Способ определения массовой доли влаги сыпучих материалов

(ГОСПАТЕНТ СССР) оЮ 4 ВНАЛ ТГДдЧЕйРАЯ )лД ГЕ,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН изображена блок-схема усизующего предложенный к области контойств материаских полей и я экспрессного аги (МДВ) в сыственно в корм зерне, сене, шенной точноВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Бойко В. О, и др. Двухчастотный методизмерения влажности зерна, Измерительная техника, 1980, Я 4, с. 59.Авторское свидетельство СССРМ 1283638, кл, 6 01 )ч 27/22, 1985,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙДОЛИ ВЛАГИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ(57) Использование: контроль влажиостисыпучих материалов в сельском хозяйстве,Изобретение относится роля физико-химических св лов с помощью электриче может быть использовано дл измерения массовой доли вл пучих материалах, преимуще мовых материалах (Фуражно зеленой массе и т.п,) с повы стью. 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,.Ы, 1822964 А 1 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 эоны частотной дисперсии, изменением амплитуды низкой частоты добиваются исчеэнования огибающей частотно-модулированного сигнала, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подаваемого сигнала и по его значению определяют искомый параметр. 1 ил,На чертежетройства, реалспособ.Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, генератор 2 высокой частоты, аттенюаторы 3, 4, фазовращатель 5 низкой частоты, фаэовращатель 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, Автоматичеоки переключатель 8 осуществляет подачу аналогичных пакетов напряжений на опорный вход синхронногоС учетом реальной нестабильности ам плитуд генераторов 1, 2 и ослаблений. вносимых оператором с помощью аттенюаторов 3, 4 напряжения пакетов ниэ кой и высокой частотой, воздействующих на датчик 10, можно представить в виде; 01-К 10,(1+ у 1 Х 1а-К 0,(1+ У 2 Х 1х сов(оа с+ 9 Р),)сов(аи с+ 1 Р 1),)(1 +ф 2)х где К 1 и К 2 - коэффициеаторов 3 и 4:Ов 1, Ое 1 1 Р 1, Ю 2ные фазы генераторов ты передач аттен амплитуды и начэль1 и 2; детектора 12, сдвинутых по фазе относительно напряжениЯ генераторов 1 и 2 и уравненных по амплитудам ограничителем 13, На сигнальныЯ 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 иэ пакетов напряжений низкой и высокой частот, осуществляется с помощью усилителя 14 низкой частоты, фазочувствительного 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 иэ пакетов низкочатотных и высокочастотных напряжений генераторов 1 и 2, Низкую частоту ои выбирают нэ плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости влажного материала от частоты до эоны частотной дисперсии, Высокую частоту са - соответственно на плоском участке этой зависимости, но после эоны частотной дисперсии, Емкость конденсатора 11 берут в 100-200 рээ больше емкости датчика 10. При таком соотношении емкостей падения напряжений на конденсаторе 11 определяются переменными токами, протекающими через датчик 10.01(1 +у 1 )х1+ гР 1 + ЬУ 1 ), (4)где С - емкость конденсатора 11;Ьф 1 - фазовый сдвиг, вносимый электрическими потерями в материале датчика.При воздействии нв датчик высокоча стотными колебаниями его проводимостьвозрастает за счет увеличения частоты и уменьшается эа счет частотной дисперсии диэлектрической проницаемости влажного материала. Если высокая частота превышает зону частотной дисперсии, то комплексная диэлектрическая проницаемость в основном определяется массой сухого вещества вс и массой проводящих веществ, и соответствующая проводимостьУь-Кз мг еф(глс. пп). (5) Оз = К 1 Кз Х (1+ф 1)сов(в 45 5 10 15 20 25 30 35 40 Ь Ое 1 Ь Оеу 1 - относительЩ 3 6 Яные нестабильности амплитуд соответственно низкочастотного напряжения частоты йи и высокочастотного напряжения частоты й 2Р 1 и ф - относительные регулируемые изменения коэффициентов передач соответственно вттенюаторов 3 и 4, вводимые оператором;ЬКз)б " - - -- относительная частотная погрешность высокочастотного эттенюатора 4 относительно низкочастотного эттенюатора 3.Тогда токи, протекающие через датчик 10, будут определяться напряжениями пакетов 01 и 02 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 добавокУН=КЗ Ф 1 еф(п 3 ь, пзс, Гпп), (3)где К - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика;е (аь, вс, щп) - комплексная диэлектрическая проницаемость, пропорциональная массе влаги гпь, массе сухого вещества щ и массе проводящих веществ пь в обьеме датчика,Выходное напряжение датчика 10, снимаемое с конденсатора 11 и пропорциональное его низкочастотному току, в соответствии с выражением (3) имеет вид:1822964 Выходное напряжение датчика, пропорциональное высокочастотному току, примет вид: оа =кгкз очаг(1+юг) хх(1+р)(1+я)со(са+а+лрл)где Лрг - 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 высокойчастоты одинаковой амплитуды, прошедшие ограничитель 13, и сдвинутые по фазе фээовращателями 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. 25 После подавления огибающей в в напряжении датчика 10 измеряют циент амплитудной модуляции во напряжении датчика. Частотно-м (7) 30 ванные колебания, дополнительнорова нные по амплитуде, представить в виде ыходном козффиводом одулиро- модули- можно р), (12) где Ка - коэффициент выпрямления синхронного детектора 12;е(гпь, п)о) и ь (гпс) - действительные составляющие диэлектрической проницаемости материала соответственно на низкой и высокой частотах,Из-за неравенства напряжений О 5 и Ов из-за дисперсии е в выходном напряжении синхронного детектора присутствуют прямоугольная огибающая пакетов напряжений, пропорциональных реактивным составляющим током датчика нэ низкой и высокой частотах,7 )щ 5 щб Й кз ка )(гс1 К 1 с (вЬ тс ) Оп)1 Хх(1+у 1) +31)-кгпв( ) х (вх О и) г ( 1 + уг ) ( 1 + уз ) ( 1 ++Д )9 Яп и Йс,где Й- частота модуляции (Йаф );19 пзп Й 1 - сигнум-функция (огибэщая знака периодического процесса). Омвкс Омигп Омвкс + Омин 55 иА и неравенства амплиряжений низкой и нв входе датчика 10,ниям (1) и (2) и (13) зависит от степен ту пакетов нв высокой частот Согласно вы раж имеем=К 1 КзКа --- - Оп)1 хк п)ь, гпс 11+ у 1)(1+ РЕ П 1 сОб= Кг КзКа О)пг х х (1+ уг)(1+ уз)(1+ )Ог) у Переменное напряжение От частоты модуляции усиливается усилителем 14 низкой частоты. выпрямляются фазочувствительным выпрямителем 15 и фиксируется инди катором 16,Изменением амплитуды пакетов напряжения низкой частоты аттенювтором 3 добиваются исчезновения огибающей частоты модуляции Й При нулевом показании инди катара 16, полученного изменением коэффициента передачи Р 1 оператором с помощью низкочастотного аттенюатора 3.имеем5 15 К 4 гпьес)Ое,(1+ у 1)(1+ У 1)- Кг я (гпс)Овг(1+ уг)(1+ 3)(1+ рг), (10) откуда получаем установленное оператором20 значение коэффициента передачи ОвфОср(1 ф гп 19 П 1 п И) х35 Ьш х соз(Ясриб+ ц - 19 пзп Й где Оср - среднее значение амплитуды мо дулированных колебаний;а - коэффициент амплитудной модуляции;вср и рср - средние значения частоты ифазы модулирвоанных колебаний;Ла - индекс частотной модуляции (манипуляции).Коэффициент амплитудной модуляцииопределяется выражением1822964 К 1 1 я 1 1 у 1 1 К 2 Ов 2 1 У 2 1 )Р 3 10 Действител ной диэлек низких част влаги и сухо не зависит о ости не массамдатчика и ществ 5 16)(п 1 ь, п 1 с)"К(п 1 ффицие от эле где К - ко зависящи материалДиэл ного мате делами пропорци ществв и дящих вещ а.ектрическая прони риала на высоких ч зоны частотно ональнэ только также не зависит о цаемость влажвстотэх эа прей дисперсии массе сухого вет массы провое(п 1 с) Кп 1 с с м рмула иэобр об определения пучих материалов,материала в ем вие нэ датчик час сигналом, состоятения массовой доли включающий по- костный датчик, тотно-модулирощим из низко- и Спос влаги сы мещемие воздейст ванным) 02 1011 К 20 Е 2 1+У 2 1+У 2 где Н - модуль(амплитуде) напряжений соответствующих пакетов. Поставляя в выражение (14) значение регулируемого параметра ф 1 иэ (11), получаем значение коэффициента амплитудной модуляции 5 ная составляющая. комптрической проницаемотах пропорциональнао вещества в объемет мессы проводящих ве пропорциональности, офизических свойствго С учетом действительных значений диэ ектрической проницаемости (16) и (17) коффициент амплитудной модуляции (15) ринимает вид В сельскохозяйственных продуктах, в частности кормовых материалах, массовая доля влаги доходит до 70-80 процентов(см., 40 например, градуировочные таблицы емкостного влэгомерэ кормовых материалов "Электромикв ВЛ К", паспорт 208,00.00.000 ПС завода НПО "Инфракон"), Поэтому в контролируемых материалах мас са сухого вещества многим меньше массы влаги (асвь) и выражение (18) при больших влажностях пропорционально МДВТаким образом, измеряя коэффициент амплитудной модуляции входных частотно- модулированных колебаний датчика в процентах определяют МДВ материала также в процентах. При малых значениях МДВ, ког 1+Д -К 1 М 1 1+У 1 1+%)(14) дэ л 1 ь и п 1 с соизмеримы в выражение (19) необходимо вносить поправку, которая заранее рассчитывается для каждого значения МДВ,Контроль МДВ по коэффициенту амплитудной модуляции на входе датчика по изложенной методике исключает влияние проводящих веществ на результат измерения, в значительной мере снижает погрешность от плотности упаковки пробы, так кэк измеряется не абсолютное значение емкости датчика с пробой, в относительная величина, пропорциональная отношению емкостей одной пробы на двух частотах, повышается экспрессность контроля за счет устранения необходимости в строгом доэировании обьема и плотности пробы,Иэ сопоставления выражения (19) с выражениями (1), (2), (4), (6) и (9) следует, что нестабильности амплитуд низкочастотного (у 1), высокочастотного (у 2) напряжений, коэффициентов передач аттенюаторов (К 1 и К 2), параметров емкостного датчика (Кз), коэффициенте выпрямления синхрОнного детектора (К 4), коэффициента усиления усилителя 14 низкой частоты и коэффициенте выпрямления фазочувствительного выпрямителя 15 не влияют нэ точность контроля МДВ,Предлагаемый способ использован для контроля МДВ силосной массы с помощью емкостного датчика, используемого во влэгомере "Электроника ВЛК". 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 колебаниЯ использован серийно выпускаемый измеритель модуляции типа С 2-23, 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 0,56,1822964 10 Составитель Ю; СкрипникТехред М, Моргентал Корректор А. Мотыл Редактор О, Стенина квэ 2178 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж, ул. Гагарина высокочастотных колебаний, при этом низкую частоту выбирают соответствующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от чвстотМ до зоны частотной дисперсии и измеряют коэффициент амплитудной модуляции частотно-модулированных колебаний, по значению которого судят об определяемом параметре, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, высокую частоту в частотно-модулированном сигнале выбирают нв плоском участке характеристики зависимости диэлектрической 5 проницаемости от частоты после зоны частотной дисперсии, изменяют амплитуду низкочастотных колебаний до исчезновения огибающей частоты модуляции, измеряют коэффициент амплитудной модуляции подв ваемого сигнала.