СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ВЕЩЕСТВА
METHOD OF DETERMINING MOISTURE CONTENT OF SUBSTANCE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влагосодержания и других физических свойств (концентрации смеси, плотности) различных материалов и веществ, перемещаемых по ленточным конвейерам, транспортерам. В частности, оно может быть применено при производстве строительных материалов для измерения влагосодержания строительных материалов, в том числе глиняной массы, в технологическом потоке.
Например, при производстве слоистых, в частности, строительных материалов, в том числе кирпичей (красных, силикатных), важное место имеет определение текущего значения влагосодержания производимого изделия на различных стадиях технологического процесса. Это в полной мере относится и к контролю влагосодержания глиняной массы, выдавливаемой из формовочного устройства (пресса). Наличие бесконтактного высокоточного датчика влагосодержания сформированного потока глиняной массы, подвергаемого далее резке на изготавливаемые изделия (кирпичи), позволяет обеспечить требуемое качество кирпичей, оптимизировать режимные параметры технологической установки производства кирпичей.
Известны методы и средства измерения влажности различных, в частности, строительных материалов, основанных на различных физических принципах построения влагомеров (Кричевский Е.С., Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М.: Энергоатомиздат. 1987. 136 с.). Их анализ показывает, что в настоящее время не имеется, однако, приемлемых технических решений, которые могут быть применены для решения задачи бесконтактного измерения влагосодержания слоистых материалов в потоке, таких как глиняная масса, с учетом специфики контролируемого объекта, физических свойств влагосодержащего вещества. Специфика объекта обусловлена диапазоном значений измеряемой влажности материала, в частности глиняной массы (25±3%), необходимостью получения информации о влажности, осредненной по объему вещества на измерительном участке, требованием отсутствия какого-либо контакта чувствительного элемента датчика со сформированным потоком вещества.
Известно также техническое решение (SU 271877, 26.05.1970), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в размещении чувствительного элемента электрического (емкостного) типа под ленточным конвейером и измерении величины информативного параметра (электрической емкости) чувствительного элемента, по которой судят о влагосодержании контролируемого вещества. Этот способ, во-первых, достаточно сложен в реализации, так как связан с необходимостью применения специального автономного чувствительного элемента. Во-вторых, этот способ характеризуется невысокой точностью измерения, поскольку требует прецизионного изготовления элементов чувствительного элемента (емкости) и их расположения относительно ленты транспортера; их отклонение при изготовлении и в процессе измерений относительно исходных номинальных значений приводит с снижению точности измерения.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения и повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения влагосодержания вещества, перемещаемого по транспортеру с протяженными металлическими роликами, достигается тем, что у ленты транспортера контактно или бесконтактно размещают чувствительный элемент и определяют величину его информативного параметра, по которой судят о значении влагосодержания, при этом в качестве чувствительного элемента используют отрезок длинной линии, в качестве, по меньшей мере, одного из двух проводников которого применяют один или более соседних протяженных металлических роликов транспортера, в данном отрезке длинной линии возбуждают электромагнитные колебания, а в качестве информативного параметра используют одну из его резонансных частот электромагнитных колебаний, в частности основную резонансную частоту.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена схема технологической установки.
На фиг.2 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа.
На фиг.3 показано взаимное расположение проводников двухпроводной линии и контролируемого вещества.
На фигурах показаны глиняная масса 1; пресс 2; насадка пресса 3; кирпич 4; рубящая проволока 5; часть потока, отрезанная рубящей проволокой, 6; транспортер 7; участок поштучной рубки кирпичей 8 (устройство рубки не показано); транспортерная лента 9; сплошная транспортерная лента 10; роликовый стол 11; протяженные проводники 12 и 13; высокочастотный генератор 14; элементы связи 15 и 16; измерительный блок 17; диэлектрические оболочки 18 и 19.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
В основе предлагаемого способа лежит его реализация с применением частей конструкции технологической установки, а именно использование частей конвейера, в качестве функциональных компонентов чувствительных элементов устройств для измерения влагосодержания, реализующих данный способ.
В качестве примера, поясняющего сущность данного способа, рассмотрим его реализацию применительно к решению конкретной задачи - измерению влагосодержания глиняной массы при производстве кирпичей (красных, силикатных). Для этого рассмотрим сначала схему технологической установки производства кирпичей.
Схема (условная) технологической установки приведена на фиг.1. В процессе работы установки глиняная масса 1 выдавливается из пресса 2 через насадку пресса 3, которая определяет число и форму отверстий в кирпичах 4. Поперечные размеры потока сформированной глиняной массы 1 постоянные, соответствующие поперечным размерам кирпичей: 120 мм и 240 мм.
С помощью установленной над потоком сформированной глиняной массы 1 рубящей проволоки 5 отделяется часть потока, отрезанная рубящей проволокой, 6, которая затем перемещается с транспортера 7 на участок поштучной рубки кирпичей 8. Полученные здесь кирпичи 4 поступают на транспортерную ленту 9 и далее на сплошную транспортерную ленту 10. При этом возможны как непосредственные измерения влагосодержания глиняной массы в потоке, так и влагосодержания полученных штучных изделий (кирпичей) после процесса рубки.
Рассмотрим возможные принципы построения чувствительного элемента датчика влагосодержания, связанные с произведением измерений непосредственно в технологической установке. Для конвейерного перемещения изготавливаемых изделий применяются решетки из совокупности трубчатых проводников (роликов). Контролируемый поток глиняной массы, проходящий по роликовому столику 11, имеет сверху открытую поверхность, а снизу он касается подвижных роликов, изготовленных из металла или другого материала.
Как показывает анализ технологической установки, наиболее подходящим местом для расположения и монтажа чувствительного элемента в виде отрезка длинной линии для реализации данного способа измерения является стол с подвижными протяженными металлическими роликами - роликовый столик 11, по которому перемещается выдавливаемая глиняная масса, хотя и другие участки, в том числе и находящиеся после области расположения рубящей проволоки 5 (с ее помощью образуются кирпичи 4 требуемой длины), могут быть использованы для установки чувствительного элемента.
При этом для построения чувствительного элемента датчика влагосодержания могут служить компоненты самого роликового столика 11. В самом деле, если рассматривать совокупность, по крайней мере, двух протяженных проводников (роликов) - отрезков металлических стержней или труб - как двухпроводную длинную линию, короткозамкнутую на обоих концах, то, возбуждая в ней электромагнитные колебания, можно судить о величине контролируемого параметра. Будучи короткозамкнутой на обоих концах, такая конструкция представляет собой высокочастотный резонатор в виде полуволнового отрезка длинной линии. Влагосодержание материала, располагаемого на такой решетке, может быть определено при возбуждении электромагнитных колебаний в этом отрезке длинной линии и измерении величины информативного параметра (резонансной частоты). На фиг.2 изображена конструкция решетки из протяженных проводников - роликов, два соседних из которых замкнуты между собой накоротко, а другие проводники (ролики) изолированы от них. Реальные размеры элементов решетки, используемой для транспортирования глиняной массы: расстояние между соседними роликами (протяженными проводниками) 50 мм, длина ролика 400 мм, общая длина стола с роликами 600 мм, его высота 800 мм. Протяженные проводники 12 и 13 образуют упомянутую длинную линию. Возбуждение электромагнитных колебаний и прием информативного сигнала могут осуществляться с помощью бесконтактных элементов связи, располагаемых у короткозамкнутых концов отрезка длинной линии. В схеме такого измерительного устройства возбуждение электромагнитных колебаний осуществляют от высокочастотного генератора 14 с помощью элемента связи 15 и их съем с помощью элемента связи 16, подсоединенного к измерительному блоку 17, который служит для определения величины информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, короткозамкнутого на обоих концах.
р
Если для определения влагосодержания W в качестве информативного параметра используется резонансная частота f, то
эфф
эфф
р
где с - скорость света, l - длина протяженного проводника, n=1, 2, … - номер гармоники колебаний, возбуждаемых в резонаторе, ε - эффективная диэлектрическая проницаемость двухслойного (воздух и диэлектрические оболочки на проводниках) вещества. Если диэлектрические оболочки на проводниках отсутствуют, то ε =1. Для полуволнового отрезка длинной линии n=1; соответствующая этому основная резонансная частота есть f=375 МГц. При такой частоте обеспечивается определение пространственно-осредненного значения влагосодержания.
Однако если контролируется вещество с достаточно большим влагосодержанием, то добротность такого резонатора может быть недостаточно высокой для регистрации информативного параметра. Оценки показывают, что непосредственный контакт глиняной массы с проводниками отрезка длинной линии не позволяет иметь высокую добротность резонатора. Для увеличения добротности могут быть использованы: покрытие обоих проводников 12 и 13 рассматриваемого отрезка длинной линии диэлектрическими оболочками 18 и 19 (фиг.3, а); создание зазора между контролируемым веществом - глиняной массой 1 - и протяженными проводниками 12 и 13 (фиг.3, б); применение обоих этих способов. На фиг.3, в показан еще один эффективный способ относительного расположения проводников 12 и 13 двухпроводной длинной линии и глиняной массы 1, где она находится в области концентрации энергии электромагнитного поля, т.е. при наличии максимально возможного здесь взаимодействия этого поля с контролируемым материалом. Во всех этих случаях отсутствует непосредственный контакт глиняной массы с проводниками отрезка длинной линии, что приводит к повышению добротности такого резонатора.
Для синтеза отрезка длинной линии могут быть также применены несколько последовательно соединенных протяженных проводников решетки, изолированных друг от друга. Образуемый в результате этого соединения проводник, имеющий зигзагообразную форму, представляет собой один из двух проводников отрезка длинной линии; другим его проводником может служить расположенная под ним металлическая плоскость. Оба конца такого отрезка длинной линии могут быть короткозамкнутыми. При этом, соответственно, уменьшается резонансная частота такого резонатора и увеличиваются глубина проникновения электромагнитного поля во влагосодержащее вещество и степень пространственного осреднения данных о влагосодержании.
p
С увеличением диэлектрической проницаемости ε(W) влажного материала уменьшается резонансная частота электромагнитных колебаний резонатора. Если он полностью заполняется контролируемым материалом, то величина этой резонансной частоты f(W) есть
p0
где f - резонансная частота при отсутствии материала в резонаторе.
Величина ε связана с W функциональной зависимостью, получаемой эмпирически или расчетным путем, в частности зависимостью вида
i
i
0
где , ε -диэлектрическая проницаемость смеси (эффективная диэлектрическая проницаемость); V - объем i-й компоненты смеси (i=2, 3, …, n); ε - диэлектрическая проницаемость i-й компоненты; V - объем рассматриваемого образца смеси (Лещанский Ю.И., Ульянычев Н.В. Расчет электрических параметров песчано-глинистых грунтов на метровых-сантиметровых волнах // Изв. вузов. Радиофизика. 1980. Т.23. №5. С.529-532), а также следующей зависимостью, применяемой для определения эффективной диэлектрической проницаемости смесей, в том числе содержащих воду в качестве одной из компонент (Shiraiwa Т., Kobayashi S., Koyama A. et al. Microwave moisture gauge for limestone // Journal of Microwave Power. 1980. Vol 15. N 4. P.255-260):
i
I
0
Здесь V - объем i-й компоненты смеси (i=2, 3, …, n); ε - диэлектрическая проницаемость i-й компоненты; V - объем, занимаемый образцом смеси.
1
0
2
0
В формуле (4) объемные компоненты (V/V и V/V) выражаются через соответствующие им массовые значения:
в
c
3
3
где ρ=1 г/см - плотность воды; ρ - плотность сухого вещества (красного кирпича), которая при t=20÷60ºС есть 1,2 г/см (Теория и практика экспресс-влагометрии твердых и жидких веществ / Кричевский Е.С. и др. М.: Энергия. 1980. 240 с.).
p
р
р0
р
р0
р
р0
р
p
p0
р
С учетом оценок для величины ε при f=300 МГц находим, что при W=25% имеем f/f=0,2031; при W=22% - f/f=0,2265; а при W=28% - f/f=0,19. Следовательно, рабочий диапазон изменения резонансной частоты f составляет f/f=0,0365 (т.е. 3,65%). Это при частоте f=60 МГц заполненного материалом резонатора (при W=25%) дает величину ∆f=10 МГц (т.е. ~ 17%), которая является достаточно большой для проведения резонаторных измерений.
3
3
3
3
0
п
0
г
1
1
0
2
2
0
р
0
В рассматриваемой задаче красные кирпичи могут быть пористыми. В частности, на практике число прямоугольных пор может быть равным значению N=19. Общий объем пор, учитывающий размеры каждой из этих пор, для кирпича, имеющего габариты 24×12×6 см и, следовательно, объем V=1928 см, составляет величину V=325,6 см (т.е. ~ 17% от V). Объем глиняной массы есть V≈1602,4 см. При этом, в частности, при длине волны λ=3 см можно получить следующие оценки: при W=25%, положив в формуле (3) ε=13 (это диэлектрическая проницаемость влажного материала), V/V=0,83; ε=1; V/V=0,17; , получим ε≈10. Следовательно, наличие пор при данном значении влагосодержания снижает величину ε на ∆ε=2. Резонансная частота f при этом уменьшается при заполнении резонатора материалом по сравнению со значением f в 3,16 раза (в отсутствие же пор - в 3,6 раза).
0
В общем случае при проведении резонаторных измерений наличие пор в объеме V контролируемого материала можно учесть, используя следующее соотношение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. 280 с.):
0
р0
где E и Е- значения амплитуды напряженности электрического поля невозмущенного (V=0) и возмущенного введением в резонатор материала с объемом V; f - начальная (при V=0) собственная (резонансная) частота резонатора.
В первом приближении теории возмущений, считая распределение энергии электромагнитного поля равномерным в резонаторе, формулу (6) можно записать следующим образом:
В отрезке длинной линии требуемое в этом случае равномерное распределение энергии можно обеспечить, во-первых, путем подключения на концах этого отрезка сосредоточенных индуктивностей достаточно большой величины (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. 280 с.), а во-вторых, путем геометрического формирования требуемого распределения при изгибах участков отрезка линии.
р
р
р0
р
р0
р
р
р0
р
Используя формулу (7), получим при W=25% и f=300 МГц следующее значение f/f для пористого красного кирпича: f/f=0,223 (т.е. f=67 МГц), в то время как в случае цельного кирпича будем иметь, как получено выше, f/f≈0,2031 (т.е. f≈60 МГц).
р
р0
Далее, при бесконтактном расположении отрезка двухпроводной линии по отношению к влажной глиняной массе, наличие зазоров (как, например, на фиг.3, в) также приводит к снижению резонансной частоты, которое можно оценить с применением формулы (7). Считая величину каждого зазора 10 мм (это соответствует величине относительного объема 0,125), находим, что в результате резонансная частота есть f=0,251, f=75,3 МГц.
Данный способ, как это показано выше на примере измерения влагосодержания глиняной массы, может быть также эффективно применен и для других материалов и веществ, перемещаемых по конвейеру, содержащему металлические протяженные ролики.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять влагосодержание и другие физические свойства (концентрацию смеси, плотность) различные материалов и веществ, перемещаемых по ленточным конвейерам, транспортерам. Реализация данного способа характеризуется использованием элементов конструкций самих технологических установок для построения чувствительных элементов измерительных устройств и измерением информативных параметров таких чувствительных элементов, что существенно упрощает процесс измерения.