Сравнительное исследование ВЧ и СВЧ методов измерения влажности зерна (стр. 4 )

Теплофизические методы определения содержания влаги пока не получили широкого практического применения. Их основными недостатками длительное время были низкая точность и малое быстродействие. Оптический метод. Действие оптических влагомеров основано на избирательном поглощении влагой ИК (инфракрасного) - излучения определенной длины волны, отраженной от поверхности контролируемого объекта, либо прошедшего через этот материал [20].

В Республике Узбекистан ИК-влагомеры продуктов сельско-хозяйственного производства пока не выпускаются. Ведущие фирмы-изготовители ИК - влагомеров - Tecator (Швеция), Infrared Engineering (Великобритания), Technicon (США), Neotek Instruments (США), Falling Number (Швеция).

НПО «Агроприбор» (Россия) выпускает экспрессный инфракрасный анализатор зерна «Спектран-1». Анализатор работает на принципе спектроскопии диффузного отражения в ближней инфракрасной области спектра 1,5 ¸ 2,5 мкм. Он применяется для определения качества зерна и продуктов переработки [21].

Электрические методы измерения влажности основаны на зависимости электрических свойств материала от влагосодержания [11]. Они получили большое распространение благодаря удобству преобразования влажности в электрический сигнал, возможности реализации с помощью несложной электронной аппаратуры, осуществлению непрерывных и неразрушающих измерений, высокому быстродействию. во влагометрии наиболее распространение получили методы, основанные на зависимости сопротивления, диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости, а также комплексов этих величин от влажности материала.

Электрические методы измерения влажности можно классифицировать как по электрическому параметру, так и по диапазону частот, в котором производятся измерения.

Кондуктометрический метод. В области низких частот (вплоть до постоянного тока) используется зависимость удельного сопротивления материалов от их влажности [11]. На приборостроительных заводах России, Украины, Эстонии и Латвии, а также в странах дальнего зарубежья выпускаются кондуктометрические влагомеры для различных материалов. Основным недостатком этого метода является большое влияние мешающих факторов на результат измерения.

Высокочастотный метод. В средне - и коротковолновом (0.3¸30 МГц) диапазоне частот используется зависимость диэлектрических характеристик от влажности материала [22]. По этому методу измеряется электрическая емкость первичного преобразователя, заполненного исследуемым материалом, являющаяся функцией диэлектрической проницаемости, и, соответственно, влажности контролируемого материала. Высокочастотные методы измерения влажности нашли широкое распространение в промышленности [22]. Из числа высокочастотных приборов можно перечислить ВЗК-2, ПВЗ-10, ВЗПК-1,ЦВЗ-3, "Колос" и другие. Основной парк экспресс - влагомеров зарубежных фирм составляют диэлькометрические высокочастотные приборы [19, 24].

К недостаткам высокочастотных влагомеров относятся: ограниченная масса контролируемой пробы, влияние переменной концентрации солей в воде, зависимость диэлектрических характеристик материалов от их плотности и температуры. Поэтому измерения влажности указанными методами следует проводить при постоянной плотности и температуре материалов или вводить в результат измерений поправки.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) - методы измерения влажности. Одним из перспективных методов влагометрии является сверхвысоко-частотные (СВЧ) - методы измерения влажности. Эти методы основаны на зависимости диэлектрических параметров материалов от их влажности при измерении этих параметров в диапазоне СВЧ [11, 12, 15].

Преимуществами СВЧ- влагометрии являются: безконтактность измерения, измерение в больших объемах и хорошие метрологические характеристики. За рубежом особое внимание уделяют развитию СВЧ - влагометрии. Они применяются для контроля влагосодержания зерновых, пищевых продуктов, текстильных материалов, табака, хлопка и различных других продуктов по величине затухания СВЧ волны.

Мы считаем, что из-за таких достоинств, как возможность бесконтактного измерения, широкий диапазон измерений (до 100%), высокая чувствительность и точность, интегральный результат измерения влажности СВЧ - метода можно эффективно использовать для измерения и контроля влажности зерна при хранении и переработке.

Классификация СВЧ-методов измерения влажности приведена на рис.1.3.

Амплитудные методы измерения влажности позволяют получать высокую точность определения влажности при условии стабилизации или учета температуры и сортности материала. Основной является зависимость затухания СВЧ - энергии от влажности [26]

, (1.4)

где W - влажность материала; N - измеряемое затухание; |Г| - модуль коэффициента отражения; - коэффициент затухания, зависящий от температуры; - плотность материала; d - толщина материала.

Фазовый метод измерения влажности. Зависимость сдвига фазы СВЧ волны от влажности материала является основной. При измерении фазового

сдвига проходящего через влажный материал электромагнитной волны, необходимо учитывать, что коэффициенты фазы для воды сухого скелета и воздуха одного порядка.

Следует отметить, что фазовые методы наименее чувствительны к изменению сорта, химического состава и ряда других неинформативных мешающих факторов. Однако по сравнению с амплитудными методами фазовые требуют более сложной схемной реализации.

В целом, указанные выше методы являются перспективными, особенно при их совместном использовании.

К отдельной группе следует отнести методы, основанные на измерении параметров отраженной волны. Они, как правило, применяются в тех случаях, когда по условиям измерения крайне сложно контролировать параметры проходящей волны. В методах отраженной волны измеряемыми параметрами могут быть: амплитуда, фаза, частота и состояние поляризации. Наиболее распространенным из них в измерении влажности является модуль коэффициента отражения.

Измерение влажности по величине фазового сдвига отраженной волны не получило широкого распространения, что связано с его малой чувствительностью и неоднозначностью функции.

В практике СВЧ влагометрии, в основном, используются методы проходящей и отраженной волны, хотя известен ряд конструкций, использующих рассеянную и поверхностную волну.

Рис.1.3. Классификация СВЧ методов измерения влажности

Выводы по первой главе 1

1.  Проведен анализ физических свойств зерна и условий измерения его влажности; обоснованны и определены точки контроля влажности при технологической переработке;

2.  На основе проведенных исследований определены основные требования к влагомерам зерна:

§  диапазон измерения, % 8¸22;

§  допустимая погрешность измерения, % 0,8;

§  независимость показаний от температуры

образца в пределах, оС 10¸50;

§  экспрессность измерения;

§  цифровые показания влажности;

3.  Проведен анализ современного состояния методов и приборов контроля влажности зерна.

4. Критически изучены ВЧ СВЧ методы определения влажности применительно к зерну. Определены основные недостатки существующих приборов и возможные пути их устранения.

ГЛАВА 2. ТЕРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

И СВОЙСТВ ЗЕРНА В ДИАПАЗОНЕ СВЧ И ВЧ ЭНЕРГИИ

2.1. Теоретические основы сверхвысокочастотного и высокочастотного методов измерения влажности.

2.1.1.Теоретические основы сверхвысокочастотного метода

измерения влажности

Как было сказано выше, контроль влажности методом СВЧ предусматривает воздействие на контролируемый материал переменной электромагнитной волны.

В соответствии с теорией диэлектриков [15], исследуемые материалы находящиеся в электромагнитном поле, не обнаруживают в обезвоженном состоянии частотных и температурных аномалий. Поэтому делаем вывод: все зависимости, которые наблюдаются в зерне во влажном состоянии при взаимодействии электромагнитного поля присущи воде, т. к. вода составляет основную часть влажного материала. При этом, электромагнитное поле взаимодействуя с молекулами воды, содержащейся в материале, изменяет свои электрические характеристики. Это изменение, характеризующее влажность, лежит в основе всех разрабатываемых методов измерения на СВЧ.

Электромагнитная волна, излучаемая передающей антенной направленного действия (рис.2.1), падает на контролируемый непроводящий материал толщиной d. Для простоты волну будем считать плоской. Электромагнитная энергия, дойдя до границы 1-1' материала, частично отразится от поверхности раздела (Ротр), частично проходит внутрь материала, распространяясь в нем в направлении от передающей антенны к приемной. При распространении волны внутри материала происходит поглощение энергии (Рпог). Поглощение является функцией диэлектрических параметров и толщины материала. Энергия, прошедшая через материал до границы раздела 2-2', частично отражается в

Рис.2.1. Схема действия СВЧ влагомера: Рпад - мощность падающего излучения; Рпогл - мощность излучения, поглощенного материалом; Рпр - мощность прошедшего излучения; Ротр1 - мощность, отраженная от границы раздела 1-1`; Ротр2 - мощность, отраженная от границы раздела 2-2`; e - диэлектрическая проницаемость; m - магнитная проницаемость

сторону передающей антенны, частично воспринимается приемной антенной. Величина фиксируемого сигнала определяется мощностью СВЧ генератора, диэлектрическими параметрами материала и отражением от границ раздела 1-1' и 2-2' «воздух - контролируемый материал» и «контролируемый материал – воздух». Если отражение от границ раздела 1-1' и 2-2' отсутствует (при соблюдении определенных условий ошибка от такого допущения невелика) [24], то величина напряженности электрического поля плоской, гармонической электромагнитной волны в любой точке оси Z контролируемого материала может быть описана уравнением: