Способ определения влажности и плотности

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения влажности и плотности различных веществ, в частности сыпучих веществ, в том числе сельскохозяйственных культур, продуктов их переработки и грунтов. Технический результат изобретения - одновременное и оперативное определение влажности и плотности в переносных и стационарных условиях. Сущность: при применении способа используют два преобразователя физико-химические свойства - электрический сигнал с двумя парами электродов. Первые электроды делают электрически общими, второй электрод второго преобразователя со стороны первого электрода закрывают слоем диэлектрического вещества. Исследуемое вещество помещают в преобразователи. Измеряют температуру среды и исследуемого вещества, электрические сигналы на вторых электродах. По результатам измерений с учетом тарировочных испытаний вычисляют влажность и плотность по разработанным алгоритмам. Способ может быть использован в сельскохозяйственном производстве и переработке сельскохозяйственной продукции, деревообрабатывающем, химическом и строительном производствах. 2 ил., 1 табл.

Способ относится к измерительной технике и может быть использован для определения влажности и плотности различных веществ: в том числе сыпучие вещества, как зерно, мука, грунты; твердые вещества, как дерево; жидкие и газообразные вещества.

Известен способ определения влажности зерна. ГОСТ 13586.5-93. Методы определения влажности зерна. Для определения влажности этим способом используют термогравиметрический комплект, включающий сушильный шкаф и весы. Для определения влажности вещество измельчают, взвешивают, высушивают, опять взвешивают, определяют разность весов до высушивания и после высушивания и по ней определяют абсолютную влажность.

Недостатками использования известного способа является то, что используют дорогостоящий комплект, необходимо значительное время для производства анализа до двух часов. Применяют только в стационарных условиях.

Известен способ определения плотности веществ, в частности зерна ГОСТ 10840-64. Здесь зерно помещают в емкость с известным объемом и постоянным уплотнением, взвешивают и определяют плотность (натуру).

Известные способы определения влажности и плотности не позволяют одновременно в одном процессе выполняемого анализа определить влажность и плотность, выполнять экспресс-анализы в переносных условиях.

Известно устройство для измерения влажности сыпучих веществ - патент РФ N 2130606, опубл. 20.05.99 в "Бюллетень изобретений и открытий", N 14. Устройство содержит корпус, приемник - преобразователь влажности, уплотнитель, измерительную электрическую схему, при этом преобразователь влажности выполнен в форме прямоугольной емкости из диэлектрического материала, с двух сторон ограничен внешними плоскими электродами, разделен общим электродом параллельно двум другим на две равные секции, причем одна из них разделена еще на две секции, вторую и третью, при этом третья секция заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, равной диэлектрической проницаемости исследуемых на влажность веществ, кроме этого общий электрод установлен ниже верха емкости, а внешние электроды меньших размеров, чем размеры стенок емкости, установлены на уровне его и удалены от дна и боковых поверхностей емкости, уплотнитель установлен над приемником с возможностью освобождения окна приемника, при этом измерительная электрическая схема включает последовательно соединенные генератор, мостовую схему, к которой подключены электроды преобразователя влажности, дифференциальный усилитель с выпрямлением, усилитель с изменяемым смещением, к выходу которого подключен узел обработки сигнала по уровню, регистратор.

Это устройство используют для оперативных измерений в переносных условиях. Используют только для определения влажности. Существенные отличия известного устройства, как разделение приемника на три секции, позволяют определить влажность и плотность одновременно. Измерение плотности не предусмотрено.

Целью настоящего изобретения является одновременное оперативное определение влажности и плотности в переносных и стационарных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании способа применяют два преобразователя физико-химические свойства вещества - электрический сигнал с двумя парами электродов, из которых первые электроды делают электрически общими, второй электрод второго преобразователя со стороны первого электрода закрывают слоем диэлектрического вещества, помещают исследуемое вещество между парами электродов, измеряют температуру среды и вещества, измеряют электрические сигналы на вторых электродах, вычисляют с учетом тарировочных измерений влажность и плотность вещества по следующим формулам: и (1) где E - влажность исследуемого вещества; K₁ и K₂ - тарировочные коэффициенты; A и B, A₀ и B₀ - результаты измерения электрического сигнала с исследуемым веществом и базовым или эталонным образцом в первом и втором преобразователях; E_T - поправка за температуру; P - плотность исследуемого вещества; P₀ - плотность базового вещества или эталонного образца;
P_T,E - поправка за температуру и влажность.

Использование двух преобразователей позволяет использовать различия в физических зависимостях параметров электрических сигналов. Параметры электрических сигналов на вторых электродах зависят от степени увлажненности и плотности исследуемых веществ. При этом влияние влажности в первом преобразователе более заметно, т.к. здесь влияние диэлектрических потерь сказывается больше из-за близости вещества ко второму электроду. Во втором преобразователе более заметно влияние плотности исследуемого вещества. От плотности зависит величина диэлектрической проницаемости. Влияние диэлектрических потерь резко снижено, т.к. вещество отдалено от второго электрода. На электрически общем электроде диэлектрические потери в обоих преобразователях одинаковы.

Логические заключения и результаты многочисленных опытов подтверждают правомерность приведенных формул.

На фиг. 1 изображены графики зависимости параметра электрического сигнала в относительных единицах от влажности и плотности исследуемых веществ. Сплошной линией показана эта зависимость в первом преобразователе, пунктиром показана зависимость электрического сигнала во втором преобразователе со слоем диэлектрического вещества.

На фиг. 2 изображена схема устройства для реализации способа. Устройство для реализации способа включает: 1 - первый преобразователь, 2 - второй преобразователь, 3 - общий электрод, 4 и 5 - вторые электроды в преобразователях, 6 - слой диэлектрического вещества, 7 - схема первичной обработки электрических сигналов, 8 - температурный датчик, 9 - трехканальная схема усиления, 10 - микроконтроллер, 11 - индикатор.

Устройство включает два преобразователя 1 и 2. Конструкция с общим электродом 3 позволяет одновременно наполнять оба преобразователя с одинаковым уплотнением. Слоем диэлектрического вещества 6 может служить любой диэлектрик от воздуха до тяжелого диэлектрика, как стекло, оптимальный выбор зависит от физико- химических свойств исследуемых веществ. В роли блока первичной обработки электрических сигналов 7 используют мостовую схему. Трехканальная схема усиления электрических сигналов 9 согласовывает выходные сопротивления мостовой схемы 7 и входные сопротивления микроконтроллера 10, усиливает электрические сигналы, снятые с электродов 4 и 5 и температурного датчика 8. Микроконтроллер 10 с встроенными аналого-цифровым преобразователем, арифметико-логическим устройством, памятью и с введенной программой решает приведенные выше алгоритмы (1), выполняет логические операции, управляет работой индикатора. Результаты определения влажности и плотности высвечиваются на экране индикатора 11. Эти результаты исправлены за отличие температур тарировочных измерений и фактических, результат определения плотности дополнительно исправлен за измеренную влажность.

С изготовленным устройством выполнены тарировочные измерения. С помощью этих измерений определяют тарировочные коэффициенты K₁ и K₂. Для этого используют набор веществ с известными влажностью и плотностью, которые измерены известными способами.

Порядок определения влажности и плотности выполняют следующим образом. Помещают исследуемое вещество в преобразователи 1 и 2. С электродов 4 и 5 электрические сигналы определенной частоты и амплитуды, выработанные генератором в электрической схеме, поступают в мостовую схему 7, далее каждый усиливается усилителем 9 и далее обрабатываются в микроконтроллере 10. Здесь решаются алгоритмы определения влажности и плотности (1) с учетом тарировочных коэффициентов K₁ и K₂, которые введены в память микроконтроллера. Эти результаты исправлены за отличие фактической и тарировочной температур, что позволяет выполнить температурный датчик 8 и связь датчик 8 - усилитель 9 - микроконтроллер 10, плотность дополнительно исправлена за полученную влажность.

В таблице приведены результаты определений для сельскохозяйственных культур в сравнении с фактическими влажностью и плотностью, измеренными известными способами. Как показывают результаты, точность определения влажности не хуже 0,5%. Отклонения в плотностях несколько больше. Здесь в исследованиях и разработках накоплен меньший опыт.

Формула изобретения

Способ определения влажности и плотности, отличающийся тем, что используют два преобразователя физико-химические свойства вещества - электрический сигнал с двумя парами электродов, из которых первые электроды делают электрически общими, второй электрод второго преобразователя со стороны первого электрода закрывают слоем диэлектрического вещества, помещают исследуемое вещество между парами электродов, измеряют температуру среды и вещества, измеряют электрические сигналы на вторых электродах, вычисляют с учетом тарировочных измерений влажность и плотность вещества по формулам

и

где Е - влажность исследуемого вещества;
K₁ и K₂ - тарировочные коэффициенты;
А и В, А₀ и B₀ - результаты измерения электрического сигнала с исследуемым веществом и базовым или эталонным образцом в первом и втором преобразователях;
E_Т - поправка за температуру;
P - плотность исследуемого вещества;
Р₀ - плотность базового вещества или эталонного образца;
P_Т,Е - поправка за температуру и влажность.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3