Совершенствование методов контроля линейной плотности влагосодержащих продуктов прядильного производства
На правах рукописи
Буйлов Павел Витальевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНОЙ ПЛОТНОСТИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ ПРЯДИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА Специальность 05.19.02 – 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 информацион ных технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановская государ ственная текстильная академия» (ИГТА).
доктор технических наук, профессор Научный руководитель Коробов Николай Анатольевич, заведующий кафедрой прикладной математики и информационных тех нологий ФБГОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная акаде мия»
Официальные оппоненты:
Жуков Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заве дующий кафедрой прядения ФГБОУ ВПО «Костромской государственный тех нологический университет»;
Ларин Игорь Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии текстильных изделий ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия».
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государст венный университет технологии и дизайна».
Защита состоится 03 июля 2012 года в 10.00 часов на заседании диссерта ционного 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: [email protected], факс: (4932) 412108.
С текстами автореферата и диссертации можно ознакомиться в библиоте ке ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия», а так же на сайтах ВАК и ИГТА в сети Интернет.
Автореферат разослан « » 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Кулида Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Современные требования, предъявляемые по требительским рынком к необходимости поддерживать высокую конкуренто способность продукции предприятий текстильной промышленности, вынужда ет их постоянно проводить контроль стабильности протекания технологических процессов на всех этапах производства, начиная от приемки сырья и до выпус ка готовой продукции. В прядильном производстве наиболее значимыми пара метрами, определяющими стабильность протекания технологических процес сов, а в итоге обеспечение качества, как полуфабрикатов, так и готовой продук ции (пряжи), являются неравномерность линейной плотности и влажность ма териалов. Актуальность измерения показателей, характеризующих неравномер ность 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 вы ход брака готовой продукции. При решении задач автоматизации технологиче ских процессов в прядильном производстве, контроля качества сырья и полу фабрикатов отдается предпочтение бесконтактным методам измерения, среди которых наибольшее распространение получил емкостный метод, основанный на измерении диэлектрических свойств материала (комплексной диэлектриче ской проницаемости материала и ее составляющих) на переменном токе высо кой частоты. Достоинствами данного метода является высокая линейность ха рактеристики, отсутствие инерционности и высокая разрешающая способность.
Особенностью емкостных измерителей является зависимость результата изме рения как от плотности, так и от влажности продукта. Ввиду того, что влага в продукте распределена неравномерно, указанная зависимость приводит к лож ным срабатываниям датчиков, выявляющих наличие примесей и узелков, а так же высокой погрешности измерения неравномерности линейной плотности по луфабрикатов прядильного производства.
Таким образом актуальной задачей является совершенствование методов контроля линейной плотности влагосодержащих продуктов прядильного про изводства.
Работа выполнена в соответствии с планом государственных бюджетных НИР ИГТА на 2008 … 2012 годы, а так же по гранту ИГТА 2009 года для моло дых исследователей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является улучшение каче ства продуктов прядильного производства за счет повышения информативно сти и точности емкостных методов контроля параметров технологических про цессов.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие на учные и технические задачи:
- изучено современное состояние проблемы контроля технологических про цессов прядильного производства;
- выявлены основные источники погрешностей измерения емкостным мето дом;
- разработан программно-аппаратный комплекс для измерения диэлектриче ских 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 текстиль ных 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 из мерения диэлектрической проницаемости влагосодержащих продуктов.
При выполнении работы применялись теоретические и эксперименталь ные методы исследований. В работе использован аппарат математического и компьютерного моделирования, теории вероятности и случайных процессов, математической статистики и метрологии в части обработки эксперименталь ных данных, теория создания автоматизированных комплексов. Эксперимен тальные исследования проводились с применением разработанного программ но-аппаратного стенда. Техническая обработка результатов исследований, а также разработка моделей, производилась с помощью персонального компью тера. Полученные данные подвергались обработке на ЭВМ как с помощью из вестных методов и программ, предназначенных для обработки статистических данных (Matlab), так и собственными программными продуктами, написанны ми на языке программирования Visual Basic. Для сравнительных испытаний ис пользовались стандартные лабораторные методы определения неравномерно сти по линейной плотности, а также измерительный комплекс «КЛА-М» (Рос сия).
Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следую щем:
- разработан способ учета сорбированной материалом влаги при решении за дач обнаружения пороков пряжи емкостным датчиком;
- исследовано влияние влажности материала на результат измерения нерав номерности линейной плотности продуктов прядения емкостным методом в широком диапазоне рабочих частот датчика;
- обоснована необходимость применения многочастотных емкостных датчи ков, работающих в широком диапазоне частот, для измерения неравномерности линейной плотности продуктов прядения;
- разработаны способы компенсации влияния влажности продукта на резуль таты измерения неравномерности линейной плотности продуктов прядения ем костным методом;
- создан метод определения массы и линейной плотности влагосодержащего продукта по дисперсии его диэлектрической проницаемости;
- предложен метод измерения влажности продукта по дисперсии его диэлек трической проницаемости;
- получены экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемо сти хлопка, льна, лавсана от частоты электромагнитного поля.
Обоснованность основных научных положений и выводов обеспечивает ся корректным использованием методов планирования эксперимента и стати стической обработки данных, методов математического моделирования. Дос товерность полученных моделей подтверждается их согласованностью с экс периментальными 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 про дуктов 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 матема тики и информационных технологий;
научном семинаре ИГТА по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильной и легкой промышленности;
межвузовских научно-технических конференциях аспиран тов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промыш ленности» (Поиск – 2008 … 2010, 2012), ИГТА, Иваново, 2008 … 2012 г.;
меж дународной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности», Витебск, 2009 г.;
всероссийской научно-технической кон ференции «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 про мышленности», два свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ;
один патент на полезную модель;
остальные – тезисы конференций.
Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в дис сертации. Вклад автора состоит в участии во всех этапах процесса, разработке экспериментальной установки, постановке эксперимента и получении экспери ментальных данных, обобщении результатов и формулировке выводов, подго товке основных публикаций по выполненной работе, разработке прототипа прибора для измерения линейной плотности и влажности волокнистого мате риала.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения и четырех глав. Материал представлен на 173 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 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, кото рая 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 распростране ние для контроля показателей качества текстильных материалов. Достоинства ми емкостных преобразователей, обеспечившими им широкое распространение, являются: преимущества бесконтактного метода измерения, линейность харак теристики, 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 пер вую очередь выделяется влажность материала. Показано, что применяемые в настоящее время емкостные преобразователи, работающие на одной фиксиро ванной частоте, принципиально не способны учесть влияние сорбированной материалом влаги на результат измерения. Существующие способы снижения влияния влажности материала на результат измерения, заключающиеся в кон диционировании пробы в течение 24 часов, малоэффективны, приводят к зна чительному увеличению времени измерения, а также исключают возможность их применения непосредственно на технологическом оборудовании.
Известно, что диэлектрическая проницаемость свободной воды в значи тельной мере зависит от частоты электрического поля и описывается уравнени ем П. Й. В. Дебая:
* (1) 1 j, где * - комплексная диэлектрическая проницаемость;
, 0 – диэлектрическая проницаемость на бесконечно большой частоте и нулевой частоте (на постоян ном токе) соответственно;
w – частота электрического поля, Гц;
– время ре лаксации, равно времени, в течение которого после снятия внешнего поля по ляризация уменьшается в 1/e раз, с.
Ряд исследователей дополнили теорию Дебая и предложили соотноше ния, описывающие поляризацию в гетерогенных системах. Наибольшее рас пространение получила диаграмма Коул-Коула, соответствующая уравнению:
* (2) (1 j )1, где – эмпирическая постоянная (01), описывающая расширение релакса ционной области.
Поиском зависимостей, связывающих диэлектрическую проницаемость многофазной смеси с диэлектрическими проницаемостями и объемными кон центрациями 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 гру бой 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 контро ля показателей качества текстильных материалов емкостным методом позволил выявить основные направления теоретических и экспериментальных исследо ваний, выбрать соответствующие методы и поставить задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследо ваниям диэлектрических свойств влагосодержащих текстильных материалов.
Приведена модель конденсатора с волокнистым влагосодержащим диэлектри ком. Показано, что эквивалентная диэлектрическая проницаемость подобного диэлектрика определяется по формуле:
K1 K 2 в K 3 вол, (3) где – диэлектрическая проницаемость смеси волокнистого влагосодержащего материала с воздухом;
K1, K2, K3 – соответственно доля воздуха, воды и волокна в объеме конденсатора;
в, вол – относительная диэлектрическая проницае мость соответственно воды и волокна.
В приведенном выражении значение диэлектрической проницаемости во ды 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 ком плекс, включающий в себя изолированную испытательную камеру, в которой автоматически поддерживалась фиксированная температура и заданная влаж ность, и электронную схему, измеряющую сопротивление емкостного датчика переменному току на определенных заранее заданных частотах. Измеренные значения сохранялись в памяти персонального компьютера для дальнейшей об работки. Перед началом измерения производилось кондиционирование образца при определенной влажности воздуха. В качестве объектов исследования вы браны образцы хлопковых, льняных и лавсановых волокон. Разработана ком пьютерная программа для автоматического сбора и обработки результатов ис пытаний. 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 разрабо танным комплексом. Получены результаты испытаний измерительного ком плекса, проведена первичная статистическая обработка полученных данных. По данным испытаний рассчитан оптимальный объем выборки и доверительный интервал для доверительной вероятности = 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 про ницаемости 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 изме рения 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 от носят к классу проницаемых набухающих материалов. Сорбция в них происхо дит в несколько этапов. Вначале заполняются микропоры, соизмеримые с раз мерами молекул сорбата. Затем происходит заполнение промежуточных и мак ропор. При малых величинах адсорбции на твердых поверхностях молекул во локна происходит формирование первого адсорбированного слоя молекул во ды. При этом энергия связи молекул сорбента и сорбата велика, что обуславли вает 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 обуславли вает увеличение значения диэлектрической проницаемости. При дальнейшей сорбции основную роль в поляризации играют последующие слои адсорбиро ванных молекул воды. Их число и подвижность возрастают. Поэтому значение 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. Диэлектриче ские 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 диа граммой Коул – Коула (формула 2), коэффициенты которой ( и ) зависят от энергии связи молекул воды с сорбционными центрами. Сказанное позволяет представить математическую модель, описывающую диэлектрическую прони цаемость системы «волокно – сорбированная влага»:
( ), (4) (1 f 2 i2 )1 i i где i - время релаксации i-й пленки;
i - постоянная (0 1), описывающая расширение релаксационной области для i-й пленки.
Показано, что полученная модель с высокой точностью описывает экспе риментально измеренные зависимости диэлектрической проницаемости влаго содержащего материала от частоты электрического поля. Проверка адекватно сти 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 мо дель более универсальна (применима не только для хлопка, как модель, пред ложенная Казанским М. Ф.).
Проведено исследование влияния изменения массы влагосодержащего материала на характер изменения частотной зависимости диэлектрической проницаемости при постоянной влажности материала. Показано, что при уве личении 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 диэлектриче ской проницаемости на высокой и низкой частоте. Для построения математиче ской модели применялась обобщенная линейная двухфакторная регрессия:
Y = b1 + b2X12 + b3X22 + b4X1 + b5X2 + b6X1X2, (5) где Y – масса волокна;
X1, X2 - величина диэлектрической проницаемости соот ветственно для наименьшей измеренной частоты (2 кГц) и наивысшей изме ренной частоты (10 МГц).
Полученная модель позволяет, измерив величину диэлектрической про ницаемости 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 различ ные значения коэффициентов модели.
Измерение диэлектрической проницаемости на нескольких частотах по зволяет вычислить массу сухого волокна, не прибегая к предварительному вы сушиванию пробы. Для определения массы сухого волокна используется также линейная двухфакторная регрессионная модель.
Проведено исследование влияния влажности продукта на характер изме нения 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, особен но в области низких частот. Вышесказанное хорошо иллюстрируется результа тами экспериментальных исследований (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость эквивалентной диэлектрической проницаемости емкостного датчика от частоты для хлопкового, льняного и лавсанового волокна m=0,5г По результатам проведенных исследований разработана модель, позво ляющая вычислить значение массы сорбированной материалом влаги по ди электрическим характеристикам влагосодержащего материала. Разработана программа для определения влажности материала по дисперсии его диэлектри ческой проницаемости. Программный продукт зарегистрирован Российским агентством по патентам и товарным знакам в Реестре программ для ЭВМ (сви детельство № 2012610550 от 10.01.12).
В четвертой главе разработаны способы учета погрешностей, обуслов ленных сорбированной материалом влагой, при использовании емкостных ме тодов технического контроля технологических процессов прядильного произ водства.
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 мега герц) и низкой (порядка единиц килогерц). При прохождении порока через пла стины датчика его диэлектрическая проницаемость, измеренная на низкой и высокой частотах, увеличивается практически пропорционально. В случае про хождения через пластины участка пряжи повышенной влажности диэлектриче ская проницаемость датчика, измеренная на низкой частоте, увеличивается в значительно большей степени, чем измеренная на высокой. Указанная особен ность используется для исключения ложных срабатываний исполнительного механизма нитеочистителя.
Проведен анализ влияния влажности материала на результат измере ния линейной плотности. Показано, что влажность материала влияет на резуль тат измерения по емкостному методу гораздо в большей степени, чем по весо вому. При измерении линейной плотности материала весовым методом изме ренное 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 ди электрика, зависит не только от массы волокна, находящегося между пластина ми, но и от его диэлектрической проницаемости, а также от массы и диэлектри ческой проницаемости воды и определяется по формуле:
mвол 0 m ( в ( f, W ) 1) вол 0 ( вол 1), С (6) вол d 1 W в d где mвол – масса волокна, г;
W – влажность волокна;
0 – диэлектрическая посто янная, Ф/м;
в – объемная плотность воды, кг/м3;
d – расстояние между обклад ками датчика, м;
в – относительная диэлектрическая проницаемость воды;
f – частота, на которой производится измерение, Гц;
вол – объемная плотность во локна, кг/м3;
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, обу словленная влиянием влаги, будет наблюдаться при работе датчика на сверхвы соких частотах. Диэлектрическая проницаемость воды при этом минимальна и равна =5,2. На рис. 3 показана структура сигнала при весовом и емкостном методах измерения для данного предельного случая. На рисунке: b – относи тельная 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 диа грамм, 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 ди электрической 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 диэлек трической 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 мо дели, что требует предварительных трудоемких измерений. Однако рассчитан ная единожды регрессионная модель для данного материала позволяет изме рять массу влагосодержащего материала, массу сухого материала с высокой точностью, а также вычислить влажность исследуемого материала.
Показано, что информацию о массе волокна, и о количестве сорбирован ной им влаги также можно получить по единственной частотной зависимости, не прибегая к построению регрессионной модели. Отмечено, что изменение ди электрической проницаемости, обусловленное наличием в измерительном кон денсаторе волокнистого влагосодержащего диэлектрика, определяется по вы ражению:
( f ) вол в ( f, w) (7), mвол где вол = V ( вол 1) – изменение диэлектрической проницаемости, обуслов вол mв ленное наличием в датчике сухого волокна;
в(f) = V ( в ( f, w) 1) – изменение в диэлектрической проницаемости, обусловленное наличием в датчике влаги.
На графике зависимости (f) (рис. 4) рассмотрена криволинейная трапе ция, ограниченная кривой (f) на участке ab. Внутри этой трапеции выделен прямоугольник с основанием ab и высотой вол. Данный прямоугольник обу словлен наличием в датчике сухого волокна, диэлектрическая проницаемость которого не зависит от частоты. При постоянных значениях V, вол, вол его вы сота растет прямо пропорционально массе волокна mвол (сухого вещества). Кри волинейная трапеция cdef, расположенная над выделенным прямоугольником обусловлена наличием в волокне сорбированной влаги, диэлектрическая про ницаемость которой зависит от частоты электрического поля. Рассмотренная криволинейная трапеция разделена на криволинейный треугольник и прямо угольник. Для этого из точки (b) проведена линия, параллельная горизон тальной 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 стрем лении влажности материала к нулю, кривая (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 выяв ленной зависимости по данным эксперимента показала, что она является пря мой пропорциональной со свободным членом, равным нулю. Делением площа дей Sтр и Sпр на ширину основания получены эквивалентные диэлектрические проницаемости частотно зависимой и частотно независимой чнв составляю щих в(f):
Sтр эчзв (8) ;
ba Sтр (9) эчнз k, ba где k1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров датчика, коэффициента передачи измерительного устройства и плот ности волокна.
Из формулы (7) масса сухого вещества (волокна):
S тр (10) mвол k 2 вол k 2 ( (b ) k ), ba где k2 – коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических раз меров датчика, плотности и диэлектрической проницаемости волокна.
Масса воды в продукте прямо пропорциональна эквивалентной диэлек трической проницаемости в(f):
S тр (11) mв k 3 в ( f ) k, ba где k3 – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров измери тельного устройства.
Зная массу волокна и массу воды, нетрудно рассчитать массу влагосо держащего волокна:
S тр (12) m mвол mв k2 (b) (k3 k1k 2 ).
ba Разработанный метод определения массы волокна и сорбированной во локном влаги применен в спроектированном устройстве для измерения линей ной плотности влагосодержащих материалов. На устройство получен патент на полезную модель (свидетельство №114521). Функциональная схема устройства приведена на рис. 5. Исследуемый продукт протягивают между обкладками ем костного 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 дат чика Cx и эталонного конденсатора C0. Сигнал с эталонного конденсатора C усиливается, детектируется, преобразуется в цифровой код и сохраняется в па мяти устройства управления.
Рис. 5. Функциональная схема устройства для измерения линейной плотности Далее устройство управления устанавливает следующую частоту из сетки и из меряет 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 зна чений, описывающих зависимость диэлектрической проницаемости исследуе мого материала от частоты. После измерения зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты устройство управления вычисляет массу влаги, массу материала, а так же влажность материала. Испытание разработан ного устройства проводилось на хлопковой и льняной лентах. Результаты ис пытаний 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 ме тодами. При измерении неравномерности емкостным методом использовался автоматизированный измерительный комплекс КЛА-М, датчик которого рабо тает на фиксированной частоте 1,7МГц, а также разработанное устройство.
Таблица Результаты измерения неравномерности линейной плотности хлопковой ленты плотностью 3,33 ктекс Масса сух. отр., Масса отрезка, г Масса воды, г Влажность, % Статисти г ческие емкостный весо- весо- весо весо характери- разраб. разраб. разраб.
разраб. вой вой вой вой стики ус-во ус-во ус-во КЛА-М ус-во Ср. знач. 167,3 174,91 167,66 160,2 160,64 7,01 7,02 4,42 4, Дисперсия 50,05 185,96 56,17 49,93 52,30 0,93 1,20 0,42 0, К-нт вар. 4,41 4,50 13,7 15,62 14,61 15, 4,23 7,80 4, Анализ данных эксперимента показал, что результаты измерения, полу ченные разработанным прибором, близки к результатам, полученным весовым методом. Кроме того, при помощи разработанного устройства можно измерить массу влагосодержащего материала, а также определить массу сухого материа ла и массу сорбированной влаги без высушивания образца. Погрешности изме рения неравномерности линейной плотности разработанного устройства и ве сового 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, харак терное для емкостного метода, а также имеет возможность определить линей ную плотность материала. Кроме того, разработанное устройство позволяет оп ределить влажность материала, не прибегая к сушке образца. Результаты дис сертационного исследования внедрены в производство на ООО «Юникс-Лен».
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ 1. Результаты экспериментальных исследований зависимости диэлек трической проницаемости влагосодержащего волокнистого материала от влаж ности материала и частоты электрического поля показали, что она увеличивает ся при увеличении влажности и уменьшении частоты поля.
2. Предложена модель, в которой сорбированная волокном влага пред ставлена совокупностью тонких изотропных пленок, диэлектрические характе ристики которых описываются диаграммой Коул-Коула, а общая диэлектриче ская проницаемость системы «волокно – сорбированная влага» определяется суммой проницаемостей каждой из пленок.
3. Построены регрессионные математические модели, позволяющие вы числить массу обезвоженного материала и массу влаги по значению диэлектри ческой проницаемости влагосодержащего материала, измеренной на низкой (1 кГц) и высокой (10 МГц) частотах.
4. Разработан способ учета сорбированной материалом влаги при реше нии задач автоматического обнаружения пороков пряжи емкостным датчиком.
5. Проведен анализ влияния сорбированной материалом влаги на резуль тат измерения линейной плотности емкостным методом, где в итоге получены формулы для определения погрешностей, связанных с сорбированной материа лом влагой, в результатах измерения.
6. Разработан способ учета влияния влагосодержания материала на ре зультат измерения линейной плотности, основанный на использовании регрес сионной модели.
7. 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, эксперименталь ные исследования которого показали высокую точность измерения, сопостави мую с весовым способом.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах 1. Буйлов, П. В. Модель конденсатора с волокнистым влагосодержащим ди электриком / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2011. – № 3. – С.107…110.
2. Коробов, Н. А. Учет влагосодержания волокнистого материала при изме рении его массы емкостным методом / Н. А. Коробов, П. В. Буйлов // Изв. вузов.
Технология текстильной промышленности. – 2011. – № 6. – С. 17…21.
3. Буйлов, П. В. Перспективы использования емкостного метода контроля показателей качества текстильных материалов / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2012. – № 2. – С. 157…159.
Свидетельства, патенты и тезисы докладов 4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012610550. Программа для определения влажности материала по дисперсии его диэлектрической проницаемости / П. В Буйлов, Н. А. Коробов. – Зарегистри ровано в Реестре программ для ЭВМ. 10.01.12.
5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2010616566. Программа для исследования диэлектрических свойств текстиль ных материалов / П. В Буйлов, Н. А. Коробов. – Зарегистрировано в Реестре про грамм для ЭВМ. 01.10.10.
6. Патент на полезную модель. Свидетельство №114521. Устройство для измерения линейной плотности влагосодержащих материалов / П. В Буйлов, Н. А.
Коробов. – Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Рос сийской Федерации. 27.03.12.
7. Буйлов, П. В. Исследование и обоснование выбора оптимальных пара метров ёмкостного датчика плотности ленты / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов // Мо лодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК 2008): сб. матер. межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов / ИГТА. - Иваново, 2008. – Ч. 2. - С. 199-200.
8. Буйлов, П. В. Экспериментальные исследования диэлектрических свойств текстильных материалов / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов, Г. И. Чистоборо дов // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПО ИСК - 2009): сб. матер. межвузовской научно-технической конференции аспиран тов и студентов / ИГТА. - Иваново, 2009. – Ч. 2. - С. 238-239.
9. Буйлов, П. В. Использование сигма-дельта АЦП в измерительной цепи емкостного датчика неровноты нити / П. В. Буйлов // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2010): сб. матер. межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов / ИГТА. - Иваново, 2010. – Ч. 2. - С. 39-40.
10. Буйлов, П. В. Исследование диэлькометрического метода измерения технологических параметров текстильных материалов / П. В. Буйлов // Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности: материалы между народной научной конференции. – Витебск, 2009. - С. 48-50.
11. Буйлов, П. В. Автоматический измеритель влажности и плотности во локнистого материала / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов // Молодые ученые – разви тию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2012): сб. матер. межвуз. на уч.-техн. конф. аспирантов и студентов. - Иваново: ИГТА, 2012. - Ч. 2. - С. 7-8.
12. Буйлов, П. В. Совершенствование методов контроля влажности мате риалов в технологическом процессе / П. В. Буйлов, Н. А. Коробов // Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практи ке: сб. матер. всероссийской научно-технической конференции. – Димитровград:
Димитровградский инженерно-технологический институт, филиал МИФИ, 2012. С. 67-69.
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,