Сравнительное исследование ВЧ и СВЧ методов измерения влажности зерна (стр. 8 )

Величина измеряемого параметра СВЧ волны зависит от влажности, толщины и плотности материала [29] :

J = K W r d, (2.29)

где J - измеряемый параметр; K - коэффициент пропорциональности;

r - плотность материала; d - толщина материала.

DJ = K W d Dr. (2.30)

Для аналитического определения необходимо знать величину К. Однако она может быть определена только экспериментальным путем для конкретного вида материала.

Таким образом, для определения ограничений на изменение плотности Dr, либо для выработки конструктивных рекомендации по снижению ее влияния необходимы экспериментальные исследования в каждом конкретном случае.

Выводы по главе 2

На основе слоистой модели взаимодействия электромагнитной волны с влажным зерном, получена функция преобразования, позволяющая учесть влияние адсорбционно-связанной влаги;

На основе анализа информационных характеристик основных типов преобразователей показано, что во влагометрии зерна при значительных колебаниях температуры и натурного веса наиболее перспективно применение ВЧ и СВЧ методы и приборы контроля влажности;

Предложен эффектный путь определения количества влаги по формам связи и влияния непостоянства соотношения связанной и свободной воды в материале на погрешность измерения влажности;

Исследовано влияние температуры и плотности влажного материала на чувствительность измерения влажности.

Теоретически рассмотрены вопросы влияние плотности влажных материалов на погрешность преобразования.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СВЧ И ВЧ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА

3.1. Сверхвысокочастотное и высокочастотное устройства для измерения влажности зерна и зерновых материалов

3.1.1. Сверхвысокочастотное устройства для измерения

влажности зерна и зерновых материалов

В первой главе нами было доказано, что одним из оптимальных методов создания универсальной системы для большинства материалов является СВЧ-метод измерения влажности. Структура обобщенной системы измерителя влажности на СВЧ показана на рис.3.1.

Система призвана решать все задачи, связанные с получением измерительной информации о влажности зерна и продуктов его переработки.

Основными блоками системы являются:

·  комплекс первичных измерительных преобразователей влажности;

·  базовое измерительное устройство с дополнительными блоками и встроенным микропроцессором;

·  комплекс выходных средств отображения регистрации и накопления измерительной информации.

В комплекс первичных измерительных преобразователей входят датчики, основанные на модификациях СВЧ-метода: квазиоптические (свободного пространства), резонаторные, волноводные.

Выбор датчика для различных материалов с учетом конкретных свойств объекта и условий измерения показан на примере зерна при приемке и первичной переработке.

Базовым измерительным устройством (БИУ), служит СВЧ-влагомер с вращающейся кюветой.

 

Рис.3.1. Структурная схема универсальной системы измерения

влажности зерна и зерновых продуктов

Кювету вращает вокруг вертикальной оси шаговый двигатель (ШД), который управляется включателем, расположенным на крышке влагомера. Структурная схема влагомера приведена на рис.3.2. Базовый влагомер построен по блочно-модульному принципу. СВЧ тракт влагомера состоит из следующих частей: А1, А2 - передающая и приемная антенны, М1, М2 - СВЧ модули (соответственно, СВЧ-генератор и детектор). Сигналы с М1, М2 и датчика температуры (ДТ) поступают на БИУ. Здесь сигналы ослабления - NL, фазового сдвига - j СВЧ волны и температура образца - t формируются в виде стандартных сигналов для сопряжения с микроконтроллером. Во влагомере предусмотрены коррекции погрешностей, вызванных основными влияющими величинами (температура, плотность). Как мы уже отмечали, одним из основных достоинств амплитудно-фазового метода является то обтоятельство, что влияние плотности материала на результат измерения незначительно. Поэтому плотность измеряемого материала можно не контролировать.

В постоянную память микропроцессора вводят градуировочные характеристики (зависимости выходного сигнала от влажности) измеряемого параметра с помощью клавиатуры (блока ввода и вывода - БВВ), а также градуировочные характеристики влияющих факторов математически

связанных с влажностью материала. В этом случае выходные сигналы измерительного устройства (NL, j, t) поступают на микроконтроллер. Через аналоговый интерфейс сигналы NL, j и t преобразуются в цифровые сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя и поступают на интерфейс внешних устройств микропроцессора. Микропроцессор выполняет все вычислительные операции. После вычисления полинома выводится влажность материала в цифровом виде через индикатор (БВВ). Средствами индикации (БВВ) в данной системе могут служить (в зависимости от требований приборы, световое табло, цифропечатающие устройства и т. п; и сигналы управления (при

Рис.3.2. Структурная схема СВЧ влагомера со встроенным микропроцессорным устройством

 

работе влагомера) в зависимости от требований приборы, световое табло, цифропечатающие устройства и т. п; и сигналы управления (при работе влагомера) непосредственно в технологическом процессе или в АСУТП), микропроцессор через цифроаналоговый преобразователь и блок управления технологическим процессом, реализующий требуемый закон автоматического управления или регулирования технологическим процессом. При необходимости использования (или при запросе информации о влажности) в АСУТП сообщение поступает на бухгалтерский учет. В случаях составления баланса сырья и готовой продукции микропроцессорный блок передает эти данные на вышестоящую иерархическую ступень.

Основным различием разработанного прибора является введение блока - управляемого фазовращателя, что позволяет определить разность не только амплитуд, но и фаз между сигналами СВЧ-излучения, прошедшего через опорный и измерительный каналы, а значит - уменьшить погрешности определения влажности исследуемых объектов. Также в данный прибор введены датчики температуры и давления, учитывающие погрешности, вводимые за счет изменения температуры и плотности образца.

После перехода автоматического СВЧ влагомера в установившийся режим управляющая ЭВМ по показаниям датчика давления и при известном объеме кюветы определяет плотность исследуемого материала, затем по эмпирическим таблицам, описывающим функциональную зависимость между плотностью, температурой материала исследуемого объекта и коэффициента поглощения указанным материалом и фазовой задержкой СВЧ излучения в исследуемом объекте определяет влажность материала исследуемого объекта, а затем (если надо) осуществляет расчет общего количества воды, содержащейся в данном материале и относительное весовое содержание влаги в нем.

3.1.2. Высокочастотное устройства для измерения влажности зерна и зерновых материалов (высокочастотный влагомер зерна «WILE-55»)

В работе в качестве примера для сравнительных исследований на примере ВЧ метода и устройство мы изучали прибор зарубежной раработки диэлькометрический высокочастотный влагомер WILE-55, финского производства. 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.

Влагомер Wile 55 предназнчен для экспресс-измеренияв лажности. зерновых, зернобобовых и масленичных культур, а также продуктов их переработки. Влагомер Wile 55 используется в полевых условиях, при уборке, хранении и переработке зерна, при послеуборочной обработке и сушке зерна, на токах, при размещении зерна в хранилищах, а также на предприятиях, где необходим экспресс-анализ влажности зерна. Используется для измерения влажности цельных зерен и семян.

Влагомер Wile 55 представляет собой микропроцессорный электронный прибор, обеспечивающий непосредственный вывод процентного содержания влаги в измеряемой массе на электронный цифровой дисплей в процентах веса. Процесс измерения основывается на измерении емкостного сопротивления измеряемого материала. 

Конструктивно влагомер выполнен в виде портативного моноблока со встроенным датчиком. Датчик представляет собой измерительный цилиндр с закручивающейся крышкой. На передней панели расположены электронный цифровой дисплей, кнопка включения устройства и кнопка выбора команд. 

В приборе предусмотрены автоматическая компенсация температуры зерна, возможность усреднения большого количества (до 99) результатов измерений, а также смещение корректирования градуировки на +4% по каждой культуре.

Влагомер Wile 55 оснащен следующими функциями:

·  автоматическая компенсация разницы температур влагомера и окружающей среды;

·  автоматическое усреднение результатов измерений (память вмещает до 99 результатов);

·  возможность внесения поправки к шкале измерения с учетом результата, полученного методом печной сушки;

·  автоматическое отключение электропитания;

·  предусмотрена калибровка прибора, а также возвращение к заводской калибровке.

Измерение с помощью Wile 55 производится в следующем порядке. После выбора типа зерна надо нажать на кнопку. Большой цифровой дисплей облегчает считывание показателей даже в условиях недостаточной освещенности.

Метод измерения влажности, применимый во влагомерах, основан на зависимости диэлектрической проницаемости образца от влажности, что позволяет достичь минимальной погрешности: 0.5% Каждый тип зерна имеет уникальные характеристики влажности, поэтому для каждого типа зерна применяется своя собственная калибровочная шкала. Влагомер имеет 16 шкал для 16 культур. Цифровой влагомер WILE-55 предназначен для контроля влажности зерна и семян 16 культур: пшеницы, ячменя, гречихи, рапса, подсолнечника, кукурузы, бобов, риса, овса, ржи, сорго, гороха, соевых бобов, семян льна, горчицы. Список измеряемых культур и соответствующие им номера шкал измерения расположены на наклейке сбоку прибора.