Дистанционная идентификация сыпучих веществ в закрытых диэлектрических емкостях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»

Дистанционная идентификация сыпучих веществ в закрытых диэлектрических емкостях

Лошицкий П.П., Устенко К.С.

Аннотация

Рассматриваются методика и измерительная установка для дистанционной идентификации сыпучих веществ, помещенных в закрытых диэлектрических емкостях (таре), препятствующей доступу к этим веществам для непосредственного измерения их параметров. Измерение параметров сыпучих веществ осуществляется косвенно через определение флуктуаций дифференциальной температуры дистиллированной воды (промежуточной среды), в которую погружены емкости с исследуемыми сыпучими веществами. Методика измерений основывается на флуктуационно-диссипативной теореме, где учитывается принцип (теорема) Онсагера, согласно которому как малое отклонение системы от термодинамического равновесия, вызванное внешней силой, так и флуктуации релаксируют к равновесию одинаковым образом. В качестве внешней силы, влияющей на среду (дистиллированную воду), используются тепловые излучения исследуемых сыпучих веществ.

Ключевые слова: коэффициент Фурье, дифференциальная температура, угол скоса, дисперсия, сыпучесть.

Loshitskiy Pavlo, Ustenko Kyrylo

National Technical University of Ukraine

“Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

REMOTE IDENTIFICATION OF BULK MATERIALS IN CLOSED DIELECTRIC VESSELS

Summary. A technique and a measuring device for the remote identification of bulk substances placed in closed dielectric containers (containers), which prevent access to these substances for direct measurement of their parameters, are considered. The measurement of the parameters of bulk solids is carried out indirectly by determining the fluctuations in the differential temperature of distilled water (intermediate medium), in which the containers with the bulk solids under study are immersed. The measurement technique is based on the fluctuation-dissipation theorem, which establishes a relationship between the spectrum of fluctuations of physical quantities in an equilibrium dissipative medium and the parameters characterizing the reaction of this medium to external influences. This takes into account Onsager's principle (theorem), according to which both a small deviation of the system from thermodynamic equilibrium caused by an external force and fluctuations relax to equilibrium in the same way. As an external force acting on the environment (distilled water), the thermal radiation of the investigated bulk substances is used. To increase the sensitivity (contrast) of the technique, "backlighting" is used -- broadband noise radiation of non-thermal intensity. The obtained experimental values of differential temperature fluctuations for various bulk materials are difficult to compare directly due to small differences, therefore, the dispersion values and the Fourier transform coefficients for each of these values were determined. Comparison of the dispersion values and the Fourier transform coefficients makes it possible to visually distinguish both each of the bulk substances and mixtures of such substances. The identification of free-flowing substances is carried out by comparing the obtained data of the investigated substance with the data library for known substances ("standards"), obtained on one measuring device under the same conditions. The use of additional external "illumination" makes it possible to distinguish substances that have close physicochemical values of the parameters.

Keywords: Fourier coefficient, differential temperature, bevel angle, dispersion, flowability.

Постановка проблемы. В настоящее время большое внимание уделяется изучению неупорядоченных систем, то есть конденсированных макроскопических систем, в которых отсутствует дальний порядок в расположении частиц, но при этом ближний порядок может сохраняться. Поэтому неупорядоченные системы обладают свойством пространственной однородности в среднем и отсутствием корреляции между значениями величин, характеризующих неупорядоченность системы, в достаточно удаленных друг от друга точках, что приводит к самоусреднению удельных экстенсивных величин. К таким системам относятся практически все реальные материалы за исключением идеальных кристаллов [1].

Анализ последних исследований и публикаций. В работах [2; 3] показана принципиальная возможность дистанционно идентифицировать различные жидкости, в том числе, взрывоопасные, находящиеся в закрытых диэлектрических емкостях (таре), методом измерения и обработки значений величин флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды (дистиллированной воды), в которую помещается емкость с исследуемым раствором. В том случае, когда исследуемым объектом является жидкость в диэлектрической таре, то ее влияние на промежуточную среду определяется структурными волнами, проходящими через диэлектрическую преграду [4]. Поэтому представляет интерес выяснение возможности дистанционного определения и идентификации этим же методом различных сыпучих материалов, в том числе, и пищевых продуктов.

Известно, что любые материальные объекты окружены флуктуирующими электромагнитными полями, возникающими за счет тепловых и квантовых флуктуаций плотности тока внутри объекта. За счет существования неоднородных электромагнитных волн эти флуктуирующие поля сильно возрастают вблизи поверхности. Увеличение поля особенно велико в случае, когда на поверхности объекта имеются поверхностные моды типа колебательных мод адсорбентов, поверхностных плазмонов или поляронов. Тепловое излучение в этом случае может обладать пространственной и временной когерентностью. При уменьшении размеров объекта, особенно на наноуровне роль флуктуаций значительно возрастает. Например, теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что радиационный поток тепла между телами с разной температурой в области ближнего поля возрастает во много миллионов раз по сравнению с величиной, определяемой законом Стефана -- Больцмана [5].

При излучении электромагнитного излучения материальной средой возникает необходимость установить связь между свойствами частиц среды с угловым распределением рассеянного излучения, а так же с поглощением внешнего излучения частицами. Такие исследования сначала были выполнены в оптическом диапазоне длин волн, а затем перенесены, в том числе, и на радиодиапазон. Исходя из чисто размерных соображений, Рэлей получил приближенное решение для рассеяния излучения сферическими частицами, размеры которых малы по сравнению с длиной волны падающего на частицу излучения. Значительно позже была разработана общая теория поглощения и рассеяния излучения однородными частицами, имеющими простую геометрическую форму (Г. Ми). Результаты решения Ми полезны для определения коэффициентов поглощения и рассеяния сферических частиц, взвешенных в диэлектрической среде, при условии, что частицы достаточно удалены друг от друга. В настоящее время это единственная фундаментальная теория, хотя и разработанная для идеализированного случая [6].

В реальных условиях приходится рассматривать полидисперсные системы, содержащие частицы разных размеров, которые имеют сложную геометрическую форму и располагаются столь близко, что между ними возможна интерференция. Для объяснения свойств таких систем необходимо учитывать не только размеры частиц, но и наличие межфазовой поверхности, обуславливающей возможности разнообразных адсорбционных явлений, а также различных физико-химических реакций, которые могут протекать на поверхности частиц.

Сыпучие материалы различной дисперсности имеют ряд особенных физических свойств, например сыпучесть и передача тепла [7] и их тепловое излучение должно отличаться от теплового излучения жидких и сплошных твердых сред.

Сыпучесть -- способность перемещаться по наклонным плоскостям. Все порошкообразные про дукты (мука, крупы, сахар-песок и др.) обладают хорошей сыпучестью. Сыпучесть характеризуют двумя показателями: углом трения и углом естественного откоса. Под углом трения понимают наименьший угол, при котором масса продукта начинает скользить по какой-либо поверхности. Под углом естественного откоса, или углом ската, понимают угол между диаметром основания и образующей конуса, получающегося при свободном падении части массы продукта на горизонтальную поверхность. На сыпучесть продукта влияет много факторов, в первую очередь форма, размер, характер и состояние поверхности единичных экземпляров продукта, а также его влажность и наличие примесей. Поэтому угол естественного откоса является обобщающим параметром характеризующего конкретное вещество в конкретных условиях окружающей среды [7].

Теплопередача в сыпучих материалах определяется комплексом тепловых процессов: радиационного, конвективного и внутренней теплопередачи.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Для неупорядоченных систем в основном рассматриваются только их электрические, магнитные и оптические свойства соответствующими методами. Мы предлагаем совершенно новый метод, который был опробован на жидкостных веществ в качестве неупорядоченных систем. На основе данного метода и провели эксперименты для сыпучих веществ. Для увеличения чувствительности (контрастности) методики используется «подсветка» -- широкополосное шумовое излучение нетепловой интенсивности.

Цель данной работы является исследование сыпучих материалов различной природы методом определения значений величин флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды, в которую помещается закрытая диэлектрическая тара с исследуемым материалом, и определение возможности дистанционно различать эти материалы.

Изложение основного материала исследования. Из неупорядоченных материалов в работе были использованы дискретные среды, то есть механические системы, представляющие собой совокупность отдельных частиц, каждая из которых, взятая в отдельности, обладает всеми свойствами твердого тела. Дискретные среды занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. Такие объекты называют сыпучими телами. Силы сцепления между отдельными частицами сыпучих систем отсутствуют вообще, либо очень малы [8]. В работе исследовались как материалы с одинаковым гранулометрическим составом, но различающимися малыми химическими добавками (соль пищевая и соль пищевая йодированная), так и материалы очень разного гранулометрического состава (сода пищевая и соль морская для ванн). Стандартные параметры исследуемых материалов приведены ниже.

Соль каменная поваренная пищевая. ГОСТ 13830-97 (хлорид натрия, №С1).

Пищевой продукт, представляющий собой бесцветные кристаллы. Каменную соль добывают из недр открытым или шахтным методом.

Стандарт СТБ 1828-2008. Сорт 1. Помол № 1

Массовая доля №С1, % не менее 98,40

Гранулометрический состав:

до 1,2 мм -- не менее 85% свыше 2,5 мм -- не более 3%.

Соль поваренная пищевая каменная йодированная.

Сорт 1. Помол № 1

Гранулометрический состав

до 1,2 мм -- не менее 85% свыше 2,5 мм -- не более 3%.

калий йодат (массовая доля йода) (40±15) * 10'4 %.

Соль для ванн натуральная морская.

Природная морская соль содержит в своем

составе уникальный комплекс микроэлементов. Размер кристаллов 0,8--6 мм.

Сода пищевая. ГОСТ 2156-76 (натрий двууглекислый, бикарбонат натрия, гидрокарбонат натрия, №НС03)

Бикарбонат натрия представляет собой кристаллический порошок белого цвета со средним размером кристаллов 0,05--0,20 мм. Молекулярная масса соединения равна 84,01, плотность составляет 2200 кг/м3.

Известные сыпучие материалы исследовались с помощью измерительного комплекса, позволяющего дистанционно определять флуктуации дифференциальной температуры промежуточной среды (дистиллированной воды), в которую помещались емкости с исследуемым материалом и эталоном. В пробирки диаметром 0 = 16 мм, заполненные дистиллированной водой, помещались пробирки 0 = 7.5 мм, в одной из которых находилось исследуемое вещество, а другая -- пустая и являлась эталоном.

Материалы помещались в емкость (пробирку) без дополнительного механического усилия (не трамбовались).

Рис. 1. Блок - схема измерительного комплекса:

ПК -- персональный компьютер;

1 -- измерительный дифференциальной

и простой термопар; 2 -- генератор шума;

-- пробирка с исследуемым веществом;

-- пробирка с эталоном; 5 -- термопары;

6 -- пробирки с дистиллированной водой;

7 -- разделительная перегородка

На рис. 1 приведена схема измерительного комплекса, подробно описанная в работах [2].

В каждую из одинаковых емкостей с дистиллированной водой (6) помещаются меньшая емкость (пробирка) (3,4) и термопара (5). В емкости

находится исследуемый материал, а в емкости

эталон. Измерительный блок (1) представляет собой модернизированный пирометр Курнако- ва, соединенный с персональным компьютером. Комплекс позволяет регистрировать температуру с точностью 0,03°С.

Заданную абсолютную погрешность измерительный комплекс, имеющий 12-разрядный АЦП, при размере выборки в несколько тысяч данных, обеспечивает снятием информации с периодичностью 1-2 секунды. Измерительный комплекс, помещался в экранированный бокс, что позволяет за счет статистической обработки результатов измерений исключить случайные составляющие погрешности, в том числе выбором продолжительности и значений времени опроса данного канала, исходя из заданной погрешности в зависимости от уровня внешних помех [2]. Термопары (медь -- константан) имели микроспаи, которые создавались лазерной пайкой, площадь каждого микроспая S ~ 0,015 мм2.

Для увеличения значений флуктуаций дифференциальной температуры (контрастности) в измерительном комплексе используется широкополосный шумовой сигнал, генерируемый твердотельным генератором шума «Оратория -- IV» с техническими характеристиками:

рабочая полоса частот -- 56.. .68 ГГц;

спектральная плотность мощности шума (СПМШ) - 1048 Вт/Гц;

неравномерность СПМШ -- ± 1,5 дБ;

интегральная мощность -- 10'10 Вт/см2.

Рис. 2. Спектры Фурье разложения флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды: а - соль каменная поваренная пищевая; б - сода пищевая

Флуктуации дифференциальной температуры измерялись в течение 25 минут без воздействия на исследуемый образец внешнего шумового излучения, 25 минут при воздействии внешнего шумового излучения и 25 минут после внешнего шумового воздействия. Полученные значения флуктуаций дифференциальных температур визуально различать (идентифицировать) сложно из-за малых различий, поэтому определялись значения дисперсии, автокорреляции и коэффициентов преобразований Фурье для каждого из этих значений. При этом максимальная погрешность результатов не превышает 18%.

На рис. 2, в качестве примера, показаны коэффициенты преобразований Фурье флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды (дистиллированной воды) для соли каменной поваренной пищевой и пищевой соды. Из визуального сравнения спектров Фурье разложения можно легко идентифицировать исследуемые объекты.

Полученные экспериментальные значения флуктуаций дифференциальных температур для разных сыпучих веществ непосредственно сравнивать сложно из-за малых различий, поэтому определялись значения дисперсии и коэффициентов преобразований Фурье для каждого из этих значений. Сравнение значений дисперсий и коэффициентов преобразований Фурье позволяет визуально различать как каждое из сыпучих веществ, так и смеси таких веществ. Идентификация сыпучих веществ осуществляется сравнением полученных данных исследуемого вещества с библиотекой данных для известных веществ («эталонов»), полученных на той же измерительной установке при таких же условиях.

На рис. 3 приведены гистограммы дисперсии (а) и относительной величины первых гармоник спектров Фурье (б) флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды для исследуемых веществ: 1 -- Соль поваренная пищевая каменная йодированная; 2 -- Соль для ванн натуральная морская; 3 -- Соль каменная поваренная пищевая; 4 -- Сода пищевая.

Характерной особенностью сыпучих материалов является способность образовывать естественную насыпь в виде конуса. Угол, образованный поверхностью насыпи к горизонту, называется углом естественного откоса, который тем меньше, чем лучше сыпучесть материала. Учитывая, что угол естественного откоса является обобщающим параметром характеризующего конкретное вещество в конкретных условиях окружающей среды, то были определены эти углы исследуемых сыпучих материалов. На рис. 4 приведены фотографии конусов исследуемых материалов.

На рис. 5 приведена зависимость относительных величин первых гармоник разложения Фурье от угла естественного откоса. Видно, что изменение угла естественного откоса ф от 34° до 38° связано с изменением (увеличением в 7 раз) относительной величины первой гармоники.

Рис. 3. Гистограммы дисперсии (а) и относительной величины первых гармоник спектров Фурье (б) флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды для исследуемых веществ. Гистограммы, окрашены в красный цвет - с внешним шумовым сигналом, гистограммы синим цветом - без внешнего воздействия

Рис. 4. Естественные насыпи а) - соль каменная поваренная пищевая; б) - соль поваренная пищевая каменная йодированная; в) - соль для ванн натуральная морская; г) - сода пищевая

Рис. 5. Относительные величины первых гармоник разложения Фурье для флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от угла естественного откоса исследуемых материалов

Учитывая, что угол естественного откоса, измеряется с точностью не более ± 1,5°, то этот параметр не может быть использован для идентификации сыпучих веществ с относительно близкими физико-химическими параметрами.

Рис. 6. Зависимость относительных величин первых гармоник спектров Фурье флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от объемного содержания соли и соды в смеси сыпучих веществ. 1 - без внешнего воздействия; 2 - с внешним воздействием

Некоторые сыпучие материалы, сильно отличающиеся гранулометрическим составом, могут быть идентифицированы сравнительно легко, особенно при помощи дополнительной шумовой подсветки. Поэтому в работе проведены исследования смеси сыпучих материалов, которые отличаются по гранулометрическому составу, а именно, соли каменной пищевой и соды пищевой.

Рис. 7. Зависимость дисперсии от процентного содержания по объему соли и соды в смеси сыпучих веществ при наличии внешнего шумового воздействия

На рис. 6 показаны зависимости относительных величин первых гармоник спектров Фурье флуктуаций дифференциальных температур промежуточной среды от процентного содержания по объему смеси сыпучих веществ с воздействием на смесь внешнего шумового сигнала и без него.

На рис. 7 приведена зависимость дисперсии флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды от процентного содержания по объему соли и соды в смеси сыпучих веществ при наличии внешнего шумового воздействия.

Выводы из данного исследования. Полученные экспериментальные результаты определяются флуктуациями промежуточной среды, в которую помещаются исследуемые вещества в диэлектрической таре. Сами флуктуации зависят, в том числе, и от характерных тепловых излучений, свойственных конкретному сыпучему веществу. Поэтому на флуктуации промежуточной среды должны влиять (через тепловое излучение) гранулометрический состав вещества, расстояния между частицами, плотность упаковки и другие свойства дисперсной среды, а кроме того и электрофизические его свойства. В том случае, когда исследуемые вещества значительно различаются по своим параметрам, то их можно идентифицировать без применения подсветки. Но если параметры мало отличаются друг от друга, то необходимо увеличить величины флуктуаций промежуточной среды. Учитывая, что для увеличения флуктуаций (контрастности) используется внешнее шумовое излучение (подсветка), которое взаимодействует с исследуемым веществом. При этом разупорядоченность вещества (дисперсия) при использовании подсветки может как увеличиваться, что видно на рис. 3 а для соли поваренной пищевой каменной йодированной, так и уменьшаться -- для остальных веществ. Амплитуда гармоник спектра Фурье для всех веществ при внешнем воздействии только увеличивается. Дисперсность вещества определяет на сколько амплитуда увеличивается. При минимальном размере частиц вещества и их однородности (сода пищевая) это увеличение максимальное, а при больших частицах с большим разбросом по размерам -- увеличение амплитуды гармоник при внешнем воздействии уменьшается.

Для смеси сыпучих веществ с различными размерами частиц существуют такие пропорции этих частиц, при которых их взаимодействие оказывает значительно большее влияние на флуктуации промежуточной жидкости и соответственно на амплитуду гармоник спектров Фурье, чем для однородных сыпучих материалов (рис. 5). С другой стороны, можно подобрать пропорции компонент смеси из частиц с разными размерами частиц, при которых разупо- рядоченность будет максимальной (рис. 6).

Показано, что методика дистанционной идентификации различных веществ, основанная на измерениях флуктуаций дифференциальной температуры промежуточной среды (дистиллированной воды), в которую помещены исследуемый образец и эталон, находящиеся в одинаковой диэлектрической таре, может быть использована для сыпучих веществ. Использование дополнительной внешней «подсветки» позволяет различать вещества, имеющие близкие физико-химические значения параметров. Идентификация осуществляется сравнением параметров исследуемого образца с библиотекой «портретов» известных веществ, измеренных при одинаковых условиях.

Непосредственное сравнение параметров флуктуаций дифференциальной температуры для различных исследуемых веществ затруднено, поэтому сравнение и идентификация осуществляется по значениям дисперсии или по спектрам Фурье разложения этих флуктуаций.

Показано, что использования для дистанционной идентификации сыпучих веществ углов естественного откоса проблематично, из-за того, что эти углы могут быть измерены с точностью не более ± 1,5°, а для большинства самых различных веществ значения углов естественного откоса находятся в диапазоне 33.. .39°. Таким образом по углам естественного откоса можно различать только вещества, предельно большие различия по гранулометрическому и химическому составу.

Показана возможность различать не только однородные сыпучие вещества, но и смеси таких веществ. При этом сравнение проводится по дисперсии и по спектрам Фурье одновременно.

флуктуация температура излучение сыпучий

Список литературы

1. Лифшиц И.М., Градескул С.А., Пастур Л.А. Введение в теорию неупорядоченных систем : монография. Москва, 1982. С. 360.

2. Лошицький П.П., Мамаев В.Н. Дослідження змін властивостей води і водних розчинів хлориду натрію при дії ВВЧ-випромінювання нетеплової інтенсивності. Медична інформатика та інженерія. 2008. № 1. С. 53-60.

3. Лошицкий П.П., Устенко К.С. Дистанционная идентификация жидкостей в закрытых диэлектрических емкостях. Modern engineering and innovative technologies. 2020.

4. Уоттерсон Д.Г. Роль воды в функции клетки. Биофизика. 1991. Т. 36. Выпуск 1. С. 5-30.

5. Волокитин А.И. Тепловое излучение на наноуровне. Теория и приложения : монография. Самара, 2009. С. 240.

6. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы : в 2 т. Москва, 2014. Т. 1. С. 438-477.

7. ОФС 1.4.2.0016.15. Степень сыпучести порошков. Москва, 2020.

8. Горбачев К.П., Краснов Е.Г., Субботницкий В.В. Основы механики деформируемого твердого тела. Владивосток, 1998. С. 26.

References

1. Lifshits, I.M., Gradeskul, S.A., & Pastur, L.A. (1982). Vvedenie v teoriyu neuporyadochennyih sistem [Introduction to the theory of disordered systems]. Moscow. (in Russian)

2. Loshitskiy, P.P., & Mamaev, V.N. (2008). Doslidzhennya zmin vlastivostey vodi i vodnih rozchiniv hloridu natriyu pri diyi VVCh-viprominyuvannya neteplovoyi intensivnosti [Investigation of changes in the properties of water and aqueous solutions of sodium chloride under the action of UHF radiation of non-thermal intensity]. Medichna Informatika ta Inzheneriya, vol. 1, pp. 53-60.

3. Loshitskiy, P.P., & Ustenko, K.S. (2020). Distantsionnaya identifikatsiya zhidkostey v zakryityih dielektricheskih emkostyah [Remote identification of liquids in closed dielectric containers]. Modern engineering and innovative technologies, vol. 12-03, pp. 15-24.

4. Uotterson, D.G. (1991). Rol vodyi v funktsii kletki [Role of water in cell function]. Biofizika. T. 36, vol. 1, pp. 5-30.

5. Volokitin, A.I. (2009). Teplovoe izluchenie na nanourovne. Teoriya i prilozheniya: monografiya [Thermal radiation at the nanoscale]. Samara. (in Russian)

6. Sharkov, E.A. (2014). Radioteplovoe distantsionnoe zondirovanie Zemli: fizicheskie osnovyi [Thermal radio remote sensing of the Earth: physical foundations]. Moscow, T. 1, pp. 438-477. (in Russian)

7. OFS 1.4.2.0016.15. Stepen syipuchesti poroshkov [The degree of flowability of powders]. Moscow, 2020. (in Russian)

8. Gorbachev, K.P., Krasnov, E.G., & Subbotnitskiy, V.V. (1998). Osnovyi mehaniki deformiruemogo tverdogo tela [Fundamentals of Solid Mechanics]. Vladivostok. (in Russian)

Размещено на Allbest.ru