RU2695779C1 - Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения - Google Patents
Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695779C1 RU2695779C1 RU2018122896A RU2018122896A RU2695779C1 RU 2695779 C1 RU2695779 C1 RU 2695779C1 RU 2018122896 A RU2018122896 A RU 2018122896A RU 2018122896 A RU2018122896 A RU 2018122896A RU 2695779 C1 RU2695779 C1 RU 2695779C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- moisture
- measuring
- moisture content
- uhf
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 230000027455 binding Effects 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000003020 moisturizing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 210000004081 cilia Anatomy 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000009870 specific binding Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
- G01N22/04—Investigating moisture content
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники, а именно к измерительной технике, и может быть использовано в СВЧ-влагомерах дискретного и непрерывного действия. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений влажности материалов. Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения влажности проводят многократные измерения амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим вычислением среднего значения измеряемой величины, при этом по результатам многократных измерений определяют среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем определяют величину влажности по предварительно найденной с помощью эталонов влажного материала градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала, после чего определяют величину влажности материала. Предложено также устройство для измерения влажности материалов, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с передающей антенной, и детектор СВЧ-сигнала , соединенный с приемной антенной. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Description
Предлагаемый способ относится к области измерительной техники и может быть использовано в СВЧ-влагомерах дискретного и непрерывного действия.
Известны СВЧ-способы измерения влажности материалов, основанные на измерении электрофизических параметров материала с применением радиочастотных датчиков: патенты РФ G01N 22/04 (1995.01), №2 096768; РФ G01N 22/04 (1995.01), №2 096 768, РФ G01N 22/04, №2084877, Авторское свидетельство СССР N 654886, кл. G01G 22/04, 1979.
Недостатком этих способов-аналогов измерения влажности на СВЧ является низкая точность результатов измерения влажности из-за влияния форм связи воды с материалом на его диэлектрические характеристики, в частности, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.
Наиболее близким (прототип) способом измерения влажности на СВЧ, заключающийся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим определением среднего значения измеряемой величины. При этом для обеспечения надежного перемешивания кювета заполняется не полностью. Степень заполнения кюветы выбирается в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав). [Авторское свидетельство №1419302, 22.04.1988 г.]
Основным недостатком прототипа также является низкая точность результатов измерения влажности из-за влияния форм связи воды с материалом на его диэлектрические характеристики, в частности, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности измерений влажности материалов.
Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения влажности на СВЧ, заключающемся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим вычислением среднего значения измеряемой величины, дополнительно по результатам многократных измерений определяют среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем определяют величину влажности по предварительно найденной градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала.
При этом для обеспечения надежного перемешивания кювета заполняется не полностью. Степень заполнения кюветы выбирается в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав).
Сущность предлагаемого способа измерения влажности на СВЧ заключается в следующем:
Вода содержится в материалах как в свободном, так и в связанном состояниях. Формы связи влаги с материалом могут быть различными: физико-механическая (капиллярная), адсорбционная (мономолекулярная и полимолекулярная), химическая. Каждой форме связи соответствует своя определенная энергия связи влаги с материалом. Наименьшую энергию связи имеет свободная вода, наибольшую - химически связанная. (Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973, с. 48-50).
Рассмотрим модель взаимодействия СВЧ-волны с влажным материалом, содержащим / - форм связи влаги. Запишем амплитуду СВЧ-сигнала в результате такого взаимодействия следующим образом
где: А - амплитуда СВЧ-сигнала, прошедшего через образец материала,
Wi - содержание влаги i-й формы связи, %.
ам - амплитуда СВЧ-сигнала в сухом материале, дБ;
где W - влажность материала.
В первом приближении зависимость амплитуды СВЧ-сигнала от влажности для всех форм связи влаги с материалом линейная, т.е.
Продифференцируем выражение (1) по Wi и, переходя к конечным приращениям получим
изменение амплитуда суммарного СВЧ-сигнала (ΔА) при изменении количества влаги с формой связи i на ΔWi. Обычно переход осуществляется между близким по энергии связи формам непрерывно, от более слабых связей к более сильным и наоборот. Уменьшение количества воды одной из форм связи на ΔWi, означает увеличение другой на ту же величину. Тогда с учетом этого (3) можно записать в виде
Выражение (4) имеет место после увлажнения материала, когда происходит переход влаги от более слабых связей к более сильным. При интенсивном нагреве материала происходит обратный переход и выражение (4) принимает вид
Как следует из (4) и (5) изменение амплитуды СВЧ-сигнала будет равно нулю при всех Wi≠0 только тогда, когда
Однако, на практике имеет место соотношение
Поэтому с течением времени после увлажнения материала следует ожидать некоторое уменьшение уровня СВЧ-сигнала при постоянной влажности материала (4), т.к. имеем А=А-ΔА, в противном случае - его увеличение (5), т.к. А=А+ΔА, что в конечном счете приводит к дополнительной погрешности измерения влажности, достигающей 20% (относительных).
В настоящее время нет экспрессных методов определения количества влаги по формам связи и эффективных путей уменьшения влияния непостоянства соотношения связанной и свободной воды в материале на погрешность измерения его влажности.
Для определения характера и степени влияния изменения форм связи влаги на результат измерения влажности СВЧ-методом, а также выявления функциональной зависимости среднеквадратичного отклонения результатов наблюдения от среднего значения измеренной величины от предыстории его влажностного состояния были проведены экспериментальные исследования на образцах зерна пшеницы с различным временем выдержки их после увлажнения. Многократные измерения проводились на СВЧ-влагомере через 0.5, 3, 24, 48, 96 часов после увлажнения зерна, параллельно влажность образцов определялась на эталоне.
Результаты экспериментов подтвердили влияние предыстории влажностного состояния материала на результат измерения СВЧ-методом. Они показывают, что ослабление постепенно уменьшается в течение 50 часов после увлажнения и чем больше влажность, тем значительнее меняется ослабление. (фиг. 1).
По данным экспериментов нами рассчитаны уравнения регрессии (градуировочные зависимости) без учета (6) и с учетом среднеквадратического отклонения результатов наблюдений С (7).
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики уравнений регрессии.
При измерении влажности амплитудным СВЧ-влагомером без учета среднеквадратического отклонения результатов наблюдений С относительная погрешность от указанного фактора достигает 11,9%, а по предложенному способу, т.е. с учетом С - 4,2%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяют уменьшить влияние форм связи влаги примерно в 3 раза.
Способ измерения влажности на СВЧ, можно осуществить практически на любом СВЧ-влагомере, содержащем микропроцессорный блок управления. Реализация способа осуществлена на основе полезной модели (Патент на полезную модель РФ G01N 22/04 (2006.01) №155969, опубликовано 27.10.2015 Бюл. №30.
Структурная схема СВЧ-влагомера приведена на фиг. 2., общий вид на фиг. 3.
СВЧ-влагомер содержит СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, приемную антенну 3, соединенную с детектором СВЧ-сигнала 6, выход которого соединен со входом микропроцессорного блока управления 7, соединенного с индикатором 8, цилиндрическую кювету 4 с исследуемым материалом, размещенную между передающей 2 и приемной 3 антеннами на двух роликах 10 механизма 5 равномерного вращения кюветы 4 с материалом, «п» диэлектрических прямоугольных пластин 9, закрепленных вдоль образующих внутри цилиндрической кюветы и направленных к оси цилиндра.
СВЧ-влагомер работает следующим образом:
Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора 1 через передающую антенну 2 поступает в цилиндрическую кювету 4, прошедшая через исследуемый материал электромагнитная волна принимается приемной антенной 3, детектируется детектором СВЧ-сигнала 6, величина амплитуды электромагнитной волны, зависящая от влажности материала измеряется и запоминается микропроцессорным блоком управления 7. При измерениях цилиндрическая кювета 4 с материалом вращается на роликах 10 механизма 5 равномерного вращения кюветы 4, за один оборот производится «п» измерений, микропроцессорным блоком управления 7 определяется среднее значение и среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем микропроцессорным блоком управления 7 определяется величина влажности по предварительно найденной градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала, результат выводится на индикаторе 8.
Claims (3)
1. Способ измерения влажности материалов на СВЧ, заключающийся в том, что осуществляют многократные измерения амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете, при этом для обеспечения надежного перемешивания кювету заполняют не полностью, причем степень заполнения кюветы выбирают в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав), затем вычисляют среднее значение измеряемой величины, отличающийся тем, что по результатам многократных измерений определяют среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем по предварительно найденной с помощью эталонов градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала определяют величину влажности материала.
2. Способ измерения влажности материалов на СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве измеряемой величины используются фаза, или амплитуда и фаза прошедшего через материал СВЧ-сигнала.
3. Устройство для измерения влажности на СВЧ по п. 1, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с передающей антенной, приемную антенну, соединенную с детектором СВЧ-сигнала, выход которого соединен с входом микропроцессорного блока управления, соединенного с индикатором, цилиндрическую кювету с исследуемым материалом, размещенную между передающей и приемной антеннами на двух роликах механизма равномерного вращения кюветы с материалом, «n» штук диэлектрических прямоугольных пластин, закрепленных вдоль образующих внутри цилиндрической кюветы и направленных к оси цилиндра, отличающееся тем, что в градуировочную зависимость дополнительно введено значение среднеквадратического отклонения результатов многократных измерений.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122896A RU2695779C1 (ru) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122896A RU2695779C1 (ru) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2695779C1 true RU2695779C1 (ru) | 2019-07-26 |
Family
ID=67512399
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122896A RU2695779C1 (ru) | 2018-06-22 | 2018-06-22 | Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2695779C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806026C1 (ru) * | 2023-04-18 | 2023-10-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | СВЧ-способ определения свободной воды в жидких углеводородах |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0990887A2 (en) * | 1998-10-02 | 2000-04-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Densitometer using microwaves |
| RU2380689C2 (ru) * | 2008-04-09 | 2010-01-27 | Раиль Идиятович Саитов | Способ измерения влажности материалов |
| RU155969U1 (ru) * | 2014-08-22 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | Свч-влагомер |
| WO2016174675A2 (en) * | 2015-04-26 | 2016-11-03 | Vayyar Imaging Ltd | System devise and methods for measuring substances' dielectric properties using microwave sensors |
| RU169540U1 (ru) * | 2015-03-17 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | Поточный свч-влагомер |
| US20170108452A1 (en) * | 2015-10-19 | 2017-04-20 | Solvz Inc. | Time of Flight Sensor Device Configured to Measure a Characteristic of a Selected Medium |
-
2018
- 2018-06-22 RU RU2018122896A patent/RU2695779C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0990887A2 (en) * | 1998-10-02 | 2000-04-05 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Densitometer using microwaves |
| RU2380689C2 (ru) * | 2008-04-09 | 2010-01-27 | Раиль Идиятович Саитов | Способ измерения влажности материалов |
| RU155969U1 (ru) * | 2014-08-22 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | Свч-влагомер |
| RU169540U1 (ru) * | 2015-03-17 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | Поточный свч-влагомер |
| WO2016174675A2 (en) * | 2015-04-26 | 2016-11-03 | Vayyar Imaging Ltd | System devise and methods for measuring substances' dielectric properties using microwave sensors |
| US20170108452A1 (en) * | 2015-10-19 | 2017-04-20 | Solvz Inc. | Time of Flight Sensor Device Configured to Measure a Characteristic of a Selected Medium |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2806026C1 (ru) * | 2023-04-18 | 2023-10-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | СВЧ-способ определения свободной воды в жидких углеводородах |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7289916B2 (en) | Method and apparatus for measuring properties of concrete | |
| US4485284A (en) | Apparatus and process for microwave moisture analysis | |
| US7040145B2 (en) | Method and apparatus for measuring dry density and water content of soil | |
| Liu et al. | Electrical properties of frozen saline clay and their relationship with unfrozen water content | |
| JP6253096B2 (ja) | 電磁波特性評価装置 | |
| Camuffo et al. | Towards standardisation of moisture content measurement in cultural heritage materials | |
| CN104965063A (zh) | 一种基于时域反射的早龄期混凝土养护质量检测方法 | |
| CN107014849A (zh) | 利用低场核磁冷冻测孔技术表征水泥硬化浆体孔结构的方法 | |
| Tan et al. | Design of a new TDR probe to measure water content and electrical conductivity in highly saline soils | |
| RU2695779C1 (ru) | Способ измерения влажности материалов на свч и устройство для его применения | |
| Western et al. | A calibration and temperature correction procedure for the water‐content reflectometer | |
| Kerdtongmee et al. | Quantifying dry rubber content in latex solution using an ultrasonic pulse | |
| Bianchi et al. | A microwave system for moisture monitoring in wet powders for industrial applications | |
| RU2641715C1 (ru) | СВЧ-устройство для измерения влажности почвы | |
| Jusoh et al. | Determination of moisture content in mortar at near relaxation frequency 17 GHz | |
| RU2572087C2 (ru) | Влагомер | |
| Dehghanisanij et al. | Practical aspects of TDR for simultaneous measurements of water and solute in a dune sand field | |
| Bhuiyan et al. | Calibration and assessment of capacitance-based soil moisture sensors | |
| Slight | The measurement of moisture content | |
| JP2001124706A (ja) | 水分測定方法及びその装置 | |
| RU2380689C2 (ru) | Способ измерения влажности материалов | |
| Holubek et al. | Comparison of TDR and X-ray method for determining moisture transport parameters | |
| RU155969U1 (ru) | Свч-влагомер | |
| Chaudhari et al. | Dielectric properties of black and red soils at microwave frequency | |
| Vaz | Use of a combined penetrometer-TDR moisture probe for soil compaction studies |