Способ измерения влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности материалов, преимущественно текстильного сырья (шерсти, хлопка, льна и

ДР-).

Известен способ сверхвысокочастотной (СВЧ) влагометрии (1,2), основанный на пропускании через образец материала электромагнитных СВЧ волн и измерении их ослабления и фазового сдвига. Эти информативные параметры проходящей волны связаны сложными нелинейными зависимостями (1,2) с влажностью материала и рядом других величин - прежде всего, с температурой и плотностью. Введение поправок на изменение мешающих величин в широком диапазоне значений влажности W практически трудно осуществимо. Противоречие между шириной диапазона и точностью измерения является серьезным недостатком сверхвысокочастотных влагомеров, препятствующим их широкому внедрению (2,3).

Отмеченный недостаток СВЧ-влагомет- рии отсутствует при термогравиметрическом способе измерения влажности. заключающемся в высушивании образцов, их взвешивании до и после сушки и расчете влажности. Однако термогравиметрическому способу присуще низкое быстродействие из-за медленной убыли влаги в процессе сушки.

Уменьшение времени определения влажности W может быть достигнуто при переходе к неполному подсушиванию образца материала. В известном способе (4) измерения W с неполным удалением влаги искомую величину рассчитывают по формуле

w m(Wk + 100} 10Q

mk

х| х|

О 00

О W

где m - масса образца до подсушивания; тк - масса образца после подсушивания; W - влажность образца после подсушивания,

%.

Данный способ, как указывается в его описании (4), предусматривает пассивную сушку при комнатной температуре до влажности 25-30%. Этим, во-первых, ограничивается возможность увеличения скорости высушивания. Во-вторых, недостатком из- вестного способа являете заложенное в нем противоречие скоростью измерения и шириной диапазона определяемой влажности: чем ниже установлена граница WK, тем продолжительнее подсушивание при большой начальной влажности WH.

Первый недостаток устраняется в рамках рассматриваемого способа переходом к активной сушке: скорость ее в этом случае ограничивается энергозатратами. Второй недостаток может быть уменьшен путем сужения диапазона сушки без изменения ди- апазона измерения. Так известно устройство (5), где способ, аналогичный (4), реализуется активной сушкой образца, оп- ределением посредством взвешивания в процессе сушки начальной (т) и конечной (тх) масс (образца) и диэяькометрическим измерением остаточной влажности W0 с последующим расчетом искомой начальной влажности ло приведенной в описании (5) формуле

w ЕЛП . too + W0.(2)

m

В этом устройстве противоречие между скоростью измерения и шириной его диапазона частично разрешается исключением из диапазона сушки интервала малых влажно- стей, соответствующего наличию в материале связанной воды. Дальнейшее сужение диапазона сушки за счет поднятия границы Wo диэлькометрического измерения невозможно из-за, во-первых, большого разброса влажностей образцов даже одной партии (например, от 15 до 50%). во-вторых, плохой работы диэлькометрических влагомеров с электродными чувствительными элементами в области высоких влагосодержаний (1). Отмеченные существенные недостатки известного устройства (5), принимаемого в качестве прототипа, препятствуют сокращению времени измерений в произвольно широком диапазоне значений влажности.

Цель изобретения состоит в сокращении времени измерений.

Поставленная цель достигается тем, что реализуемый в устройстве-прототипе (5) способ, включающий сушку образца, определение посредством взвешивания в процессе сушки начальной и конечной масс (образца) и диэлькометрическое измерение остаточной влажности, дополняют следующими операциями: предварительным пропусканием через образец электромагнитных СВЧ волн, определением значения влажности W по величине и фазовому сдвигу прошедшего сигнала, сравнением величины W с заранее выбранными значениями Wi и Л/2. При этом, если Wi W Л/2, то измеренное значение влажности принимают за истинное; если W W2, сушку образца ведут до получения значения влажности WK W2, которое определяют по величине и фазовому сдвигу СВЧ сигнала; если W Wt, сушку образца ведут до значения влажности WK, равного остаточной влажности, а истинное значение влажности WH в обоих случаях определяют по формуле (1), то есть

WH-(« +too) ,100|

ГПк

В основе заявляемого способа лежит, таким образом, известная идея комплекси- рования гермогравиметрического и нетер- могравиметрического методов измерения. Вместе с тем заявляемое решение отличается от известного установлением нового интервала W, Ws нетермогравиметриче- ского измерения в средней части диапазона измеряемых влажностей, а также переходом к СВЧ-диапазону 3 107-3 10 Гц; последнее позволяет снять присущее ди- элькометрическим влагомерам ограничение верхнего предела измерений (1). Отличие от прототипа состоит и в том, что сушку проводят при значениях влажности, выходящих из установленного для нетермограеиметри- ческого измерения материала как сверху, так и снизу; достигаемая в результате сушки конечная влажность в том и другом случаях различна. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение предлагаемого способа с другими известными техническими решениями показывает, что все применяемые здесь операции сами по себе известны. Однако - каждая в отдельности и в известных комбинациях - они не позволяют достичь того эффекта, который обнаруживается в их но- ,вой взаимосвязи, а именно: сокращение времени измерения влажности в произвольно широком диапазоне ее значений. Именно предлагаемые условия и порядок проведения известных операций - СВЧ измерения, сушки и взвешивания, диэлькометрического измерения - приводят к появлению новых полезных свойств и можно говорить о соответствии заявляемого

способа критерию существенные отличия. Следует иметь в виду, что достигаемое уменьшение времени измерений означает не только повышение производительности установки, но и снижение энергозатрат,

Предложенный способ поясняется структурной схемой (фиг.1) реализующего его устройства, которое осуществляет следующие операции по измерению влажности материала:

а) от задатчика границ 8 вводятся в вычислитель 6 значения влажностей Wi, W2, W0 (например, для партии шерсти с ориентировочным разбросом значений влажности образцов W 10-50%, Wi - 20%, W2 - 25%,W0 3%);

6} от генератора - излучателя 1 на образец в камере 2 направляются СВЧ волны;

в)прошедшие через образец волны воспринимаются антенной 10; изменение их амплитуды и фазовый сдвиг преобразуются блоком 11 в величину влажности W;

г)значение W, измеренное СВЧ способом, вводится через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 в вычислитель б, где сравнивается с граничными ранее установленными значениями Wi и W2: если Wi W W2, то измеренное СВЧ способом значение W принимают за истинное;

д)если W Л/2, то СВЧ генератор 1 переключается в режим сушки образца; в предшествующий этому момент вычислитель 6 запоминает поступающее через АЦП 7 значение начальной массы m образца: периодически вычислитель формирует команды на переключение СВЧ генератора с излучателем в режим измерения, в процессе которого от преобразователя 11 в вычислитель 6 поступает информация о текущей влажности W образца; как только значение W попадает в интервал Wi, W2}, процесс сушки уже не возобновляется, а данное значение W фиксируется как конечное (W - W); в вычислителе 6 запоминается в этот момент информация о конечной массе т образца (после сушки), полученная с электронных весов 5; на основе значений т, т, WK в вычислителе определяется начальная - искомая влажность по формуле (1);

е) если W Wi, то получаемая с электронных весов информация о массе m образца кодируется и запоминается в соответствующем блоке вычислителя 6; далее по программе вычислитель вырабатывает команду включения сушки и передает ее на генератор t, причем мощность генератора регулируется в соответствии с температурой материала, которая измеряется

датчиком 4 и поддерживается постоянной; в процессе сушки диэлькометрический преобразователь 3 вырабатывает и передает в вычислитель 6 сигнал, пропорциональный влажности материала; при достижении заданной остаточной влажности Wo вычислитель 6 выключает генератор 1 и прекращает сушку, одновременно запоминая информацию о конечной массе т образца; на основе значений т, тк, W0 в вычислителе 6

определяется начальная влажность по формуле (1) с учетом, что WK W0.

Формула изобретения Способ измерения влажности, включающий сушку образца, определение посредством взвешивания в процессе сушки начальной и конечной масс (образца), диэл- кометрическое измерение остаточной влажности, отличающийся тем что, с целью сокращения времени измерений, предварительно через образец пропускают электромагнитную СВЧ-еолну. и по величине и фазовому сдвигу прошедшего сигнала определяют значение влажности W. которое сравнивают с заранее выбранными знэчениями Wt и Л/2, при этом если Wi W , то измеренное значение влажности принимают за истинное, если W Л/2. сушку образца ведут до получения значения Влажности WK W2, которое определяют по

величине и фазовому сдвигу СВЧ-сигнала если W Wi, сушку образца ведут до значения влажности WK, равного остаточной влажности, а истинное значение влажности WH в обоих случаях определяют по формуле:

WH: mj WJL±100} m

ГПК

где m и гпк - соответственно начальная и конечная массы образца.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения влажности материалов, преимущественно текстильного сырья. Сущность изобретения: в одном спо- сое термогравиметрического и СВЧ-мето- дов измерения влажности образца. Регистрация влажности методом СВЧ проводится в среднем - ограниченном с точки зрения точности замеров диапазоне значений влажности. При значении влажности, выходящем за пределы данного диапазона, образец дополнительно сушат. Если начальная влажность больше верхней границы диапазона, то образец подсушивают до этого граничного значения влажности, а при начальной влажности, меньшей установленной нижней границы, осуществляют полную сушку образца.