Предпосылки разработки электронного устройства контроля влажности зерна
Теоретические предпосылки возможности измерения влажности на сверхвысоких частотах
Результаты экспериментальных исследований по измерению влажности зерна
Влажность, характеризующая содержание воды в материале, является одним из основных факторов определяющих возможность длительного хранения зерна без порчи и потери. При переработке зерна от его влажности зависят сопротивление измельчению и, следовательно, удельный расход энергии и производительность мельничного оборудования. Величина влажности зерен учитывается при сдаче и приемке, так как от нее зависит их чистый вес, то есть действительная стоимость.
Экспериментальными исследованиями установлено, что для зерна существует зона
технологических и энергетических оптимумов при увлажнении и размоле его в муку
(рисунок 1):
Рисунок 1 - Зона технологических оптимумов (W - влажность, %):
Е - удельный расход энергии
I - извлечение
Z - зольность
На рисунке приведена технологическая гидро-грамма зерна с зоной технологических оптимумов, которая характеризуется узким участком влажности зерна (15-16%), минимальной зольностью, минимальным удельным расходом энергии, высоким устойчивым извлечением.
Однако на элеваторах, для обеспечения сохранности, зерно подвергают сушке при этом влажность уменьшается и лежит в пределах 10%. Таким образом влажность зерна необходимо контролировать и при надобности увеличивать (уменьшать).
Определение влажности будет производиться одним из методов СВЧ-влагометрии, поскольку характерной особенностью этих методов является бесконтатность измерений, а также возможность интегральной оценки влажности в больших объемах (в реальных условиях всегда наблюдается неравномерное распределение влаги в объеме материала).
Физика диэлектриков объясняет зависимость электрических параметров (диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь) материала от их свойств и состояния с поляризацией частиц диэлектрика. Так как влажный материал представляет собой диэлектрик сложного состава, в котором перемешаны частицы сухого вещества и воды, то в элементарном объеме такого диэлектрика, содержащем включения, влаги на границе раздела воды и сухого вещества накапливаются заряды. Кроме имеющейся внутрислойной поляризации в элементе воды и элементе сухого вещества, подобное накопление зарядов вызывает появление структурной поляризации. В зависимости от особенностей влажного материала различные виды поляризации внесут меньший или больший вклад в суммарную поляризацию. Так как вода относится к сильно полярным веществам, то ее наличие меняет свойства материала и оказывает большое влияние на суммарную поляризацию. Влияние влаги на суммарную поляризацию проявляется в функциональной связи между параметрами диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала и влажностью. Эта связь ярко выражена на сверхвысоких частотах в диапозоне сантиметровых волн, где диэлектрическая проницаемость воды проходит через область аномальной дисперсии, в которой диэлектрические потери имеют максимальное значение, намного большее чем у значительной части сухих материалов. В диапозоне частот 1-30 Ггц тангенс угла диэлектрических потерь для воды составляет 0.15-1.2, а диэлектрическая проницаемость - 40-80, для большинства сухих материалов тангенс угла диэлектрических потерь равен 0.001-0.05 диэлектрическая проницаемость равна 1-5.
Изложенное выше позволяет использовать для измерения влажности методы и технику, применяемые на сверхвысоких частотах для измерения свойств диэлектриков с преимущественным применением техники сантиметровых волн.
Из всего многобразия методов измерения диэлектрических свойств сыпучих материалов наибольшее практическое применение во влагометрии получил метод, основанный на измерении затухания мощности плоской электромагнитной волны при ее нормальном падении на исследуемый образец материала, расположенный в свободном пространстве на пути распространения электромагнитной волны (применяется в разрабатываемом устройстве ).
Выраженная в децибелах величина затухания мощности СВЧ-излучения,
прошедшей через образец, определяется выражением:
где Рп и Рпр - мощность падающая на образец и прошедшая через него, а - постоянная затухания, d - толщина образца.
Постоянная затухания а является функцией электрических параметров (диэлектрической проницаемости и тангенса угда диэлектрических потерь), которые, как отмечалось выше, функционально связаны с влажностью материала. Следоватеьно, величина затухания также зависит от влажности и может быть мерой влажности в исследуемом материале.
Измерение влажности осуществляется методом замещения затухания во влажной зерновой среде затуханием в прецизионном аттенюаторе.
На рисунке 2 приведена типичная калибровочная связь затухания мощности СВЧ-излучения с влажностью для зерен пшеницы.
Эта зависимость с точностью до погрешности измерений имеет линейный участок. Наличие нелинейного участка вызвано влиянием на суммарную поляризацию форм и видов связи воды с сухим материалом. Чем сильнее связь, тем меньше подвижность диполя воды, и тем меньше суммарная поляризация влажного материала отличается от поляризации сухого, а чем слабее связь, тем меньше суммарная поляризация отличается от поляризации воды. В соответствии с этим при сильной связи вносимые потери (затухание) будут в основном определяться потерями в сухом материале, а при слабой связи или отсутствии таковой - потерями в воде.
Рисунок 2 - Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности (N - затухание, дб; W - влажность,%).
Основная погрешность при измерении затухания вызвана неодинаковостью плотности засыпки зерна в бункер, что особенно проявляется при влажности более 20%. Если при измерении не принимаются меры для улучшения воспроизводимости плотности засыпки, то утроенная величина среднеквадратичного отклонения затухания от среднего значения достигает величины 0.6 дб (0.3%) при измерении влажности пшеницы до 20% и 1.6 дб (0.8%) при измерении влажности свыше 20%.
Влияние температуры зерна на измерение влажности показано на рисунке 3.
Из рисунка видно что, с ростом температуры зерна постоянной влажности затухание в нем мощности СВЧ увеличивается (изменение диэлектрических свойств воды с температурой обусловлено особенностями атомно-молекулярного строения воды, в первую очередь наличием дипольной релаксации в диапозоне сверхвысоких частот).
Рисунок 3 - Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности при различной температуре зерна (N1 - затухание при 5 градусах, N2 - затухание при 20 градусах, N3 - затухание при 40 градусах).
Получаем, что при изменении температуры на 1 градус систематическая ошибка составляет 0.1-0.15%, которую можно учесть, если при измерении влажности измерять и температуру зерна.
Зерновые культуры характеризуются различной натурой (вес зерна в объеме 1 л) при постоянной влажности. Различные типы и сорта пшеницы одинаковой влажности имеют различную натуру. Не трудно заметить, что различной натуре при постоянной влажности соответствует различный вес сухого компонента и воды. Следовательно, зерно сбольшей натурой внесет и большее затухание, что и отражает зависимость приведенная на рисунке 4.
Таким образом, при измерении влажности по затуханию необходимо учитывать влияние температуры на результаты измерений (приведенные величины систематических погрешностей равны 0.016 и 0.065% и должны быть учтены, если натура зерна отличается от натуры, по которой проведена калибровка, на 6-15 г соответственно).
Рисунок 4 - Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности пшеницы различной натуры (N1 - затухание при натурной массе 705 г/л, N2 - затухание при натурной массе 765 г/л, N3 - затухание при натурной массе 795 г/л)
а) зависимость затухания от влажности носит линейный характер в широком интервале влажностей,
б) погрешность измерения влажности на линейном участке - не превышает 0.5% абсолюеного значения влажности,
в) погрешность измерения содержания сильно связанной воды может быть доведена до величины не более 0.5% простым удлинением бункера в направлении распространения электромагнитной волны,
г) результаты измерения влажности зависят от температуры и натуры зерна; погрешности обусловленные их изменением являются систематическими и их можно исключить из результатов измерений, вводя поправки на изменение этих параметров.