СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
METHOD OF MEASURING MOISTURE CONTENT OF MATERIALS ON UHF AND A DEVICE FOR USE THEREOF

Предлагаемый способ относится к области измерительной техники и может быть использовано в СВЧ-влагомерах дискретного и непрерывного действия.
Известны СВЧ-способы измерения влажности материалов, основанные на измерении электрофизических параметров материала с применением радиочастотных датчиков: патенты РФ G01N 22/04 (1995.01), №2 096768; РФ G01N 22/04 (1995.01), №2 096 768, РФ G01N 22/04, №2084877, Авторское свидетельство СССР N 654886, кл. G01G 22/04, 1979.
Недостатком этих способов-аналогов измерения влажности на СВЧ является низкая точность результатов измерения влажности из-за влияния форм связи воды с материалом на его диэлектрические характеристики, в частности, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.
Наиболее близким (прототип) способом измерения влажности на СВЧ, заключающийся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим определением среднего значения измеряемой величины. При этом для обеспечения надежного перемешивания кювета заполняется не полностью. Степень заполнения кюветы выбирается в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав). [Авторское свидетельство №1419302, 22.04.1988 г.]
Основным недостатком прототипа также является низкая точность результатов измерения влажности из-за влияния форм связи воды с материалом на его диэлектрические характеристики, в частности, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности измерений влажности материалов.
Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения влажности на СВЧ, заключающемся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим вычислением среднего значения измеряемой величины, дополнительно по результатам многократных измерений определяют среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем определяют величину влажности по предварительно найденной градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала.
При этом для обеспечения надежного перемешивания кювета заполняется не полностью. Степень заполнения кюветы выбирается в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав).
Сущность предлагаемого способа измерения влажности на СВЧ заключается в следующем:
Вода содержится в материалах как в свободном, так и в связанном состояниях. Формы связи влаги с материалом могут быть различными: физико-механическая (капиллярная), адсорбционная (мономолекулярная и полимолекулярная), химическая. Каждой форме связи соответствует своя определенная энергия связи влаги с материалом. Наименьшую энергию связи имеет свободная вода, наибольшую - химически связанная. (Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973, с. 48-50).
Рассмотрим модель взаимодействия СВЧ-волны с влажным материалом, содержащим / - форм связи влаги. Запишем амплитуду СВЧ-сигнала в результате такого взаимодействия следующим образом
где: А - амплитуда СВЧ-сигнала, прошедшего через образец материала,
i
W - содержание влаги i-й формы связи, %.
м
а - амплитуда СВЧ-сигнала в сухом материале, дБ;
- чувствительность параметра А к влаге i-й формы связи, причем
где W - влажность материала.
В первом приближении зависимость амплитуды СВЧ-сигнала от влажности для всех форм связи влаги с материалом линейная, т.е.
i
Продифференцируем выражение (1) по W и, переходя к конечным приращениям получим
i
i
изменение амплитуда суммарного СВЧ-сигнала (ΔА) при изменении количества влаги с формой связи i на ΔW. Обычно переход осуществляется между близким по энергии связи формам непрерывно, от более слабых связей к более сильным и наоборот. Уменьшение количества воды одной из форм связи на ΔW, означает увеличение другой на ту же величину. Тогда с учетом этого (3) можно записать в виде
Выражение (4) имеет место после увлажнения материала, когда происходит переход влаги от более слабых связей к более сильным. При интенсивном нагреве материала происходит обратный переход и выражение (4) принимает вид
i
Как следует из (4) и (5) изменение амплитуды СВЧ-сигнала будет равно нулю при всех W≠0 только тогда, когда
Однако, на практике имеет место соотношение
Поэтому с течением времени после увлажнения материала следует ожидать некоторое уменьшение уровня СВЧ-сигнала при постоянной влажности материала (4), т.к. имеем А=А-ΔА, в противном случае - его увеличение (5), т.к. А=А+ΔА, что в конечном счете приводит к дополнительной погрешности измерения влажности, достигающей 20% (относительных).
В настоящее время нет экспрессных методов определения количества влаги по формам связи и эффективных путей уменьшения влияния непостоянства соотношения связанной и свободной воды в материале на погрешность измерения его влажности.
Для определения характера и степени влияния изменения форм связи влаги на результат измерения влажности СВЧ-методом, а также выявления функциональной зависимости среднеквадратичного отклонения результатов наблюдения от среднего значения измеренной величины от предыстории его влажностного состояния были проведены экспериментальные исследования на образцах зерна пшеницы с различным временем выдержки их после увлажнения. Многократные измерения проводились на СВЧ-влагомере через 0.5, 3, 24, 48, 96 часов после увлажнения зерна, параллельно влажность образцов определялась на эталоне.
Результаты экспериментов подтвердили влияние предыстории влажностного состояния материала на результат измерения СВЧ-методом. Они показывают, что ослабление постепенно уменьшается в течение 50 часов после увлажнения и чем больше влажность, тем значительнее меняется ослабление. (фиг. 1).
По данным экспериментов нами рассчитаны уравнения регрессии (градуировочные зависимости) без учета (6) и с учетом среднеквадратического отклонения результатов наблюдений С (7).
В табл. 1 приведены сравнительные характеристики уравнений регрессии.
При измерении влажности амплитудным СВЧ-влагомером без учета среднеквадратического отклонения результатов наблюдений С относительная погрешность от указанного фактора достигает 11,9%, а по предложенному способу, т.е. с учетом С - 4,2%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяют уменьшить влияние форм связи влаги примерно в 3 раза.
Способ измерения влажности на СВЧ, можно осуществить практически на любом СВЧ-влагомере, содержащем микропроцессорный блок управления. Реализация способа осуществлена на основе полезной модели (Патент на полезную модель РФ G01N 22/04 (2006.01) №155969, опубликовано 27.10.2015 Бюл. №30.
Структурная схема СВЧ-влагомера приведена на фиг. 2., общий вид на фиг. 3.
СВЧ-влагомер содержит СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, приемную антенну 3, соединенную с детектором СВЧ-сигнала 6, выход которого соединен со входом микропроцессорного блока управления 7, соединенного с индикатором 8, цилиндрическую кювету 4 с исследуемым материалом, размещенную между передающей 2 и приемной 3 антеннами на двух роликах 10 механизма 5 равномерного вращения кюветы 4 с материалом, «п» диэлектрических прямоугольных пластин 9, закрепленных вдоль образующих внутри цилиндрической кюветы и направленных к оси цилиндра.
СВЧ-влагомер работает следующим образом:
Электромагнитная энергия от СВЧ-генератора 1 через передающую антенну 2 поступает в цилиндрическую кювету 4, прошедшая через исследуемый материал электромагнитная волна принимается приемной антенной 3, детектируется детектором СВЧ-сигнала 6, величина амплитуды электромагнитной волны, зависящая от влажности материала измеряется и запоминается микропроцессорным блоком управления 7. При измерениях цилиндрическая кювета 4 с материалом вращается на роликах 10 механизма 5 равномерного вращения кюветы 4, за один оборот производится «п» измерений, микропроцессорным блоком управления 7 определяется среднее значение и среднеквадратическое отклонение результатов измерений, затем микропроцессорным блоком управления 7 определяется величина влажности по предварительно найденной градуировочной зависимости с учетом среднего значения и среднеквадратического отклонения выходного сигнала, результат выводится на индикаторе 8.