Електричний двопараметровий метод та реалізуючий його пристрій для контролю вологості зернистих матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Д'яченко Юрій Юрійович

УДК 621.317.39:543.712

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДВОПАРАМЕТРОВИЙ МЕТОД ТА РЕАЛІЗУЮЧИЙ ЙОГО ПРИСТРІЙ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ВОЛОГОСТІ ЗЕРНИСТИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Невзлін Борис Ісакович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, заступник завідувача кафедри електромеханіки.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Гурин Анатолій Григорович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", завідувач кафедри "Електроізоляційна та кабельна техніка"; кандидат технічних наук, доцент Мельник Сергій Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри фізики.

Провідна установа:Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ.

Захист відбудеться: "14" лютого 2002 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут", за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "12" січня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена необхідністю підвищення точності контролю вологості як одного з шляхів підвищення якості і зниження втрат продукції, ощадливого використання енергоресурсів при виробництві, зберіганні та реалізації зерна. Мобільні оперативні прилади контролю вологості створюються на базі високочастотного (ВЧ) методу. Значний вклад в дослідження властивостей діелектричних середовищ, зокрема, зернистих матеріалів (ЗМ), таких як зерно, та розробку приладів неруйнівного контролю, зокрема, вологомірів внесли такі видатні вчені, як М.А. Берлінер, Ю.П. Секанов, Є.С. Кричевський, В.С. Ройфе, А.В. Ликов, С.І. Пятін, Ю.О. Скрипник, Б.І. Невзлін, В.П. Осадчий, П.М. Платонов, С.М. Маєвський, Ю.П. Ємець, М.Д. Кошовий, А.Г. Гурин. Одним з напрямів підвищення точності контролю вологості ВЧ вологомірами є уточнення моделі ЗМ, яка була б адекватна реальним матеріалам. У цьому зв'язку аналітичний опис електричних властивостей ЗМ, що складається з частинок несферичної форми, розробка алгоритму розрахунку вологості з підвищеною точністю і побудова на його основі функціональної схеми вологоміра є актуальною задачею, вирішенню якої присвячена дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до тем держбюджетних НДР Східноукраїнського національного університету (Східноукраїнського державного університету, СУДУ до 2000 р.) ДН-110-95 "Розвиток теорії розрахунку електромагнітних полів і контролю сипучих матеріалів і технологічних потоків", наказ по СУДУ № 19/01 від 10 січня 1995 р. і ДН-39-98 "Теорія взаємодії електромагнітного поля з діелектричними і феромагнітними середовищами", наказ по СУДУ № 39-01 від 31 січня 1998 р., у яких автор брав участь на посаді молодшого наукового співробітника.

Мета і задачі роботи. Метою дослідження є підвищення точності контролю вологості ЗМ ВЧ методом шляхом розробки моделі електричних властивостей, побудови алгоритму визначення вологості ЗМ і, відповідно до нього, функціональної схеми вологоміра на основі розрахунку електричного поля за допомогою методів ділянок, конформного відображення і теорії протікання, аналізу електричних властивостей реальних ЗМ на мікро- і макрорівні за експериментальними даними за допомогою теорії електромагнітного інваріанта.

Відповідно до мети дослідження в роботі вирішені такі основні задачі:

-визначити найбільш прийнятний для умов контролю та матеріалів, вологість яких визначається, метод контролю вологості; обґрунтувати доцільність розробки алгоритму підвищення точності контролю вологості;

-вивести формули для розрахунку частотних залежностей електричних параметрів матеріалу частинки ЗМ за експериментальними даними;

-одержати вирази для опису поля в частинці та міжчастинковому просторі ЗМ;

-розробити математичну модель ЗМ із частинками у формі еліпсоїдів обертання у ВЧ електричному полі;

-одержати аналітичні формули для розрахунку локальних електричних параметрів ЗМ;

-провести дослідження частотно-вологостних характеристик зерна;

-розробити алгоритм розрахунку вологості ЗМ із підвищеною точністю на підставі електричних характеристик вимірювального перетворювача (ВП) із ЗМ;

-перевірити розроблений алгоритм на зерні, указати шляхи підвищення точності контролю;

-розробити функціональну схему вологоміра на основі отриманого алгоритму.

Об'єкт дослідження: взаємодія зерна з ВЧ електричним полем.

Предмет дослідження: зв'язок електричних властивостей зерна в ВЧ діапазоні з його вологістю.

Методи дослідження базуються на положеннях теорії електромагнітного поля, теорії діелектриків, теорії протікання, теорії рядів, функцій комплексного перемінного, теорії електричних кіл, теорії інтегральних і диференціальних числень, теорії похибок й апарату спеціальних функцій. електричний зерно вологість

Наукова новизна одержаних результатів:

1.Отримано аналітичні залежності для розрахунку діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат ЗМ, який складається з часток у формі еліпсоїдів обертання, на відміну від існуючих лише для сферичних часток, при різній щільності упакування.

2.Доведено до аналітичного рішення метод розрахунку електричних параметрів часток і міжчастинкового простору ЗМ лише на підставі результатів вимірів ємності й активної провідності ЗМ на двох частотах електричного поля без безпосередніх вимірів локальних електричних параметрів.

3.Обрано локальні параметри: ємність частинки, яка в означених діапазонах частот електричного поля корелює з вологістю ЗМ і ємність міжчастинкового простору, яка в означених діапазонах частот електричного поля корелює з густиною ЗМ у широкому діапазоні вологості, на відміну від інтегральних параметрів ЗМ, які використовуються для визначення вологості в існуючих вологомірах та гірше корелюють з вологістю ЗМ.

Практичне значення одержаних результатів:

-визначено частоти електричного поля, на яких виміри активної провідності і ємності ЗМ дозволяють розраховувати локальні електричні параметри ЗМ, що якнайкраще корелюють з його вологістю і густиною;

-розроблено і реалізовано у виді комп'ютерної програми алгоритм розрахунку вологості за ємністю і тангенсом кута діелектричних втрат ЗМ, що дозволяє розраховувати вологість з більшою точністю у порівнянні з існуючими алгоритмами;

-розроблено функціональну схему вологоміра, реалізація якої дозволяє підвищити точність вимірювань вологості у порівнянні з наявними вологомірами.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати отримані автором самостійно. У публікаціях автору належать: у [1] - вивід формул для розрахунку електропровідності часток ЗМ при упакуванні в кубічну решітку; у [3] - перевірка отриманих формул; у [5] - одержання формул для розрахунку опору зони контакту частинки ЗМ; у [6] - розрахунок і аналіз локальних електричних властивостей зернистих матеріалів; у [7] - одержання формул для розрахунку активного опору і ємності частинки ЗМ; у [8] - аналіз застосовності методів розрахунку електричного поля до його обчислення в ЗМ; у [9] - розрахунок електричних параметрів часток і міжчастинкового простору вугілля на підставі експериментальних даних і вибір величин, які корелюють з абсолютною вологістю і густиною ЗМ.

Апробація роботи. Основні положення дисертації й окремих розділів доповідалися, обговорювалися й одержали схвалення фахівців на:

-Семинаре-выставке "Современные методы и средства неразрушающего контроля, технической и медицинской диагностики, экологического мониторинга", Алушта, 1997;

-1998 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Международная конференция "Математические методы в теории электромагнетизма" - 1998), Харків, 1998;

-3-й Міжнародній науково-технічній конференції "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці", Львів, 1999.

Публікації: Основний зміст, наукові положення та результати дисертації опубліковані в 9 друкованих працях, у тому числі: 6 статей у фахових наукових виданнях (з них 4 - у співавторстві, 2 - одноособові) і 3 матеріали науково-технічних конференцій і семінарів.

Впровадження. Результати роботи (аналіз електричних властивостей матеріалу часток і міжчастинкового простору, методики і програми розрахунку вологості ЗМ) впроваджені в навчальний процес на кафедрі електромеханіки Східноукраїнського національного університету в курсах "Електричні виміри неелектричних величин" і "Спеціальні електричні апарати", а також передані для використання і впровадження в інститут "Укрндівуглезбагачення" (м. Луганськ).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг дисертації - 168 сторінок: 57 ілюстрацій (55 по тексту та 2 окремо на 2 сторінках), 7 таблиць (5 по тексту й 2 окремо на 2 сторінках), 4 додатка на 22 сторінках і список використаних літературних джерел з 108 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступній частині обґрунтована актуальність теми дисертації, розробки методів і приладів контролю вологості ЗМ, окреслені перешкоди до підвищення точності контролю вологості, дана мета дисертаційної роботи і поставлені основні задачі досліджень, розглянуті наукова новизна і практична значимість результатів роботи.

У першому розділі розглянуті результати експериментальних досліджень ЗМ. Накопичені знання про діелектричні властивості зерна охоплюють широкі діапазони частот і вмісту вологи. Відзначено, що головною задачею теорії електричних методів є створення достатньо точних математичних моделей вологого матеріалу, що описують залежності електричних властивостей матеріалу від його вологості та інших параметрів. Такі моделі необхідні для аналізу і синтезу вологомірів і, найголовніше, для переходу від емпіричних методів градуювання і розрахунку цих приладів до строгих математичних. Проаналізовано аналітичні моделі діелектричних властивостей дисперсних вологовмістних тіл. На основі аналізу існуючих електричних методів обраний ВЧ метод, як такий, що дозволяє створювати більш прості за конструкцією прилади, показання яких менше залежать від хімічного складу і температури в порівнянні з приладами, що працюють на основі кондуктометричного і надвисокочастотного методу. Обрано багатопараметровий метод контролю вологості ЗМ, що дозволяє знизити вплив завад на результат контролю.

У другому розділі розглянуті способи і методи розрахунку електричного поля, їх достоїнства і недоліки, обрані метод ділянок, метод конформного відображення і теорія протікання для розрахунку електричного поля в ЗМ.

Розрахунок електричних параметрів зерна є дуже складною задачею в силу різноманіття форм часток ЗМ і складної структури суміші. Тому в розрахунках розглядається ідеалізоване сипуче середовище, частинки якого мають однакові розміри і форму еліпсоїдів обертання, становлять упорядковану структуру, складаються з матеріалу з однорідними по перерізу електричними властивостями, і знаходяться в однорідному електричному полі. Надалі таке середовище називається ЗМ.

Обґрунтовано необхідність поділу частинки ЗМ на дві зони і роздільного розрахунку поля в кожній з них. Одержання аналітичного виразу для повної провідності частинки при наявних крайових умовах шляхом рішення рівняння Лапласа дуже утруднено. Тому частинка ЗМ, що знаходиться в однорідному електричному полі , розбита на зони з однорідними фізичними умовами і картинами протікання струму: зону контакту (зона 2), в якій відбувається розтікання струму від площадки контактування і зону провідності (зона 1), у якій протікає струм між зонами контакту. Такий поділ доцільний в силу значного розходження властивостей тіла частинки (які практично тотожні властивостям матеріалу частинки), що описуються параметрами зони провідності; властивостей контактної площадки, обумовлених мікрогеометрією контакту, стягуванням ліній струму і властивостей міжчастинкового простору, що значно залежать від густини ЗМ і описуються параметрами зони контакту.

Частинки деяких реальних ЗМ мають форму, відмінну від сферичної. Насіння злакових (пшениця, жито та ін.) близьке до еліпсоїда обертання. Тому прийнята еліпсоїдальна форма частинки ЗМ з однією піввіссю a і двома рівними півосями b. При розрахунку параметрів однієї частинки із симетричним розташуванням відносно силових ліній електричного поля піввісь a паралельна силовим лініям електричного поля.

Для спрощення граничних умов при розрахунку опору і ємності зон, границя між зонами повинна збігатися з еквіпотенціальною поверхнею. Форма останньої знайдена з наступних допущень: питомий активний опір середовища між частинками значно більше питомого активного опору матеріалу частинки; діелектрична проникність середовища між частинками менше такої для матеріалу частинки; розміром контактної площадки в порівнянні з розмірами частинки можна зневажити. У силу цього картина поля в 2-й зоні подібна картині розтікання струму від точкового контакту. У цьому випадку силові лінії є променями, що виходять із точки контакту, а еквіпотенціалі і співпадаюча з однією з них межа між 1-ю і 2-ю зонами мають форму фрагментів сфери.

Виходячи з вищевикладеного, приймаємо межу розділу між зонами у вигляді фрагмента сфери, таким чином, половина зони контакту має форму сочевиці і складається із сегмента кулі (зона 2.1) і сегмента тіла, обмеженого еліпсоїдом обертання (зона 2.2).

Розраховано геометричні параметри зон частинки в залежності від співвідношення півосей частинки шляхом рішення рівняння

(1)

у випадку кубічного упакування часток або

(2)

при гексагональному щільному упакуванні,

де .

У третьому розділі отримані формули для розрахунку електричних параметрів об'єму ЗМ за геометричними характеристиками часток і електричних властивостей матеріалу часток.

Активний опір зони провідності, знайдений за допомогою конформного відображення (при ):

.(3)

Активний опір зони провідності, знайдений за допомогою методу ділянок:

при

(4)

при

(5)

при

,(6)

де ;

rm - питомий опір матеріалу частинки;

a/bcr - граничне для обраної форми зон співвідношення півосей.

Активний опір зони контакту:

(7)

де .

Ємність між поверхнями зон контакту однієї частинки:

,(8)

де em - відносна діелектрична проникність матеріалу частинки.

Ємність між поверхнями зони контакту сусідніх часток за винятком ємності стягування площадки контактування:

,(9)

де ee - відносна діелектрична проникність середовища між частинками;

Hmax - максимальна висота мікронерівностей на поверхні частинки;

m - відносний (щодо півосі b) радіус контактної площадки в місці стику частинок, ;

c - радіус контактної площадки в місці стику частинок.

Активний опір середовища між частинками;

,(10)

де re - питомий опір середовища між частинками.

Ємність стягування площадки контактування:

.(11)

Активний опір стягування площадки контактування:

.(12)

Аналогічно розраховані параметри для несиметричного розташування часток ЗМ щодо силових ліній електричного поля, в разі, коли еквіпотенціальні поверхні перетинають поверхні часток по еліпсах, а не по колах, як при симетричному розташуванні:

,(13)

де Rґ1 обчислюється за (4), (5) або (6), заміняючи a/b на b/a;

,(14)

де Rґ2 обчислюється за (7), замінюючи a/b на b/a;

;(15)

;(16)

, , .(17)

Відносна діелектрична проникність та питомий опір вологого матеріалу частинки, відповідно:

(18)

(19)

де ;

em0, emҐ - відносна діелектрична проникність матеріалу частинки на постійному струмі та нескінченній частоті;

rm0, rmҐ - питомий опір матеріалу частинки на постійному струмі та нескінченній частоті;

w - кутова частота електричного поля.

Величини em0, emҐ, rm0, rmҐ можуть бути отримані за експериментальними залежностями em та rm від частоти f.

Припускаємо, що emҐ від вологості не залежить, є характеристикою ЗМ без води й може бути визначена експериментально. Для визначення трьох невідомих величин em0, rm0, rmҐ необхідні значення em(f1), rm(f1), rm(f2), де f1 та f2 - частоти електричного поля, на яких проводяться виміри. В результаті розрахунків одержуємо, що

;(20)

;(21)

де w1 = 2pf1;

w2 = 2pf2;

.(22)

На частотах до 10 МГц похибка від припущень при виведенні формул не перевищує похибки експериментального визначення em0, rm0, rmҐ.

Винайдено вирази для визначення похибок знаходження питомого опору матеріалу частинки на постійному струмі та нескінченній частоті:

(23)

(24)

Підставляючи величини складових (23)-(24), знаходимо, що похибка знаходження rm0 дорівнює похибці вимірювання аргументів (22) (за умови рівності величин похибок аргументів), а похибка визначення rmҐ втричі перевищує похибку вимірювання аргументів (21) (також за умови рівності величин похибок аргументів).

Активна і реактивна (ємнісна) провідності частки

(25)

де активна провідність зони провідності ;

активна провідність зони контакту ;

реактивна провідність зони провідності ;

реактивна провідність зони контакту .

За цими ж формулами, підставляючи в них провідності для зон при несиметричному розташуванні, розраховуються gns, вns для несиметричного розташування частинки ЗМ.

Відповідно до теорії протікання, величина критичного індексу електропровідності (показника степеня в залежності провідності від відносного об'єму, зайнятого частинками) складає 2,00. Моделюючи реальний ЗМ із хаотичним розташуванням часток за допомогою моделі квазіхаотичного розміщення, і розглядаючи упакування з координаційним числом від 6 до 12, знаходимо активну провідність об'єму ЗМ у залежності від відношення густини ЗМ до густини матеріалу частинки r/r0 (тобто відносного об'єму, зайнятого частинками)

(26)

і, аналогічно, реактивну провідність об'єму ЗМ

.(27)

Отримані вирази дозволяють розрахувати діелектричну проникність і тангенс кута діелектричних втрат об'єму ЗМ із частинками, які мають форму, близьку до еліпсоїда обертання. Для зерна пшениці похибка моделювання електричних властивостей у порівнянні з існуючою теорією, що використовує тільки сферичну форму часток, у 1,4 рази менше для діелектричної проникності й у 1,1 рази менше для тангенса кута діелектричних втрат у діапазоні частот електричного поля 1-100 МГц і вологості 7,3-20,1 %.

У четвертому розділі розглянуто одержання електричних характеристик зон частинки за результатами вимірів активної провідності і ємності об'єму ЗМ.

Розрахунок проведений на підставі теорії електромагнітного інваріанта, розробленої Б.І. Невзліним.

Отримано аналітичні залежності, які зв'язують електричні властивості об'єму ЗМ, параметри проміжної схеми заміщення ЗМ, складеної Б.І. Невзліним і схеми заміщення частинки ЗМ по зонах.

Отримано аналітичні залежності, які зв'язують ємність CO1 і CO2 і активну провідність gО1 і gО2 об'єму ЗМ на двох частотах електричного поля w1 і w2 з параметрами проміжної схеми заміщення і схеми заміщення по зонах:

, (28)

,(29)

де ,

.

Оцінка систематичної похибки результатів непрямих вимірів локальних параметрів ЗМ показує збільшення у 2,4 рази похибки визначення ємності першої зони C1 порівняно з похибкою вимірювань ємності об'єму ЗМ.

Перевірка отриманих виразів проведена для пшениці шляхом розрахунку електричних параметрів об'єму ЗМ за формулами розд. 3, розрахунку параметрів зон частинки за формулами розд. 4, і на їхній основі - удруге розраховані електричні параметри об'єму ЗМ, а за ними - вдруге розраховані параметри зон частинки. Розбіжність не перевищила 10-8 в.о.

На підставі отриманих формул розраховані залежності активної провідності і ємності зон частинки від вологості і частоти електричного поля для зерна, вугілля, ґрунту і піску. Установлено, що залежності активної провідності і ємності зони провідності (тіла частинки) близькі до залежностей для матеріалу частинки.

У п'ятому розділі представлені результати аналізу залежностей локальних параметрів ЗМ від частоти, вологості і густини для різних ЗМ. Логарифм ємності тіла частинки lg(C1) має найбільший порівняно з іншими параметрами коефіцієнт кореляції (що дорівнює для зерна 0,996) із вологістю, лінійно залежить від вологості W і не залежить від густини ЗМ. Коефіцієнти a і b лінійної функції, що описує залежність логарифма ємності тіла частинки C1 від вологості W лінійно залежать від ємності міжчастинкового простору C2. Ємність міжчастинкового простору C2 на означених частотах електричного поля не залежить від вологості W (коефіцієнт кореляції складає 0,02) і характеризує густину ЗМ (коефіцієнт кореляції складає 0,90). На основі отриманих висновків розроблений алгоритм розрахунку вологості ЗМ.

I. При конструюванні і градуюванні приладу.

1. Визначаються ємність і активна провідність ВП із ЗМ CO, gO на всьому діапазоні робочих частот приладу.

2. Розраховуються проміжні параметри схеми заміщення ЗМ C3, C4, g3, g4 на всьому діапазоні робочих частот приладу.

3. Обчислюються локальні параметри: активна провідність частинки ЗМ g1, ємність частинки C1 і міжчастинкового простору C2 на всьому діапазоні робочих частот приладу.

4. На підставі залежності tgd = f(f) вибирається індивідуальна для матеріалу пара частот f1 і f2, на яких g1 найменше впливає на C1 і C2.

5. За залежностями W = f(C1, C2) розраховуються індивідуальні для матеріалу коефіцієнти ka1, ka2, kb1, kb2, що описують залежність коефіцієнтів функції

(30)

від ємності міжчастинкового простору C2:

,(31)

.(32)

II. При контролі вологості.

6. Вимірюються ємність і активна провідність ВП зі ЗМ CO1, CO2, gO1, gO2 на частотах f1 і f2.

7. Розраховуються проміжні параметри схеми заміщення ЗМ C3, C4, g3, g4 на частотах f1 і f2.

8. Обчислюються локальні параметри: активна провідність частинки ЗМ g1, ємність частинки C1 і міжчастинкового простору C2 на частотах f1 і f2.

9. Визначаються за (31) і (32) мультиплікативний a і адитивний b коефіцієнти градуювальної характеристики (30), що залежать від матеріалу і його густини.

10. За величиною C1, яка визначена на обраних частотах, розраховується за (30) вологість матеріалу.

Запропонований алгоритм перевірений на зерні, ґрунті і вугіллі. Його використання дозволяє значно знизити вплив густини зразка ЗМ у ВП на результат контролю вологості за рахунок визначення коефіцієнтів градуювальної характеристики за величиною ємності між частинками, яка практично не залежить від вологості, але має добру кореляцію з густиною ЗМ. Розрахунок вологості за параметрами зон частинки дозволяє одержати на 0,1-0,2 % меншу похибку розрахунку вологості в порівнянні з розрахунком за параметрами об'єму ЗМ.

Для реалізації запропонованого алгоритму розрахунку вологості необхідне застосування двочастотного методу контролю. Вологомір, що розробляється, є багатопараметричною системою, що вимірює ємність та активну провідність ВП із ЗМ на двох частотах електричного поля, тому використовується два паралельні вимірювальних канали. Для виміру електричних параметрів ЗМ необхідний вимірювальний перетворювач вологості ВП, який виконується у вигляді конденсатора особливої конструкції. Вимірювальні мости ВМ1 і ВМ2 живляться від генераторів Г1 і Г2 і впливають на ЗМ, що розміщений у ВП. Генератори являють собою джерела ВЧ напруги на транзисторі і LC контурі. Частота генераторів вибирається відповідно до матеріалу, що контролюється. У якості ВМ застосовуються діодноємнісні мости (ДЄМ). При підключенні ВП із ЗМ до вимірювальних пліч діодноємнісних мостів на виході ВМ1 і ВМ2 з'являються сигнали постійного струму, пропорційні провідності ВП на частотах f1 і f2.

Вхідними сигналами ВП ai1, ai2 є інтегральна активна і реактивна провідності ЗМ, а вихідними - активна і реактивна провідності a11, a12 ВП на відповідних частотах. Величини цих провідностей вимірюються ВМ1 і ВМ2, вихідними сигналами яких є напруги постійного струму x11 і x12, пропорційні ємнісній й активній провідності. Вузли уніфікації ВУ1 і ВУ2 перетворюють величини сигналів у зручні для порівняння x21 і x22. Аналогово-цифрові перетворювачі АЦП1 і АЦП2 перетворюють аналогові сигнали в цифровий код d11 і d12. Частота дискретизації вибирається як компроміс між похибкою дискретизації і вартістю АЦП. Пристрій сполучення ПС перетворить параметри сигналів d21 і d22 для введення в ПК. ПС підключається через один з інтерфейсів ПК, забезпечуючи інформаційну й електричну сумісність АЦП і ПК. Збільшено ПК складається з пристрою введення ПВв, процесора ЦПП, пам'яті ЗП, і пристрою виведення ПВ. ПК здійснює: розрахунок величини вологості за програмою, яка складена на основі алгоритму; керування калібруванням; самодіагностику; керування зовнішніми відображаючими пристроями.

Інформація про вологість d3 і d4 надходить як відеосигнали на пристрій відображення ПВ і як керуючі впливи на вхід пристрою керування і регулювання ПКР. Останній разом з оператором здійснює керування технологічним процесом, у якому бере участь ЗМ. Оператор здійснює керування самодіагностикою приладу, вибір градуювальної характеристики. Контроль справності високочастотного блоку здійснюється вузлом контролю ВК. Для визначення справності генераторів і мостів ВП відключається від ВМ, замість нього підключається еталонний конденсатор. За сигналами, які надходять з мостів, визначається справність вузлів схеми. Живлення елементів схеми здійснюється за допомогою блоку живлення БЖ (на схемі не показаний).

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача по вдосконаленню методів контролю вологості ЗМ із метою підвищення їх точності.

Основні висновки і результати.

1. Існуючі ВЧ вологоміри зерна контролюють вологість за електричними властивостями об'єму ЗМ без виділення параметрів матеріалу часток і міжчастинкового простору, при цьому порядок похибки контролю складає 1 % вологості.

2. Виведено формули, які дозволяють за залежностями діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат матеріалу частинки ЗМ побудувати частотні характеристики його електричних параметрів.

3. Отримано вирази для розрахунку діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат об'єму ЗМ із частинками у формі еліпсоїдів обертання в залежності від густини ЗМ, частоти зовнішнього електричного поля і характеристик матеріалу часток ЗМ дозволяють для зерна одержати в 1,4 рази меншу похибку в описі частотної залежності діелектричної проникності в порівнянні з існуючою теорією, яка використовує тільки сферичну форму часток й у 1,1 рази меншу похибку - в описі частотної залежності тангенса кута діелектричних втрат.

4. Отримано аналітичні вирази, які дозволяють розрахувати частотно-вологостні залежності електричних властивостей тіла частинки і міжчастинкового простору за параметрами об'єму ЗМ. Перевірка отриманих формул на реальному ЗМ показує коректність і однозначність рішень.

6. Залежності електричних параметрів тіла частинки від частоти електричного поля і вологості аналогічні таким для матеріалу частинки, що дозволяє використовувати їх для більш точного, ніж на підставі ємності об'єму ЗМ, способу визначення вологості.

7. Серед електричних параметрів ЗМ та частинок, найкращий коефіцієнт кореляції з вологістю зерна, який дорівнює 0,996, має ємність частинки. Ємність міжчасткового простору добре корелює із густиною (коефіцієнт кореляції - 0,90) і за відсутності вільної води між частинками практично не залежить (коефіцієнт кореляції - 0,02) від вологості ЗМ. Отримані результати дозволяють знизити вплив густини ЗМ на результат контролю вологості за рахунок обробки сигналу.

8. Розроблено алгоритм визначення вологості зерна, на його базі побудовано функціональну схему приладу контролю вологості. Експериментальне моделювання роботи вологоміра показало зменшення похибки контролю на 0,2 % у порівнянні з традиційним способом - за інтегральними параметрами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Невзлин Б.И., Дьяченко Ю.Ю. Расчет электропроводности зернистого сыпучего материала при кубической упаковке // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 1997. - № 4. - С. 244-252.

2. Дьяченко Ю.Ю. Применение конформного отображения к расчету сопротивления частицы зернистого материала // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 1998. - № 3. - С. 124-128.

3. Невзлин Б.И., Дьяченко Ю.Ю., Сырцов А.И. Алгоритм определения параметров четырехэлементной RC модели зернистого материала // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 1998. - № 4. - С. 64-66.

4. Дьяченко Ю.Ю. Расчет электрофизических параметров зернистого материала // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 1998. - № 5. - С. 147-150.

5. Nevzlin B.I., Dyachenko Yu.Yu. Calculation of Electric Field in Granular Material // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Проблеми сучасної електротехніки. Частина 4. - 2000. - С. 3-6.

6. Невзлин Б.И., Дьяченко Ю.Ю. Расчет локальных электрических свойств зернистых материалов по экспериментальным данным // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 2000. - Вып. 128. - С. 143-147.

7. Невзлин Б.И., Дьяченко Ю.Ю. Расчет электропроводности зернистого сыпучего материала // Современные методы и средства неразрушающего контроля, технической и медицинской диагностики, экологического мониторинга. Материалы семинара-выставки. - Киев, 1997. - С. 29.

8. Nevzlin B.I., Dyachenko Y.Y. Analysis of Methods of Calculation of Electric Field in Granular Material // 1998 International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory. Conference Proceedings. Vol. 1. - Kharkov, 1998. - P. 234-236.

9. Невзлин Б.И., Дьяченко Ю.Ю., Половинка Д.В. Математическое моделирование электрофизических свойств зернистого материала с использованием электромагнитного инварианта // 3-я Міжнародна науково-технічна конференція "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці". Тези доповідей. - Львів, 1999. - С. 191-192.

АНОТАЦІЇ

Д'яченко Ю.Ю. Електричний двопараметровий метод та реалізуючий його пристрій для контролю вологості зернистих матеріалів - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням дослідження та розробки двопараметрових електричних методів та реалізуючих їх пристроїв для контролю вологості таких зернистих матеріалів (ЗМ) як зерно. Виведені формули для розрахунку частотних залежностей електричних параметрів матеріалу частинки ЗМ за експериментальними даними. Отримані вирази для розрахунку електричних параметрів об'єму ЗМ, що складається з частинок у формі еліпсоїдів обертання та для розрахунку активної та реактивної провідності частинки та міжчастинкового простору ЗМ за параметрами об'єму ЗМ. Обрані електричні параметри ЗМ, що якнайкраще корелюють з абсолютною вологістю та густиною ЗМ. На підставі проведених досліджень розроблений алгоритм розрахунку вологості ЗМ за ємністю та активною провідністю вимірювального перетворювача із ЗМ. Запропонована функціональна схема вологоміра. Проведені дослідження, які підтверджують отримані результати.

Ключові слова: вологомір, електричний метод, зернистий матеріал, ємність, активна провідність.

Дьяченко Ю.Ю. Электрический двухпараметровый метод и реализующее его устройство для контроля влажности зернистых материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам исследования и разработки двухпараметровых электрических методов и реализующих их устройств для контроля влажности таких зернистых материалов (ЗМ) как зерно.

Повышение точности контроля влажности позволит снизить потери и повысить качество зерна.

Проведено сравнение методов контроля влажности ЗМ. Анализ электрических методов контроля влажности показывает целесообразность использования ВЧ влагомеров для оперативного контроля влажности зерна в силу меньшей зависимости показаний от химического состава и температуры, простоты конструкции по сравнению с кондуктометрическими и сверхвысокочастотными влагомерами.

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований ЗМ. Проанализированы существующие модели электрических свойств ЗМ. Целью исследований выбрано повышение точности контроля влажности ЗМ высокочастотным методом путем разработки модели электрических свойств, построения алгоритма определения влажности ЗМ и, в соответствии с ним, функциональной схемы влагомера на основе расчета электрического поля с помощью методов участков, конформного отображения и теории протекания, теории возмущений и анализа электрических свойств реальных ЗМ на микро- и макроуровне по экспериментальным данным с помощью теории электромагнитного инварианта.

Получены формулы для расчета частотных зависимостей электрических параметров материала частицы ЗМ по экспериментальным данным.

Повышение точности контроля влажности возможно за счет использования при определении влажности выражений, позволяющих описывать электрические свойства частиц ЗМ и межчастичного пространства раздельно.

Для этого проведены расчет электрического поля в частице ЗМ с помощью методов участков, конформного отображения и Ротерса и сравнение результатов расчетов. Методом участков рассчитаны элементы схемы замещения частицы ЗМ и межчастичного пространства. Получены выражения для расчета электрических параметров: диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь объема зернистого материала, состоящего из частиц в форме эллипсоидов вращения. Рассмотрены различные случаи упаковки частиц и зависимость электрических параметров от плотности ЗМ. Смоделирована хаотичность расположения частиц в реальном ЗМ.

Для зерна пшеницы погрешность моделирования электрических свойств по сравнению с существующей теорией, использующей только сферическую форму частиц, в 1,4 раза меньше для диэлектрической проницаемости и в 1,1 раза меньше для тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот электрического поля 1-100 МГц и влажности 7,3-20,1 %.

Получены аналитические зависимости для расчета активной и реактивной проводимости частицы и межчастичного пространства ЗМ по параметрам объема ЗМ. На основании полученных формул рассчитаны зависимости активной проводимости и емкости зон частицы от влажности и частоты электрического поля для зерна, угля, почвы и песка. Установлено, что зависимости активной проводимости и емкости зоны проводимости (тела частицы) близки к зависимостям для материала частицы. Анализ зависимостей емкости межчастичного пространства дает возможность определить появление свободной воды. Логарифм емкости тела частицы lg(C1) по сравнению с другими электрическими свойствами частицы, межчастичного пространства и объема ЗМ наилучшим образом коррелирует с влажностью W (коэффициент корреляции для зерна - 0,996) и не зависит от плотности ЗМ. Коэффициенты a и b линейной функции, описывающей зависимость логарифма емкости тела частицы C1 от влажности W линейно зависят от емкости межчастичного пространства C2 и не зависят от плотности ЗМ. Емкость межчастичного пространства C2 не зависит от влажности W (коэффициент корреляции - 0,02) и характеризует плотность ЗМ (коэффициент корреляции - 0,90). На основе полученных выводов разработан алгоритм расчета влажности ЗМ.

Предложенный алгоритм с помощью экспериментальной установки проверен на зерне и песке. Его использование позволяет значительно снизить влияние плотности образца ЗМ на результат контроля влажности за счет определения коэффициентов градуировочной характеристики по величине емкости между частицами, которая практически не зависит от влажности, но имеет хорошую корреляцию с плотностью ЗМ. Расчет влажности по параметрам зон частицы позволяет снизить погрешность на 0,1-0,2 % по сравнению с расчетом по параметрам объема ЗМ.

Предложена функциональная схема влагомера с персональным компьютером.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются в работе НИИ.

Ключевые слова: влагомер, электрический метод, зернистый материал, емкость, активная проводимость.

Dyachenko Y.Y. Electrical two-parameter method and device, implementing it for moisture testing of granular materials. - Manuscript.

Thesis on competition of candidate of engineering science scientific degree on speciality 05.11.13 - devices and methods of testing and determination of materials composition. - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2001.

Thesis is devoted to problems of research and development of two-parameter electrical methods and devices, implementing them for testing of moisture of such granular materials (GM) as a grain. Formulae for calculation of frequency dependencies of particle GM material electrical parameters on experimental data are obtained. Expressions for calculation of electrical parameters of volume GM, consisting from particles in the shape of ellipsoids of revolution and for calculation of conductance and susceptance of particles and interparticle space of GM on parameters of GM volume are obtained. Electrical parameters of GM, in the best way correlating with absolute moisture and density of GM are chosen. On the basis of the carried out researches the algorithm of calculation of GM moisture on capacity and conductance of gauge with GM designed. Functional scheme of moisturemeter is offered. Experimental researches confirming obtained outcomes are carried out.

Keywords: moisturemeter, electrical method, granular material, capacity, susceptance.

Размещено на Allbest.ru

...