Спосіб та пристрій для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу

1. Спосіб безперервного визначення вологості сипучого матеріалу, наприклад компонентів харчових або кормових продуктів, у ви мірювальному каналі, причому у си пучому матеріалі вимірюють модуль та/а бо фазу перетворюваних датчиком мікрохвиль і на основі обчисленого значення визначають вологість сипучо го матеріалу, який відрізняє ться тим, що вимірюють електропровідні властивості наповненого сипучим матеріалом датчика і разом з температурою та об'ємною густиною сипучого матеріалу виз начають та регулюють наявну во логість продукту. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що визначення електропровідних властивостей здійснюють на основі гетеродинного вимірювального принципу. 3. Спосіб за пп.1 та 2, який відрізняється тим, що для періодичного калібрування або підвищення точності вимірювання, наприклад, для виключення коливань температури та довжини паралельно до датчика під'єднують опорний канал. 4. Спосіб за одним із пп.1 - 3, який відрізняється тим, що густи ну продук ту (об'ємну густину си пучого матеріалу) ви мірюють шляхом зважування. 5. Пристрій для безперервного визначення вологості сипучо го матеріалу, наприклад компонен C2 (54) СПОСІБ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ БЕЗПЕРЕРВНОГО ВИЗ НАЧЕННЯ ВОЛОГОСТІ СИПУЧОГО МАТЕРІАЛУ 34502 перехідна воронка при переході до вимірювального каналу захище на покриттям, яке пропускає мікрохвилі. 11. Пристрій згідно з одним із пп. 5-10, який відрізняє ться тим, що ви мірювальний канал скон струйований як обвідний канал до розташованого похило або зі зміщенням основного каналу проходження продук тів, а вхідний отвір з основного каналу у ви мірювальний канал виконаний у вигляді решітки. ______________________________ Винахід стосується способу та пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу, наприклад компонентів хар чових продуктів або корму, у ви мірювальному каналі за допомогою мікрохвильового датчика. У недалекому минулому було зроблено багато пропозицій відносно безперервного вимірювання вологості сипучих матеріалів за допомогою мікрохвиль. У борошномельній галузі цей спосіб міг би бути здійснений у певній мірі за допомогою рупорних антен. Однак у цьому випадку потрібно одночасно визначати щільність сипучо го матеріалу. Згідно з [1] для вимірювання щільності пропонується використовува ти гамма-промені. Наскільки відомо, це дозволяє отримати надійні результати. Але ви користання гамма-променів невигідне тим, що необхідно здійснювати спеціальні заходи застереження, виконання яких приписує закон. Згідно з [2] щільність сипучо го матеріалу визначається за допомогою датчиків ваги. Ви мірювальний канал базуєть ся на зважувальних елементах, які виявляють загальний потік продуктів, а розповсюджені мікрохвилі ви мірюються за допомогою дво х відповідно протилежних рупорних антен, причому таке вимірювання ненадійне. Крім того, вимірювання вологості здійснюється тільки до початку зво ложення. Щоб уникнути небажаного відбиття мікрохвиль від оточуючих сті нок, останні роблять із пінопласту, який поглинає вказані мікрохвилі. Усередині пінопласт додатково покривають матеріалом, що пропускає мікрохвилі, отже продук ти, які підлягають вимірюванню, наприклад харчові продукти, не вступають у контакт з пінопластом. Цей спосіб вимірювання не знайшов ши рокого практичного застосування. Вважають, що точне відношення відбитих та поглинути х мікрохвиль визначити неможливо, і тому цей спосіб є джерелом значних помилок. Відоме використання мікрохвиль за допомогою так званого резонатора, який описується, наприклад, у [3] або [4]. У залежності від продукту необхідно використовувати різні резонансні частоти і при цьому точність є обмеженою. Безперервне визначення вологості сипучого матеріалу, вк лючаючого компоненти харчових продуктів та кормів, під час поточної їх обробки за допомогою мікрохвильового поля відоме із [5] та спеціальної публікації [6]. Створюють мікрохвильове поле і вимірюють величину та фазу ци х мікрохвиль, розповсюджених у си пучому матеріалі, потім на основі одержаної величини підраховують вологість, а потім, грунтуючись на розрахун ковій величині, визначають вологість сипучо го матеріалу, яка піддається регулюванню. Інші параметри не враховуються. У Г5] описується вимірювальний канал з датчиком, що має стержень, який розміщений поперечно відносно потоку продук тів. В наступ ній фаховій публікації [7] описані вдосконалені прилади для вимірювання вологості за допомогою мікрохвиль. Тут та кож підкреслюється, що основна проблема у вимірюванні вологості для цілей автоматизації полягає в правильному виборі способу вимірювання для конкретного продукту, во логість якого вимірюється. Підкреслюється також, що похибки вимірювання виникають внаслідок демпфування, зумовленого розмірами часток сипучого продук ту. Тому до вимірюваного матеріалу або до підготовленої для вимірювання проби матеріалу пред'являються певні вимоги, які б забезпечува ли у ви мірювальному об'ємі надвисокочастотного датчика такі властивості матеріалу: • рівномірна поверхня • попереднє ущільнення сипучо го матеріалу • однорідність вологості • постійний потік • ста лі властивості гранул Це накладає різні обмеження на наявні мікрохвильові прилади для вимірювання вологості, зокрема, з огляду на розмір зерна сипучого матеріалу. Згідно з [8] намагалися вимірювати ве личину та фа зу мікрохвиль, поширених навколо сипучого матеріалу, та на основі отриманого результату підрахувати во логість продукту, що підлягав ви мірюванню. Для створення мікрохвильового поля у вимірювальному каналі використовува ли антену, яка проникала у сипучий матеріал. Вказане поле здебільшого створювалося на останній ділянці пункту обробки, де одночасно визначали температуру сипучого матеріалу. Проведена велика кількість випробувань показала, що цей вид вимірювання вологості у значній мірі залежить від сорту продук ту. Однак відомо, що на мукомельних заводах оброблюють різні види та сорти зернових продуктів, зокрема різні суміші цих продуктів. Отже, відповідні властивості продукту під час першої обробки нової зернової суміші для вимірювання за допомогою мікрохвиль невідомі, тому для невідомого продукту вимірювальний пристрій необхідно піддавати повторному калібруванню принаймні після кожної зміни продукту. Цю проблему не можна вирішити за допомогою внутрішнього автоматичного калібрування. Скоріше, для отримання необхідної точності, наприклад ± 0,2 % відхи лення від вмісту води, для кожного калібрування необхідно здійснювати додаткові лабораторні вимірювання. Однак у цей спосіб ціль поточного (автоматичного) вимірювання вологості могла би бути досягнутою тільки частково. Відомо, що вимірювання за допомогою мікрохвиль, на відміну від ємнісного способу ви 2 34502 мірювання, дозволяє точно визначати вміст води у свіжозамоченій пшениці відразу після добавлення води. Дійсне регулювання добавлення води, здійснюваний у замкнутому ланцюзі управління, повинен грунтуватися на вимірюванні вологості або вмісту води після її добавлення. Усі випробування, здійснені у минулому, підтвердили, що існує проблема, яка пов'язана з залежністю від сортів продуктів, та що фактор часу від моменту добавлення води впливає на результати вимірювання її вмісту. Оскільки звичайно під час підготовки зернових продуктів до розмелювання воду до дають два або навіть три рази, то за допомогою відомих способів вирішити цю проблему задовільно було неможливо. Враховуючи сказане вище, задачею винаходу є усунення, наскільки це можливо, недоліків, які властиві ві домим рішенням, для створення вимірювання за допомогою мікрохвиль, яке може бути легко практично здійснене навіть при зміні сортів та, зокрема, дозволяє піддавати вимірюванню свіжозмочену пше ницю, і на цій основі проводити дійсне регулювання добавлення води, наприклад, до обумовленої величини. Додаткове вимірювання вмісту вологи до початку змочуван ня також може бути здійснене у відомий спосіб. Технічне рішення згідно з винаходом характеризується тим, що вимірюється провідність датчика, сконструйованого у вигляді трійчастої лінії, і заповненого сипучим матеріалом, причому здебільшого датчик є частиною вимірювального каналу. Спосіб вимірювання за допомогою мікрохвиль широко використовувався у минулому при розробці хімічних процесів, а також, зокрема, для визначення вмісту води у таких твердих матеріалах, як дерев'яні полотна, папір, текстильні вироби і т.д. Через комерційні причини найбільш широко використо вува лася так звана порожниста антена. Вона була дуже розповсюджена у вказаних спеціальних галузях. Вказаний вище спосіб, який базується на вимірюванні провідності датчика (датчик Gobosensor) [8], а та кож резонаторний спосіб добре відомі. Однак як описувалося вище, при здійсненні способу на основі датчика Gobosensor не визначалася насипна щільність матеріалу і тому результат був неточним. Випадково було виявлено, що за допомогою так званого трійчастого каналу, який використовують для вимірювання провідності сипучо го матеріалу, що наповнює цей канал, усуваються значні змінні спотворення вимірювань, зокрема недоліки, пов'язані з відбиттям та поглинанням мікрохвиль. Властивий відомим технічним рішенням головний недолік, а саме залежність від сорту продукту, може бути у значній мірі усун утий як джерело помилок. Таким чином, одержані результати вимірювання є точно відтворюваними незалежно від фактору часу між змочуванням зернових продуктів та здійсненням вимірювання. Таке включення насипної щільності у вимірювання, крім кількості матеріалу, що проходить, та температури, дозволяє надійно визначати та здійснювати, врешті-решт, регулювання вологості незалежно від сорту зернового продук ту і не є очевидним відносно відомих те хнічних рішень. Винахід дозволяє здійснювати цілий ряд дуже вигідних варіантів. Провідність здебільшого визначається на основі ге теродинного принципу вимірювання за допомогою блоку обробки мікрохвиль, причому во логість продукту розраховується разом з іншими змінними вимірювання за допомогою вказаного електронного блоку. Опорна лінія періодично з'єднується паралельно з датчиком для проведення калібрування та покращення точності вимірювання, наприклад, для усунення коливань температури та довжини. Більше того, у надзвичайно вигідному варіанті здійснення винаходу трійчастий канал також є частиною вимірювального каналу, який відокремлюється від нерухомих частин пристрою при зважуванні і через це щільність може визначатися за допомогою відповідних сигналів зважування. Було виявлено, що у деяких випадках щільність сипучого матеріалу вимірювати не потрібно. Однак випробування підтвердили, що надійність вимірювання зростає, якщо насипна щільність визначається у той са мий час, що, зокрема, робить контроль вимірювання ще кращим при різких змінах ти пу сипучо го матеріалу, наприклад у випадку зернистого, насінняподібного, пластівчастого або порошкоподібного сипучого матеріалу, який складається із різних вихідних матеріалів або сортів зернових матеріалів. Новий ви нахід також стосуєть ся пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу під час його поточної обробки, зокрема харчових продуктів або кормів, за допомогою вимірювального каналу, по якому переміщається сипучий матеріал, та елементу протитиску, розміщеного на вихідній стороні вказаного каналу, що має мікрохвильовий датчик, який установлюють у зоні протитиску, та ха рактеризується тим, що вимірювальний канал являє собою трійчастий канал. Вимірювальний канал здебільшо го являє собою зважувальну ділянку, на якій є установлений елемент, що може регулювати ся, для випуску сипучого матеріалу. Зва жувальна ділянка переважно складається із коромислових вагів, а електронний блок обробки та привідний двигун елемента для випуску сипучо го матеріалу розташовані у такий спосіб, що діють на одну сто рону коромисла та на іншу сторону ви мірювального каналу. Для повного таруван ня вимірювального пристрою відносно конкретного сипучо го матеріалу на коромислі може бути додатково установлена противага, яка може регулюватися. Також пропонується розділити вимірювальний канал вздовж його ви соти на дві ділянки верхню ділянку ви мірювання та ділянку ви пуску матеріалу, яка приєднуєть ся внизу, причому ділянка вимірювання розши рюється зверху до низу, а ділянка випуску схо дить на конус звер ху до низу та обмежена внизу вивантажувальним дозувальним шнеком. Сполучна лінія від датчика до електронного блоку обробки являє собою коаксіальну лінію, причому перехідна воронка дозволяє вільне від відбиття уз годження хвильового опору кабелю до датчика. Частина вимірювального каналу, яка є робочою зоною мікрохвиль, виготовлена із металу. Перехідна воронка у місці переходу до вн утрішньої частини вимірювального каналу повинна бути захи щена покриттям, яке пропускає мікрохвилі. Ви 3 34502 мірювальний канал здебільшо го являє собою обвідний канал по відношенню до розташованого похило або зсунутого головного каналу подачі продуктів, а вхідним отвором вимірювального каналу, який сполучає його з го ловним каналом, є решітка. Винахід також стосуєть ся вимірювального пристрою для безперервного визначення вологості сипучого матеріалу під час поточної його обробки, зокрема харчових продуктів або кормів, за допомогою вимірювального каналу, по якому проходить сипучий матеріал, та елементу протитиску, розташованого на вихідній стороні вимірювального каналу, який має у зоні протитиску усередині вимірювального каналу стрижень, що розміщений поперечно до напрямку потоку продуктів, та ха рактеризується тим, що ви мірювальний пристрій має форму ва гів, переважно коромислових ва гів. Сигнал зважування здебільшого ви мірюється за допомогою перетворювача тиску, причому щільність продуктів розраховується на основі цього сигналу. Можуть також вимірюватися амплітуди та/або фази переданого сигналу мікрохвиль. Нижче ви нахід описується більш докладно з посиланням на варіанти його здійснення. Фіг. 1 - переріз пристрою для вимірювання мікрохвиль згідно з винаходом; фіг. 2 - переріз вздовж лінії ІІ-ІІ, показаної на фіг. 1; фіг. З - діаграмне зображення основного принципу трійчасто го каналу; фіг. 4 - блок-схема гетеродинної вимірювальної системи; фіг. 5 - конкретний варіант системи, показаної на фіг. 4; фіг. 6 - укомплектований пристрій зволоження, наприклад для зернових продуктів; фіг. 7 - схе матичний вид основних елементів пристрою для регулювання витрати води. Розглянемо тепер фіг. 1 та 2. До лівої сторони основного каналу 1, в який через вхідний отвір 2 подається сипучий матеріал, а виводиться через вихідний отвір З, через решітку 5 приєднаний обвідний канал 4. Сипучий матеріал здебільшого подається у обвідний канал 4 через стаціонарний відвідний трубопровід 6 та повертається у головний канал 1 через горизонтальний трубопровід 7. Дійсна ділянка вимірювання 8 починається з нижнього кінця відвідного тр убопроводу 6, а закінчується вивідним кінцем трубопроводу 7. Ділянка вимірювання 8 складається з верти кального каналу вимірювання 9 та дозувального пристрою 10, який містить гвинтовий конвеєр 11 та приводний двигун 12. Ділянка вимірювання 8 з точки зору зважування є відокремлена від головного каналу 1 у верхній та нижній части нах, так як переміщення на ділянці 8 під час відповідного зважування можуть здійснюватися без перешкод. Ділянка вимірювання 8 підвішена на лезоподібній поворотній осі 15 за допомогою вертикальної опори 13 та горизонтального коромисла 14. Коромисло 14 з'єднане з датчиком сили 16. Аксіальна лінія 19, 19', з'єднана з електронним блоком оцінки 18, направляється від цього блоку до датчика 20, який складається із стрижня 21, що проникає у сипучий матеріал, та принаймні із двох металевих стінок 22 та 22', виготовлених, наприклад із сталі (фіг. 3), з тим, щоб у ви мірювальному каналі 9, який є безпосередньо з'єднаний з електричними провідниками, стрижнем 21 або зі стінками 22 та 22', створювалися магнітне поле Н та електричне поле Е. Температура сипучо го матеріалу визначається за допомогою датчика температури 26. Як показано на фіг. 2, два аксіальні канали 19 та 19', подібно до рупорних антен, мають воронкоподібне розши рення 23, 23' для узгодження хвильового опору, наприклад від 50 Ом для коаксіального кабелю до 130 Ом у зоні діелектрика 24, яким є сипучий матеріал. Обидва воронкоподібні розширення 23 та 23' захище ні від вимірювального каналу 8 за допомогою покриття 25 та 25', яке пропускає мікрохвилі. Опорна лінія 31 може бути приєднана через перемикач 30. На фіг. 4 по казана загальна блок-схе ма гетеродинної системи вимірювання. Вхідний мікрохвильовий сигнал a(f + Df) направляється на вимірювальну ділянку, а вихідний сигнал b(f + Df) змішуєть ся з переносом частоти вниз. Отже просте вимірювання фази та амплітуди може здійснюватися у зо ні проміжної частоти. Інформація (амплітуда та фа за) не губиться під час здійснення процесу (мікрохвильовий сигнал та змішаний сигнал з переносом частоти вниз є пропорційними). На фіг. 5 показаний більш конкретний варіант системи вимірювання згідно з фіг. 4. Вхідний мікрохвильовий сигнал a(f + Df) на вході вимірювальної ділянки створюється за допомогою пристрою зміщення частоти (модулятор однієї бокової смуги). Вхідний та вихідний сигнали вимірювальної ділянки у свою чергу змішуються з переносом частоти вниз та піддаються обробці у блоці обробки. Ще один спосіб здійснення гетеродинної системи являє собою варіант зі схемою фазової синхронізації. У цьому випадку сигнал Х змішува ча підтримуєть ся схемою фазової синхронізації при f + Df, причому вхідний мікрохвильовий си гнал, який поступає на ділянку перевір ки не зміщується проміжною часто тою. Отже, ви хідний сигнал змішува ча і в цьому ви падку забезпечує подачу сигналів проміжної часто ти, які піддають ся подальшій о бробці. Далі зробимо посилання на фіг. 6, на якій показаний укомплектований зволожуючий пристрій. Блок зволожування 40, у який, наприклад, сухий зерновий матеріал подається через вхідний отвір 41, з'єднується через вихідний отвір 42 безпосередньо з вхідним отвором основного каналу 1. Блок зволожування 40 має один або більше обертових відцентрових ро торів 43, які приводяться у рух за допомогою привідного двигуна 44. Оцінка пристрою 45 вимірювання мікрохвиль здійснюється за допомогою відповідних сигналів вимірювання, які надхо дять з блоку управління 47 вказаним пристроєм 45 шляхом порівняння бажаного/дійсного значення, після чого посилаються сигнали управління у блок 48 вимірювання витрати во ди, що регулює необхідну кількість води та додає її до сипучого матеріалу через трубопровід 49 підведення води та трубопровід 50 нагнітання води. Регулювання кількості води за допомогою розімкненого та замкнутого ланцюгів є показане схематично у збільше ному масштабі у відомий спосіб на фіг. 7, на якій зображені такі основні компоненти, як витратомір води 51, електронний блок управління 55, 4 34502 вентиль 52 з управлінням від двигуна, фільтр 53 та обвідний канал 54. СПИСОК ПОЗИЦІЙНИХ ПОЗНАЧЕНЬ 1 Основний канал проходження продуктів; 2 Вхідний отвір; З Вихідний отвір; 4 Обвідний канал; 5 Решітка; 6 Відвідний трубопровід; 7 Трубопровід; 8 Ділянка вимірювання; 9 Вимірювальний канал; 10 Розвантажувальний дозувальний пристрій; 11 Гвинтовий конвеєр; 12 Привідний двигун; 13 Опора; 14 Коромисло; 15 Вісь обертання; 16 Датчик сили; 17 Пластинка; 18 Електронний блок обробки; 19 Коаксіальна лінія; 19' Коаксіальна лінія; 20 Датчик; 21 Стрижень; 22,22' Стінка; 23,23' Воронкоподібне розши рення; 24 Діелектрик; 25, 25' Покриття (ізоляційний шар); 26 Датчик температури; 40 Блок зволоження; 41 Вхідний отвір; 42 Вихідний отвір; 43 Відцентровий ротор; 44 Привідний двигун; 45 Пристрій вимірювання мікрохвиль; 46 Перевірочний пристрій; 47 Блок управління; 48 Блок вимірювання витрати води; 49 Трубопровід підведення води; 50 Трубопровід нагнітання води; 51 Витратомір води; 52 Вентиль з управлінням від двигуна; 53 Фільтр; 54 Обвідний канал; 55 Електронний блок управління; Н Поле; Е Поле; Х сигнал змішувача; а Вхідний сигнал; b Вихідний сигнал; Фіг. 1 5 34502 Фіг. 2 Фіг. 3 6 34502 Фіг. 4 Фіг. 5 7 34502 Фіг. 6 Фіг. 7 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 8