Алгоритм измерения влажности многокомпонентной смеси

Арутюнян Максим

Севастопольский национальный технический университет

(Инженерия, энергетика и электронная техника)

АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ

Введение

Одним из методов повышения качества продукции является контроль используемых материалов на всех этапах производственного технологического цикла. В среднем по промышленности затраты на контроль качества составляют 1…3 % от стоимости выпускаемой продукции. Указанные затраты быстро окупаются, так как благодаря контролю радикально повышается качество продукции и увеличивается ее надежность.

Выше сказанное в полной мере относится к строительным материалам, качество которых определяет надежность зданий и сооружений. Качество самих строительных материалов в значительной степени зависит от количественного соотношения между компонентами смеси (песка, цемента, красителей, воды и пр.). Несмотря на значительные успехи в разработке дозаторов, миксеров и компьютеризированных систем управления, смеси получаемые при одинаковых весовых соотношениях исходных компонент, имеют после их отвердения разные прочностные характеристики. Основной причиной этого является неточное определение влажности смеси.

Твердые компоненты раствора (песок, цемент и пр.) в исходном (“сухом”) состоянии практически всегда содержат некоторое количество воды, которое определяет начальную влажность сухой смеси, загружаемой в миксер. Например, песок может иметь начальную влажность от 2 до 12 % и даже больше. Это означает, что влажность смеси от одного замеса до другого может изменяться на 10 % только из-за различной начальной влажности песка, при идентичных весовых показателях компонентов смеси. Обычно требуемой влажности смеси добиваются путем добавления воды непосредственно в процессе перемешивания смеси в миксере. Достижение требуемой влажности смеси обеспечивает заданные прочность и усадку строительного материала при неизменном процентном содержании других компонентов.

Для получения нужного состава смеси необходимо:

¾  контролировать количественное соотношение между исходными компонентами смеси во время их взвешивания и загрузки в миксер;

¾  измерять влажность смеси, начиная с момента ее загрузки в миксер (начальная влажность смеси), а затем в процессе ее перемешивания вплоть до момента получения многокомпонентной смеси с заданной влажностью;

¾  по результатам измерения влажности оперативно формировать команды управления системой дозированного добавления воды в миксер непосредственно в процессе приготовления смеси.

В настоящее время для измерения влажности используют следующие методы: резистивные, емкостные, инфракрасные, радиоактивные, радиоволновые. К современным системам измерения предъявляется множество требований по автономности, отсутствию контакта со смесью, быстродействию, безопасности для персонала. В связи с этими требованиями целесообразно использовать радиоволновый метод.

Анализ процесса перемешивания смеси внутри миксера. алгоритм учета переходов фазы через 2π.

Измерительная установка представляет собой гомодинный СВЧ влагомер, который показывает набег фаз отраженной и прошедшей через смесь СВЧ волн. Дальнейшая обработка этих сигналов даст информацию о влажности смеси.

Для получения адекватных и информативных значений набега фаз в прямом и отраженном каналах необходимо правильно выбрать зоны зондирования, так как распределение смеси по миксеру неоднородно. Для этого рассмотрим конструкцию миксера (рис. 1).

Миксер представляет собой резервуар высотой 50см и диаметром 150см. Внутри миксера размещены пять лопастей: две производят перемешивание по дну резервуара, еще две очищают боковые стенки, не давая затвердевать остаткам смеси, а последняя лопасть очищает верхнюю стенку.

а) б)

Рис. 1 — Расположение лопастей в миксере: эскиз (а) и фотография (б)

В одном из секторов расположено дробильное устройство. Оно представляет собой крыльчатку, вращающуюся с частотой около 600 об/мин и предназначено для дробления слежавшегося песка в пыль. Снаружи миксера предусмотрен датчик положения лопастей (ДПЛ), который показывает положение лопастей относительно точки облучения. Облучающие антенны расположены с диаметрально-противоположной стороны относительно дробильного устройства.

Рис. 2 — Распределение смеси в миксере

Из рис. 2 видно, что распределение смеси при различных уровнях засыпки обладает симметрией в двух диаметрально-противоположных секторах. При этом наибольшее скопление смеси происходит перед нижними лопастями. Следовательно, если производить измерения на участках наибольшего скопления смеси, можно расширить пределы измеряемой загрузки смеси.

Так как вышеописанный метод измерения влажности является эталонным, то для получения сведений о готовности смеси предварительно необходимо снять сравнительную таблицу данных. Эта таблица представляет собой семейство характеристик набега фазы от количества засыпанной смеси и ее влажности.

Для повышения достоверности измерения необходимо увеличить количество зондирующих выборок в пределах одного сектора, а конечный результат измерения за сектор должен представлять собой среднее арифметическое этих выборок. Но максимальное количество выборок в секторе ограничено выходной частотой смесителей и расположением лопастей, так как их вход в зону облучения вносит резкие изменения набега фаз.

Итоговое значение набега фаз за один оборот будет представлять собой среднее арифметическое от результатов двух секторов. Получение информации только лишь из двух секторов можно считать достоверным, так как перемешивание производится с включенным дробильным устройством за короткий промежуток времени (один оборот за 2,3с).

Влажная смесь для приготовления кирпича оказывает существенное влияние на распространение электромагнитных волн и при увеличении количества или влажности смеси следует ожидать изменения набега фаз в широких пределах, много больших 2π.

а) б)

Рис. 3 — Переходы значения фазы через 2π при малых (а) и больших (а) приращениях фазы

В данном случае расположение смеси в миксере неоднородно, а также работает дробильное устройство, которое разбрасывает по миксеру частицы с высокой скоростью, что может привести к резким изменениям фазы. При изменениях фазы больше чем на π, теряется возможность анализа и учета переходов кумулятивной фазы. Поэтому максимальным учитываемым переходом фазы является π.

За основу нового алгоритма возьмем принцип сравнения предыдущего значения измеренной разности фаз с последующим. При этом решение о том, имеется ли переход через ноль, принимается в случае, если разность между последующим и предыдущим значениями разности фаз больше π. Так, например, на рис. 3, б показаны варианты изменения фазы: первоначальное значение — точка А, последующие — точки В и С. Пунктирная линия показывает границу π. При переходе из точки А в точку В разница фаз будет меньше π — перехода фазы через 2π не было. При переходе из точки А в точку С разница фаз будет больше π — переход фазы через 2π был в сторону увеличения (суммирующий режим).

Для измерения текущей разности фаз двух сигналов было отведено 8 разрядов. Такое решение определялось разрядностью шины микроконтроллера. Шаг квантования фазы при этом составил 360/256≈1.4 градуса. При необходимости, количество разрядов можно увеличить, повысив тем самым инструментальную точность. Однако следует помнить, что увеличение разрядности преобразования повлечет за собой адекватное увеличение частоты счетных импульсов, что не всегда может быть реализовано средствами микроконтроллеров.

Для подсчета числа фазовых циклов также было отведено 8 разрядов. Для измерения флуктуаций набега фазы радиоволн в миксере с влажной смесью 256 фазовых циклов представляется более чем достаточным, так как расчетное количество фазовых циклов в миксере не превышает десятка.

Для хранения значений кумулятивной фазы были выбраны три регистра, носящие условные названия PHASE, PHLOW и PHIGH . Регистр PHASE, предназначен для хранения последнего значения измеренной разности фаз. Регистр PHLOW предназначен для хранения предыдущего значения измеренной разности фаз. Для запоминания числа фазовых циклов используется регистр PHIGH. На рис. 4 представлены варианты перехода значения начальной фазы (точка А) для четырех квадрантов. Значение фазы в точке А хранится в регистре PHLOW, точки В — в регистре PHASE. На рис. 5 представлен алгоритм учета переходов через 2π значения кумулятивной фазы.

Рис. 4 — Варианты перехода через 2π значения кумулятивной фазы

Рис. 5 — Алгоритм программы для учета перехода через 2π значения кумулятивной фазы

Таким образом, мы получаем реверсивный счетчик числа переходов разности фаз через 0 или 2π. Действительное значение кумулятивной фазы при этом можно выразить в виде:

.

Начальное содержимое регистра PHIGH, в случае проведения измерений флуктуаций набега фазы радиоволн, целесообразно задавать равным 128, что снимает проблему учета отрицательных значений содержимого регистра PHIGH.

Выводы

1. В ходе работы был разработан измеритель влажности многокомпонентной смеси и изготовлен опытный образец, который в настоящее время проходит испытания на предприятии заказчика.

2. Предложенный гомодинный СВЧ влагомер отличается высокими метрологическими характеристиками, универсальностью используемой электронной элементной базы, простотой обработки измерительной информации и имеет быстродействие, достаточное для оперативного управления системой добавления воды в миксер непосредственно в процессе приготовления многокомпонентной смеси.

3. Радиоволновой гомодинный влагомер является, таким образом , наиболее приемлемым для создания автоматизированной системы водяного контроля и измерения влажности многокомпонентной смеси в процессе ее приготовлении в промышленном миксере.

4. На основании выше изложенного влагомер для управления системой контроля влажности удовлетворяет следующим общим техническим требованиям:

¾  диапазон рабочей влажности — не менее 30 %;

¾  разрешающая способность — 256 градаций содержания влаги;

¾  быстродействие — не менее 10 измерений за одну секунду

¾  цифровой выход со следующими возможностями: выбора режима одиночного измерения или режима осреднения результатов заданного числа измерений влажности, синхронизации отсчетов;

¾  последовательный порт влагомера должен поддерживать интерфейс CAN или RS 232 и обеспечивать подключение многожильного кабеля c использованием обычного 9-штырькового разъема типа D;

¾  электромагнитная совместимость в соответствии с международной рекомендацией Electromagnetic Compatibility Directive 89/336/EEC.

¾  диапазон рабочих температур — 0 ÷ 50°C;

¾  питание от сети 220 В +/– 10%, 50 Гц;

¾  потребляемая мощность — не более 12 Вт.