СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ПОТОКА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DYNAMIC MEASUREMENT OF ABSOLUTE HUMIDITY OF FLOW OF BULK MATERIAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике измерений влажности материалов и, главным образом, предназначено для непрерывного (динамического) измерения абсолютной влажности сыпучего материала, транспортируемого на конвейерной ленте. Изобретение может быть использовано при производстве минеральных удобрений, пищевой и деревообрабатывающей промышленности, а также в сельскохозяйственном производстве.
На современном уровне развития науки и техники известны следующие способы и устройства для динамического измерения влажности сыпучих материалов.
Известен способ непрерывного определения влажности сыпучих пищевых продуктов и устройство для его осуществления, в которых сыпучий материал пропускают под действием силы тяжести через измерительную и байпасную ячейки, уменьшают скорость истечения сыпучего материала через измерительную ячейку путем уменьшения ее проходного сечения, измеряют изменение электрической емкости измерительной ячейки с последующим установлением по измеренному значению влажности сыпучего материала, при этом усреднение пробы сыпучего материала осуществляют регулированием скорости истечения байпасного потока сыпучего материала путем изменения проходного сечения, объединенного за измеряемой и байпасной зонами потока сыпучего материала за счет обеспечения постоянным уровня сыпучего материала в байпасной зоне (патент на изобретение республики Казахстан №2957, МПК G01N 33/10, опубл. 15.12.1995, БИ №4). Недостаток способа заключается в том, что способ применим только для потоков сыпучего материала вертикального направления и не может быть использован, например, для измерения влажности сыпучего материала, транспортируемого на горизонтальной или наклонной конвейерной ленте.
Известен также способ измерения влажности вязких и сыпучих веществ и устройство для его осуществления, заключающийся в том, что исследуемое вещество помещают в емкостной датчик, который включают в измерительный колебательный контур, и измеряют резонансным методом диэлектрическую проницаемость вещества, по величине которой определяют влажность, при этом при измерении диэлектрической проницаемости емкость датчика преобразуют в индуктивное сопротивление измерительного колебательного контура, пропорциональное диэлектрической проницаемости вещества, помещенного в датчик, при этом первоначально измеряют диэлектрическую проницаемость сухого исследуемого вещества, которую имитируют с помощью образцового конденсатора, настраиваемого по емкости датчика, предварительно наполненного высушенным веществом, а искомую влажность находят расчетным путем (патент на изобретение республики Беларусь №3103, МПК G01N 27/22, опубл. 30.12.1999). Недостаток способа заключается в том, что он не может быть применен для непрерывного (динамического) измерения влажности, так как измерение влажности согласно способу осуществляется дискретно - путем отбора проб вещества и помещением их в емкостной датчик.
Известно устройство для измерения влажности сыпучих материалов, которое содержит генератор электрических импульсов и конденсаторный датчик. Генератор через балластный резистор соединен с конденсаторным датчиком, напряжение на котором с помощью второго балластного резистора измеряется измерителем напряжения. При этом конденсаторный датчик представляет собой изолированные влагостойким диэлектриком две пластины, находящиеся в одной плоскости: одну П-образную и находящуюся внутри ее полости прямую пластину, при этом взаимное расположение пластин соответствует букве «Ш» (патент РФ на изобретение №2685579, МПК G01N 27/22, опубл. 22.04.2019, БИ №12). Устройство предназначено для измерения влажности сыпучих материалов, в частности, почвы. Недостаток данного устройства заключается в том, что его нельзя использовать для измерения влажности движимых сыпучих материалов. Кроме того, электронная часть данного устройства обладает низкой помехозащищенностью, поэтому точность получаемых результатов также низка.
Известна полезная модель - датчик поточного влагомера сыпучих веществ, который содержит два электрода, образующих измерительный конденсатор, измерительный преобразователь емкости конденсатора, датчик-измеритель температуры сыпучего вещества, находящегося в сушилке, при этом он снабжен компенсатором начальной емкости датчика, обусловленной местом его установки, и автоматическим термокомпенсатором информативных параметров влажности, причем вход измерительного преобразователя емкости соединен с выходом компенсатора начальной емкости и выходом автоматического термокомпенсатора, электроды соединены с входом компенсатора начальной емкости, а выход датчика -измерителя температуры с входом автоматического термокомпенсатора (патент РФ на полезную модель №67718, МПК G01N 22/04, F26B 25/22, опубл. 27.10.2007). Недостаток данного датчика заключается в его низкой помехозащищенности от внешних электромагнитных полей, вследствие чего точность получаемых результатов при измерениях довольно низка.
Известен емкостный датчик влажности сыпучих материалов (патент РФ на изобретение №2374634, МПК G01N 27/22, опубл. 27.11.2009, БИ №33), который содержит корпус, в котором жестко закреплен штыревой электрод, при этом длина электрода, состоящего из двух обечаек большого диаметра, телескопически связанных между собой, изменяется под действием исполнительного механизма, расположенного внутри электрода в процессе калибровки датчика. Нижняя обечайка крепится к корпусу диэлектрическими трубами. Верхняя обечайка закрыта диэлектрическим конусом. Вращательное движение верхней обечайки относительно нижней предотвращает направляющая стойка, жестко закрепленная в верхней обечайке. В пазах корпуса в нижней его части смонтирована заслонка с приводным механизмом. Недостаток указанного датчика заключается в том, что его нельзя использовать непосредственно при измерениях на конвейере -датчик рассчитан на отбор проб сыпучего материала.
Известен емкостный датчик для измерения влажности сыпучих материалов, который состоит из основания, низкопотенциального и высокопотенциального электродов, закрепленных в изоляторе и электромагнита, при этом верхние части, образующие приемную камеру датчика, измерительных электродов изготовлены из диэлектрика и со стороны плоскости загрузки продукта выполнены с уклоном по длине, угол которого равен углу естественного откоса измеряемого продукта (Авт. свид. СССР №1509714, МПК G01N 27/22, опубл. 23.19.1989, БИ №35). Данному датчику присущ недостаток предыдущего аналога - его нельзя использовать непосредственно при измерениях на конвейере - датчик рассчитан на отбор проб сыпучего материала.
Наиболее близким по технической сути является способ и реализующее его устройство (прототипы) для измерения влажности потока сыпучего материала, которые реализуют емкостный способ измерения влажности (Лукьянов В.Г. Измеритель влажности сыпучих материалов в потоке с повышенной точностью // Ползуновский альманах. №2. 2008. С. 98-100). Согласно способу-прототипу, из движущего потока сыпучего материала выделяются две, примерно равные, части, в одной из которых изменяют плотность потока, воздействуя на него постоянным электрическим полем. В обеих частях потока измеряют диэлектрическую проницаемость или электрическую емкость и по соотношению измеренных значений судят о влажности. Устройство, которое реализует данный способ, содержит два датчика-конденсатора, каждый из которых который подключен к своему измерителю емкости. К измерителям электрической емкости подсоединен измеритель отношения емкостей, проградуированный в единицах влажности. При измерении движущийся поток сыпучего материала заполняет датчики-конденсаторы. При подаче высокого постоянного напряжения (2-3 кВ) на обкладки одного из датчиков-конденсаторов в его межэлектродном пространстве возбуждается электрическое поле, которое тормозит гравитационное истечение сыпучего материала, что в свою очередь, вызывает повышение плотности измеряемого материала в зоне данного датчика-конденсатора. Таким образом, в данном устройстве осуществляется искусственное уплотнение сыпучего материала высоким напряжением постоянного тока, а в качестве информационного параметра при измерении влажности используется либо отношение электрических емкостей, либо отношение частот генераторов, в колебательные контуры которых включены датчики-конденсаторы. Недостаток способа-прототипа заключается в том, что он не может обеспечить требуемую чувствительность реализующего его устройства при малых значениях влажности сыпучего материала ввиду того, что значение информационного параметра (разностного сигнала) в таком случае, главным образом, определяется диэлектрической проницаемостью высушенного сыпучего материала, и в гораздо меньшей степени - его влажностью. Для сыпучих материалов с высокой диэлектрической проницаемостью разностный сигнал может оказаться таким малым, что его регистрация будет либо невозможна, либо будет осуществляться с высокой погрешностью. Недостатки устройства-прототипа следуют из недостатков способа, кроме того, так как для функционирования устройства требуется высокое постоянное напряжение (2-3 кВ), то это существенно ограничивает применение данного устройства в условиях производства минеральных удобрений и в сельскохозяйственном производстве, где, согласно требованиям безопасности, применение высокого напряжения не рекомендуется или запрещено.
Цель изобретения - обеспечение возможности непрерывного (динамического) измерения влажности движущегося сыпучего материала с заданной точностью.
Указанная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу динамического измерения абсолютной влажности потока сыпучего материала в потоке сыпучего материала формируют измерительную базу, для этого в заданном объеме разделяют исходный поток сыпучего материала на два равнонаправленных потока, в пределах заданной точности, равных друг другу по габаритным размерам, которые предварительно определяют экспериментальным путем исходя из условия обеспечения наилучшей гидродинамики обтекания измерительной базы сыпучим материалом и обеспечения ее максимальной чувствительности к влажности, после чего на границе раздела полученных равнонаправленных потоков создают электрический потенциал заданной величины, а на их внешних границах создают потенциал нулевой величины, затем измеряют электрическую энергию, накапливаемую измерительной базой за счет движения в ней сыпучего материала, по величине измеренной электрической энергии находят абсолютную влажность исходного потока сыпучего материала, при этом используют градуировочную зависимость электрической энергии от абсолютной влажности, которую для данной измерительной базы предварительно получают с помощью одного из наиболее точных стационарных способов измерения абсолютной влажности, например, с помощью способа высушивания.
Заявленный способ реализуется с помощью устройства для динамического измерения влажности потока сыпучего материала, которое содержит первичный преобразователь и электронную преобразующую часть, соединенные друг с другом при помощи коаксиального кабеля, где первичный преобразователь образован тремя вертикально-ориентированными металлическими пластинами с заданными размерами, электроизолирующей втулкой и крепежной штангой, причем две пластины имеют нулевой электрический потенциал, расположены друг относительно друга на заданном расстоянии и под заданным углом, прикреплены к электроизолирующей втулке и электрически связаны друг с другом, с крепежной штангой и с общим нулем электронной преобразующей части, третья пластина выполнена с размерами, на заданную величину меньшими размеров двух других пластин, имеет электрический потенциал заданной величины, расположена осесимметрично между двумя другими пластинами, закреплена в электроизолирующей втулке и с помощью коаксиального кабеля электрически связана с одной из вершин измерительного моста и с входом одного из повторителей напряжения электронной преобразующей части устройства, которая, в свою очередь, образована генератором переменного напряжения, измерительным мостом, компаратором напряжения, двумя повторителями напряжения, последовательно соединенными дифференциальным усилителем, фазочувствительным детектором, предварительным фильтром нижних частот, усилителем напряжения, оконечным фильтром нижних частот, усилителем мощности и регистрирующим устройством, при этом измерительный мост образован тремя конденсаторами, двумя постоянными и одним переменным резисторами, первичный преобразователь подключен в одно из плеч измерительного моста, выход генератора переменного напряжения, вход компаратора напряжения и входы двух повторителей напряжения подключены к разным вершинам измерительного моста, а выход компаратора напряжения подключен к входу фазочувствительного детектора, длина коаксиального кабеля такова, что его электрическая емкость соизмерима с электрической емкостью первичного преобразователя, кроме того, при градуировке устройства его чувствительность регулируется коэффициентом усиления усилителя напряжения, а начальное установочное значение выходного напряжения устройства регулируется с помощью переменного резистора измерительного моста.
д
Сущность заявленных способа и устройства поясняется фиг. 1-6. На фиг. 1 представлена схема разделения исходного потока сыпучего материала на два равнонаправленных потока, на фиг. 2 представлен примерный вид градуировочной зависимости полной емкости измерительной базы С от абсолютной влажности сыпучего материала ω, на фиг. 3 представлена электронная блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 4 - эскиз первичного преобразователя заявляемого устройства, на фиг. 5 - вид первичного преобразователя со стороны набегающего исходного потока сыпучего материала, на фиг. 6 - временная диаграмма работы электронной преобразующей части устройства,
В основу заявляемого способа и принципа действия заявляемого устройства положен электроемкостной метод измерения влажности, согласно которому влажность исследуемой среды влияет на диэлектрическую проницаемость среды, и это влияние регистрируется электрической емкостью первичного преобразователя-конденсатора, в который эта среда помещена. На данном принципе, по сути, построены все разновидности емкостных способов измерения влажности материалов, веществ, изделий.
В заявленном способе, аналогично способу-прототипу, предлагается разделять исходный поток сыпучего материала на два потока, но в отличие от прототипа - на два равнонаправленных и в пределах заданной точности равных потока и затем в их объеме формировать измерительную базу (фиг. 1). В отличие от прототипа, операция разделения потока на два потока имеет целью повышение чувствительности измерительной базы за счет суммирования откликов от каждого потока, а также - повышение помехозащищенности измерительной базы за счет создания нулевого электрического потенциала на внешних границах разделенных потоков. Электрическая энергия W, накапливаемая измерительной базой за счет движения в ней сыпучего материала описывается соотношением:
где
q - электрический заряд на границе раздела потоков,
1
2
1
3
U=ϕ-ϕ=ϕ-ϕ - разность потенциалов между границей раздела потоков и их внешними границами,
д
С - полная электрическая емкость измерительной базы.
д
Из (1) следует связь полной электрической емкости измерительной базы С с разностью потенциалов и электрическим зарядом q:
В свою очередь, так как потоки равные и равнонаправленные, то заряд, накапливаемый измерительной базой при прохождении через нее сыпучего материала, равен:
где
0
ε - диэлектрическая постоянная,
ε - диэлектрическая проницаемость сыпучего материала, которая зависит от диэлектрических свойств сыпучего материала и его влажности ω,
S - площадь сечения измерительной базы по глубине потока сыпучего материала,
D - размер каждого равнонаправленного потока в направлении, поперечном потоку (фиг. 1). Указанный размер подбирается индивидуально для каждого типа потока сыпучего материала и определяется экспериментальным путем. При подборе необходимо стремиться обеспечить минимальное значение размера D (т.е. максимум значения полной электрической емкости Сд), но при этом данный минимальный размер должен обеспечивать нахождение в измерительной базе достаточное для анализа количество сыпучего материала, поэтому рекомендательное значение составляет D≈10d, где d - средний диаметр гранул (частиц) сыпучего материала.
Из соотношений (3), (2) следует соотношение для полной электрической емкости измерительной базы и диэлектрической проницаемости сыпучего материала (в т.ч., его влажности):
д
д
д
д0
Таким образом, измерив полную электрическую емкость измерительной базы С при прохождении через нее исследуемого сыпучего материала, и используя предварительно полученную градуировочную зависимость емкости С от влажности ω исследуемого сыпучего материала, можно получить искомое значение абсолютной влажного данного материала. Примерный вид градуировочной зависимости С=f(ω) представлен на фиг. 2, на которой значение С соответствует сыпучему материалу с нулевой влажностью и определяется исключительно только диэлектрической проницаемостью сыпучего материала, т.е. его физико-химическими свойствами. Градуировочную зависимость необходимо получать более точным способом, например, способом высушивания, в котором используются операции отбора проб и измерения абсолютной влажности путем взвешивания пробы до и после сушки.
Наилучшее заполнение объема измерительной базы движущимся сыпучим материалом и наилучшая гидродинамика ее обтекания достигаются в случае, когда внешние границы равнонаправленных потоков расположены под некоторым малым углом α по отношению друг к другу. Конкретное значение данного угла α подбирается экспериментально для каждого потока сыпучего материала индивидуально и может составлять 0-10° или более.
Устройство для динамического измерения абсолютной влажности состоит из первичного преобразователя влажности 1 и электронной преобразующей части 2, которые связаны между собой коаксиальным кабелем 3 (фиг. 3). Первичный преобразователь влажности 1 выполняет функцию двойного электрического конденсатора, который образован тремя металлическими пластинами 16, 17, 18, прикрепленными к втулке 19 из диэлектрического материала, например, из фторопласта или из стеклотекстолита (фиг. 4, 5). При этом пластины 17, 18 электрически связаны друг с другом и с крепежной штангой 22 при помощи металлических стержней 19, 20 и выполняют функцию низкопотенциального (нулевого, заземленного) электрода электрического конденсатора. Пластины 17, 18 расположены друг по отношению к другу в виде клина с углом α=5-10°. Такое расположение пластин 17, 18 обеспечивает наиболее полное заполнение межэлектродного пространства электрического конденсатора измеряемым сыпучим материалом и наилучшую гидродинамику обтекания. Пластина 16 выполняет функцию высокопотенциального электрода, неподвижно закреплена во втулке 19, расположена вдоль оси симметрии межэлектродного пространства пластин 17, 18 и не выступает за его пределы. Габаритные размеры пластины 16 приблизительно на 10% меньше одноименных размеров пластин 17, 18, что обеспечивает ее наилучшее обтекание измеряемым сыпучим материалом и повышенную помехозащищенность (фиг. 5). Габаритные размеры пластин 17,18 одинаковы, а их толщина, равно как и толщина пластины 16, выбрана исходя из требования к прочности первичного преобразователя влажности 1 и обычно составляет 3-5 мм. При этом, габаритные размеры пластин 16, 17, 18 выбирают исходя из условия достижения максимально-возможной для данного потока сыпучего материала электрической емкости конденсатора - чем больше указанные размеры, тем больше электрическая емкость конденсатора и тем выше чувствительность устройства к изменениям влажности.
д
7
8
14
д
14
-1
Электронная преобразующая часть 2 устройства (фиг. 3) состоит из генератора переменного напряжения 5, измерительного моста 4, образованного первичным преобразователем влажности 1, имеющим электрическую емкость С, переменным резистором R1, двумя резисторами постоянного номинала R2, R3, а также тремя конденсаторами С1,С2,С3 одинакового номинала; компаратора напряжения 6, двух повторителей напряжения 7, 8, дифференциального усилителя 9, фазочувствительного детектора (ФЧД) 10, предварительного фильтра нижних частот 11, усилителя напряжения 12, оконечного фильтра нижних частот 13, усилителя мощности 14 и регистрирующего устройства 15. Предварительный фильтр нижних частот 11, усилитель напряжения 12 и оконечный фильтр нижних частот 13 в совокупности образуют фильтр нижних частот (ФНЧ) высокой добротности. С помощью переменного резистора R1 регулируется разность входных напряжений компараторов напряжения U,U, т.е. - устанавливается требуемое начальное значение выходного сигнала устройства U. При этом, номинал электрического сопротивления переменного резистора R1 определяют из условия R=(fC), где f - частота синусоидального напряжения на выходе генератора переменного напряжения 5 (фиг. 6). Регистрирующее устройство 15, в зависимости от потребностей эксплуатанта устройства для измерения влажности, может быть либо шкального типа, либо цифрового типа с возможностью компьютерной обработки измеряемого сигнала. Для надежной регистрации сигнала U электрическая емкость коаксиального кабеля 3 должна не более, чем на 50% превышать максимальную из электрических емкостей конденсаторов С1,С2,С3.
14
д
д
14
Устройство используется и работает следующим образом. Предварительно выполняют градуировку устройства в лабораторных условиях на том же самом материале, влажность которого планируют измерять. При градуировке выходному напряжению устройства U ставят в соответствие абсолютную влажность сыпучего материала ω, которую измеряют, например, методом высушивания. После этого устанавливают первичный преобразователь 1 непосредственно в поток сыпучего материала и фиксируют его положение, при этом используют крепежную штангу 22. Поток сыпучего материала, набегая на первичный преобразователь 1, полностью заполняет межэлектродное пространство первичного преобразователя 1, при этом электрическая емкость первичного преобразователя С пропорциональна влажности данного сыпучего материала (соотношение 4, фиг. 2). В зависимости от значения электрической емкости С, т.е. влажности, электронная преобразующая часть 2 формирует значение выходного сигнала U, которое регистрируется регистрирующим устройством 15.
5
7
8
7
8
д
9
9
6
10
11
14
14
Электронная преобразующая часть 2 работает следующим образом. Синусоидальное напряжение U (рекомендуемый диапазон используемых частот f=1-100 кГц) с рекомендуемой амплитудой 5-10 В с выхода генератора переменного напряжения 5 поступает одновременно в общую точку резисторов R2,R3 и на вход компаратора напряжения 6. Напряжения U,U поступают на входы повторителей напряжения 7, 8, соответственно, выходные сигналы с которых подаются на входы дифференциального усилителя 9, имеющего одинаковые коэффициенты усиления напряжения по обоим входам. Амплитуды напряжений U,U зависят от соотношения плеч переменного резистора R1 и значения электрической емкости С первичного преобразователя 1, т.е. от влажности. В зависимости от влажности измеряемого сыпучего материала на выходе дифференциального усилителя 9 устанавливается синусоидальное напряжение U, амплитуда которого пропорциональна влажности данного материала. Указанное напряжение U подается на вход ФЧД 10, куда также подаются управляющие импульсы U отрицательной полярности с компаратора напряжения 6. ФЧД 10 выполняет функцию детектирования сигнала и на своем выходе выдает напряжение U, которое далее поступает в предварительный фильтр нижних частот 11, в котором срезаются верхние частоты (выше 50 Гц). С выхода предварительного фильтра нижних частот 11 его выходное напряжение U последовательно усиливается в усилителе напряжения 12, дополнительно фильтруется от сетевой и прочих помех в оконечном фильтре нижних частот 13, усиливается по мощности в усилителе мощности 14 и поступает на вход регистрирующего устройства 15. Величина электрического напряжения U, зарегистрированная регистрирующим устройством 15, пропорциональная влажности измеряемого сыпучего материала. Для перехода от величины напряжения U к значению абсолютной влажности используют полученную предварительно градуировочную зависимость выходного напряжения устройства от абсолютной влажности, которая имеет вид, аналогичный зависимости, представленной на фиг. 2.
Заявленные способ и устройство обеспечивают непрерывное (динамическое) измерение абсолютной влажности потока сыпучего материала с точностью, достаточной для принятия оперативного решения о качестве технологического процесса производства данного сыпучего материала.