СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧЕГО ПРОДУКТА Российский патент 2000 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к способу, а также к устройству для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта, например, компонентов пищевых продуктов или фуража, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн.

В последнее время было сделано много предложений по непрерывному измерению влажности сыпучих материалов с помощью микроволн. В области мукомольной промышленности в определенном объеме применяют способ с использованием рупорных антенн. Однако при этом необходимо измерять плотность сыпучего продукта. Согласно патенту США US-PS 4131845 предложено использовать для измерения плотности измерение γ излучения. Насколько известно, с помощью этого способа возможно достижение удовлетворительных результатов. Недостатком являются γ лучи, так как они, согласно требованиям закона, требуют соблюдения особых мер предосторожности.

Согласно EP-PS 249738 плотность сыпучего продукта измеряют с помощью датчика веса. Измерительный канал выполнен с возможностью измерения всего потока продукта на весоизмерительных элементах, а излучаемые микроволны измеряют двумя противоположно расположенными рупорными антеннами, при этом такое измерение не является надежным. К тому же измерение влажности производят перед увлажнением.

Для предотвращения мешающих отражений микроволн от окружающих стенок эти стенки изготовляют из абсорбирующего микроволны пенопласта. С внутренней стороны пенопласт дополнительно покрывают пропускающим микроволны материалом, для того чтобы измеряемый продукт, например, пищевые продукты не вступали в соприкосновение с пенопластом. Широкое применение этого способа на практике не известно. Можно предполагать, что точное соотношение между отражением и поглощением микроволн нельзя установить и поэтому это является источником большой погрешности.

Известно применение микроволн в так называемых типовых резонаторах, раскрытых, например, в EP-B-486023 или EP-A- 669522. В зависимости от продукта необходимы различные резонансные частоты, точность ограничена.

Из FR-A-22 05 196 а также из специальной публикации (J. of Microwave Power. 1504, 1980, стр. 209-220, А.К.: Микроволновая акваметрия - обзор) известно непрерывное измерение влажности сыпучего продукта, в том числе пищевых продуктов и фуража, на конвейере с помощью микроволнового поля. При этом создают микроволновое поле и измеряют величину и фазу излучаемых микроволн в сыпучем материале, отсюда высчитывают влажность и с помощью рассчитанной величины регулируют влажность сыпучего продукта. Учет других параметров не производят. При этом в FR-A-22 05 196 раскрыт измерительный канал с чувствительным элементом, который имеет стержень поперек направления потока продукта.

В другой специальной публикации (Technisches Messen, том 61 (1994), ноябрь. N 11, стр. 409-420, К.К.: Микроволновые приборы для измерения влажности и их применение в технологии) раскрыты усовершенствованные варианты измерения влажности с помощью микроволн. При этом подчеркивается, что главной проблемой для целей автоматизации измерения влажности является правильный выбор способа измерения для каждого вида сыпучего продукта. А также то, что возникают большие погрешности измерений за счет большого разброса величины зерен, что влияет на поглощение. Поэтому предъявляются определенные требования к сыпучему продукту, соответственно, к подготовке проб, для того чтобы обеспечить в измерительном пространстве микроволнового чувствительного элемента следующие условия:
равномерную поверхность,
предварительное уплотнение сыпучего продукта,
равномерность влажности,
постоянство потока,
постоянство свойств зерен.

Это означает определенные ограничения для существующих приборов измерения влажности с помощью микроволн, в частности, для зернистых сыпучих продуктов.

Согласно WO 90/07110 предпринимается попытка измерять величину и фазу излучаемых микроволн вокруг сыпучего продукта и по ним рассчитывать влажность измеряемого продукта. Для создания микроволнового поля применяют антенну, пронизывающую сыпучий продукт в измерительном канале. Микроволновое поле создают, предпочтительно, на конечном отрезке зоны обработки и одновременно измеряют температуру сыпучего продукта. Многочисленные серии испытаний показали, что соответствующее измерение влажности сильно зависит от сортности. Однако, как известно, как раз в мукомольных установках обрабатывают различные виды зерна, соответственно, сорта зерна, в частности, различные смеси зерна. Поскольку при первоначальной обработке новой зерновой смеси еще не известны свойства продукта, влияющие на измерение с помощью микроволн, поэтому, по меньшей мере, после каждой смены одного продукта на неизвестный продукт необходимо проводить новую калибровку измерительного устройства. До настоящего времени не удалось решить эту проблему с помощью автоматической калибровки внутри прибора. Наоборот, для достижения необходимой точности измерения, например, в ± 0,2%, содержания влаги, необходимо проводить для каждой калибровки лабораторные измерения. Тем самым цель (автоматического) оперативного измерения влажности достигается лишь частично. Известно, что в противоположность, например, к емкостному способу измерения, измерение с помощью микроволн позволяет точно определять содержание влаги в только что увлажненной пшенице, то есть непосредственно после добавления воды. Действительное регулирование в замкнутом контуре регулирования для точной дозировки добавляемой воды должно основываться на измерении влажности, соответственно, содержания влаги, после добавления воды. Все проведенные в прошлом испытания подтверждают, что существует проблема зависимости от сортности, и что на результаты измерения влияет фактор времени между добавлением воды и определением содержания влаги. Так как в процессе подготовки к помолу в зерно, как правило, два или даже три раза добавляют воду, было невозможно удовлетворительно решить эту проблему с помощью известных методов.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений путем разработки микроволнового измерения, легко применимого на практике и позволяющего, в частности, проводить измерение свеже увлажненной пшеницы, и, на основании этого, регулирования подачи воды, например, в соответствии с заданной величиной.

Другое, дополнительное измерение содержания влаги перед увлажнением может происходить также известным способом.

Технический результат достигается за счет того, что в способе непрерывного измерения влажности сыпучего продукта, в частности пищевых и фуражных компонентов, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн, в котором измеряют величину и фазу излучаемых микроволн в сыпучем продукте и посредством расчетной величины определяют влажность сыпучего продукта, используют чувствительный элемент, выполненный в виде трехпластинчатого проводника, и измеряют проводящие свойства наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен как часть измерительного участка, снабженного со стороны выхода элементом обратного напора, и посредством электронного блока обработки данных вместе с температурой и насыпной плотностью сыпучего продукта определяют и затем регулируют влажность продукта.

Целесообразно производить измерение проводящих свойств с помощью гетеродинного принципа измерения посредством микроволнового измерительного блока.

Возможно подключение эталонной линии параллельно чувствительному элементу для калибровки, соответственно, для повышения точности измерений, например, для исключения температурных изменений и изменений длины.

Чувствительный элемент, соответственно, трехпластинчатый проводник, может быть выполнен как часть измерительного канала измерительного участка, отделенная от неподвижных частей установки для измерения веса, и посредством весовых сигналов измерения насыпной плотности продукта.

Было установлено, что в некоторых случаях нет необходимости измерять плотность. Однако исследования показали, что надежность измерений повышается при одновременном определении плотности сыпучего продукта, особенно для лучшего проведения измерений при экстремальных отклонениях вида сыпучего продукта, например, если речь идет о зернистом, крупяном, хлопьевом или мучном сыпучем продукте из различных исходных материалов, соответственно, из различных сортов зерна.

До настоящего времени микроволновая измерительная техника применялась в основном в химической технологии, в частности, для определения содержания воды в твердых веществах, как например, в дереве, бумаге, ткани. По техническим соображениям наибольшее распространение получили так называемые волноводные антенны. В этих областях техники они достигли высокого уровня развития.

Известны указанные выше способ чувствительного элемента Гобо (WO 90/07110) и резонаторный способ. Однако, как указывалось выше, с помощью способа чувствительного элемента Гобо одновременно не измерялась плотность, так что результат оставался не точным. Неожиданно было установлено, что при применении так называемого трехпластинчатого проводника, в котором при наполнении сыпучим продуктом измеряют проводящие свойства, устраняются решающие помеховые величины, в частности, проблемы, связанные с отражением микроволн и поглощением микроволн. Существующая до настоящего времени главная трудность, а именно зависимость от сортности, может быть устранена как источник погрешностей. Результаты измерения могут быть точно воспроизведены независимо от фактора времени между увлажнением зерна и измерением.

Такой учет насыпного веса наряду с расходом и температурой, позволяет осуществлять надежное, независимое от сортности измерение и, в конечном результате, регулирование влажности и не может очевидным образом следовать из уровня техники.

Поставленная задача достигается также путем использования устройства для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта, в частности, пищевых и фуражных компонентов, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн, содержащего измерительный канал для прохода сыпучего продукта, а также элемент обратного напора на стороне выхода измерительного канала, имеющий расположенный поперек потока продукта стержень как часть чувствительного элемента, причем предусмотрены средства для измерения проводящих свойств наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента, соответственно, измерительного канала, средства для измерения температуры, электронный блок обработки данных и средства для измерения величины и фазы излучаемых микроволновых волн в сыпучем продукте, при этом измерительный канал выполнен как обвод в виде трехпластинчатого проводника, и в виде участка взвешивания, отделенного от главного канала продукта и других неподвижных элементов для выполнения взвешивания.

Измерительный канал со стороны выхода может быть снабжен разгрузочным элементом для принудительной разгрузки сыпучего продукта.

Участок взвешивания может быть выполнен в виде рычажных весов, причем приводной двигатель элемента разгрузки расположен и действует на одну сторону, а измерительный канал на другую сторону рычага рычажных весов.

Измерительный канал может быть также вертикально разделен на два участка, на верхний измерительный участок и на примыкающий снизу разгрузочный участок, причем измерительный участок выполнен расширяющимся сверху вниз и разгрузочный участок выполнен сужающимся сверху вниз, и при этом разгрузочный участок ограничен снизу шнековым разгрузочным элементом.

Соединительная линия для передачи сигнала от чувствительного элемента к электронному блоку обработки данных, посредством которой с учетом температуры и насыпной плотности сыпучего продукта определяют и затем регулируют его влажность, может быть выполнена в виде коаксиальной линии и снабжена переходными рупорами для свободного от отражений согласования волнового сопротивления кабеля коаксиальной линии с чувствительным элементом.

Измерительный канал может быть изготовлен из металла, а переходный рупор на переходе к измерительному каналу может быть покрыт прозрачным для микроволн слоем.

Далее, измерительный канал может быть выполнен в виде обвода к расположенному наклонно или со сдвигом главному каналу продукта и входное отверстие из главного канала продукта в измерительный канал может быть выполнено в виде колосникового грохота.

Изобретение относится также к измерительному устройству для непрерывного оперативного измерения влажности сыпучего продукта, в частности, пищевых продуктов и фуража, содержащему измерительный канал для пропуска сыпучего продукта, а также элемент обратного напора на выходной стороне измерительного канала, который в зоне подпора внутри измерительного канала имеет стержень, расположенный поперек потока продукта, и отличающемуся тем, что измерительное устройство выполнено в виде весов, предпочтительно, рычажных весов. Весовой сигнал предпочтительно измеряют с помощью датчика давления, причем из сигнала рассчитывают плотность.

Кроме того, возможно измерение амплитуд и/или фаз излучаемого микроволнового сигнала.

Изобретение поясняется на примере выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг. 1 - микроволновое измерительное устройство согласно изобретению в разрезе;
фиг. 2 - разрез II-II по фиг. 1;
фиг. 3 - принцип действия трехпластинчатого проводника;
фиг. 4 - блок-схема гетеродинной измерительной системы;
фиг. 5 - особый вариант выполнения фиг. 4;
фиг. 6 - полное устройство увлажнения, например, для зерна;
фиг. 7 - основные элементы регулирования количества воды в схематическом изображении.

Как показано на фиг. 1 и 2, к главному каналу 1 продукта, в котором сыпучий продукт подают через вход 2 и отводят через выход 3, с левой стороны подсоединен обвод 4 через колосниковый грохот 5. Через неподвижный ответвляющий патрубок 6 сыпучий продукт направляется в обвод 4 и через горизонтальный патрубок 7 отводится снова в главный канал 1 продукта. Собственно измерительный участок 8 начинается с нижнего конца ответвляющего патрубка 6 и заканчивается разгрузочным концом патрубка 7. Измерительный участок 8 состоит из вертикального измерительного канала 9 и из разгрузочного элемента, например, дозатора 10, который имеет шнековый транспортер 11 и приводной двигатель 12. Измерительный участок 8 сверху и снизу в отношении измерения веса отделен от главного канала 1 продукта, так что соответствующие перемещения для определения веса измерительного участка возможны беспрепятственно.

Измерительный участок 8 через вертикальную опору 13 и горизонтальный рычаг 14 подвешен к выполненной в виде ножевой опоры точке вращения 5. Рычаг 14 соединен с датчиком силы 16. Электронный блок обработки данных 18 соединен коаксиальной линией 19, 19' с чувствительным элементом 20, который состоит из стержня 21, пронизывающего сыпучий продукт, а также по меньшей мере двух металлических стенок 22 и 22', выполненных, например, из стали (фиг. 3), так что во время измерения в измерительном канале 9 возникает магнитное поле H и электрическое поле E в прямой зависимости от электрических проводников, т.е. стержня 21 и стенок 22 и 22'.

С помощью температурного датчика 26 измеряют температуру сыпучего продукта.

Как показано на фиг. 2, обе коаксиальные линии 19 и 19' аналогично рупорным антеннам имеют переходные рупоры 23, 23' для согласования волнового сопротивления коаксиального кабеля, равного, например, 50 Ом с сопротивлением в 130 Ом в области диэлектрика 24, образованного сыпучим продуктом. Оба рупорных расширения 23 и 23' отделены от измерительного канала прозрачным для микроволн слоем 25 и 25'. С помощью переключателя 30 возможно подключение эталонной линии 31.

На фиг. 4 показана блок-схема гетеродинной измерительной системы. Микроволновый входной сигнал a(f+Δf) подводят к измерительному участку и также как выходной сигнал b(f+Δf) смешивают с выделением сигнала разностной частоты. Тем самым можно производить простое измерение фаз и амплитуд в диапазоне промежуточных частот. При этом информация (амплитуда и фаза) не утрачивается (микроволновый сигнал и сигнал разностной частоты пропорциональны друг другу).

На фиг. 5 показан конкретный вариант выполнения измерительной системы по фиг. 4. Микроволновый входной сигнал a(f+Δf) нa входе измерительного участка создает частотный смеситель (модулятор с одной боковой полосой). Входной и и выходной сигналы измерительного участка смешиваются каждый с выделением сигнала разностной частоты и обрабатываются в блоке обработки. Другой возможностью реализации гетеродинной измерительной системы является способ контура с обратной связью по фазе. В этом случае микроволновый входной сигнал не сдвигают на величину промежуточной частоты, а смесительный сигнал X с помощью контура с обратной связью по фазе поддерживают на величине f+Δf. Таким образом на выходе смесителя получают снова сигнал промежуточной частоты, который обрабатывают далее.

На фиг. 6 показана полная установка для увлажнения. Увлажняющий агрегат 40, в которой через вход 41 подается, например, сухое зерно, своим выходом 42 соединен непосредственно со входом главного канала 1 продукта. Увлажняющий агрегат 40 содержит один или несколько центробежных роторов 43, которые приводятся во вращение приводным двигателем 44. Микроволновое измерительное устройство 45 оценивает измерительные сигналы управляющего устройства 47 путем сравнения заданного и измеренного значений и в качестве управляющего сигнала подает на блок дозирования воды 48, который регулирует необходимое количество воды и через водопровод 49 и разбрызгиватель воды 50 подает воду в сыпучий продукт. Управление и регулирование количества воды схематично показано в увеличенном масштабе на фиг. 7, которое происходит самим по себе известным способом с использованием таких главных компонентов как водомер 51, электронный блок управления 55, регулирующий приводной клапан 52, фильтр 53 и обвод 54.

Перечень позиций
1. Главный канал продукта
2. Вход
3. Выход
4. Обвод
5. Решетчатый грохот
6. Ответвляющий патрубок
7. Патрубок
8. Измерительный участок
9. Измерительный канал
10. Разгрузочный дозатор
11. Шнековый транспортер
12. Приводной двигатель
13. Опора
14. Рычаг
15. Точка вращения
16. Датчик силы
17. Плита
18. Электронный блок обработки данных
19. Коаксиальная линия
19'. Коаксиальная линия
20. Чувствительный элемент
21. Стержень
22. Стенка
22'. Стенка
23. Расширение
23'. Расширение
24. Диэлектрик.

25. Слой
25'.Слой
26. Температурный датчик
40. Увлажняющий агрегат
41. Вход
42. Выход
43. Центробежный ротор
44. Приводной двигатель
45. Микроволновое измерительное устройство
46. Контрольный прибор
47. Блок управления
48. Блок дозирования воды
49. Водопровод
50. Разбрызгиватель воды
51. Водомер
52. Регулировочный приводной клапан
53. Фильтр
54. Обвод
55. Электронный блок управления
H Поле
E Поле
X Сигнал смесителя
а Входной сигнал
b Выходной сигнал,

Способ и устройство позволяют производить измерение содержания влаги в сыпучих продуктах, в частности, в компонентах пищевых продуктов и фуража, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн. Чувствительный элемент выполнен как часть измерительного участка, в виде трехпластинчатого проводника. Измеряют проводящие свойства наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента и по полученным данным, с учетом измеренной температуры и насыпной плотности определяют и затем регулируют влажность продукта. Измерительный канал выполнен как обвод и в виде участка взвешивания, со стороны выхода снабжен элементом обратного напора для сыпучего продукта. В качестве части чувствительного элемента используется стержень, расположенный поперек потока сыпучего продукта. Технический результат заключается в разработке микроволнового способа и устройства, легко применимого на практике, в частности, для измерения свежеувлажненной пшеницы, и на основании этого осуществляется регулирование подачи воды, например, в соответствии с заданной величиной. 2 с. и 9 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ непрерывного измерения влажности сыпучего продукта, в частности, пищевых и фуражных компонентов, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн, в котором измеряют величину и фазу излучаемых микроволн в сыпучем продукте и посредством расчетной величины определяют влажность сыпучего продукта, отличающийся тем, что используют чувствительный элемент, выполненный в виде трехпластинчатого проводника, и измеряют проводящие свойства наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента, причем чувствительный элемент выполнен как часть измерительного участка, снабженного со стороны выхода элементом обратного напора, и посредством электронного блока обработки данных вместе с температурой и насыпной плотностью сыпучего продукта определяют и затем регулируют влажность продукта. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измерение проводящих свойств производят с помощью гетеродинного принципа измерения посредством микроволнового измерительного блока. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эталонную линию подключают параллельно чувствительному элементу. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что чувствительный элемент, соответственно трехпластинчатый проводник, выполняют как часть измерительного канала измерительного участка, отделенную от неподвижных частей установки для измерения веса, и посредством весовых сигналов измеряют насыпную плотность продукта. 5. Устройство для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта, в частности, пищевых продуктов и фуражных компонентов, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн, содержащее измерительный канал для прохода сыпучего продукта, а также элемент обратного напора на стороне выхода измерительного канала, имеющий расположенный поперек потока продукта стержень как часть чувствительного элемента, причем предусмотрены средства для измерения проводящих свойств наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента, соответственно измерительного канала, средства для измерения температуры, электронный блок обработки данных и средства для измерения величины и фазы излучаемых микроволн в сыпучем продукте, отличающееся тем, что измерительный канал выполнен как обвод в виде трехпластинчатого проводника и в виде участка взвешивания, отделенного от главного канала продукта и других неподвижных элементов для выполнения взвешивания. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что измерительный канал со стороны выхода снабжен разгрузочным элементом для принудительной разгрузки сыпучего продукта. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что участок взвешивания выполнен в виде рычажных весов, причем приводной двигатель элемента разгрузки расположен и действует на одну сторону, а измерительный канал - на другую сторону рычага рычажных весов. 8. Устройство по любому из пп.5 - 7, отличающееся тем, что измерительный канал вертикально разделен на два участка, на верхний измерительный участок и на примыкающий снизу разгрузочный участок, причем измерительный участок выполнен расширяющимся сверху вниз и разгрузочный участок выполнен сужающимся сверху вниз, и при этом разгрузочный участок ограничен снизу шнековым разгрузочным элементом. 9. Устройство по любому из пп.5 - 8, отличающееся тем, что соединительная линия для передачи сигнала от чувствительного элемента к электронному блоку обработки данных, посредством которой с учетом температуры и насыпной плотности сыпучего продукта определяют и затем регулируют его влажность, выполнена в виде коаксиальной линии и снабжена переходными рупорами для свободного от отражений согласования волнового сопротивления кабеля коаксиальной линии с чувствительным элементом. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что измерительный канал изготовлен из металла и переходной рупор на переходе к измерительному каналу покрыт прозрачным для микроволн слоем. 11. Устройство по любому из пп.5 - 10, отличающееся тем, что измерительный канал выполнен в виде обвода к расположенному наклонно или со сдвигом главному каналу продукта и входное отверстие из главного канала продукта в измерительный канал выполнено в виде колосникового грохота.