Спосіб вимірювання вологісті сипких продуктів

Изобретение относится к приборостроению для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Цель изобретения - повышение точности измерения влажности продукта при различном содержании неанализируемых компонент. Поставленная цель достигается тем, что влажность определяют уравнением, связывающим значение влажности только с оптическим показателем на спектральной позиции воды, а коэффициенты уравнения регрессии, задающие параллельное смещение и наклон граду и ровоч ной характеристики, автоматически изменяют в зависимости от принадлежности анализируемого продукта определенной области в п-мерном пространстве признаков, которыми являются коэффициенты спектрального отражения на спектральных позициях измеряемых и неизмеряемых компонент. Разделение продукта на области в пространстве оптических признаков производятдискриминантными функциями вида кй = & путем получения произведения матрицы коэффициентов спектрального отражения R на матрицу преобразования А и сравнения результата с граничными значениями, определяемыми матрицей В. 4 ил., 1 табл СП с ю Изобретение относится к области приборостроения для пищевой промышленности и предназначено для автоматического измерения влажности сыпучих продуктов в потоке и лабораторных условиях. Известны способы измерения влажности, производящие распознавание измеряемого продукта и корректировку на основе этого результата измерений влагомера. В способе измерения влажности происходит распознавание полноты заполнения зоны измерения влажности анализируемым продуктом. Для повышения точности изме- І О рения используется вторая реперная длина волны Дреп2 • При этом коэффициент отражения на длине волны Яреп2 должен отличаться от коэффициента отражения на первой реперной длине волны Арепі ке менее чем на 10%. Измерение влажности данным способом производится следующим образом, на первом этапе определяется полнота заполнения зоны измерения продуктом (например, чаем), для этого находят іение коэффициентов отражения на "V, 1721476 P2> первой и второй опорных длинах волн Іизм КАрепт^Лрепг (оптический признак) и сравRpeni Rpen2 нивают его со значением, полученным в реК3ІП 5 О) зультате масштабирования оптического КрепЗ + признака во влаге равного отношению ко- 5 где W - измеренное значение влажности; эффициентов отражения аналитической (по R іизм ~ коэффициент спектрал ьного отражения на линии поглощения воды; Ягнеизм, влаге) длины волны к первой опорной R3 неизм - коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения неизмеряеЕсли в результате сравнения получает- 10 мых компонент продукта (например, для шрота масло, белок, клетчатка и т.д.); ся число меньше заданного, то на втором Rpen 1. Rpen 2. Rpen з - коэфициенты спектэтапе производят измерение влажности W рального отражения на опорной длине волс помощью зависимости W = f(A). Если в ны; Ко. Кі, Кг, Кз - коэффициенты уравнения результате сравнения получается число больше заданного, то это является призна- 15 регрессии. Определение коэффициентов Ко...Кз в уравнении (1) производят путем ком того, что участок транспортера в зоне подготовки проб прсдукта с различными по облучения контролируемого материала недиапазону значениями измеряемой компополностью заполнен чаем и результат измененты при фиксированном значении неизрения влажности по оптическому признаку А будет недостоверным, поэтому расчет 20 меряемых компонент с обработки массива влажности не производится. 3 данном спополученных выходных сигналов влагомера собе измерения используется отличие форметодом регресивного анализа. Напримы спектральных характеристик материала мер, для шрота в пробах последовательно транспортера (резины) и чая в ближней ИКфиксируются значения масла, при которых области, при котором могут быть получены 25 по диапазону изменяются значения влажнои отличающиеся друг от друга зависимости сти. Однако такой метод не позволяет поставить в соответствие продукту с различным для случаев заполнения чаем зоны облучесодержанием измеряемых компонент его ния на 90, 80 и 70%. 30 градуировочную характеристику, так как Однако для продуктов с различным сопри этом в выражении (1) корректируется держанием компонент при одинаковых только свободный член Ко и отсутствует возформах спектральных характеристик отноможность изменения коэффициента Кі при шение коэффициентов отражения на перизмеряемом оптическом признаке на линии вой и второй опорной длинах волн 35 воды.Изменение свободного члена Ко проотличается на незначительную величину. В исходит в связи с тем, что повышение либо то же время существует взаимное влияние понижение оптических признаков неизмеколичеств неизмеряемых компонент на поряемых компонент влияет на соответствуюгрешность измерения влажности. щие члены уравнения (1), которые Известен способ учета влияния состава 40 увеличивают либо уменьшают значение Ко Таким образом, имеется возможность папродукта на градуировочную характеристираллельного смещения градуировочных хаку влагомера, использующий схему множерактеристик и отсутствует возможность ственной регрессии. При этом в уравнение изменения угла наклона. регрессии, по которому рассчитывается Цель изобретения - повышение точновлажность, помимо оптического признака 45 сти измерения влажности продукта при разна линии поглощения воды вводятся оптиличном содержании неизмеряемых ческие признаки на линиях поглощения друкомпонент. гих неизмеряемых компонент, влияние На фиг. 1 представлено устройство, рекоторых необходимо учесть при автоматической корректировке грздуировочной ха- 50 ализующее способ измерения влажности сыпучих продуктов, на фиг. 2 и 3 - спектрактеристики. ральные и грздуировочные характеристики соответственно; на фиг. 4 - спектры. Например, при измерении влажности На фиг. 2 представлены реальные спекшрота основной неизменяемой компонен55 тральные характеристики одного и того же той, влияющей на градуировочную характепродукта (шрота), снятые на спектрокомпьристику влагомера, является количество ютере "Инфрапид-61" в ближней инфракмасла в продукте. расной области (ИК-области) inR = f(A), где Таким образом, уравнение регрессии InR - логарифм коэффициента спектральнопредставляется в виде б 1721476 го отражения; Я -длина ьояны. Цифрами 6-8 обозначены виды продуктов, полученных с различных предприятий и имеющих различное содержание неизмеряемой компоненты (масла), соответственно максимальное, среднееи минимальное значения (линия поглощения Хі). Из этих видов продуктов приготовлены пробы с различным содержанием влаги по диапазону 0, 5, 8 и 12%, аналитическая линия поглощения влаги - Дз , fa ~ опорная длина волмы. Таким образом получены пробы с различным по диапазону значением измеряемой компоненты и фиксированным значением неизмеряэмой. Представленные на фиг. 2 спектральные характеристики видов шрота являются наиболее характерными и выбранными из числа исследованных спектральных характеристик, которые располагаются между данными. 5 10 15 20 На фиг. 3 представлены градуировочные характеристики, соответствующие крайним и среднему видам шрота 6-8. По осям координат отложены: \Л/Ист ~ истинное значение влажности, определенное лабора- 25 торным методом высушивания; \Л/Изч - измеренное значение влажности, равное в соответствии с выражением (1) w= (2) 30 Пунктиром обозначена зона технологически допускаемых отклонений ± 1 % . При этом видно, что погрешность измерения влажности крайних шротов значительно 35 шире зоны допуска. На фиг. 4 отдельно приведены спектры тех же видов шрота с нулевым значением влажности (нулевые спектральные характеристики), 40 На фиг. 2-4 было определено, что увеличение количества неизмеряемой компоненты (масла в шроте) приводит к увеличению логарифма коэффициентов спектрального отражения проб нулевой влажности по всему исследуемому диапазону фиг.4, что при- 45 водит к перемещению градуировочной характеристики фиг.З. Причем чем ближе расположены нулевые спектральные характеристики на фиг 4, тем ближе располагаются градуировочные характеристики на 50 фиг.З. Наблюдается также веерообразное распределение градуировочных характеристик, т.е. сужение D начале диапазона и. рэсшпрение к к о н ц у . ' Поэтому для корректировки градуировочных характери- 55 стик, т.е. для введения их в зону допуска, обозначенную пунктиром фиг.З, необходимо в выражении (2) изменять обз коэффициента уравнения регрессии Ко и Кі. Зтс изменение необходимо производить в зависимости от вида шрота и соответственно в зависимости от местоположения его нулевой спектральной характеристики. С этой целью на первом этапе измерений производится распознавание вида шрота или группы видов шротов, спектральные характеристики которых находятся близко друг от друга. На втором этапе ставятся им з соответствие коэффициенты Ко и Кі, приводящие градуировочную характеристику в зону допуска. Эти коэффициенты используются при измерении влажности по выражению (2). Основными теоретическими положениями, вытекающими из приведенных фиг.1-3,которые определяют возможнисть разбиения видов продукта на области, явились следующие: спектры шрота различных видов одинаковы по форме и отличаются величиной коэффициента спектрального отражения неизмеряемых компонент, влияющих на градуировочную характеристику по влаге; градуировочные характеристики для различных видов продукта совпадаю^ если совпадают их нулевые спектральные характеристики; информативными в спектральной характеристике являются линии доминирующих компонент продукта, по которым может быть произведено распознавание. Исходя из этого для шрота была определена информативная неизмеряемая компонента (масло), влияющая на градуировочную характеристику по влаге и выбрано трехмерное пространство признаков, которыми являются соответственно коэффициенты спектрального отражения на линиях масла, неаналигической опорной и влаги Аі , І2 . кі (фиґ.2). Вид дискриминантных функций ограничили классом линейных дискриминантных функций anRi + 312R2 + зізКз = bi (3) 32lRi + 322R2 + 323R3 - D2 (4) a^iRi + 342R2 + а4зРз = Ьл (5) или в матричной форме ЛА д Art — D, где Л Rr R2! - матрица-столбец коэффициенто в спектрального отражения, 1 an...aij. .аіп j = І...П л - I аи. .aij...ain А І = 1...m ami...amj-.-amn- матрица преобразова]ігЦ 1 1721476 b = bi b2 Dm - матрица-столбец граничных значений областей. Для определения коэффициентов матрицы преобразования ац и матрицы граничных значений bi были подготовлены пробы характерных видов различных по диапазону влажности шротов с фиксированным значением неизмеряемой компоненты и на трехканальном ИК-влагомере определены коэффициенты спектрального отражения на линиях поглощения масла, влаги, и опорной каждой пробы. Затем по специально разработанной программе на ЭВМ рассчитаны 15 коэффициенты ац дискриминантных функций. Значения рассчитанных коэффициентов atj и bi приведены в следующих выражениях: 20 И -1 0,451 £ = [-0,922 1 -0,107 [6} И 0,85 -0,052 -1 0,824 -0,073 -0,076 25 -0,0546 -0,083 ' (7) -0,042 Значения градуировочных коэффициентов, используемых для расчета влажности 30 при нахождении шрота в соответствующей области, приведены в таблице. На фиг. 1 обозначены сыпучий продукт 1, инфракрасный фотометр 2, блок 3 аналого-цифровых преобразователей, вычисли- 35 тельный блок 4, блок 5 индикации. Сыпучий продукт 1 облучают источником света, находящимся в инфракрасном фотометре 2. Отраженный от сыпучего продукта световой сигнал оптически формируют .-. и с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и информативных неизмеряемых компонент (в данном случае одной информативной компоненты - мас- - с ла). Таким образом, в результате преобразования с помощью фотоприемника светового инфракрасного сигнала в электрический на выходе инфракрасного фотометра 2 появятся напряжения, пропорциональные коэф- 5D фициентам спектрального отражения на линиях масла, ньаналитической опорной и влаги RA-i , НАг - НАз • • Полученные значения коэффициентов спектрального отражения преобразуют в цифровую форму в блоке 55 3 аналого-цифрового преобразования соотвественно в числа Ni, N2. N3, которые подают в вычислительный блок А. В последнем определяют логарифмы отношения коэффи1 0 8 циентов спектрального отражения от сыпучего продукта на спектральных позициях воды и неаналитической опорной In тп- , а 1ч2 также рассчитывают влажность \Л/изм путем умножения и суммирования полученного значения логарифма на градуировочные коэффициенты Ki и Ко в соответствии с выражением «л» _ і Мз , „ \Л/изм —v KI In -г-р + КО Численные значения градуировочных коэффициентов, соответствующих анализируемому виду продукта (например, шрота) выбирают из имеющихся а памяти вычисленного блока 4. Для этого числа N i , N2, N3, пропорциональные коэффициентам спектрального отражения, полученным от продукта (шрота), умножают соответственно на строку коэффициентов матрицы преобразования и суммируют следующим образом: a n N i + аі2№ + 313N3 = Ьр. Результат суммирования bi сравнивают с первым членом матрицы столбца граничных значений b i . Если полученное значение больше b i , то из памяти вычислительного блока выводятся градуировочные коэффициенты уравнения регрессии Kj И K I , соответствующие той области пространства оптических признаков, в которой по своим параметрам находится измеренный вид продукта. Если полученное значение Ьр меньше Ьі,то числа N i , N2, N3 умножаются соответственно на следующую строку коэффициентов матрицы преобразования: 32iNi + 322N2 + агзМз = Ьр. Результат суммирования сравнивают с вторым членом матрицы столбца граничных значений D2. Аналогично принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) во второй области пространства оптических признаков и выводе из памяти, для расчета влажности соответствующих этой области коэффициентов уравнения регрессии Ко и к ] 1 , либо о проведении нового цикла последовательных операций. При достижении последней строки матрицы и получении результата суммирования меньше последнего граничного значения bs принимается решение о нахождении данного вида продукта (шрота) в пятой области пространства оптических признаков и выводе из памяти с о о т в е т с т в у ю щ и х этой области коэффициентов уравнения регрессии Ко , К і . Результат измерения влажности \Л/изм ВЫВОДИТСЯ ИВ индикацию в блок 5. П р и м е р 1 (для случая, когда сыпучий продукт(шрст)с влажностью, определенной по методу высушивания, 3,7%, находился во второй области пространства оптических признаков). Сыпучий продукт облучают источником света. В отраженном от сыпучего продукта световом сигнале с помощью системы светофильтров выделяют спектральные позиции длин волн влаги, опорной и 10 информативной иеизмеряемой компоненты (масло). Определяют логарифмы поя^чеиных коэффициентов спектрального очражения на этих длинах волн, которые равны соответственно InRi - 0,1434; )nR2 = 0,1186; 15 lnR3--0,3526. , Находят логарифмы отношений 'я R3 R? lnR3-!nR2-0,2790. Вычисляют параметр Ьр с использованием первой и последующи* строк матрицы (6) и результат сравниваемся с граничным значением соответственно первом и последующих областей матрицы (7) Ьр--0.2091; -0,2031 v-0.076; ЬР =-0.067288. -0,067288 < -0,0546; Dp --0,038196; -0.088196 0, где і - номер строки матрицы В. при этом в уравнение регрессии вводят коэффициенты, соответствующие i-му номеру строки таблицы коэффициентов, а в случае постоянного знака разности bpi - bj л Л 0,6 0,5 РЛ- У 1721476 ы 0,5 01 оя 01 1WQ і 45 50 Редактор Е. Папп Составитель В Калечиц Техред М.Моргентал Корректор М Пожо Заказ 947 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101