Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Теоретические предпосылки использования физических методов для измерения влажности зерна
1.1 .Влага в твердых телах и величины, характеризующие её содержание
1.2. Прямые методы определение влажности зерна
Глава II. Влагометрия на сверхвысоких частотах
2.1. Особенности измерения влажности в диапазоне сверхвысоких частот
2.2. Квазиоптические и фазовые методы определения влажности
Глава III. Измерительно —вычислительный комплекс для определения влажности зерна
3.1 Общая схема измерительной части ИВК
3.2. Разработка методики метрологического обеспечения измерительных и расчётных операций ИВК
Глава IV. Рекомендации по проектированию СВЧ установки для сушки зерна
4.1. Особенности взаимодействия СВЧ излучения с веществом
4.2. Процессы дегидратации вещества в СВЧ электромагнитном поле
Выводы
Заключение
Литература
Приложения
- Прямые методы определение влажности зерна
- Квазиоптические и фазовые методы определения влажности
- Разработка методики метрологического обеспечения измерительных и расчётных операций ИВК
- Процессы дегидратации вещества в СВЧ электромагнитном поле
Введение к работе
ГЛАВА I. Теоретические предпосылки использования
физических методов для измерения влажности зерна йі
1.1 .Влага в твердых телах и величины, характеризующие
её содержание
1.2.Прямые методы определение влажности зерна
1.3 .Косвенные методы определение влажности зерна 4 о
1.3.1. Неэлектрические методы измерения влажности 1 J
1.3<2.Измерение влажности зерна методом
инфракрасного излучения ^ *
1.3.3. Электрические методы измерения влажности 2$
выводы 32
Прямые методы определение влажности зерна
Наиболее распространенными из числа прямых методов являются методы: термогравиметрический, химический и дистилляционный. Суть термогравиметрического метода заключается в воздушно-тепловой обработке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равнозначным полному удалению влаги. На практике применяется как высушивание до постоянного веса, так и ускоренные методы сушки, В первом случае сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания образца дают одинаковые результаты. По тому, как скорость сушки постепенно уменьшается, делают вывод об удалении влаги, содержащейся в образце. Длительность определения этим методом составляет от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре.
Рассмотрим те методы и средства, которые получили наибольшее практическое применение для определения влажности сельскохозяйственных материалов и, в частности, зерна. Международной организацией по стандартизации (ISO) и между народным обществом химии зерна (ICC) принят в качестве образцового метод сушки измельченного зерна над химически чистым фосфорным ангидридом (Р2О5) при температуре 45-5 0С и давлении в пределах 10-20 мм.рт.ст. до постоянного веса (не менее 150 г, зерна).
При определении влажности зерновых культур, предназначенных для продуктовых, кормовых и технических целей в России для зерна и продуктов его переработки в настоящее время, применяют два метода определения влажности: воздушно-тепловой и вакуумно-тепловой. По первому методу влажность определяют по массовой доле влаги во влажном веществе. Для измерения убыли массы измельченного зерна проводят сушку его навески в воздушно-тепловом шкафу при фиксированных температурах и времени. Погрешность метода определения влажности по сравнению с образцовым вакуумно-тепловым методом составляет ±0,5%.
Вакуумно-тепловой метод применяют при определении влажности зерна на хлебоприемных и перерабатывающих предприятиях в среднесменных и среднесуточных пробах, при приеме, отпуске и отгрузке, а также при контрольных определениях[22]. Для определения влажности отбирают 300±10 грамм зерна, которые 2 помещаются в герметически закрывающийся сосуд, заполняя его на объема. На дно просушенного эксикатора помещают поглотитель, например накопленный хлористый кальций. Для зерна с влажностью до 17% определение проводят с предварительным подсушиванием до остаточной влажности в пределах 9-15%, В качестве установки для сушки используют сушильный электрический шкаф, например, типа 5ЭШ-ЗМс терморегулятором, обеспечивающим создание и поддерживание температуры в рабочей зоне высушивания 100-140 С с погрешностью ±2%. Влажность зерна х в процентах вычисляют по формулам: a) x = 100 ——— + К , без предварительного подсушивания б) = 100 1-2 , с предварительным подсушиванием, где , - масса навески размолотого зерна до высушивания; д2- масса навески размолотого зерна после высушивания; #j- масса навески целого зерна до предварительного подсушивания; цл - масса навески целого зерна поле предварительного подсушивания; К=0,20%- поправочный коэффициент. За окончательный результат определения влажности зерна принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений [35], Метод вакуумно-тепловой сушки предусматривает подсушивание не измельченного зерна при температуре 105С и окончательное обезвоживание его при температуре !30С в течении 1 часа. Этот метод реализуется с использованием вакуумно-тепловой образцовой установки (УВТО). При арбитражных анализах влажности и контрольной проверке сушильных шкафов применяют только прямой метод,
Оценка влажности материала косвенными методами производится по изменению различных его свойств. В зависимости от измеряемого свойства М.А. Берлинер [36] предложил косвенные методы разделить на две большие группы - электрические и неэлектрические.
В основу первых положено прямое измерение электрических параметров материала; для вторых измеряемая физическая величина не является электрической, однако и она на определенном этапе измерения, как правило, преобразуется в электрический сигнал. Косвенные методы основаны на изменяющихся с влажностью механических характеристиках твердых материалов; сопротивление раздавливанию, сопротивление вдавливанию механической иглы конуса или ножа, сопротивление деформирующему усилик 5 необходимого для уплотнения образца постоянной массы в фиксированном объеме и др. Эти методы отличаются своей простотой, однако, они не обладают достаточно высокой точностью. К важнейшем неэлектрическим относятся методы, основанные на использовании [37,38,39,40]; а) теплофизических характеристик материала; б) акустических свойств материала; в) гамма — лучей, нейтронов и рентгеновского излучения; г) ядерного магнитного резонанса; д) видимого света и инфракрасного излучения. Последние подгруппы иногда называют «спектральными методами». Выделенные физические методы по сравнению с другими имеют большие преимущества, тж являются быстродействующими и позволяют автоматизировать процесс измерения влажности, обеспечивают проведение измерений без разрушения образца и допускают возможность повторения исследований на одном и том же образце при проверке результата измерения.
Квазиоптические и фазовые методы определения влажности
Рассмотрим подробнее методы, нашедшие применение при влагометрии зерна. На рисунке 2.1 представлена простейшая схема установки для исследования метода СВЧ поглощения [74]. СВЧ- колебания от генератора СВЧ 1 по волноводу 2 поступают на передающую антенну 3, откуда, пройдя через влажный материал 4 (например, зерно) и частично поглотившись находящейся в нём водой, попадают на приёмную антенну 5, откуда по волноводу 6 проходят через атеннюатор 7, служащий для непосредственного ослабления и после детектирования детектором 8 через усилитель 9 регистрируется индикатором 10. При такой схеме измерения, ослабление, измеренное аттенюатором, является функцией влажности материала 4.
Для измерения затухания СВЧ - энергии в зерне выбор оборудования и сечения волноводов обусловливается определенным частотным диапазоном. Это связано с тем5 что для целей влагометрии используется достаточно узкий диапазон: от 2 до 4 см? на который приходится пик поглощения колебаний СВЧ энергии молекулами воды, а значит в этом диапазоне можно получить максимальную чувствительность по измеряемому параметру.
Реализация схем измерения влажности методов сравнения с раздельным измерением затухания и фазового сдвига, методом замещения и сравнения с автоматическим отчетом затухания может быть осуществлена на установке можно реализовать схемы измерения влажности методом сравнения с раздельными измерениями затухания при измерении влажности методом прямого замещения [68] .
Колебания СВЧ от генератора 1 проходит измерительный аттенюатор 2, направленный ответвитель 3 и подводится к излучающей рупорной антенне 4. Излучаемые колебания СВЧ проходят через контролируемый материал 8 и принимаются антенной 5, расположенной в одной плоскости по оптической оси с антенной 4. Через отрезок волновода 9 СВЧ колебания поступают на детекторную секцию 6, откуда составляющая частоты модуляции 1000 Гц поступает на вход усилителя 7. Методика измерения описана [62]-Расстояние между антеннами может изменяться в пределах 0-550 мм с помощью электропривода. В схеме предусмотрено измерение амплитуды, отраженной от контролируемого материала электромагнитной волны, при помощи направленного ответвителя.
Принцип работы установки по методу затухания и фазового сдвига поясняет рис. 2.3. СВЧ колебания от генератора 1, промодулированные внутренним модулятором с частотой 1000 Гц, пройдя через феррнтовый вентиль 9, разветвляются тройником 10 на два канала. В одном канале они проходят изгиб 16 и подводятся к излучающей антенне 4, проходят через Рис.2,3. Схема установки затухания и фазового сдвига. контролируемый материал 12 и принимаются антенной 5. СВЧ колебания проходят через второй ферритовый вентиль 13, изгиб 19 и поступают в одно из симметричных плеч двойного Т-моста 14, Во втором канале СВЧ колебания проходят изгиб 17, фазовращатель 11, аттенюатор 27 отрезок волновода 20, изгиб 18 и поступают во второе плечо двойного Т-моста 14- В «Е» плечо включена детекторная секция 6, с выхода которой низкочастотная составляющая СВЧ сигнала поступает на вход усилителя разбаланса 7 со стрелочным индикатором 8. В «Н» плечо двойного Т-моста включена согласованная нагрузка 15.
Разность показаний аттенюатора и фазовращателя до и после внесения образца дает величины затухания и сдвига фазы в материале. На рис. 2.4. приведена схема установки с автоматической компенсацией затухания.
СВЧ- колебания от генератора 1 разветвляются тройником 10 на два канала, В первый входят: изгиб 16, вентили 9,13,излучающая 4, приемная 5 антенны, контролируемый материал 12. Второй представлен изгибом 17, измерительным аттенюатором. Оба канала подключены к коммутатору каналов 22, а его выход нагружен на детекторную секцию 6. Сигнал с детекторной секции подается на выход фазочувствительного усилителя 23, нагруженный на реверсивный двигатель 24. Вал двигателя 24 тесно связан с осью аттенюатора 2. Обмотки двигателя 24 и коммутатора каналов 22 синфазно запитаны переменным напряжением 50 Гц.
Самобалансировка схемы осуществляется за счет обратной связи: аттенюатор - двигатель. Наличие самостоятельных функциональных блоков позволяет использовать установку для обработки методов СВЧ влагометрии и схемных решений влагомеров. Диапазон измеряемых затуханий 0 65 Дб (AN±0,2 Дб), фазового сдвига 0 360 (Д -±0,Г) на длине волны Л =3,21 см. Рассмотренный метод определения влажности, основанный на поглощении СВЧ энергии, не вызывает в реализации затруднений, однако обладает одним существенным недостатком - необходимостью стабилизации толщины слоя зерна, что, как правило, не всегда возможно и в общем случае требует введения еще одного канала измерения. Этого недостатка лишен метод измерения по отражению электромагнитных волн от поверхности влажного материала.
Разработка методики метрологического обеспечения измерительных и расчётных операций ИВК
Задача повышения достоверности контроля и эффективности управления процессом сушки зерна за счёт повышения точности измерений технологических параметров оказывается в центре внимания при работе над автоматизацией измерений- Вопросы о потерях, обусловленных погрешностью измерений параметров в условиях функционирования информационно - технологических систем, закономерно приводят к пониманию необходимости рассматривать исходную концепцию в метрологическом обеспечении технологической операции как системную задачу. Возможность технической реализации этой задачи ведет к достижению цели обеспечения гарантированное показателей достоверности контроля на всех этапах производства продукции.
Задача состоит в необходимости определения условий, при которых соблюдается корректность применимости вероятностно-статистических методов к оценкам погрешности измерений и выполняется гарантированность показателей достоверности контроля в современных технологиях.
Обращаясь к операции автоматического контроля технологического процесса и, следуя уточненному понятию её метрологического обеспечения [90], становится вполне очевидным, что необходимо, как минимум: а)решить задачу о допустимой погрешности измерений технологических параметров, например, по условию технологического допуска на отклонения параметра от номинала; б) найти подход к оцениванию технической погрешности, вносимой техническими средствами при измерении технологических параметров; в) сопоставить ожидаемую техническую погрешность измерений с допустимой погрешностью и решить задачу её поддержания в пределах допустимой погрешности путём введения, например, управления точностью технических измерений. Решение задачи об управлении точностью измерений нуждается в научном обосновании с точки зрения надежности и эффективности её реализации в условиях функционирования указанных средств измерения.
Известно, что наилучший путь осмысления любой сложной задачи -это её математическое моделирование» Рассмотрим процедуру составления математического алгоритма преобразования измерительных сигналов некоторой технической системой, имеющей реальный аналог, и расчета ожидаемой погрешности измерений контролируемого параметра. Наиболее полной для нее является динамическая характеристика преобразования, которую удобно определять с позиции восстановления неизвестного входного процесса x(t) по известному выходному процессу y(t)t представив дифференциальным уравнением первого или второго порядка.
Восстановление неизвестного входного процесса по известному выходному процессу с использованием обратных моделей, в общем является некорректно поставленной задачей. Из (3.12) видно, что погрешность S [x{t)\ является систематической погрешностью, включающей динамическую погрешность и образуется из-за отличий параметров реальной статической характеристики динамического преобразования технического средства измерения (т.е. параметров Ао и В0) от соответствующих параметров номинальной характеристики преобразования (т.е. параметров А и В), а также из-за отсутствия в номинальной характеристике преобразования динамической составляющей, С учетом (3.9), (3 Л1) и (3.12) формируется структурная схема расчета ожидаем ых погрешностей измерения, приближенных к реальным условиям функционирования технического средства измерения (см. рис.3.2), Процедура моделирования измеряемого процесса как следует из структурной схемы, базируется на известном выходном процессе у (t), который по модели обратного преобразования исходного средства измерения преобразуется во входной неизвестный процесс X (t).
Изменения параметров уравнения (3.11) в условиях функционирования технического средства измерений (влияние внешних факторов окружающей среды ь Ь,2\ при вероятностном распределении измеряемой величины X (t), формируют, деформированный закон распределения результирующей погрешности измерения по (3,12), к которому в принципе не может быть корректно применено понятие плотности распределения вероятности, поскольку нарушается свойство иррегулярности коллектива, связанное с неоднородностью условий функционирования технического средства измерений [94], Иными словами, необходимость соотношения закона распределения результирующей погрешности измерения #[ ( )] с неизменными внешними условиями, характеризуя тем самым внутренние статистические устойчивые взаимодействия случайных явлений, характеризует корректность применимости вероятностно-статистических методов на практике.
Реализация этого требования с оценкой по (3.7) и (3.8) может служить мерой корректности в подходе к возможности и целесообразности использования адаптивной идентификации средств технических измерений. При этом обеспечивается максимум компактности распределения данных измерений относительно модели (3.11) [95 -98], Погрешность измерения добротности зависит от погрешности частотомера.
Определим взаимосвязь числовых характеристик распределения погрешности расчета добротности с числовыми характеристиками распределения погрешности измерения частоты. Для этого используем математическое ожидание и дисперсию распределений погрешностей и взаимосвязь между ними.
Процессы дегидратации вещества в СВЧ электромагнитном поле
Рассмотрим изменение свойств воды в сверхвысокочастотном поле, учитывая, что вода имеет высокие диэлектрическую постоянную Е и тангенс угла потерь tg5 Вода является компонентом многих материалов, который требуется удалить при сушке, поэтому немаловажно знать характер поведения воды в СВЧ электромагнитном поле. Известно, что доля поглощения в воде энергии СВЧ поля на частоте 1 ГГц - 50 % общих потерь энергии, на частоте 10 ГГц -90 %, а на частоте 30 ГГц - около 98 %.[61,112]. Максимальная величина потерь в свободной воде при малом количестве примесей наблюдается на частоте 20 ГГц. Возможность поглощать энергию СВЧ поля свободной и связанной водой обеспечивается процесс дегидратации.
При проникновении СВЧ поля в материал, его энергия преобразуется в тепло, вызывая локальное повышение температуры, что в свою очередь приводит к появлению градиента давления и в результате вода, перемешаясь по микропорам, испаряется на поверхности. Таким образом, процесс сушки, ускоряется, обеспечивая лри этом высокую степень однородности материала. Электрическое поле быстро меняется, происходит, как бы объемная встряска вещества. Кинетическая энергия отдельных частиц, под действием -компоненты поля усиливает раскачку молекул, а это приводит к росту относительного количества свободных носителей заряда. В результате растет температура в объеме вещества, при этом даже возможно изменение его фазового состояния. Диэлектрические и полу проводящие свойства уступают место легкопроводящим. Анализ поведения электромагнитного поля в таком изменяющемся по физико-химическим свойствам веществе позволяет ожидать следующее [112]: относительно глубокое проникновение поля в толщу материала (объемное воздействие поля); при росте температуры наблюдается переход к иному качеству материала, усиливаются его отражающие свойства; как следствие последнего - автоматическое регулирование проникновения поля в толщу материала; сокращение времени прогрева всего объема материала при увеличении мощности СВЧ поля.
Возможностью поглощать энергию ЭМ СВЧ поля водой, находящейся как в свободном, так и в связанном состоянии внутри материалов, пользуются для введения СВЧ энергии в технологические процессы сушки (дегидратации) многих веществ. Расширение возможностей для исследования взаимодействия СВЧ излучения с материальными средами могут обеспечить специализированные установки, локализующие электромагнитное поле в ограниченном объеме. Известно большое разнообразие конструкций СВЧ установок лабораторного и промышленного назначения [1,5].
Все современные установки, в зависимости от размеров СВЧ камеры, способов ее возбуждения и электродинамических характеристик обрабатываемого материала подразделяются на системы с режимом бегущей волны и системы с режимом стоячей волны.
К первому классу обычно относят волноводные объемы, в которые помещают, как правило, сильно поглощающие материалы. Режим бегущих волн характеризуется распространением волн от области возбуждения с уменьшающимися амплитудами за счет поглощения энергии обрабатываемым материалом, при этом нагрев материала будет не однородным в направлении распространения волн. Продольную неравномерность нагрева устраняют движением материала, например, с помощью транспортерной ленты.
Ко второму классу относят резонаторные объемы, а обрабатываемый материал в них помещают, как правило, слабопоглощающий. Режим стоячих волн образуется волнами с одинаковыми амплитудами, распространяющимися в противоположных направлениях. Суммарное поле стоячих волн характеризуется чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) поля. При таком распределении поля нагрев материала неоднородный. В СВЧ камерах со стоячими волнами возможно возникновение резонансов, когда амплитуда поля резко возрастает, и в результате, даже слабопоглощающие материалы поглощают всю подводимую энергию.
Для обеспечения равномерного нагрева материала в рабочем объеме либо изменяют распределение поля во времени, либо осуществляют перемещение материала, за счет использования механических поворотных устройств (подиумов), или «перемешивают» поле, используя дисекторы.
СВЧ установки, которые нельзя отнести ни к первому ни ко второму классу, с разными амплитудами определяют как системы с режимом смешанных волн, распространяющихся в противоположных направлениях, В режиме смешанных волн распределение поля происходит как у стоячей волны, но с тем отличием, что вместо полного отсутствия поля в узлах, наблюдают его минимальные значения. Для сушки сыпучих веществ СВЧ электромагнитными полями применяют установки с «кипящим слоем» [113]. Вместе с тем, любая СВЧ установка содержит источник СВЧ (генератор), фидерную цепь той или иной сложности, СВЧ камеру. Для настройки СВЧ установки необходимы стенды, позволяющие измерять характеристики электродинамических процессов не только в СВЧ камере, но и в фидерной цепи. Это связано с тем, что характеристики даже простейших полноводных элементов фидерной цепи (прямолинейных отрезков, поворотов и т-п) зависят от материала, технологии и точности изготовления в условиях конкретного производства. Отдельные СВЧ узлы фидерной цепи (например, волноводные тройники) имеют сильную частотную зависимость характеристик от геометрических размеров и практически невозможно гарантировать достижение требуемых характеристик без дополнительных построечных элементов и соответствующей настройки узлов на измерительных стендах. Более сложные СВЧ узлы (например, переход от стандартного фидера к СВЧ камере) требуют стендов, позволяющих производить их отработку, задачей которой является нахождение оптимальной формы узлов и настроечных элементов, их размеров и взаимного расположения.
Отработка сложных СВЧ узлов на реальных установках требует изготовления громоздких вспомогательных элементов, переходников, согласованных нагрузок, зондов и т.д, что сопряжено с большим объемом работ. В этом случае целесообразно проведения предварительной отработки таких узлов на основании принципов электродинамического моделирования, смысл которого заключается в уменьшении геометрических размеров СВЧ узла пропорционально увеличению рабочей частоты, при сохранении формы этого узла,
Предварительная оіработка любого СВЧ узла на моделях позволит найти технические решения по его настройке при существенном сократцении трудовых и материальных затрат. Большинство основных электродинамических характеристик не зависит от уровня мощности и их измерение целесообразно производить на низком уровне мощности (1 5 мВт) с помощью стандартной измерительной СВЧ аппаратуры. Вместе с тем существует ряд характеристик СВЧ узлов (электрическая прочность, температура нагрева отдельных частей из-за неизбежных потерь в этих частях), которые не могут быть оценены на низком уровне мощности. Оценку таких характеристик целесообразно осуществлять на специально созданных лабораторных установках с высоким уровнем мощности, который не обязательно должен точно совпадать с уровнем рабочей мощности реальной установки. Важно, чтобы эти уровни совпадали по порядку величины, что обычно достаточно для решения вопросов оценки электрической прочности и тепловыделений. Эффективность работы по созданию практической СВЧ установки, таким образом, определяется созданием измерительных стендов на низком уровне мощности, проведением работ на электродинамических моделях и созданием соответствующих лабораторных установок высокого уровня мощности.
