RU1822964C

RU1822964C - Способ определени массовой доли влаги сыпучих материалов

Info

Publication number: RU1822964C
Application number: SU904824677A
Authority: RU
Inventors: Виктор Алексеевич Таран; Юрий Алексеевич Скрипник; Анатолий Михайлович Тюльтин; Виктор Михайлович Рогач
Original assignee: Центральный Научно-Исследовательский Институт "Инфракон"
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1993-06-23

Abstract

Использование: контроль влажности сыпучих материалов в сельском хоз йстве. Сущность изобретени : способ включает помещение материала в емкостный датчик, воздействие на него частотно-модулированным сигналом, состо щим из низкочастотного и высокочастотного, причем частоты выбираютс на плоском участке характеристики зависимости диэлектрической проницаемости материала от частоты низка - до зоны частотной дисперсии, а высока после зоны частотной дисперсии, изменением амплитуды низкой частоты добиваютс ис- чезновани огибающей частотно-модулированного сигнала, измер ют коэффициент амплитудной модул ции подаваемого сигнала и по его значению определ ют искомый параметр. 1 ил.

Description

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

Целью изобретени вл етс повышение точности и экспрессности контрол путем исключени вли ни на результат контрол концентрации провод щих веществ в исследуемом влажном материале и нестабильности параметров испытательных сигналов и преобразовательных блоков, используемых дл формировани частотно- модулированных колебаний, коэффициент амплитудной модул ции которых непосредственно измер етс

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 выпр митель 15, индикатор 16, и измеритель коэффициента амплитудной модул ции 17

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

Ь

t

I

t±

детектора 12, сдвинутых по фазе относительно напр жений генераторов 1 и 2 и уравненных по амплитудам ограничителем 13. На сигнальный вход синхронного детектора 12 поступают пакеты напр жений низкой и высокой частоты с выхода емкостного датчика 10. Автоматическа работа переключателей 7 и 8 обеспечиваетс пр моугольным напр жением низкой частоты, формируемой делителем 9 частоты, который подключен к выходу генератора 1 низкой частоты. Выделение и фиксаци огибающей частотно-модулированных колебаний, состо щих из пакетов напр жений низкой и высокой частот, осуществл етс с помощью усилител 14 низкой частоты, фазочувстви- тельного выпр мител 15 и индикатора 16. Контроль массовой доли влажности (МДВ) материала, помещенного в емкостной датчик 10, ведут по показани м измерител 17 коэффициента амплитудной модул ции, подключенного ко входу емкостного датчика 10.

Способ реализуетс следующим образом .

Емкостной датчик 10 заполн ют исследуемым материалом и воздействуют на него через автоматический переключатель 7 частотно-модулированными колебани ми, состо щими из пакетов низкочатотных и высокочастотных напр жений 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 падени напр жений на конденсаторе 11 определ ютс переменными токами, протекающими через датчик 10.

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

Ui-KiUmi(1+yiXl+ )cos( t+ у ), (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 напр жени частоты an и высокочастотного напр жени частоты «z;

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

ДКг уз -о- - относительна частотна

погрешность высокочастотного аттенюатора 4 относительно низкочастотного аттенюатора 3.

Тогда токи, протекающие через датчик 10, будут определ тьс напр жени ми пакетов Ui и 1)2 и полными проводимост ми емкостного датчика с влажным материалом на соответствующих частотах.

В области низких частот полна проводимость датчика определ етс всеми компонентами сыпучего материала, представл ющего собой дисперсную среду из сухого вещества, воды и провод щих добавок

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

Ј (ть, тс, тп) - комплексна диэлектрическа проницаемость, пропорциональна массе влаги ть, массе сухого вещества тс и массе провод щих веществ mn в объеме датчика.

Выходное напр жение 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 потер ми в материале датчика.

При воздействии на датчик высокоча- стотными колебани ми его проводимость возрастает за счет увеличени частоты и уменьшаетс за счет частотной дисперсии диэлектрической проницаемости влажного материала. Если высока частота превыша- ©т зону частотной дисперсии, то комплексна диэлектрическа проницаемость в основном определ етс массой сухого вещества тс и массой провод щих веществ, и соответствующа проводимость

ад e(mc, mn).(5)

Выходное напр жение 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 напр жений датчика, пропорциональные его токам, поступают на сигнальный вход синхронного детектора 12, на опорный вход которого воздействуют пакеты напр жений низкой и высокой частоты одинаковой амплитуды, прошедшие ограничитель 13, и сдвинутые по фазе фазовращател ми 3 и 4 относительно генерируемых колебаний. В результате синхронного детектировани выходных напр жений датчика с участием опорных напр жений, синфазных с реактивными составл ющими токов датчика на низкой и высокой частотах, формируютс пакеты выпр мленных напр жений , пропорциональных только емкостным составл ющим 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 выпр млени синхронного детектора 12;

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

Из-за неравенства напр жений Us и Ue из-за дисперсии е в выходном напр жении синхронного детектора присутствуют пр моугольна огибающа пакетов напр жений , пропорциональных реактивным составл ющим 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 модул ции (й« ал );

slgnsln Qt - сигнум-функци (огибающа знака периодического процесса).

Переменное напр жение U частоты модул ции усиливаетс усилителем 14 низкой частоты, выпр мл ютс фазочувствитель- ным выпр мителем 15 и фиксируетс инди- 5 катером 16.

Изменением амплитуды пакетов напр жени низкой частоты аттенюатором 3 добиваютс исчезновени огибающей частоты модул ции 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 подавлени огибающей в выходном напр жении датчика 10 измер ют коэффициент амплитудной модул ции во входном напр жении датчика. Частотно-модулированные колебани , 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 модул ции;

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

Леи - индекс частотной модул ции (манипул ции ).

Коэффициент амплитудной модул ции определ етс выражением

50

U

макс

-U,

мин

и

макс

-ни

мин

(13)

и зависит от степени неравенства амплитуд пакетов напр жений низкой и высокой частот на входе датчика 10. Согласно выражени м (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

где IUI - модуль (амплитуда) напр жений соответствующих пакетов. Поставл в выражение (14) значение регулируемого параметра р из (11), получаем значение коэффициента амплитудной модул ции

е(ть. тс)-с(тс)

Пг1 Л /. 1 i „ / V

е(ть, тс) +е(тс

(15)

Действительна составл юща комплексной диэлектрической проницаемости на низких частотах пропорциональна массам влаги и сухого вещества в объеме датчика и не зависит от массы провод щих веществ

е (ть, тсНфпь+тс)

(16)

где К - коэффициент пропорциональности, завис щий от электрофизических свойств материала.

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

Ј (mc)Kmc

(17)

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

m

ть

ть +2 тс

(18)

В сельскохоз йственных продуктах, в частности кормовых материалах, массова дол 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 влажност х пропорционально МДВ ть

т

.

ть + тс

Таким образом, измер коэффициент амплитудной модул ции входных частотно- модулированных колебаний датчика в процентах определ ют МДВ материала также в процентах. При малых значени х МДВ, ког35 100 кГц. частота высокочастотного генератора 15-30 МГц, а частота модул ции - 1 кГц. В качестве измерител коэффициента амплитудной модул ции частотно-модулированных колебаний использован серийно

40 выпускаемый измеритель модул ции типа С2-23, работающий в диапазоне частот 0,01-500 МГц при модулирующих частотах 0,03-200 кГц. Пределы измерени по коэффициенту модул ции 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%.

Claims

(19) 50 Формула изобретени

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

да ть и тс соизмеримы в выражение (19) необходимо вносить поправку, котора заранее рассчитываетс дл каждого значени МДВ.

Контроль МДВ по коэффициенту амплитудной модул ции на входе датчика по изло- женной методике исключает вли ние провод щих веществ на результат измерени , в значительной мере снижает погрешность от плотности упаковки пробы, так как измер етс не абсолютное значение емкости датчика с пробой, а относительна величина , пропорциональна отношению емкостей одной пробы на двух частотах, повышаетс экспрессность контрол за счет устранени необходимости в строгом дозировании объема и плотности пробы.

Из сопоставлени выражени (19) с выражени ми (1), (2), (4), (6) и (9) следует, что

нестабильности амплитуд низкочастотного (yi), высокочастотного (jib) напр жений, коэффициентов передач аттенюаторов (Ki и К2), параметров емкостного датчика (Кз), коэффициента выпр млени синхронного детектора (К), коэффициента усилени усилител 14 низкой частоты и коэффициента выпр млени фазочувствительного выпр мител 15 не вли ют на точность контрол МДВ.

Предлагаемый способ использован дл контрол МДВ силосной массы с помощью емкостного датчика, используемого во влагомере Электроника ВЛК-01. Частота низкочастотного генератора выбрана пор дка

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

выпускаемый измеритель модул ции типа С2-23, работающий в диапазоне частот 0,01-500 МГц при модулирующих частотах 0,03-200 кГц. Пределы измерени по коэффициенту модул ции 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 измер ют коэффициент амплитудной модул ции частотно-мо- дулированных колебаний, по значению которого суд т об определ емом параметре , отличающийс тем, что, с целью

повышени точности определени , высокую частоту в частотно-модулированном сигнале выбирают на плоском участке характери- стики зависимости диэлектрической проницаемости от частоты после зоны частотной дисперсии, измен ют амплитуду низкочастотных колебаний до исчезновени огибающей частоты модул ции, измер ют коэффициент амплитудной модул ции подаваемого сигнала.

/5