UA34502C2 - Спосіб та пристрій для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу - Google Patents

Abstract

Винахід стосується способу та пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу за допомогою мікрохвильового датчика.

Description

Винахід стосується способу та пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріа- лу, наприклад компонентів харчових продуктів або корму, у вимірювальному каналі за допомогою мікрох- вильового датчика.

У недалекому минулому було зроблено багато пропозицій відносно безперервного вимірювання во- логості сипучих матеріалів за допомогою мікрохвиль. У борошномельній галузі цей спосіб міг би бути здійс- нений у певній мірі за допомогою рупорних антен. Однак у цьому випадку потрібно одночасно визначати щільність сипучого матеріалу. Згідно з |1| для вимірювання щільності пропонується використовувати гамма- промені. Наскільки відомо, це дозволяє отримати надійні результати. Але використання гамма-променів не- вигідне тим, що необхідно здійснювати спеціальні заходи застереження, виконання яких приписує закон.

Згідно з (2| щільність сипучого матеріалу визначається за допомогою датчиків ваги. Вимірювальний канал базується на зважувальних елементах, які виявляють загальний потік продуктів, а розповсюджені мік- рохвилі вимірюються за допомогою двох відповідно протилежних рупорних антен, причому таке вимірюван- ня ненадійне. Крім того, вимірювання вологості здійснюється тільки до початку зволоження.

Щоб уникнути небажаного відбиття мікрохвиль від оточуючих стінок, останні роблять із пінопласту, який поглинає вказані мікрохвилі. Усередині пінопласт додатково покривають матеріалом, що пропускає мікрохвилі, отже продукти, які підлягають вимірюванню, наприклад харчові продукти, не вступають у кон- такт з пінопластом. Цей спосіб вимірювання не знайшов широкого практичного застосування. Вважають, що точне відношення відбитих та поглинутих мікрохвиль визначити неможливо, і тому цей спосіб є джерелом значних помилок.

Відоме використання мікрохвиль за допомогою так званого резонатора, який описується, наприклад, у ІЗІ або |4). У залежності від продукту необхідно використовувати різні резонансні частоти і при цьому точ- ність є обмеженою.

Безперервне визначення вологості сипучого матеріалу, включаючого компоненти харчових продуктів та кормів, під час поточної їх обробки за допомогою мікрохвильового поля відоме із (5) та спеціальної публі- кації б.

Створюють мікрохвильове поле і вимірюють величину та фазу цих мікрохвиль, розповсюджених у си- пучому матеріалі, потім на основі одержаної величини підраховують вологість, а потім, грунтуючись на роз- рахунковій величині, визначають вологість сипучого матеріалу, яка піддається регулюванню. Інші парамет- ри не враховуються. У Г5| описується вимірювальний канал з датчиком, що має стержень, який розміщений поперечно відносно потоку продуктів.

В наступній фаховій публікації І7| описані вдосконалені прилади для вимірювання вологості за до- помогою мікрохвиль. Тут також підкреслюється, що основна проблема у вимірюванні вологості для цілей автоматизації полягає в правильному виборі способу вимірювання для конкретного продукту, вологість якого вимірюється. Підкреслюється також, що похибки вимірювання виникають внаслідок демпфування, зу- мовленого розмірами часток сипучого продукту. Тому до вимірюваного матеріалу або до підготовленої для вимірювання проби матеріалу пред'являються певні вимоги, які б забезпечували у вимірювальному об'ємі надвисокочастотного датчика такі властивості матеріалу: " рівномірна поверхня - попереднє ущільнення сипучого матеріалу "« однорідність вологості « постійний потік н- сталі властивості гранул

Це накладає різні обмеження на наявні мікрохвильові прилади для вимірювання вологості, зокрема, з огляду на розмір зерна сипучого матеріалу.

Згідно з (8| намагалися вимірювати величину та фазу мікрохвиль, поширених навколо сипучого ма- теріалу, та на основі отриманого результату підрахувати вологість продукту, що підлягав вимірюванню. Для створення мікрохвильового поля у вимірювальному каналі використовували антену, яка проникала у си- пучий матеріал. Вказане поле здебільшого створювалося на останній ділянці пункту обробки, де одночасно визначали температуру сипучого матеріалу. Проведена велика кількість випробувань показала, що цей вид вимірювання вологості у значній мірі залежить від сорту продукту. Однак відомо, що на мукомельних за- водах оброблюють різні види та сорти зернових продуктів, зокрема різні суміші цих продуктів. Отже, відпо- відні властивості продукту під час першої обробки нової зернової суміші для вимірювання за допомогою мік- рохвиль невідомі, тому для невідомого продукту вимірювальний пристрій необхідно піддавати повторному калібруванню принаймні після кожної зміни продукту. Цю проблему не можна вирішити за допомогою внут- рішнього автоматичного калібрування. Скоріше, для отримання необхідної точності, наприклад ж 0,2 9о від- хилення від вмісту води, для кожного калібрування необхідно здійснювати додаткові лабораторні вимірю- вання. Однак у цей спосіб ціль поточного (автоматичного) вимірювання вологості могла би бути досягнутою тільки частково. Відомо, що вимірювання за допомогою мікрохвиль, на відміну від ємнісного способу ви- мірювання, дозволяє точно визначати вміст води у свіжозамоченій пшениці відразу після добавлення води.

Дійсне регулювання добавлення води, здійснюваний у замкнутому ланцюзі управління, повинен грунтувати- ся на вимірюванні вологості або вмісту води після її добавлення. Усі випробування, здійснені у минулому, підтвердили, що існує проблема, яка пов'язана з залежністю від сортів продуктів, та що фактор часу від мо- менту добавлення води впливає на результати вимірювання її вмісту. Оскільки звичайно під час підготовки зернових продуктів до розмелювання воду додають два або навіть три рази, то за допомогою відомих спо- собів вирішити цю проблему задовільно було неможливо.

Враховуючи сказане вище, задачею винаходу є усунення, наскільки це можливо, недоліків, які влас- тиві відомим рішенням, для створення вимірювання за допомогою мікрохвиль, яке може бути легко практич-

но здійснене навіть при зміні сортів та, зокрема, дозволяє піддавати вимірюванню свіжозмочену пшеницю, і на цій основі проводити дійсне регулювання добавлення води, наприклад, до обумовленої величини.

Додаткове вимірювання вмісту вологи до початку змочування також може бути здійснене у відомий спосіб.

Технічне рішення згідно з винаходом характеризується тим, що вимірюється провідність датчика, сконструйованого у вигляді трійчастої лінії, і заповненого сипучим матеріалом, причому здебільшого датчик є частиною вимірювального каналу.

Спосіб вимірювання за допомогою мікрохвиль широко використовувався у минулому при розробці хі- мічних процесів, а також, зокрема, для визначення вмісту води у таких твердих матеріалах, як дерев'яні по- лотна, папір, текстильні вироби і т.д. Через комерційні причини найбільш широко використовувалася так звана порожниста антена. Вона була дуже розповсюджена у вказаних спеціальних галузях.

Вказаний вище спосіб, який базується на вимірюванні провідності датчика (датчик Сорозепвої) |8І, а також резонаторний спосіб добре відомі. Однак як описувалося вище, при здійсненні способу на основі дат- чика Сорозепзог не визначалася насипна щільність матеріалу і тому результат був неточним. Випадково було виявлено, що за допомогою так званого трійчастого каналу, який використовують для вимірювання провідності сипучого матеріалу, що наповнює цей канал, усуваються значні змінні спотворення вимірювань, зокрема недоліки, пов'язані з відбиттям та поглинанням мікрохвиль. Властивий відомим технічним рішен- ням головний недолік, а саме залежність від сорту продукту, може бути у значній мірі усунутий як джерело помилок. Таким чином, одержані результати вимірювання є точно відтворюваними незалежно від фактору часу між змочуванням зернових продуктів та здійсненням вимірювання.

Таке включення насипної щільності у вимірювання, крім кількості матеріалу, що проходить, та темпе- ратури, дозволяє надійно визначати та здійснювати, врешті-решт, регулювання вологості незалежно від сорту зернового продукту і не є очевидним відносно відомих технічних рішень.

Винахід дозволяє здійснювати цілий ряд дуже вигідних варіантів. Провідність здебільшого визна- чається на основі гетеродинного принципу вимірювання за допомогою блоку обробки мікрохвиль, причому вологість продукту розраховується разом з іншими змінними вимірювання за допомогою вказаного елект- ронного блоку. Опорна лінія періодично з'єднується паралельно з датчиком для проведення калібрування та покращення точності вимірювання, наприклад, для усунення коливань температури та довжини. Більше того, у надзвичайно вигідному варіанті здійснення винаходу трійчастий канал також є частиною вимірю- вального каналу, який відокремлюється від нерухомих частин пристрою при зважуванні і через це щільність може визначатися за допомогою відповідних сигналів зважування. Було виявлено, що у деяких випадках щільність сипучого матеріалу вимірювати не потрібно. Однак випробування підтвердили, що надійність ви- мірювання зростає, якщо насипна щільність визначається у той самий час, що, зокрема, робить контроль вимірювання ще кращим при різких змінах типу сипучого матеріалу, наприклад у випадку зернистого, насін- няподібного, пластівчастого або порошкоподібного сипучого матеріалу, який складається із різних вихідних матеріалів або сортів зернових матеріалів.

Новий винахід також стосується пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріа- лу під час його поточної обробки, зокрема харчових продуктів або кормів, за допомогою вимірювального ка- налу, по якому переміщається сипучий матеріал, та елементу протитиску, розміщеного на вихідній стороні вказаного каналу, що має мікрохвильовий датчик, який установлюють у зоні протитиску, та характеризуєть- ся тим, що вимірювальний канал являє собою трійчастий канал.

Вимірювальний канал здебільшого являє собою зважувальну ділянку, на якій є установлений елемент, що може регулюватися, для випуску сипучого матеріалу. Зважувальна ділянка переважно скла- дається із коромислових вагів, а електронний блок обробки та привідний двигун елемента для випуску си- пучого матеріалу розташовані у такий спосіб, що діють на одну сторону коромисла та на іншу сторону ви- мірювального каналу. Для повного тарування вимірювального пристрою відносно конкретного сипучого ма- теріалу на коромислі може бути додатково установлена противага, яка може регулюватися.

Також пропонується розділити вимірювальний канал вздовж його висоти на дві ділянки - верхню ді- лянку вимірювання та ділянку випуску матеріалу, яка приєднується внизу, причому ділянка вимірювання розширюється зверху до низу, а ділянка випуску сходить на конус зверху до низу та обмежена внизу виван- тажувальним дозувальним шнеком.

Сполучна лінія від датчика до електронного блоку обробки являє собою коаксіальну лінію, причому перехідна воронка дозволяє вільне від відбиття узгодження хвильового опору кабелю до датчика. Частина вимірювального каналу, яка є робочою зоною мікрохвиль, виготовлена із металу. Перехідна воронка у місці переходу до внутрішньої частини вимірювального каналу повинна бути захищена покриттям, яке пропускає мікрохвилі. Вимірювальний канал здебільшого являє собою обвідний канал по відношенню до розташова- ного похило або зсунутого головного каналу подачі продуктів, а вхідним отвором вимірювального каналу, який сполучає його з головним каналом, є решітка.

Винахід також стосується вимірювального пристрою для безперервного визначення вологості сипучо- го матеріалу під час поточної його обробки, зокрема харчових продуктів або кормів, за допомогою вимірю- вального каналу, по якому проходить сипучий матеріал, та елементу протитиску, розташованого на вихідній стороні вимірювального каналу, який має у зоні протитиску усередині вимірювального каналу стрижень, що розміщений поперечно до напрямку потоку продуктів, та характеризується тим, що вимірювальний пристрій має форму вагів, переважно коромислових вагів. Сигнал зважування здебільшого вимірюється за допомо- гою перетворювача тиску, причому щільність продуктів розраховується на основі цього сигналу.

Можуть також вимірюватися амплітуди та/або фази переданого сигналу мікрохвиль.

Нижче винахід описується більш докладно з посиланням на варіанти його здійснення.

Фіг. 1 - переріз пристрою для вимірювання мікрохвиль згідно з винаходом; фіг. 2 - переріз вздовж лінії 1І-ІЇ, показаної на фіг. 1; фіг. З - діааграмне зображення основного принципу трійчастого каналу; фіг. 4 - блок-схема гетеродинної вимірювальної системи; фіг. 5 - конкретний варіант системи, показаної на фіг. 4; фіг. 6 - укомплектований пристрій зволоження, наприклад для зернових продуктів; фіг. 7 - схематичний вид основних елементів пристрою для регулювання витрати води.

Розглянемо тепер фіг. 1 та 2. До лівої сторони основного каналу 1, в який через вхідний отвір 2 по- дається сипучий матеріал, а виводиться через вихідний отвір 3, через решітку 5 приєднаний обвідний канал 4. Сипучий матеріал здебільшого подається у обвідний канал 4 через стаціонарний відвідний трубопровід б та повертається у головний канал 1 через горизонтальний трубопровід 7. Дійсна ділянка вимірювання 8 по- чинається з нижнього кінця відвідного трубопроводу 6, а закінчується вивідним кінцем трубопроводу 7. Ді- лянка вимірювання 8 складається з вертикального каналу вимірювання 9 та дозувального пристрою 10, який містить гвинтовий конвеєр 11 та приводний двигун 12. Ділянка вимірювання 8 з точки зору зважування є відокремлена від головного каналу 1 у верхній та нижній частинах, так як переміщення на ділянці 8 під час відповідного зважування можуть здійснюватися без перешкод. Ділянка вимірювання 8 підвішена на лезопо- дібній поворотній осі 15 за допомогою вертикальної опори 13 та горизонтального коромисла 14. Коромисло 14 з'єднане з датчиком сили 16. Аксіальна лінія 19, 19", з'єднана з електронним блоком оцінки 18, направ- ляється від цього блоку до датчика 20, який складається із стрижня 21, що проникає у сипучий матеріал, та принаймні із двох металевих стінок 22 та 22", виготовлених, наприклад із сталі (фіг. 3), з тим, щоб у вимірю- вальному каналі 9, який є безпосередньо з'єднаний з електричними провідниками, стрижнем 21 або зі стін- ками 22 та 22", створювалися магнітне поле Н та електричне поле Е.

Температура сипучого матеріалу визначається за допомогою датчика температури 26.

Як показано на фіг. 2, два аксіальні канали 19 та 19", подібно до рупорних антен, мають воронкоподіб- не розширення 23, 23" для узгодження хвильового опору, наприклад від 50 Ом для коаксіального кабелю до 130 Ом у зоні діелектрика 24, яким є сипучий матеріал. Обидва воронкоподібні розширення 23 та 23" за- хищені від вимірювального каналу 8 за допомогою покриття 25 та 25", яке пропускає мікрохвилі. Опорна лі- нія 31 може бути приєднана через перемикач 30.

На фіг. 4 показана загальна блок-схема гетеродинної системи вимірювання. Вхідний мікрохвильовий сигнал а(ї -- А) направляється на вимірювальну ділянку, а вихідний сигнал Щ(ї -- А) змішується з переносом частоти вниз. Отже просте вимірювання фази та амплітуди може здійснюватися у зоні проміжної частоти.

Інформація (амплітуда та фаза) не губиться під час здійснення процесу (мікрохвильовий сигнал та змішаний сигнал з переносом частоти вниз є пропорційними).

На фіг. 5 показаний більш конкретний варіант системи вимірювання згідно з фіг. 4. Вхідний мікрохвил- ьовий сигнал а(ї -- А) на вході вимірювальної ділянки створюється за допомогою пристрою зміщення часто- ти (модулятор однієї бокової смуги). Вхідний та вихідний сигнали вимірювальної ділянки у свою чергу змі- шуються з переносом частоти вниз та піддаються обробці у блоці обробки. Ще один спосіб здійснення ге- теродинної системи являє собою варіант зі схемою фазової синхронізації. У цьому випадку сигнал Х змі- шувача підтримується схемою фазової синхронізації при ї -4- Аї, причому вхідний мікрохвильовий сигнал, який поступає на ділянку перевірки не зміщується проміжною частотою. Отже, вихідний сигнал змі- шувача і в цьому випадку забезпечує подачу сигналів проміжної частоти, які піддаються подальшій об- робці.

Далі зробимо посилання на фіг. 6, на якій показаний укомплектований зволожуючий пристрій. Блок зволожування 40, у який, наприклад, сухий зерновий матеріал подається через вхідний отвір 41, з'єднуєть- ся через вихідний отвір 42 безпосередньо з вхідним отвором основного каналу 1. Блок зволожування 40 має один або більше обертових відцентрових роторів 43, які приводяться у рух за допомогою привідного двигуна 44. Оцінка пристрою 45 вимірювання мікрохвиль здійснюється за допомогою відповідних сигналів вимірювання, які надходять з блоку управління 47 вказаним пристроєм 45 шляхом порівняння бажано- го/дійсного значення, після чого посилаються сигнали управління у блок 48 вимірювання витрати води, що регулює необхідну кількість води та додає її до сипучого матеріалу через трубопровід 49 підведення води та трубопровід 50 нагнітання води. Регулювання кількості води за допомогою розімкненого та замкнутого ланцюгів є показане схематично у збільшеному масштабі у відомий спосіб на фіг. 7, на якій зображені такі основні компоненти, як витратомір води 51, електронний блок управління 55, вентиль 52 з управлінням від двигуна, фільтр 53 та обвідний канал 54.

СПИСОК ПОЗИЦІЙНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

1 Основний канал проходження продуктів; 2 Вхідний отвір;

З Вихідний отвір; 4 Обвідний канал;

Решітка; 6 Відвідний трубопровід; 7 Трубопровід; 8 Ділянка вимірювання; 9 Вимірювальний канал;

Розвантажувальний дозувальний пристрій; 11 Гвинтовий конвеєр; 12 Привідний двигун;

13 Опора; 14 Коромисло;

Вісь обертання; 16 Датчик сили; 17 Пластинка; 18 Електронний блок обробки; 19 Коаксіальна лінія; 19 Коаксіальна лінія; 20 Датчик; 21 Стрижень; 22,22" Стінка; 23,23" Воронкоподібне розширення; 24 Діелектрик; 25, 25 Покриття (ізоляційний шар); 26 Датчик температури;

Блок зволоження; 41 Вхідний отвір; 42 Вихідний отвір; 43 Відцентровий ротор; 44 Привідний двигун;

Пристрій вимірювання мікрохвиль; 46 Перевірочний пристрій; 47 Блок управління; 48 Блок вимірювання витрати води; 49 Трубопровід підведення води;

Трубопровід нагнітання води; 51 Витратомір води; 52 Вентиль з управлінням від двигуна; 53 Фільтр; 54 Обвідний канал;

Електронний блок управління;

Н Поле;

Е Поле;

Х сигнал змішувача; а Вхідний сигнал;

Б Вихідний сигнал;

1/4 р их

Ї й луг Ки 14 15 пики ге ї ше ах. - / єї ще - 2: - ; ще чу де ча не с СУ ше : 17 19 ша ( ківш в м ШИ ВІ НЕ пише ЕЕлВИТ, сит : МЖБЗ-ШЖШ-6- перліт тк тн 28 ни ДА " ме . | Й

И3ШВБЗБ-Ш-Ш-60И05 пасе я А . !

МШТ-- АВ яв яв ля і СИ

І2 / | й вя 18 Це Е- х 1 ;

Фіг. 1 . . ! 23 парт 2У ет й ПЕ | | г. г ра см ем чан и во, тях 4. г

Фіг. 2 я Е ' / що /

Й ї4 вач АНЯ --4- 7 УКХ де ще 4-Й п дер

ШИН Ша - млн 1 . ,/ рт . ХУ каз 27 ж / / и оон шт р.а 7-7 й «о кол - пон на -я ох

Фіг. З

- ді ач) а(бдІ) в Ши Ф, х() зав У

Вимірювальна ділянка р а.) Ь(А) х() У а(А) вгло Білі) 5 уп-их 2е----18 ра а

Фіг. 4 ще пристрій для зміщення 215 ц - - і Вимірювальна ділянка генератор частоти. для А 100 Гц (А

З вк Є 100 кГц | вІмА

Низькочастотний фільтр (100кгц) - ад Опорний канал яти --2 Змішувач

Білі Вимірювальний канал -.,- Амплітудно-фазовий детектор (100 кГц)

Фіг. 5 н з |плплоо до пгт ц рий и ий вий и-и- и с,

ЕК ДЕ НИ,

І) «5 і : | ; . ши шк о

Фіг. 6 вій й й 5; І | я

Ї

Фіг. 7

Тираж 50 екз.

Відкрите акціонерне товариство «Патент»

Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3-72 -89 (03122)2-57- 03