Способ определения массовой доли влаги сыпучих материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области контроля физико-химических свойств материалов с помощью электрических полей и может быть использовано для экспрессного измерения массовой доли влаги (МДВ) в сыпучих материалах, преимущественно в кормовых материалах (Фуражном зерне, сене, зеленой массе и т.п ) с повышенной точностью.

Целью изобретения является повышение точности и экспрессности контроля путем исключения влияния на результат контроля концентрации проводящих веществ в исследуемом влажном материале и нестабильности параметров испытательных сигналов и преобразовательных блоков, используемых для формирования частотно- модулированных колебаний, коэффициент амплитудной модуляции которых непосредственно измеряется

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, генератор 2 высокой частоты, аттенюаторы 3, 4, фазовращатель 5 низкой частоты, фазовращатель 6 высокой частоты, автоматические переключатели 7, 8. делитель 9 частоты, емкостной датчик 10, конденсатор 11, синхронный детектор 12, амплитудный ограничитель 13, усилитель 14 низкой частоты, фаэочувствительный выпрямитель 15, индикатор 16, и измеритель коэффициента амплитудной модуляции 17

Автоматический переключатель 7 осуществляет поочередную подачу пакетов напряжений низкой и высокой частот от генераторов 1 и 2 на вход емкостного датчика 10. Автоматически переключатель 8 осуществляет подачу аналогичных пакетов напряжений на опорный вход синхронного

Ь

t

I

t±

детектора 12, сдвинутых по фазе относительно напряжений генераторов 1 и 2 и уравненных по амплитудам ограничителем 13. На сигнальный вход синхронного детектора 12 поступают пакеты напряжений низкой и высокой частоты с выхода емкостного датчика 10. Автоматическая работа переключателей 7 и 8 обеспечивается прямоугольным напряжением низкой частоты, формируемой делителем 9 частоты, который подключен к выходу генератора 1 низкой частоты. Выделение и фиксация огибающей частотно-модулированных колебаний, состоящих из пакетов напряжений низкой и высокой частот, осуществляется с помощью усилителя 14 низкой частоты, фазочувстви- тельного выпрямителя 15 и индикатора 16. Контроль массовой доли влажности (МДВ) материала, помещенного в емкостной датчик 10, ведут по показаниям измерителя 17 коэффициента амплитудной модуляции, подключенного ко входу емкостного датчика 10.

Способ реализуется следующим образом.

Емкостной датчик 10 заполняют исследуемым материалом и воздействуют на него через автоматический переключатель 7 частотно-модулированными колебаниями, состоящими из пакетов низкочатотных и высокочастотных напряжений генераторов 1 и 2. Низкую частоту coi выбирают на плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости влажного материала от частоты до зоны частотной дисперсии. Высокую частоту ал. - соответственно на плоском участке этой зависимости, но после зоны частотной дисперсии. Емкость конденсатора 11 берут в 100-200 раз больше емкости датчика 10. При таком соотношении емкостей падения напряжений на конденсаторе 11 определяются переменными токами, протекающими через датчик 10.

С учетом реальной нестабильности амплитуд генераторов 1, 2 и ослаблений, вносимых оператором с помощью аттенюаторов 3,4 напряжения пакетов низкой и высокой частотой, воздействующих на датчик 10, можно представить в виде:

Ui-KiUmi(1+yiXl+ )cos( t+ уя), (1) U2-K2 Um20+ У2Х1+ УЗ ) ( 1 +# ) х

XCOs(uJ2t+ ).(2)

где Ki и К - коэффициенты передач аттенюаторов 3 и 4;

Umi, Umj. . де амплитуды и начальные фазы генераторов 1 и 2;

- относитель0

5

0

5

0

5

0

AUmiA Um

У1 - -п- Yl II UmiUm2

ные нестабильности амплитуд соответственно низкочастотного напряжения частоты an и высокочастотного напряжения частоты «z;

/Ji и fa - относительные регулируемые изменения коэффициентов передач соответственно аттенюаторов 3 и 4, вводимые оператором;

ДКг уз -о- - относительная частотная

погрешность высокочастотного аттенюатора 4 относительно низкочастотного аттенюатора 3.

Тогда токи, протекающие через датчик 10, будут определяться напряжениями пакетов Ui и 1)2 и полными проводимостями емкостного датчика с влажным материалом на соответствующих частотах.

В области низких частот полная проводимость датчика определяется всеми компонентами сыпучего материала, представляющего собой дисперсную среду из сухого вещества, воды и проводящих добавок

ш е(ть, тс, тп), (3) где Кз - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика;

Ј (ть, тс, тп) - комплексная диэлектрическая проницаемость, пропорциональная массе влаги ть, массе сухого вещества тс и массе проводящих веществ mn в объеме датчика.

Выходное напряжение датчика 10. снимаемое с конденсатора 11 и пропорциональное его низкочастотному току, в соответствии с выражением (3) имеет вид:

) Um1(1+yi)x X ( 1 +01 )cos ( t + Api ) , (4)

где С - емкость конденсатора 11 ;

фазовый сдвиг, вносимый электрическими потерями в материале датчика.

При воздействии на датчик высокоча- стотными колебаниями его проводимость возрастает за счет увеличения частоты и уменьшается за счет частотной дисперсии диэлектрической проницаемости влажного материала. Если высокая частота превыша- ©т зону частотной дисперсии, то комплексная диэлектрическая проницаемость в основном определяется массой сухого вещества тс и массой проводящих веществ, и соответствующая проводимость

ад e(mc, mn).(5)

Выходное напряжение датчика, пропорциональное высокочастотному току, примет вид:

U4 К2 КЗ

Ј (тс , тп )

Um2(l + П)Х

J1 - г.,Ј rvjр;um V Л /{

Х(1 +УЭ)(1 4- pi ) cos ( W2 t + 2 + Др2),

где - фазовый сдвиг, вносимый материалом датчика на высокой частоте.

Пакеты выходных напряжений датчика, пропорциональные его токам, поступают на сигнальный вход синхронного детектора 12, на опорный вход которого воздействуют пакеты напряжений низкой и высокой частоты одинаковой амплитуды, прошедшие ограничитель 13, и сдвинутые по фазе фазовращателями 3 и 4 относительно генерируемых колебаний. В результате синхронного детектирования выходных напряжений датчика с участием опорных напряжений, синфазных с реактивными составляющими токов датчика на низкой и высокой частотах, формируются пакеты выпрямленных напряжений, пропорциональных только емкостным составляющим токов датчика 10:

II 1/ v v Ј ( Ttb , Tic ) , , U5 KlK3K4 -

x(i+yiXi+0i)i

Е(™с)

ие К2КзК4

Um2

х(1+угХ1 + KJXl+Дг),

где Кд - коэффициент выпрямления синхронного детектора 12;

е (гль, т0) и Е (тс) - действительные составляющие диэлектрической проницаемости материала соответственно на низкой и высокой частотах.

Из-за неравенства напряжений Us и Ue из-за дисперсии е в выходном напряжении синхронного детектора присутствуют прямоугольная огибающая пакетов напряжений, пропорциональных реактивным составляющим током датчика на низкой и высокой частотах,

,, Um5-Um6 , , о - 3 М v U7 jS|9 sln 2с

Kie(mbmc)Umi X

X(l+yi)(l+fll)-K2e(mc)X W XUm2(l+W)0+Kj)(l + +/fc) sign sin

где Q- частота модуляции (й« ал );

slgnsln Qt - сигнум-функция (огибающая знака периодического процесса).

Переменное напряжение U частоты модуляции усиливается усилителем 14 низкой частоты, выпрямляются фазочувствитель- ным выпрямителем 15 и фиксируется инди- 5 катером 16.

Изменением амплитуды пакетов напряжения низкой частоты аттенюатором 3 добиваются исчезновения огибающей частоты модуляции Q.rip нулевом показании инди- 10 катора 16, полученного изменением коэффициента передачи оператором с помощью низкочастотного аттенюатора 3, имеем

15 Kie(mbmc)Umi(1+ XiX1+ 0i -K2Ј(meJUma(H X1+ 3X1+ /fc). 00)

откуда получаем установленное оператором значение коэффициента передачи

20

Р1

K2e(mc)um2(l ±П)( ft ) ( 1 +Д ) К1 Е ( mb me ) Uml ( 1 +yi )

1(11)

25

30

35

После подавления огибающей в выходном напряжении датчика 10 измеряют коэффициент амплитудной модуляции во входном напряжении датчика. Частотно-модулированные колебания, дополнительно модулированные по амплитуде, можно представить в виде

(1+ mslgnsln fil)x

xcos( -дг-slgnsln Qt+ pcp), (12)

где UCp - среднее значение амплитуды мо- дулированных колебаний;

m - коэффициент амплитудной модуляции;

ОДр и уЭср - средние значения частоты и фазы модулирвоанных колебаний;

Леи - индекс частотной модуляции (манипуляции).

Коэффициент амплитудной модуляции определяется выражением

50

U

макс

-U,

мин

и

макс

-ни

мин

(13)

и зависит от степени неравенства амплитуд пакетов напряжений низкой и высокой частот на входе датчика 10. Согласно выражениям (1) и (2) и (13) имеем

I U2 I - I U1I 2 Um2 ( t К 1

I U2 I + I U1 Г K2Um2(l + XZ)(1 + K

+

X +fe)-

Kt+ffej + M

Umt(l+yi)(l+fr)

UmlO+yiTU+PlT

Использование: контроль влажности сыпучих материалов в сельском хозяйстве. Сущность изобретения: способ включает помещение материала в емкостный датчик, воздействие на него частотно-модулированным сигналом, состоящим из низкочастотного и высокочастотного, причем частоты выбираются на плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты низкая - до зоны частотной дисперсии, а высокая после зоны частотной дисперсии, изменением амплитуды низкой частоты добиваются ис- чезнования огибающей частотно-модулированного сигнала, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подаваемого сигнала и по его значению определяют искомый параметр. 1 ил.

где IUI - модуль (амплитуда) напряжений соответствующих пакетов. Поставляя в выражение (14) значение регулируемого параметра р из (11), получаем значение коэффициента амплитудной модуляции

е(ть. тс)-с(тс)

Пг1 Л /. 1 i „ / V

е(ть, тс) +е(тс

(15)

Действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости на низких частотах пропорциональна массам влаги и сухого вещества в объеме датчика и не зависит от массы проводящих веществ

е (ть, тсНфпь+тс)

(16)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от электрофизических свойств материала.

Диэлектрическая проницаемость влажного материала на высоких частотах за пределами зоны частотной дисперсии пропорциональна только массе сухого вещества и также не зависит от массы проводящих веществ

Ј (mc)Kmc

(17)

С учетом действительных значений диэлектрической проницаемости (16) и (17) коэффициент амплитудной модуляции (15) принимает вид

m

ть

ть +2 тс

(18)

В сельскохозяйственных продуктах, в частности кормовых материалах, массовая доля влаги доходит до 70-80 процентов (см., например, градуировочные таблицы емкостного влагомера кормовых материалов Электроника ВЛК-01, паспорт 208.00.00.000 ПС завода НПО Инфракон). Поэтому в контролируемых материалах масса сухого вещества многим меньше массы влаги (тс«ть) и выражение (18) при больших влажностях пропорционально МДВ ть

т

.

ть + тс

Таким образом, измеряя коэффициент амплитудной модуляции входных частотно- модулированных колебаний датчика в процентах определяют МДВ материала также в процентах. При малых значениях МДВ, ког35 100 кГц. частота высокочастотного генератора 15-30 МГц, а частота модуляции - 1 кГц. В качестве измерителя коэффициента амплитудной модуляции частотно-модулированных колебаний использован серийно

40 выпускаемый измеритель модуляции типа С2-23, работающий в диапазоне частот 0,01-500 МГц при модулирующих частотах 0,03-200 кГц. Пределы измерения по коэффициенту модуляции в процентах от 0,1 до

45 100, что вполне обеспечивает контроль кормовых материалов по МДВ в пределах от 20 до 80 процентов, с погрешностью не более 0.5%.

(19) 50 Формула изобретения

Способ определения массовой доли влаги сыпучих материалов, включающий помещение материала в емкостный датчик, воздействие на датчик частотно-модулиро- 55 ванным сигналом, состоящим из низко- и

да ть и тс соизмеримы в выражение (19) необходимо вносить поправку, которая заранее рассчитывается для каждого значения МДВ.

Контроль МДВ по коэффициенту амплитудной модуляции на входе датчика по изло- женной методике исключает влияние проводящих веществ на результат измерения, в значительной мере снижает погрешность от плотности упаковки пробы, так как измеряется не абсолютное значение емкости датчика с пробой, а относительная величина, пропорциональная отношению емкостей одной пробы на двух частотах, повышается экспрессность контроля за счет устранения необходимости в строгом дозировании объема и плотности пробы.

Из сопоставления выражения (19) с выражениями (1), (2), (4), (6) и (9) следует, что

нестабильности амплитуд низкочастотного (yi), высокочастотного (jib) напряжений, коэффициентов передач аттенюаторов (Ki и К2), параметров емкостного датчика (Кз), коэффициента выпрямления синхронного детектора (К), коэффициента усиления усилителя 14 низкой частоты и коэффициента выпрямления фазочувствительного выпрямителя 15 не влияют на точность контроля МДВ.

Предлагаемый способ использован для контроля МДВ силосной массы с помощью емкостного датчика, используемого во влагомере Электроника ВЛК-01. Частота низкочастотного генератора выбрана порядка

100 кГц. частота высокочастотного генератора 15-30 МГц, а частота модуляции - 1 кГц. В качестве измерителя коэффициента амплитудной модуляции частотно-модулированных колебаний использован серийно

выпускаемый измеритель модуляции типа С2-23, работающий в диапазоне частот 0,01-500 МГц при модулирующих частотах 0,03-200 кГц. Пределы измерения по коэффициенту модуляции в процентах от 0,1 до

100, что вполне обеспечивает контроль кормовых материалов по МДВ в пределах от 20 до 80 процентов, с погрешностью не более 0.5%.

высокочастотных колебаний, при этом низкую частоту выбирают соответствующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частота до зоны частотной дисперсии и измеряют коэффициент амплитудной модуляции частотно-мо- дулированных колебаний, по значению которого судят об определяемом параметре, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности определения, высокую частоту в частотно-модулированном сигнале выбирают на плоском участке характери- стики зависимости диэлектрической проницаемости от частоты после зоны частотной дисперсии, изменяют амплитуду низкочастотных колебаний до исчезновения огибающей частоты модуляции, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подаваемого сигнала.

/5