6.1.4. Классификация ик-влагомеров

Влагомеры, основанные на методе ИК-спектрометрии, выделены в самостоятельную группу приборов. Влагомеры, используемые в ИК-спектрометрии, можно классифицировать по следующим признакам: применение отраженного, прошедшего через исследуемый материал ИК-потока или комбинированный метод; по числу характерных для ИМ и воды спектральных интервалов (одноволновые, двухволновые и трехволновые). Возможна и классификация по схемам: без оптического канала сравнения (однолучевые) и с оптическим каналом сравнения (двухлучевые); без компенсации входного параметра (изменения оптической плотности от количества влаги в исследуемом материале) и с компенсацией (оптической или электрической) входного параметра; многоканальной (по числу используемых спектральных интервалов) или одноканальной (общей для всех спектральных интервалов) обработкой электрических сигналов; непосредственного отсчета и с дифференциальным методом измерения; без применения функциональной развертки и с ее применением.

Вариант построения ВИК выбирается в зависимости от области его применения, требований к точности измерения, надежности, простоте и удобству эксплуатации.

На рис. 6.6 приведены зависимости значений логарифма коэффициентов интенсивности отражения (кривая 1) и пропускания (кривая 2) ИК-излучения через исследуемый материал постоянной влажности, но с равномерно увеличивающейся поверхностной плотностью. Из рис. 6.6 видно, что интенсивность отраженного потока для малых поверхностных плотностей возрастает с ростом поверхностной плотности. Однако для поверхностной плотности более 150 г/м² не наблюдается дальнейшего изменения интенсивности отраженного ИК потока. Это явление объясняется эффектом «бесконечно толстого» слоя ИМ в соответствии с формулой (6.4), когда рассеянное излучение, отраженное от нижних слоев ИМ, полностью поглощается в вышележавших слоях ИМ.

Изменение интенсивности прошедшего потока ИК излучения пропорционально росту значения поверхностной плотности ИМ до 300  400 г/м² при использовании логарифмического преобразователя сигнала. При поверхностных плотностях больших данного предела интенсивность излучения, передаваемого через материал, недостаточна для обеспечения необходимой точности измерения. Применение прошедшего ИК излучения позволяет определить количество влаги по всей толщине материала. Однако при этом интенсивность прошедшего ИК излучения зависит от развеса материала.

Рис. 6.6. Зависимость интенсивности отраженного и прошедшего ИК-излучения от поверхностной плотности исследуемого материала с постоянной влажностью.

При измерении влажности с применением отраженного ИК потока интенсивность ИК потока квазипропорциональна поверхностной плотности. Для материалов с поверхностной плотностью свыше 150 г/м² значения влажности становятся независимыми от поверхностной плотности материала. Однако это преимущество ликвидируется большими погрешностями измерения, вызванными неравномерностью распределения влаги в материале по толщине. Фотоприемник воспринимает большую часть потока, отраженного от верхних слоев материала, и фактически не воспринимает потоки излучения, отраженные от слоя, лежащего ниже 80 г/м².

Если нельзя быть уверенным в том, что количество влаги в материале распределено равномерно, использование отраженного ИК излучения нежелательно. Преимущество применения прошедшего потока излучения в ВИК состоит еще в том, что шкала прибора по влажности получается более линейная (используя логарифмический преобразователь), чем при использовании отраженного потока.

Для повышения чувствительности ИК-метода к малым количествам влаги в образце без изменения аналитической длины волны используют многократное прохождение измерительного потока излучения через материал. Область применения данного способа определения влажности ограничена материалами малой оптической и поверхностной плотностями.

При комбинированном методе используют как прошедший, так и отраженный от материала ИК-поток. При использовании этого метода требуется более сложный первичный преобразователь с двумя фотоприемниками, расположенными по разные стороны относительно исследуемого материала.

Выбор отраженного или прошедшего потока излучения в основном влияет только на конструкцию первичного преобразователя ВИК, остальные функциональные блоки приборов одинаковы для обоих методов. Рассматриваемые ниже особенности схем ВИК относятся как к приборам, работающим с прошедшим, так и к приборам, работающим с отраженным потоком излучения.

Наиболее простыми схемами являются одноволновые ( ), однолучевые схемы ВИК с непосредственным отсчетом без компенсации. К ним относятся индикаторы влажности, т. е. приборы, измеряющие колебания суммарной оптической плотности на пути прохождения ИК-излучения, вызванные изменением свойств ИМ и количеством влаги в нем. Эти приборы обладают низкой точностью в связи с нестабильностью коэффициентов пропускания оптического канала измерения, мощностью источника излучения, коэффициентами передачи оптического преобразователя и электрической схемы и регистрирующего устройства.

В приборах данного типа возможна модуляция ИК-излучения трех видов: в излучателе, в фотоприемнике (электрическая) и на пути между излучателем и фотоприемником (механическая). Наибольшую надежность обеспечивает модуляция в самом источнике ИК-излучения. Модуляция светового потока позволяет работать с переменным оптическим сигналом, что повышает точность работы электрических схем, улучшает отношение сигнал – шум и т. д.

Применение одноволновой двухлучевой схемы позволяет осуществлять метод дифференциального измерения. Достоинство этой схемы заключается в возможности измерения малых приращений оптической плотности, а следовательно, и малых изменений количества влаги в ИМ. Это достигается за счет установки эталонного материала на пути прохождения второго луча с этой же длиной волны , что и измерительный луч. Применение одноволновых, двухлучевых схем повышает точность измерения на начальном участке шкалы прибора. При этом возможна оптическая компенсация за счет введения в эталонный канал оптического клина. В связи с необходимостью использования эталонного материала приборы данного типа можно применять только в лабораторных условиях.

Задача измерения влажности ИМ упрощается, если оптический канал один, а сигнал измерения получается пропусканием через него излучения на нескольких спектральных интервалах ( , , ).

Простейшей и наиболее распространенной схемой ВИК является двухволновая однолучевая схема. В ней возможно временное и частотное разделение сигналов аналитической ( ) и опорной ( ) длин волн. Из-за простоты реализации широко распространено временное разделение. Преимуществом данных схем является одновременная модуляция оптического сигнала со сменой спектральных интервалов. Например, временное механическое разделение осуществляется сменой светофильтров, установленных на вращающемся с постоянной скоростью диске.

Значительный недостаток этих схем заключается в трудности осуществления оптической компенсации при использовании одного источника излучения, например лампы накаливания. В этом случае применяют электрическую компенсацию, что приводит к изменению рабочей точки на фотоприемнике и не компенсирует нестабильность в оптической части устройства.

В целях повышения температурной стабильности и стабильности во времени, улучшения линейности характеристик ВИК применяют схему с оптической компенсацией изменения входного параметра. Это достигается за счет использования раздельных источников или разделения светового потока от одного источника на два и более лучей различного спектрального состава с последующим сведением их в один луч в оптическом смесителе. Далее этот луч направляется на ИМ. Такие схемы наиболее пригодны для промышленного применения.

Для полного устранения влияния свойств ИМ на измерение влажности возможно применение двухволновых двухлучевых схем. Однако в этих схемах на результаты измерения оказывают воздействие неселективные загрязнения оптического пути измерительного и эталонного лучей, изменение характеристик измерительного и эталонного оптических каналов. Одновременно предполагается неизменность свойств ИМ в измерительном оптическом канале. Поэтому данные схемы с эталонным оптическим каналом используют преимущественно в лабораторных условиях. Их достоинство состоит в применении дифференциального метода измерения путем сравнения оптических плотностей исследуемого и эталонного материалов на нескольких спектральных интервалах.

Использование второго луча в сравнительном оптическом канале позволяет сравнивать и поддерживать постоянным соотношение интенсивностей излучения раздельных источников [ , ].

Все сказанное выше относится и к трехволновым (одно- и двухлучевым) схемам, а также к схемам, где используют больше трех спектральных интервалов.

Применение аналоговой и цифровой техники в электрической схеме прибора позволяет использовать в двухволновых (и более) однолучевых схемах ВИК одноканальную схему обработки. При использовании этой схемы электрические сигналы, несущие информацию об оптической плотности ИМ на разных спектральных интервалах, проходят через одни и те же электрические блоки ВИК, что снижает инструментальную погрешность прибора.

Выходной сигнал ВИК зависит от показателя линейности световых характеристик фотоприемника, функциональной зависимости прошедшего потока, влажности ИМ в соответствии с уравнениями (6.11), (6.3), (6.5). Для устранения этого недостатка был предложен способ построения ВИК, основанный на функциональной развертке сигнала как в измерительной схеме (электрическая), так и со стороны излучателя (оптическая).

Функциональная развертка электрического или оптического сигнала обычно совпадает с экспоненциальным поглощением в соответствии с выражением (6.10) или обратном ему. В этом случае сигнал, содержащий информацию о количестве влаги в ИМ, пропорционален разности временных интервалов. Осуществляется широтно-импульсная модуляция выходного сигнала прибора. Метод удобен для представления информации с помощью импульсных сигналов, которые затем обрабатываются цифровой техникой. Это повышает надежность устройства, помехозащищенность, позволяет обрабатывать информацию по более сложному алгоритму, применять ВИК в системах АСУ ТП без дополнительных преобразований сигнала.