Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Буйлов Павел Витальевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ контроля
инейной плотности влагосодержащих продуктов
прядильного производства
Специальность 05.19.02 Ц Технология и первичная обработка
текстильных материалов и сырья
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2012
Работа выполнена на кафедре прикладной математики и информационных технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА).
Научный руководитель | доктор технических наук, профессор |
Коробов Николай Анатольевич, заведующий кафедрой прикладной математики и информационных технологий ФБГОУ ВПО Ивановская государственная текстильная академия |
Официальные оппоненты:
Жуков Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой прядения ФГБОУ ВПО Костромской государственный технологический университет;
арин Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии текстильных изделий ФГБОУ ВПО Ивановская государственная текстильная академия.
Ведущая организация ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна.
Защита состоится 03 июля 2012 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.061.01 при ФГБОУ ВПО Ивановская государственная текстильная академия по адресу: 153000, г. Иваново, пр.Ф. Энгельса, 21, ауд. Г-235, e-mail: rector@igta.ru, факс: (4932) 412108.
С текстами автореферата и диссертации можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ивановская государственная текстильная академия, а так же на сайтах ВАК и ИГТА в сети Интернет.
Автореферат разослан л 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Кулида Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Современные требования, предъявляемые потребительским рынком к необходимости поддерживать высокую конкурентоспособность продукции предприятий текстильной промышленности, вынуждает их постоянно проводить контроль стабильности протекания технологических процессов на всех этапах производства, начиная от приемки сырья и до выпуска готовой продукции. В прядильном производстве наиболее значимыми параметрами, определяющими стабильность протекания технологических процессов, а в итоге обеспечение качества, как полуфабрикатов, так и готовой продукции (пряжи), являются неравномерность линейной плотности и влажность материалов. Актуальность измерения показателей, характеризующих неравномерность линейной плотности и влажности, обусловлена тем, что прочность пряжи её обрывность и неравномерность по крутке находятся в тесной взаимосвязи с выделенными показателями, постоянный контроль которых непосредственно на оборудовании позволяет выдерживать оптимальные режимы протекания технологических процессов, своевременно обнаруживать и предотвращать выход брака готовой продукции. При решении задач автоматизации технологических процессов в прядильном производстве, контроля качества сырья и полуфабрикатов отдается предпочтение бесконтактным методам измерения, среди которых наибольшее распространение получил емкостный метод, основанный на измерении диэлектрических свойств материала (комплексной диэлектрической проницаемости материала и ее составляющих) на переменном токе высокой частоты. Достоинствами данного метода является высокая линейность характеристики, отсутствие инерционности и высокая разрешающая способность. Особенностью емкостных измерителей является зависимость результата измерения как от плотности, так и от влажности продукта. Ввиду того, что влага в продукте распределена неравномерно, указанная зависимость приводит к ложным срабатываниям датчиков, выявляющих наличие примесей и узелков, а также высокой погрешности измерения неравномерности линейной плотности полуфабрикатов прядильного производства.
Таким образом актуальной задачей является совершенствование методов контроля линейной плотности влагосодержащих продуктов прядильного производства.
Работа выполнена в соответствии с планом государственных бюджетных НИР ИГТА на 2008 Е 2012 годы, а так же по гранту ИГТА 2009 года для молодых исследователей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является улучшение качества продуктов прядильного производства за счет повышения информативности и точности емкостных методов контроля параметров технологических процессов.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие научные и технические задачи:
- изучено современное состояние проблемы контроля технологических процессов прядильного производства;
- выявлены основные источники погрешностей измерения емкостным методом;
- разработан программно-аппаратный комплекс для измерения диэлектрических характеристик влагосодержащих текстильных материалов;
- проведены экспериментальные исследования зависимости диэлектрической проницаемости текстильных материалов от величины адсорбированной влаги и частоты электромагнитного поля;
- разработана модель, описывающая поведение влагосодержащих текстильных материалов в переменном электромагнитном поле;
- выявлены способы компенсации влияния влажности исследуемого продукта на показания емкостных датчиков.
Методы исследования.
Объектом исследования являются продукты прядильного производства, областью исследования - их линейная плотность, а предметом исследования - методы и средства контроля линейной плотности, основанные на принципе измерения диэлектрической проницаемости влагосодержащих продуктов.
При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В работе использован аппарат математического и компьютерного моделирования, теории вероятности и случайных процессов, математической статистики и метрологии в части обработки экспериментальных данных, теория создания автоматизированных комплексов. Экспериментальные исследования проводились с применением разработанного программно-аппаратного стенда. Техническая обработка результатов исследований, а также разработка моделей, производилась с помощью персонального компьютера. Полученные данные подвергались обработке на ЭВМ как с помощью известных методов и программ, предназначенных для обработки статистических данных (Matlab), так и собственными программными продуктами, написанными на языке программирования Visual Basic. Для сравнительных испытаний использовались стандартные лабораторные методы определения неравномерности по линейной плотности, а также измерительный комплекс КЛА-М (Россия).
Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:
- разработан способ учета сорбированной материалом влаги при решении задач обнаружения пороков пряжи емкостным датчиком;
- исследовано влияние влажности материала на результат измерения неравномерности линейной плотности продуктов прядения емкостным методом в широком диапазоне рабочих частот датчика;
- обоснована необходимость применения многочастотных емкостных датчиков, работающих в широком диапазоне частот, для измерения неравномерности линейной плотности продуктов прядения;
- разработаны способы компенсации влияния влажности продукта на результаты измерения неравномерности линейной плотности продуктов прядения емкостным методом;
- создан метод определения массы и линейной плотности влагосодержащего продукта по дисперсии его диэлектрической проницаемости;
- предложен метод измерения влажности продукта по дисперсии его диэлектрической проницаемости;
- получены экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости хлопка, льна, лавсана от частоты электромагнитного поля.
Обоснованность основных научных положений и выводов обеспечивается корректным использованием методов планирования эксперимента и статистической обработки данных, методов математического моделирования. Достоверность полученных моделей подтверждается их согласованностью с экспериментальными данными.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработана программа для определения влажности материала по дисперсии его диэлектрической проницаемости (свидетельство № 2012610550 от 10.01.12);
- результаты исследований использованы при разработке и изготовлении прибора для измерения влажности льнотресты;
- разработано устройство для измерения основных показателей качества продуктов прядения (линейной плотности, влажности, неравномерности линейной плотности). На данное устройство получен патент на полезную модель (№114521).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку на: заседании кафедры прикладной математики и информационных технологий; научном семинаре ИГТА по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильной и легкой промышленности; межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск - 2008 Е 2010, 2012), ИГТА, Иваново, 2008 Е 2012 г.; международной конференции Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности, Витебск, 2009 г.; всероссийской научно-технической конференции Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике, Димитровград, 2012 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, из них, три статьи в журнале Известия вузов. Технология текстильной промышленности, два свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ; один патент на полезную модель; остальные - тезисы конференций.
ичный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации. Вклад автора состоит в участии во всех этапах процесса, разработке экспериментальной установки, постановке эксперимента и получении экспериментальных данных, обобщении результатов и формулировке выводов, подготовке основных публикаций по выполненной работе, разработке прототипа прибора для измерения линейной плотности и влажности волокнистого материала.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения и четырех глав. Материал представлен на 173 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 110 наименований и включает пять приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы и определена цель исследования, а так же приведена общая характеристика работы, которая отражает её научную и практическую значимость.
В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы контроля показателей качества текстильных материалов.
На основании обзора опубликованных научно-технических источников сделан вывод о том, что емкостные датчики получили широкое распространение для контроля показателей качества текстильных материалов. Достоинствами емкостных преобразователей, обеспечившими им широкое распространение, являются: преимущества бесконтактного метода измерения, линейность характеристики, высокое быстродействие и разрешающая способность. Проблемами измерения параметров качества текстильных материалов емкостным методом занимались такие ученые, как Андросов В. Ф., Каминский Д. М.,
Ключининкас A. Ю., Козлов A. Б., Разумова Е. А., Расторгуев А. К.,
Турчинин А. М., Хавкин В. П. и другие. Установлены основные факторы, влияющие на результат измерения емкостным методом, среди которых в первую очередь выделяется влажность материала. Показано, что применяемые в настоящее время емкостные преобразователи, работающие на одной фиксированной частоте, принципиально не способны учесть влияние сорбированной материалом влаги на результат измерения. Существующие способы снижения влияния влажности материала на результат измерения, заключающиеся в кондиционировании пробы в течение 24 часов, малоэффективны, приводят к значительному увеличению времени измерения, а также исключают возможность их применения непосредственно на технологическом оборудовании.
Известно, что диэлектрическая проницаемость свободной воды в значительной мере зависит от частоты электрического поля и описывается уравнением П. Й. В. Дебая:
, | (1) |
где ε* - комплексная диэлектрическая проницаемость; ε∞, ε0 - диэлектрическая проницаемость на бесконечно большой частоте и нулевой частоте (на постоянном токе) соответственно; w - частота электрического поля, Гц; τ - время релаксации, равно времени, в течение которого после снятия внешнего поля поляризация уменьшается в 1/e раз, с.
Ряд исследователей дополнили теорию Дебая и предложили соотношения, описывающие поляризацию в гетерогенных системах. Наибольшее распространение получила диаграмма Коул-Коула, соответствующая уравнению:
, | (2) |
где α - эмпирическая постоянная (0<α<1), описывающая расширение релаксационной области.
Поиском зависимостей, связывающих диэлектрическую проницаемость многофазной смеси с диэлектрическими проницаемостями и объемными концентрациями ее компонентов, занималось большое количество ученых, таких, как Бруггеман, Вагнер, Винер, Клаузиус, Лихтенекер, Моссотти, Оделевский, Пальмер и другие. Однако, полученные ими формулы применимы лишь к грубой модели сухое вещество - сухая влага и не учитывают влияние видов и форм связей компонентов на диэлектрические свойства системы. Одним из первых на необходимость учета данного фактора указал Куриленко О. Д.
Проведенный анализ научных работ по исследованию проблемы контроля показателей качества текстильных материалов емкостным методом позволил выявить основные направления теоретических и экспериментальных исследований, выбрать соответствующие методы и поставить задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям диэлектрических свойств влагосодержащих текстильных материалов. Приведена модель конденсатора с волокнистым влагосодержащим диэлектриком. Показано, что эквивалентная диэлектрическая проницаемость подобного диэлектрика определяется по формуле:
, | (3) |
где ε - диэлектрическая проницаемость смеси волокнистого влагосодержащего материала с воздухом; K1, K2, K3 - соответственно доля воздуха, воды и волокна в объеме конденсатора; ε в, ε вол - относительная диэлектрическая проницаемость соответственно воды и волокна.
В приведенном выражении значение диэлектрической проницаемости воды зависит от ее фазы, а также формы связи с твердым веществом. Показано, что в настоящее время не существует единой модели, определяющей поведение влагосодержащих текстильных материалов в переменном электрическом поле. Обоснована необходимость экспериментальных исследований, для проведения которых разработан и изготовлен автоматизированный измерительный комплекс, включающий в себя изолированную испытательную камеру, в которой автоматически поддерживалась фиксированная температура и заданная влажность, и электронную схему, измеряющую сопротивление емкостного датчика переменному току на определенных заранее заданных частотах. Измеренные значения сохранялись в памяти персонального компьютера для дальнейшей обработки. Перед началом измерения производилось кондиционирование образца при определенной влажности воздуха. В качестве объектов исследования выбраны образцы хлопковых, льняных и лавсановых волокон. Разработана компьютерная программа для автоматического сбора и обработки результатов испытаний. Программный продукт зарегистрирован Российским агентством по патентам и товарным знакам в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2010616566 от 01.10.2010 г.).
Проведена оценка инструментальной погрешности измерения разработанным комплексом. Получены результаты испытаний измерительного комплекса, проведена первичная статистическая обработка полученных данных. По данным испытаний рассчитан оптимальный объем выборки и доверительный интервал для доверительной вероятности α = 0,95 с учетом коэффициента Стьюдента.
Получены экспериментальные частотные зависимости диэлектрической проницаемости конденсатора с диэлектриком из хлопкового (рис. 1), льняного и лавсанового волокна для различных значений влажности и массы пробы.
Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости конденсатора
с диэлектриком из хлопкового волокна от частоты при t=25 0C, m=0,4 г
Анализ полученных данных показал, что величина диэлектрической проницаемости уменьшается с увеличением частоты, скорость изменения зависит от влажности материала. Сказанное позволяет сделать вывод, что емкостные датчики с низкой рабочей частотой наиболее чувствительны к изменению влажности материала, а следовательно, обладают большей погрешностью измерения массы, линейной плотности, а также неравномерности по линейной плотности продукта.
Третья глава посвящена разработке модели поведения влагосодержащих текстильных материалов в переменном электрическом поле. Для получения математической модели влагосодержащего диэлектрика рассмотрены процессы сорбции влаги в равновесных условиях. Показано, что текстильные волокна относят к классу проницаемых набухающих материалов. Сорбция в них происходит в несколько этапов. Вначале заполняются микропоры, соизмеримые с размерами молекул сорбата. Затем происходит заполнение промежуточных и макропор. При малых величинах адсорбции на твердых поверхностях молекул волокна происходит формирование первого адсорбированного слоя молекул воды. При этом энергия связи молекул сорбента и сорбата велика, что обуславливает низкую подвижность молекул воды, а значит, и низкую диэлектрическую проницаемость. Образование второго слоя приводит к уменьшению энергии связи и, следовательно, к большей подвижности молекул воды, что обуславливает увеличение значения диэлектрической проницаемости. При дальнейшей сорбции основную роль в поляризации играют последующие слои адсорбированных молекул воды. Их число и подвижность возрастают. Поэтому значение ε стремится к величине диэлектрической проницаемости свободной воды.
Рассмотренные особенности сорбции воды волокнистыми материалами позволяют представить содержащуюся в волокне влагу в виде совокупности пленок. Под пленкой понимается слой сорбированных молекул воды, имеющих однородную структуру и обладающих изотропными свойствами. Диэлектрические характеристики каждой пленки зависят от энергии связи молекул воды с сорбционными центрами, от толщины пленки, а также от степени ее удаления от центра волокна. Свойства воды в пределах каждой пленки описываются диаграммой Коул - Коула (формула 2), коэффициенты которой (τ и α) зависят от энергии связи молекул воды с сорбционными центрами. Сказанное позволяет представить математическую модель, описывающую диэлектрическую проницаемость системы волокно - сорбированная влага:
, (4)
где τi - время релаксации i-й пленки; αi - постоянная (0 < α < 1), описывающая расширение релаксационной области для i-й пленки.
Показано, что полученная модель с высокой точностью описывает экспериментально измеренные зависимости диэлектрической проницаемости влагосодержащего материала от частоты электрического поля. Проверка адекватности модели показала, что рассчитанные значения критерия Фишера не выходят за рамки доверительного интервала для всех полученных данных. В отличие от моделей, предложенных Дебаем, Казанским М. Ф., Коул-Коулом, данная модель более универсальна (применима не только для хлопка, как модель, предложенная Казанским М. Ф.).
Проведено исследование влияния изменения массы влагосодержащего материала на характер изменения частотной зависимости диэлектрической проницаемости при постоянной влажности материала. Показано, что при увеличении массы пробы происходит смещение характеристики вверх, - в сторону большего значения диэлектрической проницаемости. Крутизна характеристики практически не меняется. Предложена математическая модель, позволяющая вычислить массу влагосодержащего материала по величине его диэлектрической проницаемости на высокой и низкой частоте. Для построения математической модели применялась обобщенная линейная двухфакторная регрессия:
Y = b1 + b2X12 + b3X22 + b4X1 + b5X2 + b6X1X2, (5)
где Y - масса волокна; X1, X2 - величина диэлектрической проницаемости соответственно для наименьшей измеренной частоты (2 кГц) и наивысшей измеренной частоты (10 МГц).
Полученная модель позволяет, измерив величину диэлектрической проницаемости влагосодержащего материала на низкой (2 кГц) X1 и высокой
(10 МГц) X2 частоте, определить полную массу материала и сорбированной влаги. При этом данная модель применима как для хлопкового волокна, так и для льняного и лавсанового, однако при смене материала используются различные значения коэффициентов модели.
Измерение диэлектрической проницаемости на нескольких частотах позволяет вычислить массу сухого волокна, не прибегая к предварительному высушиванию пробы. Для определения массы сухого волокна используется также линейная двухфакторная регрессионная модель.
Проведено исследование влияния влажности продукта на характер изменения частотной зависимости диэлектрической проницаемости. Показано, что крутизна диэлектрической характеристики зависит от влажности материала и особенностей строения, пористости отдельных волокон. Большой размер пор в структуре волокна способствует образованию комплексов с водородной связью, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости волокна, особенно в области низких частот. Вышесказанное хорошо иллюстрируется результатами экспериментальных исследований (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость эквивалентной диэлектрической
проницаемости емкостного датчика от частоты для хлопкового,
ьняного и лавсанового волокна m=0,5г
По результатам проведенных исследований разработана модель, позволяющая вычислить значение массы сорбированной материалом влаги по диэлектрическим характеристикам влагосодержащего материала. Разработана программа для определения влажности материала по дисперсии его диэлектрической проницаемости. Программный продукт зарегистрирован Российским агентством по патентам и товарным знакам в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2012610550 от 10.01.12).
В четвертой главе разработаны способы учета погрешностей, обусловленных сорбированной материалом влагой, при использовании емкостных методов технического контроля технологических процессов прядильного производства.
Разработан способ исключения ложных срабатываний исполнительного механизма нитеочистителей с емкостным датчиком при прохождении через датчик материала с повышенной относительно среднего уровня влажностью. Предложенный способ основан на измерении эквивалентной диэлектрической проницаемости датчика на двух частотах - высокой (порядка нескольких мегагерц) и низкой (порядка единиц килогерц). При прохождении порока через пластины датчика его диэлектрическая проницаемость, измеренная на низкой и высокой частотах, увеличивается практически пропорционально. В случае прохождения через пластины участка пряжи повышенной влажности диэлектрическая проницаемость датчика, измеренная на низкой частоте, увеличивается в значительно большей степени, чем измеренная на высокой. Указанная особенность используется для исключения ложных срабатываний исполнительного механизма нитеочистителя.
Проведен анализ влияния влажности материала на результат измерения линейной плотности. Показано, что влажность материала влияет на результат измерения по емкостному методу гораздо в большей степени, чем по весовому. При измерении линейной плотности материала весовым методом измеренное значение массы равно сумме массы сухого материала и массы влаги. При измерении линейной плотности материала емкостным методом изменение емкости, вызванное наличием в датчике волокнистого влагосодержащего диэлектрика, зависит не только от массы волокна, находящегося между пластинами, но и от его диэлектрической проницаемости, а также от массы и диэлектрической проницаемости воды и определяется по формуле:
, | (6) |
где mвол - масса волокна, г; W - влажность волокна; ε0 - диэлектрическая постоянная, Ф/м; ρв - объемная плотность воды, кг/м3; d - расстояние между обкладками датчика, м; εв - относительная диэлектрическая проницаемость воды; f - частота, на которой производится измерение, Гц; ρвол - объемная плотность волокна, кг/м3; ε вол - относительная диэлектрическая проницаемость волокна.
С увеличением рабочей частоты датчика диэлектрическая проницаемость сорбированной материалом воды уменьшается, что приводит к уменьшению погрешности измерения. Очевидно, минимальная погрешность измерения, обусловленная влиянием влаги, будет наблюдаться при работе датчика на сверхвысоких частотах. Диэлектрическая проницаемость воды при этом минимальна и равна ε∞=5,2. На рис. 3 показана структура сигнала при весовом и емкостном методах измерения для данного предельного случая. На рисунке: b - относительная доля сигнала датчика, обусловленная сухим диэлектриком (волокном), с - относительная доля сигнала датчика, вызванная наличием воды в продукте. Влажность материала принималась равной 5%. Как видно из приведенных диаграмм, увеличение рабочей частоты датчика полностью не устраняет различия между емкостным и весовым методом измерения.
а) б)
Рис. 3. Структура сигнала при весовом (а) и емкостном (б)
методах измерения линейной плотности
Компенсировать влияние влажности можно при условии измерения диэлектрической проницаемости материала на нескольких частотах. Показано, что применение регрессионной модели, полученной в третьей главе, позволяет вычислить значение массы сухого продукта и массы влаги по величине диэлектрической проницаемости на высокой (10 МГц) и низкой (2 кГц) частотах, а следовательно, учесть влияние сорбированной материалом влаги на результат измерения линейной плотности. Точность определения линейной плотности влагосодержащего волокнистого материала с использованием регрессионной модели в несколько раз выше, чем максимальная, теоретически полученная точность измерения емкостным методом с использованием одночастотного датчика, и сравнима с точностью измерения весовым методом. Недостатком двухчастотного метода является необходимость построения регрессионной модели, что требует предварительных трудоемких измерений. Однако рассчитанная единожды регрессионная модель для данного материала позволяет измерять массу влагосодержащего материала, массу сухого материала с высокой точностью, а также вычислить влажность исследуемого материала.
Показано, что информацию о массе волокна, и о количестве сорбированной им влаги также можно получить по единственной частотной зависимости, не прибегая к построению регрессионной модели. Отмечено, что изменение диэлектрической проницаемости, обусловленное наличием в измерительном конденсаторе волокнистого влагосодержащего диэлектрика, определяется по выражению:
, | (7) |
где Δεвол = - изменение диэлектрической проницаемости, обусловленное наличием в датчике сухого волокна; Δεв(f) = - изменение диэлектрической проницаемости, обусловленное наличием в датчике влаги.
На графике зависимости Δε(f) (рис. 4) рассмотрена криволинейная трапеция, ограниченная кривой Δε(f) на участке ab. Внутри этой трапеции выделен прямоугольник с основанием ab и высотой Δεвол. Данный прямоугольник обусловлен наличием в датчике сухого волокна, диэлектрическая проницаемость которого не зависит от частоты. При постоянных значениях V, ρвол, εвол его высота растет прямо пропорционально массе волокна mвол (сухого вещества). Криволинейная трапеция cdef, расположенная над выделенным прямоугольником обусловлена наличием в волокне сорбированной влаги, диэлектрическая проницаемость которой зависит от частоты электрического поля. Рассмотренная криволинейная трапеция разделена на криволинейный треугольник и прямоугольник. Для этого из точки Δε(b) проведена линия, параллельная горизонтальной оси, до пересечения с прямой, проведенной из абсциссы a. Площадь S трапеции cdef равна сумме площадей прямоугольника Sпр и криволинейного треугольника Sтр.
Рис. 4. Графическая модель влагосодержащего диэлектрика
Величины площадей Sтр и Sпр функционально взаимосвязаны. При стремлении влажности материала к нулю, кривая Δε(f) вырождается в прямую линию, параллельную оси абсцисс. При этом обе площади Sтр и Sпр стремятся к нулю, и на графике остается только прямоугольник acfb, обусловленный наличием в датчике сухого волокна. Таким образом, функциональная зависимость между Sтр и Sпр - прямая, т. е. при увеличении Sтр увеличивается и Sпр. Проверка выявленной зависимости по данным эксперимента показала, что она является прямой пропорциональной со свободным членом, равным нулю. Делением площадей Sтр и Sпр на ширину основания получены эквивалентные диэлектрические проницаемости частотно зависимой и частотно независимой Δεчнв составляющих Δεв(f):
; , | (8) (9) |
где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров датчика, коэффициента передачи измерительного устройства и плотности волокна.
Из формулы (7) масса сухого вещества (волокна):
(10) |
где k2 - коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров датчика, плотности и диэлектрической проницаемости волокна.
Масса воды в продукте прямо пропорциональна эквивалентной диэлектрической проницаемости Δεв(f):
| (11) |
где k3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измерительного устройства.
Зная массу волокна и массу воды, нетрудно рассчитать массу влагосодержащего волокна:
(12) |
Разработанный метод определения массы волокна и сорбированной волокном влаги применен в спроектированном устройстве для измерения линейной плотности влагосодержащих материалов. На устройство получен патент на полезную модель (свидетельство №114521). Функциональная схема устройства приведена на рис. 5. Исследуемый продукт протягивают между обкладками емкостного датчика Cx. Устройство управления (УУ) устанавливает наименьшую частоту генератора (Г) из заранее заданной сетки частот (1кГц). Переменное напряжение с генератора поступает на делитель, образованный емкостями датчика Cx и эталонного конденсатора C0. Сигнал с эталонного конденсатора C0 усиливается, детектируется, преобразуется в цифровой код и сохраняется в памяти устройства управления.
Рис. 5. Функциональная схема устройства для измерения
инейной плотности
Далее устройство управления устанавливает следующую частоту из сетки и измеряет диэлектрическую проницаемость мате риала для данной частоты. Таким образом, в результате перебора всех заранее заданных частот (в диапазоне
от 1 кГц до 10 МГц) в памяти устройства управления сохраняется выборка значений, описывающих зависимость диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частоты. После измерения зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты устройство управления вычисляет массу влаги, массу материала, а так же влажность материала. Испытание разработанного устройства проводилось на хлопковой и льняной лентах. Результаты испытаний для хлопковой ленты плотностью 3,33 ктекс на отрезках длиной 50 м приведены в табл. 1. Сравнивались результаты измерения массы, линейной плотности и неравномерности линейной плотности весовым и емкостным методами. При измерении неравномерности емкостным методом использовался автоматизированный измерительный комплекс КЛА-М, датчик которого работает на фиксированной частоте 1,7МГц, а также разработанное устройство.
Таблица 1
Результаты измерения неравномерности линейной плотности
хлопковой ленты плотностью 3,33 ктекс
Статисти- ческие характери- стики | Масса отрезка, г | Масса сух. отр., г | Масса воды, г | Влажность, % | |||||
весо- вой | емкостный | весо- вой | разраб. ус-во | весо- вой | разраб. ус-во | весо- вой | разраб. ус-во | ||
КЛА-М | разраб. ус-во | ||||||||
Ср. знач. | 167,3 | 174,91 | 167,66 | 160,2 | 160,64 | 7,01 | 7,02 | 4,42 | 4,37 |
Дисперсия | 50,05 | 185,96 | 56,17 | 49,93 | 52,30 | 0,93 | 1,20 | 0,42 | 0,46 |
К-нт вар. | 4,23 | 7,80 | 4,47 | 4,41 | 4,50 | 13,7 | 15,62 | 14,61 | 15,59 |
Анализ данных эксперимента показал, что результаты измерения, полученные разработанным прибором, близки к результатам, полученным весовым методом. Кроме того, при помощи разработанного устройства можно измерить массу влагосодержащего материала, а также определить массу сухого материала и массу сорбированной влаги без высушивания образца. Погрешности измерения неравномерности линейной плотности разработанного устройства и весового метода сопоставимы.
Таким образом, разработанное устройство совмещает достоинства обоих методов измерения - высокую точность измерения неравномерности линейной плотности, характерную для весового метода, и малое время измерения, характерное для емкостного метода, а также имеет возможность определить линейную плотность материала. Кроме того, разработанное устройство позволяет определить влажность материала, не прибегая к сушке образца. Результаты диссертационного исследования внедрены в производство на ООО Юникс-Лен.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ
- Результаты экспериментальных исследований зависимости диэлектрической проницаемости влагосодержащего волокнистого материала от влажности материала и частоты электрического поля показали, что она увеличивается при увеличении влажности и уменьшении частоты поля.
- Предложена модель, в которой сорбированная волокном влага представлена совокупностью тонких изотропных пленок, диэлектрические характеристики которых описываются диаграммой Коул-Коула, а общая диэлектрическая проницаемость системы волокно - сорбированная влага определяется суммой проницаемостей каждой из пленок.
- Построены регрессионные математические модели, позволяющие вычислить массу обезвоженного материала и массу влаги по значению диэлектрической проницаемости влагосодержащего материала, измеренной на низкой
(1 кГц) и высокой (10 МГц) частотах. - Разработан способ учета сорбированной материалом влаги при решении задач автоматического обнаружения пороков пряжи емкостным датчиком.
- Проведен анализ влияния сорбированной материалом влаги на результат измерения линейной плотности емкостным методом, где в итоге получены формулы для определения погрешностей, связанных с сорбированной материалом влагой, в результатах измерения.
- Разработан способ учета влияния влагосодержания материала на результат измерения линейной плотности, основанный на использовании регрессионной модели.
- Построена графическая модель влажного диэлектрика, позволяющая вычислить массу сухого материала и массу сорбированной материалом влаги без предварительного построения регрессионной модели, а также разработано устройство для измерения линейной плотности влагосодержащих материалов, использующее графический способ учета влияния влажности, экспериментальные исследования которого показали высокую точность измерения, сопоставимую с весовым способом.
Основные публикации автора по теме диссертации
Научные статьи, опубликованные в ведущих
рецензируемых научных журналах
|
|
|
Свидетельства, патенты и тезисы докладов
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подписано в печать 18.02.2012.
Формат 1/16 6084. Бумага писчая. Плоская печать.
Усл. печ. л. 1,06. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 80 экз. Заказ №
________________________________________________________________
Редакционно-издательский отдел
ФГБОУ ВПО Ивановская государственная текстильная академия
Копировально-множительное бюро
153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям