CC BY
35
УДК 355.681:556.088
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПОКАЗАТЕЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЛАГОУДЕРЖИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ЗЕЛЕНЫХ ТРАВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ПОДГОТОВКИ К ОБЕЗВОЖИВАНИЮ
В.М. Жилкин
Кафедра «Автоматизированные системы и приборы», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором С.В. Мищенко
Ключевые слова и фразы: зеленые травы; погрешности измерений; подготовка к обезвоживанию; показатели интенсификации обезвоживания; снижение влагоудерживающих свойств.
Аннотация: Приведен анализ погрешностей определения интегрального показателя снижения влагоудерживающих свойств зеленых трав в процессе их подготовки к обезвоживанию. Показатель является результатом расчета отношения измеренной величины сдвига фазы электрического сигнала в материале в процессе обработки к величине максимально возможного значения изменения фазы для этого материала.
Предварительная подготовка свежеубранных растительных материалов к обезвоживанию проводится с целью интенсификации процессов влагоотдачи материалов при их обезвоживании. Оперативное определение показателя снижения влагоудерживающих свойств (СВС) зеленых трав (ЗТ) основано на методе, в основу которого положен эффект изменения электрических характеристик трав в первичном измерительном преобразователе (ПИП) в зависимости от их жизнеспособности. В инженерной практике похожие методы используются при измерении и контроле концентрации, плотности, влажности, сплошности среды, степени отверждения полимеров.
Особенностью метода является то, что при повреждении живых клеток с целью СВС ЗТ увеличивается их электропроводность и снижается поляризационная емкость. Механическое, тепловое или электрическое повреждения ЗТ при их технологической подготовке к обезвоживанию определяются суммой сложных внутриклеточных преобразований. Выделить эффект от каждого элементарного преобразования в клетке не представляется возможным. Выбор интегрального критерия, определяющего уровень повреждения ЗТ как результата общего разрушающего воздействия на живую систему при ее технологической подготовке, позволяет преодолеть данное препятствие. Показатель связывает СВС с изменением электрических параметров ЗТ. Этот показатель является результатом расчета отношения величины сдвига фазы электрического сигнала в ЗТ в процессе их обработки к максимально возможному значению изменения фазы для ЗТ при их «идеальной» подготовке
Фх -ф у
= , (1) Фх _Ф~
где фх, фу, ф¥ - начальное, фактическое, целевое значения сдвигов фаз электрических сигналов на электродах ПИП с необработанными ЗТ, с обработанными ЗТ и с «теоретически идеально» обработанными ЗТ относительно исходного измерительного сигнала, соответственно.
Фаза является удобной для измерения физической величиной. При измерении активно-емкостными ПИП фазы сигнала ф учитывается изменение двух параметров ЗТ: величины поляризационной емкости и величины их электрической проводимости. За величину целевого значения фазы принимается ноль (ф¥ = 0), так как обычно «идеально подготовленные» ЗТ - это мертвые ЗТ с полностью разрушенными биологическими влагоудерживающими свойствами протоплазмы. В рабочем диапазоне частот измерения «идеально подготовленные» ЗТ характеризуются только активной проводимостью, эффект внутренней поляризации ЗТ при этом практически отсутствует.
В устройстве определения показателя СВС ЗТ реализуется задача минимизации чувствительности к изменениям неконтролируемых (мешающих) факторов. Постановка этой задачи объясняется значимой вариацией исходных измеряемых параметров ЗТ, зависимостью этих параметров от времени уборки и продолжительности хранения, погодных условий, влажности, сорта и фазы вегетации.
Для решения этой задачи в формуле (1) используется исходное значения фазы фх измерительного сигнала в ПИП с ЗТ перед подготовкой, что позволяет уменьшить влияние вариации исходных характеристик сырья на определяемый показатель СВС ЗТ в технологиях обезвоживания.
Повышение точности измерения фаз достигается за счет питания схемы стабилизированными прямоугольными электрическими сигналами типа меандр с
периодом Т (рис. 1, а). Такое питание по сравнению с синусоидальным напряжением уменьшает погрешность измерения значений сдвигов фаз, так как пересечение кривых электрических сигналов с линией опорного напряжения и0 под углом, близким к прямому, позволяет более точно определить момент времени этого пересечения. Сдвиг кривой напряжения и у с ПИП, установленного на выходе из аппарата подготовки, по сравнению с исходным сигналом приведен на рис. 1, б. Изменение кривой напряжения электрического сигнала с ПИП, установленного на входе в аппарат технологической подготовки, по сравнению с исходным сигналом измерительного генератора приведено на рис. 1, в.
При равенстве измеряемых напряжений заданному уровню опорного напряжения и0 запускаются таймеры отсчета временных интервалов
(ґх — /0) и (ґу — /0 ). Значения сдвигов фаз измерительных сигналов с фиксированным периодом Т по каждому из двух каналов, подключенных к ПИП на входе и к ПИП на выходе из аппарата технологической подготовки ЗТ к обезвоживанию, связаны с этими временными интервалами общеизвестными формулами:
* = 2*Т=*>; Фу = . (2)
Значения временных интервалов находятся через определяемые ими числа счетных импульсов Ых и N у , поступающих от генератора тактовых импульсов.
Число счетных импульсов Nx определяется частотой тактового генератора /такт и величиной интервала (ґх — ґо) по формуле
Nх ((:х ^О^/такт ■ (3)
Число счетных импульсов N у определяется соответственно по формуле
Nу = (1у — *0 )/такт . (4)
Устройство фиксирует временные интервалы только на переднем фронте из-
мерительного сигнала по ряду п измерений. Усредненные величины временных интервалов находятся через соответствующее им число усредненных счетных
импульсов Nx и NУ■
Показатель СВС ЗТ с учетом формул (2) - (4) определяется по формуле
„ фх — фу = Nx — Ny
У Гг . (5)
У фх Nx
Относительная погрешность определения числа счетных импульсов складывается из погрешности 5/ тактового генератора импульсов частоты /такт и погрешности квантования 5^
^ = 5/ +5к = 5/ + N ■ (6)
По паспортным данным инструментальная погрешность тактового генератора с рабочей частотой 200 МГц составляет 10-6 %, такой погрешностью 5/ можно пренебречь.
Погрешность квантования обратно пропорциональна числу измеренных импульсов N (6) и является функцией электрофизических характеристик ЗТ, поэтому оценка погрешности квантования должна проводиться отдельно по каждому каналу измерения. Для оценки погрешности квантования измерительного канала с ПИП, установленным на выходе из аппарата технологической подготовки ЗТ к обезвоживанию, расчет выполняется для случая сдвига фазы на величину 1360 периода (1 градус) при частоте измерительного сигнала 1 кГц (наиболее неблагоприятный вариант: минимальная частота и минимальный временной интервал)
5 100 360 1031АА А100/
5ку = —л-----------------------1^100 = 0,18 % . (7)
у А_____^ / 2108
360 1000 т
Для измерительного канала с ПИП, установленным на входе в аппарат технологической подготовки, сдвиг фазы составляет 1/30 периода (12 градусов) при той же рабочей частоте
-,3
100 30 103
f 2 108
У та
dkx = 1i------------------------------------------------------------=-Г100 = 0,015 % . (8)
x 1 1 „ т.ш8
30 1000такт
Относительная наиболее вероятная погрешность косвенного определения показателя СВС ЗТ определяется по формуле
Ч =& Ч ■ <9)
В формуле (9) погрешность 5к << 5к является ничтожной в соответствии с
х у
(7) и (8), следовательно, погрешностью 5кх можно пренебречь.
Усреднение в каждом измерительном канале числа импульсов при многократных измерениях уменьшает погрешность в \/п раз, где п - число усредняемых счетных импульсов. Относительная погрешность показателя 5^у оценивается по формуле
При усреднении, например, 100 значений счетных импульсов по формуле (10) получаем
0,182
5^ = <-------= 0,018,
^у V 100
показатель СВС ЗТ при этом имеет значение
8у = —1» 0,92. у 12
В принципе невозможно теоретически проанализировать влияние каждого отдельного источника погрешности на результат определения показателя СВС ЗТ, но можно их разделить на источники основной и дополнительной погрешностей. Как известно, к источникам основной погрешности относятся те, которые выявляются при нормальных условиях эксплуатации. Нормальные условия характеризуются номинальными частотами и напряжением питания активно-емкостных ПИП и измерительной схемы, номинальной температурой окружающей среды и растительных тканей (РТ), отсутствием внешних электрических и тепловых полей, равенством нулю всех производных входной величины по времени и неизменной нагрузкой на выходе активно-емкостных ПИП. При отклонении условий эксплуатации от нормальных значений начинают проявляться источники дополнительных погрешностей.
Градуировка и поверка устройств для определения показателя СВС ЗТ представляет собой довольно сложную задачу. Так, для градуировки устройства необходимы: имитаторы импеданса необработанной и обработанной РТ. При наладке
устройств и в качестве имитаторов импеданса можно использовать двухполюсники, содержащие переменные резисторы и емкости. Кроме этого, периодическая проверка чувствительности схемы может обеспечиваться устройствами, заложенными в самой измерительной системе, например, путем подключения вместо рабочих ПИП образцов эквивалентов из резисторов и конденсаторов, соответствующих чувствительности начала и конца диапазона.
В результате экспериментальных исследований и анализа погрешностей определения показателя СВС ЗТ можем сделать следующие выводы:
- контактные двухэлектродные активно-емкостные ПИП хорошо адаптированы для работы с ЗТ, что определяет их преимущество перед другими ПИП;
- использование при измерениях фазы прямоугольных периодических импульсов типа меандр по сравнению с использованием синусоидальных сигналов увеличивает точность измерения значений фазы электрических сигналов (временных интервалов) за счет более точного определения момента времени пересечения кривой электрических сигналов с линией опорного напряжения;
- выявлены возможные источники основной и дополнительной погрешностей активно-емкостных ПИП;
- периодическая проверка метрологических характеристик схемы обеспечивается устройствами, прилагаемыми к самой измерительной системе, например, путем подключения вместо рабочих ПИП образцовых эквивалентов из резисторов и конденсаторов, соответствующих чувствительности начала и конца диапазона;
- результаты экспериментальных исследований погрешностей определения СВС ЗТ доказывают приемлемость предложенного метода и технических средств для использования в технологиях подготовки растительных материалов к обезвоживанию;
- экспериментальная оценка относительной величины погрешности определения показателя СВС ЗТ составляет не более 3 %.
Errors Analysis when Determining the Reduction Index of Water-Holding Properties of Green Herbs in the Process of their Preparation for Dehydration
V.M. Zhilkin
Department “Automated Systems and Devices”, TSTU
Key words and phrases: green herbs; indexes of dehydration intensification; measurement errors; preparation for dehydration; reduction in water-holding properties.
Abstract: The errors analysis for determination of integral index of reduction in water-holding properties of green herbs in the course of their preparation for dehydration is given. The index is the result of calculation of ratio between measured quantity of electrical signal phase shift in the material in the course of processing and the quantity of maximum possible value of phase shift for this material.
Analyse der Fehler bei der Bestimmung der Kennziffer der Senkung der neiBerhaltenden Eigenschaften der grtinen Graser im Laufe ihrer Vorbereitung zur Entwasserung
Zusammenfassung: Es ist die Analyse der Fehler der Bestimmung der Integralkennziffer der Senkung der neiBerhaltenden Eigenschaften der grunen Graser im
Laufe ihrer Vorbereitung zur Entwasserung angefuhrt. Die Kennziffer ist ein Ergebnis der Berechnung der Beziehung der gemessenen Grofle der Verschiebung der Phase des elektrischen Signals im Stoff im Laufe der Bearbeitung zur Grofle der maximal moglichen Bedeutung der Veranderung der Phase fur diesen stoff.
Analyse des erreurs lors de la definition de la diminution des proprietes de retention de l’humidite des herbes vertes au processus de leur preparation pour la desydratation
Resume: Est presentee l’analyse des erreurs de l’indice integral de la diminution des proprietes de retention de l’humidite des herbes vertes au processus de leur preparation pour la desydratation. L’indice est le resultat du calcul de la relation de la valeur mesuree du decalage de la phase du signal electrique dans le materiel qui est en cours du traitement envers la valeur possible au maximum du changement de la phase de ce materiel.
