Спосіб диелькометричного виміру вологості сипучих матеріалів і пристрій для його здійснення

1 Спосіб диелькометричного виміру вологості сипучих матеріалів, що полягає у вимірі діелектричної проникності sE двофазного міжелектродного середовища, що складається з досліджуваного сипучого матеріалу s M і газоповітряного наповнювача S - при штучній ЗМІНІ | параметрів газоповітряного наповнювача, який відрізняється тим, що збільшують початковий тиск Р а т м газоповітряного наповнювача в •р атм раЗІВ до моменту рівності електричних проникностей міжелектродного середовища із сипучим матеріалом s E і збільшеної в Кр разів маси повітряного наповнювача s r *, при досягненні якого вимірюють діелектричну проникність s E міжелектродного середовища із сипучим матеріалом, приймаючи її рівною діелектричній проникності s M досліджуваного сипучого матеріалу * Передбачуваний винахід відноситься до галузі аналітичної техніки, а саме, до диелькометричної вологометрм, і може бути використаний для експресного аналізу вологості сипучих, шматкових, волокнистих і інших неоднорідних по ЩІЛЬНОСТІ і розмірам гранул матеріалів, зокрема в сільському господарстві і на підприємствах харчової промисловості для виміру вологості сільгоспсировини і продуктів її переробки причому момент рівності s M = s s = s r визначають за допомогою виміру і порівняння електричних - 3і З11 ємностей £' £ двох ідентичних у конструктивному виконанні ємнісних вимірювальних камер КМ ФК: со = с11 ° з різними коефіцієнтами заповнення їх сипучим матеріалом зі = зі1 ( м со сі 2 Пристрій виміру вологості сипучих матеріалів за п 1, який містить ємнісний вимірювальний перетворювач і функціональний перетворювач, що відрізняється тим, що ємнісний вимірювальний перетворювач виконаний двокамерним у вигляді циліндра, у верхній частині якого, у камері нагнітання, установлена кришка-поршень з каналом введення технологічного газу, нижче камери нагнітання, на ЗОВНІШНІЙ боковій поверхні циліндра, установлені верхня і нижня пари ідентичних напівциліндричних електродів, включених у мостову вимірювальну схему вузла порівняння електричних ємностей верхньої і нижньої вимірювальних камер, вихід схеми через комутатор з'єднаний з інформаційним входом функціонального перетворювача, керуючий вхід комутатора підключений до виходу вузла порівняння ВІДОМІ пристрої орієнтовані на вимір вологості лише визначених видів матеріалів (сипучих чи волокнистих) тобто не є універсальними [1] ВІДОМІ також технічні рішення, основна увага в яких приділена обліку МІНЛИВОСТІ насипної маси проби аналізованого матеріалу, для чого в пристрій вводяться або удосконалюються різні вузли для ущільнення виміру зусиль ущільнення насипної маси матеріалу і т д [2, 3, 4] Однак ці міри не 00 со ^00 48438 ефективні і лише частково усувають або враховують вплив нерівнощільного укладання матеріалу в камері датчика на результати вимірів Найбільш близьким по технічній сутності до технічного рішення, що заявляється, є "Спосіб вимірювання вологості матеріалів та пристрій для його здійснення" [5] ВІДПОВІДНО ДО ВІДОМОГО технічного рішення, поряд з виміром технічної ємності вимірювальної камери із сипучим матеріалом виробляються визначення і облік об'ємного заповнення камери сипучим матеріалом у кінцевому результаті Це приводить до ускладнення вимірів і самого пристрою, до появи додаткових погрішностей, крім того, взаємне розташування електродів не дозволяє в достатній мірі усунути вплив нерівномірного розподілу по обсягу камери ЩІЛЬНОСТІ укладання матеріалу В основу винаходу постановлено задачу — розширити функціональні можливості, підвищити точність і спрощення вимірів у пристрої Для досягнення цієї задачі запропонований спосіб диелькометричного виміру вологості сипучих матеріалів, що полягає у вимірі діелектричної проникності Єї двофазного міжелектродного середовища, який складений з досліджуваного сипучого матеріалу єм і газоповітряного наповнювача єг при штучній ЗМІНІ параметрів газоповітряного наповнювача, ВІДПОВІДНО до винаходу збільшують початковий тиск РаТн газоповітряного наповнювача в К Р = ^ •атм до моменту рівності диелькометричної проникності міжелектродного середовища із сипучим матеріалом Єї і збільшеної в Кр раз маси газоповітряного наповнювача єг*, при досягненні якого вимірюють діелектричну проникність Єї міжелектродного середовища із сипучим матеріалом, приймаючи її рівною діелектричній проникністю є н досліджуваного сипучого матеріалу =єі=єг* причому, момент рівноваги єм=єі=єг* визначають за допомогою виміру і порівняння електричних ємностей Зі', З І " ДВОХ ідентичних у конструктивному виконанні ємнісних вимірювальних камер CO, Co" з різними коефіцієнтами КМ, Кн" заповнення їх сипучим матеріалом (1) CO со Для реалізації цього способу запропонований пристрій виміру вологості сипучих матеріалів, у якому ємносний вимірювальний перетворювач виконаний двохкамерним у вигляді циліндра, у верхній частині якого, у камері нагнітання, встановлений кришка-поршень з каналом введення технологічного газу, нижче камери нагнітання на ЗОВНІШНІЙ боковій поверхні циліндра установлені верхня і нижня пари ідентичних напівциліндричних електродів, включених у мостову вимірювальну схему вузла порівняння електричних ємностей верхньої і нижньої вимірювальних камер, а також через комутатор з інформаційним входом функціонального перетворювача, керуючий вхід комутатора підключений до виходу вузла порівняння У тексті опису і на кресленні функціональної блок-схеми пристрою виміру вологості сипучих матеріалів введені наступні символи і позначення єм, єг, Єї — діелектричні проникності матеріалу, газоповітряного наповнювача і міжелектродного середовища (матеріал+наповнювач), ВІДПОВІДНО, Єї', Єї" - діелектричні проникності між електродних середовищ верхньої і нижньої вимірювальних камер, ВІДПОВІДНО, єг - діелектрична проникність газоповітряного наповнювача зі збільшенням його ЩІЛЬНОСТІ В КР разів, - електричні ємності СО,3 без матеріалу і з матеріалом верхньої і нижньої вимірювальних камер, ВІДПОВІДНО, Кр = атм - крайність збільшення тиску газоповітряного наповнювача у вимірювальній камері, при ЯКОМУ Єм=Єі=Єг , КМ = VM км"=^м - обсяги камери нагнітання у вимірювальних верхній і нижній камерах, ВІДПОВІДНО, - коефіцієнт об'ємних заповнень сипучим матеріалом верхньої і нижньої вимірювальних камер, ВІДПОВІДНО 1 - ємносний вимірювальний перетворювач, 2 - циліндр, 3 - кришка-поршень, 4 - канал введення технологічного газу, 4і, 5 І , 6 І - камер нагнітання, верхня і нижня вимірювальні камери, ВІДПОВІДНО, 5, 6 - верхня і нижня пари електродів, ВІДПОВІДНО, 7 - вузол порівняння електричних ємностей верхньої і нижньої вимірювальних камер, ВІДПОВІДНО, 8 - комутатор, 9 - функціональний перетворювач, 10 - вхід введення заданої функціональної залежності eH=F(W) діелектричної проникливості є н матеріалу від його вологості W, 11 - вихід висновку вимірювальних значень вологості W сипучого матеріалу Сутність способу полягає в тому, що у міжелектродному просторі вимірювальної камери, заповненому двохфазним середовищем (сипучий матеріал + газоаповітряний наповнювач) створити однорідну по діелектричній проникності середовище, що можливо лише за умови рівності діелектричних проникностей її компонентів, тобто при єн=єг У цьому випадку, при будь-яких об'ємних співвідношеннях сипучого матеріалу і газоповітряного наповнювача, а також при будь-якій нерівномірностях ЩІЛЬНОСТІ укладання сипучого матеріалу 48438 у вимірювальній камері, величина діелектричної проникності єм матеріалу, яку потрібно визначити буде однозначно визначатися величиною діелектричної проникності Єї між електродного середовища, тобто величиною електричної ємності Зі , що безпосередньо визначається ємнісним вимірювальним перетворювачем Досягнення рівності діелектричних проникностей матеріалу і газоповітряного наповнювача здійснюється шляхом підвищення тиску (ЩІЛЬНОСТІ) газу Вираз для сумарної діелектричної проникності Єї двофазного міжелектричного середовища і діелектричними проникливостями є н , єг її компонентів у залежності від їхніх об'ємних співвідношень можна представити (2) г=Км' Єм+(1-Км) Для визначення моменту рівності є н =єг* у процесі підвищення тиску газоповітряного наповнювача Ратн Рк ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДВІ ІДЄНТИЧНІ ВИМірЮвальні камери, електричні ємності яких до заповнення їх сипучим матеріалом рівні CO = Co" При заповненні їх свавільними обсягами матеріалів, V M ^ V M " , одержимо систему рівнянь +(1-КМ) (3) Єг При однаковому збільшенні тиску в обох камерах (камери з'єднані між собою) наступить момент, коли величини електричних ємностей зрівняються, З І - З І " , що просто визначається і фіксується включенням їх у мостову вимірювальну схему вузла порівняння Це свідчить про те, що, незважаючи на розходження об'ємних ЗМІСТІВ сипучих матеріалів у вимірювальних камерах 5і, 6і, у них сформована теж саме гомогенне в частині діелектричної проникності міжелектродне середовище, що можливо при єн=єг* тобто вираз 3 прийме вид, eiWW (4) У цей момент визначається величина діелектричної проникності сипучого матеріалу S чи M = CO (5) со" Технічна реалізація способу здійснюється пристроєм для виміру вологості сипучих матеріалів (фіг ) Ємнісний вимірювальний перетворювач 1 являє собою герметичний циліндр 2, у верхній частині якого, у нагнітальній камері 4 і , установлений кришка-поршень 3 з каналом введення технологічного газу 4 (канал 4 використовується в залежності від умов експлуатації — наявність технологічного газу з діелектричною проникливістю, більшої Єповиря при наявності ЗОВНІШНІХ джерел підвищення тиску газу — насос, чи балон пневмомапстраль зі стисненим повітрям) Нижче нагнітальної камери 4 і на ЗОВНІШНІЙ боковій поверхні циліндра 1 установлені верхня 5 і нижня 6 пари ідентичних напівциліі ндричних електродів, що утворюють верхню 5 І і нижню 6 вимірювальні камери Вимірювальні каі І мери 5 І 6 не мають чітких, розділених елементами конструкції границь, що і не потрібно для технічної реалізації способу, тому що в момент зчитування результат вимірів значення величини об'ємних співвідношень сипучого матеріалу і газоповітряного наповнювача не є інформативними Пари електродів 5, 6 включені в мостову вимірювальну схему вузла порівняння 7 електричних ємностей З і ' І З І ' , а інформаційний вихід З і через комутатор 8 підключений до одного входу функціонального перетворювача 9, другий вхід якого підключений до входу 10 введення інформації про задану функціональну залежність діелектричної проникненості єм матеріалу від його вологості W Вихід вузла порівняння 7 підключений до керуючого входу зчитування результату єі'= єм комутатора 8 Результат вимірів і перетворень \N=F(ZM) зчитується з виходу функціонального перетворювача 9 на вихід 11 пристроя Конкретний приклад виконання способу 1 При незаповненій сипучим матеріалом загальній камери ємнісного вимірювального перетворювача 1 вимірюють, і вирівнюють величини електричних ємностей верхньої 5 і І нижньої 6 і вимірювальних камер СО=Со"=3 Значення величини 3 записують у функціональний перетворювач 9 2 Засипають сипучий матеріал у ємнісний вимірювальний перетворювач 1 Рівень засипання — довільний Необхідно лише виконати умову V M ^ V M " , ЩО реалізується природним шляхом — насипна ЩІЛЬНІСТЬ сипучого матеріалу в нижній камері завжди вище, ніж у верхній (наприклад, можливе засипання лише частини обсягу нижньої камери при порожній верхній) Найбільш оптимальний рівень засипання — s обсягу верхньої вимірювальної камери 6 і (ЯК показано на ф і г ) Встановлюють кришку-поршень 3 і герметизуют камеру На виході вузла порівняння 7 з'явиться сигнал розбалансу З і ' < 3 і " 3 Переміщенням (наприклад, угвинчуванням) кришки-поршня 3 в середину порожнини нагнітальної камери 4 і збільшують тиск газоповітряного наповнювача у вимірювальній камері Р аТ н Рк доти, поки на виході вузла порівняння 8 не з'явиться сигнал рівності З І - З І " По цьому сигналу через комутатор 8 у функціональний перетворювач 9 відбудеться зчитування величини З і ' Виміри закінчені 4 По закладеному у функціональний перетворювач 9 алгоритму визначається величина діелектричної проникливості єм сипучого матеріалу S M = CO і далі, ВІДПОВІДНО до заданої функціональної залежності eM=F(W), з виходу 11 пристрою зчитується результат виміру вологості W=F(e M ) Процес виміру простий Основні труднощі — 48438 створення необхідного тиску газоповітряного наповнювача у вимірювальній камері Наприклад, при використанні в якості наповнювача атмосферного повітря (єпов-1,00058), для виміру вологості деяких видів с/г культур, приведених нижче в таблиці, тиск повітряного наповнювача необхідно підвищити приблизно до 9 атм, тобто єу=9,0 3/х культура Вологість, % Д П , Єм tg 5 кута втрат Пшениця 22,1 8,8 0,24 Тритикале 21,8 8,5 0,17 Жито 22,0 8,2 0,17 Ячмінь 21,9 8,0 0,17 Овес 22,1 7,8 0,14 Максимальна кратність підвищення тиску газового наповнювача у вимірювальній камері створюється при повному витисненні газу з обсягу VMK нагнітальної камери в обсяг VMK вимірювальних камер 5і, 6 І І без сипучого матеріалу складе Ратн'(^НК+ K p VMK)-Pmax'VMK Prnax_=VHKt=VHK = ( 6 ) э V атм HK При засипанні вимірювальної камери сипучим матеріалом максимальна можлива величина Кр підвищується КР = U) 0-KM)VHflO Наприклад, при співвідношенні обсягів нагнітальної і вимірювальної камер VHK-2VMK величина Кр складає порожній датчик КР = Чідо =3 датчик з матеріалом Кн=0,8 2,2 = 11 (1-КМ)ЧіДО 0,2 У залежності від умов експлуатації підвищення тиску газоповітряного наповнювача можна створювати при фіксованому положенні кришкипоршня через канал введення технологічного газу Найбільше ефективно в порівнянні з відомими 8 диелькометричними вимірниками вологості сипучих матеріалів пропонований пристрій може використовуватися для виміру матеріалів з малою вологістю (до 1,0 - 1,5%), а також таких "незручних" до рівнощільного укладання матеріалів, як пірпухова сировина, вовна, шовк, бавовна, льон, листи тютюну і сподіваючись, трави та ш Таким чином, запропоноване технічне рішення дозволяє вимірювати вологість матеріалів з результатом, що не залежить від їхньої структури Немає необхідності в нормуванні проби матеріалу по обсягу або по масі Нерівномірність напруженості електричного поля по обсягу вимірювальної камери, "крайові ефекти" не впливають на результат вимірів Спосіб може бути реалізований у диелькометричних (ємнісних) вимірниках вологості з різними формами і взаємними розташуваннями електродів, за умови забезпечення їхньої герметичності і можливістю підвищення діелектричної проникливості газового наповнювача, що розширює його функціональні можливості Інший варіант реалізації способу — експлуатація в лабораторних умовах з використанням барокамери Два однокамерних ємнісних вологомерів після попереднього підстроювання і вимірів їх початкових ємностей завантажують досліджуваним матеріалом і поміщають у барокамеру Порожнини вимірювальних камер відкриті, конструкції приладів не повинні мати герметичних вузлів і порожнин щоб уникнути їхньої деформації при підвищенні тиску в барокамері Підвищуючи тиск у барокамері, порівнюють ВИХІДНІ вимірювальні сигнали, далі — ВІДПОВІДНО до запропонованого способу Джерела інформації 1 Засобу виміру вологості сільськогосподарських матеріалів Експрес-інформація ЦНИИТЭИ приладобудування М , 1985, вип 6, стор 1-15 ISSN 0203-2309 2 Патент Японії № 56-16375, кл G01N 15/10, заявл 6 06 77, опубл 16 04 81 Пристрій для виміру вологості сипучих матеріалів 3 Авт Свид СРСР № 1402912, кл G01N 27/22, 1988, №22 4 Авт Свид СРСР № 1125531 А, кл G01N 27/22, 1984, №43 5 Спосіб вимірювання вологості матеріалів та пристрій для його здійснення, МКВ 5 G01N 27/22, пріоритет 22 06 93 В3604149/2 (1034) 48438 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 10