способ измерения влажности вискозного волокна

Формула изобретения

Способ измерения содержания воды в вискозном волокне, заключающийся в приложении переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного исследуемого материала, и измерении ее электропроводности, отличающийся тем, что прессование пробы волокна производят до объемной плотности материала, превышающей 400 кг/м³, затем к электродам последовательно прикладывают переменное напряжение с частотой 50 Гц и частотой 20-100 кГц, контролируют соответствующие токи (I₁ и I₂), протекающие между электродами, и определяют значение тока смещения, проходящего через пробу, по формуле:

,

в которой I₀ - фоновое значение тока, контролируемое между электродами на частоте 20-100 кГц при отсутствии волокна, и после этого находят величину массы воды в исследуемой пробе волокна на основании предварительно установленной зависимости тока смещения от массы воды в волокне.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению влажности волокнистых материалов, и может быть использовано в текстильной и хлопчатобумажной промышленности.

Остаточная влажность вискозного волокна определяет его качество и подлежит обязательному контролю в условиях промышленного производства. Повышение объективности данного контроля позволяет улучшить технические и коммерческие показатели волокна.

Известен термогравиметрический способ контроля содержания воды в волокне, основанный на регистрации изменения его массы при нагреве в сушильной камере (Аналитический контроль производства искусственных волокон. Справочное пособие под ред. А.К. Диброва и B.C. Матвеева. - М.: Изд. Химия. - 1986. - 334 с.).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится высокая длительность (4-5 часа) измерений и их низкая объективность (используются порции волокна массой в сотни грамм).

Известен способ определения влажности вещества, основанный на многократном пропускании через его пробу электромагнитных СВЧ-сигналов и последующем определении среднего значения измеряемой величины (Р.И. Сайтов, Р.Г. Абдеев, Н.А. Серафимов и др. - Патент РФ № 2380689. Способ измерения влажности материалов. Опубл. 27.01.2010 г.).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что в нем применяется сложное экспериментальное оборудование и анализируются пробы материала массой в десятки грамм. В результате также не достигается требуемая объективность контроля влажности промышленных партий продукции.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ измерения влажности вискозного волокна, заключающийся в приложении переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного исследуемого материала и измерении ее электропроводности (И. Форейт. Емкостные датчики неэлектрических величин. - М.-Л.: Энергия. - 1966. - С.15, 99 - прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе применяется одночастотный режим (из диапазона 0,2-5,0 МГц) измерений электропроводности проб исследуемого материала. В результате контролируемая величина тока, проходящего через волокно, кроме тока смещения (информативный параметр), включает в себя и ток проводимости. Данные токи сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол в (90- ) градусов ( - угол, характеризующий диэлектрические потери в волокне). Величины составляющих контролируемого тока и различным образом зависят от частоты напряжения, приложенного к образцу исследуемого волокна, его влажности и степени прессования. Игнорирование этих факторов, как это сделано в прототипе, приводит к значительным неконтролируемым погрешностям.

Задача данного изобретения заключается в повышении чувствительности и точности диэлькометрического способа измерения влажности волокна.

Данный технический результат достигается при осуществлении изобретения тем, что в известном способе, включающем приложение переменного напряжения к двум электродам, между которыми располагают пробу спрессованного вискозного волокна, и измерение ее электропроводности, прессование пробы волокна производят до объемной плотности материала, большей 400 кг/м³. Затем к электродам последовательно прикладывают переменное напряжение амплитудой 20-30 В с частотой 50 Гц и с частотой (20-100)·10³ Гц, контролируют соответствующие токи (I₁ и I₂), протекающие между электродами, и определяют значение тока смещения, проходящего через пробу, по формуле:

в которой I₀ - фоновое значение тока, контролируемое между электродами на частоте (20-100)·10 ³ Гц при отсутствии волокна. После этого находят величину массы воды в исследуемой пробе волокна на основании предварительно установленной зависимости тока смещения от массы воды в волокне.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет выбора оптимальной плотности исследуемого волокна и использования контроля тока, проходящего через него, на двух различных частотах.

При плотности волокна, меньшей 400 кг/м³ , на величины контролируемых токов I₁ и I₂ влияют переходные емкости на границе раздела "волокно - измерительные электроды", которые зависят от массы пробы волокна и ее расположения относительно электродов. При плотности волокна, большей 400 кг/м³, указанная граница раздела обогащается избыточной водой и переходные емкости исчезают, что обеспечивает стабильность регистрируемых сигналов и минимизацию погрешностей их измерения.

Ток через волокно, контролируемый на частоте, меньшей 50 Гц, равен току проводимости (I₁), а на частоте 20-100 кГц - векторной сумме токов проводимости и тока смещения. При этом при влажности волокна в практически важном диапазоне 4-12% близок к нулю. В результате обеспечивается возможность простого определения истинного тока смещения, проходящего через волокно и однозначно связанного с массой находящейся в нем воды.

Использование амплитуды переменного напряжения в 20-30 В обеспечивает относительную погрешность измерения токов на уровне 1-2%.

В процессе проведенного анализа уровня техники не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения. А сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения технического результата. Анализ также показал, что заявляемое изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как не обнаружены технические решения, в которых содержание воды в вискозном волокне контролируется при его определенной плотности на основании регистрации токов, проходящих через пробу волокна на двух различных частотах.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" и "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Чертежи, иллюстрирующие особенности реализации предлагаемого способа, представлены на фиг.1-5. Здесь на фиг.1-2 приведены соответственно частотные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости волокна, контролируемые при его различной влажности ( _H20, кг/м³: 1-0; 2-40; 3-50; 4-64); на фиг.3 - частотные зависимости угла диэлектрических потерь волокна ( _H20, кг/м³: 1-0, 2-52, 3-64, 4-76, 5-104); на фиг.4 - зависимость тока смещения, проходящего через волокно, от массы находящейся в нем воды; а на фиг.5 - зависимость от степени уплотнения волокна нормированной величины контролируемого тока (влажность волокна 10%, частота зондирующего напряжения - 20 кГц, амплитуда - 20 В).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Проба вискозного волокна помещается в измерительную камеру (формы, близкой к кубической) и прессуется до получения плотности волокна, не меньшей 400 кг/м³. Затем к двум измерительным электродам, расположенным на внутренней поверхности противоположенных сторон камеры, прикладывается синусоидальное напряжение и контролируется ток, проходящий через волокно. Величина этого тока однозначно связана с количеством воды, находящейся в пробе волокна.

При реализации известных способов контроля влажности волокна (например, прототип) измерения тока проводят на одной частоте, находящейся в диапазоне от 0,2 до 5,0 МГц. При этом в регистрируемом полезном сигнале (I_изм) кроме токов смещения (I _см - информативный параметр, однозначно связанный с содержанием воды в волокне) присутствует ток проводимости (I_пр ) и паразитный ток, проходящий через камеру в отсутствие в ней волокна (I₀). Амплитудное значение тока проводимости неконтролируемым образом зависит от плотности волокна, его химического состава и влажности. Кроме этого I_пр смещен относительно I_см на угол (90- ). Угол диэлектрических потерь также зависит от электрофизических свойств волокна и частоты зондирующего сигнала. Искомый ток в этом случае определяется соотношением:

Из полученного выражения следует, что определение количества воды в волокне по I_см осуществляется с переменной погрешностью (I_пр и - переменные величины), учесть которую не представляется возможным.

Устранить указанную неопределенность позволяет индивидуальное определение тока проводимости и выбор частоты зондирующего напряжения, при которой диэлектрические потери в волокне пренебрежимо малы ( близок к нулю).

Ток проводимости может быть определен при использовании переменного напряжения с частотой, не превышающей 50 Гц. На постоянном токе эти измерения затруднены процессами ионно-миграционной поляризации волокна (токоперенос в объеме электролитических ячеек, образованных в местах локального скопления воды в волокне). При частоте, большей 50 Гц, на контролируемую величину начинает накладываться ток смещения и погрешность измерения I_пр составляет 3-7%.

Выбор высокочастотного диапазона напряжения осуществлен на основании исследования электрофизических свойств волокна - контролировались частотные зависимости действительной ( ) и мнимой ( ) частей диэлектрической проницаемости волокна при различном содержании в нем воды. Полученные зависимости представлены на фиг. 1-2, соответственно.

Зависимость имеет максимум около 10⁶ Гц, чему соответствует процесс ориентации молекул воды (диполей), адсорбированных на поверхности волокна, в направлении приложенного поля. При влажности волокна, превышающей 12%, возрастает, что свидетельствует о появлении еще одного механизма поляризации с большим характерным временем - макрополяризация электролита, заполняющего отдельные поры волокна.

Действительная часть диэлектрической проницаемости волокна на низких частотах (до 10⁵ Гц) изменяется слабо (фиг.2), заметно возрастая при влажности, превышающей 11%.

Угол диэлектрических потерь при влажности волокна, меньшей 12%, и частоте используемого напряжения, не превышающей 100 кГц, близок к нулю (фиг.3).

При выборе оптимального диапазона частот зондирующего высокочастотного напряжения учитывались следующие обстоятельства. При частоте, меньшей 20 кГц, начинает заметно снижаться контролируемый ток - возрастает емкостное сопротивление волокна. При частоте, большей 100 кГц, становится существенным уменьшение и возрастание угла диэлектрических потерь. В диапазоне частот 20-100 кГц искомое значение тока смещения, проходящего через волокно, может быть определено по упрощенной формуле:

где I₂=I_изм и I₁=I_пр - токи через волокно, контролируемые на частоте 20-100 кГц и 1-50 Гц соответственно.

Искомое значение массы воды в исследуемом волокне находится по предварительно установленной зависимости между током смещения, проходящего через волокно, и содержанием в нем воды - фиг.4.

Величина тока, проходящего через волокно, критична к степени его сжатия - фиг.5. Этот факт обусловлен существованием переходной емкости на границе раздела "волокно-поверхность электрода". При плотности волокна, большей 400 кг/м ³, влияние данного фактора становится несущественным.

Реализация предлагаемого способа осуществлялась в условиях производства на кипах волокна, находящихся в камере окончательного прессования (размеры камеры - 940×570×500 мм). Амплитуда напряжений, прикладываемых к измерительным электродам, составляла 20 В, частоты 20 Гц и 20 кГц, соответственно. Оценка интегрального содержания воды в кипах вискозного волокна осуществлялась на основании предварительно установленной на уменьшенном макете камеры прессования градуировочной зависимости, представленной на фиг.4. После взвешивания кипы определялась влажность находящегося в ней волокна (В_экс), которая затем сравнивалась с результатами оценки влажности волокна, выполненной 5-6 раз по стандартной методике (В₀ - термогравиметрический метод). Полученные результаты измерений представлены в таблице.

Вэкс	8,6-8,8	7,8-8,1	8,4-8,5	12,0-12,4
В0	7,8-13,0	7,2-10,3	8,1-9,4	9,3-13,3

Из анализа полученных результатов следует, что наблюдается качественное совпадение В_экс и В₀. При этом разработанный метод отличается существенно большей объективностью и повторяемостью результатов. Данное обстоятельство является следствием малой выборки порций волокна при использовании стандартного метода оценки его влажности.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить объективность измерения содержания воды в вискозном волокне, что обеспечивает повышение его качества и коммерческих показателей.