Термогравіметричний спосіб надлишкових вимірювань вологості продуктів

1. Термогравіметричний спосіб надлишкових вимірювань вологості продуктів, заснований на формуванні теплового потоку з інтенсивністю, що змінюється за певним законом, формуванні проби досліджуваного продукту з заданими гравітаційними властивостями, тобто з масою mx заданого розміру і постійним значенням прискорення вільного падіння g , нагріванні проби з заданою швидкістю і безперервному вимірюванні сили, що пропорційна масі mx проби, до моменту рівності різниці наступного і попереднього найменших результатів вимірювань наперед заданому значенню приросту нагрівання проби та визначенні вологості за відповідним рівнянням вимірювань, який відрізняється тим, що до нагрівання проби досліджуваного продукту додатково почергово формують дві сили тієї ж самої або іншої фізичної природи, пропорційні нормованим по значенню масам m1 і m2 , почергово вимірюють їх, та після нагріву і Винахід відноситься до вимірювальної техніки и може бути використаний для вимірювання вологості продуктів і матеріалів. Відомий термогравімеїричний спосіб [див. Авторское свидетельство №1824564 Α1 клас G01N25/56, А.A. Aрямкин и С.Ф. Галкин "Способ определения влажности зерна"], заснований на відборі проби зерна, її зважуванні, висушуванні до постійної ваги та визначенні вологості за різницею ваги до та після висушування. Недоліком відомого способу є великі затрати часу на вимірювання, що обумовлено необхідністю висушування до постійної ваги, обробкою проби зерна нелетючим органічним розчином, що змішується з водою, та визначенні показника заломлення отриманого розчину. Крім того відомий спосіб не забезпечує високої точності вимірювання по причині наявності суттєвої методичної похибки визначення постійної ваги та показника заломлення (кількості вивільненої вологи). Відомий термогравіметричний спосіб [див. Ав (13) (19) UA (11) рівною за розміром силі, пропорційній масі mx проби досліджуваного продукту. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що при нормальних умовах вимірювання сил, пропорційних масам m1 і m2 , проводиться один раз протягом проміжку часу визначення дійсного значення вологості різних проб досліджуваних продуктів, наприклад, один раз за півгодини, за годину, за зміну. 77813 маси, причому {Dm0 } = {m2 } - {m1} ; U1 , U2 , U3 напруги, о тримані в результаті вимірювання трьох сил, що пропорційні масам m1 , m2 , mx відповідно. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що силу, пропорційну масі m2 ( {m2 } > {m1} ), формують C2 вимірювання сили, пропорційної масі m'x проби досліджуваного продукту після закінчення нагрівання, про дійсне значення вологості судять з рівняння надлишкових вимірювань: U - U3 W = kw 2 %, U2 - U1 де k w = k 2{ Dm0} /{m2} ; k 2 = 100 ; Dm0 - приріст 3 77813 4 торское свидетельство №2051370 С1 клас мані в результаті вимірювання чотирьох сил, що G01N5/04 І.А.Кулиев, Д.Н.Гасанов, А.Я.Гасанова пропорційні масам m 1, m 2 і m х відповідно. "Способ измерения и контроля влажности семян Окрім того, силу, пропорційну масі m 2 сельскохозяйственных культур"], заснований на ({m 2}>{m 1}), формують рівній за розміром силі, формуванні теплового потоку випромінювання, пропорційній масі m х проби досліджуваного продуформуванні проби досліджуваного продукту, накту. гріванні проби протягом заданого інтервалу часу Також при нормальних умовах вимірювання та визначенні вологості за різницею ваги до та сил, пропорційних масам m 1 і m 2, проводиться після висушування. один раз на протязі проміжка часу визначення дійВідомий спосіб має недостатню точність вимісного значення вологості різних проб досліджуварювання, що обумовлено обмеженою точністю них продуктів, наприклад, один раз за півгодини, встановлення першого та другого значень темпеза годину, за зміну. ратури сушки та похибкою зважування на аналітиНа кресленні наведена структурна схема причних вага х. Відомий спосіб має обмежену швидкострою, який реалізує зазначений спосіб вимірюдію вимірювання вологості, що обумовлено вання вологості продуктів, де 1 - джерело живленвитратою значного часу на сепарування проби. ня, 2 - джерело потужного інфрачервоного Найбільш близьким до запропонованого є вівипромінювання, 3 - об'єкт дослідження (продукт), домий термогравіметричний спосіб вимірювання 4 - автоматичні ваги з оптичним сенсором тиску, 5 вологості продуктів [див. Аналізатор вологості ЕЛ- джерело оптичного випромінювання, 6 - підсилюВІЗ-2 пункт 1 agrobiznes.ru/agroprod_0006598], вач, 7 - вимірювально-реєструючий пристрій. заснований на формуванні теплового інфрачервоПричому струм від джерела 1 надходить на ного потоку випромінювання, формуванні проби нагрівальний елемент 2, який розміщений у квардосліджуваного продукту з заданими гравітаційницовій трубці, і нагріває його до заданої температуми властивостями, висушуванні проби з відомою ри. Потік теплового випромінювання від нагрівальмасою, зважуванні проби після висушування та ного елементу 2 надходить на об'єкт дослідження обчисленні вологості за відповідним рівнянням 3 і протягом часу Dt випаровує вологу. Оскільки вимірювання. об'єкт дослідження 3 розташований на автоматичВідомому способу притаманні недостатня точних вагах 4, то за допомогою вимірювальноність вимірювання, що пов'язано з кінцевою похибреєструючого пристрою 7 здійснюються вимірюкою вимірювання ваги та методичною похибкою вання сили, з якою діє на ваги 4 об'єкт дослідженвизначення маси висушеної проби. ня масою m. Після закінчення випаровування воВ основу винаходу покладена задача створенлоги, що визначається за результатами двох ня такого термогравіметричного способу вимірюостанніх вимірювань, які відрізняються між собою вання дійсного значення вологості продуктів, у на задану похибку, здійснюється запам'ятовування якому шляхом зміни умов виконання операцій зарезультату вимірювання. безпечилось би підвищення точності вимірювання. Припустимо, що реальна функція перетворенПоставлена задача вирішується тим, що у ня сили у напругу описується рівнянням величин термогравіметричному способі надлишкових вимівиду: рювань вологості продуктів, який полягає у формуванні теплового потоку з інтенсивністю, що змі(1) Ux = S'лФх + D U' нюється за певним законом, формуванні проби досліджуваного продукту з заданими гравітаційниде Фх - потужність потоку оптичного випроміми властивостями, тобто з масою m х заданого нювання пропорційнна вимірюваній силі розміру і постійним значенням прискорення вільного падіння g, нагріванні проби з заданою швидкі({Фx}={S 0}{P x}={S0}{m x}{g}); S'л - реальна крутість стю, безперервному вимірюванні сили, що пропорційна масі m х проби, до моменту рівності різниці æ ö перетворення ç ìS'л ü = { л 1 + g л )÷ ; Sл - номінальí ý S }( наступного і попереднього найменших результатів î þ è ø вимірювань наперед заданому значенню приросту на крутість перетворення; gл - відносна зміна крунагрівання проби та визначенні вологості за відпотості перетворення у результаті дії зовнішніх девідним рівнянням вимірювань, відповідно до винастабілізуючих факторів (температури, вологості, ходу до нагрівання проби досліджуваного продукту тиску то що); DU' - реальне зміщення функції передодатково почергово формують дві сили тієї ж творення ({DU'}={DU}+{Dи}); DU - номінальне познасамої або іншої фізичної природи, пропорційні чення напруги зміщення; Dи - відхилення зміщення нормованим по значенню масам m 1 і m 2, почерговід номінального значення в результаті дії деставо вимірюють їх, та після нагріву і вимірювання білізуючих факторів (адитивна похибка перетвосили, пропорційної масі m х маси досліджуваного рення). продукту, про дійсне значення вологості судять з Надалі, для зручності, будемо використовуварівняння надлишкових вимірювань: ти функцію перетворення (1) записану наступним чином: U - U3 W = kw 2 %, U2 - U1 (2) Ux = S'лS0mxg + DU' де kw=k2{Dm 0}/{m 2}; k2 =100; Dm 0 - приріст маси, причому {Dm 0}={m 2}-{m х}; U1, U 2, U3 - напруги отра де ({Фx}={S0){m x}{g}; S 0 - крутість перетворення 5 77813 6 сили у потужність потоку оптичного випромінюматичну корекцію похибок, обумовлених нестабівання. льністю параметрів функції перетворення сили у Сутність термогравіметричного способу наднапругу у результаті дії зовнішніх дестабілізуючих лишкових вимірювань вологості продуктів полягає факторів та впливом абсолютних значень її парау тому, що спочатку формують тепловий потік з метрів на результат вимірювання. У цьому неважінтенсивністю, що змінюється за певним законом. ко впевнитись, підставивши у рівняння надлишкоПотім обирають чи формують пробу досліджувавих вимірювань (6) аналітичні вирази (3), (4), (5) ного продукту з заданими гравітаційними властидля напруг U1, U2, U3 відповідно. В результаті обвостями, тобто з масою m х заданого розміру і поробки напруг згідно з рівнянням надлишкових вистійним значенням прискорення вільного падіння мірювань (6) виключається дія параметрів функції g. Пробу досліджуваного продукту нагрівають з перетворення (2) та їх нестабільність на кінцевий заданою швидкістю, обумовленою законом зміни результат. Все це забезпечує підвищення точності теплового потоку. Одночасно здійснюють безпевимірювання дійсного значення вологості продукрервне вимірювання сили, що пропорційна масі m х тів. проби. До моменту рівності різниці наступного і Сутність запропонованого способу вимірюванпопереднього найменших результатів вимірювань ня вологості пояснюється структурною схемою, сил наперед заданому значенню, припиняють нанаведеною на кресленні, де зображено послідовно грівання проби. Визначення вологості здійснюють з'єднані між собою джерело струму 1, джерело за відповідним рівнянням вимірювань. потужного інфрачервоного випромінювання 2, об'Від відомих запропонований спосіб відрізняєкт дослідження 3 (продукт) і автоматичні ваги з ється тим, що до нагрівання проби досліджуваного оптичним сенсором тиску 4. продукту додатково, спочатку формують силу Р1, Вихід джерела оптичного випромінювання 5 пропорційну масі m 1. Вимірюють її і, згідно з рівз'єднаний з другим входом автоматичних ватів 4, нянням величин (1), отримують напругу: вихід яких підключений до підсилювача 6, який з'єднаний із входом вимірювально-реєструючого пристрою 7. (3) U1 = S0S'лm1g + DU' Робота пристрою полягає в наступному. За допомогою джерела живлення 1 поступово, за яку також вимірюють та запам'ятовують. заданим законом, нагрівається нагрівальний елеПотім формують силу Р2, пропорційну масі m 2. мент 2, який розміщений у кварцовій трубці, до Вимірюють її, а отриману напругу: заданої температури Тmах. Потік теплового випромінювання від нагрівального елементу 2 надхо' m g + DU' дить на об'єкт дослідження 3 і протягом часу Dt (4) U2 = S0Sл 2 випаровує вологу. Оскільки об'єкт дослідження 3 розташований на автоматичних вагах 4, то за довимірюють та запам'ятовують. помогою вимірювально-реєструючого пристрою 7 Після цього формують силу P3, пропорційну здійснюються вимірювання сили, з якою діє на масі m х досліджуваного продукту. Вимірюють її, а ваги 4 об'єкт вимірювання масою m. Після закінотриману напругу: чення випаровування вологи, що визначається за результатами двох останніх вимірювань, які відрі' m g + DU' зняються між собою на задану похибку, здійсню(5) U3 = S0Sл х ється запам'ятовування останнього результату вимірювання. вимірюють та запам'ятовують. На приймальну чашечку автоматичних ватів 4 Про дійсне значення вологості судять з ріврозміщають рівновагу масою ти яка дорівнює, наняння надлишкових вимірювань виду: приклад, 8 грам. Вимірюють силу, з якою діє ця рівновага на приймальну чашечку. На відліковоU2 - U3 реєструючому пристрої 7 відображається резульW = kw % (6) U2 - U1 тат вимірювання: де kw=k2{Dm 0}/{m 2}; k2 =100; Dm 0 - приріст маси, причому {Dm 0}={m 2}-{m 1}; U1, U2, U3 - напруги отримані в результаті вимірювання чотирьох сил, що пропорційні масам m 1, m 2 i m х відповідно. Силу Ρ2, пропорційну масі m 2 ({m 2}>{m 1}), формують рівній за розміром силі Р3, пропорційній масі m х проби досліджуваного продукту, тобто {Р2}={Р3} або {m 2g}={m xg} (7) Крім того, при нормальних умовах вимірювання сил, пропорційних масам m 1 і m 2, проводиться один раз на протязі проміжка часу визначення дійсного значення вологості різних проб досліджуваних продуктів, наприклад, один раз за півгодини, за годину, за зміну, тощо. Запропонований термогравіметричний спосіб вимірювання вологості продуктів забезпечує авто N1 = {S0}ìS'л ü{m{} g + } U' } í ý 1 { D î þ (8) де {m х} - числове значення параметру m 1. Після запам'ятовування значення N1 (8) сили, знімають рівновагу масою m 1 і на приймальну чашечку автоматичних ватів 4 розміщають рівновагу масою m 2, яка дорівнює, наприклад, 10 грам. Вимірюють силу, з якою діє рівновага масою m 2 на приймальну чашечку. Відліково-рееструючий пристрій 7 покаже результат вимірювання N2: N2 = {S}ìS'л ü{m2} g + } U' í ý {} { D î þ (9) 7 77813 8 де {m 2} - розмір рівноваги m 2, який запам'ятоде ìm'x ü - розмір маси проби досліджуваного í ý вується. î þ В наступному такті вимірювання знімають рівпродукту з випареною вологою. новагу масою m 2 і на приймальну чашечку автомаДійсне значення вологості визначають за рівтичних ватів 4 розміщають пробу досліджуваного нянням надлишкових вимірювань: продукту масою m х. Пробу масою m х (до нагріву досліджуваного продукту та випарювання вологосU - U3 ті) обирають рівною за розміром масі m 2, тобто W = kw 2 % (6) U2 - U1 m х=m 2=10гр. Вимірюють силу, з якою діє проба досліджуваного продукту масою m х на приймальну чашечку. де kw=k2{Dm 0)/{m 2}; k2=100; N1, Ν2 , Ν3 - резульНагрівають пробу досліджуваного продукту тати проміжних вимірювань. масою m х поступово, із заданою швидкістю і непеКрім того, вимірювання сил, пропорційних марервно вимірюють силу, пропорційну масі m х. Присам m 1 і m 2, при нормальних умовах експлуатації чому вимірювання здійснюють до моменту рівності проводиться один раз на протязі проміжку часу різниці наступного N3нmj n і попереднього N3nmin визначення дійсного значення вологості різних найменших (у зв'язку з випаровуванням вологи) проб досліджуваних продуктів, наприклад, один результатів вимірювання наперед заданому знараз за півгодини, за годину, за зміну. ченню, наприклад: Оnже, запропонована сукупність та послідовDN=N3нmin-N 3nmin, ність виконання операцій формування та вимірюде N3нmjn - мінімальне наступне значення N3, вання сил певної фізичної природи, пропорційних N3nmin - мінімальне попереднє значення Ν 3, тобто різним значення мас, забезпечує автоматичну корекцію похибок вимірювання, обумовлених неста' . до дії сили масою mx більністю параметрів функції перетворення сниш у Вимірюють силу, з якою діє проба продукту з напругу, яка викликана дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. На кінцевий результат не впливипарованою вологою і масою m'x . Відлікововає також похибка вимірювання вихідної напруги. реєструючий пристрій 7 покаже результат вимірюТаким чином, запропонований термогравіметвання: ричний спосіб надлишкових вимірювань вологості продуктів забезпечує підвищення точності вимірювання. N3 = {S}ìS'лüìm'х ü{} + DU' g { } (10) í ýí ý î þî þ Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601