RU2078335C1

RU2078335C1 - Method of measurement of moisture content and device for its realization

Info

Publication number: RU2078335C1
Application number: RU92001056/09A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Труфанов; ков Б.С. Пол; Б.С. Поляков; М.И. Гамов; Г.И. Шамитько; Н.И. Славгородский; А.В. Труфанов; И.Б. Ярделевский
Original assignee: Ростовский государственный университет; Ростовский кирпичный завод N 2; Научно-технический кооператив "Искра"
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1992-10-16
Publication date: 1997-04-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method is realized with the aid of electromagnetic remote moisture tester which includes power supply unit, electromagnetic radiation generator with variable frequency, amplification- cording unit and moisture sensor manufactured in the form of capacitive transformer which primary plate is connected to electromagnetic radiation generator and which secondary plate is connected to amplification-cording unit. Zero plate is placed between primary and secondary plates. Plates of sensor are positioned in one plane in parallel to surface of analyzed material. Resonance frequency of electromagnetic radiation is set experimentally by change of operational mode of generator till maximal measurement of moisture content in examined material is obtained. EFFECT: enhanced authenticity of method and efficiency of device. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения влажности материалов, преимущественно глинистых и других дисперсных материалов по их электрофизическим параметрам. The invention relates to measuring equipment, and in particular to methods and devices for determining the moisture content of materials, mainly clay and other dispersed materials by their electrophysical parameters.

Известны способы и устройства для определения влажности материалов, основанные на использовании закономерной связи между электрофизическими свойствами этих материалов, например, диэлектрической проницаемости, и содержанием влаги. Влагомеры этого типа состоят из измерителя емкости, емкостного датчика поверхностного типа и мультивибратора, генерирующего прямоугольные импульсы напряжения, скважность которых зависит от параметров датчика. Когда указанный датчик соприкасается с влажным материалом, диэлектрическая проницаемость которого пропорциональна содержанию влаги, емкость датчика увеличивается, скважность импульсов напряжения изменяется, что фиксируется с помощью измерительного прибора (микроамперметра). Используя экспериментальную зависимость между показаниями микроамперметра и диэлектрической проницаемостью анализируемого материала, в нем определяют содержание влаги [1]
Недостатком этого устройства и аналогичных электровлагомеров контактного типа [2] является зависимость измеряемых величин не только от содержания влаги в материале, но и от размерноcти его частиц, температуры, плотности, глубины погружения датчика в материал и других трудно контролируемых параметров, что существенно снижает точность измерений и увеличивает несистематические погрешности определения влажности.Known methods and devices for determining the moisture content of materials based on the use of the regular relationship between the electrophysical properties of these materials, for example, dielectric constant, and moisture content. Hydrometers of this type consist of a capacitance meter, a capacitive sensor of the surface type and a multivibrator generating rectangular voltage pulses, the duty cycle of which depends on the parameters of the sensor. When the specified sensor is in contact with wet material, the dielectric constant of which is proportional to the moisture content, the capacitance of the sensor increases, the duty cycle of the voltage pulses changes, which is recorded using a measuring device (microammeter). Using the experimental relationship between the readings of the microammeter and the dielectric constant of the analyzed material, it determines the moisture content [1]
The disadvantage of this device and similar contact type electric moisture meters [2] is the dependence of the measured values not only on the moisture content in the material, but also on the particle size, temperature, density, immersion depth of the sensor in the material and other difficultly controlled parameters, which significantly reduces the measurement accuracy and increases non-systematic errors in determining moisture.

Часть отмеченных недостатков устранена в автоматическом цифровом влагомере [3] где реализуется принцип многопараметрического определения физических свойств анализируемого материала путем измерения его параметров на нескольких высоких частотах. Some of the noted drawbacks are eliminated in an automatic digital moisture meter [3] where the principle of multi-parameter determination of the physical properties of the analyzed material by measuring its parameters at several high frequencies is implemented.

Сигнал одной частоты (6 МГц), подаваемый генератором на пластины емкостного датчика, используется для определения влажности, а остальные (50 МГц и 1 МГц) -для компенсации диэлектрических потерь материала и учета толщины слоя шихты на ленте конвейера. A signal of one frequency (6 MHz), supplied by the generator to the plates of the capacitive sensor, is used to determine humidity, and the rest (50 MHz and 1 MHz) are used to compensate for the dielectric loss of the material and to take into account the thickness of the charge layer on the conveyor belt.

Основными недостатками этого влагомера являются сложность конструкции и нестабильность работы датчика прибора, который быстро изнашивается при работе на конвейере, а также невозможность дистанционного (бесконтактного) определения влажности материала. The main disadvantages of this moisture meter are the design complexity and instability of the sensor of the device, which wears out quickly when working on the conveyor, as well as the inability to remotely (non-contact) determine the moisture content of the material.

Более близкими по техническому решению к заявляемому способу и устройству являются влагомеры, реализующие метод определения влажности материала путем облучения его электромагнитной энергией с одновременным измерением сигнала, прошедшего через образец [4] По величине относительного поглощения электромагнитного излучения судят о содержании влаги в материале, так как последняя наиболее интенсивно влияет на прохождение электромагнитных волн [5]
Влагомеры, работающие на этом принципе, содержат датчики влажности, генераторы электромагнитного излучения и регистрирующие приборы (авт.св. N 676913, 1283632, 1453275, 1453276 и др.)[6-8]
Недостатками этих устройств являются сложность их конструкции, применение электромагнитных излучений СВЧ-диапазона, вредных для человека, зависимость уровня поглощения электромагнитного излучения, проходящего через образец, не только от содержания влаги, но и от других физических и химических свойств среды, материала конвейера и т.п. что снижает точность измерений.Closer in technical solution to the claimed method and device are moisture meters that implement the method of determining the moisture content of a material by irradiating it with electromagnetic energy while measuring the signal transmitted through the sample [4] The relative moisture absorption in the material is used to judge the moisture content in the material, since the latter most intensively affects the passage of electromagnetic waves [5]
Moisture meters working on this principle contain humidity sensors, electromagnetic radiation generators and recording devices (ed. St. N 676913, 1283632, 1453275, 1453276 and others) [6-8]
The disadvantages of these devices are the complexity of their design, the use of electromagnetic radiation of the microwave range, harmful to humans, the dependence of the absorption level of electromagnetic radiation passing through the sample, not only on the moisture content, but also on other physical and chemical properties of the medium, conveyor material, etc. P. which reduces the accuracy of measurements.

Цель изобретения повышение надежности и увеличения чувствительности дистанционного измерения влажности и других при необходимости свойств материалов при одновременном упрощении конструкции измеряемого устройства. The purpose of the invention is to increase reliability and increase the sensitivity of remote measurement of moisture and other material properties, if necessary, while simplifying the design of the measured device.

Поставленная цель достигается тем, что облучение исследуемого материала проводят электромагнитной энергией с частотой, резонансной частоте собственных колебаний молекул воды, газа и т.п. сорбированных твердыми частицами, с последующим измерением индуцированного отражения сигнала и по его величине судят о содержании воды, газа и т.п. в образце. This goal is achieved in that the irradiation of the test material is carried out with electromagnetic energy with a frequency, resonant frequency of natural vibrations of water molecules, gas, etc. adsorbed by solid particles, with subsequent measurement of the induced reflection of the signal and its value judging the content of water, gas, etc. in the sample.

Способ реализуется с помощью электромагнитного влагомера дистанционного ЭВД-1, представляющего собой устройство, содержащее блок питания, генератор электромагнитного излучения, усилительно-регистрирующий блок и датчик, например, влажности, выполненный в виде емкостного трансформатора, первичная пластина которого является передающей антенной, соединенной с генератором для облучения исследуемого образца, а вторичная пластина является приемной антенной, подключенной к усилительно-регистрирующему блоку, причем между ними размещена нулевая пластина, а пластины датчика размещены в одной плоскости параллельно поверхности анализируемого материала. The method is implemented using an electromagnetic moisture meter of a remote EVD-1, which is a device containing a power supply, an electromagnetic radiation generator, an amplification-recording unit and a sensor, for example, humidity, made in the form of a capacitive transformer, the primary plate of which is a transmitting antenna connected to a generator for irradiation of the test sample, and the secondary plate is a receiving antenna connected to the amplifier-recording unit, and between them is placed well evaya plate and sensor plate are arranged in one plane parallel to the surface of the material being analyzed.

Для получения электромагнитного излучения необходимой частоты, резонансной с частотой собственных колебаний молекул сорбированной влаги, устройство снабжено ультразвуковым генератором с широким диапазоном измеряемых частот от 20 до 100 КГц. To obtain electromagnetic radiation of the required frequency, resonant with the frequency of natural vibrations of the molecules of sorbed moisture, the device is equipped with an ultrasonic generator with a wide range of measured frequencies from 20 to 100 kHz.

На фиг.1 изображена структурная схема влагомера ЭВД-1. Влагомер содержит блок питания 1, генератор электромагнитного излучения 2, емкостно-трансформаторный датчик 3 с излучающей 4, промежуточной 5 и приемной 6 пластины, столик-препаратодержатель 7 и усилительно-регистрирующий блок 8. In Fig.1 shows a structural diagram of a moisture meter EVD-1. The moisture meter contains a power supply 1, an electromagnetic radiation generator 2, a capacitive transformer sensor 3 with a radiating 4, an intermediate 5 and a receiving plate 6, a drug-preparation table 7 and an amplifier-recording unit 8.

Измерение влажности проводят следующим образом. The moisture measurement is carried out as follows.

При дискретном отборе анализируемых проб в гнездо столика-препаратодержателя помещают чашку Петри, вводят прибор в рабочий режим и проводят установку нуля на измерительных приборах усилительно-регистрирующего блока. Затем помещают в чашку Петри определенную навеску (100±20г) анализируемого материала, влажность которого определена независимым термовесовым методом, герметизируют чашку и размещают ее в гнездо столика-препаратодержателя. Изменяя частоту электромагнитного излучения, добиваются максимальных показаний измерительных приборов. Используя несколько проб с минимальной (5%), средней (10-15% ) и максимальной (25%) влажностью, строят градуировочный график при фиксированной резонансной частоте электромагнитного излучения и в дальнейшем проводят измерения влажности аналогичных материалов с использованием экспериментально выявленных зависимостей (фиг.2). With discrete sampling of the analyzed samples, a Petri dish is placed in the nest of the preparation-containing table, the device is put into operation, and zeroing is carried out on measuring instruments of the amplification-recording unit. Then, a certain sample (100 ± 20 g) of the analyzed material, the moisture content of which is determined by an independent thermal weight method, is placed in the Petri dish, the cup is sealed and placed in the nest of the preparation table. By changing the frequency of electromagnetic radiation, the maximum readings of measuring instruments are achieved. Using several samples with a minimum (5%), average (10-15%) and maximum (25%) humidity, a calibration graph is constructed at a fixed resonant frequency of electromagnetic radiation and then moisture measurements of similar materials are carried out using experimentally identified relationships (Fig. 2).

При измерении влажности, например, глинистой шихты кирпичного производства на конвейере размещают датчик параллельно поверхности конвейера, вводят влагомер в рабочий режим и проводят установку нуля на измерительных приборах, нивелируя тем самым фоновую составляющую отраженного сигнала. Затем на конвейере подают глинистую шихту с известной оптимальной для данного технологического процесса влажностью (например, 10% для кирпичного производства). When measuring moisture, for example, a clay mixture of brick production, a sensor is placed on the conveyor parallel to the surface of the conveyor, the moisture meter is put into operation, and zeroing is carried out on measuring instruments, thereby leveling the background component of the reflected signal. Then, a clay mixture with a known optimum moisture content for a given technological process is fed onto the conveyor (for example, 10% for brick production).

Изменяя частоту электромагнитного излучения добиваются максимального показания измерительных приборов. By changing the frequency of electromagnetic radiation, the maximum readings of measuring instruments are achieved.

Используя шихту с большей (20%) и меньшей (5%) влажностью, проводят эталонирование прибора и используют выявленные зависимости для контроля влажности шихты на конвейере, принимая величину показаний при 10%-ной влажности за опорное значение. Using a mixture with a higher (20%) and lower (5%) humidity, the instrument is standardized and the identified dependencies are used to control the moisture content of the mixture on the conveyor, taking the reading at 10% humidity as the reference value.

В основе предлагаемого способа и работы ЭВД используется принцип регистрации наведенного потенциала двойного электрического слоя частиц, содержащих сорбированную влагу, при воздействии на них электромагнитным излучением ультразвуковой частоты. The basis of the proposed method and operation of the EDS uses the principle of recording the induced potential of the double electric layer of particles containing absorbed moisture when exposed to electromagnetic radiation of ultrasonic frequency.

Как правило, во внешнем электрической поле диэлектрики поляризуются, т. е. переходят в состояние, характеризующееся тем, что дипольные моменты каждого элемента объема ΔV диэлектрика отличны от нуля. В случае с глинистыми частицами, содержащими сорбированную влагу, т.е. полярные молекулы H₂O, при воздействии электрическим полем возникает также ориентационная поляризация тонкодисперсного материала. В двойном электрическом слое частиц индуцируются поверхностные поляризованные заряды при воздействии внешнего поляризующего поля E_о.As a rule, in an external electric field, dielectrics are polarized, i.e., they pass into a state characterized by the fact that the dipole moments of each volume element ΔV of the dielectric are nonzero. In the case of clay particles containing sorbed moisture, i.e. polar molecules of H ₂ O, when exposed to an electric field, orientational polarization of finely dispersed material also occurs. In a double electric layer of particles, surface polarized charges are induced by the action of an external polarizing field E _о .

В облучаемом материале векторно складываются поле E_о и поле связанных зарядов E_p, обусловленное внутренними электрофизическими свойствами материала. Поэтому результирующий вектор напряженности E при условии E_о=const зависит от электрических свойств среды

- диэлектрическая проницаемость, на которую доминирующее влияние оказывает количество влаги, находящееся в веществе, так как e = 1+κ_l, где ε диэлектрическая восприимчивость среды, равная h_о•a (h_о число молекул в единице объема, a коэффициент поляризуемости молекулы).In the irradiated material, the field E _о and the field of bound charges E _{p are} vector-added, due to the internal electrophysical properties of the material. Therefore, the resulting stress vector E under the condition E _о = const depends on the electrical properties of the medium

is the dielectric constant, which is dominated by the amount of moisture in the substance, since e = 1 + κ _l , where ε is the dielectric susceptibility of the medium equal to h _о • a (h is _the number of molecules per unit volume, a is the polarizability coefficient of the molecule) .

В процессе вынужденных колебаний заряженных частиц периодически изменяются (с частотой ν внешнего высокочастотного электромагнитного излучения) дипольные электрические моменты молекул. При этом молекулы излучают вторичные электромагнитные волны той же частоты [9] Поэтому максимальное значение E достигается в тех случаях, когда частота внешнего поля E_о резонансна с частотой собственных колебаний молекул H₂O, сорбированных на поверхности глинистых частиц (фиг.2 и 3).In the process of forced oscillations of charged particles, the dipole electrical moments of the molecules periodically change (with a frequency ν of external high-frequency electromagnetic radiation). In this case, the molecules emit secondary electromagnetic waves of the same frequency [9] Therefore, the maximum value of E is achieved in those cases when the frequency of the external field E _{о is} resonant with the frequency of natural vibrations of H ₂ O molecules sorbed on the surface of clay particles (FIGS. 2 and 3) .

Таким образом, если воздействовать на глинистую шихту внешним электромагнитным полем E_о определенной (резонансной) частоты и одновременно регистрировать изменение потенциала E, то можно оценить содержание влаги в образце, что и реализуется в заявленном способе с помощью ЭВД-1.Thus, if a clay charge is exposed to an external electromagnetic field E _{about a} certain (resonant) frequency and at the same time a change in potential E is recorded, then the moisture content in the sample can be estimated, which is realized in the inventive method using EDM-1.

В связи с тем, что непосредственное дистанционное определение E технически затруднено, в приборе ЭВД регистрируется изменение емкости C плоского конденсатора, спаренного с электромагнитным излучателем, которые выполняют функции емкостного трансформатора и размещены над поверхностью исследуемого материала. Due to the fact that the direct remote determination of E is technically difficult, the change in the capacitance C of a flat capacitor paired with an electromagnetic emitter, which perform the functions of a capacitive transformer and are located above the surface of the material under study, is recorded in the EDM device.

Принцип работы ЭВД заключается в следующем. The principle of operation of the EDS is as follows.

Исследуемый материал подвергается воздействию электромагнитного излучения колебаний молекул сорбированной влаги с одновременной регистрацией потенциала наведенного электрического поля с помощью дистанционного емкостно-трансформаторного датчика. Резонансная частота электромагнитного излучения устанавливается экспериментально путем изменения режима работы генератора до получения максимальных замеров влажности в исследуемом материале. The material under study is exposed to electromagnetic radiation from vibrations of sorbed moisture molecules while simultaneously recording the potential of the induced electric field using a remote capacitive transformer sensor. The resonant frequency of electromagnetic radiation is established experimentally by changing the operating mode of the generator to obtain maximum moisture measurements in the material under study.

На основании экспериментально установленной зависимости между емкостью датчика прибора и содержанием влаги в приборе (с использованием независимых эталонов) делается вывод о влажности материала при дискретном отборе образцов или о величине отклонения влажности глинистой шихты от требуемого для производства номинала, т.е. осуществляется контроль ее качества по этому параметру. Based on the experimentally established relationship between the capacity of the sensor of the device and the moisture content in the device (using independent standards), it is concluded that the material is wet with discrete sampling or the deviation of the clay charge moisture from the nominal value required for production, i.e. its quality is monitored by this parameter.

Так как в предлагаемых способе и устройстве регистрируется полезный сигнал, величина которого отличается практически только содержанием влаги в образце, чувствительность измерений значительно возрастает, а погрешности измерений, связанные с диэлектрическими потерями, температурой, толщиной слоя глины и другими характеристиками материала, существенно снижаются, что в целом обеспечивает высокую точность способа и надежность работы электромагнитного дистанционного влагомера ЭВД-1. Since a useful signal is recorded in the proposed method and device, the value of which differs practically only in the moisture content in the sample, the measurement sensitivity increases significantly, and the measurement errors associated with dielectric loss, temperature, clay layer thickness and other material characteristics are significantly reduced, which generally provides high accuracy of the method and the reliability of the electromagnetic remote moisture meter EVD-1.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Титов В. Универсальный влагомер. Радио, 1967, N 3, с.52.INFORMATION SOURCES
1. Titov V. Universal hydrometer. Radio, 1967, N 3, p. 52.

2. Дробица В. Измерители влажности с емкостными датчиками. В помощь радиолюбителю. 1978, вып. с.50-57. 2. Drobitsa B. Moisture meters with capacitive sensors. To help the radio amateur. 1978, issue p. 50-57.

3. Дубров Н. Невзлин Б. Каплий В. Влагомеры сыпучих материалов. В помощь радиолюбителю, вып. 50, 1975, с.39-54. 3. Dubrov N. Nevzlin B. Kapliy V. Moisture meters of bulk materials. To help the ham, issue. 50, 1975, p. 39-54.

4. Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Высшая школа, 1974, с. 80-94. 4. Benzar V.K. Microwave moisture metering technique. Minsk: Higher School, 1974, p. 80-94.

5. Берлинер М.А. Измерения влажности. М. Энергия, 1973, с.131. 5. Berliner M.A. Moisture measurement. M. Energy, 1973, p. 131.

6. Атаметов Т.У. Дроздов В.Н. Кириллов Г.А. Мальцев В.Е. Способ измерения влажности материалов неоднородных по электрическим свойствам. Авт. свид. N 271104. Бюлл. N 17 от 12.05.1970. 6. Atametov T.U. Drozdov V.N. Kirillov G.A. Maltsev V.E. A method of measuring the humidity of materials non-uniform in electrical properties. Auth. testimonial. N 271104. Bull. N 17 from 05/12/1970.

7. Беренцвейг Р.А. Мамонтов Ю.М. Устройство для измерения влажности. - Авт.свид. N 1453275. Бюлл. N 3 от 23.01.89. 7. Berenzweig R.A. Mamontov Yu.M. A device for measuring humidity. - Autosvid. N 1453275. Bull. N 3 from 01/23/89.

8. Ильющенко А. В. Кравченко И.Т. Авт.свид. N 13777690. Бюлл. N 8 от 29.02.88. 8. Ilyushchenko A. V. Kravchenko I.T. Autosvid. N 13777690. Bull. N 8 dated 02.29.88.

9. Яворский Б. М. Дятлаф А.А. Справочник по физике. М. Наука, 1977, с. 361-370, 583-585. 9. Yavorsky B. M. Dyatlaf A.A. Handbook of Physics. M. Science, 1977, p. 361-370, 583-585.

Claims

1. A method of measuring the moisture content of materials based on irradiating the sample with electromagnetic energy while registering the reflected signal, characterized in that the resonant frequency of the natural vibrations of the water molecules sorbed by the solid particles of the sample is determined, and the sample is irradiated with electromagnetic energy of this frequency, the induced potential of the double electric layer of solid particles and according to the graphs of the dependence of the induced potential, the frequency of electromagnetic energy and humidity are judged by nii moisture in the sample.

2. A device for measuring the humidity of materials, containing an electromagnetic radiation generator, a humidity sensor and an amplifying-recording unit, characterized in that the humidity sensor is made in the form of a capacitive transformer, the primary plate of which is connected to the electromagnetic radiation generator with a variable frequency, the secondary plate is connected to the amplifier - to the recording unit, between the first and second plates there is a zero plate, and the sensor plates are placed in one plane parallel to the top the nature of the analyzed material.