ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Рассмотренные в предыдущих главах и параграфах методы измерения влажности можно применять и в со­четании друг с другом или с другими методами анализа состава и свойств вещества. Аналогичные «многопара­метрические» методы используются в измерительной тех­нике для получения информации о значениях нескольких параметров объекта анализа. Примером может служить определение п параметров многокомпонентного раствора или смеси из системы уравнении, связывающих выход­ные величины средств, измерения с искомыми. парамет­рами. Эти методы применяются и в - неразрушающих ме­тодах контроля продукции машиностроения и других отраслей промышленности [JL 5-20].

При измерениях влажности многопараметрические методы представляют интерес как одно из направлений разделения полезного и мешающих сигналов. Обозначим через W влажность материала, а через х, Xz, хп — Другие параметры, характеризующие его состав и со­стояние. Применяя измерительные устройства, основан­ные на различных методах, или выполняя измерения од­ним методом, но при нескольких значениях параметра разделения (частота, фаза, уровень или форма сигнала и т. п.), можно получить систему из п~-1 уравнений. В этих уравнениях уі обозначает выходную величину t-ro измерения, a F — заранее известную функцию пре­образования для t-ro метода измерения или г-го значе­ния параметра разделения:

Уг = Рг^. ^I' -■■» Y2 — F2{W, Xt, х2, ..., хп) (5-15)

Уп+1 — Fn+L{W,Xl,X2.. .

При этом в отдельные уравнения могут входить раз­ные сочетания неизвестных величин. Решение системы уравнений (5-15) позволяет определить все n+'l неиз­вестных: W, Xi, х2, ..., хп.

Вычислительное устройство многопараметрического влагомера выдает информацию о значениях W или о зна­чениях W и дополнительно одного или нескольких пара­метров X.

Для практической реализации многопараметрических методов важное значение имеет оптимальный выбор из­меряемых параметров объекта исследования или значе­ний параметра разделения, сочетание которых обеспечи­вает максимальную точность определения искомых вели­чин. Был предложен ряд критериев оптимальности соче­тания; один из них сводится к минимизации числа обу­словленности р матрицы коэффициентов в системе урав­нений (5-15) [Л. 5-21]: /5 = ЛМаксАмші (>-макс И Ямии — наибольшее и наименьшее собственные значения ма­трицы) .

Вторым необходимым условием является. повышение точности измерения ис-пользуемых параметров, включаю­щее уменьшение динамических погрешностей, вызванных различием динамических характеристик п каналов из­мерения. Практически точность каждого из каналов при многопараметрическом измерении должна быть выше, чем в одноканальных измерительных устройствах. Это обстоятельство наряду с усложнением и повышением стоимости измерительного устройства ограничивает при­менение многопараметрических методов во влагомерах. В большинстве случаев в них ограничиваются измере­нием лишь одной дополнительной величины.

Радиоизотопно-диэлькометрический метод для полу­чения информации как о влагосодержании, гак и о мас­совой толщине был разработан применительно к волок­нистым материалам (штапельное и шерстяное - волокно) [JI. 5-22]; предложенный автоматический влагомер имеет вычислительное устройство, состоящее из типовых ана­логовых блоков и позволяющее непрерывно измерять влагосодержание и «сухой вес» волокна, перемещаемого на конвейере, без необходимости выравнивания и уплот­нения движущегося слоя.

Другим - примером может служить автоматический контроль влажности W и массы единицы площади В Бумажного. полотна, целлюлозы и картона в процессе их производства; влажность движущегося листового мате­риала измеряет диэлькомегрический влагомер с одно­сторонним датчиком, величину В — бета-интенсимегр.

Наибольшее практическое применение нашло комби­нирование радиометрических методов для одновременно­го измерения влажности и плотности материалов. Ра­диометрические влагомеры-плотномеры для почв и грун­тов применяются в строительстве шоссейных и железных дорог, аэродромов, в инженерной геологии, гидромелио­рации и почвоведении. Эти - приборы основаны на мето­дах, рассмотренных в § 5-1. Для измерения влажности используется, как правило, нейтронный метод, для изме­рения плотности — методы ослабления гамма-излучения, рассеяния этого излучения (гамма-гамма-мегод) или их сочетание.

Совмещенные почвенные влагомеры-плотномеры рас­считаны на работу в полевых условиях. В одном кор­пусе объединяются датчики - (зонды) влажности и плот­ности; обычно используется общий регистратор импуль­
сов для обоих каналов. Не­которые конструкции дают возможность. выполнения как поверхностных, гак и глубинных измерений; штан­говый датчик Такого типа по­казан на рис. 5-10.

■В свинцовом контейнере 1 содержатся источник ней­тронов 2 и пропорциональ­ный счетчик. медленных ней­тронов 3, нечувствительный к гамма-лучам. Гамма-излу­чатель 4 закреплен на кон­це заостренного стального штока 5; счетчик гамма-излучений 6 защищен свинцо­вым экраном 7. Шток 5 может находиться в одном из двух фиксированных положений. При поднятом штоке гамма-излучатель находился в контейнере и плотность почвы измеряют по рассеянному гамма-излучению. При введении штока в почву ее плотность измеряют тем же детектором, но уже по ослаблению гамма-излучения. Влажность почвы измеряют нейтронным методом. (Ra+Be) - излучатели могут служить в рассматриваемых приборах источником как нейтронов, так и гамма-излу­чения, однако такие излучатели требуют тяжелых за­щитных устройств. Поэтому используют для обоих кана­лов раздельные излучатели: источник нейтронов с ма­лым собственным гамма-излучением, например (Ат+ + Ве), гамма-излучагель с изотопом Cs137. Детекторы медленных нейтронов и гамма-излучений применяются тех же типов, что и в нейтронных влагомерах и гамма - плотномерах. Известны приборы с одним совмещенным детектором-сцингилляционным счетчиком; избиратель­ность измерения (раздельное определение плотности те­пловых нейтронов и интенсивности рассеянного гамма - излучения) достигается амплитудной дискриминацией импульсов в регистрирующем устройстве. Информацию о значениях объемной влажности WcБ - и плотности р ма­териала. можно использовать для непрерывного вычисле­ния его массовой влажности W= 1Г0б/р-

Наиболее распространенную разновидность многопа­раметрических методов измерения влажности составля­ют многочастотные методы, основанные на из­
мерении параметров одного и того же образца одним методом, но в различных участках спектра электромаг­нитных колебаний, т. е. - при различных длинах волны. К этой категории можно отнести, например, измерения с помощью двухволновых инфракрасных влагомеров (§ 5-3); наибольшее развитие получили многочастотные методы с применением диэлькометрических влагомеров.

Согласно общей теории многочастотных методов [JL 5-23] измерение на п частотах позволяет исключить влияние п—1 возмущающих воздействий. На практике, однако, ограничиваются наиболее простыми измерения­ми на двух частотах («двухчастотные» влагомеры) или значительно реже на трех, т. е. компенсацией одной или максимум двух наиболее существенных помех.

Минимизация общей погрешности влагомера должна служить основным критерием выбора рабочих частот / многочастотного влагомера. Ввиду отсутствия аналити­ческих зависимостей, связывающих диэлектрические свойства влагосодержащих материалов с влажностью и возмущениями Хг, выбор рабочих частот приходится ба­зировать на экспериментальных характеристиках у= =F(W, Xi, F) данного материала, описывающих зависи­мость выходного сигнала у датчика от влажности и от выбранного компенсируемого возмущения Хі. В много - часготных влагомерах используются те же величины у, Что и в обычных диэлькометрических приборах: полное сопротивление датчика, его реактивная или активная со­ставляющая, сила тока через датчик и т. д.

В ряде работ, например [Л. 5-24], даны графоанали­тические способы оптимального выбора частот для двух - часготных влагомеров, основанные на анализе семейст­ва характеристик Y=J7(W, Хі, /). Все они основаны на критерии максимума полезной информационной мощно­сти в используемом сигнале: при одной из частот долж­на быть максимальной чувствительность к влажности Sw=DyB/DW при минимальной чувствительности к поме­хе Sx=DyDfdXi, при второй частоте соотношение Sw и Sx Должно быть противоположным (ув — выходной сигнал измерительного устройства).

В табл. 5-1 приведены данные, характеризующие двухчастотные диэлькомегрические влагомеры, разрабо­танные в СССР и США (фирмой Industrial Nucleonics Corporation, получившей в I960—1970 гг. большое число патентов на двухчастотные влагомеры [J1. 5-25]).

Обобщенная структурная схема двухчастотного вла­гомера (рис. 5-11,с) содержит датчик Д, два измери­тельных канала И± и Я2, вычислительное устройство В И выходной прибор П; каналы И} и И2 работают на ча­стотах fi, f2 (fiҐ=fz). Выходной сигнал вычислительного устройства может формироваться в результате выпол­нения разных математических операций над сигналами обоих каналов: YB=<Fi(Yi—№); Y*=F2(Yily2) Ув= = F3(Lgyillgyz)-, Уш=Р>Л(Уі—У2)/У'А И т. д. (Fi—Ft — функция преобразования, обычно линейная). Практиче­ская реализация рассмотренной структуры во многом зависит от диапазона частот, которым соответствуют /і и fa; на рис. 5-11,6 приведена блок-схема автоматиче­ского двухчастотного влагомера Ind. Nucleonics Corp. (рабочие частоты 100 и 530. кгц). Генераторы низкой ча­стоты /і и высокой /2 питают схему сравнения С, в кото­рую включен емкостный датчик А (для бумажного по­лотна— односторонний датчик с внешним полем и за­земленным защитным электродом). Блок С выполнен в виде четырехплечего моста; суммирующий усилитель Уу подает на датчик напряжение в прогивофазе с на­пряжением питания моста. В других модификациях С — Это мост с тесной индуктивной связью двух плеч или емкостный делитель напряжения, одно плечо которого образует датчик. Мост уравновешивают при отсутствии материала в поле датчика. Сигнал разбаланса моста, усиленный выходным усилителем Уц, поступает на два контура, содержащих фильтры (Фі, Фг) соответствую­щей частоты и демодуляторы (Д3, Д2). Детектированные сигналы обоих каналов поступают в аналоговое вычис - 196 лительное устройство ВУ с выходным самопишущим при­бором П. Блок ВУ реализует необходимое соотношение между выходным напряжением и детектированными сигналами; он содержит функциональный преобразова­тель, позволяющий линеаризовать шкалу выходного при­бора в единицах влажности. Непрерывное автоматиче­ское уравновешивание схемы осуществляется с помощью следящей системы, в которую входят дифференциальный усилитель Уш и реверсивный исполнительный двигатель Р, перемещающий ползунок потенциометра R, т. е. из­меняющий выходное напряжение генератора Г. Такой способ уравновешивания возможен благодаря тому, что изменение полной проводимости датчика на низкой ча - стоіе (/і) значительно больше, чем на высокой (fz). В других вариантах схемы уравновешивающий элемент (конденсатор переменной емкости или варикап) включен в плечо моста или целителя напряжения.

Наряду с частотным принципом разделения инфор­мации можно использовать и другие. В качестве пара­метра разделения можно выбрать любую физическую величину, не зависящую от влажности и позволяющую получить систему уравнений (5-15). Параметром разде­ления может служить, например, температура («двух- гемпературный» метод нашел применение для контроля увлажнения изоляции трансформаторов и электрических машин), однако удобнее изменять электрические -пара-

Метры. Фазовое разделение реализуется во влагомерах с фазовращателями и фазочувствительным детектором, например в приборе, предложенном JI. Гаргшорном [Л. 5-26].

«Амплитудно-фазовое» .разделение по соотношению между активной и реактивной составляющими комплекс­ного сопротивления датчика возможно, если измеритель­ная схема влагомера позволяет измерять эти обе состав­ляющие. В патентной литературе описан ряд схем, в ко­торых вычислительное устройство определяет отношение сигналов, характеризующих активную и емкостную со­ставляющие полного сопротивления датчика; выходной сигнал вычислительного устройства - является функцией влажности исследуемого материала и не зависит от его плотности или «сухой массы», неравномерности .распре­деления влаги в нем и т. п. Примером может служить диэлькомегрический* автоматический влагомер [Л. 5-276]. Эти устройства являются одночастотными, причем рабо­чая частота выбирается из соображений оптимального отношения чувствительностей к влажности и к компен­сируемой помехе. Дополнительные возможности откры­вает сочетание амплитудно-фазовой селекции с частот­ной. Измеряя активное и реактивное сопротивления дат­чика на двух разных частотах, можно получить четыре уравнения и исключить влияние уже не одной, а двух или даже трех мешающих величин; описанный принцип реализован в |Л. 5-27а]. Более простая модификация рас­сматриваемого комбинированного способа разделения за­ключается в измерении на одной частоте активной со­ставляющей проводимости датчика, а на второй — реак­тивной. Следует отметить, что последние способы разде­ления почти не нашли практического применения; доста­точно ограничено также применение двухчастогных вла­гомеров.