Спосіб визначення масової частки вологи матеріалів

Изобретение относится к области влагометрии и может быть использовано для определения массовой доли влаги материалов, содержащих проводящие вещества (например: сельхозпродукты, руда, стройматериалы и др.) и находящихся в переменном поле емкостного датчика. Емкость датчика, содержащего влажный материал, в общей случае, определяется соотношением где e*(mв, mс, mп) - комплексная диэлектрическая проницаемость, пропорциональная массе влаги mв, массе сухого вещества mс, массе проводящих веществ mп в объеме датчика; к1 - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика. Для исключения влияния концентрации проводящих веществ используют резонансные способы измерения емкости датчика, по которой определяют массовую долю влаги в материалах. Известен способ измерения массовой доли влаги материалов (Арш Э. И. Автогенераторные измерения. М.: Энергия, 1976), основанный на воздействии на контролируемый материал, находящийся в конденсаторном датчике колебательного контура автогенератора низкой частоты, определении емкости датчика, по которой рассчитывают массовую долю влаги в материале. Если в датчике находится сухой материал, то сигнал, детектируемый частотным детектором, равен нулю. При поступлении влажного материала выходной сигнал частотного детектора пропорционален влажности контролируемого материала. Частота низкочастотного резонанса колебательного контура не зависит от потерь в электрической цепи и определяется соотношением: где Сн - емкость датчика на низкой частоте; L1 - индуктивность катушки колебательного контура. Из полученного соотношения определяют значение емкости на низкой частоте: где W - массовая доля влаги. Недостатком данного способа является то, что измерение массовой доли влаги в материалах ограничивается определенной концентрацией проводящих веществ в объеме датчика из-за того, что при внесении в колебательный контур автогенератора больших потерь колебания его срываются. Известен также способ измерения массовой доли влаги материалов, (Кричевский Е. С. Высокочастотный контроль влажности при обогащении полезных ископаемых. М.: Недра, 1972), основанный на модуляции параметров измерительного контура с помощью дополнительного управляемого реактивного элемента, параметры которого изменяются под воздействием управляющего напряжения, измерении емкости конденсаторного датчика по значению которой определяют массовую, долю влаги в материале при отсутствии модуляции на выходе измерительного контура. Условие отсутствия модуляции на выходе измерительного контура может быть записано в виде где CD - емкость дополнительного управляемого реактивного элемента. Из полученного соотношения определяют емкость датчика на низкой частоте Недостатком этого способа является низкая точность измерения из-за малой чувствительности способа при большой концентрации проводящих веществ в контролируемом материале. При этих условиях амплитудно-частотная характеристика измерительного контура становится плоской (со слабо выраженным экстремумом) и параллельной оси частот, следовательно, определение емкости путем модуляции во времени параметров контура становится затруднительным. Известен также способ определения массовой доли влаги материалов. (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов). Кричевский Е. С., Бензарь В. К., Венедиктов М. В. и др.: Под об. ред. Е. С. Кричевского. - М.: Энергия, 1980), заключающийся в том, что воздействуют переменным напряжением, возбуждаемым от генератора низкой частоты на последовательно соединенные конденсаторный датчик и низкочастотный дроссель, регулируют частоту генератора до получения низкочастотного резонанса, при этом частоту низкочастотного резонанса выбирают соответствующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частоты до зоны частотной дисперсии, измеряют значение частоты низкочастотного резонанса, вычисляют емкость конденсаторного датчика и определяют массовую долю влаги из соотношения: W = к × Сн. где Сн - емкость конденсаторного датчика на низкой резонансной частоте; к - коэффициент пропорциональности, определяемый при градуировке. Достоинством этого способа является более высокая чувствительность при большой концентрации проводящих веществ, так как цепь возбуждается от внешнего генератора регулируемой частоты. Недостатком известного способа является низкая точность измерения массовой доли влаги при переменном физико-химическом составе массы сухого вещества, так как при этом изменяется диэлектрическая проницаемость сухого вещества. Задачей изобретения является создание такого способа определения массовой доли влаги материалов, в котором введение новых операций позволило бы исключить чувствительность к концентрации проводящих веществ в объеме датчика, и обеспечивало определение массовой доли влаги по результатам измерения емкости конденсаторного датчика на низкой и высокой резонансных частотах, что исключает влияние физикохимического состава массы сухого вещества на точность измерения массовой доли влаги в материале. Поставленная задача достигается тем, что в способе определения массовой доли влаги материалов, заключающемся в том, что воздействуют переменным напряжением, возбуждаемым от генератора низкой частоты на последовательно соединенные конденсаторный датчик и низкочастотный дроссель, регулируют частоту генератора до получения низкочастотного резонанса, при этом частоту низкочастотного резонанса выбирают соответствующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частоты до зоны частотной дисперсии, измеряют значение частоты низкочастотного резонанса, вычисляют емкость конденсаторного датчика и определяют массовую долю влаги, согласно изобретению, низкочастотный резонанс фиксируют по достижении сдвига фаз равного 180° между напряжением на конденсаторном датчике и низкочастотном дросселе, подключают высокочастотный дроссель с меньшей индуктивностью, подключают генератор высокой частоты, изменяют его частоту до получения высокочастотного резонанса по достижению сдвига фаз, равного 180° между напряжением на конденсаторном датчике и высокочастотном дросселе, при этом индуктивность высокочастотного дросселя выбирают так, чтобы высокочастотный резонанс соответствовал плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости влажного материала от частоты после зоны частотной дисперсии, измеряют второе значение резонансной частоты, вычисляют емкость конденсаторного датчика на высокой частоте и определяют массовую долю влаги по формуле где Сн - емкость конденсаторного датчика на низкой частоте; Св - емкость конденсаторного датчика на высокой частоте. Регулирование частоты генератора низкой частоты до получения низкочастотного резонанса, фиксирование его по достижении сдвига фаз, равного 180° между напряжениями на конденсаторном датчике и низкочастотном дросселе, подключение высокочастотного дросселя с меньшей индуктивностью, подключение генератора высокой частоты, изменение его частоты до получения высокочастотного резонанса по достижении сдвига фаз, равного 180° между напряжениями на конденсаторном датчике и высокочастотном дросселе, при выборе индуктивности дросселей такой, чтобы низкочастотный и высокочастотный резонансы соответствовали плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости исследуемого материала от частоты до и после зоны частотной дисперсии соответственно и измерении второго значения резонансной частоты в сочетании с известными операциями позволяет исключить влияние физико-химического состава массы сухого вещества на точность измерения массовой доли влаги в материале. На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, проясняющая предложенный способ; на фиг. 2 характеристики зависимости диэлектрической проницаемости влажного материала от частоты. Способ может быть реализован устройством, содержащим генератор 1 низкой частоты, генератор 2 высокой частоты, аттенюаторы 3 и 4, переключатель 5, переключатель 6, конденсаторный датчик 7, низкочастотный дроссель 8 и высокочастотный дроссель 9, фазометр 10, частотомер 11, переключатель 12. Первый выход генератора 1 низкой частоты и генератора 2 высокой частоты через аттенюаторы 3 и 4 подключаются переключателем 5 к конденсаторному датчику 7, соединенного последовательно через общий провод с низкочастотным дросселем 8 или высокочастотным дросселем 9 с помощью переключателя 6. Второй, инверсный выход генератора 1 низкой частоты и генератора 2 высокой частоты подключаются через переключатель 12 к низкочастотному дросселю 8 или высокочастотному дросселю 9. Фазометр 10 первым входом подключается к конденсаторному датчику, а вторым входом к низкочастотному или высокочастотному дросселю. Частотомер 11 подключается к конденсаторному датчику 7. Способ реализуется следующим образом. Конденсаторный датчик 7 заполняют исследуемым материалом и подключают низкочастотный дроссель 8. На последовательно соединенные конденсаторный датчик и низкочастотный дроссель воздействуют переменным напряжением, возбуждаемым от внешнего генератора 1 низкой частоты. Изменяют частоту генератора 1 до возникновения резонанса в электрической цепи. Момент достижения резонанса фиксируют по получении разности фаз 180° между падениями напряжения на конденсаторном датчике 7 и низкочастотном дросселе 8 с помощью фазометра 10. Частоту, соответствующую резонансу, измеряют с помощью частотомера 11. Зависимость действительной части ε' и мнимой части ε" комплексной диэлектрической проницаемости конденсаторного датчика с влажным материалом от частоты изображена на фиг. 2. Частоту низкочастотного резонанса w н выбирают по зависимости действительной частоты комплексной диэлектрической проницаемости конденсаторного датчика с исследуемым материалом от частоты, соответствующей плоскому участку характеристики до зоны частотной дисперсии (фиг. 2, участок I). Индуктивность низкочастотного дросселя определяется известным соотношением где Сн’ - емкость конденсаторного датчика, определяемая действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости на низкой частоте; L1 - индуктивность низкочастотного дросселя 8. Из полученного соотношения по известной индуктивности низкочастотного дросселя определяют значение емкости на низкой частоте Емкость конденсаторного датчика, содержащего влажный материал определяется соотношением где k1 - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика; e'(mв, mс) - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости, пропорциональная массе влаги mв и массе сухого вещества mс в объеме датчика. Затем низкочастотный дроссель 8 заменяют на высокочастотный дроссель 9 с меньшей индуктивностью. На последовательно соединенный конденсаторный датчик 7 и высокочастотный дроссель 9 подают переменное напряжение высокой частоты w в от генератора 2. Изменением его частоты добиваются высокочастотного резонанса в электрической цепи, частотомером 11 измеряют значение резонансной частоты. Частоту высокочастотного резонанса выбирают по зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости конденсаторного датчика с исследуемым материалом от частоты, соответствующей плоскому участку характеристики после зоны частотной дисперсии (фиг. 2, участок II). Индуктивность высокочастотного дросселя определяется соотношением: где Св' - емкость конденсаторного датчика определяемая действительной частью комплексной диэлектрической проницаемости на высокой частоте; L2 - индуктивность высокочастотного дросселя 9. Из полученного соотношения по известному значению индуктивности высокочастотного дросселя L2, определяют значение емкости на высокой частоте Из значений полученных емкостей (2) и (5) определяют их разность: Емкость конденсаторного датчика на частоте, соответствующей плоскому участку характеристики зависимости диэлектрической проницаемости от частоты после зоны частотной дисперсии, можно найти из соотношения: где ε' (mc) - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости на высокой частоте, пропорциональная массе сухого вещества mс в объеме датчика, так как влиянием массы влаги из-за частотной дисперсии диэлектрической проницаемости влажного материала можно пренебречь (фиг. 2). При измерении в резонансном режиме, как указывалось выше, учитываем только действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости без учета потерь на проводимость. Поэтому можно записать где k2 - коэффициент пропорциональности, учитывающий зависимость диэлектрической проницаемости материала от его массы. Далее определяют относительную разность емкостей конденсаторного датчика на низкой и высокой частотах, отнесенную к емкости конденсаторного датчика на низкой частоте В результате получают Массовая доля влаги материала, как известно, определяется выражением где mв - массовая доля влаги в объеме датчика; mс - массовая доля сухого вещества в объеме датчика. Учитывая, что правые части выражений (10) и (11) равны по абсолютной величине, можно записать; или окончательно получим выражение где Сн - емкость конденсаторного датчика на низкой резонансной частоте; Св - емкость конденсаторного датчика на высокой резонансной частоте. Из выражения (12) следует, что за счет измерения емкости конденсаторного датчика на двух резонансных частотах в области низких и высоких частот получена резонансная емкость АС, пропорциональная только массе влаги исследуемого материала и практически не зависящая от массы сухого вещества. Дальнейшее определение относительного значения изменения емкости датчика, отнесенного к значению емкости на низкой частоте, позволило получить величину, пропорциональную относительной массе влаги. Изменение физико-химического состава массы сухого вещества не влияет на значение разностной емкости, а следовательно на точность измерения массовой доли влаги материала. Пример. Определяли массовую долю влаги в сахарной свёкле. Были получены следующие значения: емкость датчика на частоте низкочастотного резонанса равна С н = 100 пФ; емкость датчика на частоте высокочастотного резонанса равна Св = 40 пФ. Массовая доля влаги в материале будет равна: