Сравнительное исследование ВЧ и СВЧ методов измерения влажности зерна (стр. 7 )

Т - термодинамическая температура.

Статическая и оптическая диэлектрические проницаемости es и e¥ также являются функциями температуры, которые в совокупности с (2.20) определяют зависимости e’ и e’’ от температуры.

Для влагометрии зерна и других растительных материалов большой интерес представляют модели диэлектрических свойств зерна, исследованные в работе [23,24]. В этом случае также была предложена формула, в которой эмпирически подбирают для каждой зерновой культуры значение "коэффициента формы" А, связанного с коэффициентами деполяризации по трем взаимно перпендикулярным координатным осям Аi соотношениями А = А1= А2 и А3= 1 - 2А.

Как известно, принцип действия диэлькометрических влагомеров 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 экспериментальныхлученных частотно-влажностных характеристик 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).

Таким образом, все известные усовершенствованные формулы смесей следует рассматривать как аппроксимацию экспериментальных данных с помощью эмпирических коэффициентов, характеризующих те или иные свойства реального влагосодержащего материала. Существенным недостатком формул смесей с точки зрения влагометрии является и то, что они не описывают зависимостей диэлектрической проницаемости от частоты поля. Это не позволяет применить данные, полученные с помощью указанных формул, для выбора оптимальной частоты на стадии проектирования диэлькометрического влагомера, для оценки погрешностей, связанных с изменением частоты и ряда других задач. Данный недостаток присущ и эмпирическим формулам, применимым лишь для одной фиксированной частоты, или, в лучшем случае, очень узкого диапазона частот.

В указанных условиях в качестве базы для расчета и оптими­зации параметров диэлькометрических приборов для измерения влажности зерна и зерновых культур на стадии проектирования, а также для их градуировки приходится использовать экспериментальные характеристики, описывающие зависимость диэлектрических свойств материала от влажности, частоты электрического тока, температуры и плотности материала, распределения влаги в его объеме и других влияющих величин.

2.2. Влияние форм связи влаги в материале на

погрешность преобразования влажности

Вода содержится в материалах как в свободном, так и в связанном состояниях. Формы связи влаги с материалом могут быть различными: физико-механическая (капиллярная), адсорбционная (мономолекулярная и полимолекулярная), химическая [28]. Каждой форме связи соответствует своя определенная энергия связи влаги с материалом. Наименьшую энергию связи имеет свободная вода, наибольшую - химически связанная.

Влага в материале с различным значением энергии связи по - разному влияет на информативный параметр при измерении электрическими методами.

Рассмотрим модель взаимодействия СВЧ волны с влажным материалом, содержащим i - форм связи влаги. Запишем ослабление СВЧ энергии в результате такого взаимодействия следующим образом:

, (2.21)

где N - ослабление СВЧ энергии, прошедшей через образец материала, дБ;

Nc - ослабление в сухом скелете материала, дБ;

- чувствительность параметра N к влаге i-ой формы связи, дБ/%;

Wi - содержание влаги i-ой формы связи, %.

Причем

- const, (2.22)

где W - влажность материала.

Предположим, что зависимость ослабления от влажности для всех форм связи влаги с материалом линейная, т. е.

= const, (i=1,2,...n).

Продифференцируем выражение (2.27) по Wi и, переходя к конечным приращениям, получим

(2.23)

для изменения суммарного ослабления (DN) при изменении количества влаги с формой связи i на DWi. Обычно переход осуществляется между близкими по энергии связи формами непрерывно - от более слабых связей к более сильным, и наоборот. Уменьшение количества воды одной из форм связи на DW, означает увеличение другой на ту же величину. Тогда, с учетом этого (2.18) можно записать в виде

. (2.24)

Выражение (2.19) имеет место после увлажнения материала, когда происходит переход влаги от более слабых связей к более сильным. При интенсивном нагреве материала происходит обратный переход, и выражение (2.18) принимает вид

. (2.25)

Как следует из (2.19) и (2.20) изменение ослабления будет равно нулю при всех DW¹0 - только тогда, когда

.

Однако на практике имеет место соотношение

.

Поэтому с течением времени после увлажнения материала следует ожидать некоторого уменьшения ослабления при постоянной влажности материала (2.19) в противном случае - его увеличения (2.20). Выражение для фазового сдвига прошедшей через материал волны имеет аналогичный вид. Погрешности фазового метода от рассматриваемого фактора описываются в виде

, (2.26)

. (2.27)

Для количественной оценки величин погрешностей DN и Dj необходимо знать чувствительности , , а также DW.

Однако современное состояние теории влагосодержащих гетерогенных систем не дает возможности количественного определения указанных величин. Неизвестны также зависимости этих величин от энергии связи (влагосодержания) [31,32].

В настоящее время нет экспрессных методов определения количества влаги по формам связи и эффективных путей уменьшения влияния непостоянства соотношения связанной и свободной воды в материале на погрешность измерения его влажности. Для решения этой задачи нами предложено использовать соотношение между интегральной (объемной) и поверхностной влажностью материала и алгоритмический метод снижения указанной погрешности на основе использования дисперсии результатов многократных измерений.

2.3. Влияние температуры влажного материала

на погрешность преобразования

Температурная погрешность преобразования СВЧ-влагомера обусловлена изменением диэлектрических свойств воды с колебаниями температуры, что приводит к изменению дисперсии молекул воды в СВЧ диапазоне.

Изменение e' и e" воды в конденсированной фазе от температуры хорошо изучено [30] практически для всего СВЧ диапазона.

С ростом температуры действительная часть диэлектрической проницаемости e' монотонно убывает в низкочастотной области СВЧ диапазона, затем проходит через широкий максимум и монотонно возрастает в высокочастотной области диапазона. Характер изменения мнимой части e" аналогичный.

Для наиболее распространенного трехсантиметрового диапазона зависимость ослабления в воде от температуры выражается формулой

. (2.28)

Изменение температуры приводит также к изменениям форм связи влаги в материале. В настоящее время учесть аналитически степень влияния температуры влажного материала на параметры СВЧ волны не представляется возможным. Поэтому учет этого влияния возможен на основе экспериментальных зависимостей:

N=f1 (T, W), j=f2(T, W) и w=f3(T, W).

Отметим, что по данным [32] влияние температуры на показания СВЧ-влагомера, основанные на измерении фазы, меньше, чем на влагомер, основанный на измерении амплитуды.

2.4. Влияние плотности влажного материала

на погрешность преобразования

Различное уплотненное состояние влажных материалов вызывает дополнительные погрешности, обусловленные рассеянием электромагнитной энергии на неоднородностях. Другая причина возникновения погрешностей - разное количество воды в единице объема контролируемого материала. Эта составляющая погрешности не может быть определена аналитически.