Методи та засоби вимірювального контролю вологості порошкоподібних матеріалів в інфрачервоній області

Abstract

Дисертацію присвячено дослідженню проблемних питань, пов’язаних з удосконаленням методів та розробкою на їх основі нових інфрачервоних засобів контролю вологості порошкоподібних матеріалів, а також підвищенням швидкодії та вірогідності контролю. В роботі представлено порівняльний аналіз відомих методів та засобів вимірювання вологості, виявлено їх переваги та недоліки, обґрунтовано доцільність використання інфрачервоних засобів для автоматизованого контролю вологості порошкоподібних матеріалів. Досліджено об’єкт контролю та удосконалено математичну модель процесу конвективної сушки порошкоподібних матеріалів. Вдосконалено математичну модель первинного вимірювального перетворювача та отримано рівняння перетворення. Проведено оцінювання його основних статичних метрологічних характеристик. На основі отриманого рівняння перетворення модифіковано метод безпосереднього контролю та вперше розроблено відносний метод контролю вологості, а також структурні схеми для їх реалізації. Отримано аналітичну залежність для корекції мультиплікативної складової похибки. Запропоновано методику оцінювання комбінованої невизначеності вимірювань. Створено експериментальний зразок двоканального засобу контролю вологості в автоматичному режимі роботи у реальному часі, який реалізує відносний метод, та отримано залежності для оцінювання основних статичних метрологічних характеристик. Проведено метрологічні дослідження експериментального зразка, встановлено нормовані значення абсолютної, відносної та зведеної похибок. Досліджено закони розподілу контрольованої величини та похибки вимірювання. На основі розрахованих помилок першого і другого роду оцінено вірогідність контролю темогравіметричним методом, методом безпосередньої оцінки та відносним методом.

Диссертация посвящена исследованию проблемных вопросов, связанных с усовершенствованием методов и разработкой для их реализации инфракрасных средств контроля влажности порошкообразных материалов, а также повышением быстродействия и вероятности контроля. В работе представлено сравнительный анализ известных методов и средств измерения влажности, определено их преимущества и недостатки, обосновано целесообразность использования инфракрасных влагомеров для автоматизированного контроля влажности порошкообразных материалов в процессе их производства. Для определения допусков на контролируемый параметр исследовано объект контроля и усовершенствовано математическую модель процесса конвективной сушки порошкообразных материалов. Усовершенствовано математическую модель первичного измерительного преобразователя, которая от известных отличается тем, что учитывает параметры источника света. Получено уравнение преобразования, которое однозначно связывает выходную величину – значение фототока и входную – значение влажности. Оценено его основные статические метрологические характеристики. Получено аналитические зависимости для коррекции мультипликативной составляющей погрешности измерений. На основании полученного уравнения преобразования модифицировано метод непосредственного контроля влажности и впервые разработано относительный метод контроля, а также структурные схемы для их реализации. Выведено уравнение преобразования для микропроцессорного одноканального средства контроля влажности и показано, что данный влагомер имеет линейную статическую характеристику. Оценено неопределѐнность измерений и вероятность контроля для данного средства контроля (0,801 – 0,887). Доказано, что при контроле влажности относительным методом результат определяется разницей отношений спектральных коэффициентов отражения измерительного и опорного каналов при нулевой влажности, а метрологические характеристики влагомера определяются его конструкцией. Показано, что при создании одинаковой освещѐнности фотоприѐмников измерительного и опорного каналов, независимо от размеров частиц порошка, его пористости и шероховатости, достигается высокая точность измерений (сведѐнная погрешность не превышает 1,8 %). Доказано, что для средства контроля влажности, реализованного за предложенной схемой, влияние температуры на результат измерения практически равно нулю, а влияние на показания влагомера цвета объекта контроля отсутствует. Предложено методику оценки комбинированной неопределѐнности измерений, которая состоит из анализа предварительно полученных аналитических зависимостей для оценки аддитивной и мультипликативной составляющих систематической погрешности и экспериментальных статистических характеристик случайной составляющей погрешности измерений. Разработано функциональные схемы и алгоритмы работы микропроцессорных средств контроля влажности методом непосредственной оценки и относительным методом. Создано экспериментальный образец двуканального средства контроля влажности в автоматическом режиме работы в реальном времени, который реализует относительный метод контроля и получено зависимости для оценивания основных статических метрологических характеристик. Проведено метрологические исследования экспериментального образца, определено нормативные значения абсолютной, относительной и сведѐнной погрешностей. Исследовано законы распределения контролируемой величины и погрешности еѐ измерения. Получено значение ошибок первого и второго рода и оценено вероятность контроля влажности термогравиметрическим методом, методом непосредственной оценки и относительным методом.

Thesis considers the complicated issues, associated with the improvement of the methods and elaboration, on the basis of these methods, of the new infrared devices for the humidity control of the powdery materials and also the increasing of the speed and the controlling reliability. There is a compare analysis of the known methods and the devices for measuring humidity, discovered their advantages and disadvantages, substantiated the advisability of the infrared devices for the automatic control of the powdery materials humidity in the thesis. It was researched the object of the control and improved the mathematical model of the process of the powdery materials convective drying. There was improved the mathematical model of the primary measuring transformer and got the equation of the transformation. It was appreciated its main statistical metrological characteristics. On the basis of the equation of the transformation, the method of the direct control was modified and for the first time there was worked out the relative method of the humidity control and also the structural schemes for their realization. There was got the analytical dependence for the correction of the multiple component of the deviation. There were suggested the appreciate methods of the combined indefiniteness of the measurements. There was created the experimental model of the two-channel device of the humidity control in the automatic work at the moment which had been realized by the relative method, got the dependence for the appreciation of the main statistical metrological characteristics. The metrological researches of the experimental model were developed and the fixed exponents of the absolute, relative and combined deviation were determined in the thesis. The distributive laws of the controlled constant and the measuring deviation were investigated. On the basis of the calculated failures of the first and the second sort, there had been evaluated the reliability of the control by the thermogravimetrical method, the measuring method, the method of the direct appreciation and the relative method.