СПОСОБ ЭКСПРЕССНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, ПЕРЕМЕЩАЕМОГО ВОЗДУХОМ ПО ТРУБОПРОВОДУ
METHOD FOR EXPRESS MEASUREMENT OF HUMIDITY OF DIELECTRIC MATERIAL MOVED BY AIR THROUGH A PIPELINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и измерения влажности двухфазного потока сыпучих диэлектрических материалов, перемещаемых воздухом по трубопроводу.
В настоящее время во многих отраслях промышленности при переработке сыпучих материалов применяется их пневмотранспортирование по трубопроводам. При пневмотранспортировании в технологических процессах производства необходим оперативный контроль влажности сыпучих материалов. Разработка новых методов и технических средств, обеспечивающих необходимое быстродействие и точность измерения влажности является актуальной задачей, особенно в фармацевтической промышленности для контроля остаточной влажности препаратов, как в процессе их производства, так и готовой продукции.
Известен способ определения остаточной влажности биопрепаратов. (Патент РФ №2090875, кл. G01N 25/56 путем определения влагосодержания, опубл. 20.09.1997 г.). Способ включает измерение стандартными методами остаточной влажности и одной из физических характеристик образца биопрепарата, построение калибровочной зависимости этой физической характеристики биопрепарата от его остаточной влажности, измерение физической характеристики исследуемого образца этого биопрепарата и определение по калибровочной зависимости его остаточной влажности. В качестве физической характеристики образца биопрепарата при определении остаточной влажности используют температуру изменения формы образца при нагревании. Изменение формы образца при нагревании контролируют визуально. Недостаток способа заключается в том, что для каждого образца биопрепарата необходимо предварительно строить калибровочную зависимость изменения формы образца при нагревании от его остаточной влажности, что определяет значительную трудоемкость способа. Температура изменения формы образца при нагревании контролируется визуально, что вызывает дополнительную субъективную погрешность измерения. Указанный способ не может быть реализован в автоматических измерительных системах экспрессного определения влажности материалов.
Известен способ измерения влажности (патент на изобретение RU №2571301 С2, опубл. 20.12.2015 г.), при котором измеряют резонансную частоту гармонического зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии передачи, зондирующий сигнал формируют генератором, который перестраивают в диапазоне частот, причем с выхода генератора зондирующий сигнал подают на вход первичного преобразователя через измерительную ячейку, содержащую резистор и амплитудный детектор, производят измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя с помощью указанного амплитудного детектора, при перестройке генератора определяют резонансную частоту по достижении минимума напряжения, измеренного с помощью амплитудного детектора или по достижении минимума отношения указанного напряжения к напряжению, измеренному с помощью второго детектора амплитуды, подключенного параллельно к входу измерительной ячейки, по значению резонансной частоты определяют влажность материала. В известном способе при перестройке генератора находят резонансную частоту, характеризующуюся тем, что входное сопротивление первичного преобразователя на этой частоте достигает минимума. Резонансную частоту определяют по минимуму напряжения, измеренного на входе первичного преобразователя.
Недостаток способа заключается в том, что для определения резонансной частоты необходимо перестраивать генератор, что увеличивает время измерения, поэтому такой способ не может быть применен для динамических измерений параметров быстропротекающих процессов, в частности, для контроля влажности пневмотраспортируемых материалов.
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство для экспрессного определения влажности и теплопроводности неметаллических материалов. (Патент РФ №2431134, кл. G01N 27/22, G01N 25/18, опубл. 10.10.2011 г.). Данный способ заключается в измерении электрической емкости датчика, преобразовании ее в значения определяемых величин и регистрации этих значений в измерительно-вычислительном устройстве, измеряют емкость датчика при нахождении его в воздухе, преобразуют измеренную емкость в пачку импульсов, которые заносят в память устройства, вводят датчик в соприкосновение с исследуемым материалом, повторяют операции по измерению, преобразованию емкости датчика в пачку импульсов и занесению их в память устройства, вычисляют значение влажности по формуле W=а+b*(N-N)+b*(N-N), где W - влажность; a, b, b - эмпирические константы, хранящиеся в памяти устройства; N и N - число импульсов, занесенных в память устройства при нахождении датчика в воздухе и в соприкосновении с материалом соответственно. Полученные значения влажности в единицах измерения выводят на индикатор устройства. Процесс измерения влажности на известном устройстве является безынерционным и занимает несколько секунд.
Недостатками способа являются:
1. Недостаточное быстродействие для измерения влажности материала в процессе пневмотранспортирования.
2. Большая трудоемкость связанная с предварительны определением эмпирических констант, входящих в формулу вычисления влажности для разных материалов.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением - создание нового бесконтактного способа измерения влажности сыпучего диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по трубопроводу, базирующегося на одном измеряемом параметре.
Технический результат - упрощение способа и повышение точности измерения.
Указанный результат достигается тем, что в способе измерения влажности диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по трубопроводу, включающем пропускание потока через электрическое поле и преобразование измерительных сигналов в цифровую форму, электрическое поле создают в измерительном конденсаторе диэлектрической вставки в трубопроводе, амплитудно модулируют токами поляризации потока диэлектрического материала световую волну, проходящую через амплитудный оптический модулятор света, регистрируют ее интенсивность, после преобразования измеренных сигналов в цифровую форму, определяют элементарную площадь под графиком зависимости интенсивности световой волны от времени - цикл измерения для первоначально пропускаемого эталонного материала с заданным содержанием влаги, заносят в память устройства, затем пропускают поток исследуемого материала, повторяют операции по измерению элементарной площади под графиком зависимости интенсивности световой волны от времени - цикл измерения для потока исследуемого материала и заносят в память устройства, вычисляют значение влажности по формуле:
1
2
где W - влажность элементарной массы транспортируемого материала за заданный промежуток времени - цикл измерения по отношению к эталонному материалу, ΔS - элементарная площадь под графиком зависимости световой волны от времени за цикл измерения для исследуемого материала, ΔS - элементарная площадь под графиком зависимости световой волны от времени за цикл измерения для данного эталонного материала с заданным содержанием влаги; определяют полную площадь под графиком зависимости интенсивности световой волны от времени транспортирования исследуемого материала сложением элементарных площадей по формуле:
где n - число циклов измерения за заданное время транспортирования;
определяют полную площадь под графиком интенсивности световой волны от времени транспортирования данного эталонного материала с заданным содержанием влаги путем циклического сложения элементарных площадей по формуле:
вычисляют среднее значение влажности по отношению к эталонному материалу по формуле:
вычисляют истинную влажность исследуемого материала по формуле:
cp.
cр.отн.
W=W*k,
где k - доля содержания влаги в эталонном материале с заданным содержанием влаги.
Способ осуществляется следующим образом.
Двухфазный поток сыпучего диэлектрического материала, перемещаемого воздухом по трубопроводу, пропускают через электрическое поле, создаваемое конденсатором, расположенным в диэлектрической вставке в трубопроводе. Световую волну, проходящую через амплитудный оптический модулятор света, амплитудно модулируют токами поляризации диэлектрического материала и регистрируют ее интенсивность. Измеренные аналоговые сигналы напряжения преобразуют в цифровую форму в микроконтроллере, где они обрабатываются по заданному алгоритму, а именно: определяется элементарная площадь под графиком зависимости интенсивности световой волны от времени - цикл измерения для первоначально пропускаемого эталонного материала с заданным содержанием влаги и заносят в память устройства, затем пропускают поток исследуемого материала и повторяют операции по измерению элементарной площади под графиком зависимости световой волны от заданного времени - цикл измерения для потока исследуемого материала и заносят в память устройства, вычисляется влажность элементарной массы исследуемого транспортируемого материала за заданный промежуток времени - цикл измерения; затем определяется полная площадь под графиком интенсивности световой волны от времени транспортирования сложением циклических элементарных площадей для эталонного материала с заданным содержанием влаги и для соответственно для исследуемого материала; вычисляется среднее значение влажности исследуемого материала по отношению к эталонному материалу, затем вычисляется истинная влажность исследуемого материала.
Пример осуществления способа.
Способ может быть осуществлен с помощью устройства, изображенного на Фиг. 1. Устройство содержит встроенную в трубопровод 1 измерительную диэлектрическую вставку 2, высоковольтный источник питания 3, соединенный с последовательно включенными обкладками 4 измерительного конденсатора и обкладками регистрирующего конденсатора 5, между которыми располагается кристалл ниобата лития 6 - представляющие амплитудно оптический модулятор Поккельса, на вход которого через поляризирующую призму 7 поступает световая волна генерируемая лазерным диодом 8, которая на выходе из кристалла 6 отражается плоским зеркалом 9 в обратном направлении; промодулированная дважды - в прямом и обратном направлении световая волна через поляризующую призму 7 поступает на фотоприемник 10, соединенным с микроконтроллером 11, выход которого соединен с индикатором 12.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Двухфазный материаловоздушный поток, материальная составляющая которого представляет сыпучий диэлектрический материал, пропускают по трубопроводу 1 через измерительную вставку 2 с вмонтированными в нее обкладками 4 измерительного конденсатора, которые подключены последовательно к высоковольтному источнику питания 3 и к обкладкам 5 регистрирующего конденсатора. Высоковольтный источник питания создает электрическое поле на обкладках 4 измерительного конденсатора направленное по движению двухфазного материаловоздушного потока. Движение двухфазного материало-воздушного потока вызывает изменение емкости измерительного конденсатора 4 пропорционально изменению концентрации материала в двухфазном потоке в соответствии с диэлектрической проницаемостью транспортируемого материала, что приводит к изменению напряженности электрического поля в последовательно включенной ячейке Поккельса, состоящей из кристалла ниобата лития 6 с обкладками регистрирующего конденсатора 5. Изменение напряженности электрического поля вызывает амплитудную модуляцию светового потока, генерируемого лазерным излучателем 8, проходящего через поляризующую призму 7 и электрооптический элемент - кристалл ниобата лития 6. Промодулированный световой поток отражается в плоском зеркале 9 и проходит в обратном направлении через электрооптический элемент 6. Зеркало 9 позволяет удвоить длину оптического пути светового потока через электрооптический элемент и соответственно его модуляцию, повысить чувствительность измерителя. Интенсивность амплитудно-модулированной световой волны в зависимости от концентрации материала, проходящего через измерительную вставку, регистрируется фотоприемником 10, с выхода которого аналоговый электрический сигнал напряжения поступает в микроконтроллер 11, содержащий усилитель сигнала и АЦП - амплитудно-цифровой преобразователь, где, после преобразования измеренных аналоговых сигналов напряжения в цифровую форму, вычисляется в соответствии с заложенным алгоритмом влажность элементарной массы транспортируемого материала за заданный промежуток времени - цикл измерения по отношению к эталонному материалу, среднее значение влажности по отношению к эталонному материалу за время транспортирования и истинная влажность исследуемого материала. С выхода микроконтроллера 11 информацию направляют на индикатор 12. На индикаторе отображается образ представления результатов измерения влажности в виде цифр, графиков и гистограмм. Устройство изготавливают из покупных изделий.
Таким образом, предлагаемый способ измерения влажности является бесконтактным, обладает повышенным быстродействием и точностью измерений, поскольку базируется на эффекте Поккельса, просто технически реализуемым. Способ является универсальным для определения влажности сыпучих диэлектрических материалов в технологическом процессе их пневмотранспортирования.