Способ измерения влажности сыпучих продуктов

(51)5 6 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный и роектно-конструкторский и научно-исследовательский институт автоматизации пищевой промышленности Научно-производственного объединения "Пищепромавтоматика"(56) Авторское свидетельство СССР М 1286959, кл, О 01 й 21/31, 1987.Семенов Л.А., Сирея Т.Н, Методы построения градуировочных характеристик средств измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1986.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ(57) Изобретение относится к приборостроению для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Цель изобретения Изобретение относится к области приборостроения для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях.Известны способы измерения влажности, производящие распознавание измеряемого продукта и корректировку на основе этого результата измерений влагомера.В способе измерения влажности происходит распознавание полноты заполнения зоны измерения влажности анализируемым- повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неанализируемых компонент. Поставленная цель достигается тем, что влажность определяют уравнением, связывающим значение влажности только с оптическим показателем на спектральной позиции воды, а коэффициенты уравнения регрессии, задающие параллельное смещение и наклон градуировочной характеристики, автоматически изменяют в зависимости от принадлежности анализируемого продукта определенной области в и-мерном пространстве признаков, которыми являются коэффициенты спектрального отражения на спектральных позициях измеряемых и неизмеряемых компонент. Разделение продукта на области в пространстве оптических признаков производятдискриминантными функциями вида А 1 = б путем получения произведения матрицы коэффициентов спектрального отражения й на матрицу преобразования А и сравнения результата с граничными значениями, определяемыми матрицей В, 4 ил., 1 табл,продуктом. Для повышения точности измерения используется вторая реперная длина волны Ареп 2 . При этом коэффициент отра- жЕНИЯ На ДЛИНЕ ВОЛНЫ ЛРеп 2 ДОЛЖЕН ОтЛИ- чаться от коэффициента отражения на ПЕРВОЙ РЕПЕРНОй ДЛИНЕ ВОЛНЫ Яреп 1 НЕ МЕ- нее чем на 10%. Измерение влажности данным способом производится следующим образом; на первом этапе определяется полнота заполнения зоны измерения продуктом (например, чаем), для этого находят отношение коэффициентов отражения напервой и второй опорных длинах волн Юреп 1 ГВреп 2 (ОПТИЧЕСКИЙ ПрИЗНаК) И СраВ- нивают его со значением, полученным в результате масштабирования оптического признака во влаге равного отношению коэффициентов отражения аналитической (по влаге) длины волны к первой опорной- ВизмЧреп 1Если в результате сравнения получается число меньше заданного, то на втором этапе производят измерение влажности Я с помощью зависимости Я = Х(Л). Если в результате сравнения получается число больше заданного, то это является признаком того, что участок транспортера в зоне облучения контролируемого материала неполностью заполнен чаем и результат измерения влажности по оптическому признаку Л будет недостоверным, поэтому расчет влажности не производится. В данном способе измерения используется отличие формы спектральных характеристик материала транспортера (резины) и чая в ближней ИК- области, при котором могут быть получены и отличающиеся друг от друга зависимостиЮреп 2 Вреп 1 У Р)для случаев заполнения чаем зоны облучения на 90, 80 и 70 оД,Однако для продуктов с различным содержанием компонент при одинаковых формах спектральных характеристик отношение коэффициентов отражения на первой и второй опорной длинах волн отличается на незначительную величину. В то же время существует взаимное влияние количеств неизмеряемых компонент на погрешностьь измерения влажности.Известен способ учета влияния состава продукта на градуировочную характеристику влагомера, использующий схему множественной регрессии. При этом в уравнение регрессии, по которому рассчитывается влажность, помимо оптического признака на линии поглощения воды вводятся оптические признаки на линиях поглощения других неизмеряемых компонент, влияние которых необходимо, учесть при автоматической корректировке градуировочной характеристики.Например, при измерении влажности шрота основнойнеизменяемой компонентой, влияющей на градуировочную характеристику влагомера, является количество масла в продукте.Таким образом, уравнение регрессии представляется в виде(1)Врепзгде Я - измеренное значение влажности; В 1 изм - КОЭффИцИЕНт СПЕКтраЛЬНОГО ОтражЕНИя На ЛИНИИ ПОГЛОщЕНИя ВсдЫ; В 2 неизм, Вз неизм - коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения неизмеряемых компонент продукта (например, для шрота масло, . белок, клетчатка и т,д,);Вреп 1 Вреп 2 Вреп 3 коэфициенты спектрального отражения на опорной длине волны; Ко, К 1, К 2, Кз - коэффициенты уравнения регрессии. Определение коэффициентов КО,Кз в уравнении (1) производят путем подготовки проб продукта с раЗличными по диапазону значениями измеряемой компоненты при фиксированном значении неизмеряемых компонент с обработки массива полученных выходных сигналов влагомера методом регресивного . анализа. Например, для шрота в пробах последовательно фиксируются значения масла, при которых по диапазону изменяются значения влажности.Однако такой метод не позволяет поставить в соответствие продукту с различным содержанием измеряемых компонент его градуировочную характеристику, так как при этом в выражении (1) корректируется только свободный член Ко и отсутствует возможность изменения коэффициента К 1 при измеряемом оптическом признаке на линии воды. Изменение свободного члена Ко происходит в связи с тем, что повышение либо понижение оптических признаков неизмеряемых компонент влияет на соответствующие члены уравнения (1), которые 40 увеличивает либо уменьшают значение Ко.Таким образом, имеется возможность параллельного смещения градуировочных характеристик и отсутствует возможность изменения угла наклона.Цель изобретения - повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неизмеряемых компонент.На фиг, 1 представлено устройство, реализующее способ измерения влажности сыпучих продуктов; на фиг. 2 и 3 - спектральные и градуировочные характеристики соответственно; на фиг. 4 - спектры.На фиг. 2 представлены реальные спек тральные характеристики одного и того жепродукта (шрота), снятые на спектрокомпьютере "Инфрапид" в ближней инфракрасной области (ИК-области) пВ = Х(Л), где и В - логарифм коэффициента спектральногоотражения;Л -длина волны, Цифрами 6-8обозначены виды продуктов, полученных сразличных предприятий и имеющих различное содержание неизмеряемой компоненты(масла), соответственно максимальное, 5среднее и минимальное значения (линия поглощения Л 1 ). Из этих видов продуктов приготовлены пробы с различнымсодержанием влаги по диапазону О, 5, 8 и12%, аналитическая линия поглощения влаги - Яз, Л 2 - опорная длина волны. такимобразом получены пробы с различным подиапазону значением измеряемой компоненты и фиксированным значением неизмеряемой, Представленные на фиг, 2 15спектральные характеристики видов шротаявляются наиболее характерными и выбранными из числа исследованных спектральных характеристик, которыерасполагаются между данными. 20На фиг. 3 представлены градуировочные характеристики, соответствующиекрайним и среднему видам шрота 6-8. Поосям координат отложены; 10,ст - истинноезначение влажности, определенное лабораторным методом высушивания; ЯиЗм измеренное значение влажности, равное всоответствии с выражением (1)ии - Ко + К 1 1 и -йу-,йЛз30й 2Пунктиром обозначена зона, технологически допускаемых отклонений +.1 о , Приэтом видно, что погрешность измерениявлажности крайних шротов значительношире зоны допуска,35На фиг, 4 отдельно приведены спектрытех же видов шрота с нулевым значениемвлажности (нулевые спектральные характеристики).На фиг, 2-4 было определено, что увеличение количества неизмеряемой компоненты (масла в шроте) приводит к увеличениюлогарифма коэффициентов спектральногоотражения проб нулевой влажности по всему исследуемому диапазону фиг.4, что приводит к перемещению градуировочнойхарактеристики фиг,З. Причем чем ближерасположены нулевые спектральные характеристики на фиг,4, тем ближе располагаются градуировочные характеристики нафиг.З. Наблюдается также веерообразноераспределение градуировочных характеристик, т.е, сужение в начале диапазона и расш и рение к кон цу. Поэтому длякорректировки градуировочных характеристик, т.е. для введения их в зону допуска, обозначенную пунктиром фиг.З, необходимо в выражении (2) изменять оба коэффициента уравнения регрессии Ко и К 1. Это изменение необходимо производить в зависимости от вида шрота и соответственно в зависимости от местоположения его нулевой спектральной характеристики. С этой целью на первом этапе измерений производится распознавание вида шрота или группы видов шротов, спектральные характеристики которых находятся близко друг от друга, На втором этапе ставятся им в соответствие коэффициенты Ко и К 1, приводящие градуировочную характеристику в зону допуска. Эти коэффициенты используются при измерении влажности по выражению (2).Основными теоретическими положениями, вытекающими из приведенных фиг.1-3, которые определяют возможность разбиения видов продукта на области, явились следующие: спектры шрота различных видов одинаковы по форме и отличаются величиной коэффициента спектрального отражения неизмеряемых компонент, влияющих на градуировочную характеристику по влаге; градуировочные характеристики для различных видов продукта совпадают, если совпадают их нулевые спектральные характеристики; информативными в спектральной характеристике являются линии доминирующих компонент продукта, по которым может быть произведено распознавание,Исходя из этого для шрота была определена информативная неизмеряемая компонента (масло), влияющая на градуировочную характеристику по влаге и выбрано трехмерное пространство призна- ков, которыми являются соответственно коэффициенты спектрального отражения на линиях масла, неаналитической опорной ивлаги Л 1, Л 2, Лз(фиг 2) Вид дискриминантных функций ограничили классом линейных дискриминантных функцийа 11 й 1+ а 1 гй 2+ а 1 зйз = Ь 1 (3) а 21 й 1+ а 22 й 2+ а 2 зйз = Ь 2 (4) а 41 й 1+ а 42 й 2+ а 4 зйз = Ь 4 (5) или в матричной формеАй= В,Агде й= й 1.й 2йк - матрица-столбец коэффициеитов спектрального отражения;а 11.аиа 1 п 1 ) =1 пА= аца;,аь 1=1.ааиап 1 авп - матрица преобразова- ния(7) 40 45 50 55 матрица-столбец граничных значений областей.Для определения коэффициентов матрицы преобразования а и матрицы граничных значений Ь были подготовлены пробы характерных видов различных по диапазону влажности шротов с фиксированным значением неизмеряемой компоненты и на трехканальном ИК-влагомере определены коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения масла, влаги, и опорной каждой пробы, Затем по специально разработанной программе на ЭВМ рассчитаны коэффициенты а дискриминантных функций.Значения рассчитанных коэффициентов а 1 и Ь приведены в следующих выражениях; Значения градуировочных коэффициентов, используемых для расчета влажности при нахождении шрота в соответствующей области, приведены в таблице,На фиг. 1 обозначены сыпучий продукт 1, инфракрасный фотометр 2, блок 3 аналого-цифровых преобразователей, вычислительный блок 4, блок 5 индикации,Сыпучий продукт 1 облучают источником света, находящимся в инфракрасном фотометре 2. Отраженный от сыпучего продукта световой сигнал оптически формируют и с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и информативных неизмеряемых компонент (в данном случае одной информативной компоненты - масла), Таким образом, в результате преобразования с помощью фотоприемника светового инфракрасного сигнала в электрический на выходе инфракрасного фотометра 2 появятся напряжения, пропорциональные коэффициентам спектрального отражения на линиях масла, неаналитической опорной и влаги ВД 1, ВД 2, ВЯз., Полученные значения коэффициентов спектрального отражения преобразуют в цифровую форму в блоке 3 аналого-цифрового преобразования соотвественно в числа 81, йг, Из, которые подают в вычислительный блок 4, В последнем определяют логарифмы отношения коэффи 5 10 15 20 25 30 35 циентов спектрального отражения от сыпучего продукта на спектральных позициях воИз ды и неаналитической опорной и - , аМгтакже рассчитывают влажность Мlизм путем умножения и суммирования полученного значения логарифма на градуировочные коэффициенты К 1 и Ко в соответствии с выражениемО/иэм = К 11 п - + Ко1 ЧЗИгЧисленные значения градуировочных коэффициентов, соответствующих анализируемому виду продукта (например, шрота) выбирают из имеющихся в памяти вычисленного блока 4, Для этого числа К 1, Мг, Мз, пропорциональные коэффициентам спектрального отражения, полученным от продукта (шрота), умножают соответственно на строку коэффициентов матрицы преобразования и суммируют следующим образом:д 111 ч 1+ д 12 М 2+ д 13 ИЗ = Ьр.Результатсуммирования Ь 1 сравнивают с первым членом матрицы столбца граничных значений Ь 1.Если полученное значение больше Ь 1, то из памяти вычислительного блока выводятся градуировочные коэффициенты уравнения регрессии Ко и К 1, соответствующие той области пространства оптических признаков, в которой по своим параметрам находится измеренный вид продукта. Если полученное значение Ьр меньше Ь 1, то числа М 1, Кг, Кз умножаются соответственно на следующую строку коэффициентов матрицы преобразования:аг 11 ч 1+ аггйг+ агзйз = Ьр,Результат суммирования сравнивают с вторым членом матрицы столбца граничных значений Ьг. Аналогично принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) во второй области пространства оптических признаков и выводе из памяти, для расчета влажности соответствующих этой области коэффициентов уравнения регрессии Ко и К 1", либо о проведении нового цикла последовательных операций, При достижении последней строки матрицы и получении результата суммирования меньше последнего граничного значения Ь 5 принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) в пятой области пространства оптических признаков и выводеиз памяти соответствующих этой области коэффициентов уравнения регрессии Ко, К 1. Результат измерения влажности Яизм выводится на индикацию в блок 5.П р и м е р 1 (для случая, когда сыпучийпродукт(шрот) с влажностью, определеннойпо методу высушивания, 8,7 находится вовторой области пространства оптическихпризнаков).Сыпучий продукт облучают источникомсвета. В отраженном от сыпучего продуктасветовом сигнале с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной иинформативной неизмеряемой компоненты(масло), Определяют логарифмы полученных коэффициентов спектрального отражения на этих длинах волн, которые равнысоответственно 1 иВ 1 = 0,1434; иВг = 0,1186;1 ЛВз = 0,3626,Находят логарифм отношения ивВзВг1 иВз -1 и Вг = 0)244.Вычисляется параметр Ьр с использованием первой строки матрицы (6)Ьр = 0,09846и сравнивается с граничным значением первой области из матрицы (7) -0,076,ЬрЬ 1; -0,09846 -0,076,Полученное значение ЬрЬ 1, Поэтомувычисляется новый параметр Ьр с использованием второй строки матрицы (6)Ьр = -0,0524,сравнивается с граничным значением второй области матрицы (7) -0,0546,Ьр Ь 1;-0,0524-0,0546.Условие ЬрЬ выполняется, т.е. сыпучий продукт (шрот) находится во второй области пространства оптических признаков.Поэтому при расчете влажности используются градуировочные коэффициенты,соответствующие второй области (таблица) Кв = -5,89; К 1 = 59,17.Лиза = -5,89+ 59,17 и - = 8,5%,ВзП р и м е р 2 (для случая, когда сыпучийпродукт(шрот) с влажностью, определеннойпо методу высушивания 7,8 ф, находится впятой области пространства оптическихпризнаков),Сыпучий продукт облучают источником света, В отраженном от сыпучего продукта световом сигнале с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и информативной неизмеряемой компоненты (масло). Определяют логарифм полученных коэффициентов спектрального отражения на этих длинах волн, который равен соответственно 1 иВ 1 = 0,2285; 1 пВг = 0,1940;иВз = =0,4730. Находят логарифмы отношения и -ВзВг1 и Вз -1 и Вг = 0,2790,Вычисляют параметр Ьр с использова 5 нием первой л последующих строк матрицы(6) и результат сравнивается с граничнымзначением соответственно первой и последующих областей матрицы (7)Ьр = -0,2091;10 -0,2091-0,076;Ьр = -0,067288;-0.,1031-0,042,В результате проведенных операцийочевидно, что данный вид сыпучего продукта относится к пятой области пространства20 оптических признаков и поэтому при расчете влажности используются градуировочные коэффициенты, соответствующие пятойобласти (таблица).Ко =-5,63; К=46,34.25 ВзЯкзан = -5,63 + 46,34 1 и - = 7,3 ф.ВгСпособ измерения влажности можетбыть реаллзован для любого вида сыпучихпродуктов. Для этого необходимо провестианалогичные исследования с определениемдоминирующих неизмеряемых компонент,а также дискриминантных функций и регрессионных коэффициентов, соответствующих каждой области.Использование способа измерениявлажности сыпучих продуктов обеспечиваетпо сравнению с существующими способамиследующие преимущества: повышение точности измерения влажности; исключениепроведения на предприятии индивидуальной градуировки влагомера подданный видп родукта.Результаты экспериментальных исследований влагомера, использующего способизмерения влажности, показали, что погрешность измерения влажности всех видовшрота не превысила+1 .Формула изобретенияСпособ измерения влажности сыпучихпродуктов, заключающийся в измерении коэффициентов спектрального отражения воды и неанализируемой компоненты ипредставлении зависимости влажности отлогарифма указанных оптических показате 55 лей в виде уравнения множественной регрессли, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности измерениявлажности продукта с различным содержанием неанализируемых компонент, допол1721476 12 30 35 нительно измеряют коэффициенты спектрального отражения остальных требуемых неанализируемых компонент, а значения коэффициентов уравнения регрессии, связывающего влажность с логарифмом оптического показателя на спектральной позиции воды,и задающих параллельное смещение и наклон градуировочной характеристики, определяют из таблицы коэффициентов, для чего рассчитывают свободный член Ьр 1 дискриминантной функции из зависимостиа 11 В 1+ а 1 гВг+ а 1 зВз = Ьр 1,где а 11, а 1 г, а 1 з- коэффициенты первой строки матрицы А коэффициентов при переменных уравнениях плоскости дискриминантной функции;В 1, Вг, Вз - значения логарифмов коэффициентов спектрального отражения на спектральных позициях соответственно не- анализируемой доминирующей компоненты, неанализируемой компоненты и воды. после чего свободный член Ьр 1 дискриминантной функции сравнивают с первым свободным членом Ь 1 матрицы-столбца В свободных членов уравнений плоскости ди скриминантной функции, при выполненииУсловиЯ Ьр 1 - Ь 10 Рассчитывают новое значение свободного члена дискриминантной функции Ьрг с использованием коэффилциентов второй строки матрицы А и 10 сравнивают с вторым свободным членомЬг из матрицы-столбца В, повторяют указанное действие до выполнения условия Ьр - ЬО, где - номер строки матрицы Н, при этом в уравнение регрессии вводят ко эффициенты, соответствующие 1-му номерустроки таблицы коэффициентов, а в случае постоянного знака разности Ьр - Ь0 ля всех в строк матрицы преобразования А в уравнение регрессии вводят коэффициен ты, соответствующие последнему номерустроки таблицы коэффициентов,1721476 0,5 Редакто ектор М. Пожо Тираж Подписноеенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 947 ВНИИПИ Гос оставиехред М ь В. КалечиМоргентал