Датчик влажности зерна в потоке
Датчики влажности для автоматизации увлажнения зерна.
Увлажнение зерна перед размолом на мукомольных предприятиях является одним из
важнейших условий повышения качества производимой продукции. При грамотном увлажнении улучшаются помольные качества зерна, уменьшается нагрузка на мукомольные машины, уменьшается зольность муки за счет более полного удаления оболочек, как результат – увеличивается белизна и выход муки высших сортов, для достижения этих преимуществ необходимо как можно точнее стабилизировать влажность зерна подаваемого на первую дранную систему.
Но на точность измерения существующими датчиками влияют следующие факторы:
- На мукомольных предприятиях для получения качественной сортовой муки обрабатывают различные виды зерна, в частности, различные смеси зерен.
- Зерно – продукт природный, а не искусственный, откалиброванный.
Зерновая масса неоднородна по составу, что обусловлено особенностями созревания отдельных растений и каждой зерновки. Например, масса одной зерновки пшеницы находится в диапазоне от 30 до 50 мг.
- Факторы, оказывающие влияние на влажность отдельно взятой пробы зерна как то: структура зерна, формы пор, их размеры, характер распределения влаги, наличие на измеряемом зерне поверхностной влажности, загрязнений и др.
Поэтому одной из важнейших задач при помоле является обеспечение автоматизированного измерения влажности зерна вне зависимости от свойств как данной помольной партии, так и смены зернового состава.
Основные физические принципы для измерения влажности и возможность их применения для измерения влажности зерна.
Базой измерения для электронных датчиков влажности зерна всегда является функциональная связь электрических свойств (емкости, сопротивления и др.) зерна от влажности, что позволяет получить на выходе электрический выходной сигнал, как более приспособленный для измерения, усиления, передачи, обработки средствами современной электроники и микропроцессорной техники.
Так, в кондуктометрических измерителях используются функциональная зависимость электрической проводимости материала от влажности. Зерно, являясь в сухом виде диэлектриком, в результате увлажнения становится проводящим. Удельное сопротивление влажного зерна изменяется в зависимости от содержания влаги в достаточно широком диапазоне. Использовать для точного измерения влажности зерна кондуктометрические датчики достаточно проблематично. Особенно сложно кондуктометрическими измерителями контролировать малые влажности, когда электрическое сопротивление еще очень велико, а мешающие факторы вносят большую погрешность. В наиболее важном для контроля диапазоне 5-17 % даже отдельно взятое зерно имеет сопротивление десятки МОм. Для пробы зерна порядок значений сопротивления будет еще больше. Измерить сопротивление в сотни Мом с малой погрешностью технически непросто и соответственно сложно получить точное значение влажности. Кондуктометрический метод измерения вполне подходит для материалов, имеющих невысокое первоначальное сопротивление, но трудно реализуем для поточных датчиков зерна.
Второй, основной, «электрический» метод определения влажности зерна, основан на зависимости диэлектрической проницаемости зерна от его влажности. Зерно в сухом виде имеет диэлектрическую проницаемость до 10 единиц, диэлектрическая проницаемость воды – порядка 81 безразмерной единицы. Если какой-либо материал содержит влагу, то в общую диэлектрическую проницаемость вносит вклад как сам материал, так и вода. По измеренной диэлектрической проницаемости можно определить процентное содержание воды в зерне.
Основываясь на зависимости диэлектрической проницаемости от влажности, изготавливают диэлькометрические датчики влажности зерна. Одной из разновидностей диэлькометрических влагомеров являются емкостные датчики влажности зерна. Емкостные датчики позволяют производить контроль влажности по величине электрической емкости конденсатора, между обкладками которого находится зерно. Измеряемая емкость является функцией диэлектрической проницаемости и соответственно влажности контролируемого материала.
Вообще диэлектрическая проницаемость любой среды фактически характеризует ее реакцию на электрическое поле. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем медленнее распространяется радиосигнал. Измеряя время прохождения радиоволн через материал, и зная толщину материала, можно вычислить его диэлектрическую проницаемость – соответственно влажность.
Основываясь на измерении диэлектрических свойств материала в электромагнитном высокочастотном поле, действуют СВЧ влагомеры. В СВЧ влагомерах используется зависимость параметров волны (амплитуды, фазы, частоты) от влажности зерна.
Диэлькометрические датчики (емкостные) и однопараметрические СВЧ-влагомеры оказываются в сильной зависимости от свойств зерна, так как невозможно учесть все свойства зерна и потока только по диэлектрической проницаемости или по изменению, допустим, амплитуды волны..
Для получения точных значений влажности такими датчиками в условиях поточного измерения необходимо обеспечить воспроизводимость факторов, влияющих на результаты измерения. Как правило, нужно стабилизировать плотность потока в измерительном пространстве чувствительного элемента, обеспечить стабильность измерительной ячейки, особенно при возможности загрязнения, меняющаяся жесткость воды – это в производственных условиях вынуждает к использованию дополнительных приспособлений, либо к введению поправок на аппаратную погрешность. По меньшей мере, после каждой смены одного сорта зерна на другой или после изменения состава помольной партии, необходимо проводить новую калибровку датчика влажности для достижения необходимой точности измерения. Это влечет за собой необходимость проводить достаточно трудоемкие лабораторные измерения. Вместе с тем
это означает определенные ограничения для существующих приборов измерения влажности, основанных на диэлькометрических свойствах зерна.
В конечном итоге нам необходимо определить влажность продукта, а не учитывать и пересчитывать в поправки к измеренной влажности различные свойства зерна, во многих случаях не поддающиеся учету.
Влияние физических свойств зерна математически можно устранить по принципу: есть две неизвестные переменные (влажность и свойства зерна), для однозначного решения необходимы минимум два уравнения. Что означает: при построении датчика влажности, не зависящего от свойств зерна, необходимо организовать измерение влажности по нескольким параметрам являющимся функцией влагосодержания.
Одним из приборов, реализующих такой способ измерения влажности, является многопараметрический СВЧ датчик влажности.
Принцип действия датчика влажности поясняется на рис.1.
Рис. 1.
При отсутствии зерна в трубке измерительный резонатор имеет собственную частоту F0и и амплитуду А0и. После заполнения трубки зерном с влажностью, например, около 10 % частота и амплитуда уменьшаются до значений F1и и А1и , а с увеличением влажности зерна – до 17 % происходит еще большее изменение частоты и амплитуды (F2и и А2и).
Таким образом, измеряя значение частоты и амплитуды, получаем однозначную связь между указанными параметрами и влагосодержанием зерна. Изменениями величины или сорта зерна, постоянно компенсируются в самом датчике путем решения наших двух уравнений.
Введение же дополнительной «опорной» частоты излучения, не взаимодействующей с зерном, позволяет избавиться дестабилизирующих факторов: изменения температуры и влажности воздуха, изменения мощности генератора, температурной нестабильности элементов, старение элементов СВЧ тракта и т.п.
Такой способ измерения влажности обладает наиболее достижимой на сегодняшний день точностью. Датчик – бесконтактный, легко встраивается в поток, не требует дополнительных приспособлений, устройств подготовки пробы, способствующих засорению измерительного канала , бесконечных калибровок, имеет минимум ручных настроек и оказался наиболее приспособленным и удобным в обслуживании для автоматизации процесса увлажнения зерна.