сті порошкоподібних матеріалів, інваріантна до зміни світлового по-

току Фл джерела світла (лампи).

Основними складовими цієї схеми є оптична система, до складу

якої входить джерело напруги живлення ДН лампи ДС, лінза Л,

фільтр Ф і об’єкт контролю ОК.

Напруга U живлення лампи масштабується підсилювачем, струм

I живлення перетворюється у відповідне значення напруги UI, а світ-

ловий потік Ф фотоприймачем перетворюється у значення фотостру-

му, а далі в напругу Uф. З урахування вхідного діапазону АЦП, масш-

табовані за значенням напруги, надходять на відповідні входи анало-

гового мультиплексора МХ. Вихід мультиплексора з’єднано з анало-

говим входом аналого-цифрового перетворювача мікроконтролера

MCU. Розподіл портів мікроконтролера такий:

- порт 1 – індикація результатів вимірювання (контролю);

- порт 2 – забезпечення зв’язку з персональним комп’ютером

через USB інтерфейс;

- порт 3 – вибір каналу вимірювання.

Для забезпечення роботи мікроконтролера до складу схеми вхо-

дить генератор тактових імпульсів G і джерело опорної U0 напруги

ДОН.

Одноканальною таку схему названо тому, що один канал засто-

совано для вимірювання інформативного параметра, а два інших для

72

Ри

с. 3

.5. С

тру

кту

рн

а сх

ема

од

но

кан

альн

ого

зас

об

у к

он

тро

лю

во

ло

гост

і

ДН

І

U

ОК

ДС

Л

Ф

МХ

UU

U

I

І

Ф

UU

WU

Ф

21

21

GМ

СU

AD

C

f 0

UA

DC

XT

1

XT

2P

ort

1

Port

2

AV

CC

HL

ДО

Н

US

B

U0

Po

rt

3

U

UI

[2]

73

корегування мультиплікативної похибки за значенням струму і напру-

ги живлення джерела світла ДС.

Алгоритм контролю, що здійснюється за допомогою наведених

технічних засобів, виконується в три етапи:

- ініціалізація;

- вимірювання;

- контроль.

Оскільки тут операції контролю передує операція вимірювання,

то цей алгоритм (рис. 3.6) отримав назву вимірювального контролю.

Спочатку здійснюється ініціалізація апаратних засобів мікроко-

нтролера MCU. Порти {port 1, port 2 і port 3} програмуються на режим

виведення інформації.

Потім відбувається ініціалізація програмних засобів MCU, в ре-

зультаті виконання якої встановлюється початкова адреса ADDR опе-

ративної пам’яті та лічильник ЛВ вимірювань ЛВ:=3. Далі входу ADC

прописується функція аналогового входу АЦП, який має працювати в

циклічному режимі роботи. Завершується операція ініціалізації за-

вданням нижньої Wmin і верхньої меж Wmax допускового контролю.

Після завершення ініціалізації виконується процедура вимірю-

вань, в результаті якої отримують три значення напруги:

- Uu живлення ДС;

- напруги UI , пропорційної струму живлення ДС;

- напруги Uф, пропорційної світловому потоку Ф.

Для отримання кожного із вказаних значень напруг відбувається така

послідовність дій. Вибирається необхідний канал мультиплексора МХ

шляхом подачі з порта {port 3} відповідного двійкового коду, форму-

ється сигнал WR, по якому вхідна напруга запам’ятовується в анало-

говій пам’яті MCU і сигнал Зп запуску на аналого-цифрове перетво-

рення. Потім програмою очікується одиничний сигнал Кп кінця ана-

лого-цифрового перетворення. При наявності «прапорця», вимірюва-

льна інформація запам’ятовується в комірці оперативній пам’яті

MCU, збільшується на 2 початкова адреса ADDR:=ADDR+2 і змен-

шується на 1 вміст ЛВ:=ЛВ-1 лічильника вимірювань ЛВ. Ця проце-

дура відбувається три рази: для отримання значень напруг Uu , UI і

Uф. При виконані умови ЛВ=0 цикл отримання первинної вимірюва-

льної інформації завершується. Починається процедура обробки ре-

зультатів вимірювання, яку розкриємо більш детально.

Для корегування мультиплікативної похибки необхідно отрима-

ти залежність для розрахунку коригувального коефіцієнта. За даними

табл. 3.1 та (3.7) визначимо номінальне значення світлового потоку

Фн. Якщо підставити в (3.7) виміряні значення напруг Uu , UI

74

Початок

Ініціалізація апаратних засобів МСИ

Port 1, 2, 3 - виведення

Ініціалізація програмних засобів МСИ

ROM:=ADDR; ЛВ:=n

Ініціалізація АЦПЦиклічний режим роботи

Установка нижньої Wmin і верхньої

Wmax меж запуску контролю

Вибір каналу мультиплексора

Форматування сигналу WR на

аналогову пам’ять

Формування сигналу Зп на АЦП

Кп = 1?0

1

12

Ви

мір

юван

ня

Ініц

іал

ізац

ія

75

Інкрементування початкової адреси

ADDR:= ADDR+2

Запам’ятовування X:= [ADR]

12

Декрементування лічильника

Вимірювань ЛВ:= ЛВ-1

[ЛВ]= 0?0

1

Визначення корегувального

коефіцієнта ?=Фн/Фв

Корекція мультиплікативної похибки

Отримання по рівнянню перетворення

результату

Wxmin ? Wx ? Wxmax

0

Непридатний Придатний

Індикація результату вимірювань

1

Передача вимірювальної інформації

через USB інтерфейс в РС

Кінець

Ви

мір

юван

ня

Кон

троль

Рис. 3.6. Алгоритм вимірювального контролю вологості

η

≤ ≤

76

джерела світла, то опосередковано отримаємо виміряне значення Фв

світлового потоку джерела світла. З врахуванням цього, значення по-

правочного коефіцієнта визначається за формулою

в

н

Ф

Ф . (3.8)

Перемноживши отримане значення поправочного коефіцієнта на

виміряне значення Фв світлового потоку, отримаємо дійсне значення

світлового потоку для конкретної вимірювальної процедури вологості

порошкоподібного матеріалу

вд

ФФ . (3.9)

Тепер стосовно отримання результату вимірювання.

Рівняння

x

nф

фW

Ll

ФrRSU

22

1

2

04coscos

10

являє собою залежність вхідної величини вологості Wx від вихідної

напруги Uф на виході фотоприймача з перетворювачем струму в на-

пругу. Із результатів моделювання (див. рис. 2.8) видно, що в діапазо-

ні зміни вхідного сигналу (2...10 %), вихідна напруга змінюється в

межах від 0,4 до 2,5 мВ. Для приведення зміни вихідної напруги Uф в

діапазон зміни вхідного сигналу АЦП мікроконтролера необхідно

значення цієї напруги підсилити в k разів вимірювальним підсилюва-

чем

фADC UkU x

nфW

Ll

ФrRSk

22

1

2

04coscos

10

. (3.10)

В результаті аналого-цифрового перетворення за алгоритмом

послідовного наближення чи порозрядного зрівноваження, отримаємо

nADC

U

UN 2

0

, (3.11)

де n – розрядність регістра послідовного наближення; U0 – значення

опорної напруги.

77

Підставимо (3.10) в (3.11) і отримаємо остаточне рівняння пере-

творення

x

nфn WLlU

ФrRSkN

22

0

1

2

04coscos

102

(3.12)

та статичну характеристику (рис. 3.7) засобу контролю вологості по-

рошкоподібних матеріалів безпосередньої оцінки.

Рис. 3.7. Статична характеристика засобу контролю вологості

безпосередньої оцінки

Похибка квантування цього засобу контролю оцінюється так:

%1001

Nк %100

coscos102 12

04

220

xnф

n ФWrRSk

LlU

, (3.13)

а залежність зміни похибки квантування в діапазоні зміни контрольо-

ваної величини показана на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Зміна похибки квантування в діапазоні

контрольованої величини

W, %

N

W, %

δк , %

78

3.2. Відносний метод контролю

3.2.1. Суть відносного методу контролю вологості

Властивостями порошкоподібних матеріалів, як об’єктів конт-

ролю вологості, пояснюється складність процесу вимірювання воло-

гості та своєрідність підходів до нього. Їхні особливості слід врахову-

вати при виготовлені та розробці як методу, так і засобів контролю

вологості.

При цьому на вірогідність контролю окрім методичних та ін-

струментальних похибок впливає ще один фактор – неоднорідність

матеріалу як по розподілу вологи у всьому об’ємі, так і за складом та

теплофізичними характеристиками. Впливом цього фактора неможли-

во керувати, його можна лише враховувати. Крім того при

вимірюванні вологості чутливість до коливань швидкості руху ма-

теріалу, товщини шару, температури, кольору об’єкта контролю та йо-

го фізико-механічних характеристик повинна бути мінімальною.

Описаний в підрозділі 3.1 одноканальний засіб контролю, під

час безперервного вимірювання вологості в технологічному процесі

виготовлення сухих сипучих продуктів не забезпечує інваріантність

до виділених величин [112], що впливають на точність вимірювань.

Метою даного підрозділу є підвищення вірогідності контролю

вологості сухих сипучих матеріалів за рахунок додаткового введення

опорного каналу та реалізації процедури контролю за алгоритмом від-

носних вимірювань, адаптивних до неінформативних параметрів.

Структурну схему оптичної системи двоканального засобу кон-

тролю вологості [113] показано на рис. 3.9. Відбитий світловий потік

сприймається вибірковими фотоприймачами ФП1 та ФП2 . Виходячи із

конструктивних особливостей (див. рис. 3.9) вологоміра (двоканаль-

ність), для вимірювання вологості вибираються дві довжини хвилі.

Для опорного каналу повинні бути довжини хвиль між смугами пог-

линання води. Тобто, якщо довжина хвилі вимірювального каналу ви-

бирається 985 нм, то довжина хвилі опорного каналу повинна бути

915 нм або 1080 нм і т.д. Крім спектральних характеристик, інтерфе-

ренційні фільтри характеризуються [105, 106] коефіцієнтом пропус-

кання . Тобто, якщо звернутись до рис. 3.9, промінь випромінюван-

ня, що виходить з вольфрамової нитки, проходить двічі захисне скло і

проходить фільтри Ф1 і Ф2 перед тим, як потрапити на фотоприймачі

ФП1 і ФП2.

Проходження захисного скла в прямому напрямку позначимо п,

а в оберненому, на фотоприймач, о. Коефіцієнт пропускання інтерфе-

ренційного фільтра в опорному каналі позначимо 2, а коефіцієнт

пропускання фільтра у вимірювальному каналі – 1.

79

Вольфрамова нитка

ЛінзаФотоприймач ФД1

Фільтр Ф1

Фотоприймач ФД2

Фільтр Ф2

Скло

Об’єкт що

досліджується

l1

l2

ββ

S

α

Рис. 3.9. Структурна схема оптичної системи двоканального

вимірювального перетворювача

Згідно з роботою [105], освітленість фотоприймача опорного

каналу може бути визначена, як

CosCosll

SІЕ дл

пофо

2

2

2

1

2

22, (3.8)

а освітленість фотоприймача вимірювального каналу, як

CosCosll

SІЕ дл

пофв

2

2

2

1

2

11 . (3.9)

Позначимо коефіцієнтом К добуток

CosCosll

SК д

по

2

2

2

1

2

. (3.10)

Досліджуваний

об’єкт

ФП1 ФП2

80

Тоді рівняння (3.8) і (3.9) можна переписати так:

лфвІКЕ

11 ; (3.11)

лфоІКЕ

22 , (3.12)

де 1 та 2 – коефіцієнти відбиття від зразка на довжинах хвиль 1 і

2 відповідно.

Площадка фотоелемента фотоприймача має малі розміри у порі-

внянні з відбиваючою поверхнею Sд, тобто, фотострум фотоприймача

опорного каналу

фофоЕkІ

2 . (3.13)

Відповідно, фотострум фотоприймача вимірювального каналу

фвфвЕkІ

1. (3.14)

Це світлові характеристики фотоприймачів опорного і вимірю-

вального каналів.

3.2.2. Структурна схема засобу та адаптивний алгоритм ви-

мірювального контролю вологості

Розглянемо структурну схему пристрою для вимірювання воло-

гості порошкоподібних матеріалів (рис. 3.10), який реалізує отримані

залежності [114].

Пристрій для вимірювання вологості (надалі – вологомір) дво-

канальний і складається з: ОК – об’єкт контролю; ДС – джерело світ-

ла; Л – лінза; ЗС – захисне скло; Ф1 і Ф2 – інтерференційні світлофіль-

три вимірювального та опорного каналів відповідно; ФП1 і ФП2 – фо-

топриймачі вимірювального і опорного каналів відповідно; П1 і П2 –

масштабні підсилювачі вимірювального та опорного каналів відповід-

но; G – генератор тактової частоти мікроконтролера MCU; HL – інди-

катор; ДОН – джерело опорної напруги U0; USB – інтерфейс з персо-

нальним комп’ютером.

Схема працює таким чином: джерело світла ДС через лінзу Л і

захисне скло ЗС опромінює об’єкт контрою ОК білим світлом. Відби-

те від нього світло попадає на світлофільтри опорного та вимірюваль-

ного каналів Ф2 і Ф1 відповідно, перетворюється в монохроматичне

світло з довжиною хвилі 2 та 1 і потрапляє на фотоприймачі опорно-

81

П2

U2 Ф

2Ф2

U2

I ЛП

1

U1

Ф1

Ф1

ОК

ДС

Л

Ф2

Ф1

ЗС

G

МС

UA

DC

f 0Ux

XT

1

XT

2

Port

1

Port

2

AV

CC

HL

ДО

Н

US

B

U0

λ1

λ2

Ри

с. 3

.10

. С

тру

кту

рн

а сх

ема

при

стр

ою

для в

им

ірю

вал

ьно

го к

он

тро

лю

воло

гост

і п

оро

шкоп

од

ібн

их

мат

еріа

лів

82

го і вимірювального каналів ФП2 і ФП1. На фотоприймачах світлові

потоки перетворюються в електричні сигнали. Електричні сигнали з

фотоприймачів підсилюються вимірювальними підсилювачами П2 і П1

опорного і вимірювального каналів. Підсилений підсилювачем П2

електричний сигнал перетворюється в струм і живить лампу джерела

світла.

Опорний канал охоплений 100 % негативним зворотним зв’яз-

ком, тобто, монохроматичний світловий потік довжиною хвилі 2, що

надходить на фотоприймач ФП2, підтримується постійним. Підсиле-

ний попереднім підсилювачем П1 електричний сигнал потрапляє на

аналоговий вхід АПЦ мікроконтролера MCU, перетворюється в двій-

ковий код і через port 1 подається на індикацію HL.

Позначимо: У1 – коефіцієнт перетворення вимірювального кана-

лу; У2 – коефіцієнт перетворення опорного каналу. Ці коефіцієнти пе-

ретворення можна визначити з таких співвідношень

ГІМППзоkkkkkkkУ

11111 ; (3.15)

ПППзоkkkkkУ

22222 , (3.16)

де kо – коефіцієнт перетворення освітлювача; 1, 2 – коефіцієнти ві-

дбиття від середовища світла з довжиною хвилі 1 і 2 відповідно; kз –

коефіцієнт перетворення захисного скла (див. рис. 3.9); 1, 2 – кое-

фіцієнти перетворення світлофільтрів Ф1 і Ф2 відповідно; k1, k2 – ко-

ефіцієнти перетворення фотоприймачів ФП1 і ФП2 відповідно; kП1 ,кП2

– коефіцієнти перетворення підсилювачів П1 і П2 відповідно; kМП – ко-

ефіцієнт перетворення масштабного підсилювача; kПП – коефіцієнт

перетворення підсилювача потужності; kІ – коефіцієнт перетворення

індикаторного пристрою; kГ – градуювальний коефіцієнт масштабного

підсилювача і індикаторного пристрою.

Коефіцієнт перетворення захисного скла вже враховано у (3.8) і

(3.9). Коефіцієнти перетворення фотоприймача вимірювального кана-

лу ФП1 та опорного ФП2 визначимо з (3.14) та (3.13)

фв

фв

Е

Ik

1 ; (3.17)

фо

фо

Е

Іk

2 . (3.18)

Опорний канал У2 охоплено 100 % оберненим зв’язком, тобто Ефо =

const. Тоді в (3.12) змінною складовою є Іл, яку можна визначити так:

83

22

К

ЕІ

фо

л. (3.19)

Підставивши (3.18) у вираз (3.16), отримаємо

2

222

У

kkІkkЕ

ПППфоЗo

фо

. (3.20)

Із (3.12) випливає, що

2

222

22У

kkІkkІК

ПППфоЗo

л

,

звідси

КУ

kkІkkІ

ПППфоЗo

л

2

2 . (3.21)

З врахуванням (3.11) і (3.17), із (3.15) отримаємо

л

ГІМППфвЗo

ІК

kkkkІkkУ

1

1. (3.22)

У зв’язку з тим, що освітленість фотоприймача вимірювального

каналу визначається силою світла, що випромінюється освітлювачем,

який знаходиться у прямій залежності від фотоприймача опорного ка-

налу, підставляючи (3.21) в (3.22), отримаємо

ПППфо

ГІМППфв

kkІ

kkkkІУУ

2

12

1, (3.23)

або

ПППфо

ГІМППфв

kkІ

kkkkІ

У

У

2

1

2

1 . (3.24)

Отже, в такій структурній схемі виконується операція ділення

2

1

У

УУ . (3.25)

Заміняючи значення Іфв та Іфо у (3.23), виходячи з (3.11), (3.12) та

(3.17), (3.18), отримаємо

84

ППП

ГІМПП

kkk

kkkkkУ

2222

1111

. (3.26)

У (3.26) змінними є лише коефіцієнти спектрального відбиття

світла від зразка 1 та 2. Позначимо К1 – коефіцієнт перетворення

вимірювального каналу

ІМППkkkkК

1111 , (3.27)

а К2 – коефіцієнт перетворення опорного каналу

ПППkkkК

2222 . (3.28)

Тоді

22

11

К

kКУ Г

. (3.29)

Розглянемо градуювання вологоміра, побудованого за цією

структурною схемою. При постановці під освітлювач об’єкта контро-

лю з нульовим вмістом вологи, покази приладу визначаться, як

02

1

20

10

20

10

0

Гk

К

КВ

У

УУ

, (3.30)

де В – зміщення, встановлюване в процесі регулювання

20

10

В . (3.31)

При установці під освітлювач вологоміра білого матеріалу з

вмістом вологості W %, та за умови

1

2

К

Кk

Г ,

покази індикаторного пристрою визначатимуться так:

20

10

2

1

2

1

Х

Х

Х

Х

ХУ

УУ . (3.32)

Адаптивний алгоритм вимірювального контролю вологості для

двоканального засобу наведено на рис. 3.11.

85

Початок

Ініціалізація апаратних засобів МСИ

Ініціалізація програмних засобів МСИ

Ініціалізація АЦПЦиклічний режим роботи

Автоматичне регулювання потоку Ф2 в опорному

каналі на довжині хвилі ?2

Вимірювальне перетворення потоку Ф1 в напругу U1

у вимірювальному каналі на довжині хвилі ?1

Кп = 1?0

1

12

Масштабування вхідної напруги Ux

Формування сигналу WR на аналогову пам’ять

Формування сигналу Зп на АЦП

Аналогово-цифрове перетворення

λ2

λ1

86

Рис. 3.11. Алгоритм вимірювального контролю вологості

для двоканального засобу

Після здійснення ініціалізації апаратних і програмних засобів

мікроконтролера та вибору режиму роботи АЦП в опорному каналі,

охопленому 100 % негативним зворотним зв’язком, підтримується по-

стійним монохроматичний світловий потік Ф2 довжиною хвилі 2,

значення якої вибирається між смугами поглинання води. Значення

довжини хвилі 1 вимірювального каналу вибирається в смузі частот,

Інкрементування початкової адреси

ADDR:= ADDR+2

Запам’ятовування Nw:= [ADDR]

12

Отримання по рівнянню перетворення результату

вимірювання

Wxmin ? Wx ? Wxmax

0

Непридатний Придатний

Індикація результату вимірювань

1

Кінець

Передача вимірювальної інформації через

USB - інтерфейс в РС

Декрементування лічильника

Вимірювань ЛВ:= ЛВ-1

[ЛВ]= 0?0

1

≤ ≤

87

в якій коефіцієнт спектрального відбиття світла від об’єкта контролю

1 пропорційний вимірюваній вологості. Ці умови забезпечуються

вибором необхідних світлофільтрів Ф1 і Ф2. Відбитий світловий потік

Ф1 від ОК потрапляє на фільтр і у фотоприймачі перетворюється в

значення напруги U1, яке потім підсилюється вимірювальним підси-

лювачем П1 і надходить на АЦП мікроконтролера MCU.

Далі відбувається стандартна процедура аналого-цифрового пе-

ретворення з наступним отриманням двійкового коду, його за-

пам’ятовування в оперативній пам’яті і отримання результату вимі-

рювання в одиницях вимірюваної величини – у відсотках.

Завершення вимірювальної процедури, отримання числового

значення, дозволяє здійснити допусковий контроль і встановити

якість об’єкта контролю. Далі вимірювальна інформація відобража-

ється на табло HL, зменшується на 1 вміст лічильника вимірювань і

операція вимірювального контролю продовжується.

3.3. Оцінювання невизначеності вимірювань

3.3.1. Вимоги до оцінювання невизначеності вимірювань

Перспектива вступу до Європейського Союзу ставить перед віт-

чизняною економікою проблему конкурентоспроможності. Поряд з

іншими, однією із складових цієї проблеми є узгодження вітчизняної

системи оцінки якості продукції зі світовою. В галузі вимірювань це

вимагає переходу від оцінки “похибки вимірювань” до оцінки “не-

визначеності вимірювань”, згідно з рекомендаціями ISO [115].

Нагадаємо, що невизначеність вимірювання – це параметр, по-

в'язаний із результатом вимірювання, що характеризує дисперсію зна-

чень, які могли бути обгрунтовано приписані вимірюваній фізичній

величині [116].

Невизначеність вимірювання має багато складових. Деякі з цих

складових можуть бути оцінені зі статистичного розподілу результатів

рядів вимірювань і можуть характеризуватися експериментальними

стандартними відхиленнями. Інші складові, що також можуть харак-

теризуватися стандартними відхиленнями, оцінюють із згаданих

розподілів можливостей, заснованих на досвіді або іншій апріорній

інформації.

В рекомендаціях ISO розглядаються різні види невизначеності:

стандартна, сумарна стандартна та розширена, а також два типи

оцінювання невизначеності: тип А та тип В.

Стандартна невизначеність – це невизначеність результату ви-

мірювання, виражена як стандартне відхилення.

88

Сумарна стандартна невизначеність – це стандартна невизна-

ченість результату вимірювання, коли результат одержують із значень

ряду інших величин, рівний позитивному квадратному кореню суми

членів, причому члени є дисперсіями або коваріаціями тих чи інших

величин, зваженими відповідно до того, як результат вимірювання

змінюється в залежності від зміни цих величин.

Розширена невизначеність – величина, що визначає інтервал на-

вколо результату вимірювання, у межах якого, як очікується, знахо-

диться більша частина розподілу значень, що з достатнім обгрунту-

ванням можуть бути приписані вимірюваній величині.

Відношення розширеної невизначеності до стандартної не-

визначеності називають коефіцієнтом покриття. Коефіцієнт покриття

звичайно знаходиться в діапазоні від 2 до 3.

Оцінка невизначеності за типом А – це метод оцінювання не-

визначеності шляхом статистичного аналізу рядів спостережень.

Оцінка невизначеності за типом В – це метод оцінювання не-

визначеності іншим шляхом, ніж статистичний аналіз рядів спостере-

жень.

В цьому розділі будуть розглянуті методи та алгоритми оціню-

вання стандартної невизначеності за типом В.

Для оцінки xi вхідної величини X, яка не була отримана в ре-

зультаті повторних спостережень, пов'язані з ними дисперсія u2(хi) або

стандартна невизначеність u(хi) визначаються на базі наукового вис-

новку, заснованого на всій доступній інформації про можливу мін-

ливість X. Фонд апріорної інформації може включати [117]:

дані попередніх вимірювань;

дані, отримані в результаті досвіду. або загальні знання про по-

водження та властивості відповідних матеріалів і приладів;

специфікації виробника;

дані, які наведені у протоколах про калібрування та в інших сер-

тифікатах.

Для зручності u2(хi) і u(хi), оцінені таким чином, іноді назива-

ються відповідно дисперсією типу В та стандартною невизначеністю

типу В.

Правильне використання фонду апріорної інформації для оці-

нювання стандартної невизначеності типу В потребує інтуїції, засно-

ваної на досвіді і загальних знаннях, і є майстерністю, що приходить

із досвідом. Варто визнати, що оцінка стандартної невизначеності ти-

пу В може бути такою ж надійною, як і оцінка типу А, особливо у ви-

мірювальній ситуації, коли оцінювання за типом А грунтується на ма-

лій кількості статистично незалежних спостережень.

89

В значній кількості випадків, якщо можна оцінити лише межу

(верхню а+ та нижню а-) для X, є сенс стверджувати, що ймовірність

того, що значення X знаходиться в інтервалі від а- до а+, для всіх

практичних задач дорівнює одиниці і ймовірність того, що X перебу-

ває за межами цього інтервалу, істотно дорівнює нулю. При цьому до-

вжина інтервалу дорівнює 2, де – максимальна похибка

вимірювання.

В певних випадках ми можемо апріорі вважати, що можливі

значення X усередині інтервалу [а-, а+] підкоряються нормальному

розподілу ймовірностей. Для такого розподілу з очікуванням та

стандартним відхиленням інтервал 3 покриває приблизно

99,73 % розподілу.

Таким чином, якщо інтервал [а-, а+] визначає 99,73 % розподілу,

а не всі 100 %, а також якщо можна вважати, що X розподілене при-

близно нормально, тоді очікуване значення X є середньою точкою ін-

тервалу, 2

aa

xi

із відповідною дисперсією

9

2

2

ixu (3.33)

та стандартною невизначеністю

3

ixu . (3.34)

У багатьох випадках можна апріорі очікувати, що значення X

біля границь інтервалу [а-, а+] набагато менше ймовірні, ніж ті які,

знаходяться біля центра. Тоді доцільно застосувати симетричний тра-

пецеїдальний розподіл, який має однакові похилі сторони (рівнобічна

трапеція), із шириною основи 2 та із шириною верхньої частини 2,

де 0 ≤ ≤ 1. Якщо =1, цей трапецеїдальний розподіл перетворюється

на прямокутний (рівномірний), в той час як для =0 має місце трикут-

ний розподіл. Ці варіанти розподілу [118, 119] показані на рис. 3.12.

Припустивши такий трапецеїдальний розподіл для X, можна

знайти, що очікуване значення X є середньою точкою інтервалу

2

aa

xi

із дисперсією

6

1 22

2

axu

i. (3.35)

Звідси стандартна невизначеність

90

6

1 2

axu

i. (3.36)

Рис. 3.12. Варіанти ймовірних розподілів

Якщо припустити, що має місце трикутний розподіл (=0), то

очікуване значення X також є середньою точкою інтервалу

2

aa

xi

із дисперсією

6

2

2 axu

i (3.37)

та стандартною невизначеністю

6

axu

i . (3.38)

Разом з тим, якщо немає конкретних свідчень про можливі зна-

чення X усередині інтервалу, то найбільш доцільно припустити, що з

однаковою ймовірністю X може знаходитися в будь-якому місці

діапазону вимірювань, тобто має місце рівномірний або прямокутний

розподіл ймовірностей ( 1), оскільки саме це припущення

відповідає найгіршому випадку – максимальній стандартній невизна-

ченості. Тоді очікуване значення X є середньою точкою інтервалу

2

aa

xi

із відповідною дисперсією

р()

=0

0 1

=1

-

91

3

2

2 аxu

i (3.39)

та стандартною невизначеністю

3

axu

i . (3.40)

3.3.2. Методика та алгоритм оцінювання стандартної не-

визначеності вимірювань

Оцінимо стандартну невизначеність при однократному

вимірюванні вологості сухого молока та прального порошку для без-

посереднього методу оцінки.

Першим кроком [120] методики, як видно з алгоритму на

рис. 3.13, є процедура виявлення та вилучення систематичної складо-

вої похибки, однією з основних причин виникнення яких є впливні

величини. В нашому випадку – вилучення мультиплікативної складо-

вої похибки.

Наступним кроком методики є вилучення результатів з надмір-

ними похибками. Відомі різні критерії оцінки анормальних результа-

тів вимірювання. Для одночасного виявлення декількох результатів з

надмірними похибками найчастіше застосовуються критерії Граббса–

Смирнова, Тітьєна–Мура та критерій Ірвіна [119].

Є три види критеріїв Граббса–Смирнова:

Критерій оцінки анормальності, якщо генеральне середнє m та ге-

неральне СКВ σ невідомі.

Критерій оцінки анормальності, якщо генеральне середнє m неві-

доме, а генеральне СКВ σ відоме.

Критерій оцінки анормальності, якщо генеральне середнє m та ге-

неральне СКВ σ відомі.

Ці критерії дають можливість визначення одного анормального

результату, для знаходження наступних результатів процедуру необ-

хідно повторити. Разом з тим при використанні цих критеріїв може

мати місце так званий “маскувальний ефект”, якого можна уникнути,

використовуючи критерій Тітьєна–Мура.

Критерії Граббса–Смирнова і Тітьєна–Мура використовують,

якщо ми можемо бути впевненими в нормальному розподілі ймовір-

ностей генеральної сукупності результатів вимірювання. Оскільки в

нашому випадку такої впевненості немає, застосуємо критерій Ірвіна.

Процедура його використання складається з таких кроків [120]:

Знаходження середнього арифметичного результатів вимірювань

за формулою

92

Початок

Вилучення систематичної похибки:

Визначення 2

ФФФФ maxmin

Визначення 2

maxmin 1111

Корекція систематичної похибки за формулою 15,01,0 WФWWWкор

Середньоарифметичне результатів вимірювань

n

1iiW

n

1W

Вилучення надмірної похибки за критерієм Ірвіна

Обчислення компоненти невизначеності за типом А

n

1i

2WiW)1n(n

1uA

Розрахунок максимальної похибки засобу вимірювання WW 05,0

Обчислення компоненти невизначеності за типом В: 3

WВu

Обчислення комбінованої невизначеності: 2Bu2

Auu

Кінець

Рис. 3.13. Алгоритм оцінки комбінованої стандартної невизначеності

одноканального засобу контролю вологості порошкоподібних

матеріалів

93

n

ii

Wn

W1

1. (3.41)

Оцінювання вибіркового середнього квадратичного відхилення

(СКВ) за формулою

n

ii

WWn

s1

2

1

1 . (3.42)

Упорядкування генеральної сукупності nWWWW ,....,,, 321 .

Знаходження медіани med

W .

Розрахунок критерію Ірвіна за формулою

s

WWii 1

. (3.43)

Починаючи з медіани в напрямку зростання (а потім в напрямку

зменшення) порівняння λ з табульованим λт і вилучення всіх ре-

зультатів вимірювання, для яких λ > λт. Значення λт наведені в

табл. 3.2.

Після цього ми повинні уточнити оцінку значення вимірюваної

величини для вибірки без надмірних похибок, тобто

n

ii

Wn

W1

1, яку

можна вважати результатом вимірювання.

Таблиця 3.2

Табульовані значення критерію Ірвіна

Об’єм вибірки

n

Значення λт при ймовірності

Р=0,95 Р=0,99

2 2,8 3,7

3 2,2 2,9

10 1,5 2,0

20 1,3 1,8

30 1,2 1,7

50 1,1 1,6

100 1,0 1,5

400 0,9 1,3

1000 0,8 1,2

Далі в загальному випадку рекомендується здійснювати перевір-

ку гіпотези щодо прогнозованого розподілу ймовірностей результатів

вимірювань. Це доцільно робити тоді, коли нас цікавить не лише оці-

94

нка невизначеності, але й характер розподілу ймовірностей, тому в

нашому випадку ми можемо цією процедурою знехтувати.

Наступною процедурою є обчислення оцінки СКВ випадкової

складової похибки результату вимірювання, тобто компоненти неви-

значеності типу А, за формулою

n

iA

Wi

Wnn

u1

2

)1(

1. (3.44)

Далі розглянемо процедуру обчислення характеристик невилуче-

ної систематичної складової похибки результату вимірювання, тобто

компоненти невизначеності типу В. Ця складова виникає завдяки по-

хибкам засобу контролю та визначається на основі паспортних даних

засобу вимірювання та апріорного розподілу ймовірностей. Визначен-

ня цієї складової детально викладене в роботах [108, 109].

У нашому випадку немає конкретних свідчень про можливі зна-

чення W усередині інтервалу, тому найбільш доцільно припустити, що

з однаковою ймовірністю W може знаходитися в будь-якому місці

діапазону вимірювання, тобто має місце рівномірний або прямокут-

ний розподіл ймовірностей (=1), оскільки саме це припущення

відповідає найгіршому випадку – максимальній стандартній невизна-

ченості типу В. Тоді

3

Wu

В

, (3.45)

де WW 05,0 (паспортні дані одноканального інфрачервоного воло-

гоміра).

Нарешті, останнім кроком методики, що показано на рис. 3.13, є

безпосереднє обчислення комбінованої стандартної невизначеності.

Якщо стандартна невизначеність за типом А та стандартна невизна-

ченість за типом В є несумірними величинами, тобто BA

uu або

BAuu , то комбінована стандартна невизначеність буде дорівнювати

більшій величині. Якщо ці величини сумірні і корельовані, тоді

комбінована стандартна невизначеність визначається за формулою

ABBABAruuuuu 222 , (3.46)

де AB

r – коефіцієнт кореляції.

У нашому випадку ці величини є незалежними, тому 22

BAuuu .

95

Окремі фрагменти таблиць, де містяться результати оцінки

комбінованої стандартної невизначеності вологості різних сипучих

матеріалів, наведено на рис. 3.14, 3.15.

Рис. 3.14. Фрагмент результатів оцінки комбінованої стандартної

невизначеності вологості сухого молока

Рис. 3.15. Фрагмент результатів оцінки комбінованої стандартної

невизначеності вологості прального порошку

3.4. Оцінювання вірогідності контролю

Якість порошкоподібних матеріалів по вологовмісту, що є пре-

дметом дослідження в цій роботі, визначається порівнянням результа-

тів вимірювання інформативного параметра з межами допуску. Поле

допуску на контрольований параметр задається у вигляді номінально-

го значення і допустимого відхилення від нього [121]

96

н€н

ХХkХ , (3.47)

де X – параметр, що контролюється; н

X – номінальне значення пара-

метра; – допустиме відхилення від номінального значення; €

k –

коефіцієнт асиметрії поля допуску.

Припустимо, що математичне очікування закону розподілу

ймовірностей контрольованого параметра збігається з його номіналь-

ним значенням, і позначимо центроване значення параметра як

нXXx . (3.48)

Тоді поле допуску визначається як

xk€

. (3.49)

Припустимо також, що поле допуску симетричне, тобто матема-

тичне очікування похибки 0 x

m . Тоді 1€

k , а поле допуску визна-

чається x .

Порошкоподібні матеріали, вологість яких знаходиться в сере-

дині поля допуску, вважається придатним за цим параметром. Ма-

теріали, в яких виміряне значення вологості виходить за межі поля

допуску, бракуються по цьому параметру. Вони є не придатними.

Результат вимірювання представляється сумою залежних

випадкових величин контрольованого параметра і похибки

вимірювання [122–129]:

xmXxx x

o

‰ . (3.50)

Припустимо, що закон розподілу контрольованого параметра

X є нормальним

2

2

2

)(exp

2

1)(

xx

XXXP

, (3.51)

де X – виміряне значення контрольованого параметра; X – матема-

тичне очікування контрольованого параметра; x

– середнє квадра-

тичне відхилення контрольованого параметра.

На рис. 3.16 зображено фрагмент реалізації 250-ти виміряних

значень вологості прального порошку.

97

Рис. 3.16. Зміна вологості прального порошку

(контрольованої величини) в часі

Припустимо також, що за нормальним законом розподілена і

похибка вимірювання x :

2

2

2

)(exp

2

1)(

xx

xxxP

, (3.52)

де x

– похибка вимірювання; x – математичне очікування похибки

вимірювання; x

– середнє квадратичне відхилення похибки вимі-

рювання.

Оцінимо вірогідність контролю для термогравіметричного ме-

тоду, оскільки він є базовим та рекомендованим ГОСТ 29246-91 для

використання в лабораторних умовах для контролю вологості порош-

коподібних матеріалів.

На рис. 3.17 наведено фрагмент реалізації 250-ти значень похи-

бки вимірювання вологості прального порошку. Експериментальні

дані і закони розподілу побудовані в середовищі програмного забез-

печення MAPl.

Сумісний закон розподілу контрольованої величини і похибки

вимірювання матиме вигляд

2

2

2

2

2

)(

2exp

2

1)(

xx

xx

xx

xx

XXPXPXP

. (3.53)

Графічне представлення законів розподілу контрольованої ве-

личини, похибки вимірювання і сумісного закону розподілу показані

на рис. 3.18.

W, %

t, c

98

Рис. 3.17. Зміна значення похибки вимірювання вологості

прального порошку в часі

а) б) в)

Рис. 3.18. Графічне представлення закону розподілу контрольованої

величини а), похибки вимірювання б),

сумісного закону розподілу в)

Ці закони розподілу побудовано для статистичних характери-

стик, які наведені в табл. 3.3 та 3.4.

Таблиця 3.3

Основні статистичні характеристики контрольованої величини

(W=11,1%)

w minW

maxW w n S

2

11 10,6 11,5 0,24 250 4,1 4,6

t, c

Δ , %

P (W, Δ)

W,%

Δ , %

W,% W,%

P (W) P (Δ)

99

Таблиця 3.4

Основні статистичні характеристики похибки (W=11,1%)

min

max

n S

2

0,005 – 0.46 0,49 0,148 250 6,9 12

На рис. 3.19 показано фрагмент реалізації 250-ти виміряних зна-

чень вологості сухого молока, а на рис. 3.20, відповідно, похибки

вимірювання.

Рис. 3.19. Зміна вологості сухого молока

(контрольованої величини) в часі

Рис. 3.20. Зміна значення похибки вимірювання

вологості сухого молока в часі

На рис. 3.21 наведено закони розподілу контрольованої величи-

ни, похибки вимірювання вологості сухого молока та їхній сумісний

закон розподілу. Ці закони, як і попередні, побудовано для термо-

гравіметричного методу контролю. Вихідними даними для цих за-

конів є статистичні характеристики, які наведені в табл. 3.5 і 3.6.

W, %

t, c

t, c

Δ , %

100

Експериментальні дані і закони розподілу побудовані в середовищі

програмного забезпечення MAPl.

а) б) в)

Рис. 3.21. Графічне представлення закону розподілу

контрольованої величини а), похибки вимірювання б),

сумісного закону розподілу в)

Таблиця 3.5

Основні статистичні характеристики контрольованої величини

(W=6,6%)

w minW

maxW w n S 2

6,6 6,2 7,1 0,15 250 2,1 4,2

Таблиця 3.6

Основні статистичні характеристики похибки (W=6,6%)

min

max n S 2

0,0 –0,59 0,61 0,24 250 3,17 5,3

Помилка першого роду (ризик виробника) визначається [121], як

dXdxPdXP€k

Xx

Xxxxxxx

2

1

)()()()( . (3.54)

Помилка другого роду (ризик замовника) визначається [121], як

Xx

Xxxx

Xx

Xxxx

k

xdXdXPdXdXP

€ 1

2

1

2

. (3.55)

P (W)

P (Δ)

W, % Δ, %

Δ , %

W, %

P (W , Δ)

101

З (3.54) і (3.55) за допомогою програмного забезпечення оцінено

помилки першого і другого роду та вірогідність контролю сухого мо-

лока (рис. 3.22) термогравіметричним методом. Результати розрахун-

ку зведено в табл. 3.7.

а) б)

Рис. 3.22. Оцінка ризику виробника а) та замовника б)

для термогравіметричного методу контролю

Таблиця 3.7

Вихідні дані та результати оцінки вірогідності контролю

w w D

6,6% (0,2 – 0,3)% 0,25% 0,088 – 0,17 0,015–0,017 0,813 – 0,897

В табл. 3.7:

w – СКВ контрольованого параметра;

w – середнє арифметичне

значення контрольованого параметра;

– СКВ похибки; – ризик

виробника; – ризик замовника; D – вірогідність контролю.

На рис. 3.23 наведено номограми для оцінки ризиків замовника

та виробника і вірогідності контролю для термогравіметричного ме-

тоду контролю при наявності адитивної складової похибки. З аналізу

наведених номограм видно, що адитивна складова похибки (0,25 %)

суттєво впливає на вірогідність контролю.

В (3.54) та (3.55) вибрані такі межі інтегрування:

xx 1 ; x€

kx 2 . (3.56)

Чисельний розв’язок рівнянь (3.54) і (3.55) виконано в середо-

вищі символьної математики Maple V4 за допомогою програмного за-

безпечення.

α β

σΔ , % σΔ , %

102

а)

б)

Рис. 3.23. Номограма оцінки ризику виробника а) та замовника б)

для термогравіметричного методу

Таким чином, в удосконаленому методі безпосереднього конт-

ролю вологості здійснюється корекція мультиплікативної складової

похибки, завдяки чому підвищується вірогідність контролю.

Розроблений відносний метод контролю вологості та засіб для

його реалізації дозволяють отримувати результати вимірювань, інва-

ріантні до неінформативних параметрів за рахунок здійснення стовід-

соткового від’ємного зворотнього зв’язку в опорному каналі по

об’єкту контролю.

α

σΔ , %

σΔ , %

β

103

4. ПРАКТИЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ ТА

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Для розробки експериментального зразка засобу вимірювально-

го контролю вологості порошкоподібних матеріалів, в основу побудо-

ви якого покладено новий метод контролю, необхідно перш за все ро-

зробити методику проектування таких технічних засобів. На основі

цієї методики розробити та виготовити первинний вимірювальний пе-

ретворювач, плату вторинного аналогового вимірювального приладу

та блок мікропроцесорної обробки (числовий перетворювач) вимірю-

вальної інформації з наступним прийняттям рішення: придатний чи не

придатний. Вибрати метод метрологічної атестації та повірки. На зра-

зковій мірі провести експериментальні дослідження і підтвердити ре-

зультатами експерименту отримані в роботі математичні моделі та

прийняті гіпотези.

4.1. Методика проектування засобів вимірювального

контролю

У зв’язку з тим, що складовими засобу вимірювального контро-

лю є первинний вимірювальний перетворювач, аналоговий та мікроп-

роцесорний блоки обробки вимірювальної інформації, то і методика

проектування має включати етапи інженерного розрахунку найбільш

важливих вузлів цих блоків.

З точки зору новизни, яка продиктована сутністю методу вимі-

рювання, основну увагу приділимо спочатку первинному вимірюва-

льному перетворювачу.

Найбільш важливим елементом, від значення параметрів якого

залежить похибка вимірювання є лампа джерела світла. Як було пока-

зано в розділі 2, що в процесі зміни значення світлового потоку, зале-

жно від типу лампи в джерелі світла, мультиплікативна похибка може

досягати 0,8.

Тому, для вибору лампи запропонована залежність (3.3)

)(2

14 кRІФк

н ,

яка дозволяє з вихідних параметрів лампи (струм споживання, напруга

живлення, внутрішній опір і потужність споживання) визначити номі-

нальне значення світлового потоку.

У процесі роботи ці параметри лампи можуть змінюватися, що

приведе до зміни світлового потоку. Як наслідок, до появи похибки

чутливості – мультиплікативної похибки. Для корекції цієї складової

104

похибки необхідно її значення множити на значення корегувального

коефіцієнта за формулою (3.8).

Перемноживши отримане значення коригувального коефіцієнта

на виміряне значення світлового потоку Фв, отримаємо дійсне значен-

ня світлового потоку Фд для конкретної вимірювальної процедури во-

логості порошкоподібного матеріалу

вд

ФФ . (4.1)

Досить важливим є і врахування температури вольфрамової ни-

тки на результати вимірювання.

З цією метою розраховуємо температуру нагрітого тіла електри-

чної лампи в залежності від напруги живлення лампи.

У випадку ідеальної нитки, що знаходиться у вакуумі 105, по-

тужність електричної лампи л

Р рівна світловому потоку Ф:

лРФ ; (4.2)

н

лR

UР

2

, (4.3)

де U – напруга живлення лампи; н

R – опір вольфрамової нитки.

Опір прямо пропорційно залежить від довжини нитки н

l і обер-

нено пропорційно від площі перерізу нитки н

S :

н

н

т

н

н

тнS

l

d

lR

2

4 . (4.4)

Позначимо н

н

н VS

l і підставимо в (4.4)

нтнVR . (4.5)

Із довідників відомо, що

)1(20

tСт о , (4.6)

де Со20

рівна питомому опору нитки при 20о

С – const; – темпера-

турний коефіцієнт, що залежить від роду металу.

105

)1(0

tVRнн

, (4.7)

тоді з (4.3) маємо

)1(0

2

tV

UР

н

л

(4.8)

і

)1(0

2 tVPUнл

, (4.9)

або

)1(0

tVIUн

. (4.10)

Виходячи з умов ідеальної нитки і умови, що авіаційні та авто-

мобільні лампи працюють при температурі 2400о С та скориставшись

таблицею 6.7 “Параметри ідеальної вольфрамової нитки” 105, с. 216,

можна знайти параметр í

V для кожної з досліджуваних ламп.

Для цього визначимо більш точно величини і Со20

для цього

типу ламп. 3102,9 (град.) і 8

201085,3

Со (Омм)

Це пов’язано з тим, що до вольфраму додаються різні присадки.

Для лампи А12-21 8

81009,0

1016,81

32,7

нV .

Для лампи А12-15 8

810116,0

1016,81

47,9

нV .

Для лампи СМ13-10 8

810217,0

1016,81

65,17

нV .

Для лампи А12-5 8

810462,0

1016,81

5,37

нV .

Тоді температура вольфрамової нитки для цього типу ламп буде

визначатись як

0

1

нVI

Ut . (4.11)

Лампа А12-21: Сt о24041042,35)1009,0(64,1

120007,108

881

.

Лампа А12-15: Сt о24081042,35)10116,0(27,1

120007,108

882

.

106

Лампа СМ13-10: Сt о24041042,35)10217,0(68,0

120007,108

883

.

Лампа А12-5: Сt о24001042,35)10462,0(32,0

120007,108

884

.

Струми I взято з табл. 3.1 при напрузі живлення 12 В.

Отримані результати показують, що значення і Со20

вибрані

правильно, зміну температури нитки в залежності від напруги жив-

лення можна розраховувати по одній з ламп. Виберемо А12-21, тоді

Сt оV 240812 (2681 К); Сt о

V 232111 (2594 К);

Сt оV 222510 (2498 К); Сt о

V 21379 (2410 К);

Сt оV 20368 (2309 К); Сt о

V 19217 (2194 К);

Сt оV 18066 (2079 К); Сt о

V 16695 (1942 К);

Сt оV 15004 (1773 К).

Гранична напруга живлення для цих ламп рівна 13,5 V, що від-

повідає температурі нитки 2515о С або 2788 К.

Із 111, с. 181 випливає, що люксметр використовується для

вимірювання освітленості, утвореної лампами розжарювання, кольо-

рова температура яких не виходить за межі 2300–3400 К.

Із табл. 6.8 “Основні фізичні параметри ідеальної вольфрамової

нитки” 105, с. 217 видно, що така кольорова температура відповідає

температурі розжарювання нитки (біля 2300 К) і відповідає 8 В напру-

ги живлення.

Порівняємо отримані результати з експериментальними дослі-

дженнями.

Для експериментальних досліджень зміни світлового потоку в

залежності від напруги живлення електроламп було зібрано макетний

пристрій на базі люксметра (рис. 4.1).

Він складається з конусного дзеркального параболоїда 2, у вер-

хній частині якого розміщено діафрагму 3. Під діафрагмою розташо-

вано світлонепроникний циліндр 4, встановлений на світлофільтр 5

фотодетектора 6 люксметра 7.

У зв’язку з тим, що люксметр відградуйований в люксах (1 лк =

1 лм 1 м-2

), тобто, приведений до площі освітлення в 1 м2. За допомо-

гою діафрагми 3 прилад можна налаштувати на початковий світловий

потік, що випромінюється однією з ламп при напрузі живлення 12 В.

Люксметр градуювався по лампі А12-21. Після цього визначались

107

світлові потоки цієї та інших ламп при різних напругах живлення. Ро-

зрахункові та експериментальні дані зведено в табл. 4.1.

1

2

4

56

73

Рис. 4.1. Конструкція макетного пристрою

Таблиця 4.1

Експериментальні та теоретичні залежності світлових потоків

від напруги живлення електроламп

Uл, В 12 11 10 9 8 7 6 5 4

А12

-21

ФР, лм 246,6 193,5 149,5 112,7 81,8 56,4 37,3 23,3 13

ФЕ, лм 247 192 147 111 79 53 30 10 2,0

А12

-15

ФР, лм 156,9 124,1 96,4 72,4 52,9 37,33 24,9 15,7 9,22

ФЕ, лм 157 126 97 72 51 35 19 7 1,5

СМ

13

-10

ФР, лм 58,36 46,1 35,52 27,40 20,44 14,86 10,46 7,11 4,53

ФЕ, лм 58 45 35 26,5 19,5 13 7,5 2,5 0,7

А1

2-5

ФР, лм 23,6 19,17 16,07 12,75 10,05 7,76 5,97 4,5 3,4

ФЕ, лм 24 20 16 12,5 9,5 6,5 4 1,5 0,5

Наступним кроком методики є отримання теоретичної градую-

вальної характеристики для конкретних параметрів вимірювального

108

перетворювача. Зведемо числові значення параметрів вимірювального

перетворювача в табл. 4.2.

Таблиця 4.2

Параметри вимірювального перетворювача

Найменування параметра Числове

значення

Інтегральна чутливість фотоприймача, мкА/лм 0,165

Коефіцієнт відбиття для ідеального білого тіла 0,87

Коефіцієнт пропускання інтерференційного фільтра 0,42

Світловий потік, що випромінюється джерелом світла,

лм 2,3

Коефіцієнт, що характеризує проходження світла через

захисне скло 0,92

Коефіцієнт, що характеризує проходження світла через

оптичну систему 0,92

Радіус рівнояскравого диска, м 0,04

Відстань від рівнояскравого диска до лампи, м 0,04

Відстань від рівнояскравого диска до ФП, м 0,04

Тангенс кута падіння світла на площадку ФП 0,44

Тангенс кута між нормаллю до відбиваючої поверхні і

напрямом на відбиваючу площадку (25 градусів) 0,44

Підставивши ці значення параметрів вимірювального перетво-

рювача в рівняння перетворення (3.1)

x

nф

фW

Ll

ФrRSU

22

1

2

04coscos

10

,

отримаємо теоретичну градуювальну характеристику для первинного

вимірювального перетворювача

xф WU 22,0 . (4.12)

Перейдемо до проектування аналогового блока. Повне рівняння

перетворення (3.12) для вимірювального каналу отримано в п. 3.1

x

nфn WLlU

ФrRSkN

22

0

1

2

04coscos

102

.

109

З цього рівняння перетворення отримаємо формулу для обробки

результатів вимірювання мікроконтролером (числовим перетворюва-

чем)

coscos210

2

10

22

04

rRФSk

LIUNW

nф

nx . (4.13)

Тоді значення кроку квантування дорівнює

n

xW

h2

max . (4.14)

У зв’язку з цим, градуювальна характеристика для вимірюваль-

ного каналу матиме такий вигляд

NW

NhWn

x

x

2

max. (4.15)

Для проектування числового перетворювача визначимо частоту

дискретизації, скориставшись для цього часовою діаграмою роботи

АЦП і процесора мікроконтролера.

Аналіз алгоритмів вимірювального контролю (рис. 3.6 і

рис. 3.11) показує, що при такій структурі обмін інформацією між

АЦП і процесором мікроконтролера (програмний режим) виконується

під керуванням програмного драйвера. Програмно керований обмін

інформацією включає в себе виконання таких дій:

- запуск аналого-цифрового перетворювача;

- зчитування стану АЦП;

- перевірка готовності порта АЦП до введення даних в комірки

оперативної пам’яті;

- якщо порт АЦП готовий до обміну вимірювальною інформа-

цією, то процесор мікроконтролера здійснює введення і уста-

новлює біт готовності Кп (прапорець) в нуль.

Часова діаграма роботи такого драйвера показана на рис. 4.2.

110

U, В

t, мкс

tADC tDR

ТД

t, мкс

Рис. 4.2. Часова діаграма роботи програмного драйвера

Із попередніх викладок можна зробити висновок, що крок дис-

кретизації (час, що витрачається на одну вимірювальну процедуру),

складається із часу ADC

t , необхідного на АЦП-перетворення і часу DR

t ,

необхідного на виконання програмного асемблерного драйвера

DRADCДttT . (4.16)

Час ADC

t визначається за паспортними даними АЦП мікроконт-

ролера.

Максимальний час, необхідний для виконання процедур про-

грамного асемблерного драйвера, доцільно оцінити [130] з його вихі-

дного лістинга

n

iiDR

pTt1

0, (4.17)

де 0

T – період тактової частоти 0f мікроконтролера; i

p – кількість так-

тів в одній команді програмного драйвера; i – кількість команд у про-

грамному драйвері.

З вихідного лістинга програмного драйвера визначено час його

виконання, який становить 30 мкс. Час АЦП-перетворення мікроконт-

ролерів серії Atmel не перевищує 20 мкс. Тоді загальний час, що ви-

трачається на отримання одного виміряного значення вологості, не

перевищує

мксttT DRADCД 503020 .

111

Для такої організації програмно-апаратних засобів частота дис-

кретизації становитиме

кГцсT

fД

Д 201050

116

.

Відповідно, швидкодія таких засобів вимірювального контролю

становить 50 000 вимірювань за секунду.

4.2 . Практична реалізація схем електричних принципових

Вологомір складається з: 1) вимірювального перетворювача (пе-

рвинного вимірювального перетворювача з вторинними перетворюва-

чами); 2) індикаторного блока; 3) блока живлення.

Індикаторний блок та блок живлення виконані у вигляді єдиної

конструкції – аналогоцифрового мікропроцесорного приладу.

Схема електрична функціональна вологоміра ПОВ-1 (рис. 4.3)

складається з опорного та вимірювального каналів.

По опорному каналу здійснюється керування світловим пото-

ком, що падає на фотоприймач VD1. По вимірювальному каналу здій-

снюється вимірювання масової частки (у відсотках) вологи в порош-

коподібних продуктах.

Фотоприймачі VD1 та VD3 опорного і вимірювального каналів

відповідно, розміщені в вимірювальних перетворювачах вологоміра.

Зовнішній вигляд первинного вимірювального перетворювача наведе-

но на рис. 4.4.

Вимірювальний перетворювач складається з: лампи HL, лінзи Л,

поміщених в коліматор, фотоприймачів VD1 і VD3, захисного скла та

металевого корпусу.

Опорний канал вологоміра виконаний по компенсаційній схемі і

складається з:

1) вимірювального мосту, зібраного на фотоприймачах VD1, VD2 і

резисторів R1 і R2 (фотоприймач VD2 включено в темновому

режимі і призначений для компенсації темнового струму у фо-

топриймачі VD1, який залежить від температури навко-

лишнього середовища);

2) диференціального підсилювача DA1;

3) каскаду, призначеного для настройки початкової напруги на ла-

мпі HL, який складається з транзисторів VT1 і VT2 та регулю-

вального резистора R5;

4) диференціального підсилювача DA3.1;

112

Ри

с. 4

.3. С

хем

а ел

ектр

ич

на

при

нц

ип

ова

воло

гом

іра

ПО

В-1

?

Л С

VD

2

Тем

.

VD

4

Тем

.

VD

1V

D3

HL

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

1 4 2 3 6 8 7,9

6 7 8 9 10

11

12

13

16 15

L1

L2 L3

C1

C2

C3

R3

R1

R2

R3

4

DD

1

DA

1

R4

R8

R11

R5

R7

VT

1

VT

2

R12

R9

R10

R5

R1

8

DA

3.1

R13

R2

0

R14

R1

7

R2

2

C4

R3

1R

33

R32

R3

0

R28

R2

6

C6

VT

3

C9

R15

R19

R2

1

R1

6

R27

C7

R29

DA

4.1

R23

C5

R24

C8

R2

5

HL

1..H

L6

ХЗ

Г

1

2

1

2

5

6

+

3

2

1

- +

+1

5B

+V

cc

-15B

-Vcc

+15

B

-15

B

OV

Q2

1

3

4 56 7

+15B

Q- +

12 3

DA

3.2

- +

4

567

+15B

+1

5B

+V

cc

DA

3.3

DA

3.4

-15B

-Vcc

-15

B

- +

- +

QQ

Q8

9

10

12

13

14

11

A

+15B

+1

5B

+V

cc

-15B

-Vcc

OV

Q

4 56 7

8

+15

B

-15

B

81

32- +

1

12

11

,13

16 3

15

14 2 1

17 4 5 4 5

2 3 4 5 6 7 8

1 21 2

ХЗ

Г

KT

1

KT

2

+5B

+15B

+15

B,H

L

-15

B

ИК

t °C

HL

Х1

DA

2

-15

B

-Vcc

DA

4.2

-15

B+

15

B

+V

cc

+1

5B

321 4

6 5

7 8

10

14

17

5

Пл

ата

А1

--

++

113

Рис. 4.4. Первинний вимірювальний перетворювач

5) попереднього підсилювача DA3.2;

6) регульованого підсилювача DA3.3;

7) керованого генератора DA3.4;

8) підсилювача потужності VT3;

9) лампи HL.

Зовнішній вигляд аналогового блока вимірювача показано на

рис. 4.5.

При вимірюванні масової частки вологи в піддослідному мате-

ріалі в залежності від зміни фізико-хімічних властивостей матеріалу

114

Рис. 4.5. Аналоговий блок засобу контролю

змінюється світловий потік, що падає на фотоприймач VD1, що приз-

водить до розбалансування мосту і появі сигналу розбалансування на

вході диференціального підсилювача DA1 опорного каналу. Підсиле-

ний підсилювачами DA3.1, DA3.2 і DA3.3 електричний сигнал надхо-

дить на генератор DA3.4, який в залежності від зміни значення елект-

ричного сигналу прямо пропорційно змінює частоту надходження

прямокутних імпульсів. Таким чином, із збільшенням електричного

сигналу, що надходить на вхід попереднього підсилювача, збільшу-

ється частота надходження імпульсів. При зменшення електричного

сигналу частота надходження імпульсів знижується.

Імпульсна напруга надходить на підсилювач потужності VT3,

навантаженням якого є електрична лампа HL. Напруга на лампі змі-

нюється, що призводить до зміни світлового потоку, який падає на

115

фотоприймач VD1 в бік, протилежний дії фактора впливу, чим досяга-

ється баланс мосту.

Резистором R28 здійснюється регулювання коефіцієнта негати-

вного зворотного зв’язку опорного каналу, а резистором R5 встанов-

люється початкова “нульова” напруга на HL.

Вимірювальний канал складається з:

1) вимірювального мосту, який зібраний на фотоприймачах VD3,

VD4 і резисторах R15 і R16;

2) диференціального підсилювача DA2;

3) попереднього підсилювача DA4.1;

4) регульованого підсилювача DA4.2;

5) розміщених в індикаторному блоці: регульованого диференціа-

льного підсилювача DA7, мікропроцесора DD1, індикаторного при-

строю DA8 і допоміжних пристроїв DA5 і DA6, які здійснюють пере-

дачу вимірювальної інформації на комп’ютер у формі RS-232 і перет-

ворення вимірювальної інформації в уніфікований сигнал 4–20 мА ві-

дповідно.

При вимірюванні масової частки вологи, в залежності від воло-

гості піддослідного порошкоподібного матеріалу змінюється світло-

вий потік, що падає на фотоприймач VD3, що приводить до розбалан-

сування мосту і появи сигналу розбалансування на вході регульовано-

го диференціального підсилювача DA2. З виходу диференціального

підсилювача DA2 сигнал розбалансування надходить на попередній

підсилювач DA4.1, підсилюється і надходить на регульований підси-

лювач DA4.2, де формується рівень сигналу біля 1 – 1,2 В. Цей сигнал

по кабелю надходить в індикаторний блок на вхід регульованого ди-

ференціального підсилювача DA7, з виходу якого потрапляє на АЦП

мікропроцесора DD1, де перетворюється в цифровий сигнал, що над-

ходить на індикаторний пристрій, який індукує інформаційний сигнал

в зручну для візуалізації оператору форму.

Мікропроцесор за допомогою мікросхеми DA5 здійснює перет-

ворення вимірювального сигналу у форму RS-232 для зв’язку з

комп’ютером і, за допомогою мікросхеми DA6, в уніфікований сигнал

4–20 мА.

Попереднє регулювання нульового сигналу здійснюється дифе-

ренціальним підсилювачем DA7 за допомогою резисторів R1 і R5.

Попереднє регулювання закінчення шкали здійснюється також підси-

лювачем DA7 за допомогою резистора R6.

На рис. 4.6 зображено зовнішній вигляд первинного вимірюва-

льного перетворювача та аналогового блока.

116

Рис. 4.6. Засіб вимірювального контролю вологості

порошкоподібних матеріалів

4.3. Метрологічні дослідження засобів вимірювального

контролю вологості

Засоби вимірювальної техніки (ЗВТ) є технічними засобами, які

характеризуються нормованими метрологічними характеристиками.

Надійність ЗВТ визначається їхньою здатністю витримувати метроло-

гічні параметри в регламентованих межах. Вихід за ці межі класифі-

кується як метрологічна відмова. Відповідність метрологічних харак-

117

теристик їх нормованим значенням встановлюють у процесі повірки

засобів вимірювальної техніки.

Повірка полягає у визначенні похибок засобів вимірювальної

техніки і встановленні їхньої придатності до застосування.

Повірку ЗВТ здійснюють двома методами:

- поелементно;

- комплектно.

Поелементна повірка, під час якої метрологічні характеристики

засобів вимірювальної техніки визначають за метрологічними харак-

теристиками їх окремих частин.

При поелементній повірці визначають метрологічні характерис-

тики кожного вимірювального перетворювача. Потім на основі відо-

мих функціональних залежностей між вимірювальними перетворюва-

чами визначають сумарні метрологічні характеристики повіряємого

засобу. Поелементна повірка досить складна і трудомістка.

Комплектна повірка, під час якої метрологічні характеристики

засобів вимірювальної техніки визначають як для єдине ціле без ви-

значення метрологічних характеристик окремих її частин.

Комплектна повірка може здійснюватися декількома методами

[109].

Для нашої задачі доцільно використати метод зразкових прила-

дів. В основу такого методу покладено одночасне вимірювання фізич-

ної величини повіряємим (ПЗВТ) і зразковим (ЗЗВТ) засобами вимі-

рювальної техніки. При цьому оператор має встановити, що на зраз-

ковий і повіряємий засіб діє одна і та інтенсивність фізичної величи-

ни.

Характерною рисою методу зразкових приладів є застосування в

автоматизованій системі зразкових приладів, що мають відомі і стабі-

льні метрологічні характеристики. До зразкових засобів вимірюваль-

ної техніки висувається така вимога: «Точність зразкового засобу має

бути в 3–5 разів вищою ніж точність повіряємого засобу».

Для здійснення комплектної повірки необхідно виконати таку

послідовність дій:

1. Отримати градуювальні характеристики ЗВТ для контрольо-

ваних матеріалів.

2. Навести структурну схему повірки.

3. Використати або запропонувати методику визначення дійс-

ного значення.

4. Визначити із діапазону вимірювання 3–5 точок, в яких необ-

хідно провести вимірювальний експеримент.

5. В цих точках провести одночасне вимірювання зразковим і

повіряємим засобами. Виміряне значення отримане зразко-

118

вим приладом прийняти за дійсне значення дW , а повіряє-

мим за виміряне вW .

6. Оцінити в цих точках діапазону вимірювання абсолютну, ві-

дносну і зведену похибки.

7. Знайти із ряду відносних і зведених похибок максимальні

значення і застосувавши метрологічний ряд встановити клас

точності.

Для отримання градуювальної характеристики необхідно визна-

читися із значенням контрольованої величини, допусками на її зміну

та кроком квантування.

Для сухого молока значення контрольованого параметра має

знаходитися в межах [25]

Wx = 4 % ± 0,5 %.

Отже, об’єкт контролю вважається придатним, якщо вологість

не перевищує такі допуски 3,5 % < Wx < 4,5 %.

Для забезпечення вимірювального контролю вологості в даному

діапазоні задамося верхньою межею вимірювання

Wx max = 5,12 %.

Тоді крок квантування становить

%005,02

%12,5

2 10

max

n

xWh ,

а градуювальна характеристика для засобу контролю (рис. 4.7) воло-

гості сухого молока матиме вигляд

NNhWx %005,0 , (4.18)

де N – кількість імпульсів, які підрахує двійковий лічильник за АЦП-

перетворення.

Рис. 4.7. Теоретична градуювальна характеристика

Для експериментального визначення дійсного значення засобу

контролю необхідно виконати вимірювання вологості за ГОСТ

Wx, %

N

119

29246-91 шляхом визначення масової частки вологи висушуванням

зразка при температурі (1022)о

С. Апаратура, матеріали, реактиви ві-

дповідають цьому Державному стандарту. Вологовміст сухого молока

у відсотках визначався за формулою:

%1002

1

mm

mmWд , (4.19)

де m – маса стакана разом зі зразком до висушування; m1 – маса ста-

кана разом зі зразком після висушування; m2 – маса стакана разом з

кришкою.

Результати даного експерименту прийнято за дійсні значення і

занесено до табл.4.3.

Таблиця 4.3

Результати експериментальних досліджень

Дійсне значення

вологи, % 3,03 3,44 3,91 4,52 5,07

Нормова-

не

значення Виміряне значен-

ня

вологи, % 2,96 3,50 3,99 4,61 5,12 –

Абсолютна

похибка, % –0,07 + 0,06 + 0,08 + 0,09 +0,05 0,09 %

Відносна похибка,

% 2,31 1,74 2,05 1,99 0,99 2,5 %

Зведена похибка,

% 1,37 1,17 1,56 1,76 0,98 2,0 %

У середовищі програмного забезпечення NUMERI отримано ек-

спериментальну градуювальну характеристику (рис. 4.8) засобу конт-

ролю вологості, яку апроксимовано поліномом 1-го порядку

Xy 012,1004,0 . (4.20)

Рис. 4.8. Експериментальна градуювальна характеристика

Wx, %

W, %

120

Для прального порошку значення контрольованого параметра

має знаходитися в межах [131]

Wx = 11 % ± 0,5 %.

Об’єкт контролю вважається придатним для цього матеріалу,

якщо його вологість знаходиться в межах 10,5 % < Wx < 11,5 %.

Задамося верхньою межею вимірювання: %288,12maxxW .

Тоді крок квантування становить

%012,02

%288,12

2 10

max

n

xWh ,

а градуювальна характеристика для засобу контролю (рис. 4.9) воло-

гості прального порошку матиме вигляд

NNhWx %012,0 , (4.21)

де N – кількість імпульсів, які підрахує двійковий лічильник за АЦП-

перетворення.

Рис. 4.9. Теоретична градуювальна характеристика

Результати експериментальних досліджень занесено в табл. 4.4.

Таблиця 4.4

Результати експериментальних досліджень

Дійсне значення

вологи, % 10,01 10,47 11,14 11,47 12,09

Нормоване

значення

Виміряне значення

вологи, % 9,89 10,61 11,03 11,35 12,26 –

Абсолютна

похибка, % –0,12 +0,14 –0,11 –0,12 +0,17 0,17%

Відносна

похибка, % 1,20 1,34 0,99 1,05 1,41 1,5%

Зведена

похибка, % 0,98 1,14 0,90 0,98 1,38 1,5%

Wx, %

N

121

4.4. Результати експериментальних досліджень

Для оцінювання випадкових похибок проведено багаторазові

вимірювання посередині діапазону зміни вхідної величини.

Експериментальні дослідження виконувалися за прискореним

методом визначення масової частки вологості сухого молока [25] –

методом сушки проби при температурі 1252о С.

Для проведення експерименту використовувалися такі прилади:

- ваги лабораторні 4-го класу точності з верхньою межею вимі-

рювання 200 г (ГОСТ 24104);

- шкаф сушильний електричного типу СЕШ – 8М;

- термометр лабораторний ртутний з діапазоном показів

0–200оС з ціною поділки 1

о С (ГОСТ 28498);

- склянка СН – 60 14 (ГОСТ 25336);

- годинник механічний 3-го класу точності (ГОСТ 3309).

Виконання експерименту.

1. Склянку з кришкою зважують і поміщають в сушильний

шкаф та витримують його там при температурі 1252о

С протягом

20 хв. Після цього склянку з кришкою охолоджують в ексікаторі про-

тягом 40 хв.

2. Склянку з 4–6 г проби, рівномірно розподіленої на його дні,

зважують з відліком показів 0,005 г.

3. Відкриту склянку з пробою і кришкою поміщають у сушиль-

ну шафу і сушать при температурі 1252оС протягом 25 хв. Потім за-

кривають склянку кришкою, охолоджують в ексікаторі протягом

15–20 хв. Зважують з відліком показів 0,005г.

Обробка результатів вимірювання.

Масову частку вологи (Wx) у відсотках опосередковано визна-

чають [25]:

%100

0

1

m

mmWx , (4.22)

де m – маса склянки з кришкою і пробою матеріалу до висушування,

г; 1m – маса склянки з кришкою і пробою матеріалу після висушуван-

ня, г; 0m – маса проби матеріалу до висушування, г.

Визначення статистичних характеристик випадкової похибки і

встановлення її закону розподілу здійснено в середовищі програмного

забезпечення NUMERI згідно з такою методикою:

- запустіть програму NUMERI;

- увійдіть в меню «Статистика»;

- увійдіть в меню «Статистичні оцінки»;

- увійдіть в меню «Дані»;

122

- задайте ім’я файла з масивом випадкових похибок такої

структури: Wx.txt;

- побудуйте графік реалізації контрольованого параметра

(рис. 4.10).

Рис. 4.10. Зміна результатів вимірювання вологості

прального порошку (в часі)

- за допомогою клавіші «Esc» верніться в меню «Статистичні

оцінки»;

- запишіть з екрана монітора всі статистичні характеристики

випадкових похибок в табл. 4.5

Таблиця 4.5

Основні статистичні характеристики контрольованої величини

w minW

maxW w n S 2

11 10,6 11,5 0,24 250 4,1 4,6

В табл. 4.5:

w – середнє арифметичне значення контрольованого параметра;

minW – мінімальне значення;

maxW – максимальне значення; w – СКВ

контрольованого параметра; S , 2 – параметри 2 тесту.

- поверніться в меню «Довірчий інтервал середнього значен-

ня»;

- увійдіть в меню «Довірчий інтервал середнього значення»;

- задайте вірогідність 99,73 %;

- верніться в меню «Chi2-тест»;

- задайте кількість еквідистанційних класів k=25 і ймовірність

Р=99,73 %;

- перевірте гіпотези на рівномірний і нормальний закони роз-

поділу;

W, %

t, c

123

- запишіть з екрана монітора результати обчислень для норма-

льного і рівномірного законів розподілу;

- увійдіть в меню «Функції розподілу». Задайте представлені в

табл. 4.5 статистичні характеристики і побудуйте з екрана

монітора функцію розподілу контрольованого параметра

(рис. 4.11).

а) б) в)

Рис. 4.11. Графічне представлення закону розподілу:

контрольованої величини (а), похибки вимірювання (б),

сумісного закону розподілу (в)

Згідно з наведеною вище методикою отримаємо основні статис-

тичні характеристики (табл. 4.6) для реалізації випадкової похибки

вимірювання вологості прального порошку (рис. 4.12).

Таблиця 4.6

Основні статистичні характеристики похибки

min

max n S 2

0,005 –0,46 0,49 0,148 250 6,9 12

В табл. 4.6:

– середнє арифметичне значення похибки (систематична складо-

ва); min

– нижнє значення похибки; max

– верхнє значення похибки;

– СКВ контрольованого параметра; S , 2 – параметри 2 тесту.

P (W)

W, %

W, %

P (Δ)

P (W, Δ)

Δ , %

Δ , %

124

Рис. 4.12. Зміна в часі значення похибки засобу вимірювання

вологості

Аналіз експериментально отриманих законів розподілу контро-

льованого параметра і похибки засобу вимірювання показує, що гіпо-

теза про нормальність законів розподілу підтверджується.

На рис. 4.13 показано реалізацію контрольованої величини (во-

логості сухого молока), а в табл. 4.7 – основні статистичні характерис-

тики, необхідні для побудови закону розподілу. Результати отримано

для засобу контролю, що реалізує метод контролю.

Таблиця 4.7

Основні статистичні характеристики контрольованої величини

w minW

maxW w n S 2

4,0 3,89 4,08 0,025 250 34 66

Рис. 4.13. Зміна вологості сухого молока (контрольованої величини)

в часі

Реалізація похибки вимірювання вологості та статистичні харак-

теристики похибки наведено відповідно на рис. 4.14 та в табл. 4.8

t, c

Δ , %

t, c

W, %

125

Таблиця 4.8

Основні статистичні характеристики похибки (W=4 %)

min

max n S 2

0,0 –0.46 0,49 0,25 250 45 66

Рис. 4.14. Зміна значення похибки в часі

За даними, які наведені в табл. 4.7 і табл. 4.8 побудовано закони

розподілу вологості сухого молока, похибки вимірювання та їхній су-

місний закон розподілу (рис. 4.15).

а) б) в)

Рис. 4.15. Графічне представлення закону розподілу:

контрольованої величини (а), похибки вимірювання (б),

сумісного закону розподілу (в) для термогравіметричного методу

Оцінимо вірогідність контролю за експериментальними даними

для термогравіметричного і відносного методу та методу безпосеред-

нього контролю вологості сухого молока.

Якісним вважається молочний продукт, в якому в процесі його

виготовлення вологість знаходиться в таких межах %5,4%4%5,3 .

t, c

Δ , %

W, %

W, %

P (W) P (Δ)

Δ , % Δ , %

P (W, Δ)

126

Тобто, допуск на вологість знаходиться в межах %5,0 .

Оцінка ризику виробника Оцінка ризику замовника

Рис. 4.16. Номограми для термогравіметричного методу

Таблиця 4.9

Вихідні дані для оцінювання вірогідності контролю

w w D

4,0 % (0,2–0,3) % 0,25 % 0,088–0,17 0,015–0,017 0,813–0,897

Аналіз отриманих результатів (рис. 4.16 і табл. 4.9) показує, що

цей метод забезпечує достатньо високу вірогідність контролю. Але

його не можливо застосовувати для контролю якості сухого молока в

процесі його виготовлення.

Оцінимо вірогідність контролю засобів, що реалізують методи

безпосередньої оцінки і відносний метод.

Номограми для оцінювання вірогідності контролю засобу, що

реалізує метод безпосередньої оцінки наведено на рис. 4.17 і в

табл. 4.10. Оцінка ризику виробника Оцінка ризику замовника

Рис. 4.17. Номограми для методу безпосередньої оцінки

σΔ , % σΔ , %

α β

α β

σΔ , % σΔ , %

127

Таблиця 4.10

Вихідні дані для оцінювання вірогідності контролю

w w D

4,0 % (0,2–0,3) % 0,27 % (0,093–0,175) (0,020–0,024) 0,801–0,887

Номограми для оцінювання вірогідності контролю засобу, що

реалізує відносний метод, наведено на рис. 4.18 і в табл. 4.11.

Оцінка ризику виробника

Оцінка ризику замовника

Рис. 4.18. Номограми для відносного методу

Таблиця 4.11

Вихідні дані для оцінювання вірогідності контролю

w w D

4,0 % (0,2–0,3) % 0,20 (0,037–0,11) (0,004–0,005) 0,86–0,95

Отже, в результаті проведених метрологічних досліджень роз-

робленого засобу контролю вологості, встановлено, що значення аб-

солютної, відносної та зведеної похибок знаходяться в межах нормо-

ваних значень. Експериментально доведено, що закони розподілу кон-

трольованих величин та похибок вимірювання є нормальними.

В результаті оцінки вірогідності контролю гостованого термог-

равіметричного методу та засобів, які реалізують запропоновані метод

безпосереднього контролю та відносний метод контролю, встановле-

но, що відносний метод забезпечує найвищу вірогідність контролю.

ВИСНОВКИ

σΔ , % σΔ , %

α β

128

1. Проаналізовано відомі методи та засоби контролю вологості

порошкоподібних матеріалів та теоретичні підходи, що покладені в

основу їх побудови. Встановлено, що на сучасному етапі розвитку те-

орії та техніки актуальним і перспективним є створення нових методів

та засобів автоматизованого контролю вологості в умовах їхнього ви-

робництва в реальному часі з вірогідністю контролю, яку забезпечує

термогравіметричний метод.

2. Обґрунтовано та розроблено нові методи та засоби вимірюва-

льного контролю вологості порошкоподібних матеріалів в інфрачер-

воній області, які дозволяють в промислових умовах забезпечити ві-

рогідність контролю, яка не поступається термогравіметричному ме-

тоду. При цьому досягнуто такі основні наукові та прикладні резуль-

тати:

2.1. Вдосконалено математичну модель первинного

вимірювального перетворювача, яка враховує параметри джерела сві-

тла, та вперше отримано рівняння перетворення, що однозначно

пов’язує вихідну величину – значення фотоструму і вхідну – значення

вологості. Показано, що статична характеристика пропонованого

вимірювального перетворювача лінійна. Доведено, що в процесі зміни

значення світлового потоку, залежно від типу лампи в джерелі світла,

мультиплікативна похибка може досягати 0,8, а при заміні інтерфе-

ренційного фільтра – 0,5. Одержано аналітичні залежності для ко-

рекції цієї складової похибки.

2.2. Вдосконалено математичну модель об’єкта контролю у ви-

гляді системи диференційних рівнянь, що адекватно описує фізичні

процеси, які протікають під час конвенктивної сушки порошкоподіб-

них матеріалів. Встановлено закономірність між вхідною величиною

(температура гарячого повітря) та вихідною – вологовміст порошко-

подібних матеріалів. Показано зв’язок між допусками на контрольо-

ваний параметр (від 3,5 % до 4,5 %) і відповідними змінами темпера-

тури гарячого повітря (від 70о

С до 130о С). Доведено адекватність цих

моделей (похибки моделей не перевищують 10 %) і необхідність ви-

користання для аналізу автоматизованих засобів контролю вологості.

2.3. Розроблено методи безпосереднього і відносного контролю

вологості порошкоподібних матеріалів.

При безпосередньому контролі вологості, якщо опромінювати

об’єкт контролю від джерела світла в інфрачервоній області, то відби-

тий від нього промінь сприймається фотоприймачем, який перетворює

випромінювання, що на нього надійшло, в електричний сигнал. При

цьому коефіцієнт відбиття від вологого порошкоподібного матеріалу

однозначно пов’язаний з контрольованим параметром лінійною зале-

129

жністю. Отримано аналітичну залежність для корекції мультиплікати-

вної складової похибки, яка виникає за рахунок зміни світлового по-

току джерела світла. Виведено рівняння перетворення для мікропро-

цесорного одноканального засобу контролю вологості і показано, що

цей вологомір має лінійну статичну характеристику. Аналіз рівняння

похибки квантування показує, що значення цієї складової похибки в

межах зміни контрольованої величини не перевищує 0,25 %. Оцінено

невизначеність вимірювань та вірогідність контролю для даного засо-

бу контролю.

При вимірюванні вологості за відносним методом та відповід-

ною структурною схемою результат визначається різницею відношень

спектральних коефіцієнтів відбиття вимірювального та опорного ка-

налів при нульовій вологості, а метрологічні характеристики волого-

міра визначаються в основному конструкцією вологоміра. Показано,

що при створенні однакової освітленості фотоприймачів вимірюваль-

ного та опорного каналів, не залежно від величини частинок порошку,

його пористості, шорсткості, кольору отримується висока точність

(зведена похибка не перевищує 1,8 %).

Доведено, що навіть при наявності значної залежності парамет-

рів фотоприймачів від температури, її вплив на результати вимірю-

вання практично зводиться до нуля. Якщо коефіцієнти підсилення ві-

дрізняються в 2–3 рази, то температурна похибка виражається в сотих

відсотка вологості. З цього рівняння також видно, що для засобу кон-

тролю реалізованого за такою структурною схемою, відсутній вплив

кольоровості об’єкта контролю на показник вологоміра.

3. Запропоновано методику оцінювання комбінованої невизна-

ченості вимірювань, яка складається з аналізу попередньо отриманих

аналітичних залежностей для оцінки адитивної і мультиплікативної

складових систематичної похибки та експериментальних статистич-

них характеристик випадкової складової похибки на прикладі засобу

контролю вологості сухого молока та прального порошку в умовах їх-

нього виробництва.

За критерій оцінки анормальних результатів вимірювань виб-

рано критерій Ірвіна, оскільки на етапі попередньої оцінки метрологі-

чних характеристик ще невідомо закон розподілу ймовірностей.

Показано, що розрахунок комбінованої стандартної невизначе-

ності доцільно проводити, якщо стандартна невизначеність за типом

А та стандартна невизначеність за типом В є сумірними величинами,

інакше комбінована невизначеність просто береться рівною більшій

величині.

130

На основі запропонованої методики розроблено функціональні

схеми та алгоритми роботи мікропроцесорних засобів контролю воло-

гості за методом безпосередньої оцінки та відносним методом.

4. В результаті метрологічних досліджень експериментального

зразка засобу контролю встановлено нормовані значення абсолютної,

відносної та зведеної похибок. Максимальна зведена похибка засобу

контролю вологості порошкоподібних матеріалів не перевищує 1,8 %,

а клас точності цього приладу складає 2,0.

5. Експериментально досліджено закони розподілу контрольо-

ваних величин і похибки вимірювання. Доведено, що дані закони є

нормальними. Для термогравіметричного методу та засобів контролю,

які реалізують відносний і метод безпосередньої оцінки, отримано

номограми для оцінювання вірогідності контролю. Встановлено, що

засіб, який реалізує метод безпосередньої оцінки забезпечує вірогід-

ність контролю вологості сухого молока в межах 0,801 – 0,887. Такий

результат практично відповідає вірогідності контролю термогравімет-

ричного методу (0,813 – 0,897). Показано також, що засіб, який реалі-

зує відносний метод контролю, має дещо вищий показник (0,86 –

0,95). Ці результати дозволяють стверджувати, що розроблені засоби

контролю, можуть використовуватися не тільки в лабораторних умо-

вах для вибіркового контролю, але й в виробничих умовах технологі-

чного процесу виготовлення порошкоподібних матеріалів для контро-

лю вологості в реальному часі, а результати використовувати в систе-

мі автоматизованого управління якістю.

131

ЛІТЕРАТУРА

1. Берлинер М.А. Измерение влажности. – М.: Энергия, 1973. –

399 с.

2. Мухитдинов М., Мусаев Э.С. Оптические методы и устройст-

ва контроля влажности. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 96 с.

3. Н.С.Дубров, Е.С.Кричевский, Б.И.Невзлин Многопараметри-

ческие влагомеры для сыпучих материалов. – М.: Энергоатомиздат,

1980. – 144 с.

4. Теория и практика экспресного контроля влажности твердых

и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов

М.В. и др. / Под ред. Е.С. Кричевского. – М.: Энергия, 1980. – 240 с.

5. Влажность: Измерение и регулирование в научных исследо-

ваниях и технике. Т.4. Принципы и методы измерения влажности жи-

дких и твердых материалов: Пер. с англ. / Под ред. Е.С.Кричевского. –

Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 254 с.

6. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, порис-

тость. – М.: Мир, 1970. – 407 с.

7. ДСТУ ГОСТ 8.531-2003 Метрологія. Стандартні зразки скла-

ду монолітних та дисперсних матеріалів. Способи оцінювання однорі-

дності. – Взам. ГОСТ 8.531-81; Введ. 01.07.2003. – К.: Держспоживс-

тандарт України, 2003. – 28 с.

8. Разработка методик выполнения измерений влажности твер-

дых веществ вакуумно-тепловым методом: Отчет о НИР/ ВНИИМСО;

№ ГР 01850053202; Инв. № ВНТИЦ 02870065722. – Свердловск, 1987.

– 75 с.

9. Иванов В.П., Медведевских С.В., Меньшиков А.М. Метроло-

гическое обеспечение влагометрии твердых веществ: Обзорная ин-

форм. – М., 1990. – 40 с.

10. Обработка результатов измерений содержания воды в твер-

дых веществах: Методические рекомендации. – Свердловск: УрОАН

СССР, 1988. – 54 с.

11. Липатов Н.Н., Харитонов В.Д. Сухое молоко. – М.: Легкая и

пищевая промышленность, 1981. – 264 с.

12. Романов В.Г. Поверка влагомеров твердых веществ. – М.:

Изд-во стандартов, 1983. – 46 с.

13. Стенцель Й.І. Метрологія та технологічні вимірювання в хі-

мічній промисловості. Аналітичні прилади і методи контролю. Ч.2.:

Навч.посіб. – Луганськ: вид-во Східноукраїнського нац. ун-ту, 2000. –

263 с.

132

14. Грицай В.И. Классификация методов измерения влажности

сыпучих материалов // Контрольно-измерительная техника. – 1972. –

Вып. 12. – С. 130-133.

15. Дубров Н.С., Виноградов Е.П. Современные электрические

способы измерения влажности зерна и продуктов его переработки //

Мукомольно-элеваторная промышленность. – 1966. – №8. – С.14-18.

16. Федоткин И.М., Клочков В.П. Физико-технические основы

влагометрии в пищевой промышленности. – К.: Техника, 1974. –

308 с.

17. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов / Е.С.

Кричевский, А.Г. Волченко, С.С. Галушкин / под ред. Е.С. Кричевско-

го. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 136 с.

18. Эме Ф. Диэлектрические измерения / Пер. с нем. Под ред.

И.И.Заславского. – М: Химия, 1967. – 223 с.

19. Бензарь В.К., Ценципер Б.Л., Ренгарт И.И. Два пика диэлек-

трической релаксации воды в зерне // Известия АН БССР, сер. Физи-

ко-энергетическая. – 1984. – №4. – С. 72-76.

20. Берлінер М.А., Дем'янов А.А., Малорацький П.Г., Спиридо-

нов В.І., Цієр М.С. Нові розробки в області СВЧ вимірювань вологості

матеріалів // Прилади і системи управління. – 1974. – №9. – С.22-25.

21. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. – Минск, 1974. –

286 с.

22. Исматуллаев Р.П., Гринвальд А.Б. Теоретическое и экспе-

риментальное исследование сверхвысокочастотного метода измерения

влажности материалов. – Ташкент: Фан, 1982. – 83 с.

23. Бабко А.К., Пилипенко А.Г. Фотометрический анализ. Об-

щие сведения и апаратура. – М.: Химия, 1968. – 324 с.

24. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. Изд. 5-е.

– М.: Химия, 1974. – 536 с.

25. ГОСТ 29246-91. Консервы молочные сухие. Методы опреде-

ления влаги. – Взамен ГОСТ 8764 – 73 в части разд.7 (методов опре-

деления массовой доли влаги в сухих молочных продуктах); Введ.

01.07.93. – М.: Издательство стандартов, 1995. – 7 с.

26. ГОСТ 13586.5-93. Зерно. Метод определения влажности. –

Взамен. ГОСТ 13586.5–85; Введ. 01.01.95. – М.: Изд-во стандартов,

1995. – 9 с.

27. Венедиктов М.В. Тепло- и массообмен в дисперсных систе-

мах. – Минск, Наука и техника, 1965. – 244 с.

28. Измеритель влажности с устройством управления темпера-

турой сушки исследуемого материала. Feuchtigkeitsmeeser mit

temperatursteuerbarer Trockenvorrichtung. Waltz Gerhard, Waltz Mathias;

133

August Gronert GmbH und Co KG. Заявка 3508271, ФРГ. Заявл.

08.03.85 № Р3508271.2; Опубл. 11.09.86. МКИ G 01 N 5/04. – 6 с.

29. Способ определения влагосодержания материалов: А.с. №

930069 СССР, МКИ G01N25/56/ Крысов В.Д., Романов В.Г. и др.; За-

явлено 17.10.80; Опубл. 23.02.82, Бюл. № 19. – 4 с.

30. Разработка установки высшей точности измерения влажнос-

ти твердых веществ: Отчет о НИР/ВНИИМСО; № ГР 01870073531;

Инв. № ВНТИЦ 02890044516. – Свердловск, 1987. – 89 с.

31. Разработка термогравиметрической образцовой установки на

основе метода СВЧ сушки для определения влажности твердых ве-

ществ: Отчет о НИР/ВНИИМСО; № ГР 01870073531; Инв. № ВНТИЦ

02890044516. – Свердловск, 1989. – 102 с.

32. Иванов В.П., Медведевских С.В. и др. Обработка результа-

тов измерений содержания воды в твердых веществах. – М., 1988. –

85 с.

33. Берлинер М.А. Электрические методы и приборы для изме-

рения и регулирования влажности. – М.: Энергия, 1960. – 68 с.

34. Устройство для кондуктометрического определения влажно-

сти сыпучих материалов: А.с. 1226248 СССР, МКИ G 01 N 27/02 / Ка-

рманов В.Г., Мелещенко С.Н., Сыпулин Е.И. – № 3804258/24-25; За-

явл. 15.08.84; Опубл. 23.04.86, Бюл. № 15. – 2 с.

35. Способ непрерывного измерения влажности сипучих мате-

риалов в технологическом потоке: А.с. №1300373 СССР, МКИ G 01 N

27/22 / Меремьянин Ю.И., Бушуев В.А., Смирнов В.И., Яшуркаев С.И.

– № 3821416/31-25; Заявлено 06.12.1984; Опубл. 13.03.87, Бюл. № 12.

– 3 с.

36. Пат. 4621228, США, МКИ G 01 R 27/02. Electric moisture me-

ter. Toki Kuni, Sindou Osamu; Keft Electric Lab.: Пат. 4621228, США,

МКИ G 01 R 27/02. – № 669973; Заявл. 09.11.84; Опубл. 04.11.86; НКИ

G 01 R 27/26. – 3 с.

37. Способ определения влажности гранулированного карбами-

да: А.с. 684418, СССР, МКИ G 01 N 25/58. / П.В.Мулянов,

Т.М.Богданова, Н.М.Мончарж, Н.В.Балахнина, Г.Д.Аксенова,

Е.З.Журавлев. – № 2453434/18-25; Заявл. 21.02.77; Опубл. 05.09.79,

Бюл. № 33. – 3 с.

38. Пат. 3331305 ФРГ, МКИ G 01 N 27/22, G 01 N 33/24. Diel-

ektrisches Feuchtemebgerat. Hirth Friedrich; Gann Meb-u. Regel-technik

GmbH. – № Р3331305.9; Заявл. 31.08.83; Опубл. 14.03.85. – 6 с.

39. Пат. 2558282 Франция, МКИ G 06 G 7/26, 7/75. Generateur

d'un signal electrigue representative d'une courbe de reference et appareil

d'analyse incorporant un generafeur, en parficulier pour la mesure du faux

134

d'humidife de cereales. Germain J. – № 8400728; Заявл. 18.01.84; Опубл.

19.07.85. – 5 с.

40. Пат. 4584522 США, МКИ G 01 R 27/26. Digital direct reading

grain moisture tester. Valera Marco E.; Electrex, Inc.: Пат. 4584522,

США. – № 522027; Заявл. 11.08.83; Опубл. 22.04.86; НКИ 324/61 R. –

4 с.

41. Пат. 3426009 ФРГ, МКИ G 01 N 27/22. Vorrichtung zur

Messung von Stoffeigenschaften, insbesondere zur Feuchte. Ludwig Franz;

Franz Ludwig Meb- und Regeltechnik. – № Р3426009.9; Заявл. 14.07.84;

Опубл. 16.01.86. – 3 с.

42. Yuki Hideyasu. Емкостный влагомер сыпучих веществ: Пер. з

яп. // Кейсоку гидзюцу, Instrum and Autom. – 1986. – № 3. – С. 106-

109.

43. Пат. 135071 ПНР, МКИ G 01N 27/12, G 01 N 27/22. Sonda do

pomiaru wilgotnosci materialow drobnoziarnitych. Skrzypek Andrzej,

Kostorz Andrzej, Rogowski Tadeusz, Januszewski Brunon, Wierzbowski

Lech; Centrum Naukowo-Produkcyine Elektrotechniki Automatyki

Gorniczej "EMAG". – № 238843; Заявл. 25.01.82; Опубл. 30.08.86. – 6 с.

44. Пат. 33118А Україна, МКИ G 01 N 5/00. Напівпровідниковий

датчик вологості / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Осадчук О.В. – №

98126388; Заявл. 03.12.1998; Опубл. 15.02.2001, Бюл. №1. – 3 с.

45. Пат. 33120А Україна, МКИ G 01 N 5/00. Пристрій для вимі-

рювання вологості / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Осадчук О.В. – №

98126390; Заявл. 03.12.1998; Опубл. 15.02.2001, Бюл. №1. –3 с.

46. Пат. Японії № 56-16375, МКИ G 01 N 15/10. Пристрій для

виміру вологості сипучих матеріалів. – Заявл. 6.06.77; Опубл. 16.04.81.

– 4 с.

47. Установка для исследования физических свойств волокнис-

тых материалов: А.с. 1402912, СССР, МКИ G 01 N 27/22. /

Ю.А.Секанов, Н.Л.Левитова и др. – № 4077169/ 30-25; Заявл. 18.04.86;

Опубл. 15.06.88, Бюл. № 22. – 3 с.

48. Емкостный измеритель влажности сыпучих материалов: А.с.

1125531, СССР, МКИ G 01 N 27/22. / В.С.Шумович, В.Ф.Микитченко,

В.Я.Дремлюга, С.И.Рутковский и др. – № 3633916/26-25; Заявл.

23.08.83; Опубл. 20.11.84, Бюл. № 43. – 5 с.

49. Арутюнов О.С. Датчики состава и свойств веществ. – М.:

Энергия, 1966. – 160 с.

50. Пат. 48438А Україна, МКИ G 01 N 27/22. Спосіб діелькомет-

ричного виміру вологості сипучих матеріалів і пристрій для його здій-

снення / Занько С.М. – № 2001075348; Заявл. 26.07.2001; Опубл.

15.08.2002, Бюл. № 8. – 5 с.

135

51. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких

частотах. – М.: Гос. физ.-мат. издат., 1963. – 403 с.

52. Устройство для измерения влажности: А.с. СССР №

1205004, МКИ G 01 N 22/04 / Ценципер Б.И., Дайнеко В.А., Ренгарт

И.И., Лисовский В.В. – № 3755556/24 – 09; Заявл. 14.06.84; Опубл.

15.01.1986, Бюл. №2. – 7 с.

53. Пат. 44052А Україна, МКИ G 01 N 27/22. Спосіб вимірюван-

ня вологості / Губін М.В., Кордюмов О.І. – № 2001031956; Заявл.

23.03.2001; Опубл. 15.01.2002, Бюл. № 1. – 3 с.

54. Измеритель влажности: А.с. СССР № 1317340, МКИ G 01 N

22/04 / Огороднийчук Л.Д., Гирнык А.В. и др. – № 3990863/24 – 09;

Заявл. 17.12.85; Опубл. 15.06.87, Бюл. №22. – 4 с.

55. Бесконтактный конвеерный влагомер: А.с. СССР № 1318896,

МКИ G 01 N 27/22 / Гораздовский Т.Я., Невзолин Б.И., Комаров А.Н.,

Чигринец Г.В., Протопопов О.А., Бобырин Г.П. – № 3964921/31– 25;

Заявл. 05.09.83; Опубл. 23.07.85, Бюл. №23. – 5 с.

56. Берлинер М.А., Иванов В.А. Характеристики влагомеров

сверхвысоких частот // Приборы и системы управления. – 1967. – №3.

– С.14-16.

57. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М. Математиче-

ская модель амплитудного СВЧ влагомера // Вестник Верхне-

Волжского отделения Академии технологических наук. Серия: Высо-

кие технологии в радиоэлектронике. – 1997. – №2. – С. 191-198.

58. Лабутин С.А. Исследование интегральной модели амплиту-

дного СВЧ влагомера и ее применение // Вестник Верхне-Волжского

отделения Академии технологических наук. Серия: Высокие техноло-

гии в радиоэлектронике. – 1997. – №2. – С. 200-205.

59. Лабутин С.А., Пугин М.В., Садкова О.В. Функция простран-

ственной чувствительности амплитудного СВЧ влагомера // Тез. докл.

ВНТК «Методы и средства измерений физических величин». –

Н.Новгород, 1997. – №2. – С.89-90.

60. Лабутин С.А. Эмпирические и теоретические модели ампли-

тудного СВЧ влагомера // Тез.докл. ВНТК «Наука – производству.

Современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в

машино- и приботостроении». – Арзамас, 1998. – С.159.

61. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М., Петров В.В.

Малогабаритный СВЧ измеритель влажности твердых и сыпучих ма-

териалов и его математическая модель // Вестник Верхне-Волжского

отделения Академии технологических наук. Серия: Высокие техноло-

гии в радиоэлектронике. – 1996. – №2. – С. 47-51.

136

62. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М., Петров В.В.

Амплитудный СВЧ влагомер твердых и выпучих материалов // Изме-

рительная техника. – 1996. – №11. – С. 66-68.

63. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М. Амплитуд-

ный СВЧ влагомер на основе полосковой линии передачи. – Нижний

Новгород: НГТУ, 1996. – 35 с.

64. Лабутин С.А., Садкова О.В. Модели амплитудного СВЧ вла-

гомера и толщиномера на основе микрополосковой линии передачи:

Сб.науч.трудов «Физические технологии в машиностроении». – Ниж-

ний Новгород, 1998. – С.50-54

65. Фуртек Анджей. Микроволновой метод измерения влажнос-

ти // Обозр.пол.техн. – 1984. – № 4. – С. 23-24.

66. Способ измерения влажности материалов, неоднородных по

электрическим свойствам: А.с. № 271104.-БИ, МПК G 01 N 23/24 /

Атаметов Т.У. и др. – № 1305358/18-10; Заявл. 21.02.69; Опубл.

12.03.70, Бюл. №17. – 4 с.

67. Спиридонов В.И., Демьянов А.А. Повышение чувствитель-

ности СВЧ-датчиков влажности с помощью резонатора бегущей вол-

ны // Заводская лаборатория. – 1978. – №8. – С. 983-984.

68. Черненко С.А., Королев В.П., Москаленко О.И., Багдасарян

Л.Б. Метод распознания градуировок инфракрасного влагомера с ми-

кроЭВМ // Приборы и системы управления. – 1991. – №3. – С.38-39.

69. Авраменко В.Н., Эсельсон М.П. Спектральный анализ в пи-

щевой промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1979. –

102 с.

70. Федоткин И.М., Клочков В.П. Физико-технические основы

влагометрии в пищевой промышленности. – К.: Техника, 1974. –

307 с.

71. Измерения в промышленности: [Справочник] / Под ред. П.

Профоса: Пер.с нем. – М.: Металлургия, 1980. – 648 с.

72. Аглинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений. – М.:

ГИТТЛ, 1957. – 98 с.

73. Власов Н.А. Нейтроны. – 2-е перераб. изд. – М.: Наука, 1971.

– 551 с.

74. Емельянов В.А. Измерение влажности нейтронным методом

// Приборы и системы управления. – 1970. – №1. – С. 24-26.

75. Емельянов В.А., Синицын В.И., Бескин Л.И., Евсеев Ю.К.

Нейтронометрия влажности пахотного слоя почв // Атомная энергия. –

1969. – Т. 26. – Вып. 1. – С. 10-14.

76. Филиппов Е.М., Валетин Б.С., Новоселов А.В. Нейтрон-

нейтронный и нейтронно-гамма методы в рудной геофизике. – Ново-

сибирск: Наука, 1972. – 58 с.

137

77. Осипов В.И. Влияние минералогического состава и плотнос-

ти скелета на измерение влажности нейтронным методом // Вопросы

инженерной геологии и грунтоведения. – 1963. – №4. – С. 158-164.

78. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые

измерения параметров технологических процессов. – М.: Энергоа-

томиздат, 1989. – 208 с.

79. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы хими-

ческих производств: Учебн. для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.:

Машиностроение, 1983. – 424 с.

80. Kraezewski A. Microwave aquametry – a bibliography // Journal

of Microwave Power. – 1980. Vol.15. №4. – Р.298-310.

81. Кораблев И.В., Поляков А.И., Шевчук А.И. Промышленные

фотометрические анализаторы жидкостей в инфракрасной области

спектра. – М.: НИИТЭХИМ, 1987. – 35 с.

82. Устройство для определения влажности текстильных мате-

риалов: А.с. 1052950 СССР, МКИ G 01 N 21/27 / Р.А. Хайдаров, Г.А.

Карапетов, В.В. Зыков и др. – № 3393679/18-25; Заявл. 23.12.81;

Опубл. 07.11.83, Бюл. № 41. – 4 с.

83. Такахаси Ф. Измерение и автоматическое регулирование

влажности в производственных процессах: Пер. с япон. – 1974. – Т.

17. – №2. – С. 10-17.

84. Белинский Л.И., Швырев С.С., Омельянчук Л.А. Автомати-

ческий контроль и регулирование технологических процессов отдело-

чного производства. – М.: Легкая индустрия, 1978. – 250 с.

85 «Берег». Техническое описание и инструкция по эксплуата-

ции 5Г1.550.143 ТО

86. Оптический влагомер: А. с. 561896 СССР, МКИ G 01 N 21/00

/ В. П. Коробцев, Тян Хак Су, Л. И. Лапенко. – № 1963525; Заявл.

10.10.73; Опубл. 05.06.77, Бюл. №22. – 3 с.

87. Оптический влагомер: А.с. 746257 СССР, МКИ G 01 N 27/10

/ В. П. Коробцев, Х. С. Тян. – № 2590789/ 18-25; Заявл. 16.03.78;

Опубл. 07.07.80, Бюл. №25. – 4 с.

88. Лыков А.В. Теория сушки. – М.: Энергия, 1968. – 470 с.

89. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых

продуктов: Уч. пос. для вузов по специальностям пищевой промыш-

ленности. – М.: Пищевая промышленность, 1973. – 528 с.

90. Никитина Л.М. Термодинамические параметры и коэффици-

енты массопереноса во влажных материалах. – М.: Энергия, 1968. –

498 с.

91. Гинзбург А.С. Сушка пищевых продуктов: Уч. пос. для техн.

спец. вузов пищевой промышленности. – М.: Пищепромиздат, 1960. –

248 с.

138

92. Харитонов В.Д. Двухстадийная сушка молочных продуктов.

– М.: Агропромиздат, 1986. – 215 с.

93. Богачук В.В., Мокін Б.І. Модернізація камери для сушки

згущеного молока з позиції побудови інваріантної системи регулю-

вання температури в ній // Вісник Вінницького політехнічного інсти-

туту. – 1999. – №4. – С. 36-39.

94. Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных устано-

вок. – М.: Госэнергоиздат, 1962. – 320 с.

95. Богачук В.В., Мокін Б.І. Аналіз основних математичних мо-

делей та похибок обчислення вихідних параметрів процесу сушки мо-

лока // Контроль і управління в технічних системах: VI Міжнародн.

наук. конф. Вінниця, 21-23-жовтня 1997 р. – Вінниця, 1997. – Т. 1. – С.

76-81.

96. Брусиловский Л.П., Войнсберг А.Я. Автоматизация техноло-

гических процессов молочных консервов. – М.: Пищевая промышлен-

ность, 1975. – 279 с.

97. Остапчук Н.В. Основы математического моделирования

процессов пищевых производств. – К.: Вища школа, 1991. – 367 с.

98. Автоматизация технологических процессов пищевых произ-

водств / Под ред. Е.Б.Карпина. – М.: Агропромиздат, 1985. – 536 с.

99. Кивенко С.Ф., Страхов В.В. Производство сухого и згущено-

го молока. – М.: Пищевая промышленность, 1968. – 245 с.

100. Головченко О.М., Богачук В.В., Студинський В.В., Шевче-

нко А.В. Математичне моделювання конвективної сушарки // Сучасні

інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення лю-

дини: Зб. наук. праць. – К., 2004. – С. 204-209.

101. Гинзбург А.С. Расчет и проектирование сушильных уста-

новок пищевой промышленности. – М.: Агропромиздат, 1985. – 336 с.

102. Гринчишин Я.Т. Турбо-Паскаль: Чисельні методи в фізиці

та математиці. – Тернопіль, 1993. – 130 с.

103. В.В.Богачук, О.М.Головченко, В.В.Кухарчук Математична

модель процесу конвективного сушіння сипких матеріалів // Вісник

ВПІ. – 2005. – №3. – С. 67-73.

104. Богачук В.В., Кухарчук В.В. Математична модель вимірю-

вального перетворення вологості сипучих матеріалів в ІЧ-області //

Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Зб.

наук. праць. – Кременчук, 2007. – Вип. 4/2007 (45). – Ч.2. – С. 130-133.

105. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света:

Учебн. пособие для вузов. – 2-е изд. доп. и перераб. – М.: Энергоато-

миздат, 1983. – 384 с.

106. Щепина Н.С. Основы светотехники: Учебн. пособие для те-

хникумов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 344 с.

139

107. Авраменко В.Н., Есельсон М.П., Заика А.А. Инфракрасные

спектры пищевых продуктов. – М.: Пищевая промышленность, 1974. –

176 с.

108. Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Поджаренко В.О. Оцінка

статичних метрологічних характеристик опосередкованих вимірю-

вань: Збірник наукових праць НУ "Львівська політехніка". – Львів,

2001. – Вип. 420. – С. 37- 45.

109. Володарський Є.Т., Кухарчук В.В., Поджаренко В.О., Сер-

дюк Г.Б. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю: Навча-

льний посібник. – Вінниця, ВДТУ, 2001. – 219 с.

110. Згурский В.С., Лисицын Б.Л. Элементы индикации. – М.:

Энергия, 1974. – 224 с.

111. Гуревич М.М. Фотометрия. – 2-е изд., доп. и перераб. – Л:

Энергоатомиздат, 1983. – 272 с.

112. Богачук В.В., Кухарчук В.В. Математична модель вимірю-

вального перетворення вологості сипучих матеріалів в ІЧ-області //

Автоматика – 2006: XIII Міжнародн. конф. з автоматичного управлін-

ня. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця,

2006. – С.164.

113. Богачук В.В., Дмитрієв Ю.О., Кухарчук В.В. Засіб вимірю-

вального контролю вологості сипучих матеріалів// Вісник Хмельниць-

кого національного університету. – 2007. – Т.1, №2. – С.241-245.

114. Пат. 9734, МПК G01N27/02. Пристрій для вимірювання во-

логості матеріалів з безперервним режимом роботи в часі / Шабатура

Ю.В., Дмітрієв Ю.О., Бараболя В.П., Богачук В.В. –u2005 02686; За-

явл. 24.03.2005; Опубл. 17.10.2005; Бюл. № 10. – 6 с.

115. Руководство по выражению неопределенности измерения. –

С-Петербург: Государственное предприятие "Всероссийский научно-

исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева", 1999.

– 136 с.

116. ДСТУ 2681-94. Метрологія. Терміни і визначення; Чинний

від 26 липня 1994 р. – К.: Держстандарт України, 1994. – 68 с.

117. Циделко В.Д., Яремчук Н.А. Невизначеність вимірювання.

Обробка даних і подання результату вимірювання. – К.: ІВЦ “Видав-

ництво «Політехніка»”, 2002. – 176 с.

118. Кухарчук В.В., Кацив С.Ш. Оцінка невизначеності вимірю-

вань в галузевих метрологічних лабораторіях згідно рекомендацій ISO

// Вісник Хмельницького національного університету. – 2006. – № 5.

– C. 119-124.

119. Кухарчук В.В., Кацив С.Ш. Оцінка комбінованої невизна-

ченості вимірювань // Автоматика – 2006: XIII Міжнародн. конф. з ав-

140

томатичного управління. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р. – Вінниця,

2006. – С.94-98.

120. Кухарчук В.В. Кацив С.Ш., Богачук В.В., Говор І.К. Оцінка

комбінованої стандартної невизначеності вимірювань вологості сипу-

чих матеріалів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. –

2007. – №3. – С. 59-66.

121. Дунаев Б.Б. Точность измерений при контроле качества. –

К.: Техніка, 1981. – 152 с.

122. Справочник по теории вероятностей и математической ста-

тистике / В.С.Королюк, Н.И.Портенко, А.В.Скороход, А.Ф.Турбин. –

М.: Наука, 1985. – 640 с.

123. Самарский А.А. Введение в численные методы. – М.: Нау-

ка, 1987. – 288 с.

124. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. –

Л.: Энерго-атомиздат, 1986. – 256 с.

125. Вероятностные методы в вычислительной технике / Край-

ников А.В., Курдиков Б.А., Лебедев А.Н. и др. – М.: Высш. шк., 1986.

– 312 с.

126. Венцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и

ее инженерные приложения. – М.: Наука, 1991. – 384 с.

127. Володарський Є.Т., Москаленко І.П. Підвищення вірогідно-

сті контролю з застосуванням адаптивного алгоритму // Наукові вісті

НТУУ «КПІ». – 1999. – №3. – С.111-114.

128. Володарский Е.Т. Основы структурно-алгоритмической те-

ории повышения достоверности автоматизированного контроля //

Труды VI Межд.симпоз. «Метрология - 95». – Созополь. – Болгария. –

1995. – С. 118-124.

129. Володарский Е.Т., Москаленко И.П. Уменьшение влияния

погрешности измерительного канала на достоверность контроля // Сб.

труд. МНТК «Измерения - 98». – Киев, 1998. – С. 266-267.

130. Поджаренко В.О., Кухарчук В.В. Вимірювання і комп'юте-

рно-вимірювальна техніка. – К.: УМК ВО, 1991. – 240 с.

131. ГОСТ 25644-96. Средства моющие синтетические порош-

кообразные. Общие технические требования. – Взамен ГОСТ 25644-

88; Введ. 30.06.96. – Издательство Госстандарт Украины, 1997. – 10 с.

Наукове видання

Володимир Васильович Богачук

Борис Іванович Мокін

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ

ВИМІРЮВАЛЬНОГО КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ

ПОРОШКОПОДІБНИХ МАТЕРІАЛІВ

Монографія

Оригінал-макет підготовлено В. Богачуком

Редактор С. Малішевська

Видавництво ВНТУ «УНІВЕРСУМ-Вінниця»

Свідоцтво Держкомінформу України

серія ДК №746 від 25.12.2001 р.

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95,

ВНТУ, ГНК, к. 114

Тел.: (0432) 59-85-32

Підписано до друку

Формат 29,7х42¼ Папір офсетний

Гарнітура Times New Roman

Друк різографічний. Ум. друк. арк.

Наклад 100 прим. Зам. №

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

Свідоцтво Держкомінформу України

серія ДК № 746 від 25.12.2001 р.

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95,

ВНТУ, ГНК, к. 114

Тел.: (0432) 59-81-59