Способ измерения влажности сыпучих материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения свойств и состава сыпучих веществ радиоизотопными методами, и может быть использовано в системе метрологического обеспечения измерительных приборов, например нейтронных влагомеров и влаго- гслотномеров.

Известен способ измерения влажности сыпучих веществ, который заключается в облучении вещества быстрыми нейтронами, измерении потока замедленных нейтронов I и определении влажности по формуле

W al + b,

где a. b - градуировочны 1 коэффициенты, определяемые экспериментальным путем.

Вследствие случайного характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом интенсивность I содержит случайные погрешности Д h, которые влияют на погрешность измерения влажности Wi. Для уменьшения погрешности измерения влаж- ности вычисляют среднее значение Wn по

результатам п измерений Wi, Л/2 Wi

Wn по формуле

rf1 Jwi.

I 1 где Wn - среднее значение влажности:

п - число измерений;

Wi - текущее значение влажности.

Результат может быть получен лишь после выполнения измерений, что определяет

00 Сл)

Сл

о ся

и жестко фиксирует быстродействие влагомера или влагоплотномера

Кроме того, для обработки результатов измерения необходимо иметь большой объем памяти (п ячеек памяти), что усложняет конструкцию и снижает помехоустойчивость устройства для обработки информации влагомеров,

Известен способ измерения влажности сыпучих веществ нейтронными влагомерами, который заключается в облучении вещества быстрыми нейтронами, измерении интенсивностей потоков тепловых Н и над- тепловых г нейтронов и определении текущего значения влажности Wi по формуле

Wr

111 -а0) 1Э2 - (121 - Ь0)-Э2

;i2i -b0)-a1 -(Hi -a0)-b2

(1)

где Wi - текущее значение влажности;

Hi, (21 текущее значение интенсивностей;

а0-а2, Ьо-Ьг - градуировочные коэффициенты.

При усреднении значений влажности в известном способе измерения влажности используют алгоритм, по которому среднее значение влажности определяют в соответствии с формулой

Wni ()Wni-i + ,

(2)

где Wni -1, Wn|-последовательные значения среднего значения влажности;

Wi - текущее значение влажности;

щ - число измерений.

Причем после каждого цикла измерения текущей влажности величина rii увеличивается на единицу, но не превышает значения

Пмакс

ПИ +И Ымакс.

Величина Пмакс выбирается экспериментальным путем и зависит как от допустимого значения случайной составляющей погрешности измерения влажности так и от дисперсии потоков нейтронов, зарегистрированных детекторами

С увеличением пмакс случайная составляющая погрешности измерения влажности уменьшается.

Однако способ измерения имеет большое время реакции при скачкообразном изменении влажности материала, поскольку при определении среднего значения по формуле (2) текущее значения Wi имеет весовой коэффициент -, а среднее значение

Wn( - весовой коэффициент

п -1

При больших значениях п скачкообразное изменение Wi мало влияет на среднее значение, и только после нескольких циклов измерения (пмакс) среднее значение Wni приближается к действительному значению влажности.

Этот недостаток приводит к тому, что снижается точность измерения влажности при скачкообразном изменении измеряе- мой величины.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния случайных колебаний измеряемой величины и оптимизации интервала усред- нения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения влажности сыпучих материалов, включающем облучение их потоком быстрых нейтронов, измерение ин- тенсивностей потоков тепловых и надтепло- вых нейтронов, по значениям которых в каждом цикле измерения i находят текущее значение влажности WI и определяют среднее значение Wni, например, по формуле

-

Wn Km- OWni-, ,

где Wni - i, Wni - последовательные значе- ния средней влажности материала;

щ - число измерений,

причем в каждом последующем цикле измерений nl увеличивается на 1, но не более чем

ДО Пмакс:

П| ПЫ Пмакс,

где пмаксЈ2 - коэффициент, определяемый экспериментальным путем,

Для каждого цикла измерений определяют значение предельно допустимой

величины погрешности AWinaicc по предварительно полученной экспериментальным путем зависимости WiMaKc от среднего значения влажности Wni i затем определяют разность между текущим и средним значениями влажности Д Wi и проверяют выполнение условий

IAW|l AW|Mai c, AW|-l ДМммакс

(3)

Если условие не выполняется, продолжают измерение и усреднение влажности, при выполнении условия осуществляют проверку выполнения условия

55

|AW| + ДМ|макс,

(4

при невыполнении которого продолжают циклы измерения и усреднения влажности а при выполнении фиксируют скачкообразное изменение измеряемой величины и начинают новый цикл усреднений, в котором в качестве Л/щ принимают текущее значение Wi, а величину гг, принимают равной 1.

Заявляемый способ отличается тем, что для каждого цикла измерений определяют значение предельно допустимой погрешности AWiMaKc. определяют разность между текущим и средним значениями влажности и осуществляют последовательную проверку условий (3), (4), при выполнении условия (4) фиксируют наличие скачкообразного изменения измеряемой величины и начинают новый цикл усреднений.

Заявляемый способ измерения влажности позволяет повысить точность измерения при скачкообразном изменении измеряемой величины за счет оптимизации времени реакции посредством выполнения измерений в случае медленного изменения измеряемой величины с большой постоянной времени (время реакции равно г пмакс. где т- время цикла измерения), выявления моментов скачкообразного измерения измеряемой величины и резкого снижения при этом постоянной времени (время реакции равно времени цикла) и, при следующем стабильном протекании процесса, увеличения постоянной времени вновь до максимальной величины

На фиг.1,2 показаны зависимости показаний влагомера Wi от числа циклов измерения i при скачкообразном изменении влажности с 0,8 до 12,1 % (фиг.1) и с 8,4 до 7.1 (фиг.2).

На i рафиках позицией 1 показаны текущие значения влажности Wi, измеряемые влагомером без усреднения информации; позицией 2 - усредненные значения влажности Wni , определенные по известному способу измерения: позицией 3 - усредненные значения влажности по заявляемому способу измерения На фиг 1.2 ti - время реакции при выполнении заявляемого способа измерения; т.2 - известного способа измерения.

Заявляемый способ измерения влажности реализуется следующим образом.

Сыпучее вещество, например доменный кокс, в весовой воронке облучают потоком быстрых нейтронов Измеряют интенсивности тепловых h, и надтепловых l2i нейтронов в течение времени t. соответствующего одному циклу измерения i. Определяют текущее значение влажности Wi по формуле (1).

Определяют среднее значение влажности, например, по формуле (2) Причем после каждого цикла измерения величина ni

увеличивается на единицу, но не более чем

ДО Г) макс

ni ni-i + 1 пМакс.

После каждого цикла измерения опре- деляют разность между средним Wni и текущим Wi значениями влажности по формулам

10

AWi Wm -Wi. . AWi-i Wni-i -WM.

(5)

Одновременно, пользуясь полученной ранее экспериментальным путем зависи- ,5 мостью, определяют для Wni величину максимального значения допускаемой погрешности прибора в данном цикле

WiMaKC

Проверяют выполнение условия (3) ЕсQ ли это условие не выполняется, тоусреднег ние влажности продолжают по формуле (2) Если условие (3) выполняется, т.е. два последовательных текущих значения влажности Wi и Ми превышают установленный пре,5 дел A WiMaKc, то проверяют выполнение условия (4).

Если условие (4) не выполняется, то усреднение значения влажности по формуле (2) продолжают. При выполнении условия (4)

Q в качестве Wni принимается значение Wi, далее усреднение значения влажности по формулам (2) продолжают с ni 1.

Таким образом, сущность изобретения заключается том, что вычисление среднего

5 значения Wn производят по формуле (2), причем значение определяют в зависимости от разности двух последовательных текущих значений Wi и Wi-i и среднего значения Wn| , Wn| - 1 .

0 Если каждое из двух последовательных значений разности А М и AWi-i превышает заданный предел ДМыакс, а сумма этих двух разностей с учетом знака AW IA Wi + AWi-i | превышает заданный

5 предел k AW|MaKc, то это с большой вероятностью означает, что произошло скачкообразное изменение измеряемой величины. При этом значению п, присваивается единичное значение (ni 1) и усреднение про0 должается с начального условия (2)

Так как для случайного процесса вероятность того, что два последовательных значения AW, и AWi-1 выйдут за заданный предел с одинаковым знаком, мала, то ана5 лиз двух последовательных значений погрешностей Ai, A1-1 (с учетом их знака) позволяете большой вероятностью определять скачок измеряемой величины и в то же

время не реагировать на однократный выход погрешности за заданные пределы.

Величина коэффициента k выбирается экспериментальным путем таким образом, чтобы изменение величины п происходило при изменении влажности и не происходит при случайных колебаниях влажности за счет статистики.

Поскольку разброс показаний влагомера за счет статистики находится в пределах от + Д Л/|макс до - ,то k не должен быть менее 2, так как Д W 2«Д Л/Макс.

Поскольку процесс взаимодействуя нейтронов с веществом носит случайный характер, то случайная составляющая по- грешности измерения влажности возрастает с увеличением влажности.

Поэтому величина А Л/ыакс должна быть переменной величиной в зависимости от среднего значения Win.

Например, для влагоплотномера экспериментальным путем найдена зависимость

ДЛЯ Д Л/|макс .

AWi

макс

A + B-Wni,

(6)

где А,б - эмпирические коэффициенты, которые находят экспериментальным путем следующим образом.

При различных значениях влажности в диапазоне от УУмин до Л/макс определяют погрешность Д Л/|Макс Строят зависимость по формуле (6) и определяют эмпирические коэффициенты по формулам

А А Л/макс,

AV4,aKc2 -ЛМмакс

В

Wn2 -Wm

гдеД Л/Макс, Д Л/Макс2-максимальное значе- ние погрешности при минимальном значении средней влажности Л/щ и максимальном значении средней влажности Л/П2Следует заметить, что успешность при- менения данного способа зависит от степени достоверности выявления моментов скачкообразного изменения среднего значения измеряемой величины, и именно с целью повышения этой достоверности и предотвращения ложных срабатываний используется двойная проверка, нашедшая отражение в условии (3). Считая, например, что случайная величина Wi подчинена нормальному закону распределения, и задава- ясь, как это принято в метрологии (см.напр ГОСТ 11.001-73). величиной доверительного интервала, равнрй 2 о, получают величину вероятности случайного появления отключения AWi, превышающего значение 1 а,

5

0

5

0

5

0

5

45 55

равную 0,05, а вероятность совпадения таких событий в двух последовательных циклах будет равна 0,05г 0,0025, т.е. менее чем 3 случая из тысячи, и может быть при необходимости дополнительно снижена на следующей стадии проверки (4) путем выбора коэффициента Наличие двух неравенств в условии (3) вместо одного, более сильного, предотвращает ложные срабатывания системы под воздействием случайных выбросов и импульсных помех.

Что же касается проверки посредством неравенства (4), то она необходима для исключения срабатывания системы, когда WI колеблется в разные стороны вокруг постоянного или медленно меняющегося среднего значения Wn|.

Пример. Реализация способа осуществляется с помощью влагоплотномера ней- тронного стационарного ВПНС-7208, содержащего нейтронный датчик и специализированное вычислительное устройство (устройство обработки). Измерение проводится в весовой воронке, в которую загружается доменный кокс с различной влажностью(0,8% и затем 12%). С помощью датчика кокс облучают быстрыми нейтронами и измеряют интенсивности потоков тепловых и надтепловых нейтронов Н и 12. В устройстве обработки вычисляют влажность Wi по формуле (1). Вычисляют среднее значение влажности по формуле (2). Определяют значение разности AWi и AWi-i по формулам (5). Находят значение и определяют, выходят ли обе разности за этот предел, Если два последовательных значения разности выходят например, за 0,6%, то находят суммарное значение двух разностей по формуле (4) и определяют, вы- ходитли сумма двух разностей 1AW1 за предел 1оД Л/|макс-1,2%, k-2.

Если выходит за предел 1,2%, то величине п присваивается единичное значение (ги 1). Далее процесс измерения влажности повторяется. Величина пмакс выбрана равной 15. Результаты измерения приведены в табл.1.

Аналогичным образом проведено измерение влажности по известному способу.

Результаты измерения приведены в табл.2.

Результаты приведены также на фиг.1, где показаны зависимости текущего значения влажности Wi (1), среднего значения Wni влажности по известному способу измерения (2) и среднего значения влажности Wni по заявляемому способу (3) от числа циклов измерений.

Как видно из приведенных результатов (табл.1,2 и фиг.1,2), заявляемый способ измерения влажности имеет меньшее время реакции при скачкообразном изменении измеряемой величины по сравнению с извест- ными способами.

На фиг.2 показана зависимость показаний радиоизотопного влагоплотномера при изменении влажности с 8,4 до 7,1 %.

Измерение проводится по ленте кон- вейера.

Таким образом, заявляемый способ по сравнению с известным позволяет уменьшить время реакции при скачкообразном изменении измеряемой величины, за счет чего повышается точность измерительных систем, измеряемых физические величины в динамическом технологическом процессе, например влажности, плотности сыпучих веществ в бункере или на ленте конвейера.

Формула изобретения Способ измерения влажности сыпучих материалов, включающий облучение их по- током быстрых нейтронов, измерение ин- тенсивностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов, по значениям которых в каждом I цикле измерения находят текущее значение влажности Wi и пределя- ют среднее значение влажности Л/щ по формулуд

JWnr (ni-JJWni - 1 + W,/m ,

где Wni - 1, Wm - последовательные значе

ния средней влажности материала;

nl - число измерений,

причем в каждом последующем цикле измерений

П| П|-1 + КПмзкс.

где пМакс 2 - коэффициент, определяемый экспериментальным путем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет исключения влияния случайных колебаний измеряемой величины и оптимизации интервала усреднения, для каждого цикла измерений определяют значение предельно допустимой величины погрешности А Л/|Макс по предварительно полученной экспериментальным путем зависимости Д Л/гмакс от среднего значения влажности Wni, определяют разность Д Wi между текущим и средним значениями влажности с учетом разности Д Wi-i и проверяют выполнение условий

-|AW| l ДМыакс,

Д Л/|-1мэкс,

при выполнении условий осуществляют проверку выполнения условия

iAW|+ кД Л/|Макс,

,

где - коэффициент, устанавливаемый экспериментально, при выполнении последнего условия фиксируют скачкообразно изменение измеряемой величины и н ачина- ют новый интервал усреднений, в котором в качестве Wni принимают текущее значение Wi7a щ принимают равным 1.

Т а б л и ц а 1

Результаты измерения вламности по заявляемому способу

Таблица2

Результаты измерения влайности по известному способу

Использование: в измерительной технике, в системах метрологического обеспечения нейтронных влагомеров и влагоплот- номеров. Сущность изобретения: для уменьшения времени реакции при скачкообразном изменении измеряемой величины по специальному алгоритму в процессе измерений осуществляют оптимизацию интервалов усреднения. 2 ил.. 2 табл. V Ј

I §

j,

л., .1

i11ая. «

tpue.f измерены i.

tt

i .. . I