Устройство для интенсивного высушивания увлажненных образцов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного высушивания веществ с любой концентрацией солей, металлов и влаги. Устройство содержит верхнюю с выпуклой внутренней поверхностью и нижнюю с вогнутой внутренней поверхностью плиты 1, выполненные из теплопроводного материала. Нагревательные элементы 22 выполнены, например, из проволочной спирали в керамических изоляторах и смонтированы с наружных сторон плит. Термодатчиком 4 служит термопара, вмонтированная в одну из плит. Схема управления нагревом и стабилизации температуры содержит последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель 5, регистратор 3, сумматор-усилитель 7, подключенный вторым входом к введенному в устройство задатчику температуры 6, дифференциатор-усилитель 8, первый и второй транзисторные ключи 9, при этом второй вход первого ключа соединен со вторичной обмоткой введенного в устройство трансформатора блока питания 23. В корпусе устройства размещены также последовательно соединенные транзисторный усилитель 10, который разделенным сопротивлениями входом подключен к выходу измерительного преобразователя - усилителя 5, оптрон 11, блок управления симметричным тиристором 12, симметричный тиристор 13, в нагрузку которого включены нагревательные элементы 22. В блок регистрации момента полного удаления влаги введены последовательно соединенные генератор 14, мостовая схема 15, в одно из плеч которой подключены электрически изолированные плиты 1, дифференциальный усилитель 16, выпрямитель 17, фильтр нижних частот 18, дифференциатор-усилитель 19, сумматор-усилитель с регулируемым сигналом смещения 20, на вход которого подан суммарный сигнал отрицательное напряжение блока питания и сигнал с транзисторного усилителя 10, и индикатор 21, например светодиод. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного высушивания веществ с любой концентрацией солей, металлов и влаги, как например, хлебные изделия и хлебные полуфабрикаты, кондитерские изделия и их полуфабрикаты, жидкие растворы, цементные шламы, всевозможные шихты и другин.

Известно устройство для измерения влажности кожи. Устройство содержит преобразователь влажность - электрический сигнал и электрическую измерительную схему. Преобразователь представляет две металлические пластины, между которыми зажимается исследуемая кожа. Кожа складывается вдвое, непроводящей пленкой наружу. Пластины служат электродами конденсатора. В электрической схеме высокой частоты мерой содержания влаги является относительная диэлектрическая проницаемость кожи, выражаемая через частотную характеристику генератора [1].

Основным недостатком устройства является невозможность точного измерения влажности при ее высоких значениях, более 25%. В хлебопекарной промышленности и цементной влажность образцов требуется определять с высокой точностью 0,2% при влажности 40-75% с содержанием электролитов и металлов. Активное сопротивление при измерении приведенным устройством составит примерно 50 Ом и менее, зависящее от многих параметров (сжатие пластинами, концентрация солей и металлов, влажность, температура и др.). Чтобы выделить относительную диэлектрическую проницаемость, нужно использовать частоту, близкую к 100 МГц и более. С такими условиями точные измерения этим устройством невозможны.

Для точных измерений влажности в веществах с высокими концентрациями солей, металлов и влаги используют термовесовой способ, при котором исследуемый объект взвешивают до высушивания и после.

Для интенсивного высушивания используют прибор ВНИИХП (конструкция Чижовой К.Н.) [2] Устройство для интенсивного высушивания содержит две массивные плиты с высокими теплопроводностью и теплоемкостью, два электрических нагревательных элемента, два ртутных термометра, один из которых контактный блок с электрической схемой для автоматического слежения и поддержания заданной температуры высушивания. Верхняя и нижняя плиты сделаны с возможностью прижатия друг к другу верхней стороной нижней и нижней стороной верхней плиты. Нагревательные элементы монтируются с противоположных сторон этих плит. Чувствительные головки ртутных термометров вмонтированы в плиты. Тонкий слой исследуемого вещества (теста) весом 5 г в бумажном пакете между сжатыми плитами высушивается при заданной температуре 160^oC.

Электрическая схема с прямым питанием от сети включает последовательно соединенные контактный термометр, транзисторный усилитель, электромагнитное реле, соединенные последовательно электронагревательные элементы. Контактный термометр размыкает и замыкает базовую цепь транзисторного усилителя, в нагрузку которого включено электромагнитное реле, управляющее высоковольтной цепью электронагревательных элементов.

По результатам ранее выполненных исследований определено время полного высушивания образцов теста весом 5 г. При заданной температуре 160^oC оно составляет 5 мин. Влажность в процентах определяется делением разности весов образца после высушивания и до высушивания и умножением на 100%.

Основным недостатком известного устройства является то, что нет объективной фиксации момента полного удаления влаги в процессе высушивания. Определению влажности предшествуют специальные исследования для каждых веществ, что требует использования образцов со строго определенным весом. Это отрицательно сказывается на производительности. Конструкция не ориентирована на определение влажности в жидких растворах. Кроме того, конструкция с контактным ртутным термометром несовершенна и инертна. Такая конструкция требует последовательного соединения нагревательных элементов. Параллельное соединение из-за инертности конструкции приводит к значительным колебаниям температуры 150-200^oC вместо заданной 160^oC. Последовательное соединение уменьшает мощность на отдельном нагревателе и увеличивает время нагрева до заданной температуры до 40 мин. Это обстоятельство не позволяет оперативно выполнять измерения.

Целью изобретения является повышение производительности высушивания веществ любой концентрации солей, металлов, влаги с автоматической фиксацией момента стопроцентного удаления влаги.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для интенсивного высушивания, содержащем две горизонтальные плиты с возможностью прижатия их друг к другу и с высокими теплопроводностью и теплоемкостью, снабженные нагревательными элементами, помещенную в корпус схему управления нагревом и стабилизации температуры, включающую термодатчик, вмонтированный в одну из плит, дополнительно введена схема регистрации полного удаления влаги, причем в схему управления нагревом и стабилизации температуры дополнительно введены последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель, на выходе которого установлен регистратор, сумматор-усилитель, подключенный вторым входом к введенному в устройство задатчику температуры, дифференциатор-усилитель, первый и второй транзисторные ключи, при этом второй вход первого ключа соединен со вторичной обмоткой введенного в устройство трансформатора блока питания, транзисторный усилитель, который разделенным сопротивлениями входом подключен к выходу измерительного преобразователя-усилителя, оптрон, блок управления симметричным тиристором, симметричный тиристор, в нагрузку которого включены нагревательные элементы, при этом в схему регистрации момента полного удаления влаги введены последовательно соединенные генератор, мостовая схема, в одно из плеч которой подключены электрически изолированные плиты, дифференциальный усилитель переменного тока, выпрямитель, фильтр нижних частот, дифференциатор-усилитель, сумматор-усилитель с регулируемым сигналом смещения, на вход которого подан суммарный сигнал отрицательное напряжение блока питания и сигнал с транзисторного усилителя схемы управления нагревом и стабилизации температуры, и индикатор, при этом верхняя сторона нижней плиты выполнена вогнутой, нижняя сторона верхней плиты выпуклой.

Повышение производительности высушивания веществ с любой концентрацией солей, металлов и влаги достигается согласованной работой электрических схем управления нагревом и стабилизации температуры и регистрации момента полного удаления влаги.

Схема управления нагревом и стабилизации температуры с датчиком температуры, задатчиком температуры и симметричным тиристором обеспечивает быстрый нагрев до заданной оптимальной температуры. Введение дифференциатора-усилителя обеспечивает высокоточную стабилизацию температуры, т.к. он реагирует только на переменную часть сигнала и позволяет использовать большое усиление. Оптрон исключает влияние высокого переменного напряжения на низковольтные точные сигналы. Высокоточная стабилизация температуры нагревы плит сводит к минимуму помехи от высокого напряжения на точность регистрации момента полного удаления влаги.

Плиты в роли электродов и слой исследуемого вещества образуют проводник с изменяющимся по мере высушивания сопротивления от малой величины до бесконечности и конденсатор с изменяющейся относительной диэлектрической проницаемостью от максимальной величины до минимальной. Величина относительно диэлектрической проницаемости зависит от количества влаги: для воды она равна 81, для сухого образца близка к 1-2. Это обстоятельство позволяет применить мостовые схемы CCRR в схеме регистрации момента полного удаления влаги. Эта схема автоматически с высокой точностью порядка ±0,1% сигнализирует момент полного удаления влаги при высушивании веществ с любой концентрацией солей, металлов и влаги без предварительного определения времени высушивания.

В процессе высушивания емкость образованного образцом и плитами конденсатора уменьшается, сигнал на входе дифференциатора-усилителя изменяется и на его выходе сигнал будет пропорциональным скорости этого изменения, на вход индикатора поступает запирающий сигнал, индикатор молчит (не горит). При полном удалении влаги на выходе сумматора-усилителя только сигнал смещения и индикатор срабатывает (загорается, если индикатор световой).

При работе симистора потребление тока на трансформаторе блока питания резко возрастает и появляются помехи в схеме регистрации полного удаления влаги. Связь транзисторный усилитель - сумматор - усилитель схемы регистрации удаления влаги компенсирует эти помехи. Вогнутая сторона нижней плиты образует емкость для жидких растворов, а выпуклая сторона верхней плиты позволяет придать исследуемому образцу тонкий слой, что способствует убыстрению высушивания.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство; на фиг. 2 - принципиальная схема плиты 1 верхняя и нижняя, общая плата 2 для электронных элементов, регистратор 2, термодатчик 4, измерительный преобразователь-усилитель 5, задатчик температуры 6, сумматор-усилитель 7, дифференциатор-усилитель 8, первый и второй транзисторные ключи 9, транзисторный усилитель 10, оптрон 11, блок управления симметричным тиристором 12, симметричный тиристор 13, генератор 14, мостовая схема 15, дифференциальный усилитель 15 переменного тока, выпрямитель 17, фильтр нижних частот 18, дифференциатор-усилитель 19, сумматор-усилитель 20 с регулируемым сигналом смещения, индикатор 21, нагревательные элементы 22, блок питания 23.

Оформленные в один блок плиты 1 с одного края соединены шарниром, верхняя плита выполнена с возможностью прижатия к нижней. Ручки и втулки в шарнире выполнены из электроизоляционного материала. Нагревательные элементы выполнены из проволочной спирали в керамических изоляторах и смонтированы с наружных сторон плит. Термодатчиком служит термопара 4, вмонтированная в одну из плит. Все электронные элементы смонтированы на общей плате 2. Симметричный тиристор 13 отделен от остальных элементов.

Высушивание образцов устройством выполняют следующим образом. Включают прибор в сеть. На выходе термодатчика низкий сигнал от температуры окружающей среды. На выходе сумматора-усилителя 7 только сигнал от задатчика температуры 6, отпирающий транзисторные ключи 9, сигнал которых закрывает транзисторный усилитель 10. На выходе блока управления 12 постоянный управляющий сигнал и симистор 13 пропускает оба периода высоковольтного переменного тока. Нагревательные элементы 22 интенсивно нагревают плиты 1. По мере увеличения сигнала термодатчика с увеличением температуры измерительный преобразователь-усилитель формирует открывающий усилитель 10 сигнал. В то же время на вход усилителя 10 действует переменный запирающий сигнал от ключей 9, сформированный переменным сигналом от вторичной обмотки трансформатора блока питания 23. Поэтому на выходе усилителя 10 формируется переменный сигнал и через симистор 13 проходит только полпериода высоковольтного тока. Элементы 22 нагревают плиты в щадящем режиме. С увеличением температуры на входе сумматора 7 сигналы от задатчика температуры и усилителя 5 выравниваются и на выходе сумматора сигнал меняет знак. Этот сигнал после большого усиления усилителем 8 запирает ключи 9 и на входе усилителя 10 только постоянный открывающий сигнал. Этот усиленный сигнал через оптрон 11 подавляет управляющий сигнал в блоке 12 и симистор 13 закрыт. Нагревательные элементы полностью обесточены. После незначительного остывания плит на выходе сумматора 7 появляется снова отпирающий ключи 9 сигнал и стабилизирующий температуру цикл повторяется. Плиты нагреваются в течение 3 мин.

Пакет с образцом укладывают на нижнюю плиту и прижимают верхней. Начинается интенсивное высушивание образца. Генератор 14 питает мостовую схему 15, с диагональных точек которой сигнал подан на усилитель 16. При высушивании емкость конденсатора, образованного плитами и образцом, уменьшается, равновесие мостовой схемы CCRR нарушается. На выходе выпрямителя 17 изменяющийся по амплитуде и по полярности запирающий индикатор 21 сигнал. Этот сигнал предварительно фильтруется фильтром 18 и усиливается усилителем 19. При полном удалении влаги на диагонале мостовой схемы формируется постоянный по амплитуде сигнал, после выпрямителя постоянный сигнал, на который не реагирует дифференциатор-усилитель 19. На выходе сумматора-усилителя 20 только сигнал смещения, открывающий индикатор 21, который сигнализирует о полном удалении влаги. Требуемая точность этого момента настраивается регулировкой смещения усилителя 20.

Формула изобретения

Устройство для интенсивного высушивания увлажненных образцов, содержащее две горизонтальные плиты с возможностью прижатия их друг к другу и с высокими теплопроводностью и теплоемкостью, снабженные нагревательными элементами, помещенную в корпус схему управления нагревом и стабилизации температуры, включающую термодатчик, вмонтированный в одну из плит, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введена схема регистрации момента полного удаления влаги, причем в схему управления нагревом и стабилизации температуры дополнительно введены последовательно соединенные измерительный преобразователь-усилитель, сумматор-усилитель, подключенный вторым входом к введенному в устройство задатчику температуры, дифференциатор-усилитель, первый и второй транзисторные ключи, при этом второй вход первого ключа соединен с вторичной обмоткой трансформатора введенного в устройство блока питания, транзисторный усилитель, который разделенным сопротивлениями входом подключен к выходу измерительного преобразователя-усилителя, оптрон, блок управления симметричным тиристором, симметричный тиристор, в нагрузку которого включены нагревательные элементы, при этом в схему регистрации момента полного удаления влаги введены последовательно соединенные генератор, мостовая схема, в одно из плеч которой подключены электрически изолированные плиты, дифференциальный усилитель переменного тока, выпрямитель, фильтр нижних частот, дифференциатор-усилитель, сумматор-усилитель с регулируемым сигналом смещения, на вход которого подан суммарный сигнал - отрицательное напряжение блока питания и сигнал с транзисторного усилителя схемы управления нагревом и стабилизации температуры, и индикатор, кроме этого, на выходе измерительного преобразователя-усилителя установлен регистратор, верхняя сторона нижней плиты выполнена вогнутой, а нижняя сторона верхней плиты - выпуклой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2