Определение степени влажности конструкций

В результате проведенных  расчетов для различных размеров электродов датчика и расстояний между ними были получены относительные напряженности электрического поля вдоль оси у, характеризующие глубину проникновения поля в материал. По полученным данным построены зависимости относительной напряженности поля от глубины (расстояния от плоскости электродов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Аппаратура  для послойного измерения влажности  диэлькометрическим методом

 

В комплект измерительной  аппаратуры входят закладные емкостные  датчики с кабелями и измерительный  прибор с выносным промежуточным  преобразователем.

Конструктивно отдельный датчик представляет собой пластинку размером 20´25 мм и толщиной 1 - 1,5 мм. Для изготовления закладных датчиков используется односторонний фольгированный стеклотекстолит (СТЭФ-1). Трафаретом для изготовления датчиков является фотонегатив заданной конфигурации электродов. Изображение электродов датчика копируется фотохимическим методом с негатива на фольгированную сторону стеклотекстолитовой пластины. После обработки светочувствительного слоя незащищенные участки фольги удаляются химическим травлением и на плате остаются электроды датчика. В связи с тем что отдельный датчик имеет весьма малую площадь, технологически целесообразно на одной печатной плате размещать не один, а группу датчиков.

При таком способе изготовления достигается высокая степень идентичности датчиков, так как все платы печатаются с одного негатива.

Длина кабеля равна 1 м, что  достаточно для вывода кабеля на поверхность  при толщине конструкции до 80 см.

Измерительный прибор для  регистрации изменении емкости  закладных датчиков разработан с учетом соображений, изложенных в разделе I настоящего Руководства.

Блок-схема прибора, реализующего одну из модификаций схем с параметрической модуляцией.

Емкостный датчик  включен  в цепь двухполюсника, питаемого напряжением высокой частоты от измерительного генератора. Параметрическая модуляция в двухполюснике осуществляется с помощью модулятора. Амплитудно-модулированное высокочастотное напряжение с измерительного двухполюсника поступает на демодулятор. Получаемое после демодулятора низкочастотное напряжение (с частотой модуляции) усиливается усилителем и поступает на один из входов фазочувствительного электронного ключа, на второй вход которого подается опорное напряжение той же частоты от модулятора. В зависимости от соотношения фаз между напряжением сигнала разбаланса и опорным напряжением фазочувствительный электронный ключ открывает или запирает вход накопителя. Постоянное напряжение, образующееся на выходе накопителя, подается на варикап, включенный в частотно-задающую цепь измерительного генератора. Таким образом, замыкается цепь обратной связи и образуется система автоматического уравновешивания. Динамическое равновесие этой системы устанавливается при равенстве модулей полной проводимости двухполюсника с модулируемыми параметрами, т.е. при отсутствия сигнала разбаланса, точнее при уменьшении сигнала разбаланса ниже порога чувствительности системы автоматического уравновешивания. При этом, как показано выше, частота генератора однозначно связана с величиной истинной емкости датчика. Частота измерительного генератора сравнивается в смесителе с частотой опорного генератора, стабилизированного по частоте кварцем. С выхода смесителя разность частот измерительного и опорного генераторов поступает в преобразователь частота-напряжение, на выходе которого напряжение, пропорциональное истинной емкости датчика (влажности материала), фиксируется стрелочным выходным прибором.

Пунктиром обведена часть  схемы, расположенная в выносном преобразователе. Через штепсельный  разъем X1 к измерительному двухполюснику подключается кабель датчика.

Измерительный двухполюсник состоит из параллельно включенных индуктивности L2, емкости С19, варикапов V12 и V13. Параметрическая модуляция  в двухполюснике осуществляется путем подачи на варикапы V12, V13 через  резистор R33 периодически меняющегося по величине напряжения смещений. Это напряжение имеет прямоугольную форму со скважностью 2 (меандр) и частотой следования около 1000 Гц. При этом емкость варикапов V12 и V13 скачкообразно меняется и происходит параметрическая модуляция в двухполюснике. На двухполюсник подается напряжение высокой частоты от генератора через цепочку С17R30. Измерительный генератор, предназначенный для создания высокочастотного напряжения, питающего двухполюсник с емкостным датчиком, состоит из четырех каскадов - задающего, согласующего, усилительного и выходного. Задающий каскад измерительного генератора работает в автоколебательном режиме. Активным элементом, обеспечивающим самовозбуждение, является туннельный диод V4, рабочая точка которого устанавливается в середине падающей ветви вольт-амперной характеристики соответствующим соотношением плеч делителя R8, R9. Форма колебаний в контуре L1C5C4V5 весьма близка к синусоидальной. Назначение варикапа V5 в контуре задающего каскада генератора - изменять частоту генератора при изменении напряжения смещения на варикапе. Выполнение задающего каскада измерительного генератора влагомера на туннельном диоде позволяет повысить точность измерений, так как сравнительно легко достигается высокая временная стабильность частоты такого генератора. Кроме того, для нормальной работы варикапа в контуре необходимо, чтобы переменное (высокочастотное) напряжение на варикапе было намного меньше постоянного напряжения смещения. Это условие автоматически достигается также в генераторе на туннельном диоде. С контура задающего генератора напряжение высокой частоты через конденсатор С3 подается на согласующий каскад, выполненный по схеме эмиттерного повторителя на транзисторе V3. Назначение согласующего каскада - уменьшение связи между задающим и усилительным каскадами генератора с целью ослабления влияния величины нагрузки на стабильность частоты задающего каскада. С выхода согласующего каскада R5 напряжение высокой частоты подается через конденсатор С2 на вход усилительного каскада, представляющего собой усилитель напряжения, выполненный по схеме с общим эмиттером на транзисторе V2, с выхода которого напряжение высокой частоты поступает на вход выходного каскада, выполненного на транзисторе V1 по схеме с общим эмиттером. Напряжение высокой частоты с выхода генератора подается на двухполюсник и одновременно через конденсатор С18 на вход смесителя частоты.

Модулятор, предназначенный  для осуществления параметрической  модуляции в двухполюснике и  для создания опорного напряжения модулирующей частоты для нормальной работы фазочувствительного электронного ключа, выполнен по схеме генератора прямоугольных импульсов со скважностью » 2 на интегральной микросхеме Д1 с буферным каскадом (транзистор V6). Такое выполнение модулятора позволяет получить крутые фронты импульсов, что обеспечивает устойчивую работу тракта усиления сигнала разбаланса в широком динамическом диапазоне. Частота следования импульсов определяется величиной емкости С6, и при выбранном номинале С6 частота модуляции составляет около 1000 Гц.

С выхода модулятора (резистор R10) напряжение модуляции  через резистор R33 подается на варикапы V12, V13, чем осуществляется параметрическая  модуляция в измерительном двухполюснике  в результате периодического изменения емкости варикапов с частотой модуляции, и одновременно через цепочку R39C27 на вход фазочувствительного детектора.

Демодулятор, предназначенный  для преобразования амплитудно-модулированного  высокочастотного напряжения, образующегося  на измерительном двухполюснике при параметрической модуляции, в низкочастотный сигнал разбаланса, управляющий системой автоматического уравновешивания, выполнен по схеме амплитудного детектора на полевом транзисторе V14. На нагрузочном сопротивлении детектора R34 выделяется низкочастотная огибающая, а конденсатор С22 отфильтровывает высокочастотную несущую сигнала. Для уменьшения влияния коммутационной помехи входное и нагрузочное сопротивления R32 и R34 выбраны весьма малыми. Выход детектора согласуется с выходным сопротивлением усилителя сигнала разбаланса с помощью эмиттерного повторителя (транзистор V15).

Усилитель, предназначенный  для усиления низкочастотного сигнала  разбаланса до величины, обеспечивающей нормальную работу фазочувствительного  детектора при изменении амплитуды сигнала разбаланса в широком диапазоне, выполнен на интегральной микросхеме А2, представляющей собой двухкаскадный усилитель с коэффициентом усиления » 500. Усиленный сигнал разбаланса поступает на фазочувствительный ключ, предназначенный для преобразования сигнала разбаланса в управляющее напряжение для работы накопительной схемы. Фазочувствительный ключ представляет собой фазочувствительный детектор, выход которого управляет работой электронного ключа. Фазочувствительный детектор выполнен на интегральной микросхеме A3. На сигнальный вход фазового детектора через конденсатор С25 с выхода усилителя поступает сигнал разбаланса. Одновременно на опорный вход фазового детектора поступает опорное напряжение той же частоты с выхода модулятора. Выходное напряжение фазового детектора (постоянного тока) снимается с коллекторов дифференциально включенных транзисторов. Конденсатор С28 сглаживает переменную составляющую выходного напряжения. В зависимости от того, в фазе или в противофазе находятся напряжения, поступающие на сигнальный и опорный входы фазочувствительного детектора, напряжение постоянного тока на выходе детектора будет иметь соответственно одну из двух полярностей. В зависимости от полярности выходное напряжение детектора открывает или закрывает электронный ключ, выполненный на транзисторах V17 и V18, эмиттер-базовые переходы которых запараллелены. При открытом ключе его сопротивление (между коллекторами V77 и V18) составляет порядка 102 Ом, а при закрытом - порядка 106 Ом. Фазочувствительный ключ управляет режимом работы накопителя, предназначенного для формирования величины напряжения смещения варикапа V5. Накопитель выполнен на транзисторе V16, в коллекторную цепь которого включен накопительный конденсатор С29. Режим работы транзистора V16, а следовательно, и напряжение на емкости С29 определяются состоянием ключа V17V18, включенного между базой транзистора V16 и плюсовой шиной. Когда ключ открыт (сопротивление между базой V16 и плюсовой шиной мало), накопительный конденсатор С29 начинает разряжаться через участок коллектор-эмиттер транзистора V16 и величина постоянного напряжения на конденсаторе С29 начинает падать. Уменьшение величины этого напряжения вызывает увеличение емкости варикапа V5, что приводит к уменьшению частоты генератора. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока сигнал разбаланса не изменит фазу противоположную, при которой ключ закрывается. При закрывании ключа (сопротивление между базой V16 и плюсовой шиной велико) накопительный конденсатор С29 начинает заряжаться через резистор R42 от источника питания и уровень напряжения на нем растет. При этом емкость варикапа V5 уменьшается, что приводит к увеличению частоты генератора. Этот процесс также будет происходить до тех пор, пока сигнал разбаланса не изменит фазу на противоположную, при которой ключ вновь начнет открываться. Таким образом, в системе устанавливается динамическое равновесие, при котором частота генератора соответствует равенству модулей полной проводимости двухполюсника (с точностью до динамической погрешности небаланса) и является однозначной мерой истинной емкости датчика. Так как рабочая (изменяемая) емкость датчика очень мала по сравнению с общей емкостью измерительного двухполюсника и емкостью кабеля, то относительное изменение частоты генератора при изменении емкости датчика от влажности составляет 1-2 %. Для эффективного и достаточно точного осуществления регистрации измеряемой величины в этом случае целесообразно перенести это небольшое изменение частоты в низкочастотный спектр. Для этой цели используются опорный генератор высокой частоты и смеситель. Опорный генератор предназначен для получения высокочастотного напряжения с частотой, близкой к частоте измерительного генератора. Так как частота опорного генератора служит для сравнения с частотой измерительного генератора, опорный генератор должен обладать высокой стабильностью частоты. Такая стабильность достигается при использовании кварцевого резонатора. Опорный генератор с кварцевой стабилизацией частоты выполнен по обычной схеме на транзисторе V7, в цепи коллектор-база которого включен кварцевый резонатор Z1. Напряжение опорной частоты через конденсатор С9 поступает на вход смесителя частот, предназначенного для выделения разностной частоты, образующейся при смешивании частоты опорного генератора с частотой измерительного генератора. Смеситель выполнен на двух диодах V8 и V9, двух конденсаторах связи C18 и С9. Нагрузкой смесителя является цепь R17C12, на выходе которой появляется разностная частота. Напряжение разностной частоты усиливается двухкаскадным усилителем (интегральная микросхема А1) и по соединительному кабелю подается на вход преобразователя частоты напряжения, который предназначен для получения напряжения постоянного тока, пропорционального разностной частоте. Преобразователь представляет собой дифференциатор-усилитель, выполненный на интегральной микросхеме Д2 и транзисторе V11, в коллекторную цепь которого включен показывающий прибор P1.

Резистор R24 предназначен для регулировки чувствительности прибора, а резистор R27 - для установки  нуля прибора при работе с ним. Переключатель диапазонов S1 позволяет расширить диапазон измерений путем смещения начального отсчета на половину шкалы.

Питание прибора  осуществляется от встроенной в него батареи G1 сухих элементов типа «Сатурн» или «Марс» через стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне V20, транзисторе V21.

 

3 Подготовка  датчиков влажности и закладка  их в конструкцию

 

Предварительно  определяют количество датчиков, которое  равно количеству исследуемых слоев  по толщине конструкции, умноженному на количество датчиков в каждом слое. Количество датчиков в одном слое по толщине определяется необходимой степенью осреднения, зависящей от неоднородности материала конструкции и ее размеров в плане. К полученному количеству датчиков, закладываемых в конструкцию, нужно добавить 10-12 датчиков для градуировки. Общее количество подготавливаемых датчиков должно быть взято с 20 % запасом по сравнению с необходимым количеством. Нужное количество отдельных датчиков подготавливают, разрезая печатную плату так, чтобы на каждой пластинке размещался один датчик. В центре выводов каждого датчика просверливают отверстия диаметром 0,5 мм. Затем заготавливают отрезки радиочастотного кабеля. Количество отрезков берут равным количеству датчиков в партии. Затем калибруют все отрезки кабеля по длине, которая должна быть равна 1 м ±0,5 см. Каждый отрезок кабеля разделывают по концам, причем разделяя производится на длину 10 мм ±1 мм с каждого конца. Виды конца кабеля в процессе разделки показаны на рис. 9. При припайке концов кабеля к выводам датчика и к разъему необходимо следить за тем, чтобы центральная жила кабеля была соединена с выводом от центрального электрода датчика или разъема, а оплетка кабеля - с выводом от наружного электрода. После того как вся партия датчиков оборудована кабелями и разъемами, датчики должны быть замаркированы. Для этого на каждый кабель от датчика надевают хлорвиниловую трубку длиной 15-20 мм, на которой краской наносят номер датчика. Диаметр трубки должен быть таким, чтобы она плотно надвигалась на кабель. После этого изготавливают щитки для установки соединительных разъемов. Количество разъемов на одном щитке должно соответствовать числу сечений по толщине конструкции, а количество щитков - количеству датчиков в одном сечении (количеству стволов). Внешний вид щитка на шесть разъемов показан на рис. 10. Наиболее подходящими разъемами для радиочастотного кабеля являются высокочастотные разъемы типа СР.

Следующим этапом подготовки партии датчиков является калибровка датчиков, заключающаяся  в следующем. Соединительный кабель от выносного преобразователя, оканчивающийся разъемом, являющимся ответной частью разъемов, установленных на концах кабелей от датчиков, по очереди подключают к разъему каждого датчика. Датчик, подключенный к прибору, погружают в стеклянную бюксу диаметром 40 мм и высотой 50 мм, заполненную этиловым спиртом, который служит эталонным веществом с табличным значением диэлектрической проницаемости (e = 13,7 при t = 20 °C), и записывают показание прибора. Затем датчик вынимают из бюксы и после испарения спирта с его поверхности погружают во вторую такую же бюксу, заполненную ацетоном (чистым для анализа) (e = 21,4 при t =20 °С), и снова записывают показание прибора.

Определив aд  и aк для каждого датчика в  партии, отбирают для закладки датчики.

Так как на пластине датчика после припайки кабеля остаются остатки флюса, растворяющегося  в спирте и ацетоне и меняющего  диэлектрическую проницаемость  эталонных веществ, то рекомендуется  в одной порции эталонного вещества калибровать не более 5 датчиков. Для калибровки партии датчиков в количестве 20 шт. требуется 200 мл спирта и столько же ацетона.

После окончания  калибровки датчики закрепляют в  фиксаторах, предварительно составив эскиз их расположения в конструкции, по которому определяют количество датчиков, закрепляемых в каждом фиксаторе. В качестве фиксатора можно использовать рейку сечением 5´10 мм, длиной, равной толщине конструкции, из любого негигроскопического материала, обладающего низкой теплопроводностью, например из органического стекла.

При изготовлении опытной конструкции (панели) в форме  или опалубке до заливки в нужных местах устанавливают фиксаторы  с датчиками и закрепляют их в форме растяжками, после чего производится заливка бетонной смеси.

Во время  заполнения формы бетонной смесью необходимо следить за тем, чтобы фиксаторы сохраняли вертикальное положение и не перемещались. Свободные концы кабелей, собранные в жгут, следует выводить на «теплую» сторону конструкции, иначе могут возникнуть затруднения при измерениях.

Одновременно с закладкой датчиков в конструкцию готовят образны для градуировки. В качестве форм для градуировочных образцов используют стандартные металлические формы для изготовления кубиков со стороной 5 или 7 см. Над открытой поверхностью формы укрепляют фиксатор с датчиками, аналогичный закладываемому в конструкцию. Расстояния между точками закрепления кабелей на фиксаторе выбирают так, чтобы датчики располагались по центру каждого отсека формы. Откалиброванные датчики, закладываемые в градуировочные образцы материала, не должны отличаться от закладываемых в конструкцию. Количество форм для образцов должно быть таким, чтобы получилось 10-12 образцов с заложенными в них датчиками. Подготовленные формы с датчиками заполняют бетонной смесью из тех же замесов, которыми заполнялась форма для испытуемой конструкции. Образцы для градуировки изготавливаются одновременно с изготовлением испытуемой конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

4 Градуировка  аппаратуры

 

Градуировка заключается  в установлении корреляционной зависимости (в аналитической, графической или табличной форме) между показаниями измерительного прибора и влажностью конкретного материала. Этот этап является наиболее ответственным в описываемой методике, так как от тщательности выполнения операций по градуировке зависит точность количественного определения влажности.