Искусство влагометрии твердых и сыпучих материалов

15. Миф о точности безигольчатой влагометрии

Метод измерения влажности, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости от влажности называют диэлькометрическим или емкостным. Чаще всего с помощью этого метода создаются Влаг с датчиками, не требующими втыкания игл в древесину и их иногда называют бесконтактными или безигольчатыми (БВлаг).

На практике отделить реактивную составляющую (связанную с т. н. током смещения) от активной (связанной с током проводимости) очень сложно. Поэтому большинство емкостных Влаг фактически измеряет комплексное сопротивление. Для древесины диэлектрическая проницаемость вдоль волокон для ели составляет ξотн=3,06. С увеличением влажности ξотн увеличивается. Увеличиваются и потери (активная составляющая тока).

Современные тенденции развития средств контроля и управления требуют своих правил, к которым можно отнести: – высокая информативность метода измерения,

– возможность получения многопараметровых данных для комбинированной обработки для повышения точностных хар-к,

– высокое быстродействие контроля,

– бесконтактность измерения,

– высокая чувствительность в широком диапазоне,

– исключение влияния мешающих факторов,

– малая трудоемкость измерения,

– высокая проникающая способность,

– возможность измерения при резко меняющихся температурах,

– возможность измерения в труднодоступных местах,

– возможность сбора и обработки большого объема полученной информации при малых трудозатратах для регистрации и управления,

– возможность выбора большого количества электронных схем обработки, линеаризации, последующего ввода информации в компьютерные системы управления и регистрации,

– выявление новых оригинальных бесконтактных методов технологического контроля.

Все это подходит к диэлькометрической влагометрии.

На рис. 15.1 приведена хар-ка БВлаг, работающего в СВЧ диапазоне f=3000 мГц. Как видно из рисунка, при широком диапазоне влажностей имеет место большая относительная Погр, так как сказывается много мешающих факторов. На рис. 10.2. приведена хар-ка БВлаг, работающего в диапазоне ВЧ f=30 мГц. В этом случае диапазон измерения уже, но относительный разброс точек меньше. В обоих случаях, как показали исследования, ни анизотропия древесины, ни ее температура не оказывают влияния на погрешность измерения.

Из рис. 15.1., 15.2 видно, что на хар-ках отсутствуют зоны нечувствительности в диапазоне 0–8 %, характерные для ИВлаг.

Важное достоинство диэлькометрического метода измерения, делающего его весьма перспективным состоит в том, что можно: широко экспериментировать, комбинировать частоты для поиска оптимальных, уменьшать либо компенсировать влияние мешающих факторов.

В реальных хар-ках существует значительный разброс вдоль номинальной усредненной хар-ки. Они и устанавливаются на шкалы приборов. Чем больше будет замеров, тем больше точек будет в пространстве. При увеличении числа замеров мы будем приближаться к истинной хар-ке. Но в реальных процессах мы имеем дело с выборочными методами построения хар-к. Если мы возьмем другую партию образцов и будем строить новую хар-ку, то получим измененную номинальную хар-ку. При построении нескольких хар-к с разными партиями образцов, мы можем получить несколько смещенных друг относительно друга хар-к. Множество отдельных выборочных хар-к будут иметь свою нелинейность и положение в пространстве и колебаться “дышать” в пределах допусковой зоны.

На рис. 15.1.,15.2. Пунктиром выделены области, в пределах, которых может находиться множество экспериментальных точек. По мере приближения к номинальной хар-ке они будут плотнее располагаться друг к другу. Эти хар-ки имеют форму рога, который сужается к малым значениям влажности.

Рис. 15.1. Град. хар-ка БВлаг для диапазона 0–160 %.

Упрощенная модель датчика БВлаг может быть представлена в виде конденсатора. Древесина или любой другой материал – диэлектрик между обкладками конденсатора.

Рис. 15.2. Град. хар-ка БВлаг для дипазона измерения 0–30 %.

Рис. 15.3. Возможные варианты конструкций безигольчатых датчиков влажности. Односторонние: А) 3 скобы. Б) Концентрические кольца, В) Сплошной круг, Г) Двусторонний

Такие датчики выполняются в различных вариация и разделяются на две основные группы: двусторонние и односторонние. Последние чаще всего применяется в промышленности. Конструкции таких датчиков представлены на рис. 15.3 (а, б, в, г)

В настоящее время конкурируют несколько разновидностей односторонних преобразователей. Это конструкции в виде трех пружинистых скоб и плоских дисков или прямоугольников

Для конденсаторного датчика весьма условно (без учета краевого эффекта и др.) емкость равна:

где: S – площадь поверхности датчика

ξо – абсолютная диэлектрическая проницаемость

ξотн – относительная диэлектрическая проницаемость

d – расстояние между обкладками

В этой формуле параметр диэлектрической проницаемости ξотн зависит влажности. На практике формула для «С» значительно сложнее для случаев с односторонними датчиками, т. к. силовые линии электромагнитного поля имеют разную плотность по зоне измерения.

Для высоких влажностей (свыше 10–12 %) измеряется фактически не емкость, а комплексное сопротивление

Xc – реактивное сопротивление на частоте "w"

Xr – активное сопротивление, связанное с током проводимости

Влажность является функцией комплексного сопротивления

w= f(z).

БВлаг при большом количестве неоспоримых достоинствах имеют собственные недостатки. Это снижает их высокую конкурентоспособность и не позволяет стать единоличными лидерами в борьбе за рынок.

К этим недостаткам можно отнести:

Сложность конструирования универсальных имитаторов влажности. Именно из-за широкого спектра частот, а которых работают такие Влаг.

При работе на сверхвысоких частотах оказывают влияние такие факторы, как: шероховатость поверхности, годовые кольца, направления распиловки пиломатериалов.

Древесину как диэлектрик, с позиций электродинамики и теории антенн, можно в упрощенном виде представить как диэлектрическую линзу. Из теории электродинамими и антенн известно, что диэлектрическая линза меняет диаграмму направленности электромагнитного излучателя (датчика влажности), а также его хар-ки в рабочем диапазоне частот.

Кроме того возникает сложность в создании однородного электромагнитного поля для массового производства таких Влаг. На рис. 15.4 показано графическое представление взаимодействия неоднородного электромагнитного излучения датчика в неоднородной влажностной среде.

Рис. 15.4 Графическое представление распространения неоднородного электромагнитного излучения датчика и его распространения в неоднородной влажностной среде.

16. Конкуренция во влагометрии

Поговорим о конкуренции. Мы полагаем, что она является жизненно важным фактором, способствующим деловой активности в наукоемком бизнесе.

В России (СССР) при ее глобальных объемах производства пилопродукции и деревообработки была чрезвычайно слабо развита система контроля качества продукции, хотя существовала общегосударственная программа. Промышленностью выпускался только игольчатый влагомер. Отсутствовала конкуренция в этом направлении и существовал жесткий порядок постановки на серийное производство различной приборостроительной продукции. Эта недальновидность государства дорого обошлось нашей стране. В то время, когда россияне (бывшие советские люди) довольствовались примитивным игольчатым влагомером, на мировых рынках сцепились в жесткой почти беспощадной борьбе десятки компаний – производителей ИВлаг и БВлаг. Эти компании выковали и закалили себя в этой конкурентной борьбе. Они отточили свое мастерство при очень щедрой общенародной “буржуйской” поддержке национальных деревообработчиков

16.1. Важное свойство в развитии конкуренции состоит в стремлении обнаружить слабые стороны в существующей стратегии конкурентов и партнеров. Это создает неограниченные возможности для поиска собственного перспективного пути развития. Но для этого необходимо обогатить свою память знанием всех богатств, которые выработали конкуренты и обобщить передовой опыт.

Анализ рынка влагометрии показал следующее:

1. Существует очень широкий спектр предлагаемых на рынке приборов для контроля влажности.

2. Имеет место сильная конкуренция даже в отдельных странах среди однотипных по методам влагомеров. Например, в США несколько компаний выпускают и специализирутся на ИВлаг. В Европе во многих странах выпускаются игольчатые влагомеры древесины.

3. Обработка сознания клиентов проводится с использованием специальных научно-познавательных журналов, показывающих компетентность производителей Влаг.

4. Высококачественный дизайн конструкций

5. Широкое использование микропроцессорной техники для обработки информации и стыковки с периферийными устройствами, системами управления и контроля.

6. Применение влагомеров для контроля сырья и продукции рассматривается компаниями как вещественное доказательство реальной работы над качеством.

7. Разработчикам национальной влагометрии оказывается всенародная государственная “капиталистическая” поддержка как общества, так и производителей технологического оборудования. Множество приборов выпускается как дополнение к технологическому оборудованию и часто входит в общий комплект поставки.

Слабая информированность о зарубежной конкуренции и непробужденное желание к повышению имиджа российского качества привели к тому, что в российской производственной среде возникло устойчивое мнение только об одном самом авторитетном электрическом методе измерения влажности с использованием игольчатой технологии. Такого мнения придерживаются не только россияне. В мировой практике ИВлаг получили признание как наиболее точные и достоверные. Этот момент является существенным в торможении процессов высокоэффективного развития национальной программы качества и развития отечественной приборостроительной техники и средств автоматизации и контроля.

Рассматривая конкуренцию и множество проблем в этой области можно констатировать, что все методы измерения влажности имеют равное право на существование.

16.2. Поэтому цели и задачи формулируются в следующем:

1. Поиск и исследование наиболее высокоточных и прогрессивных методов и средств измерения влажности.

2. Разработка наиболее оптимальных конструкций с целью последующего испытания в производственных условиях.

3. Обеспечение национальных производств отечественными конструкциями влагометрии прогрессивной технологии.

Первоочередная задача – это разработка и внедрение наиболее приемлемого на сегодняшний день HFW-meter, удовлетворяющего производство, который бы хоть как-то заполнил вакуум российского приборостроительного парка в этой направлении.

Анализируя возникшее изобилие различных приборов, представленных мировой цивилизацией на российском рынке, можно сделать несколько предварительных выводов:

1. Проблема влагометрии не решена и на Западе. Нет электрического влагомера по точности сопоставимого с основанным на методе высушивания. Российские и зарубежные разработчики влагомеров с точки зрения научной методологии поиска находятся в одинаковых стартовых позициях. Единственное, что успокаивает, что нет предела совершенству.

2. Все разработки на Западе идут в одном направлении. Это использование измерителей комплексного сопротивления с применением современных микропроцессорных систем.

3. Анализ разработок показывает, что разработчики практически не уделяют внимания анализу процессов, происходящих при взаимодействии непосредственно датчика и древесного вещества.

4. Многие компании стараясь придать своим изделиям более высокую конкурентоспособность подменяют одну из самых важных хар-к – абсолютную Погр, которая довольно высока таким понятием как разрешающая способность. Это значение, при использовании цифровой шкалы, на порядок меньше абсолютной Погр и, соответственно, более эффективно выглядит с листов рекламных проспектов. Но таким образом некоторые производители поступают некорректно и умышленно вводят в заблуждение клиентов. Такой прием можно отнести к недобросовестному способу ведения конкурентной борьбы. Кроме того они подрывают авторитет наукоемкого направления в бизнесе и создают трудности в разработке более совершенных методов и средств измерения влажности. Можно только выразить сожаление по этому поводу. Большинство производителей влагомеров мало уделяют внимания повышению знаний о влагомерах и о влажности своим клиентам. По – видимому, недостаточно информированного клиента легче уговорить и продать ему товар (влагомер) не очень высокого качества. При этом часто используется прием “красивой обертки”.

Т.е. внешний безукоризненный товарный вид и довольно посредственные метрологические хар-ки.

5. Производители Влаг не повышают научный интеллект своих клиентов и таким образом представляют процесс измерения влажности в упрощенном виде. Внушая клиентам следующее: “Наши влагомеры – это и есть стандарт. Приобретая наши влагомеры, вы решаете все проблемы”.

6. Нет развития конкуренции в методах и средствах повышения квалифицированности клиентов до такого же уровня как и у самих производителей.

Разработчики должны строить долговременную стратегию партнерства, честно говоря с клиентами о недостатках своих приборов на сегодняшний день, завоевывая тем самым их доверие. Разработчики должны помочь клиентам разобраться в достоинствах и недостатках влагомеров других технологий. В результате такого партнерства такие клиенты более защищены от давления рекламы и свободны в оценке и выборе.

Разработчик-бизнесмен не должен бояться знающего настырного покупателя. Для этого необходимо многократно проводить сравнительные испытания отечественных и зарубежных Влаг и сравнения их метрологических хар-к. Некоторые из них мы можем улучшить и предпринимаем усилия для этого.

16.3. В этой части мы хотим показать на основе рекламной информации как жестко ведется конкурентная борьба двух известных фирм-производителей ИВлаг и Бвлаг за рынки сбыта. Производитель ИВлаг, например, пишет: " Игольчатые датчики – это промышленный стандарт точности".

Хотя стандартом для всех методов и средств может служить только эталонный метод высушивания. Далее: "Игольчатые датчики – это единственный верный путь для быстрого и точного получения информации". (Представим как мы втыкаем иглы длиной около 30 мм в российский дуб, красное дерево и т. п. И сколько раз мы это можем сделать за смену, за месяц, за год и в каждой заготовке? Кто же будет втыкать иглы полностью в дерево такой плотности?) Есть системы автоматического контроля влажности досок на потоках. На пневмоцилиндре устанавливается игольчатый влагомер. Доска проходит около датчика влажности на конвейере. На какой то миг линия останавливается. Пневмоцилиндр приводится в действие и иглы втыкаются в доску. Производится замер. Затем иглы также вытаскиваются и доска идет в соответствии с проведенным замером в нужный карман.

"Этот метод был принят промышленностью в 40-х годах". (На пороге следующего столетия поневоле западает мысль, неужели в такой высокоразвитой стране не смогли придумать ничего нового?)

В качестве веского аргумента компания пишет: "Мы работаем во влагомерном бизнесе почти 50 лет и мы знаем этот бизнес лучше, чем кто-нибудь другой"? Также еще могут ссылаться на родственные связи. «Еще мой отец в 1946 году разработал первый электронный влагомер».

Надо отметить, что приемственности и долголетней работе компании на жестком конкурентном рынке уделяется особое внимание. Поэтому часто пишут в рекламных проспектах или на самой продукции. «Основано в таком – то году». То-есть это подтверждает, что компания стоит твердо вот уже второе столетие. Поэтому данная книга показывает, что в России (СССР) ведутся работы и имеются специалисты в этом направлении. Далее они пишут:

"Есть другие пути измерения влажности, но нет других технологий, способных дать быстро много информации подобно игольчатому прибору. Есть так называемая «новая» технология электромагнитных волн, в действительности, основанная на старом принципе радиочастот. Эти приборы имеют непроницаемое покрытие электродов, они дают недостоверные показания для влажности вблизи источника магнитного поля. Сигнал слабеет с увеличением глубины проникновения. Невозможно получить правильное среднее значение влажности поперечного разреза, потому, что эта технология не может показать разницу между влажностью на поверхности и внутри. Другими словами поверхностные приборы неэффективны при оценке полного распределения влажности в доске. Поверхностные влагомеры не могут показать когда влажность одинакова и когда есть градиент и не определяют направление градиента. На них также влияет присутствие деревянных предметов в районе измерений. Применяя игольчатые датчики вы вынуждены тратить время на втыкание игл, но для обеспечения качества другого выхода нет".!!!!

И что же на эти выпады отвечают такие же престижные компании производители бесконтактных методов и средств измерения.

Дается фотография мужчины с перекошенным лицом и надпись под ней: "Иголки – это издевательство над древесиной. Они оставляют некрасивые дырки" и т. п.

Компании на рынке взаимодействуют между собой одновременно как партнеры и конкуренты. Для нас зарубежные компании производители Бвлаг и ИВлаг являются одновременно и партнерами и конкурентами. Предлагаемые ими разработки позволяют реально оценить наше положение и показать ситуацию отечественным клиентам. Они в свою очередь должны реально оценить эту ситуацию и принять соответствующее решение.

Для создания конкурентной защиты, необходимо разработчикам БВлаг проводить свою конкурентную стратегию по отношению в разработчикам ИВлаг, полагая производителей БВлаг, как своих партнеров и конкурентов одновременно.

Но хотя конкуренты могут быть с ними на общем пути, в какой-то момент времени нужно их рассматривать как партнеров.

Сложилось мнение, что внедрение зарубежных компаний опасно для российской промышленности. Но на самом деле появление конкурента создает условия для мобилизации внутренних резервов, желания защищаться и это способствует национальной активизации. В реальности, внедрение зарубежных производителей БВлаг на российском рынке способствовало и довольно эффективно распространению подобной отечественной продукции. Инерционность мышления соотечествеников по отношению к российскими разработкам показала их неуверенность в восприятии новшеств и новых технологий. Только когда на российском рынке стали активизироваться зарубежные компании производители БВлаг со своей дорогостоящей высококачественной продукцией, то тут то авторитет этого метода резко возрос. Поэтому продукция стала находить сбыт и клиентов.

16.4. Конкуренция в игольчато-безигольчатой технологии контроля

Причины появления Погр. Одна из причин: неравномерное распределение влаги по сечению материала. Обычно это явление возникает после термообработки (сушки) древесины.

Рис. 16.1. Иллюстрируют причины появления Погр, связанных с неравномерным распределением влаги по объему материала.

ИВлаг не могут измерять влажность ниже 7–8 %. Поэтому для прогнозирования средней влажности они непригодны. И это мы покажем ниже на примерах.

Для облегчения расчета средней W введем понятие "сухость".

Определим ее разность между 8 % и действительным значением (Wd)

СУХ = 8 % – Wd

Например: 1. Wd= 5 %, тогда СУХ=8–5=+3 %.

Wd= 12 %, тогда СУХ= 8–12= -4%.

Для таких операций более пригодными являются БВлаг, которые могут измерять влажность до нулевых значений.

Рис. 16.1. Графическая интерпретация измерения влажности с использованием игольчатого и бесконтактного датчика при контроле древесины, имеющих внутренний разброс влажности.

Нижний граничный предел для ИВлаг, равный 8 % по шкале показывает, что такой запас по сухости трудно определить. Поэтому, даже если и были отобраны, кажущиеся сухими, доски, то имеющееся внутри недосушенное пространство при перераспределении даст показания более высоких значений. При определении влажности БВлаг можно отбирать доски с запасом, используя значения по левой границе отклонения. Таким образом можно обезопасить себя от получения досок с недосушкой и если это будет иметь место, то запас по сухости выправит это состояние.

Рассмотрим на примере. Влажность в доске толщиной 60 мм была распределена на три зоны 6–12–6 %. При срезании верхнего слоя было обнаружено, что влажность в середине была равна 12 %. На самом деле в этой части она равна (12+6)/2= 9 %. На самом деле влажность в образце равна (6+12+6)/3= 8 %.

Рис. 16.2. Графическая интерпретация появления погрешностей при неравномерно распределенной влаге по объему для ИВлаг и БВлаг.

Пересушка верхних слоев гарантирует от недосушки всего образца, но это можно определить только с помощью Бвлаг. Для сушильщиков это преимущество позволяет точнее определять время оптимального окончания процесса сушки, так как в случае контроля уже сухой и даже пересушенной древесины ИВлаг будет показывать все равно 8 %.

Пересушка древесины сильно влияет на такие качественные показатели как шероховатость поверхности и чистота обработки. При механической обработке пересушенной древесины после ее естественного вылеживания будут увеличиваться размеры. Это приведет к изменению класса шероховатости и чистоты поверхности. Поэтому измерение нижней границы диапазона влажности является важным показателем для последующей механической обработки.

Редкий всплеск может быть вызван наличием неоднородностей: ложного ядра, смоляного кармашка и другими дефектами.

Для наглядности рассмотрим пример: Например, доска имеет толщину 60 мм. В ней мы имеет три основные зоны по сечению – 20 мм-20 мм-20 мм. Влажность в них распределена неравномерно и соответственно в каждом слое расположится в следующем порядке: 8–14–8 %. Если срезать верхнюю часть то обнаружим, что доска сырая и влажность равна 14 %. На самом деле средняя влажность образца равна W=(8+14+8)/3= 10 %. При срезанном верхнем слое, имеющем 8 %, соответственно средняя влажность будет равна (14+8)/2=11 %. Если определять влажность доски без учета снятого верхнего срезанного слоя по поверхности среза, то влажность равна 14 %.

Таким образом встает правомерный вопрос, так какая же влажность является верной и точно определющей для момента поставки? По этому поводу имеется только один ответ, который заключается в следующем: влажность определяется из образца, который вырезается из доски и подвергается эталонному методу определения влажности – методу высушивания. При этом в этом образце присутствуют верхние, средние и нижние слои. Каждый из них вносит свою долю в общее усредненное значение по всему объему измеряемого образца. Таким образом мы можем констатировать, что для подстраховки и получения соответствующего запаса по сухости нужно отбирать доски, которые бы имели в поверхностном слое как можно меньшее значение влажности. Это необходимо, для того, чтобы при перераспределении влаги и выравнивании по всему объему ее хватило бы для получения требуемой влажности.

16.5. Сравнительная таблица имитаторов ИВлаг И БВлаг

Для проверки рабочих точек соответствующих значениям влажности обычно используют серийно выпускаемые резисторы или конденсаторы. Поэтому ИВлаг и получили широкое распространение из-за того. что в качестве базового прибора использовался измеритель сопротивлений.

Поэтому к ИВлаг придается специальный имитатор влажности или таблица с указанием связи между сопротивлением и влажностью. Иногда такие изделия называли эталонами влажности. Но здесь необходимо оговорить, что эталонами их называть некорректно. Эталоном обычно считается образцовое средство для определения основной погрешности, связанной с влажностью. Прибор, то все таки является не измерителем сопротивления, а Влаг. В природе нет эталона влажности, так как влага взаимосвязана с плотностью, неравномерно распределена в пространстве образца и изменяется во времени. В этом то и есть отличие по сравнению с другими измерениями, например, с массой или размером. В них в качестве эталона мы можем использовать прецизионную гирю, или линейку, носить их с собой в кармане и проверять точность обвеса или обмера. Поэтому, предлагаемый компаниями, имитатор влажности позволяет определить разрешающую способность прибора, воспроизводимость контрольных точек, изменение формы Град хар-ки и т. п., но не более того.

Мы представляем сравнительные таблицы 11.1. таких имитаторов влажности применительно для Ивлаг и Бвлаг.

Табл. 16.1. Таблица имитаторов влажности для ИВлаг и БВлаг

Где: К – Ком, М – Мом, Г – Гом

Анализируя данные в табл. 16.1., мы видим, что для важнейшей части технологического диапазона, отвечающим требованиям по 1,2 и 3 (высшим) категориям качества сушки, у ИВлаг вообще отсутствуют имитаторы влажности.

Из табл.16.1.видно, что имитаторы должны представлять собой сопротивления (в технологическом диапазоне влажностей) порядка 10^8 –10^9 ом. Имитаторы для ИВлаг очень чувствительны к загрязнениям, к поверхностной влаге (конденсату) и могут по вышеперечисленным причинам сильно изменять свои значения. Иначе: “Имитаторы для ИВлаг капризны и ненадежны”.

Имитаторы для БВлаг представляют собой сопротивления порядка 10^4 ом. Такие значения очень легко воспроизвести с помощью обычных (промышленно выпускаемых) резисторов типа МЛТ, УЛИ и т. п. Они не меняют своих значений от условий окружающей среды, надежны и стабильны во времени. Такая существенная разница величин резисторов имитаторов для ИВлаг и Бвлаг объясняется принципиальным различием в методе измерения. По этой же причине Бвлаг чувствителен к влажности от 0 до 8 %.