Измерительная установка для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам влагометрии и может быть использована для определения влажности сельскохозяйственных продуктов, например, семян зерновых, бобовых и масличных культур, в технологическом процессе их уборки, хранения и переработки.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство для измерения влажности сыпучих веществ, которое содержит корпус, приемник-преобразователь, уплотнитель, электрическую схему, при этом преобразователь влажности выполнен в виде прямоугольной диэлектрической емкости, ограниченной с двух сторон внешними электродами и разделенной на три секции, одна из которых заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, равной проницаемости сухих исследуемых веществ, общий электрод расположен ниже уровня емкости, а внешние электроды установлены на уровне общего электрода и равноудалены от стенок и дна емкости преобразователя, при этом электрическая схема включает генератор, мостовую схему, к которой подключены электроды преобразователя, дифференциальный усилитель, узел обработки сигнала по уровню, регистратор, узел температурной компенсации, пиковые детекторы и блок питания (патент RU2281486C2, опубл. 10.08.2006).
Недостатками данного технического решения являются: необходимость ручного заполнения двух секций приемника-преобразователя исследуемым продуктом, предварительное тарирование регистратора и определение коэффициентов по образцам известной влажности в ручном режиме, зависимость результатов измерений от разностей фактических и тарировочных электрофизических свойств исследуемых материалов.
Известен способ и устройство измерения емкости, которое содержит выводы измеряемой емкости с цепями разряда и заряда, соединенные с источником тока и землей, микропроцессор, АЦП, соединенный с выводом измеряемой емкости, источник тока, соединенный со входами измеряемой емкости через цепь заряда, источник опорного напряжения АЦП. При этом вход измеряемого напряжения АЦП соединен с выводом измеряемой емкости, а вход опорного напряжения соединен с источником опорного напряжения. Управление цепями заряда и разряда выполняется микропроцессором (патент США № 6275047).
Недостатками данного технического решения являются: низкая скорость выполнения измерения, что связано с затратами времени на заряд емкости, измерение напряжения и ее разряд, значительная погрешность за счет влияния температуры и напряжения питания, необходимость применения источников опорного тока и напряжения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению и принятый авторами за прототип является способ и устройство для измерения электрической емкости, которое содержит измеряемую и эталонную емкости, АЦП и микропроцессор, выполняющий разряд и заряд емкостей, при этом дифференциальный измерительный вход АЦП соединен с выводами эталонной емкости, а дифференциальный вход опорного напряжения АЦП соединен с выводами измеряемой емкости. Способ измерения емкости по данному техническому решению основан на измерении отношения напряжений на последовательно соединенных эталонной и измеряемой емкостях, заряжаемых от источника постоянного напряжения (патент RU 2593818C1, опубл. 10.08.2016).
Недостатками данного технического решения являются: ограниченные функциональные возможности, связанные с измерением только одного параметра емкостного датчика, влияние электрофизических свойств исследуемого материала на результат измерений и отсутствие возможности их определения, прямая зависимость быстродействия и точности измерения от разрядности АЦП.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка измерительной установки, обеспечивающей проведение измерений влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов в полевых условиях на пяти первичных измерительных преобразователях одновременно.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности электрических измерений влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов и расширении функциональных возможностей измерительных установок.
Технический результат достигается тем, что измерительная установка для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов содержит корпус, первичный измерительный преобразователь с внутренними электродами, микропроцессор, АЦП, операционный усилитель, жидкокристаллический дисплей, пружинные и винтовые клеммные соединения, кнопочный модуль, разъем для подключения внешнего источника питания, при чем, корпус устройства имеет пять отсеков для установки первичных измерительных преобразователей, при этом каждый первичный измерительный преобразователь выполнен в виде алюминиевого контейнера, являющегося внешним электродом, в котором расположены внутренние электроды, подключенные к операционному усилителю, вход которого соединен отрицательной обратной связью через блок опорных элементов с выходом, который подключен к АЦП и далее к микропроцессору, при этом питание установки дополнительно обеспечено съёмной аккумуляторной батареей.
Технический результат достигается тем, что корпус устройства изготовлен из органического стекла методом воздушно-термической обработки.
Краткое описание чертежей и иных материалов
На фиг. 1 изображена функциональная измерительная схема установки для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов.
На фиг. 2 представлен общий вид разработанной измерительной установки.
На фиг. 3 приведена сравнительная таблица результатов измерений влажности при проверке работоспособности измерительной установки
Осуществление полезной модели
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что разработанное измерительное устройство позволяет определять влажность и примеси сельскохозяйственных продуктов одновременно на пяти первичных измерительных преобразователях, при этом процесс измерения выполняется автоматически, а результат выводится на жидкокристаллический экран и персональный компьютер.
Измерительная установка для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов (фиг.2) представляет собой корпус 1, изготовленный из органического стекла методом воздушно-термической обработки с пятью отсеками для установки первичного измерительного преобразователя (ПИП) 2, на рабочей поверхности 3 которого расположена функциональная измерительная схема (фиг.1). Для управления процессом измерения предусмотрен кнопочный модуль 4, коммутация функциональной измерительной схемы выполнена в виде пружинных, винтовых клеммных и управляемых соединений 5, питание может осуществляться двумя способами – либо через разъем для подключения внешнего источника 6, либо от съёмной аккумуляторной батареи 7, которые подключены к измерительной схеме установки.
0
0
Функциональная схема измерительной установки для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов, представленная на фиг. 1, состоит из микропроцессора 8 (например, типа ATmega328P семейства AVR, производства компании Atmel), который может быть представлен в составе аппаратно-программной платформы 9 (например, Arduino Uno), обеспечивающей контроль и управление установкой посредством шин управления 10 и шин данных 11, и 10-битного АЦП 12, выполняющего конвертирование аналоговых сигналов в цифровые, первичного измерительного преобразователя 2, представляющего из себя емкостной датчик в виде алюминиевого контейнера, выступающего в качестве внешнего электрода 13, и внутренних электродов 14, подключенных к операционному усилителю 15 (например, типа INA128P производства Texas Instruments), в цепь отрицательной обратной связи которого включен блок опорных элементов 16 в виде образцовых резистора R и конденсатора C, групп контактов К1-К5 17, 18, 19, 20, 21 в виде пружинных, винтовых клеммных и управляемых соединений 5, жидкокристаллического дисплея 22, интерфейса для вывода данных на ПК 23.
0
1
0
0
1x
Предлагаемая измерительная установка по функциональной схеме фиг.1 представляет собой устройство в корпусе 1 из органического стекла с пятью ПИП 2 с возможностью переключения между ними с помощью кнопочного модуля 4, которое работает следующим образом. При первом измерении микропроцессор (МК) 8 посредством шин управления (ШУ) 10 подает управляющий сигнал на группы контактов К3 – К5 19, 20, 21, которые занимают положение 3 для групп контактов К3 – К4 19, 20 и положение 1 для группы контактов К5 21. После чего происходит подача скачка напряжения на образцовый элемент блока опорных элементов (БЭ) 16, представляющий собой образцовый резистор R, и через группу контактов К3 19 на внешний электрод 13 первичного измерительного преобразователя (ПИП) 2, соединённого с землей через группу контактов К4 20. С внутреннего электрода 14 величина напряжения U в аналоговом виде через группу контактов К5 21 поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и посредством шины данных (ШД) 11 передается в МК 8, который выполняет обработку полученного цифрового значения и вычисляет на основе известных данных (E, R) значение элемента схемы замещения ПИП 2 R – сквозного активного сопротивления исследуемого материала по формуле:
, (1)
1x
где R – сквозное активное сопротивление, Ом;
1
U – измеренное напряжение первого исследования, В;
0
R – эталонное сопротивление, Ом;
0
E – напряжение источника питания, В.
1x
Полученное значение R сохраняется в памяти МК 8 для дальнейших вычислений и передается посредством usb-интерфейса на персональный компьютер (ПК) 23.
разр.
1
3
Первое измерение проводится в установившемся режиме при подаче постоянного напряжения, что приводит к насыщению измерительной схемы. Для разряда схемы предусмотрен разрядный резистор R24, установленный в 4-м положении группы контактов К3 19. После разрядки схемы установка переходит к следующим измерениям, которые выполняются в фиксированные моменты времени t – t на протяжении времени, не превышающего длительности развивающегося переходного процесса.
0
0
Для этого МК 8 посредством управляющих сигналов переводит группы контактов К1, К2, К5 - 17, 18, 21 в положение 2, а группы контактов К3 и К4 -19, 20 в положение 1. Затем через группу контактов К3 19 происходит подача скачка напряжения E на внешний электрод 13 ПИП 2 и операционный усилитель (ОУ) 15 в обратную связь которого включен образцовый элемент, т.е. конденсатор С. При этом выходное напряжение на ОУ будет изменяться по закону переходного процесса:
,            (3)
вых
где u(t) – величина выходного напряжения, В;
t – время, с;
τ – постоянная времени, с.
1
2
3
2x
В течение переходного процесса, протекающего в измерительной цепи, на внутреннем электроде 14 происходит определение мгновенных значений напряжения u(t), u(t) и u(t), которые передаются через группу контактов К5 21 в АЦП 12. После конвертирования аналогового сигнала в цифровой, измеренные значения поступают в МК 8 для дальнейшей обработки и проведения вычислений. На основе полученных данных и приведенного выше алгоритма МК 8 вычисляет конечное значение величины С:
,                                         (4)
1расч.
где U – расчетное значение напряжения, В.
2x
Значение R вычисляется по следующей формуле:
,                                               (5)
где τ – постоянная времени, которая определяется по выражению:
,                                       (6)
расч.
1
3
где ΔU– разность между мгновенными значениями напряжений u(t) – u(t), В.
1x
1x
2x
2x
Таким образом предлагаемая измерительная установка для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов определяет четыре основные параметра схемы замещения ПИП 2, характеризующие исследуемый объект: R – сквозное активное сопротивление, характеризующее сквозную активную проводимость материала; С – емкость, характеризующая мгновенную поляризацию, зависящую от электрофизических и естественных свойств материала; R – активное релаксационное сопротивление, характеризующее релаксационную проводимость материала, зависящую от солесодержания и наличия примесей в среде; С – емкость, характеризующая релаксационную поляризацию и являющаяся основным информативным параметром, поскольку она имеет прямую зависимость от количества частиц воды и их размеров, т.е. от влажности контролируемого материала.
1x
1x
2x
2x
На основе полученных значений R, С, R, С, по заранее введенным градуировочным характеристикам, МК 8 выводит на жидкокристаллический экран 22 и ПК 23 значение влажности W и наличия примесей P исследуемого продукта в процентах %.
Построение градуировочных характеристик и проверка работоспособности измерительной установки для определения влажности и примесей сельскохозяйственных продуктов (фиг.2) выполнялась методом сравнения результатов измерения влажности отобранных проб сельскохозяйственных продуктов с использованием методик по ГОСТ, как наиболее точных и применяемых в лабораторных условиях при поверке и градуировке приборов, и влагомера Wile-55 производства фирмы «Farmcomp», принятого за образцовый прибор промышленного исполнения. Согласно государственным стандартам определение влажности отобранных продуктов выполняется воздушно-тепловым методом, заключающимся в сушке пробы материала до достижения равновесия с окружающей средой, такое равновесие равнозначно полному удалению влаги из материала. Сушка отобранных проб материала выполнялась в сушильном шкафу СЭШ-3М производства ООО «НПО Промавтоматика», взвешивание навесок исследуемого материала выполнялось на лабораторных весах ВК-600 производства ЗАО «МАССА-К», измельчение проб производилось на лабораторной мельнице ЛЗМ-1М производства «НВ-лаб». Влагомер Wile-55 представляет собой переносной микропроцессорный электронный прибор, который обеспечивает вывод процентного содержания влажности и названия контролируемых зерновых, зернобобовых, масличных культур и семян трав на электронный дисплей. Прибор сертифицирован и внесен в Государственный реестр средств измерений РФ под № 206801-00 и допущен к применению в РФ. Полученные результаты измерений представлены на фиг. 3.
Анализ полученных результатов измерений влажности исследуемых продуктов показывает, что разработанная установка имеет значительно меньшую предельную относительную погрешность, что свидетельствует об улучшенных характеристиках измерительного средства, верном выборе составных компонентов, правильном алгоритме работы и программировании МК.
Таким образом, в сравнении с прототипом и известными техническими решениями, предлагаемая полезная модель обладает следующими преимуществами:
1. помимо определения степени увлажненности продукта, установка дополнительно позволяет установить и оценить количество органических, минеральных и посторонних примесей, что имеет большое значение при установлении класса качества, сорта и вида сельскохозяйственных продуктов;
2. процесс измерения полностью автоматизирован, при этом время измерения сокращается за счет возможности одновременного применения пяти первичных измерительных преобразователей;
3. съёмный элемент питания в виде аккумуляторной батареи делает разработанное устройство мобильным, а небольшие массогабаритные характеристики дают возможность переносить его, что позволяет выполнять измерения в любых условиях, в том числе полевых;
4. за счет применения нестандартной формы первичного измерительного преобразователя предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений влажности сельскохозяйственных продуктов;
5. широкие возможности применения установки в научно-исследовательской деятельности – определение степени влияния формы электрода на результат измерений, построение температурных зависимостей и введение алгоритмов температурной коррекции, исследование влияния частоты подаваемого скачка напряжения на емкостной датчик, изучение характеристики переходного процесса в измерительной RC-цепи и др.