Спосіб вимірювання вологості матеріалів

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний у нафтодобувній, нафтопереробній, нафтохімічній, харчовій та інших галузях промисловості. Спосіб вимірювання вологості матеріалів, у якому початковий об'ємний вміст вологи визначають за допомогою ємнісного перетворювача шляхом отримання першого відліку з ємнісного перетворювача з початковим зразком, об'ємний вміст вологи якого підлягає визначенню, отримання другого відліку з ємнісного перетворювача з тим же зразком після фіксованої добавки у нього води, і отримання третього відліку з ємнісного перетворювача, коли у зразок для другого відліку додають той же матеріал, але з відомим значенням вологості. Для отримання другого відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену водою. Для отримання третього відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують другу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, у два рази більшим від внутрішнього об'єму першої герметичної тонкостінної капсули, також повністю заповнену водою. Дійсне значення об'ємного вмісту вологи початкового зразка визначають з використанням методу найменших квадратів за відомими значеннями діелектричних проникностей трьох отриманих відліків з ємнісного перетворювача і об'ємних кількостей води всередині першої і другої герметичних тонкостінних капсул з фіксованими внутрішніми об'ємами. Винахід дозволяє підвищити точність визначення вологості. UA 104201 C2 (12) UA 104201 C2 UA 104201 C2 5 10 15 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний у нафтодобувній, нафтопереробній, нафтохімічній, харчовій та інших галузях промисловості і дозволяє підвищити точність визначення вологості. Відомий спосіб вимірювання вологості емульсії, суть якого у тому, що шляхом подвійного вимірювання діелектричної проникності досліджуваного об'єму емульсії з подальшим визначенням вологості з водою і без неї, у досліджуваний об'єм занурюють ампулу подовженої форми, заповнену водою. Вимірювання діелектричної проникності здійснюють, прикладаючи електричне поле одночасно уздовж і упоперек ампули [А. с. СРСР № 1157439, G01 N27/22, 1985, бюл. № 19]. Недоліком даного способу є низька чутливість вимірювання і, як наслідок, низька точність. Також відомий спосіб визначення вологості рідинних середовищ у потоці, суть якого полягає у розділенні потоку рідинного середовища на два окремих потоки, кожен з яких пропускають через свій первинний перетворювач. У один з потоків додатково безперервно додають задану витрату води. Вимірюють діелектричні проникності потоків і за співвідношенням діелектричних проникностей з урахуванням співвідношення витрати води і витрати контрольованого середовища, що проходить через той же первинний перетворювач, визначають початкову вологість рідинного середовища [А. с СРСР № 1423952, G01 N27/22, 1985, бюл. № 34]. Недоліком даного способу є низька точність вимірювання вологості. Пояснити це можна тим, що автори використовують спрощений вираз для визначення діелектричних проникностей 20 25 30 35 40 45 50 55 1 і  2 , і, якщо, користуючись запропонованим у цьому аналізі математичним апаратом, використовувати значення  1 і  2 , обчислені, наприклад, за формулою Вінера, тобто більш близькі до реальних, компенсації змінної початкової діелектричної проникності досліджуваного середовища (йдеться про відмінність діелектричних проникностей різних матеріалів у зневодненому стані) не відбувається). Другим недоліком є складність технічної реалізації процесу безперервного додавання води із заданою витратою. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб визначення вологості рідинних середовищ, що включає перший відлік з вимірювача вологості, заповненого початковим зразком, другий відлік з вимірювача вологості з тим самим зразком після додавання у нього фіксованої кількості води. Далі у зразок додають фіксований об'єм рідинного середовища, вологість якого підлягає визначенню, з відомим вмістом вологи. Здійснюють додатковий відлік з вимірювача вологості, а дійсне значення вологості контрольованого середовища визначають з урахуванням різниці показів першого відліку з другим і додатковим та співвідношень доданих об'ємів води і контрольованого середовища відомої вологості до початкового об'єму зразка [А. с. СРСР № 1332216, G01N 27/22,1987, бюл. № 31]. Недоліками даного способу є складність формування другого відліку шляхом додавання фіксованої кількості води і додаткового відліку з фіксованою добавкою рідини того ж складу, що і досліджуване середовище з відомою вологістю. Крім того, за умов формування другого і додаткового відліків шляхом додавання порцій води та досліджуваного середовища з відомою вологістю, неможливо виключити невизначеності від неточного визначення об'ємів води і досліджуваного середовища з відомою вологістю, що підлягають додаванню до досліджуваної рідини. Отже, точність визначення вологості початкового зразка є низькою. В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності вимірювання вологості шляхом зменшення впливу від зміни сорту матеріалу на результат вимірювання і спрощення реалізації способу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання вологості матеріалів початковий об'ємний вміст вологи визначають за допомогою ємнісного перетворювача шляхом отримання першого відліку з ємнісного перетворювача з початковим зразком, об'ємний вміст вологи якого підлягає визначенню, отримання другого відліку з ємнісного перетворювача з тим же зразком після фіксованої добавки у нього води, і отримання третього відліку з ємнісного перетворювача, коли у зразок для другого відліку додають той же матеріал, але з відомим значенням вологості, в якому, згідно з винаходом, для отримання другого відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену водою, для отримання третього відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують другу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, у два рази більшим від внутрішнього об'єму першої герметичної тонкостінної капсули, також повністю заповнену водою, а дійсне значення об'ємного вмісту вологи початкового зразка визначають з використанням методу найменших квадратів за відомими значеннями діелектричних проникностей трьох отриманих 1 UA 104201 C2 відліків з ємнісного перетворювача і об'ємних кількостей води всередині першої і другої герметичних тонкостінних капсул з фіксованими внутрішніми об'ємами за формулою: W1  a 0,17 1  3   0,33  2 3  b , (1) W1 - початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі; a, b - відомі масштабні коефіцієнти; де 5  1 - результат вимірювання першого відліку;  2 - результат вимірювання другого відліку;  3 - результат вимірювання третього відліку. 10 У відомому способі, вибраному за прототип, початковий об'ємний вмісту вологи матеріалу пропонується визначати з виразу: W1  1  2   W1  Wg  k 2  1  3   W1  k1 1  2   1  k 2   1  3   1  k1      W1 , де 1,  2 ,  3 - значення першого, другого і третього відліків; W1 - значення фіксованої кількості води, що додається у початковий зразок; Wg - об'ємний вмісту вологи у матеріалі, призначеному для формування третього відліку; 15  k 1,k 2 - поправки, що враховують зміну об'єму. Якщо здійснити обчислення початкового об'ємного вмісту вологи за цим виразом для матеріалів з різними діелектричними проникностями у зневодненому стані (тобто для матеріалів різних сортів) для умов, наведених у прикладі прототипу, видно, що зміна сорту досліджуваного матеріалу істотно впливає на результат вимірювання: 20 W1 0,0 0,1 0,2 H 2,0 0,032 0,130 0,230 2,5 0,016 0,100 0,217 3,0 0,000 0,083 0,200 3,5 -0,016 0,067 0,170 W1 характеризує номінальні значення початкового об'ємного вмісту вологи досліджуваного зразка, H - діелектричні проникності матеріалів різних сортів або типів, для У таблиці 25 30 35 40 яких обчислені розрахункові значення вологості. Як видно з наведених даних, вплив так званої "сортової" похибки є значним, а точність вимірювання вологості є низькою. Обчислення початкового значення об'ємного вмісту води в матеріалі за формулою (1) дозволило значно знизити додаткову невизначеність вимірювань, викликану впливом на результат вимірювання сорту досліджуваного матеріалу і завдяки цьому підвищити точність вимірювань. Крім того, на відміну від відомого способу, вибраного за прототип, використання першої і другої герметичних тонкостінних капсул з фіксованими внутрішніми об'ємами, повністю заповнених водою, дозволило усунути невизначеності від неточного додавання води, бо внутрішні об'єми капсул є постійними і постійним є об'єм води всередині, що підвищує точність визначення вологості початкового зразка. Конструктивно розмістити такі капсули у вимірювальному просторі вимірювального перетворювача набагато простіше, ніж кожен раз виготовляти для отримання другого і додаткового відліків стійкі суміші "досліджуваний матеріал - вода" або підтримувати постійний рівень витрати води, що значно спрощує реалізацію способу. На фіг. 1 наведено ємнісний перетворювач, заповнений досліджуваним матеріалом. На фіг. 2 показано ємнісний перетворювач із досліджуваним матеріалом, у вимірювальний простір якого уведено першу тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену 2 UA 104201 C2 5 10 15 водою. На фіг. 3 зображено ємнісний перетворювач із досліджуваним матеріалом, у вимірювальний простір якого уведено другу тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену водою. Спосіб здійснюється таким чином. Заповнивши простір ємнісного перетворювача початковим зразком досліджуваного матеріалу, отримуємо перший відлік. Розмістивши у робочому просторі ємнісного перетворювача з початковим зразком досліджуваного матеріалу першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену дистильованою водою, отримуємо другий відлік. Видаливши з простору ємнісного перетворювача з початковим зразком досліджуваного матеріалу першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом і зануривши замість неї другу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, у два рази більшим від внутрішнього об'єму першої герметичної тонкостінної капсули, також повністю заповнену водою, отримуємо третій відлік. У основу даного способу закладено ідею експериментального визначення трьох відліків вимірювання вологості, що відтворюють фрагмент статичної характеристики перетворення ємнісного перетворювача і апроксимації отриманого фрагменту статичної характеристики перетворення поліномом першого порядку за допомогою методу найменших квадратів. Таким чином, аналогічно прототипу, перший відлік можна описати поліномом першого порядку такого типу: a  b  W1  1 , 20 де a, b - коефіцієнти полінома; W1 - початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі;  1 - перший відлік (результат першого вимірювання). Аналітичний вираз для опису другого виглядає так: a  b  W2  2 , 25 де W2 - сумарне значення початкового об'ємного вмісту води в матеріалі і вмісту води у першій капсулі;  2 - другий відлік (результат другого вимірювання). Третій відлік опишемо аналогічно: a  b  W3  3 , 30 де W3 - сумарне значення початкового об'ємного вмісту води в матеріалі і вмісту води у другій капсулі;  3 - результат третього вимірювання. Утворюємо систему умовних рівнянь: a  b  W1  1, a  b  W2   2 , a  b  W3  3 , 35 Обчислюємо суми Гауса: xx 3,xy   yx  W1  W2  W3,yy  W12  W22  W32, xl  1  2  3,yl  1W1  2W2  3 W3. Формуємо систему нормальних рівнянь: a  3  b  W1  W2  W3   1  2  3 ,   2 a  W1  W2  W3   b  W12  W2  W32  1  W1  2  W2  3  W3 . Розв'язуємо цю систему методом детермінантів і знаходимо невідомі коефіцієнти 3 a і b. UA 104201 C2 D 3 W1  W2  W3 W1  W2  W3  2 W12  W2  W32 2  2  W12  2  W2  2  W32  2  W1  W2  2  W1  W3  2  W2  W3 , Da  1   2  3 W1  W2  W3 1  W1   2  W2  3  W3 2 W12  W2  W32  2   2  3   W12  1  3   W2  1   2   W32   1   2   W1  W2  1  3   W1  W3   2  3   W2  W3 , Db  3 1   2  3 W1  W2  W3 1  W1   2  W2  3  W3   21   2  3   W1  2 2  1  3   W2  23  1   2   W3 , a Da D ;b  b . D D a і b у перше рівняння системи умовних рівнянь, обчислюємо початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі W1 . Підставивши вирази для коефіцієнтів Якщо значення об'ємного вмісту вологи у капсулах відомі, математичні вирази для 5 10 коефіцієнтів a і b значно спростяться. Наприклад, вважаємо, що першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом конструктивно виготовлено так, що об'єм води, що її заповнює, займає 10 % робочого вимірювального простору ємнісного перетворювача, а об'єм води, що заповнює другу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, дорівнює 20 %. Тоді можна виразити вологість спосіб: W2 і W3 через W1 у такий W2  W1  0,1 W3  W1  0,2. , a і b: a  5W11  3   0,831  0,173  0,332, b  53  1 . Підставивши вирази для a і b у перше рівняння системи умовних рівнянь отримаємо: Запишемо вирази для W1  a 15 0,17 1  3   0,33  2 3  b , 20 де a, b - відомі масштабні коефіцієнти. Приклад реалізації способу. Спочатку ємнісний перетворювач, що складається з діелектричного корпусу 1 і двох металевих електродів 2 (фіг. 1) заповнюють досліджуваним матеріалом 3. У такому стані ємнісний перетворювач під'єднують до входів вторинного приладу 4, який здійснює 25 вимірювання діелектричної проникності досліджуваного матеріалу: 1  3,89 , тобто перший відлік; і зберігає його значення у пам'яті. Потім у робочому просторі ємнісного перетворювача посередині між металевими електродами 2 розміщують першу тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом 5, повністю заповнену водою, як показано на фіг. 2. Ємнісний перетворювач знову під'єднують до входів вторинного приладу 4 і фіксують другий відлік: 2  4,96 . Його значення також зберігається у пам'яті вторинного приладу 4. Далі з робочого простору ємнісного перетворювача видаляють першу капсулу 5 і посередині між металевими електродами 2 розміщують другу тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом 6, повністю заповнену водою, як показано на фіг. 3. Ємнісний перетворювач під'єднують до входів 30 вторинного приладу 4 і фіксують третій відлік: 3  6,31 . Його значення також зберігається. 4 UA 104201 C2 Маючи результати трьох відліків, вторинний прилад 4 обчислює значення вологості досліджуваного матеріалу згідно з виразом (1): W1  8,9 % . Перевірку працездатності способу здійснено так: брали три контрольні точки початкового 5 ; вмісту вологи дослідного зразка: W1  0; 0,1 0,2 . Дійсні значення діелектричних проникностей у обраних точках обчислювали за формулою Вінера, що визнана одною з найбільш адекватних:     3W1  W  1     H   в  2H  W1  W    в  H  , де H - діелектрична проникність досліджуваного матеріалу у зневодненому стані (у нашому випадку характеризує сорт матеріалу); 10  в - діелектрична проникність води; W1 - початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі; W - об'єм води у відповідній герметичній тонкостінній капсулі з фіксованим внутрішнім об'ємом. 15 Значення першого, другого і третього відліків обчислювались для різних значень H , тобто для матеріалів різного сорту, і за виразом (1) було обчислене початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі для умов, коли його діелектрична проникність у зневодненому стані змінюється від H  2,0 до H  3,5 . Результати розрахунків зведено у таблицю: W 0.0 0.1 0.2 20 25 30 H 2,0 0,0000 0,0920 0,1950 2,5 0,0034 0,0850 0,2000 3,0 -0,0017 0,0890 0,2034 3,5 0,0000 0,0880 0,2070 З наведених даних видно, що максимальна абсолютна похибка від зміни сорту матеріалу складає 0,012 або 1,2 %. Для аналогічних умов максимальна абсолютна похибка результату прямого вимірювання початкового значення об'ємного вмісту води в матеріалі за допомогою способу, запропонованому у прототипі, складає 6,3 %. Це дозволяє зробити висновок, що запропонований спосіб забезпечує більш ефективну компенсацію впливу зміни сорту матеріалу на результат вимірювання ніж спосіб, запропонований у прототипі, і, як наслідок, забезпечує підвищену точність вимірювання. Розмістити у робочому просторі ємнісного перетворювача герметичні капсули з водою значно простіше, ніж готувати суміш проби досліджуваного зразка з фіксованою кількістю води (другий відлік) і суміш проби, отриманої для другого відліку, з матеріалом тієї ж структури, що містить відому кількість води (третій відлік). Тому можна говорити про спрощення реалізації способу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Спосіб вимірювання вологості матеріалів, у якому початковий об'ємний вміст вологи визначають за допомогою ємнісного перетворювача шляхом отримання першого відліку з ємнісного перетворювача з початковим зразком, об'ємний вміст вологи якого підлягає визначенню, отримання другого відліку з ємнісного перетворювача з тим же зразком після фіксованої добавки у нього води, і отримання третього відліку з ємнісного перетворювача, коли у зразок для другого відліку додають той же матеріал, але з відомим значенням вологості, який відрізняється тим, що для отримання другого відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують першу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, повністю заповнену водою, для отримання третього відліку у вимірювальному просторі ємнісного перетворювача розміщують другу герметичну тонкостінну капсулу з фіксованим внутрішнім об'ємом, у два рази більшим від внутрішнього об'єму першої герметичної 5 UA 104201 C2 5 тонкостінної капсули, також повністю заповнену водою, а дійсне значення об'ємного вмісту вологи початкового зразка визначають з використанням методу найменших квадратів за відомими значеннями діелектричних проникностей трьох отриманих відліків з ємнісного перетворювача і об'ємних кількостей води всередині першої і другої герметичних тонкостінних капсул з фіксованими внутрішніми об'ємами за формулою: W1  a 0,17 1  3   0,33  2 , 3  b де 10 W1 - початкове значення об'ємного вмісту води в матеріалі; a , b - відомі масштабні коефіцієнти; 1 - результат вимірювання першого відліку;  2 - результат вимірювання другого відліку;  3 - результат вимірювання третього відліку. 6 UA 104201 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7