Технічні науки / 6. Електротехніка і радіоелектроніка

 

К.т.н. Куцевол М. О.

Вінницький національний аграрний університет, Україна

Розроблення алгоритму визначення вмісту зв’язаної вологи в зерні

 

Капілярно-пористі матеріали характеризуються значним вмістом зв’язаної вологи , яка за своїми діелектричними властивостями відрізняється від вільної вологи. Діелектрична проникність вільної вологи , тоді як зв’язана волога має , що незначно відрізняється від діелектричної проникності сухого залишку [1,2]. Така велика кількість зв’язаної вологи в капілярно-пористих матеріалах пояснюється наявністю в них значної площі внутрішньої поверхні пор, на якій утримується зв’язана волога у твердому стані.

Рис.1.  Залежність коефіцієнта діелектричних втрат матеріалу від вологості

 

Дослідження характеристик капілярно-пористих матеріалів [3] показали, що є можливість визначати як повну вологість матеріалів, так і кількість в них зв’язаної вологи. В основу метода покладена залежність коефіцієнта діелектричних втрат  від вологості  (рис.1). Коефіцієнт діелектричних втрат вимірюється на двох радіочастотах  та  [4,5]. При цьому вологості  відповідатиме . Під дією на матеріал теплового поля вологість буде зменшуватись, зменшуватиметься також . В момент часу, коли , вільна волога повністю випарувалась, значення  відповідатиме кількості зв’язаної вологи в досліджуваному капілярно-пористому матеріалі і може бути використаним в якості ефективного інформативного параметра при її контролі.

Рівняння прямої, що проходить через дві точки (рис.2)

,                                           (1)

шляхом нескладних перетворень отримує вигляд

.                             (2)

Рис.2. Ілюстрація до визначення рівняння прямої

 

Рівняння прямої в загальні формі  також легко перетворюється до вигляду (2):

.                                                   (3)

З виразів (2) і (3) очевидно, що

.                         (4)

Графіку  (рис.3) відповідає загальне рівняння:

,                                             (5)

а графіку  – рівняння:

.                                           (6)

Рис.3. Залежність коефіцієнта діелектричних втрат від вологості для різних частот

 

Враховуючи вирази (4), (5) і (6) записуємо рівняння (5) і (6) в координатах вологості і коефіцієнта діелектричних втрат, об’єднуючи їх в систему:

            (7)

Визначаємо абсцису точки перетину цих графіків, яка є значенням зв’язаної вологості в матеріалі:

.                          (8)

Враховуючи, що в системі (7) , спрощуємо вираз (8):

.                                (9)

Одержаний вираз (9) є математичною моделлю, яка кількісно пов’язує зв’язану вологість з коефіцієнтом діелектричних втрат матеріалу.

Процес знаходження значення зв’язаної вологості передбачає визначення дійсної діелектричної проникності

,

та тангенса кута діелектричних втрат

,

де   – досліджувана ємність матеріалу;

 – сумарна ємність, яка складається з дійсної ємності  і початкової ємності чутливого елемента .

За допомогою цих інформативних параметрів знаходиться коефіцієнт діелектричних втрат на частотах  і  при початковій температурі, визначається приріст коефіцієнта діелектричних втрат та повний вміст вологи в матеріалі. Під дією теплового поля підсушується досліджуваний зразок, а контрольні операції повторюються до того часу, поки  не стане дорівнювати нулю. Значення вологості в цей момент відповідатиме вмісту зв’язаної вологи в матеріалі.

Враховуючи це, послідовність контрольних та допоміжних операцій буде наступною:

1. Увімкнення приладу контролю вологості та витримка часу для практичного завершення перехідних процесів.

2. Встановлення градуювальних коефіцієнтів та .

3. Встановлення параметрів схеми для першого контролю на постійному струмі.

4. Витримка часу для закінчення перехідних процесів.

5. Встановлення і контроль рівня .

6. Контроль “нуля”.

7. Контроль рівня .

8. Встановлення параметрів схеми для другого контролю на постійному струмі.

9. Витримка часу для завершення перехідних процесів.

10. Встановлення і контроль рівня .

11. Контроль “нуля”.

12. Контроль рівня .

13. Встановлення параметрів схеми для першого контролю на змінному струмі.

14. Витримка часу для завершення перехідних процесів.

15. Встановлення і контроль амплітуди .

16. Контроль “нуля”.

17. Контроль амплітуди  на першій частоті .

18. Встановлення параметрів схеми для другого контролю на змінному струмі.

19. Витримка часу для завершення перехідних процесів.

20. Встановлення і контроль амплітуди .

21. Контроль “нуля”.

22. Контроль амплітуди  на першій частоті .

23. Встановлення параметрів схеми для третього контролю на змінному струмі.

24. Витримка часу для завершення перехідних процесів.

25. Встановлення і контроль амплітуди .

26. Контроль “нуля”.

27. Контроль амплітуди  на другій частоті .

28. Встановлення параметрів схеми для четвертого контролю на змінному струмі.

29. Витримка часу для завершення перехідних процесів.

30. Встановлення і контроль амплітуди .

31. Контроль “нуля”.

32. Контроль амплітуди  на другій частоті .

33. Контроль температури і встановлення коригувальних коефіцієнтів.

34. Від’єднання вимірювальної частини приладу контролю вологості.

35. Зберігання інформативних параметрів , , , , , .

36. Повторення  разів пунктів 3…35.

37. Визначення середніх значень виміряних інформативних параметрів , , , , , , та виключення 20% недостовірних значень.

38. Перерахунок середніх значень , , , , , .

39. Визначення .

40. Визначення вологості зерна пшениці за інформативними параметрами та значенням .

41. Визначення  за інформативними параметрами та .

42. Контроль виконання умови .

За проведеними контрольними операціями, можна запропонувати для їхньої реалізації блок-схему алгоритму визначення  і вмісту зв’язаної вологи в зерні, яка зображена на рис.4.

 

      

Рис.4. Алгоритм контролю вмісту зв’язаної вологи

 

Висновок

Приведений алгоритм враховує не тільки порядок контролю інформативних параметрів UЗ-, UЧЕ-, UЗ1, UЧЕ1, UЗ2, UЧЕ2 на частотах f1 і f2, але і зниження похибки засобу контролю вологості за рахунок зменшення впливу активних впливових факторів: температури і нестабільної шпаруватості.

Для підвищення точності засобу контролю вологості в алгоритмі введені деякі загальновживані способи зменшення впливу нестабільності напруги генератора та “дрейфу нуля”. Процес контролю вологості включає не тільки сам контроль, уточнення його, але й усунення заважальних факторів та вилучення недостовірних значень.

 

Література:

1. Берлинер М. А. Измерения влажности / М. А. Берлинер. – М. : Энергия, 1973. – 400 с.

2. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы / Богородицкий   Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. – Л. : Энергия, 1977. – 352 с.

3. Лыков А. В. Теория сушки / Лыков А. В. – М. : Энергия, 1968. – 471 с.

4. Куцевол О. М. Метод вимірювання зв’язаної вологи в капілярно-пористих матеріалах / О. М. Куцевол, М. О. Куцевол // Пр. 9-ї НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” : тези доповіді. – Хмельницький : ТУП, 2002. – № 9. – С. 85.

5. Пат. 75699 UA, МКІ G 01 N 27/22. Спосіб вимірювання вологості / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. ; заявник та патентовласник Вінницький національний технічний університет. – № 2004031999 ; заявл. 18.03.2004 ; опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5.