Способ измерения расхода измельченных сочно-зеленых кормов и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к технике контроля и измерений и может быть использовано в сельскохозяйственном кормоприготовлении для измерения расхода измельченных сочно-зеленых кормов в непрерывном потоке.

Целью изобретения является повышения точности.

Сущность способа состоит в том, что при зондировании измельченного сочно-зеленого корма электромагнитными СВЧ-вол- нами значительно уменьшается влияние изменения химического состава корма и параметров заполняющего измерительный канал воздуха на точность измерения расхода. Это физически обусловлено превалированием в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн диэлектрических потерь во влаге над всеми другими видами потерь вследствие преобладания в этой области частот релаксационных потерь, связанных с поляризацией молекул воды Таким образом, ослабление излученной мощности электромагнитных СВЧ-волн в измельченном сочно-зеленом корме определяется в основном содержащейся в нем влагой

Излученная мощность электромагнитных СВЧ-волн распределится следующим образом:

О

Јь

К)

ю

4 О

Po Pi + Pz + РЗ + Рч.

(1)

где РО, PL Р2. Рз, Р4 - соответственно мощности излученных, отраженных, рассеянных,-поглощенных и прошедших волн.

Потерями мощности на рассеяние при выполнении критерия Рэлея можно пренеб- речь, т.е. если

Т5йт-(2)

где h - наибольший размер частиц контро- лируемого потока;

, Я- длина зондирующей поток электромагнитной волны;

а - угол зондирования потока (острый угол между направлением движения потока и напрвлением зондирования), Рг 0.

В длинноволновой части СВЧ-диапазо- на это условие выполняется для всех потоков измельченных сочно-зеленых кормов во взвешенном состоянии в свободном пространстве. Измеряя излученную Ро, отраженную Pi и прошедшую Р2 мощности нормально облучающих поток СВЧ-волн, определяют поглощенную Рз измельченным кормом часть мощности

P3 Po-Pl-P/) f(Mi),(3)

а тем самым независимо от химического состава корма и параметров воздуха, и массу Mi содержащейся в оценочном объеме потока корма влаги. Массу влаги вычисляют по ослаблению излученной мощности в потоке корма Na

Po-Pi

Р4

f(N3),

(4)

где Ki - пересчетный коэффициент, не зависящий от контролируемого корма.

Для исключения влияния на измерения соотношения влаги и сухого вещества в корме, дополнительно определяют его влажность W. Тогда массу корма Мо в оценочном объеме можно вычислять по соотношению

Mi

Мо:

W

(5)

независимо от качества и вида сочно-зеленого корма.

Отражающая способность поверхности обуславливается в первую очередь ее влажностью, плотностью и шероховатостью. Поэтому для измерения влажности корма методом отраженной мощности необходи.-

мо вводить коррекцию по плотности и ше роховатости облучаемой поверхности потока. Разделение полезного и мешающих сигналов производится как по частотам СВЧ-излучения - для компенсации измене.-

ний плотности потока, так и по углам зондирования потока - для компенсации изменений шероховатости, отражающей поверхности. При этом одна частота выбирается в области наибольшей чувствительности к влажности и минимальной к плотности и шероховатости, а другая частота принимается из противоположных условий. Чувствительность метода отражения для измерения влажности растет с увеличением длины волны зондирующего СВЧ-излу- чения, поэтому для получения информации о влажности корма используется изменение отраженной части мощности длинноволнового нормально зондирующего поток СВЧ- излучения, которое изменяется также для определения поглощенной в корме части мощности. При контроле плотности потока корма чувствительность метода отражения повышается с ростом частоты СВЧ-из- лучения, исходя из этого вторая частота выбирается в коротковолновой части СВЧ- диапззона. Шероховатость поверхности является одним из основных факторов, определяющих соотношение зеркально отраженной и диффузно рассеянной энергии СВЧ-излучения, направленного под острым углом к поверхности. Если высота неравно- стей на всей поверхности удовлетворяет условию

Я

h

16 sina

(6)

то по обратно отраженной части СВЧ-излучения, зондирующего под углом поток корма, можно судить о степени шероховатости отражающей поверхности. Для этого поток корма зондируется под острым углом СВЧ-излучениями второй . Тогда влажность корма определяется по разности обратных потерь мощности излучений первой и второй частот с использованием калибровочной кривой, независимо от шероховатости отражающей поверхности и плотности потока. Измеряя доплеровское смещение час-готы fg отраженной волны относительно падающей при зондировании потока СВЧ-излучениями под острым углом к направлению движения и зная длину излучаемой волны, Я и угол зондирования потока а , определяют скорость потока v по формуле

50 55

v 2 cos a fg

(7)

По полученной информации о массе корма Мо в оценочном объеме и скорости движения потока v определяют расход измельченного сочно-зеленого корма Qp в непрерывном потоке

Qp К MOV,

(8)

где К - пересчетный коэффициент, постоянный для данного измерительного канала.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство состоит из первого СВЧ-ге- нератора 1, первого блока 2 выделения мощности, делителя 3 мощности, делителя 4 напряжения, блока 5 вычитания, первого блока 6 регистрации отраженной мощности, второго блока 7 регистрации отраженной мощности, первой антенны 8, второй антенны 9, третьей антенны 10, четвертой антенны 11, первого логарифмического усилителя 12, управляемого дифференциального усилителя 13, второго логарифмического усилителя 14, второго СВЧ-генератора 15, двойного тройника 16, второго блока 17 выделения мощности, третьего блока 18 выделения мощности, смесителя 19, первого усилителя 20, преобразователя 21,управляемого интегратора 22, детектора 23, второго усилителя 24, третьего логарифмического дифференциального усилителя 25, делителя 26 и умножителя 27.

Устройство работает следующим образом,

Электромагнитное СВЧ-излучение первой части поступает с первого СВЧ-генератора 1 через первый блок 2 выделения мощности в делитель 3 мощности. При этом в блоке выделения мощности формируется в выбранном масштабе электрический сигнал ио, пропорциональный излучаемой генератором 1 СВЧ-мощности, В делителе 3 мощности излученная мощность распределяется в соотношении 2:1 между двумя плечами, откуда соответственно через блоки 6 и 7 регистрации отраженной мощности излучается на контролируемый поток 28 по нормали к направлению его движения приемно-передающими антеннами 8 и 10. Излучение с антенны 8 линейно поляризо- ванно в горизонтальной плоскости, а с антенны 10 - в вертикальной плоскости. При этом в блоках 6 и 7 регистрации отраженной мощности формируются электрические сигналы ui и щ , соответственно пропорциональные отраженным в обратном направлении мощностям СВЧ-иэлуче- ний первой частоты. Причем в блоке 6 формируется электрический сигнал ui , несущий информацию об отражающих свойствах всего потока корма, а в блоке 7 - электрический сигнал ui , зависящий от

отражающих свойств стабильной по разме-. рам поверхности потока.

Таким образом, часть излученной СВЧ- мощности первой частоты отражается от потока корма 28 и регистрируется блоками 6 и 7, а другая часть мощности линейно поляризованного в горизонтальной плоскости СВЧ-излуче- ния после ослабления в потоке корма регистрируется через приемную антенну 9

детектором 23. Прошедшая же часть мощности СВЧ-излучения, линейно поляризованного в вертикальной плоскости, не воспринимается антенной 9, вследствие различной поляризации, второй усилитель

24 формирует в выбранном масштабе электрический сигнал из , пропорциональный прошедшей мощности.

Одновременно поток корма зондируется под острым углом излучением второй

частоты с второго СВЧ-генератора 15. Двойной тройник 16 служит для развязки приемного и передающего трактов и для связи смесителя 19с СВЧ-генератором 15. Излу-- ченная мощность проходит через блики 17 и

18 выделения мощности и излучается антенной 11 на поток корма. Через эту же антенну принимается отраженная от стабильной по размерам поверхности потока часть СВЧ- излучения, которая проходит через блоки 17

и 28 и двойной тройник 16 на смеситель 19. При этом в блоке 17 выделения мощности формируется электрический сигнал ио, пропорциональный излученной СВЧ- генератором 15 мощности, а в блоке 18 - электрический сигнал ui1 , пропорциональный отраженной от потока части мощности. На смеситель 19 через двойной тройник 16 поступает также часть излученной мощности от генератора 15. Он вырабатывает

сигнал доплеровской частоты, который усиливается первым усилителем 20, после чего формируется в преобразователе 21 в серию импульсов с доплеровской частотой fg и усредняется управляемым интегратором 22. В последнем формируется сигнал uv, пропорциональный скорости движения потока. При этом за счет подачи управляющего сигнала на интегратор 22 с третьего логарифмического дифференциального усилителя 25 происходит изменение времени усреднения в зависимости от изменений величины расхода. В делителе 4 напряжения, на вход которого поступает электрический сигнал об излученной мощности СВЧ-излучения перв м частоты формируются электрические сигналы ио и ио , которые соответственно пропорциональны излученным мощностям через первый и второй выходы делителя 3 мощности.

В блоке 5 вычитания определяется разность сигналов(uo1 -ui1), которая поступает на первый вход третьего логарифмического дифференциального усилителя 25, на второй вход которого с второго усилителя 24 поступает сигнал uV . На выходе третьего логарифмического дифференциального усилителя 25 формируется сигнал, пропорциональный ослаблению мощности излучения, прошедшего по нормали к потоку

N3 10 Ig

но - ш

U4

В первом логарифмическом дифференциальном усилителе 12, на ходы которого поступают сигналы с делителя 4 напряжения и второго блока 7 регистрации отраженной мощности, определяется величина отраженной мощности СВЧ-излучения первой частоты от стабильной по размерам поверхности потока

руется сигнал о массе корма Мо в оценочном объеме потока

u мо

N3

л Мобр

Сигналы о массе корма в оценочном объеме потока и мо и скорости движения потока uv перемножаются в умножителе 27, на выходе которого формируется электрический сигнал UQ, пропорциональный расходу измель- ченного сочно-зеленого корма и не зависящий от его вида, т.е.

u Q и МО uv

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерять расход измельченных сочно-зеленых кормов в непрерывном потоке. Точность возрастает за счет исключения зависимости результата измерений от химического состава и влажности корма.

Изобретение относится к технике контроля и может быть использовано в сельскохозяйственном кормоприготовлении для измерения расхода измельченных сочно-зеленых кормов в непрерывном потоке. Цель изобретения - повышение точности. Поток корма облучается перпендикулярно его поверхности СВЧ-излучением первой частоты и под острым углом к поверхности потока СВЧ-излучением второй частоты, большей, чем первой. Регистрируется ослабление прошедшей мощности и отраженная мощность СВЧ-излучения первой частоты, регистрируется отраженная и рассеянные мощности СВЧ-излучения второй частоты, определяется допогеровский сдвиг отраженного излучения. Электронная схема устройства в аналоговом виде на основе измеренных величин определяет расход по гока корма. 1 ил. Ё

N06p.i Ю Ig

up

U1

Во втором логарифмическом дифференциальном усилителе 14, на входы которого поступают сигналы ио1 и соответственно с блоков 17 и 18 выделения мощности, определяются обратные потери СВЧ-излучения второй частоты от той же стабильной по размерам поверхности потока, что и в случае определения N06p 1, т.е.

uo

N06p.2 10 Ig -yjj .

После чего в управляемом дифференциальном усилителе 13, своими входами связанного с первым и вторым логарифмическими дифференциальными усилителями 12 и 14, определяется разность обратных потерь первой и второй частот.

ДМобр Мобр 1 Мобр 2При этом на управляющий вход усилителя 13 поступает сигнал логарифмического дифференциального усилителя 25, пропорциональный толщине потока в направлении зондирования. В результате компенсируется влияние изменения толщины потока на его отражающие свойства.

На делитель 26 поступают сигналы Мз и ДМобр, пропорциональные соответственно массе, содержащейся в корме влаги Mi и влажности корма W. а на его выходе форми5

0

5

0

0

Формула изобретения

5 СВЧ-волны первой и второй частот, которыми облучают поток измельченного корма на выходе из питателя в свободном пространстве соответственно по нормали и под углом к направлению движения потока, определяют ослабление мощности направленного по нормали излучения в потоке корма и по нему судят о массе содержащейся в нем влаги, одновременно определяют величину отраженной мощности излучений первой и второй частот и доплеровский сдвиг частоты направленного под острым углом излучения, по величине мощности судят о влажности корма, а по доплеровскому сдвигу судят о скорости потока, после чего по полученным данным определяют расход измельченных сочно-зеленых кормов.

5 СВЧ-генератор, первую и вторую антенны, расположенные на одной оси с противоположных сторон потока, третью и четвертую антенны, расположенные в той же плоскости последовательно вдоль контролируемого потока, смеситель, делитель и умножитель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено двойным тройником, делителем мощности, делителем напряжения, первым, вторым и третьим блоками выделения мощности, первым и вторым блоками регистрации отраженной мощности, первым и вторым усилителями, управляемым интегратором, преобразователем, управляемым дифференциальным усилителем, первым, вторым и третьим логарифмическими дифференциальными усилителями, блоком вычитания и детектором, причем первый СВЧ-генератор соединен с последовательно соединенными первым блоком выделения мощности и делителем мощности, первый выход которого через первый блок регистрации отраженной мощности соединен с первой антенной, а второй выход через второй блок регистрации отраженной мощности-с третьей антенной, причем выход первого блока выделения Мощности соединен с входом делителя напряжения, первый выход которого соединен с первым входом блока вычитания, а второй выход - с первым входом первого логарифмического дифференциального усилителя, при этом второй вход блока вычитания соединен с выходом первого блока регистрации отраженной мощности, второй вход первого логарифмического дифференциального усилителя - с выходом второго блока регистрации отраженной мощности, а выход первого логарифмического дифференциального усилителя соединен с первым входом дифференциального управляемого

усилителя второй вход которого соединен с выходом второго логарифмического дифференциального усилителя, а управляющий вход с выходом третьего логарифмического дифференциального усилителя, при этом первый и второй входы второго логарифмического дифференциального усилителя соответственно соединены с выходами второго и третьего блоков выделения мощности, которые

последовательно соединены с четвертой антенной и через двойной тройник - с вторым СВЧ-генератором, при этом второй выход двойного тройника через смеситель соединен т последовательно соединенными вторым усилителем, преобразователем и управляемым интегратором, выход которого соединен с первым входом умножителя, при этом управляющий вход интегратора соединен с выходом третьего логарифмического усилителя, а второй вход умножителя - с выходом делителя, первый вход которого соединен с выходом дифференциального управляемого усилителя, а второй вход - с выходом третьего логарифмического дифференциального усилителя, к первому входу которого подсоединен выход первого усилителя, а к второму входу - выход блока вычитания, при этом соединенная через детектор с первым усилителем вторая антенна и первая антенна линейно поляризованы в горизонтальной плоскости и направлены перпендикулярно потоку, также направлена линейно поляризованная в вертикальной плоскости третья антенна, а

четвертая антенна направлена под острым углом к потоку.

0

/4

15

16

17

18

JL

19

20

- 21

К s

J

26

22

27

ttt