Сравнительное исследование ВЧ и СВЧ методов измерения влажности зерна (стр. 6 )

В [27] показано, что для l=3,2 чувствительность метода поглощения примерно в 7 раз больше, чем у метода отражения, а амплитудный метод в 2 раза чувствительнее фазового и в 6 раз - метода отражения. С увеличением длины волны чувствительность амплитудного метода снижается и при l>>7 см становится примерно одинаковой для всех трех методов.

Оценивая влияние мешающих факторов, следует отметить основные - температуру и плотность. Влияние температуры на параметр преобразования определяется, в первую очередь, диэлектрическими характеристиками самой воды. С другой стороны, на величину и знак этих зависимостей оказывает влияние степень дисперсности, т. е. соотношение свободной и связанной влаги. Для грубодисперсных материалов (считаем, что материал содержит только свободную воду) зависимости ослабления от температуры имеют отрицательный температурный коэффициент в области положительных температур.

Для мелкодисперсных материалов, где преобладает связанная влага, максимум на температурных характеристиках смещается в сторону более низких частот. Следовательно, для метода поглощения знак температурных характеристик изменяется на противоположный. Для фазового метода и метода отражения он остается прежним, т. к. температурный максимум смещается в коротковолновую область.

Значит, для реальных влагосодержащих материалов у метода поглощения будет наблюдаться сильная зависимость от температуры, причем, температурный коэффициент ослабления будет менять свой знак. Фазовый метод и метод отражения имеют здесь определенное преимущество перед амплитудным.

Что касается влияния плотности, то это - такой же измеряемый параметр, как и влажность для всех трех анализируемых методов. Дело в том, что параметр преобразования во всех этих случаях связан с объемной влажностью, т. е. с Q=rн’W. Для точного определения влажности необходимо иметь информацию о rн. Таким образом, для улучшения метрологических характеристик методов свободного пространства необходимо измерение, наряду с указанным выше еще одного параметра. С учетом этого наиболее перспективным, на наш взгляд, будет амплитудно-фазовый метод при измерении "на прохождение" и СВЧ (амплитудный) - весовой.

Что касается информационной емкости, то измерительные преобразователи, основанные "на прохождении" волны через материал (т. е. амплитудный и фазовый), обладают значительно большей информационной емкостью по сравнению с преобразователями, построенными на методе отражения.

При измерении параметров отраженной волны информационная емкость определяется как толщиной материала, так и глубиной проникновения (которая сама есть функция влажности и длины волны). Последнее обстоятельство, однако позволяет сделать предположение о возможности послойного контроля влажности этим методом, применяя для этой цели разные частоты.

Резюмируя сказанное выше, можно отметить, что для большинства случаев практической влагометрии продуктов сельскохозяйственного производства (и в первую очередь зерновых) наиболее приемлемыми следует признать метод поглощения, а также комбинированный на его основе (амплитудно-фазовый, СВЧ-весовой). Однако в ряде случаев наиболее простое и рациональное решение можно получить, реализуя методы отражения и фазовый.

2.1.2.Теоретические основы высокочастотного

диэлькометрического метода измерения влажности

На основе анализа существующих методов и приборов контроля влажности зерна и зерновых культур было выявлено, что одним из перспективныхметодов являются косвенные методы контроля влажности. К преимуществам данной группы относятся простота технологического процесса, отсутствие механической поврежденности зерна, возможность использования в качестве обрабатывающего агента местного сырья зерна.

Принцип действия этих приборов основан на влиянии влаги в твердом теле на величину диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость сухого вещества обычно равна 2-5, а воды 81. При небольшом изменении содержания воды в веществе величина диэлектрической проницаемости значительно изменяется. Любой диэлькометрический влагомер состоит из трех основных частей: преобразователя, высокочастотного генератора и измерительной схемы.

Одной из главных частей являются преобразователи, в которых должны учитываться свойства контролируемых материалов. Преобразователи выполняются в виде двух плоских пластин или двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется анализируемым веществом.

Анализ поведения материала в высокочастотном электрическом поле позволяет установить общие закономерности, которым это поведение подчиняется, но в то же время не дает возможности найти детерминированные зависимости, пригодные для аналитических расчетов изменений параметров материала от количества введенной в материал влаги и остается единственная возможность определять электрофизические параметры материала на основе экспериментально полученных частотно-влажностных характеристик исследуемого материала.

Высокочастотный контроль определения влажности зерна предусматривает воздействие на материал, размещенный в специальном датчике, переменным электрическим полем и определения характеристик поглощения материала, для чего проанализируем радиофизические процессы, происходящие в емкостном датчике, влияющие на измерение влажности.

Компоненты датчика характеризуются рядом параметров, и по роду единиц физических величин подразделяются на основные, зависящие от основных единиц и характеристик среды (различные скалярные величины) и производные, выражаемые через основные параметры и частоту (частично безразмерные величины).

Для построения приборов для определения влажности зерна и зерновых культур, основанных на диэлькометрическом методе, необходимо знание зависимостей диэлектрических свойств исследуемого материала от влажности, частоты электрического тока, температуры и плотности материала, распределения влаги в его объеме и других [14]. Диэлектрические свойства материала можно описать комплексной диэлектрической проницаемостью e* или связанными с ней двумя параметрами – ее вещественной и мнимой составляющими e' и e", диэлектрической проницаемостью e и тангенсом угла диэлектрических потерь tgd.

Зависимости между указанными величинами имеют вид

e* = e’ - je’’

e = e’

tgd.= e’’/ e’

e* = e' ( l - j tgd )

Высокочастотный диэлькометрический метод используется в диапазоне частот 5×103 — 5×107 Гц, в котором первичные измери­тельные преобразователи приборов измерения влажности зерна и зерновых культур можно рассматривать как системы с сосредоточенными параметрами.

Зерно представ­ляют собой сложный по составу, неоднородный капиллярно-порис­тый коллоидный твердый материал с разнообразными формами связи влаги (химическая, адсорбционная, осмотическая, струк­турная, макро - и микрокапиллярная) с сухим веществом. В таком неоднородном сложном органическом диэлектрике наблюдаются почти все виды поляризации - электронная, ионная, дипольная, структурная, внутрислойная и другие.

Диэлектрическая проницаемость связана с основными видами поляризации, из которых инерционными, приводящими к рассея­нию энергии, являются дипольно-релаксационная и структурная.

Диэлектрические потери обусловлены не только релаксационными, видами поляризации, но и сквозной проводимостью материала, которая может достигать больших значений, особенно при высокой влажности.

Результирующая поляризация определяется суммой всех имеющихся в данном материале видов поляризации, причем в зависимости от особенностей материала различные виды поляризации имеют больший или меньший вес. У хлопка и хлопковых материалов доминирующее значение имеют инерционные виды поляризации: дипольно-релаксационная и структурная. Наличие в реальном диэлектрике нескольких времен релаксации соответствует различным релаксатором - атомам, молекулам, включениям, неоднородностям и т. д. В общем виде сложный диэлектрик в электрическом поле можно описать схемой замещения (рис.2.2), которая содержит емкость между электродами в вакууме и сумму емкостей, соответствующих видам поляризации.

Рис.2.2. Схема замещения сложного поляризованного диэлектрика.

С0 - емкость в вакууме, Сq - емкость электронной поляризации, Си - емкость ионной поляризации, Сс - емкость структурной поляризации, Сд - емкость дипольной поляризации, Rи, Rc, Rq, Rд - эквмвалентные сопротивления потерь при видах поляризации, R - сопротивления сквозному току.

Следствие сложности физических процессов, определяющих электрические свойства зерна, - нестабильность и зависимость их от условий измерений (частота электрического поля) и от параметров самого материала (селекционная разно­видность, распределение влаги, засоренность). Это обусловливает невозможность использования для зерна (как и почти для всех других влагосодержащих твердых материалов) математических моделей диэлектри­ческих свойств. К таким моделям относятся формулы смеси, соответствующие лишь грубой бинарной модели «сухое вещество - вода» и не учитывающие свойства сложных гетерогенных систем, содержащих влагу, в частности влияние видов и форм связи вла­ги на их электрические свойства, а также зависимости этих свойств от частоты тока [22].

Физика диэлектриков описывает процесс поляризации, линейно связанный с напряженностью приложенного электрического поля, выражениями [28]:

(2.18)

(2.19)

где: t - время релаксации данного процесса;

F(t) - функция распределения t;

t - минимальная постоянная времени для данной системы.

Закон распределения t может быть весьма сложным: сравнительно простые результаты получают, принимая нормальное распределение. Если принять F(t)= 1, выражения (2.18) и (2.19) переходят в уравнение Дебая.

Влияние температуры на t описывается экспоненциальной зависимостью

t=t0eQ/RT, (2.20)

где: Q - энергия активации;

R - газовая постоянная;