Здавалка
Главная | Обратная связь

Обобщенная структурная схема ИК-влагомеров



Рассмотренные в предыдущем параграфе методы построения влагомеров позволяют получить обобщенную структурную схему (рис. 6.7) для любого ВИК. Измерительный оптический канал с исследуемым материалом представлен функциональным преобразователем ФП, предназначенным для преобразования изменения количества влаги (основной параметр), содержащейся в ИМ, в измеряемую физическую величину – изменение интенсивности прошедшего или отраженного от ИМ ПК-излучения . Излучатели и элементы формирования световых потоков (выделение спектральных интервалов, выделение двух лучей, сведение их в один луч) представлены электрооптическим преобразователем ЭОП.Оптоэлектронный преобразователь ОЭП служит для преобразования оптического сигнала в электрический и дальнейшей его электрической обработки (усиление, коммутация каналов, детектирование и т. п.). Вычислительный преобразователь ВПосуществляет действия над электрическими сигналами по заданному алгоритму в целях получения информации о влажности с последующей ее регистрацией на показывающем приборе. Блок идентификатора БИ переводит показания прибора в значения влажности или влагосодержания (%). Это преобразование осуществляется с помощью градуировочных характеристик по влажности данного ВИК.

Варианты построения компенсационных схем КП показаны штриховой линией. Компенсация может вводиться через ЭОП (оптическая), а также ЭОП и ВП (электрическая).

Оптическая компенсация осуществляется путем изменения падающей на ИМ интенсивности ИК-излучения на величину, равную изменению прошедшего через ИМ излучения, вызванного изменением количества влаги в ИМ, т. е. стабилизируется оптический сигнал на входе ОЭП. Электрическая компенсация стабилизирует только электрические параметры схемы ВИК при изменении входного параметра, оптический сигнал на входе ОЭП не стабилизируется.

Измерение влажности по дифференциальному методу возможно при введении эталонного оптического сигнала (например, через эталонный оптический канал с эталонным материалом) или опорного электрического сигнала в электрической схеме.

Разрабатываемая схема ВИК должна осуществлять следующие функции: создавать направленный световой поток ИК-излучения достаточной интенсивности; разделять световой поток или сводить его в оптическом смесителе в один луч; осуществлять модуляцию светового потока; выполнять компенсацию изменений интенсивности светового потока, вызванных изменением параметров исследуемого материала, внешними условиями или самой схемой; обрабатывать электрические сигналы по определенному алгоритму для получения информации о влажности с последующей ее регистрацией.

Рис. 6.7. Обобщенная структурная схема ВИК

Функцию преобразования влагосодержания ИМ в оптический сигнал , осуществляемую в ФП, можно определить по уравнениям (6.1), (6.3) и (6.5). В общем виде для выходного значения измерительной схемы зависимость показания ВИК от влагосодержания можно записать следующими выражениями:

для прямого измерения ,

где – передаточная функция ОЭП;

для дифференциальной оптической схемы

для дифференциальной электрической схемы

при включении компенсирующего преобразователя для оптической компенсации

,

где – коэффициент передачи компенсирующего преобразователя;

при включении компенсирующего преобразования для электрической компенсации

,

где – передаточная функция электрической схемы, охваченной отрицательной обратной связью.

Анализ существующих схем ВИК показал, что в приборах не применяют оптическую компенсацию входного параметра, а также не разрабатывают схемы с одноканальной обработкой электрического сигнала. Отсутствие этих элементов построения схем ВИК снижает точность измерения влажности за счет повышенной инструментальной погрешности приборов.

В качестве примера на рис. 6.8 приведена схема двухволнового однолучевого влагомера с разделенными источниками излучения (светодиодами) на аналитическую ( = 1,93 мкм) и опорную ( = 1,76 мкм) длины волн. Эта схема была взята за основу при использовании в качестве ОЭП плоского световода.

Рис. 6.8. Схема двухволнового однолучевого влагомера
с разделенными источниками излучения на светодиодах

Датчик влагомера состоит из фотоприемника 1 с предусилителем и двух светодиодов 2 и 3, соединенных световодом 4, который образует с фотоприемником оптический канал 5 для измерения влажности исследуемого материала.

Влагомер работает следующим образом. Светодиоды через усилители мощности 6 и 7 попеременно подключаются к блоку импульсного питания 8, который также управляет работой ключей схемы селекции 9. На фотоприемник 1 через световод 4 и оптический канал 5 с исследуемым материалом поступают последовательные импульсы светового потока опорной и аналитической длин волн, которые преобразуются в последовательность электрических импульсов и , поступающих на усилитель 10 и затем через схему селекции 9 на регистрирующее устройство 11. Прохождение сигнала через схему селекции определяется пороговым элементом 12, находящимся в режиме контроля влажности в первом устойчивом состоянии. Пороговый элемент 12 открывает ключи 13 и 14 и закрывает ключи 15 и 16.

При выводе исследуемого материала за пределы оптического канала 5 осуществляется автоматическая стабилизация параметров каналов опорного и аналитического сигналов независимо от влияния окружающей среды и старения элементов устройства. Это осуществляется следующим образом. Сигнал на выходе усилителя 10 возрастает до максимального значения , что соответствует световым потокам и . Этот сигнал перебрасывает пороговый элемент 12 во второе устойчивое состояние так, что ключи 15 и 16 открываются, а ключи 13 и 14 закрываются. При этом в ячейках памяти 17 и 18 запоминаются соответственно значения и , а на регистрирующем устройстве сохраняется результат последнего значения контролируемой влажности.

Последовательность электрических импульсов и с усилителя 10 разделяется ключами 15 и 16, управляемыми блоком импульсного питания 8, на составляющие и , которые поступают на ячейки памяти 19 и 20,затем соответственно на блоки сравнения 21 и 22, где сравниваются с опорным сигналом . Сигналы рассогласования с блоков сравнения поступают на входы управления усилителей мощности 6 и 7 и определяют амплитуду импульсов питания светодиодов. Система автоподстройки, таким образом, поддерживает излучение светодиодов так, чтобы сигналы и были постоянными и равными независимо от влияния внешних факторов.

При вводе исследуемого материала в оптический канал 5 уровень сигнала на выходе усилителя 10 уменьшается, что вызывает переброс порогового элемента 12 в первое устойчивое состояние. При этом в ячейках памяти 19 и 20 запоминаются значения и , тем самым во время контроля влажности световые потоки, падающие на исследуемый материал, поддерживаются равными и .

Градуировочной характеристикой влагомера является зависимость показаний прибора от влагосодержания (влажности) исследуемого материала .

Теоретический расчет градуировочных характеристик влагомеров, как правило, невозможен вследствие сложности зависимости оптических плотностей на спектральных интервалах , , от влагосодержания (влажности), а также значительного изменения спектральных свойств текстильного материала (ТМ). Поэтому единой градуировки влагомеров для широкого ассортимента тканей не существует. На практике каждый прибор индивидуально градуируется на определенный артикул ткани или группу однородных по спектральным характеристикам материалов. В качестве эталонного метода в текстильной промышленности широко применяют гравиметрический метод определения влажности ТМ. Заданная влажность образцов получается за счет выдерживания их не менее двух суток при определенной относительной влажности воздуха в эксикаторе. Относительная влажность воздуха задается с помощью насыщенных растворов различных солей или серной кислоты разной концентрации, помещенных в эксикатор.

Для стабилизации градуировочной характеристики и улучшения метрологических свойств влагомеров применяют стандартные образцы (СО) – имитаторы оптических свойств ТМ. Такой метод градуировки нашел широкое применение, особенно при серийном изготовлении влагомеров. СО для них выполняют в виде оптических стекол, которые воспроизводят оптические свойства (отражение, поглощение) влажного вещества в ИК-области спектра. Рекомендуется применять стекла МС-20 и цветные стекла ЖЗС-18. Коэффициент диффузного отражения от полированной поверхности стекла МС-20 толщиной 7 мм равен 0,92 ± (0,02)%. Коэффициенты пропускания стекла ЖЭС-18 толщиной 5 мм при длинах волн 1,75 мкм и 1,95 мкм соответственно равны 90 и 70%.

Градуировочные характеристики для влагомеров, основанных на разных методах ИК-спектрометрии, даже для одного артикула ткани (арт. 1640) имеют различный вид (рис. 6.9). Характеристики приведены для сигналов на аналитической ( = 193 мкм), опорной ( = 1,76 мкм) и характеристической ( = 2,1 мкм) длинах волн. Для двухволновых ВИК градуировочные зависимости 1 и 2 получены соответственно по формулам и . Для трехволновых ВИК градуировочные зависимости 3 и 4 рассчитаны по формулам соответственно и . Кроме того, они не являются линейными во всем диапазоне измерения влагосодержания вследствие нелинейности функции преобразования оптической плотности от влагосодержания, нелинейности чувствительности фотоприемника к изменению интенсивности падающего излучения, нелинейности элементов электрических схем обработки сигналов.

 

Рис. 6.9. Градуировочные характеристики

Для повышения точности измерения и улучшения градуировочной характеристики влагомеров градуировку приборов осуществляют на небольших диапазонах изменения влажности ТМ или в рабочей точке шкалы. Обычно такой метод совпадает с требованиями технологического процесса, так как диапазон изменения влагосодержания ТМ в технологических проводках не превышает ±1% от номинальной рабочей точки . При значительном изменении технологических проводок от прибор градуируется заново для выбора другой рабочей точки. Стабильность метрологических характеристик влагомеров при этом проверяют с помощью одних и тех же СО.

При градуировке влагомеров в рабочей точке или на малом диапазоне изменения влагосодержания ТМ градуировочную характеристику прибора можно описать с помощью прямой линии:

 

.

Применение корреляционного анализа при обработке результатов градуировки ВИК уменьшает скрытую погрешность градуировки на 5 – 7% и позволяет определить погрешность влагомера с помощью среднего квадратического отклонения от линии регрессии, определяемого как корень квадратный из произведения полной дисперсии выходного сигнала влагомера на коэффициент индетерминации, равный , где – корреляционное отношение .

Такая оценка является более точной, так как и результаты гравиметрического метода измерения влагосодержания, и показания прибора носят случайный характер. Среднее квадратическое отклонение характеризует погрешность преобразования измеряемой величины влагосодержания в выходной сигнал влагомера, который преобразуется в блоке индентификатора БИ в измеренное значение влагосодержания Обычно этот перевод осуществляется с помощью градуировочных таблиц и графиков, полученных на данном приборе для конкретного материала или группы однородных материалов.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.