Методи і оптико-електронні засоби вимірювального контролю вологості листових матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 53.093.08:681.586.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Методи і оптико-електронні засоби вимірювального контролю вологості листових матеріалів

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Ковтун Людмила Олександрівна

Вінниця - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Хмельницькому національному університеті, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Кондратов Владислав Тимофійович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник відділу перетворювачів форми інформації

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Петрук Василь Григорович, Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і науки, молоді та спорту, директор інституту екології та екологічної кібернетики, завідувач кафедри екології та екологічної безпеки

доктор технічних наук, професор Стенцель Йосип Іванович, Технологічний інститут Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (м. Сєверодонецьк) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту, завідувач кафедри комп'ютерно-інтегрованих систем управління

Захист відбудеться “1” липня 2011р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. вимірювальний вологість електронний

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “ 23 ” травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. В.Ю. Кучерук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Прогрес науки та техніки нерозривно пов'язаний із розвитком та удосконаленням методів та засобів вимірювального контролю, з постійним поліпшенням їх метрологічних характеристик. Роботи по розробці та удосконаленню нових засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів ведуться у нашій країні та за кордоном. Активні дослідження у області вимірювального контролю вологості стимулюються практичними запитами народного господарства на експресні високоточні методи та засоби вимірювального контролю вологості.

Вологість паперу, картону та багатьох інших листових матеріалів є одним із найважливіших параметрів під час їх виробництва, друкування (особливо багатофарбового) і використання. Інформація про динаміку зміни вологості листових матеріалів є досить важливою, оскільки наявність води в таких матеріалах (навіть у невеликій кількості) впливає на їх фізико-хімічні, фізико-механічні, електричні, оптичні та друкарсько-технічні властивості. До складу багатьох технологічних процесів входять такі операції як зволоження і сушіння. Автоматизація таких процесів неможлива без наявності інформаційно-вимірювальних систем, які дають змогу оперативно та коректно отримати інформацію про вологість матеріалу.

В умовах виробництва цей параметр визначають термогравіметричним методом, що вимагає досить значних затрат часу (до 40 хвилин). Це робить неможливим оперативне керування процесами сушки або зволоження матеріалів.

Недоліками відомих оптичних методів та засобів контролю вологості листових матеріалів є їх низька надійність, недостатня точність, складність оптичних засобів, наявність в них механічних контактів, неможливість автоматизувати процес контролю, вплив на результат структури матеріалу, залежність результату від нестабільності параметрів функції перетворення вимірювального каналу, від абсолютного значення потужності потоку оптичного випромінювання та його відхилення від номінального значення, від показників поглинання води і досліджуваного листового матеріалу, від коефіцієнта розсіювання, товщини матеріалу, дрейфу нуля приладу тощо.

Існуючі засоби можуть зменшити вплив на результат такого параметру як неоднорідність структури самого матеріалу за рахунок введення опорної довжини хвилі, на якій не відбувається поглинання потоку оптичного випромінювання водою. Проте питання щодо зменшення похибки вимірювання та підвищення вірогідності контролю вологості залишається відкритим. У цьому зв'язку актуальною є задача пошуку, теоретичного обґрунтування та розробки нового, більш досконалого методу та оптико-електронних засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано у Хмельницькому національному університеті (ХНУ) у відповідності з Держбюджетною темою: 1Б-2009 «Розвиток теоретичних основ вимірювання та контролю якості електрохімічних суперконденсаторів для електромобілів та гібридного транспорту», № державної реєстрації: ДР 0109U000515, в якій здобувач брала безпосередню участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення точності та вірогідності вимірювального контролю вологості листових матеріалів за рахунок застосування розробленого методу надлишкових вимірювань.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

– проаналізувати існуючі методи зменшення складових похибки оптико-електронних засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів;

– розробити математичні моделі вимірювального перетворення вологості листових матеріалів із застосуванням надлишкових вимірювань при різних функціях перетворення вимірювального каналу: лінійній, квадратичній, логарифмічній;

– розробити структурні схеми високоточних цифрових оптико-електронних (одно-, дво-, триканальних) засобів вимірювального контролю вологості матеріалів;

– оцінити похибки запропонованих методів надлишкових вимірювань І-ого, ІІ-ого та ІІІ-ого родів та метрологічну ефективність надлишкових методів вимірювання у порівнянні з методом прямих вимірювань;

– провести напівнатурні дослідження методів надлишкових вимірювань та дати рекомендації щодо використання запропонованих методів та цифрових оптико-електронних засобів вимірювального контролю вологості при створенні нових типів вологомірів;

– провести експериментальні дослідження точності та вірогідності вимірювального контролю вологості листових матеріалів із застосуванням надлишкових вимірювань.

Об'єктом дослідження є процес вимірювального контролю вологості листових матеріалів.

Предметом дослідження є автоматичне зменшення похибки вимірювання та підвищення вірогідності контролю вологості листових матеріалів за рахунок застосування надлишкового методу вимірювання.

Методи досліджень. У процесі дослідження використано загальнонаукові методи: аналізу та синтезу; абстрактно-логічний (теоретичне узагальнення, сформульовані висновки, рекомендації по проектуванню оптико-електронних засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів, рекомендації по визначенню меж допускового інтервалу та методика проведення надлишкових вимірювань вологості листових матеріалів). В роботі використані спеціальні методи дослідження: метод надлишкових вимірювань для автоматичного зменшення похибки вимірювання, який базується на теорії чисельних методів розв'язання нелінійних рівнянь величин; теорія вимірювань та контролю при дослідженні метрологічних характеристик засобу контролю та вірогідності контролю; теорія похибок вимірювань при виконанні статистичної обробки результатів вимірювань з використанням програмного пакету Maple 2007.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Удосконалено метод вимірювального контролю вологості листових матеріалів, суть якого полягає у сукупних вимірюваннях їх вологості, а результат вимірювання отримують із розв'язку системи рівнянь, кількість яких визначається математичною моделлю, що дозволило зменшити систематичну складову похибки від дії неінформативних параметрів на об'єкт контролю та вимірювальний перетворювач.

2. Дістали подальшого розвитку математичні моделі вимірювального перетворення вологості листових матеріалів, які на відміну від відомих, залежно від виду функції перетворення вимірювального каналу, описуються системою з різною кількістю нелінійних рівнянь, розв'язок якої пов'язує вихідну величину із вхідною, виключаючи необхідність визначення значень впливних величин.

3. Встановлено, що застосування теорії надлишкових вимірювань до оптико-електронних засобів, дозволило в сукупності підвищити вірогідність контролю вологості листових матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів:

Розроблено структурні схеми та принципи дії засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів з автоматичним зменшенням похибок, які забезпечують високу роздільну здатність при лінійній функції перетворення вимірювального каналу, високоточне вимірювання у широкому діапазоні вологості при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу.

Розроблено методики проведення вимірювального контролю вологості листових матеріалів та функціональні схеми засобів вимірювального контролю, що доведені до стану, який придатний для практичного використання розробниками апаратури.

В результаті метрологічних досліджень експериментального зразка засобу контролю встановлено нормовані значення абсолютної, відносної та зведеної похибок. Максимальна зведена похибка засобу контролю вологості матеріалів не перевищує 1,5%.

Дані результати дозволяють стверджувати, що розроблені засоби контролю можуть використовуватися не тільки в лабораторних умовах для вибіркового контролю, але й у виробничих умовах технологічного процесу виготовлення листових матеріалів для контролю вологості в реальному часі, а результати контролю використовувати в системі автоматизованого управління якості листових матеріалів.

Окремі результати дисертаційної роботи впроваджено у роботу приватного акціонерного товариства «Видавництво «Поділля».

Особистий внесок здобувача: розробка математичної моделі термогравіметричного методу надлишкових вимірювань вологості матеріалів [1], розробка та опис методу надлишкових вимірювань вологості листових матеріалів при лінійній функції перетворення вимірювального каналу [2, 7, 9, 11, 13], розробка функціональної схему цифрового засобу вимірювального контролю вологості листових матеріалів [3], проведення аналізу метрологічної ефективності методів надлишкових вимірювань [6], розробка математичної моделі вимірювального перетворення із застосуванням двох хвиль аналізую чого випромінювання [8], розробка та опис структурної схеми двоканального оптико-електронного засобу вимірювального контролю вологості листових матеріалів [10], розробка математичної моделі вимірювального перетворення вологості листових матеріалів; розробка методу надлишкових вимірювань вологості листових матеріалів при лінійній функції перетворення вимірювального каналу та структурну схему оптико-електронного засобу [14], розробка структурної схеми двоканального засобу вимірювального контролю вологості листових матеріалів [15].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були докладені на наукових конференціях та семінарах: на науково-технічній конференції «Актуальні проблеми комп'ютерних технологій, 2006», (Хмельницький, 2006); восьмій міжнародній науково-практичній конференції "Современные информационные и электронные технологии 2007" (м. Одеса, 2007); на VI науково-технічній конференції “ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи” (м. Київ, 2007 р.); на десятій міжнародній науково-практичній конференції «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Сочи, 2007); на Міжнародній науково-технічній конференції «Датчики, приборы и системы - 2007» (Черкаси, 2007); на 9-а міжнародній науково-практичній конференції "Современные информационные и электронные технологии" (м. Одеса, 2008), на IV-та Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2009)».

Отримані наукові та експериментальні результати доповідались і отримали позитивний відгук на міжкафедральному науковому семінарі факультету телекомунікайних систем Хмельницького національного університету та на науково-технічному семінарі у ДП «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості».

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 15 наукових праць, з них 6 статей опубліковано у виданнях, затверджених ВАК України, як фахові, 6 - у матеріалах та тезах конференцій, отримано 4 патенти на винаходи України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, 4 додатків, списку використаних джерел із 112 найменувань. Обсяг основної частини дисертації складає 146 сторінок, загальний обсяг дисертації - 233 сторінок. Робота містить 42 таблиці та 42 рисунки.

Основний зміст роботи

У вступі описано суть та стан наукової задачі, її актуальність, зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Обґрунтовано мету роботи та задачі досліджень. Сформульовано новизну отриманих результатів та їх практичне значення. Наведені дані щодо апробації роботи, публікацій та практичного використання отриманих результатів.

Рис. 1. Спектральні характеристики паперу

У першому розділі представлено результати аналізу існуючих методів та засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів. В результаті аналізу встановлено, що існуючим методам притаманна недостатньо висока точність вимірювання та вірогідність результатів контролю вологості при тривалому часі визначення дійсного значення вологості матеріалу та обмеженому діапазоні вимірюваних значень вологості матеріалу. Встановлено, що високу точність забезпечує термогравіметричний метод вимірювання вологості, що реалізований у таких серійний приладах як «Елвіз 2С», «Евлас 2М» та ін. Проте питання щодо експресності і цього методу лишається відкритим.

Показано, що найбільш перспективним методом є оптичний метод вимірювального контролю, суть якого полягає у поглинанні частини потужності потоку оптичного випромінювання водою. Вологість матеріалу визначається за значенням потужності послабленого потоку оптичного випромінювання, що пройшов від досліджуваного матеріалу. З'ясовано, що існуючі оптичні методи забезпечують вимірювальний контроль вологості з похибками від 1% до 7% і працюють у діапазоні значень вологості 0,3, …, 30%.

З рис. 1 видно, що робоча довжина хвилі випромінювання може бути у діапазоні 1,91мкм - 1,94 мкм чи 1,95мкм - 2,0 мкм.

Проаналізовані існуючі оптико-електронні засоби вимірювального контролю, їх переваги і недоліки. Встановлено, що основними недоліками є часова та температурна нестабільність параметрів функції перетворення вимірювального каналу, вплив на результат вимірювального контролю коефіцієнта розсіювання, часткове послаблення потужності оптичним трактом. При використанні ввігнутих дзеркал для збирання відбитого від матеріалу або пройденого через матеріал потоку оптичного випромінювання, похибка пов'язана із неможливістю зібрати увесь потік, що обумовлено конструктивними особливостями цих дзеркал. У деяких відомих засобах використовуються обтюраторні диски із встановленими у його отвори дорогих світлофільтрів. Це набагато збільшує вартість приладу.

Обґрунтовано актуальність застосування методу надлишкових вимірювань для підвищення точності вимірювань та вірогідності результатів контролю вологості листових матеріалів.

У другому розділі розроблені математичні моделі вимірювального перетворення вологості листових матеріалів при лінійній, квадратичній та логарифмічній функціях перетворення вимірювального каналу.

Створені математичні моделі вимірювального перетворення описують сукупність послідовно виконуваних операцій вимірювання значень напруги, у яку перетворено потужність послабленого потоку оптичного випромінювання, що пройшов крізь листовий матеріалів з нормованою та невідомою за значенням концентрації вологістю.

Згідно закону Бугера-Ламберта-Бера залежність вихідної напруги вимірювального каналу від концентрації описується, при лінійній функції перетворення, нелінійним рівнянням величин

(1)

де - крутизна лінійної функції перетворення вимірювального каналу; - нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі , який поступає на вологий матеріал; - показник поглинання води на довжині хвилі ; - показник поглинання матеріалу на довжині хвилі ; - концентрація вологи у досліджуваному матеріалі; - концентрація вологості матеріалу (); - коефіцієнт розсіювання; - ефективна товщина вологого матеріалу.

При квадратичній функції перетворення вимірювального каналу залежність вихідної напруги вимірювального каналу від концентрації описується рівнянням величин з подвійною нелінійстю, тобто

(2)

де - крутизна нелінійної функції перетворення вимірювального каналу.

При логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу залежність вихідної напруги вимірювального каналу від концентрації описується рівнянням величин з подвійною функціональною залежністю

, (3)

де - темновий потік фотоприймача.

З урахуванням (1) розроблено математичну модель вимірювального перетворення вологості листових матеріалів при лінійній функції перетворення вимірювального каналу. Її особливістю є використання для вимірювання не однієї, а ряд фізичних величин, які за своїми значеннями складають арифметичну прогресію, тобто фізичних величині, причому ,, . Математична модель представляє собою систему нелінійних рівнянь величин:

(4)

де кожне з рівнянь описує відповідні такти вимірювань у часі. Розв'язком системи (4) є рівняння надлишкових вимірювань

(5)

В (4) і (5) - напруга, що отримана при , і характеризує дрейф нуля (в загальному випадку - зміщення нуля функції перетворення); , , - напруги, значення яких залежать від значення потужності послабленого потоку оптичного випромінювання і містять інформацію про вологість листового матеріалу.

Запропонована математична модель вимірювального перетворення вологості при лінійній функції перетворення вимірювального каналу забезпечує автоматичне вилучення систематичних похибок вимірювання, що обумовлені довгостроковою нестабільністю параметрів вимірювального каналу та потужності потоку оптичного випромінювання. Розглянута математична модель описує процес надлишкових вимірювань з мінімальним числом тактів: чотири такти вимірювання (система рівнянь (4)) та один такт обробки результатів проміжних вимірювань за рівнянням надлишкових вимірювань (5).

Недоліком вибору лінійної функції перетворення при логарифмічній функції перетворення фотоприймача є робота останнього при малому діапазоні вхідних сигналів Це звужує діапазон вимірювань вологості листових матеріалів. Розширення діапазону вимірювань вологості може бути досягнуто при апроксимації нелінійної (логарифмічної) функції перетворення вимірювального каналу з фотоприймачем функцією більш високого порядку - квадратичною чи кубічною. Але найкращий результат дають математичні моделі вимірювального перетворення вологості, які враховують існуючу реальну логарифмічну функцію перетворення вимірювального каналу із фотодіодним приймачем.

На відміну від математичної моделі наведеної для лінійної функції перетворення вимірювального каналу, приведені нижче математична модель при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу (див. систему (6) і рівняння надлишкових вимірювань (7)) мають більш складну залежність вихідних напруг від вологості матеріалу.

В (6) значення коефіцієнта визначається шляхом розрахунку відношення значень потоків оптичного випромінювання заданого і отриманого при напрузі потоку. Особливістю є те, що введено додатковий такт вимірювання для вилучення впливу на результат вимірювання параметра фотоприймача.

(6)

З урахуванням рівняння надлишкових вимірювань має вигляд

(7)

де , .

В результаті дослідження рівняння надлишкових вимірювань (7) встановлено, що при , рівняння (7) не має дійсних розв'язків. Тому забезпечують .

Аналіз наведених рівнянь надлишкових вимірювань (5) та (7) показав, що результат вимірювання вологості листового матеріалу не залежить від абсолютних значень параметрів функції перетворення вимірювального каналу та їх відхилень від номінальних значень. На результат вимірювання не впливають значення потужності потоку оптичного випромінювання та його довготривала нестабільність, значення коефіцієнту розсіювання , значення показника поглинання води та матеріалу , а також абсолютне значення товщини матеріалу і їх відхилення від номінальних значень. Як видно із (7), вплив на результат вимірювання має високоточне формування другого значення потужності потоку оптичного випромінювання, яке відрізняється від попереднього у разів. Не виключається вплив на результат вимірювання похибки відтворення нормованого за значенням концентрації вологості зразка матеріалу. Застосування математичних моделей при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу дає можливість розширити діапазон вимірюваних значень вологості листових матеріалів у 3-5 разів.

Визначення дійсного значення концентрації вологості листового матеріалу за рівнянням надлишкових вимірювань потребує визначення значень напруг, у які перетворені потужності послабленого потоку оптичного випромінювання у кожному такті вимірювань згідно із обраною математичною моделлю і виключає необхідність визначення значень впливних величин.

В роботі запропоновано і описано 13 математичних моделей вимірювального перетворення вологості листового матеріалу, показані їх особливості, переваги та недоліки.

Проаналізовано похибки запропонованих методів вимірювального контролю вологості матеріалів при лінійній, логарифмічній та квадратичній функціях перетворення вимірювального каналу.

Із наведених рівнянь надлишкових вимірювань (5) та (7) видно, що похибка результату вимірювального контролю, приведеного до входу вимірювального каналу, залежить від похибки відтворення нормованого значення концентрації вологості зразка матеріалу . Відомо, що на практиці зразок матеріалу з відомим значенням концентрації вологи відтворюється з кінцевим значенням похибки відтворення, яку необхідно враховувати при визначенні результату вимірювального контролю.

Результат вимірювального контролю із врахуванням похибок описується рівнянням вимірювань

. (8)

Похибка результату визначається за рівнянням величин (рівнянням похибки)

(9)

Дослідження похибок результату вимірювального контролю проведено при різних значеннях похибки ( та ) виготовлення зразка листового матеріалу з нормованим значенням концентрації вологості. Вибір нормованого значення концентрації вологості обумовлено тим, що вимірювання вологості у діапазоні значень вологості досліджуваного матеріалу від 0,1% до 10%, значення є оптимальним. На рис. 2 та 3 наведені графіки залежності зазначених похибок при лінійній та логарифмічній функціях перетворення вимірювального каналу відповідно.

Аналіз отриманих графіків показав, що похибки мають нелінійний характер і змінюється у шостому знаці після коми при лінійній функції перетворення вимірювального каналу, і у четвертому знаці - при логарифмічній, тобто на настільки незначні значення, що графіки можна вважати лінійними. В результаті досліджень встановлено, що відносна похибка вона не перевищує значення 0,09990122% при , 0,99010102% - при при лінійній функції перетворення вимірювального каналу, і 0,1113% - при та , 0,101% - при та , 1,0016% - при та і 0,9912% - при та - при логарифмічній. Обчислення з точністю до 9-ого знаку проводилось з метою показати змінний та нелінійний характер відносної похибки.

а) б)

Рис. 2. Графіки залежності похибки результату вимірювання (при лінійній функції перетворення вимірювального каналу) при різних значеннях похибки відтворення нормованої за значенням концентрації



а) б)

Рис. 3. Графіки залежності похибки результату вимірювання (при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу) при різних значеннях відносної похибки відтворення нормованої за значенням концентрації та визначення значення

Відомо, що папір різного типу має різну структуру. Для вилучення цього впливу пропонується виготовити зразки паперу з нормованою за значенням концентрації вологості, такої ж структури як і досліджуваний папір. Це дає можливість зменшити методичну похибку вимірювання.

У результаті досліджень встановлено наступне:

1) при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу необхідно забезпечити високоточне визначення значення коефіцієнта ;

2) зменшення похибки відтворення значення концентрації вологості зразка матеріалу на порядок призводить до зменшення результуючого значення похибки на порядок (рис. 2, а і б; 3, а і б). Це видно і з рівняння надлишкових вимірювань (5) та (7), згідно з якими похибка результату вимірювання пропорційно залежить від похибки відтворення зразка матеріалу (паперу) зазначеної вологості.

3) подальше зменшення похибки вимірювання дійсного значення концентрації вологості матеріалу можливо при умові зменшення похибки відтворення концентрації вологи зразка матеріалу.

У третьому розділі на основі запропонованих математичних моделей запропоновано новітній метод вимірювального контролю вологості листових матеріалів та запропоновані структури технічних рішень оптико-електронних засобів вимірювального контролю вологості з автоматичним зменшенням похибок. Причому, запропоновані методи і технічні рішення засобів вимірювального контролю вологості листових матеріалів як на одній довжині хвилі, так й на двох довжинах хвиль.

Для створення цифрового засобу вимірювального контролю вологості із високою роздільною здатністю слід застосовувати метод вимірювального контролю при лінійній функції перетворення вимірювального каналу. Суть процесу вимірювального контролю вологості листових матеріалів за допомогою запропонованого цифрового засобу вимірювального контролю вологості (рис. 4) полягає в наступному.

Цикл вимірювання складається із проведення чотирьох тактів вимірювань значень напруг та одного такту обробки проміжних результатів за рівнянням надлишкових вимірювань.

Рис. 4. Структурна схема одноканального оптико-електронного засобу вимірювального контролю вологості з модуляцією послабленого потоку оптичного випромінювання

У першому такті вимірюється дрейф нуля вимірювального каналу. На джерело оптичного випромінювання ДОВ сигнал не подається. В результаті на виході вимірювального каналу з'являється напруга , яка за допомогою аналого-цифрового перетворювача АЦП перетворюється у код числа і запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера МК.

У другому такті по команді з мікроконтролера МК на джерело оптичного випромінювання ДОВ подається сигнал, за яким на його виході формується потік оптичного випромінювання заданої потужності. Між передавальними ОВ1 та приймальними ОВ2 оптичними волокнами встановлюється зразок листового матеріалу із нормованою за значенням концентрації вологістю. Сформований потік ОВ пропускається через зразок матеріалу. Послаблений потік ОВ за допомогою приймальних оптичних волокон ОВ2 відводиться до лінзи Л, за допомогою якої фокусується та направляється на вхід фотоприймача ФПр. Перед цим потік модулюється за допомогою обтюраторного диска ОД та отворів у ньому. Таким чином на вхід фотоприймача ФПр поступає періодична послідовність світлоімпульсів.

На виході фотоприймача ФПр з'являється електричний сигнал, який підсилюється вибірковим підсилювачем ВП та детектується у синхронному детекторі СДр. На синхронний вхід синхронного детектора СДр подаються синхроімпульси, які формуються за допомогою світлодіода СД, який випромінює потік ОВ певної довжини хвилі, обтюраторного диску ОД і підсилювача П2 . Сформовані світлоімпульси потрапляють на фотодіод ФД. З виходу фотодіода ФД електричні імпульси підсилюються за допомогою підсилювача П2, і подаються на синхронний вхід синхронного детектора СДр. На виході синхронного детектора СДр з'являється постійна напруга , яка за допомогою аналого-цифрового перетворювача АЦП перетворюється у код числа і запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера МК. Дійсне значення напруги виводиться на цифрове табло цифрового вимірювального пристрою ЦВП.

У третьому такті оптичний канал звільняють від зразка листового матеріалу нормованої за значенням концентрації вологи . По команді з мікроконтролера МК напруга на джерелі оптичного випромінювання ДОВ змінюється таким чином, щоб на виході ВК з'явилась напруга рівна за значенням . У результаті проведеної операції формується потік оптичного випромінювання . У оптичний канал між передавальними ОВ1 та приймальними ОВ2 оптичними волокнами встановлюється досліджуваний матеріал ДМ із невідомою за значенням концентрації вологістю. Сформований потік оптичного випромінювання пропускається через встановлений ДМ у оптичний канал. Послаблений потік оптичного випромінювання відводиться на вхід ВК. Обробка отриманого потоку оптичного випромінювання проводиться аналогічно до обробки сигналу у попередньому такті. На виході ВК з'являється напруга , яка за допомогою аналого-цифрового перетворювача АЦП перетворюється у код числа і запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера МК. Дійсне значення напруги відображається на цифровому вимірювальному пристрої ЦВП.

У четвертому такті по команді з мікроконтролера МК на джерело оптичного випромінювання ДОВ подається сигнал, за яким на виході джерела відтворюється потік ОВ . Останній пропускається через вже встановлений досліджуваний матеріал ДМ у оптичний канал. Послаблений потік оптичного випромінювання відводиться до ВК і обробляється аналогічно до обробки сигналу у другому такті. В результаті на виході ВК формується напруга , яка за допомогою аналого-цифрового перетворювача АЦП перетворюється у код числа і запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера МК. Значення напруги відображається на цифровому вимірювальному пристрої ЦВП.

У п'ятому такті відбувається обробка результатів проміжних вимірювань , , , за рівнянням числових значень

(10)

Значення вологості ДМ, що розраховане за рівнянням (10), висвітлюється на цифровому табло цифрового вимірювального пристрою ЦВП. Рівняння числових значень (10) є відповідним рівнянню числових значень (5).

Особливістю запропонованого засобу вимірювального контролю вологості є те, що автоматичне зменшення похибок відбувається у процесі обробки проміжних результатів вимірювань за рівнянням надлишкових вимірювань.

Для вимірювання значень концентрацій вологості у широкому діапазоні розроблено метод НВ при квадратичній ФП ВК. Розроблено цифровий засіб вимірювального контролю вологості, який реалізує метод надлишкових вимірювань при квадратичній функції перетворення вимірювального каналу. Особливістю запропонованого технічного рішення є те, що при одному електронному вимірювальному каналі застосовується два оптичні канали (рис. 5).

Рис. 5. Структурна схема цифрового одноканального оптико-електронного засобу вимірювального контролю вологості з двома сенсорами, кодокерованим перетворювачем «код-переміщення» і мікроконтролером з вбудованим АЦП

Високоточний вимірювальний контроль вологості у широкому діапазоні значень досягається при застосуванні цифрових засобів вимірювального контролю вологості при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу.

При логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу згідно із математичною моделлю (6) і (7) додається ще один такт, у якому необхідно визначити значення напруги (6) та значення коефіцієнта . Дійсне значення вологості визначається за рівнянням надлишкових вимірювань (7).

Розроблено технічне рішення цифрового засобу вимірювального контролю воло-гості тонких листових матеріалів - плівок на рівні структурної та функціональної схем . Його особливість пов'язана із реалізацією операції подвійного пропускання потоку оптичного випромінювання через цей матеріал.

Методи вимірювального контролю, у яких для отримання інформації про вологість досліджуваного матеріалу використовується два зразки матеріалу, можуть реалізовуватись із використанням триканального засобу, структурна схема якого представлена на рис. 6. Експресність методу підвищується у 2 і більше разів.

Як було показано у першому розділі, серійні цифрові засоби вимірювального контролю вологості мають два вимірювальні канали і їх неідентичність призводить до появи відповідних похибок у результаті вимірювання. На відміну від них, розроблені різновиди методу надлишкового вимірювального контролю реалізуються за допомогою оптико-електронних засобів при наявності одного фізичного вимірювального каналу при часовому розділенні процесу вимірювання декількох однорідних фізичних величин. При цьому вважається, що параметри функції перетворення вимірювального каналу за цикл вимірювання не змінюються.



Рис. 6. Структурна схема цифрового триканального оптико-електронного засобу вимірювального контролю вологості

Встановлено, що завдяки використанню різновидів надлишкового методу вимірювального контролю адитивна, мультиплікативна складові систематичної похибки вилучаються. Це забезпечується за рахунок обробки результатів проміжних вимірювань за відповідним рівнянням надлишкових вимірювань. Вилучення адитивної складової похибки вимірювання здійснюється за рахунок виконання операцій віднімання, а мультиплікативної складової систематичної похибки - за рахунок операцій ділення. Вилучення зазначених складових похибки здійснюється автоматично в процесі обробки результатів проміжних вимірювань за запропонованим рівнянням надлишкових вимірювань, тобто має місце автоматичне вилучення систематичних складових похибки.

У четвертому розділі наведені результати напівнатурних експериментальних досліджень методу вимірювального контролю вологості листових матеріалів (паперу). Для проведення досліджень була створена установка, до складу якої входять: джерело оптичного випромінювання; фотоприймач та система світлофільтрів; підсилювач; живлення схеми підсилення; цифровий вольтметр В7-16А.

Показано, що при наявності випадкових похибок, що представляють собою стаціонарний ергодичний процес, проводяться надлишкові вимірювання ІІ-го роду. Надлишкові вимірювання ІІІ-го роду застосовують при наявності випадкових похибок, що представляють собою нестаціонарний неергодичний процес. Надлишкові вимірювання ІІ-ого роду відрізняються від надлишкових вимірювань І-го роду тим, що у рівнянні надлишкових вимірювань використовуються середні значення напруг виміряних у кожному такті по 10 разів, а надлишкові вимірювання ІІІ-го роду - це проведені надлишкові вимірювання ІІ-го роду ще 10-50 разів. Надлишкові вимірювання І-ого роду (одноразові вимірювання у кожному такті) доцільно проводити при відсутності випадкової складової похибки.

Результати досліджень наведені у табл. 1.

Таблиця 1 Результати визначення значення концентрації вологості листового матеріалу

Метод
Метод НВ І-ого роду		0,564
Метод НВ ІІ-ого роду		0,596
Метод НВ ІІІ-ого роду		0,603
Оптичний метод	6,8642	1,945

Закони розподілу контрольованої величини, похибки вимірювання та їх двовимірної щільності розподілу наведено на рис. 7. У табл. 2 та 3 наведено статистичні характеристики, які є вихідними даними для побудови зазначених законів розподілу.

У результаті проведення тесту на нормальність розподілу контрольованої величини та похибки вимірювання, встановлено, що зазначена гіпотеза підтвердилась.



Рис. 7. Графічне представлення закону розподілу контрольованої величини (а), похибки вимірювання (б), сумісної двовимірної щільності розподілу (в)

Таблиця 2 Основні статистичні характеристики контрольованої величини ()

				n	S
7,0563	6,6507	7,4935	0,1494	200	8,31	15

Таблиця 3 Основні статистичні характеристики похибки ()

				n
0,057	-0,4056	0,4372	0,1494	200

Абсолютна вірогідність контролю визначається за рівнянням величин

,

де - ймовірність помилкових рішень при контролі інформативного параметру.

Оцінено помилки першого і другого роду, та вірогідність контролю вологості паперу із використанням методу надлишкових вимірювань. Отримані наступні результати: , , .

Таким чином, використання надлишкових методів вимірювального контролю вологості листових матеріалів із автоматичним вилученням похибок забезпечують підвищення точності вимірювання у 3-4 рази та підвищення вірогідності контролю вологості листових матеріалів.

Висновки

У результаті проведення теоретичних та експериментальних досліджень отримано наступні наукові та практичні результати:

1. Встановлено, що існуючі методи вимірювального контролю вологості листових матеріалів не забезпечують вирішення задачі підвищення точності результату вимірювань вологості листових матеріалів при нестабільній та нелінійній функції перетворення вимірювального каналу. Виявлено, що оптико-електронні методи вимірювального контролю мають найбільший потенціал серед інших існуючих методів. Обґрунтовано необхідність застосування надлишкових методів вимірювального контролю вологості із автоматичною корекцією похибок із метою підвищення точності вимірювання.

2. Розроблено математичні моделі оптико-електронних методів надлишкових вимірювань вологості матеріалів при лінійній, квадратичній та логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу. Особливістю рівнянь надлишкових вимірювань є лінійна залежність результату вимірювання від значення концентрації вологості листового матеріалу.

3. Використання надлишкових методів вимірювального контролю вологості листових матеріалів забезпечує автоматичну корекцію похибок, які обумовлені впливом наступних факторів: абсолютних значень параметрів функції перетворення вимірювального каналу та їх відхилення від номінальних значень; нелінійністю та нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу у результаті впливу зовнішніх дестабілізуючих факторів; послаблення потоку оптичного випромінювання, що вноситься елементами оптичного тракту та забрудненням оптичних елементів. Вилучення складових похибки здійснюється у результаті обробки отриманих проміжних даних за певним рівнянням надлишкових вимірювань. Зменшення випадкових складових похибки вимірювання можливе за рахунок здійснення багаторазових вимірювань у кожному такті та їх статистичної обробки.

4. Розроблено структурні схеми та принципи дії засобів вимірювального контролю із часовим розділенням вимірювального каналу. Використання запропонованих технічних рішень дозволяють реалізувати оптико-електронні методи вимірювального контролю вологості листових матеріалів із автоматичною корекцією похибок при різних видах лінійної та нелінійної функції перетворення вимірювального каналу.

5. Показано, що застосування технічного рішення засобу вимірювального контролю при логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу із часовим розділенням вимірювального каналу, забезпечує високоточне вимірювання у широкому діапазоні значень концентрацій вологості досліджуваного матеріалу при лінійній залежності результату вимірювання від значення концентрації вологості, що вимірюється.

6. Встановлено, що при формуванні зразків листових матеріалів із симетричними приростами нормованих значень концентрацій вологості, забезпечується найменше значення відносної похибки вимірювання. Виявлено, що використання методу надлишкових вимірювань при лінійній функції перетворення, досягається отримання найкращих результатів. У всьому діапазоні вимірюваних значень концентрацій вологості досліджуваного матеріалу значення відносної похибки вимірювання є постійним за значенням і не перевищує значення похибки відтворення нормованого значення концентрації вологості зразка листового матеріалу. При логарифмічній функції перетворення вимірювального каналу відносна похибка практично співпадає із відносною похибкою, що отримана при лінійній функції перетворення вимірювального каналу. При логарифмічній функції перетворення діапазон вимірюваних значень концентрацій вологості листових матеріалів значно розширюється і теоретично може становити 99,99%. Це свідчить про нечутливість розроблених методів вимірювального контролю до нелінійних складових функції перетворення вимірювального каналу.

7. У результаті проведених досліджень встановлено, що оптико-електронні методи вимірювального контролю із застосуванням надлишкових методів вимірювання забезпечують високу ефективність автоматичної корекції похибок у порівнянні із відомими методами вимірювання вологості. Наприклад, ефективність методу надлишкових вимірювань при лінійній функції перетворення вимірювального каналу становить від 20 до 150 разів у діапазоні значень концентрацій вологості від 1 до 12,5%.

8. Експериментально підтверджено метрологічну ефективність оптико-електронних методів вимірювального контролю із використанням надлишкових методів з автоматичною корекцією похибок. На основі отриманих результатів зроблено висновок, що застосування надлишкових методів вимірювального контролю забезпечують зменшення похибки вимірювання досліджуваного параметра у 3-4 рази, а, відтак, і підвищення точності вимірювань та абсолютної вірогідності вимірювального контролю концентрації вологості листових матеріалів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сорокіна Л. О. Термогравіметричний метод надлишкових вимірювань вологості продуктів / В. Т. Кондратов, О. О. Пасько, Л. О. Сорокіна // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2005. - № 1. - С. 33-37

2. Сорокина Л. А. Избыточные измерения влажности оптически-прозрачных листовых материалов / В. Т. Кондратов, Л. А. Сорокина // Вісник Хмельницького на-ціонального університету. - 2006. - № 6. - С. 124-129.

3. Сорокіна Л. О. Надлишкові вимірювання вологості паперу / В. Т. Кондратов, Л. О. Сорокіна // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - 2007. - Спецвипуск . - С. 117-119.

4. Сорокіна Л. О. Аналіз похибок надлишкових вимірювань вологості оптично-прозорих листових матеріалів / Л. О. Сорокіна // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2008. - № 1. - С. 190-194.

5. Сорокіна Л. О. Класифікація методів вимірювання вологості матеріалів / Л. О. Сорокіна // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2008. - № 3. - С. 70-78.

6. Сорокіна Л. О. Надлишкові вимірювання вологості оптично-прозорих листових матеріалів та їх ефективність / В.Т. Кондратов, Л.О. Ковтун // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2009. - №1. - С. 21-27.

7. Сорокина Л. А. Избыточные измерения влажности оптически прозрачных листовых материалов / В. Т. Кондратов, Л. А. Сорокина // Актуальні проблеми комп'ютерних технологій 2006 : наук.-техн. конф. : тези допов. -Хмельницький, 2006. - С. 31-33.

8. Сорокіна Л.О. Надлишкові вимірювання вологості паперу / В. Т. Кондратов, Л. О. Сорокіна // Приладобудування: стан і перспективи : наук.-техн. конф., 24-25 квітня 2007 р. : тези допов. - К., 2007. - С. 63.

9. Сорокина Л. А. Избыточные измерения влажности бумаги / В. Т. Кондратов, Л. А. Сорокина // Современные информационные и электронные технологии : междунар. научн.-практ. конф., 19-23 мая 2007 г. : тезисы докл. - О., 2007. - С. 82.

10. Сорокина Л. А. Избыточные измерения влажности бумаги / В. Т. Кондратов, Л. А. Сорокина // Фундаментальные прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики : междунар. научн.-практ. конф., 1-5 октября 2007 г. : тезисы докл. - М.: МГУ ПИ, - 2007. - С. 157-163.

11. Сорокина Л. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерения влажности оптически прозрачных листовых материалов / В. Т. Кондратов, Л. А. Сорокина // Современные информационные и электронные технологии : междунар. научн.-практ. конф., 19-23 мая 2008 г. : тезисы докл. - О., 2008. - С. 63.

12. Ковтун Л. О. Надлишкові вимірювання вологості оптично-прозорих листових матеріалів / Л. О. Ковтун // Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2009) : міжнар. наук.-техн. конф., 8-10 жовтня 2009 : тези допов. - В., 2009. - Ч. 2 - С. 70.

13. Патент № 84589 С2 Україна, МПК (2006) G 01 N21/01, G 01 N9/24. Спосіб надлишкових вимірювань вологості оптично-прозорих листових матеріалів // В.Т. Кондратов, Л.О. Сорокіна (Україна); заявник та патентовласник Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України. - № а200607427; заявлено 04.07.2006, опубл. 10.11.2008, Бюл. №21, 2008. -10 с.

14. Патент № 86206 С2 Україна, МПК (2006) G 01 N21/00, G 01 N21/25. Спосіб надлишкових вимірювань вологості паперу // В.Т. Кондратов, Л.О. Сорокіна (Україна); заявник та патентовласник Ін-т кібернетики ім.. В.М. Глушкова НАН України. - № а200603088; заявлено 22.03.2006, опубл. 10.04.2009, Бюл. №7, 2009. -12 с.

15. Патент № 92199 С2 Україна, МПК (2006) G 01 N21/00, G 01 N21/25. Спосіб надлишкових вимірювань вологості паперу // В.Т. Кондратов, Л.О. Сорокіна (Україна); заявник та патентовласник Ін-т кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України. - опубл. Бюл. №19, 2010.

Анотації

Ковтун Л.О. Методи і оптико-електронні засоби вимірювального контролю вологості листових матеріалів . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми підвищення точності вимірювального контролю та вірогідності результатів контролю вологості листових матеріалів, зокрема паперу.

Запропоновано методи надлишкових вимірювань вологості паперу, які полягають у визначенні значення вологості паперу після виконання 4-7 тактів вимірювання значень напруг, які містять у собі інформацію про вологість зразка паперу із нормованою за значенням концентрації вологістю та досліджуваного паперу, та визначення дійсного значення вологості за рівнянням надлишкових вимірювань, яке є розв'язком системи нелінійних рівнянь величин. У результаті застосування методів надлишкових вимірювань відбувається автоматичне зменшення і навіть вилучення систематичних похибок вимірювання. Використання реальної функції перетворення вимірювального каналу дозволило розширити діапазон вимірювання паперу. Застосування методів надлишкових вимірювань дозволило отримати результат вимірювання приведений до входу вимірювального каналу та із похибкою, що співрозмірна із похибкою відтворення значення концентрації вологості зразковою мірою. Застосування надлишкових методів вимірювального контролю вологості листових матеріалів дозволило підвищити вірогідність контролю.

На основі запропонованих методів розроблено засіб вимірювального контролю вологості паперу, принцип дії якого полягає у перетворенні потужностей послаблених потоків оптичного випромінювання, які отриманні у результаті проходження крізь зразки паперу потоку оптичного випромінювання у відповідні значення напруг.

Проведені напівнатурні дослідження, що показали співпадіння теоретичних та практичних досліджень.

Ключові слова: точність та вірогідність, вимірювальний контроль, методи надлишкових вимірювань, вологість листових матеріалів, похибки.

Ковтун Л.А Методы и оптико-электронные устройства измерительного контроля влажности листовых материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - устройства и методы контроля и состава веществ.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения точности измерения и достоверности контроля влажности листовых материалов, в частности бумаги.

Предложены методы избыточных измерений влажности бумаги, которые заключаются в проведении 4-7 тактов измерения значений напряжений, содержащих информация о влажности образца бумаги с нормированной по значению концентрации влажностью и исследуемой бумаги с неизвестной концентрацией влажности с последующим определением действительного значения влажности по уравнению избыточных измерений. Последнее является решением системы нелинейных уравнений величин. В результате применения методов избыточных измерений происходит автоматическое уменьшение, и даже исключение систематических погрешностей измерения, обусловленные влиянием абсолютных значений параметров линейной, квадратической или логарифмической функций преобразования измерительного канала и их отклонением от номинальных значений; нестабильностью источника оптического излучения; нелинейностью и нестабильностью функции преобразования фотоприемника, обусловленной действием внешних дестабилизирующих факторов; поглощением части потока оптического излучения подводящими и отводящими оптическими волокнами.

Показано, что учет вида реальной функции преобразования измерительного канала обеспечивает расширение диапазона измерений влажности бумаги. Использование методов избыточных измерений позволило получить результат измерений, приведенный ко входу измерительного канала и с погрешностью, соизмеримой с погрешностью воспроизведения значения концентрации влажности образцовой мерой. Использование избыточных методов измерительного контроля влажности листовых материалов позволило повысить и достоверность контроля за счет использования статистической обработки данных и вычислительной обработки усредненных результатов измерений, полученных в каждом такте.

На основе предложенных методов разработано устройство измерительного контроля влажности бумаги, в основу которого положено преобразование мощностей ослабленных потоков оптического излучения, прошедших через два образца бумаги в соответствующие напряжения с последующей обработкой их по априори выведенному уравнению числовых значений (или уравнению избыточных измерений).

Проведены полунатуральные исследования, которые показали совпадение теоретических и практических исследований.

Ключевые слова: точность и достоверность, измерительный контроль, методы избыточных измерений, влажность листовых материалов, погрешности.

Kovtun L.O. Methods and opto-electronic devices of measuring humidity control sheet materials. - Manuscript.

The dissertation on obtaining the degree of the Candidate of Technical Sciences in specialty 05.11.13 - Devices and methods of control and definitions of substance composition.

The dissertation is devoted to the solving of problem of accuracy increase of measuring control and authenticity of control results of sheet materials humidity, in particular to the paper.

The methods of the surplus measuring of paper humidity that consist in determination of value of paper humidity after implementation of 4-7 measuring times of voltage values have been offered, that contain information about humidity of paper standard with rationed by concentration value humidity and prospected paper. Determination of actual humidity value is made by equation of the surplus measuring, that is the solving of the system of nonlinear size equations. As a result of the use of methods of the surplus measuring there is the automatic diminishing and even exception of systematic measuring errors. The use of the real function of transformation of measuring channel allowed expansion of the measuring range of paper humidity. Application of methods of the surplus measuring allowed getting a measuring result with proportional error to the recreation error of humidity concentration value of exemplary measure. Application of surplus methods of measuring humidity control of sheet materials allowed promoting control authenticity.