Способ определения массовой доли влаги сыпучих материалов

 

Использование: контроль влажности сыпучих материалов в сельском хозяйстве. Сущность изобретения: способ включает помещение материала в емкостный датчик, воздействие на него частотно-модулированным сигналом, состоящим из низкочастотного и высокочастотного, причем частоты выбираются на плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты низкая - до зоны частотной дисперсии, а высокая после зоны частотной дисперсии, изменением амплитуды низкой частоты добиваются исчезнования огибающей частотно-модулированного сигнала, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подаваемого сигнала и по его значению определяют искомый параметр. 1 ил.

фСОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 N 27/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

8ЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) uNHAI

ТГЛдЧ ОРЦ I QГЕ.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4824677/25 (22) 28.03.90 (46) 23.06.93. Бюл. М 23 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Инфракон" (72) В. А. Таран, Ю. А. Скрипник, А. M. Тюльтин и В. М, Рогач (56) Бойко В. О, и др. Двухчастотный метод измерения влажности зерна, Измерительная техника, 1980, N. 4, с. 59.

Авторское свидетельство СССР

N 1283638, кл. G 01 N 27/22, 1985, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ

ДОЛИ ВЛАГИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: контроль влажиости сыпучих материалов в сельском хозяйстве.

Изобретение относится к области контроля физико-химических свойств материалов с помощью электрических полей и может быть использовано для экспрессного измерения массовой доли влаги (МДВ) в сыпучих материалах, преимущественно в кормовых материалах (Фуражном зерне, сене, зеленой массе и т.n,) с повышенной точностью.

Целью изобретения является повышение точности и экспрессности контроля путем исключения влияния на результат контроля концентрации проводящих веществ в исследуемом влажном материале и нестабильности параметров испытательных сигналов и преобразовательных блоков, используемых для формирования частотномодулированных колебаний, коэффициент амплитудной модуляции которых непосредственно измеряется.

„„5Ц „„1822964 А1

Сущность изобретения: способ включает помещение материала в емкостный датчик, воздействие на него частотно-модулированным сигналом, состоящим из низкочастотного и высокочастотного, причем частоты выбираются на плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты низкая — до зоны частотной дисперсии, а высокая после эоны частотной дисперсии, изменением амплитуды низкой частоты добиваются исчеэнования огибающей частотно-модулированного сигнала, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подаваемого сигнала и по его значению определяют искомый параметр. 1 ил.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, генератор 2 высокой частоты, аттенюаторы 3, 4, фазовращатель 5 низкой частоты, фаэовращатель 6 высокой частоты, автоматические переключатели 7, 8, делитель 9 частоты, емкостной датчик 10, конденсатор 11, синхронный детектор 12, амплитудный ограничитель 13, усилитель 14 низкой частоты, фаэочувствительный выпрямитель 15, индикатор 16, и измеритель коэффициента амплитудной модуляции 17.

Автоматический переключатель 7 осуществляет поочередную подачу пакетов напряжений низкой и высокой частот от генераторов 1 и 2 на вход емкостного датчика 10. Автоматичеоки переключатель 8 осуществляет подачу аналогичных пакетов напряжений на опорный вход синхронного

1822964

50 (5) детектора 12, сдвинутых по фазе относительно напряжений генераторов 1 и 2 и уравненных по амплитудам ограничителем

13. На сигнальный вход синхронного детектора 12 поступают пакеты напряжений низкой и высокой частоты с выхода емкостного датчика 10. Автоматическая работа переключателей 7 и 8 обеспечивается прямоугольным напряжением низкой частоты, формируемой делителем 9 частоты, который подключен к выходу генератора 1 низкой частоты. Выделение и фиксация огибающей частотно-модулированных колебаний, состоящих иэ пакетов напряжений низкой и высокой частот, осуществляется с помощью усилителя 14 низкой частоты, фазочувствительного выпрямителя 15 и индикатора 16.

Контроль массовой доли влажности (МДВ) материала, помещенного в емкостной датчик 10, ведут по показаниям измерителя 17 коэффициента амплитудной модуляции, подключенного ко входу емкостного датчика 10.

Способ реализуется следующим образом.

Емкостной датчик 10 заполняют исследуемым материалом и воздействуют на него через автоматический переключатель 7 частотно-модулированными колебаниями, состоящими иэ пакетов низкочатотных и высокочастотных напряжений генераторов

1 и 2. Низкую частоту an выбирают нэ плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости влажного материала от частоты до эоны частотной дисперсии. Высокую частоту са — соответственно на плоском участке этой зависимости, но после эоны частотной дисперсии.

Емкость конденсатора 11 берут в 100-200 рээ больше емкости датчика 10. При таком соотношении емкостей падения напряжений на конденсаторе 11 определяются переменными токами, протекающими через датчик 10.

С учетом реальной нестабильности амплитуд генераторов 1, 2 и ослаблений. вносимых оператором с помощью аттенюаторов 3, 4 напряжения пакетов низкой и высокой частотой. воздействующих на датчик 10, можно представить в виде:

01-К10в1(1+ у41+ асов(а t+ 1Р1), (1)

О -М О,(1+у)(1+ В)(1+5) х х сов(оа t+ rp2). (2) где К1 и К - коэффициенты передач аттенюаторов 3 и 4;

Um1, 0 1, rpI, + — амплитуды и начальные фазы генераторов 1 и 2;

AUm) AU у1 г = — относительm3 fig ные нестабильности амплитуд соответственно низкочастотного напряжения частоты в и высокочастотного напряжения частоты (Щ;

Р1 и Pz — относительные регулируемые изменения коэффициентов передач соответственно вттенюаторов 3 и 4, вводимые оператором; ьa уз - — - — — относительная частотная погрешность высокочастотного эттенюатора 4 относительно низкочастотного эттенюатора 3.

Тогда токи, протекающие через датчик

10, будут определяться напряжениями пакетов U> и Uz и полными проводимостями емкостного датчика с влажным материалом на соответствующих частотах.

В области низких частот полная проводимость датчика определяется всеми компонентами сыпучего материала, представляющего собой дисперсную среду из сухого вещества, воды и проводящих добавок

Ун=КЗ m1 Е+(mb, mc, гпп), (3) где Ib — коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика; е *(mb, mc, mn) — комплексная диэлектрическая проницаемость, пропорциональная массе влаги mb, массе сухого вещества

mc и массе проводящих веществ mn в объеме датчика.

Выходное напряжение датчика 10, снимаемое с конденсатора 11 и пропорциональное его низкочастотному току, в соответствии с выражением (3) имеет вид:

0з=K> Кз и 1(1+у1)х

Х (1 + P> ) cos (в t + р1 + Л у ), (4) где С вЂ” емкость конденсатора 11;

Лф1 — фазовый сдвиг, вносимый электрическими потерями в материале датчика.

При воздействии нв датчик высокочастотными колебаниями его проводимость возрастает за счет увеличения частоты и уменьшается эа счет частотной дисперсии диэлектрической проницаемости влажного материала. Если высокая частота п ревы шает зону частотной дисперсии, то комплексная диэлектрическая проницаемость в основном определяется массой сухого вещества mc и массой проводящих веществ, и соответствующая проводимость

Yb-Q Мг Е"(глс. m„).

1822964 (8) 0мвкс 0мии

0мвкс + 0мин (13) 55

8ыходное напряжение датчика. пропорциональное высокочастотному току, примет вид: и4 =К2 КЗ Um2 (1+72) X (6)

S х (1 + )rl ) (l + $ ) con (QI2 t + pl + A fpl ) i где Apz - фазовый сдвиг, вносимый материалом датчика на высокой частоте. 10

Пакеты выходных напряжений датчика, пропорциональные его токам, поступают на сигнальный вход синхронного детектора 12, на опорный вход которого воздействуют пакеты напряжений низкой и высокой частоты одинаковой амплитуды, прошедшие ограничитель 13, и сдвинутые по фазе фээовращателями 3 и 4 относительно генерируемых колебаний. В результате синхронного детектирования выходных напряжений дэтчи- 20 ка с участием опорных напряжений, синфазных с реактивными составляющими токов датчика на низкой и высокой частотах, формируются пакеты выпрямленных напряжений, пропорциональных только емкост- 25 ным составляющим токов датчика 10: (mb, mc)

05= К1КЗК4 — — (— — Um1 х х (1+ у1)(1+ p1) 1

mc

U5= К2 IbK4 0m2 х х (1+ у2Х1+ КЗХ1+ Р2) где К4 — коэффициент выпрямления синхронного детектора 12;

Е(mb, mo) и E(mc) — действительные составляющие диэлектрической проницаемости материала соответственно на низкой и высокой частотах, Из-за неравенства напряжений 05 и Ов из-за дисперсии е в выходном напряжении синхронного детектора присутствуют прямоугольная огибающая пакетов напряжений, пропорциональных реактивным составляющим током датчика на низкой и высокой частотах, О7 5 6,, Q кзк4Х

2с (K1E(mb mc ) Um1 X

X (1 + у1 ) (1 +ф1 ) — K2 К (mc ) X

X um2 (1+ у2 ) (1+ ) (1+

+Д ) ) Slgfl Sln Q(, где Q- частота модуляции (Q«N1 );

slgnsln Q t — сигнум-функция (Огибэющая знака периодического процесса).

Переменное напряжение От частоты модуляции усиливается усилителем 14 низкой частоты. выпрямляются фазочувствительным выпрямителем 15 и фиксируется индикатором 16.

Изменением амплитуды пакетов напряжения низкой частоты аттенювтором 3 добиваются исчезновения огибающей частоты модуляции Q При нулевом показании индикатора 16, полученного изменением коэффициента передачи р1 оператором с помощью низкочастотного аттенюатора 3. имеем

Kgmbmc)Um1(1 у1)(1+ jh)К2 <(mс)02(1+ ф(1+ 3)(1+ Д) . (10) откуда получаем установленное оператором значение коэффициента передачи

После подавления огибающей в выходном напряжении датчика 10 измеряют коэффициент амплитудной модуляции во входном напряжении датчика. Частотно-модулированные колебания, дополнительно модулированные по амплитуде, можно представить в виде

Us-0ср(1+ mslgnsln Qt) x

Х COS(Ncpt+ — ц — а!дпэ!П Qt+ ((() р), (12)

AN где 0ср — среднее значение амплитуды модулированных колебаний;

m — коэффициент амплитудной модуляции; ссср u (pep — средние значения частоты и фазы модулирвоанных колебаний;

AN — индекс частотной модуляции (манипуляции).

Коэффициент амплитудной модуляции определяется выражением и зависит от степени неравенства амплитуд пакетов напряжений низкой и высокой частот нв входе датчика 10, Согласно выражениям (1) и (2) и (13) имеем

1822964 О2 I - I u1 к2 2 1+y2 1+y2 к1о,1 1 у1

К2 um2 1 Р 1 (15) (16) Е (mb, mc mb+mc) (17) е(mc) Kmc

mb

mп1ь+ 2 mc (18) 40

50 Формула изобретения

55 где 1 3 I - модуль (амплитуда) напряжений соответствующих пакетов. Поставляя в выражение (14) значение регулируемого параметра ф1 иэ (11). получаем значение коэффициента амплитудной модуляции

Действительная составляющая. комплексной диэлектрической проницаемости на низких частотах пропорциональна массам влаги и сухого вещества в объеме датчика и не зависит от массы проводящих веществ где K — коэффициент пропорциональности, зависящий от электрофизических свойств материала.

Диэлектрическая проницаемость влажного материала на высоких частотах эа пределами зоны частотной дисперсии пропорциональна только массе сухого вещества и также не зависит от массы проводящих веществ

С учетом действительных значений диэлектрической проницаемости (16) и (17) коэффициент амплитудной модуляции (15) принимает вид

В сельскохозяйственных продуктах, в частности кормовых материалах, массовая доля влаги доходит до 70-80 процентов(см., например, градуировочные таблицы емкостного влагомера кормовых материалов

"Электроника ВЛ K-01", паспорт

208.00.00.000 ПС завода НПО "Инфракон").

Поэтому в контролируемых материалах масса сухого вещества многим меньше массы влаги (mc«mb) и выражение (18) при больших влажностях пропорционально МДВ л1 ° 100 (Я. ° (19)

Таким образом, измеряя коэффициент амплитудной модуляции входных частотномодулированных колебаний датчика в процентах определяют МДВ материала также в процентах. При малых значениях МДВ, ког5

1 +pZ — К1 um1 1 + y» +p1 ) (14) да ть и mc соизмеримы в выражение (19} необходимо вносить поправку, которая заранее рассчитывается для каждого значения МДВ.

Контроль МДВ по коэффициенту амплитудной модуляции на входе датчика по изложенной методике исключает влияние проводящих веществ на результат измерения, в значительной мере снижает погрешность от плотности упаковки пробы, так как измеряется не абсолютное значение емкости датчика с пробой. а относительная величина, пропорциональная отношению емкостей одной пробы на двух частотах, повышается экспрессность контроля за счет устранения необходимости в строгом доэировании обьема и плотности пробы, Иэ сопоставления выражения (19) с выражениями (1), (2), (4), (б) и (9) следует, что нестабильности амплитуд низкочастотного (y1), высокочастотного (y2) напряжений, коэффициентов передач аттенюаторов (K1 и

К2), параметров емкостного датчика (Кз), коэффициента выпрямления синхрОнного детектора (K4), коэффициента усиления усилителя 14 низкой частоты и коэффициента выпрямления фазочувствительного выпрямителя 15 не влияют на точность контроля МДВ.

Предлагаемый способ использован для контроля МДВ силосной массы с помощью емкостного датчика, используемого во влагомере "Электроника ВЛК-01". Частота низкочастотного генератора выбрана порядка

100 кГц, частота высокочастотного генератора 15-30 МГц, а частота модуляции — 1 кГц, В качестве измерителя коэффициента амплитудной модуляции частотно-модулированных колебаниЯ использован серийно выпускаемый измеритель модуляции типа

С2-23, работающий в диапазоне частот

0,01-500 МГц при модулирующих частотах

0,03-200 кГц. Пределы измерения по коэффициенту модуляции в процентах от 0,1 до

100, что вполне обеспечивает контроль кормовых материалов по МДВ в пределах от 20 до 80 процентов, с погрешностью не более

0.5 .

Способ определения массовой доли влаги сыпучих материалов, включающий помещение материала в емкостный датчик, воздействие на датчик частотно-модулированным сигналом, состоящим из низко- и

1822964

Составитель Ю; Скрипник

Техред М, Моргентал Корректор А. Мотыль

Редактор О, Стенина

Заказ 2178 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 высокочастотных колебаний, при этом низкую частоту выбирают соответстеующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от чвстотМ до зоны частотной дисперсии и измеряют коэффициент амплитудной модуляции частотно-модулированных колебаний, по значению которого судят об определяемом параметре, отличающийся тем. что, с целью повышения точности определения, высокую частоту в частотно-модулированном сигнале выбирают нв плоском участке характеристики зависимости диэлектрической

5 проницаемости от частоты после зоны частотной дисперсии, изменяют амплитуду низкочастотных колебаний до исчезновения огибающей частоты модуляции, измеряют коэффициент амплитудной модуляции пода10 ваемого сигнала.