RU2115916C1 - Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation - Google Patents
Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2115916C1 RU2115916C1 RU94021546A RU94021546A RU2115916C1 RU 2115916 C1 RU2115916 C1 RU 2115916C1 RU 94021546 A RU94021546 A RU 94021546A RU 94021546 A RU94021546 A RU 94021546A RU 2115916 C1 RU2115916 C1 RU 2115916C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- measuring
- temperature
- moisture content
- vacuum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерения влажности, в частности к термовакуумной влагометрии, и может быть использовано в различных отраслях для измерения влагосодержания сыпучих материалов. The invention relates to techniques for measuring humidity, in particular to thermal vacuum moisture measurement, and can be used in various industries for measuring the moisture content of bulk materials.
Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного способа рассмотрим ряд известных средств аналогичного назначения. To assess the novelty and inventive step of the claimed method, we consider a number of known means for a similar purpose.
Известен способ контроля теплофизических характеристик капиллярно-пористых материалов путем введения теплового импульса, замера температуры в точке на заданном расстоянии от источника нагрева на теплоизолированной поверхности материалов [1]. A known method of controlling the thermophysical characteristics of capillary-porous materials by introducing a heat pulse, measuring the temperature at a point at a given distance from the heating source on the insulated surface of the materials [1].
Недостатком аналога является низкая точность и большое время измерений. The disadvantage of the analogue is low accuracy and a long measurement time.
Одним из наиболее эффективных и перспективных способов измерения влагосодержания сыпучих материалов является термовакуумный метод, основанный на поглощении тепла при испарении воды из тонкого слоя материал в замкнутом объеме при вакуумировании. One of the most effective and promising methods for measuring the moisture content of bulk materials is the thermal vacuum method, based on the absorption of heat during the evaporation of water from a thin layer of material in a closed volume under vacuum.
Известен термовакуумный метод измерения влагосодержания сыпучих материалов, включающий размещение образца и материала в замкнутом объеме, вакуумирование этого объема и измерение изменения температуры образца материала до времени, когда кривая изменения температуры достигает ярко выраженного экстремума, величина которого пропорциональна начальному влагосодержанию материала [2]. Known thermal vacuum method for measuring the moisture content of bulk materials, including placing the sample and material in a closed volume, evacuating this volume and measuring the temperature change of the material sample until the time when the temperature curve reaches a pronounced extremum, the value of which is proportional to the initial moisture content of the material [2].
Недостатками данного решения, принятого за прототип, являются следующие:
время измерения составляет несколько минут, что приводит к появлению аддитивных и мультипликативных погрешностей, ввиду нестабильных характеристик вакуумного насоса и др. элементов;
в случае достаточно большого содержания влаги в образце за период измерений происходит самозамерзание воды, что препятствует дальнейшим измерениям;
длительное время измерения влечет за собой также охлаждение измерительной ячейки (стенок измерительной вакуумной камеры), что изменяет условия теплообмена и вносит значительную погрешность в результат измерений.The disadvantages of this decision, taken as a prototype, are the following:
the measurement time is several minutes, which leads to the appearance of additive and multiplicative errors, due to the unstable characteristics of the vacuum pump and other elements;
in case of a sufficiently high moisture content in the sample during the measurement period, water freezes itself, which prevents further measurements;
a long measurement time also entails cooling the measuring cell (walls of the measuring vacuum chamber), which changes the conditions of heat transfer and introduces a significant error in the measurement result.
Для оценки новизны заявленного устройства рассмотрим ряд известных средств аналогичного назначения. To assess the novelty of the claimed device, we consider a number of known means for a similar purpose.
Известно устройство для измерения влажности, содержащее измерительный мост с термочувствительным элементом, находящимся в вакуумной камере, выход моста связан со следящей системой и входом усилителя, выход которого подключен к схеме регистрации экстремума, причем устройство дополнительно снабжено последовательной цепью из дифференциального усилителя, усилителя мощности и нагревателя дополнительным потенциометром датчиком температуры стенок вакуумной камеры [3]. A device for measuring humidity is known, comprising a measuring bridge with a heat-sensitive element located in a vacuum chamber, the output of the bridge is connected to a servo system and an amplifier input, the output of which is connected to an extremum registration circuit, and the device is additionally equipped with a serial circuit from a differential amplifier, power amplifier, and heater additional potentiometer temperature sensor of the walls of the vacuum chamber [3].
Недостатком данного устройства, принятого нами за прототип, является низкая точность измерений, обусловленная тем, что в процессе вакуумирования образца при измерениях по вышеописанному способу, в результат измерений вносится ряд существенных погрешностей, связанных с изменениями коэффициента теплоотдачи, изменением температуры элементов измерительной ячейки, колебаний давления, влияния адиабатного расширения воздуха и других факторов, имеющих непостоянный во времени, либо случайный характер. Указанные недостатки снижают точность измерений, увеличивают время измерений, сужают область возможного использования данных технических средств. The disadvantage of this device, which we adopted as a prototype, is the low accuracy of the measurements, due to the fact that during the evacuation of the sample during measurements according to the method described above, a number of significant errors are introduced into the measurement result associated with changes in the heat transfer coefficient, changes in the temperature of the elements of the measuring cell, and pressure fluctuations , the influence of adiabatic expansion of air and other factors that are variable in time or random. These shortcomings reduce the accuracy of measurements, increase the measurement time, narrow the scope of the possible use of these technical means.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей термовакуумного способа измерения влагосодержания путем увеличения его точности, снижения времени и расширения диапазона измерений. The objective of the invention is to expand the functionality of the thermal vacuum method for measuring moisture content by increasing its accuracy, reducing time and expanding the measurement range.
Сущность одного из самостоятельных объектов изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата. The essence of one of the independent objects of the invention is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result.
Динамический термовакуумный способ измерения влагосодержания сыпучих материалов, включающий размещение образца материала в замкнутом объеме, вакуумирование этого объема и измерение температуры образца, заключается в том, что осуществляют многократные измерения измерения температуры образца на начальном участке кривой изменения температуры, запоминают эти значения в оперативной памяти, затем определяют асимптотический уровень кривой изменения температуры образца, имеющей вид
где
Q(t) - функция изменения температуры, К;
b - коэффициент, характеризующий полноту извлечения влаги;
r - теплота парообразования, Дж/кг;
U0 - начальное влагосодержание, %;
С - удельная теплоемкость материала, Дж/кг•К;
αи - параметр, характеризующий скорость десорбции влаги в вакууме, с-1;
t - время измерения, с;
t' - время начала процесса интенсивного испарения влаги из образца материала, с,
после чего, используя измеренные ранее значения измерений температуры образца по формулам регрессионного анализа определяют значение параметра αи , характеризующего скорость десорбции влаги в вакууме и значение коэффициента 
Where
Q (t) is the temperature change function, K;
b is a coefficient characterizing the completeness of moisture extraction;
r is the heat of vaporization, J / kg;
U 0 - initial moisture content,%;
C is the specific heat of the material, J / kg • K;
α and - parameter characterizing the rate of desorption of moisture in vacuum, s -1 ;
t is the measurement time, s;
t 'is the start time of the process of intensive evaporation of moisture from a sample of material, s,
then, using the previously measured values of the sample temperature measurements using the regression analysis formulas, determine the value of the parameter α and characterizing the rate of desorption of moisture in vacuum and the value of the coefficient
Сущность другого самостоятельного объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата. The essence of another independent object of the invention is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result.
Устройство для измерения влагосодержания сыпучих материалов, содержащее измерительную ячейку, включающую вакуумную камеру с кюветой для размещения образца материала, снабженной датчиком температуры образца, вакуумный насос с дистанционным выключателем, клапан впуска воздуха после окончания процесса измерений, а также измерительный блок, включающий измерительный мост, входом соединенный с выходом датчика, а выходом - с усилителем, отличается тем, что измерительный блок дополнительно снабжен электронной вычислительной машиной и аналого-цифровым преобразователем, к входам которого подключен выход усилителя, при этом выход аналого-цифрового преобразователя подключен к входу электронной вычислительной машины, выходы которой соединены с входами усилителя аналого-цифрового преобразователя, дистанционного выключателя вакуумного насоса и клапана впуска воздуха. Кювета устройства может быть снабжена съемной крышкой, выполненной из теплоизоляционного материала и снабженной совокупностью отверстий. A device for measuring the moisture content of bulk materials, containing a measuring cell including a vacuum chamber with a cuvette for placing a material sample equipped with a sample temperature sensor, a vacuum pump with a remote switch, an air inlet valve after the measurement process is completed, and a measuring unit including a measuring bridge with an input connected to the output of the sensor, and the output to the amplifier, characterized in that the measuring unit is additionally equipped with an electronic computer and analog go-to-digital converter, to the inputs of which the amplifier output is connected, while the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of an electronic computer, the outputs of which are connected to the inputs of the amplifier of the analog-to-digital converter, remote switch of the vacuum pump and air intake valve. The cuvette of the device can be equipped with a removable cover made of heat-insulating material and provided with a set of holes.
Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков заключается в том, что в процессе измерений в качестве информативного параметра используется параметр, характеризующий скорость десорбции влаги в вакууме, и стоящий в показателе экспоненты уравнения термограммы образца. Это позволяет немедленно вычислить асимптотический уровень этой термограммы, а затем после несложных расчетов по известным методам и величину начальной влажности материала. The immediate technical result that can be obtained by implementing the claimed sets of features is that in the process of measurements, as a informative parameter, a parameter is used that characterizes the rate of desorption of moisture in a vacuum and is used in the exponent of the equation of the sample thermogram. This allows you to immediately calculate the asymptotic level of this thermogram, and then after simple calculations by known methods and the value of the initial moisture content of the material.
Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как многократные измерения, вычислительные процессы в измерительном блоке, а является свойством только всех заявленных в самостоятельных пунктах формулы совокупностей признаков, в том числе таких полностью новых признаков, как выбор времени измерений, их характер и расчетное выражение в способе, состав, взаимосвязь и взаимодействие элементов измерительного блока в устройстве. Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряда новых полезных свойств, а именно:
снижение времени измерений;
возможность измерения влагосодержания любых сыпучих веществ независимо от величины энергетической связи веществ с водой;
отсутствие погрешностей, связанных с изменением температуры стенок вакуумной камеры, а также с конвективным и лучистым теплообменом.This technical result is not a consequence of the well-known properties that are manifested separately by the signs well-known from other objects of technology, such as multiple measurements, computational processes in the measuring unit, but is a property of only all sets of features declared in independent claims of the formula, including such completely new features as the choice of measurement time, their nature and calculated expression in the method, composition, relationship and interaction of the elements of the measuring unit in the device. The receipt of the mentioned technical result ensures that the object of the invention as a whole has a number of new useful properties, namely:
reduction of measurement time;
the ability to measure the moisture content of any bulk substances, regardless of the magnitude of the energy connection of substances with water;
the absence of errors associated with changes in the temperature of the walls of the vacuum chamber, as well as with convective and radiant heat transfer.
Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень". This allows you to recognize the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step".
На фиг. 1 представлены термограммы образца материала; на фиг. 2 - разрез по измерительной ячейки; на фиг. 3 - блок-схема устройства. In FIG. 1 shows thermograms of a sample of material; in FIG. 2 - section along the measuring cell; in FIG. 3 is a block diagram of a device.
Измерительная ячейка содержит вакуумную камеру 1, в которой размещена кювета 2 с засыпкой образца исследуемого материала. Дном кюветы 2 служит плоский термодатчик 3 температуры образца. Кювета 2 установлена на подставке 4 из теплоизоляционного материала, а сверху накрыта съемной крышкой 5 из теплоизоляционного материала со сквозными отверстиями. Устройство также содержит вакуумный насос 6 с дистанционным выключателем 7, клапан впуска воздуха 8. Измерительный блок содержит электронную вычислительную машину 9, измерительный мост 10, усилитель сигнала 11 и аналого-цифровой преобразователь 12. The measuring cell contains a
Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.
Пробу исследуемого материала засыпают в кювету 2, в дно которой вмонтирован датчик температуры 3, закрывают крышкой 5 из теплоизоляционного материала с отверстиями и помещают в вакуумную камеру 1. Камеру закрывают и с помощью вакуумного насоса 6 откачивают из нее воздух и пары воды. A sample of the test material is poured into a
Вследствие разрежения с некоторого момента времени t' происходит интенсивное испарение влаги из пробы материала, при этом температура пробы понижается. Выражение, описывающее изменение температуры пробы (термограмма), на начальном участке имеет вид
Измерения изменения температуры проводятся, начиная с момента t>t', с некоторым шагом временного сканирования. Далее по формулам регрессивного анализа определяют значение параметра αи , характеризующего скорость десорбции влаги в вакууме и значение коэффициента
В связи с тем, что найденный коэффициент прямо пропорционален начальной влажности материала U0, то, зная его по градуировочной характеристике, которая заранее определяется для исследуемого материала, можно найти значение начального влагосодержания U0.Due to rarefaction, from some point in time t ', intense evaporation of moisture from the material sample occurs, while the temperature of the sample decreases. The expression describing the change in sample temperature (thermogram) in the initial section has the form
Temperature changes are measured starting from the moment t> t ', with a certain step of time scanning. Then, using the regression analysis formulas, we determine the value of the parameter α and characterizing the rate of desorption of moisture in vacuum and the value of the coefficient
Due to the fact that the coefficient found is directly proportional to the initial moisture content of the material U 0 , then, knowing it from the calibration characteristic, which is determined in advance for the material under study, you can find the value of the initial moisture content U 0 .
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Кювету 2 с пробой помещают в вакуумную камеру 1, из которой откачивают воздух и пары воды. При этом начинает происходить интенсивная десорбция влаги из пробы, в результате чего температура пробы понижается. Сигнал термодатчика 3, прямо пропорциональный изменению температуры пробы, через измерительный мост 10 передается на усилитель 11 и далее на аналого-цифровой преобразователь 12. The
После преобразования сигнал передается на ЭВМ 9, где происходит обработка результатов измерений и вывод результатов вычисления на дисплей. После окончания измерений управляющие сигналы от ЭВМ 9 поступают на дистанционный выключатель 7 вакуумного насоса 6 и выключают насос, а также на клапан 8, который осуществляет разгерметизацию вакуумной камеры 1. После этого кювету 2 освобождают от пробы и устройство приходит в исходное состояние. After conversion, the signal is transmitted to a
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается результатами испытаний опытного образца заявленного устройства, изготовленного заявителем и подтвердившего возможность достижения высоких технических и эксплуатационных характеристик. The possibility of industrial application of the claimed technical solution is confirmed by the test results of the prototype of the claimed device manufactured by the applicant and confirming the possibility of achieving high technical and operational characteristics.
Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества:
повышение точности и расширение диапазона измерений;
уменьшение времени измерений;
обеспечение возможности производства измерений влагосодержания более широкого спектра сыпучих материалов.Using the claimed solution in comparison with all known means of a similar purpose provides the following advantages:
increasing accuracy and expanding the range of measurements;
reduction of measurement time;
enabling the measurement of moisture content over a wider range of bulk materials.
Claims (3)
где Q(t) - функция изменения температуры, К;
b - коэффициент, характеризующий полноту извлечения влаги;
r - теплота парообразования, Дж/кг;
U0 - начальное влагосодержание, %;
C - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг•К);
αи - параметр, характеризующий скорость десорбции влаги в вакууме, с-1;
t - время измерения, с;
t1 - время начала процесса интенсивного испарения влаги из образца материала, с,
после чего, используя измеренные ранее значения изменений температуры образца по формулам регрессионного анализа, определяют значение параметра αи и значение коэффициента (b•r•U0)/C, по величине которого судят о начальном влагосодержании материала.1. Dynamic thermal vacuum method for measuring the moisture content of bulk materials, including placing a sample of material in a closed volume, evacuating this volume and measuring the temperature of the sample, characterized in that it takes multiple measurements of the temperature change of the sample in the initial portion of the temperature curve, stores these values in RAM, then determine the asymptotic level of the curve of temperature change of the sample, having the form
where Q (t) is the temperature change function, K;
b is a coefficient characterizing the completeness of moisture extraction;
r is the heat of vaporization, J / kg;
U 0 - initial moisture content,%;
C is the specific heat of the material, J / (kg • K);
α and - parameter characterizing the rate of desorption of moisture in vacuum, s -1 ;
t is the measurement time, s;
t 1 - the start time of the process of intensive evaporation of moisture from a sample of material, s,
then, using the previously measured values of the temperature changes of the sample using the regression analysis formulas, determine the value of the parameter α and the value of the coefficient (b • r • U 0 ) / C, the value of which is used to judge the initial moisture content of the material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94021546A RU2115916C1 (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94021546A RU2115916C1 (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94021546A RU94021546A (en) | 1996-08-10 |
| RU2115916C1 true RU2115916C1 (en) | 1998-07-20 |
Family
ID=20156976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94021546A RU2115916C1 (en) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2115916C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2522754C1 (en) * | 2013-02-26 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of determining moisture capacity of solid hygroscopic objects |
-
1994
- 1994-06-08 RU RU94021546A patent/RU2115916C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 2. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов /Под ред.Е.С.Кричевского. - М.: Энергия, 1980, с.189-217. 3. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2522754C1 (en) * | 2013-02-26 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of determining moisture capacity of solid hygroscopic objects |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94021546A (en) | 1996-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | A mathematical model of simultaneous heat and moisture transfer during drying of potato | |
| Gardner | Calculation of capillary conductivity from pressure plate outflow data | |
| Scanlon et al. | 3.2. 4 Miscellaneous methods for measuring matric or water potential | |
| US5002399A (en) | Thermoporosimeter | |
| WO2007038242A8 (en) | Gas sensor based on dynamic thermal conductivity and molecular velocity | |
| CN101419015B (en) | Method for judging once lyophilization drying end point and secondary drying end point | |
| Liapis et al. | Dynamic pressure rise in the drying chamber as a remote sensing method for monitoring the temperature of the product during the primary drying stage of freeze drying | |
| RU2115916C1 (en) | Dynamic thermovacuum method determining water content of loose material and device for its implementation | |
| Hamdami et al. | Transport properties of a high porosity model food at above and sub-freezing temperatures. Part 2: Evaluation of the effective moisture diffusivity from drying data | |
| US20020080848A1 (en) | Automatic humidity step control thermal analysis apparatus | |
| Defo et al. | Modeling vacuum-contact drying of wood: The water potential approach | |
| CN102980941A (en) | Method and device for detecting ultrasound gas relative humidity through utilizing sound speed variations | |
| EP0418352A1 (en) | Method and apparatus for the determination of moisture in materials | |
| Van Ginkel et al. | The need for temperature control in effusion experiments (and application to heat of sublimation determination) | |
| SU968163A1 (en) | Method of determining the amount of unfrozen water in permafrost soil | |
| JPH06281605A (en) | Simultaneous measuring method for heat conductivity and kinematic viscosity | |
| Ebrahimi-Birang et al. | Hysteresis of the soil water characteristic curve in the high suction range | |
| CN113406016B (en) | FBG-based monitoring device and monitoring method for gas quality of pressure steam sterilizer | |
| RU2812178C1 (en) | Method for determining condensation coefficient of solid substance | |
| JP2007187452A (en) | Vacuum type quick absolute dry moisture meter | |
| SU1002929A1 (en) | Dispersed material relative humidity determination method | |
| SU1576856A1 (en) | Method of testing cores method of determining the amount of gaseous products formed in vacuum thermal action | |
| SU813221A1 (en) | Method of measuring thermal conductivity of porous materials | |
| SU998929A1 (en) | Method of determinating of unfrozen water in frozen soils | |
| Bison et al. | Moisture evaluation by dynamic thermography data modeling |