Способ измерения влажности сыпучих продуктов

 

Изобретение относится к приборостроению для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Цель изобретения Изобретение относится к области приборостроения для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Известны способы измерения влажности , производящие распознавание измеряемого продукта и корректировку на основе этого результата измерений влагомера. В способе измерения влажности происходит распознавание полноты заполнения зоны измерения влажности анализируемым - повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неанализируемых компонент. Поставленная цель достигается тем, что влажность определяют уравнением, связывающим значение влажности только с оптическим показателем на спектральной позиции воды, а коэффициенты уравнения регрессии, задающие параллельное смещение и наклон градуировочнойхарактеристики, автоматически изменяют в зависимости от принадлежности анализируемого продукта определенной области в n-мерном пространстве признаков, которыми являются коэффициенты спектрального отражения на спектральных позициях измеряемых и неизмеряемых компонент. Разделение продукта на области в пространстве оптических признаков производят дискриминантными функциями вида АИ В путем получения произведения матрицы коэффициентов спектрального отражения R на матрицу преобразования А и сравнения результата с граничными значениями, определяемыми матрицей В. 4 ил., 1 табл. продуктом. Для повышения точности измерения используется вторая реперная длина волны 1реп2 . При этом коэффициент отражения на длине волны Яреп2 должен отличаться от коэффициента отражения на первой реперной длине волны Apeni не менее чем на 10%. Измерение влажности данным способом производится следующим образом: на первом этапе определяется полнота заполнения зоны измерения продуктом (например, чаем), для этого находят отношение коэффициентов отражения на сл С х| ю Ј VJ О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 N 21/25

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4721657/25 (22) 22.05.89 (46) 23.03.92. Бюл. ¹ 11 (71) Всесоюзный и роектно-конструкторский и научно-исследовательский институт автоматизации пищевой промышленности Научно-производственного объединения

"Пищепромавтоматика" (72) Л.Б.Багдасарян, С.A.×åðíåíêî, А.В.Сиденко и Л.Н.Ахапкин (53) 535.24 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1286959, кл. G 01 N 21/31, 1987.

Семенов Л.А., Сирея Т.Н. Методы построения градуировочных характеристик средств измерения. — M.: Изд-во стандартов, 1986. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ (57) Изобретение относится к приборостроению для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Цель изобретения

Изобретение относится к области приборостроения для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях.

Известны способы измерения влажности, производящие распознавание измеряемого продукта и корректировку на основе этого результата измерений влагомера.

В способе измерения влажности происходит распознавание полноты заполнения зоны измерения влажности анализируемым

„„ЯХ „„1721476 А1 — повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неанализируемых компонент. Поставленная цель достигается тем, что влажность определяют уравнением, связывающим значение влажности только с оптическим показателем на спектральной позиции воды, а коэффициенты уравнения регрессии, задающие параллельное смещение и наклон градуировочной характеристики, автоматически изменяют в зависимости от принадлежности анализируемого продукта определенной области в и-мерном пространстве признаков, которыми являются коэффициенты спектрального отражения на спектральных позициях измеряемых и неизмеряемых компонент. Разделение продукта на области в пространстве оптических признаков производятдискриминантными функциями вида AA = В путем получения произведения матрицы коэффициентов спектрального отражения R на матрицу преобразования А и сравнения результата с граничными значениями, определяемыми матрицей В, 4 ил., 1 табл. продуктом. Для повышения точности измерения используется вторая реперная длина волны pen2 . При этом коэффициент отражениЯ на ДлинЕ вслны Qen2 ДОлжЕн отличаться от коэффициента отражения на первой реперной длине волны фе,1 не менее чем на 10%. Измерение влажности данным способом производится следующим образом: на первом этапе определяется полнота заполнения зоны измерения продуктом (например, чаем), для этого находят отношение коэффициентов отражения на

1721476 первой и второй опорных длинах волн

ВЯреп1/R+en2 (ОПтИЧЕСКИй ПРИЗНаК) И СРаВ нивают его со значением, полученным в результате масштабирования оптического признака во влаге равного отношению коэффициентов отражения аналитической (по влаге) длины волны к первой опорной

Визм реп1 °

Если в результате сравнения получается число меньше заданного, то на втором этапе производят измерение влажности W с помощью зависимости W = f(h,). Если в результате сравнения получается число больше заданного, то это является признаком того, что участок транспортера в зоне облучения контролируемого материала неполностью заполнен чаем и результат измерения влажности по оптическому признаку

Л будет недостоверным, поэтому расчет влажности не производится. В данном способе измерения используется отличие формы спектральных характеристик материала транспортера (резины) и чая в ближней ИКобласти, при котором могут быть получены и отличающиеся друг от друга зависимости реп2 реп1 P () для случаев заполнения чаем зоны облучения на 90, 80 и 70 Д.

Однако для продуктов с различным содержанием компонент при одинаковых формах спектральных характеристик отношение коэффициентов отражения на первой и второй опорной длинах волн отличается на незначительную величину. B то же время существует взаимное влияние количеств неизмеряемых компонент на погрешность измерения влажности.

Известен способ учета влияния состава продукта на градуировочную характеристику влагомера, использующий схему множественной регрессии. При этом в уравнение регрессии, по которому рассчитывается влажность, помимо оптического признака на линии поглощения воды вводятся оптические признаки на линиях поглощения других неизмеряемых компонент, влияние которых необходимо, учесть при автоматической корректировке градуировочной характеристики.

Например, при измерении влажности шрота основной неизменяемой компонентой, влияющей на градуировочную характеристику влагомера, является количество масла в продукте.

Таким образом, уравнение регрессии представляется в виде

10

15 изм = Ко + К1 п — + К2 п

Р1изм Р2неизм

Rpen1 реп2

Рэнеизм + (1)

Врепз где W — измеренное значение влажности;

Я 1изм — КОЭффИЦИЕНт СПЕКтРаЛЬНОГО ОтРажЕНИя На ЛИНИИ ПОГЛОщЕНИя ВсдЫ; Я2неизм, R3 неизм коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения неизмеряемых компонент продукта (например, для шрота масло, белок, клетчатка и т,д.); реп 1, Rpen 2 Rpen 3 коэфициенты спектрального отражения на опорной длине волны; Ко, К1, К2, Кз — коэффициенты уравнения регрессии. Определение коэффициентов

Ko„,Ê3 в уравнении (1) производят путем подготовки проб продукта с раЗличными по диапазону значениями измеряемой компоненты при фиксированном значении неизмеряемых компонент с обработки массива полученных выходных сигналов влагомера методом регресивного . анализа. Например, для шрота в пробах последовательно фиксируются значения масла, при которых по диапазону изменяются значения влажности.

Однако такой метод не позволяет поставить в соответствие продукту с различным содержанием измеряемых компонент его градуировочную характеристику, так как при этом в выражении (1) корректируется только свободный член Ко и отсутствует возможность изменения коэффициента К1 при измеряемом оптическом признаке на линии воды. Изменение свободного члена Кр происходит в связи с тем, что повышение либо понижение оптических признаков неизмеряемых компонент влияет на соответствующие члены уравнения (1), которые

40 увеличивает либо уменьшают значение Ко.

Таким образом, имеется возможность параллельного смещения градуировочных характеристик и отсутствует возможность изменения угла наклона.

Цель изобретения — повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неизмеряемых компонент.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее способ измерения влажности сыпучих продуктов; на фиг. 2 и 3 — спектральные и градуировочные характеристики соответственно; на фиг. 4 — спектры.

На фиг. 2 представлены реальные спек55 тральные характеристики одного и того же продукта (шрота), снятые на спектрокомпьютере "Инфрапид-61" в ближней инфракрасной области (ИК-области) InR = f(il,), где

tnR — логарифм коэффициента спектрально1721476 гоотражения;Л -длина волны, Цифрами 6-8 обозначены виды продуктов, полученных с различных предприятий и имеющих различное содержание неизмеряемой компоненты (масла), соответственно максимальное, 5 среднее и минимальное значения (линия поглощения 11 ). Из этих видов продуктов приготовлены пробы с различным содержанием влаги по диапазону О, 5, 8 и

12, аналитическая линия поглощения вла- 10 ги — 43, i12 — опорная длина волны. Таким образом получены пробы с различным по диапазону значением измеряемой компоненты и фиксированным значением неизмеряемой. Представленные на фиг. 2 15 спектральные характеристики видов шрота являются наиболее характерными и выбранными из числа исследованных спектральных характеристик, которые располагаются между данными. 20

На фиг. 3 представлены градуировочные характеристики, соответствующие крайним и среднему видам шрота 6-8. По осям координат отложены: М/,с — истинное значение влажности, определенное лабора- 25 торным методом высушивания; М/изм — измеренное значение влажности, равное в соответствии с выражением (1) — Ко + К1 rI ру- °

В 3 (2) 30 2

Пунктиром обозначена зона, технологически допускаемых отклонений +.1, При этом видно, что погрешность измерения влажности крайних шротов значительно шире зоны допуска, 35

На фиг. 4 отдельно приведены спектры тех же видов шрота с нулевым значением влажности (нулевые спектральные характеристики).

На фиг, 2-4 было определено, что увеличение количества неизмеряемой компоненты (масла в шроте) приводит к увеличению логарифма коэффициентов спектрального отражения проб нулевой влажности по всему исследуемому диапазону фиг.4, что приводит к перемещению градуировочной характеристики фиг.3. Причем чем ближе расположены нулевые спектральные характеристики на фиг.4, тем ближе располагаются градуировочные характеристики на фиг.3. Наблюдается также веерообразное распределение градуировочных характеристик, т.е, сужение в начале диапазона и расширение к концу Поэтому для корректировки градуировочных характеристик, т.е. для введения их в зону допуска, обозначенную пунктиром фиг.3, необходимо в выражении (2) изменять оба коэффициента уравнения регрессии Ко и К1. Это изменение необходимо производить в зависимости от вида шрота и соответственно в зависимости от местоположения его нулевой спектральной характеристики. С этой целью на первом этапе измерений производится распознавание вида шрота или группы видов шротов, спектральные характеристики которых находятся близко друг от друга, На втором этапе ставятся им в соответствие коэффициенты Ко и К1, приводящие градуировочную характеристику в зону допуска. Эти коэффициенты используются при измерении влажности Ilo выражению (2).

Основными теоретическими положениями, вытекающими из приведенных фиг.1-3, которые определяют возможность разбиения видов продукта на области, явились следующие: спектры шрота различных видов одинаковы по форме и отличаются величиной коэффициента спектрального отражения неизмеряемых компонент, влияющих на градуировочную характеристику по влаге; градуировочные характеристики для различных видов продукта совпадают, если совпадают их нулевые спектральные характеристики; информативными в спектральной характеристике являются линии доминирующих компонент продукта, по которым может быть произведено распознавание, Исходя из этого для шрота была определена информативная неизмеряемая компонента (масло), влияющая на градуировочную характеристику по влаге и выбрано трехмерное пространство призна- ков, которыми являются соответственно коэффициенты спектрального отражения на линиях масла, неаналитической опорной и влаги А1 i4 Я3 (фиг 2) Вид дискриминантных функций ограничили классом линейных дискриминантных функций

a11R1+ а 12К2+ 81303 = Ь1 (3)

821R1 + 822R2 + 823R3 = Ь2 (4)

84101 + 842В2 + 843ЯЗ = Ь4 (5) или в матричной форме

AR= В, А где R= R1.

R2

RJ — матрица-столбец коэффициеитов спектрального отражения; а11.„...ац...a«j = 1...п

А= 81;..8I; ..àm i =1...m

am1...amj...amn — МатРИЦа ПРЕОбРаЗОВания

1721476

-1 0,451

1 -0,107

0,85 -0,052

0,824 -0,073 (6) (0,076

В = I 0 0546 0,083 -0,042 (7) 40

55 матрица-столбец граничных значений областей.

Для определения коэффициентов матрицы преобразования aiI и матрицы граничных значений bi были подготовлены пробы характерных видов различных по диапазону влажности шротов с фиксированным значением неизмеряемой компоненты и на трехканальном ИК-влагомере определены коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения масла, влаги, и опорной каждой пробы. Затем по специально разработанной программе на ЭВМ рассчитаны коэффициенты aiI дискриминантных функций.

Значения рассчитанных коэффициентов а1 и b приведены в следующих выражениях;

Значения градуировочных коэффициентов, используемых для расчета влажности при нахождении шрота в соответствующей области, приведены в таблице.

На фиг. 1 обозначены сыпучий продукт

1, инфракрасный фотометр 2, блок 3 аналого-цифровых преобразователей, вычислительный блок 4, блок 5 индикации.

Сыпучий продукт 1 облучают источником света, находящимся в инфракрасном. фотометре 2. Отраженный от сыпучего продукта световой сигнал оптически формируют и с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и информативных неизмеряемых компонент (в данном случае одной информативной компоненты — масла), Таким образом, в результате преобразования с помощью фотоприемника светового инфракрасного сигнала в электрический на выходе инфракрасного фотометра 2 появятся напряжения, пропорциональные коэффициентам спектрального отражения на линиях масла, неаналитической опорной и влаги RJ1, RJ2, RQ .. Полученные значения коэффициентов спектрального отражения преобразуют в цифровую форму в блоке

3 аналого-цифрового преобразования соотвественно в числа. N1, N2, Из, которые подают в вычислительный блок 4, B последнем определяют логарифмы отношения коэффи5

35 циенто в спектрал ьно го отражения от сы пучего продукта на спектральных позициях воNa ды и неаналитической опорной In —, а

Мг также рассчитывают влажность W<» путем умножения и суммирования полученного значения логарифма на градуировочные коэффициенты К1 и Ко в соответствии с выражением виэм = К1 п — + Ко чз

N2

Численные значения градуировочных коэффициентов, соответствующих анализируемому виду продукта (например, шрота) выбирают из имеющихся в памяти вычисленного блока 4. Для этого числа N1, N2, Мз, пропорциональные коэффициентам спектрального отражения, полученным от продукта (шрота), умножают соответственно на строку коэффициентов матрицы преобразования и суммируют следующим образом:

a11N1+ a12N2+ а13 3 = Ьр.

Результат суммирования Ь1 сравнивают с первым членом матрицы столбца граничных значений Ь1.

Если полученное значение больше Ь1, то из памяти вычислительного блока выводятся градуировочные коэффициенты уравнения регрессии Ко и KI, соответствующие той области пространства оптических признаков, в которой по своим параметрам находится измеренный вид продукта. Если полученное значение Ьр меньше b1, то числа

N1, N2 N3 умножаются соответственно на следующую строку коэффициентов матрицы преобразования: аг1% + a22N2+ агзйз = Ьр.

Результат суммирования сравнивают с вторым членом матрицы столбца граничных значений b2. Аналогично принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) во второй области пространства оптических признаков и выводе из памяти, для расчета влажности соответствующих этой области коэффициентов уравнения perpecсии Ко и KI либо о проведении нового цикла последовательных операций. При достижении последней строки матрицы и получении результата суммирования меньше последнего граничного значения Ь5 принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) в пятой области пространства оптических признаков и выводе из памяти соответствующих этой области коэффициентов уравнения регрессии

Ко, К1. Результат измерения влажности

М/изм выводится на индикацию в блок 5.

1721476

Пример 1 (для случая, когда сыпучий продукт(шрот) с влажностью, определенной по методу высушивания, 8,7%, находится во второй области пространства оптических признаков).

Сыпучий продукт облучают источником света. B отраженном от сыпучего продукта световом сигнале с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и информативной неизмеряемой компоненты (масло). Определяют логарифмы полученных коэффициентов спектрального отражения на этих длинах волн, которые равны соответственно !пК1 = 0,1434;!пег = 0,1186; пауз = 0,3626.

Находят логарифм отношения In—

Ra

Йг ! пйз - InRz = 0,244.

Вычисляется параметр bp с использова нием первой строки матрицы (6)

bp = 0,09846 и сравнивается с граничным значением первой области из матрицы (7) -0,076, Ьр < b3; -0,09846 < -0,076, Полученное значение Ьр < Ь1. Поэтому вычисляется новый параметр bp с использованием второй строки матрицы (6)

bp = -0,0524, сравнивается с граничным значением второй области матрицы (7) -0,0546.

Ьр> b1;

-0,0524 > -0,0546.

Условие bp > b> выполняется, т.е. сыпучий продукт (шрот) находится во второй области пространства оптических признаков.

Поэтому при расчете влажности используются градуировочные коэффициенты, соответствующие второй области (таблица) Ko=-5,89; К1=59,17. ! деизм = -5,89 + 59,17 !и — = 8,5%, з

Пример 2 (для случая, когда сыпучий продукт(шрот) с влажностью, определенной по методу высушивания 7,8%, находится в пятой области пространства оптических признаков), Сыпучий продукт облучают источником света. В отраженном от сыпучего продукта световом сигнале с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции pn H son H esca r, опорной информативной неизмеряемой компоненты (масло). Определяют логарифм полученных коэффициентов спектрального отражения на этих длинах волн, который равен соответственно !пК1 = 0,2285; InRz = 0,1940; !пауз =

=0,4730.

Находят логарифмы отношения In—

Ra

Вг

InRa - !Пкг = 0,2790.

Вычисляют параметр bp с использованием первой л последующих строк матрицы (6) и результат сравнивается с граничным значением соответственно первой и последующих областей матрицы (7)

Ьр = -0,2091;

10 -0,2091 < -0,076;

bð = -0,067288;

-0,067288 < -0,0546;

bp = -0,088196;

-0,088196 < -0,083;

15 bp = -0,103".;

-0.,1031 < -0,042, В результате проведенных операций очевидно, что данныл вид сыпучего продукта относится к пятой области пространства

20 оптлческих признаков и поэтому при расчете влажности используются градуировочные коэффициенты, соответствующие пятой области (таблица).

Ко =-5,63; К> =46,34.

25 Ra

Н/изб = -5,63 + 46,34 In — = 7,3 .

Йг

Способ измерения влажности может быть реаллзован для любого вида сыпучих продуктов. Для этого необходимо провести аналогичные исследования с определением доминирующих неизмеряемых компонент, а также дискриминантных функций и регрессионных коэффициентов, соответствующих каждой области.

Использование способа измерения влажности сыпучих продуктов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: повышение точности измерения влажности; исключение проведения на предприятии индивидуальной градуировки влагомера подданный вид и родукта.

Результаты экспериментальных исследований влагомера, использующего способ измерения влажности, показали, что погрешность измерения влажности всех видов шрота не превысила+1%.

Формула изобретения

Способ измерения влажности сыпучих продуктов, заключающийся в измерении коэффициентов спектрального отражения воды и неанализируемой компоненты и представлении зависимости влажности от логарифма указанных оптических показате55 лей в виде уравнения множественной регрессли, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения влажности продукта с различным содержанием неанализируемых компонент, допол1721476

30

35 нительно измеряют коэффициенты спектрального отражения остальных требуемых неанализируемых компонент, а значения коэффициентов уравнения регрессии, связывающего влажность с логарифмом оптического показателя на спектральной позиции воды,и задающих параллельное смещение и наклон градуировочной характеристики, определяют из таблицы коэффициентов, для чего рассчитывают свободный член bp1дискриминантной функции из зависимости

a11R1+ а1гйг+ а1зйз = bp1, где а11, а12, а13 коэффициенты первой строки матрицы А коэффициентов при переменных уравнениях плоскости дискриминантной функции;

R1, В2, Вз — значения логарифмов коэффициентов спектрального отражения на спектральных позициях соответственно неанализируемой доминирующей компоненты, неанализируемой компоненты и воды. после чего свобоДный член bp1 ДискРиминантной функции сравнивают с первым свободным членом Ь1 матрицы-столбца В свободных членов уравнений плоскости ди5 скриминантной функции, при выполнении

УсловиЯ bp1 — Ь1 < 0 Рассчитывают новое значение свободного члена дискриминантной функции bpz с использованием коэффил циентов второй строки матрицы А и

10 сравнивают с вторым свободным членом

Ь2 из матрицы-столбца В, повторяют указанное действие до выполнения условия

bpl - bl > О, где 1 — номер строки матрицы Б, при этом в уравнение регрессии вводят ко15 эффициенты, соответствующие 1-му номеру строки таблицы коэффициентов, а в случае постоянного знака разности bp - Ь1 < 0 ля

Bcex m строк матрицы преобразования А в уравнение регрессии вводят коэффициен20 ты, соответствующие последнему номеру строки таблицы коэффициентов, 1721476

1721476

0,2

ЮЯ 8/Ы

2g и

50

Составитель В. Калечиц

Техред М,Моргентал Корректор М. Пожо

Редактор Е, Папп

Заказ 947 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101