ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Куцевол Олег Миколайович

УДК 621.317:578.087

РАДІОЧАСТОТНІ МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ КОНТРОЛЮ

ВОЛОГОСТІ ЗЕРНА

Спеціальність 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри метрології та промислової автоматики

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Порєв Володимир Андрійович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

завідувач кафедри наукових, аналітичних та екологічних приладів і систем

доктор технічних наук, професор

Петрук Василь Григорович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри хімії та екологічної безпеки

Захист відбудеться 6 жовтня 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, к.210, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95

Автореферат розісланий 4 вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради С. В. Павлов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зерно пшениці і інших злакових культур є складною капілярно-пористою системою зі значним вмістом живої білкової речовини. В таких системах волога знаходиться як в вільному, так і в зв’язаному стані. Ця обставина, а також те, що зерно як об’єкт контролю характеризується нестабільністю пористості та діелектричних втрат, не дають можливості ефективно застосувати існуючі нині напівавтоматизовані та автоматизовані засоби визначення вологості, похибки яких значно перевищують задекларовані значення.

Саме ця обставина призводить до того, що в переважній більшості галузевих лабораторій донині для контролю вологості використовують трудомісткий та енергозатратний гравіметричний метод як метод, що дає результати, близькі до об’єктивних. Стандартний термогравіметричний метод контролю вологості зерна передбачає на одне вимірювання мінімум 1 годину і 20 хвилин, при цьому абсолютна похибка вимірювання дорівнює 0,5% при споживаній потужності 2 кВт. Окрім цього цей метод можна використовувати тільки в лабораторних умовах.

Відомі засоби контролю вологості та вологометричні системи, що базуються на електричних методах вимірювання вологості, відповідають задекларованим похибкам тільки при роботі з матеріалами, що мають стабільні пористість і діелектричні втрати. Зерно, як об’єкт контролю, має нестабільні пористість і хімічний склад. Ці його властивості призводять до того, що визначення вологості відомими методами дають неоднозначні результати.

Таким чином, пошук нових методів та засобів контролю вологості на їх основі, які були б вільні від вказаних недоліків, є завданням, вирішення якого має важливе народно-господарське значення, адже заниження вологості зерна навіть на один відсоток призведе до того, що сотні тисяч тон води буде реалізовано за ціною зерна, а при зберіганні вологого зерна на елеваторах в результаті складних біохімічних процесів якість його зменшиться і виробники нестимуть величезні збитки. Тому розроблення нових методів та засобів контролю вологості зерна є актуальним науковим завданням. Його вирішення дозволить підвищити вірогідність контролю, знизити енергозатрати та зменшити ризики як виробників, так і споживачів зерна.

Визначний вклад в створення електричних методів і пристроїв контролю вологості на їх основі внесли: М. А. Берлінер, Ю. П. Секанов, Є. С. Кричевський, В. О. Поджаренко, С. І. Пятін, Ю. О. Скрипник, Б. І. Невзлін, Н. С. Дубров, І. М. Федоткін, М. І. Бандак, Ю. В. Крушевський, М. О. Куцевол та ін.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України за фаховим напрямом “Приладобудування”, затвердженого наказом Міністерства освіти і науки України від 13.02.97 р. (номер державної реєстрації 0197U012881), держбюджетною темою № 42-Д-218 “Розробка теоретичних засад оптимізації в теплоагрегатах та системи автоматизованого контролю технологічних параметрів і екологічного моніторингу” (номер державної реєстрації 0100U002929), а також договором про творчу співдружність між Вінницьким національним технічним університетом та ЗАТ “Вінницямлин” № 42/03 від 03.01.05 р.

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є зменшення похибок засобів контролю вологості за рахунок розроблення нових методів контролю вологості зерна, незалежних від нестабільних діелектричних втрат і пористості.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи контролю вологості; розробити нові методи, що використовують нові інформативні параметри, незалежні від основних заважальних факторів, або ж використати нову взаємодію відомих параметрів;

- обґрунтувати вибір математичної моделі інформативного параметра зразка зерна та розробити алгоритм контролю вологості за вибраною моделлю;

- дослідити частотні характеристики зразка зерна та вибрати частотний діапазон із високою дисперсією характеристик;

- розробити структури засобів контролю вологості зерна з незначним та великим вмістом вільної вологи;

- отримати рівняння градуювання засобів контролю вологості і перевірити їх адекватність;

- оцінити похибки засобів контролю вологості та виконати дослідні випробування засобів контролю вологості зерна.

Об’єктом дослідження є контроль вологості матеріалів.

Предметом дослідження є методи та засоби неруйнівного експресного контролю вологості зерна.

Методи дослідження основані на фундаментальних положеннях теорії вимірювань, теорії похибок та теорії електричних кіл. При розробці нових методів контролю використовувався метод комплексних амплітуд. При розробці математичної моделі основного інформативного параметра використовувались методи планування експерименту і математичного моделювання. При розробці рівнянь градуювання використовувався метод регресійного аналізу. При аналізі результатів експериментальних досліджень використовувався ймовірнісно-статистичний метод.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна полягає в тому, що:

1. Вперше розроблено адекватні електрофізичні моделі об’єкта контролю для середнього радіочастотного діапазону, які відрізняються від відомих меншою кількістю електричних елементів, простотою реалізації, що дозволило застосувати їх для визначення інформативних параметрів, незалежних від нестабільних пористості та діелектричних втрат.

2. Вперше обґрунтовано різновид методу високочастотної діелектрометрії, який, на відміну від відомих, відрізняється тим, що використовує векторну діаграму для визначення ємнісної складової струму чутливого елемента і це дало змогу одержати адаптивність результату контролю до нестабільних діелектричних втрат.

3. Отримав подальший розвиток метод контролю зв’язаної вологи в зерні, який базується на відомих дослідженнях і передбачає їх нове застосування, та одержана математична модель, що пов’язує кількісно зв’язану вологу з коефіцієнтом діелектричних втрат матеріалу і дає можливість визначати вміст зв’язаної вологи не тільки в зерні, а й в інших капілярно-пористих матеріалах.

4. Вперше застосовано новий інформативний параметр – коефіцієнт відносного приросту ємнісної складової струму чутливого елемента, який відрізняється від існуючих тим, що не залежить від нестабільного гранулометричного складу зерна (пористості) і дозволяє суттєво зменшити похибку, яка в існуючих засобах контролю вологості досягає 5 – 10%.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено та впроваджено прилад для контролю вологості зерна з покращеними метрологічними характеристиками (абсолютна похибка не перевищує 0,2% до результатів одержаних арбітражним термогравіметричним методом ГОСТ 29144-91);

- розроблено алгоритми контролю сильно- та слабкозволоженого зерна, що покладені в основу функціонування мікроконтролера і це дозволило зменшити час контролю у 80 разів у порівнянні з часом вимірювання за ГОСТ 13586.5-93, рекомендованим для галузевих лабораторій;

- розроблено алгоритм контролю вмісту зв’язаної вологи в зерні, що дозволило визначити цей параметр з абсолютною похибкою 0,2% до результатів одержаних арбітражним термогравіметричним методом за ГОСТ 29144-91;

- розроблено структури засобів контролю вологості сильно- та слабкозволоженого зерна та структуру засобу контролю зв’язаної вологи в зерні;

- одержано аналітичні вирази градуювальних характеристик, що дозволяють автоматизувати процес контролю і при необхідності легко розширити перелік контрольованих матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати одержано автором самостійно. В дослідженнях автору належить: [5,6,10] – застосування методу визначення дійсної ємності матеріалу; [1,7,8,9,11,12] – використання методу визначення ємнісної складової комплексного струму чутливого елемента, використання методу визначення вмісту зв’язаної вологи сипких матеріалів; [2,11] – визначення вихідної напруги первинного перетворювача на базі ємнісного чутливого елемента, розроблення рівняння градуювання; [3] – застосування регресійного аналізу до визначення математичної моделі тангенса кута діелектричних втрат зерна пшениці, застосування одиничної функції за частотою; [4,13] – розроблення структурних схем засобів контролю вологості.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації і результати досліджень доповідались, обговорювались і одержали схвалення фахівців на таких міжнародних науково-технічних конференціях: “Контроль і управління в технічних системах”, м. Вінниця, 1999; “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, м. Хмельницький, 2002.

Публікації. Результати дисертації опубліковано у тринадцяти наукових працях, в тому числі: 5 статтях в провідних наукових фахових виданнях, 3 патентах України на винахід, 1 патенті України на корисну модель та 4 статтях у матеріалах конференцій.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, переліку використаних джерел, додатків. Повний об’єм дисертації 148 стор., шість додатків на 23 сторінках і перелік використаних джерел з 152 на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність задач, що вирішуються в дисертаційній роботі, вибрано основні напрямки дослідження, визначено мету роботи, викладено основні результати, які винесено на захист.

У першому розділі на основі аналізу досліджень провідних вчених в області вологометрії (П. А. Ребіндера, М. А. Берлінера, Є. С. Кричевського, І. М. Федоткіна та ін.) систематизовано відомості про “вільну” та “зв’язану” вологу.

Описано механізм та умови існування “зв’язаної” вологи в капілярно-пористих матеріалах, до яких відноситься і зерно сільськогосподарських культур, і їх фізико-механічні властивості, обумовлені кількісними характеристиками та спввідношенням “вільної” та “зв’язаної” вологи.

Систематизовано відомі нині методи визначення вологості та проведено їх короткий аналіз. На базі проведеного аналізу виділено основні проблеми контролю вологості зерна та шляхи їх вирішення і обґрунтовано вибір методу високочастотної діелектрометрії.

Сформовано основні вимоги до засобів контролю вологості зерна як пристроїв, що працюють з капілярно-пористими матеріалами, які мають нестабільні діелектричні втрати і пористість.

З врахуванням особливостей досліджуваного матеріалу сформульовано задачі досліджень, серед яких основними є розроблення нових методів контролю вологості, незалежних від нестабільних діелектричних втрат і пористості, вибір оптимального частотного діапазону, розроблення структур засобів контролю вологості зерна на базі нових методів та оцінка похибок контролю.

В другому розділі систематизовано відомості про основні діелектричні параметри капілярно-пористих матеріалів: діелектричну проникність та тангенс кута діелектричних втрат.

Розкрито механізм виникнення діелектричних втрат, що базується на поляризаційних ефектах в діелектрику.

Досліджено частотні та температурні характеристики (f), (T) вологого зерна пшениці, в результаті чого виявлено велику залежність цього параметру не тільки від вологості, а й від температури та нестабільного гранулометричного складу.

Високу чутливість до вологості та значно кращу захищеність мають відносні інформативні параметри:

- відносний кут нахилу частотної характеристики u(f)

, (1)

де U1 та U2 – вихідна напруга первинного вимірювального перетворювача на частотах f1 та f2 відповідно;

- коефіцієнт відносного приросту уявної складової ємнісного струму чутливого елемента

, (2)

де – модуль приросту уявної складової ємнісного струму чутливого елемента на частотах f1 і f2 відповідно.

Аналіз літературних джерел показав, що повна еквівалентна схема вологого капілярно-пористого матеріалу, яка враховує поляризаційні ефекти в широкому діапазоні частот, може бути спрощена для діапазону з високою дисперсією частотної характеристики і мати два різновиди, що включають опір діелектричних втрат Rд, опір прямої провідності R, ємність незаповненого чутливого елемента С0 та ємність матеріалу См.

Рис.1. Еквівалентний аналог слабко- Рис.2. Еквівалентний аналог сильно-

зволоженого зразка зерна зволоженого зразка зерна

Перший різновид (рис. 1) відбражає поведінку вологого капілярно-пористого матеріалу при вологості W < 18%, другий – при вологості W > 18% (рис. 2).

Шляхом комп’ютерного моделювання підтверджено еквівалентність електричних аналогів об’єкту контролю в діапазоні довгих і середніх радіохвиль.

Проведено дослідження зерна шляхом повного факторного експерименту. Досліджувались в якості інформативних такі параметри: діелектрична проникність , відносний кут нахилу ’ характеристики (f) та коефіцієнт відносного приросту уявної складової струму чутливого елемента К при вологостях 18% – 28%, де вплив збурюючих факторів найбільший, а також найбільші активні втрати. В результаті найбільш оптимальним виявився параметр К, а в якості математичної моделі вибрано вираз (3):

, (3)

де х1, х2, х3 – відповідно температура, шпаруватість, вологість.

Як видно з (3) вибраний інформативний параметр має велику залежність від вологості і незначну – від температури і шпаруватості.

Третій розділ включає розроблення нових діелектрометричних методів контролю вологості: методу контролю вмісту зв’язаної вологи в капілярно-пористих матеріалах, методу визначення дійсної ємності матеріалу зі значними діелектричними втратами і нестабільною пористістю, методу вимірювання дійсної ємності капілярно-пористих матеріалів з невеликим вмістом вільної вологи.

Капілярно – пористі матеріали характеризуються значним вмістом зв’язаної вологи Wз = (5 – 15%), яка за своїми діелектричними властивостями відрізняється від вільної вологи. Діелектрична проникність вільної вологи в = 80 – 81, тоді як зв’язана волога має зв = 2 – 5, що мало відрізняється від діелектричної проникності сухого залишку. Така велика кількість зв’язаної вологи в капілярно–пористих матеріалах пояснюється наявністю в них значної площі внутрішньої поверхні шпарин, на якій утримується зв’язана волога в твердому стані.

Дослідження характеристик капілярно – пористих матеріалів показали, що є можливість визначати як повну вологість матеріалів, так і вміст в них зв’язаної вологи. В основу методу покладена залежність коефіцієнта діелектричних втрат k від вологості W (рис.3). Коефіцієнт діелектричних втрат вимірюється на двох радіочастотах f1 і f2. При цьому вологості W1 відповідатиме k1 = kf1 – kf2 . При дії на матеріал теплового поля вологість буде зменшуватись, зменшуватиметься також k. В момент часу, коли k = 0, вільна волога повністю випарувалась, значення kf1 = kf2 відповідає кількості зв’язаної вологи в досліджуваному капілярно – пористому матеріалі і може бути використаним як ефективний інформативний параметр при визначенні її кількості.

Рис. 3. Залежність коефіцієнта діелектричних втрат матеріалу від вологості

Великий вміст вологи в капілярно-пористих органічних матеріалах суттєво впливає на їх властивості та термін зберігання. Більшість досліджень в галузі вологометрії направлені на розроблення зручних і швидких з малими енергозатратами електричних методів визначення вмісту вологи в матеріалах та кінцевих продуктах і виробах.

В більшості випадків еквівалентна схема чутливого елемента з досліджуваним матеріалом високої вологості може бути представлена паралельним з’єднанням опору втрат Rм і ємністю С (рис.4,а).

С = См + С0, (4)

де См – дійсна ємність вологого матеріалу;

С0 – ємність незаповненого чутливого елемента.

Як видно з діаграми (рис.4,б):

. (5)

Комплексна провідність заповненого чутливого елемента:

, (6)

Рис.4. Еквівалентна схема та векторна діаграма чутливого

елемента

Комплексний опір чутливого елемента з досліджуваним матеріалом:

, (7)

де - фазовий зсув між напругою і струмом чутливого елемента.

Модуль комплексного опору:

. (8)

Враховуючи вирази (6) і (7) комплексний опір чутливого елемента з матеріалом в алгебраїчній формі:

, (9)

де: Rв – вимірюваний активний опір чутливого елемента з матеріалом;

ХСв – вимірюваний реактивний опір чутливого елемента з матеріалом.

З виразу (9) вимірюваний ємнісний опір чутливого елемента:

. (10)

З виразу (10) знайдено вимірювану ємність чутливого елемента:

. (11)

Звідси ємність С:

. (12)

Дійсна ємність матеріалу:

. (13)

Виміряна (уявна) ємність і tg можуть бути визначені будь-яким відомим методом.

Тангенс кута діелектричних втрат вологих капілярно-пористих матеріалів може досягати великих значень, тому виміряна ємність набагато більша ємності матеріалу, обумовленої вологістю. Цим пояснюється значна похибка вимірювання вологості при використанні виміряної ємності ЧЕ.

Наявність нестабільного і тривалого в часі струму активної провідності вимагає великого часу визначення (десятки секунд), що зменшує експресність контролю.

Таким чином, дійсна ємність матеріалу може бути ефективним інформативним параметром при визначенні вологості сильнозволожених матеріалів з нестабільними діелектричними втратами.

Запропонований метод може бути реалізований в первинному перетворювачі (ПП), який складається з чутливого елемента та зразкового опору, з’єднаних послідовно. Вихідним параметром такого перетворювача може бути напруга UЧЕ. Для її знаходження скористаємось еквівалентними схемами (рис.5, а і б).

Рис.5. Еквівалентні схеми первинного перетворювача

;

. (14)

З виразу (14) очевидно, що вихідна напруга UЧЕ залежить від СМ і RМ при постійних значеннях UГ, RЗ і C0. Оскільки RМ – це опір, що відображає втрати в матеріалі, а вони мають значну температурну нестабільність, то вихідна напруга не може бути використана в якості вихідного параметру ПП. Відомо, що параметром, захищеним від нестабільних діелектричних втрат, є струм, що протікає через ємність СМ. Проаналізовано еквівалентну схему та векторну діаграму ПП (рис.6, а і б).

Шляхом додаткового визначення напруги на зразковому елементі UЗ, знайдено кут між напругами на чутливому і зразковому елементах

, (15)

а через нього кут

, (16)

Рис.6. Еквівалентна схема а) та векторна діаграма ПП з слабкозволоженим зерном б)

і, нарешті, кут

. (17)

Знайдено модуль струму

(18)

та модуль струму

. (19)

З діаграми (рис.6, б), очевидно, що струм матеріалу , який залежить від ємності матеріалу СМ, дорівнює

. (20)

Струм ємності матеріалу є параметром ПП, що не залежить від діелектричних втрат, але він є незахищеним від нестабільної шпаруватості.

В цьому випадку використано додатковий параметр – струм ємності матеріалу на іншій частоті. При цьому сукупним інформативним параметром ПП є коефіцієнт відносного приросту струму ємності матеріалу К1

, (21)

де 1 і 2 – перша та друга робочі радіочастоти генератора;

UЗ1, UГ1, UЧЕ1 – напруги зразкового елемента, генератора і чутливого елемента відповідно на частоті 1;

UЗ2, UГ2, UЧЕ2 – напруги зразкового елемента, генератора і чутливого елемента відповідно на частоті 2.

З (21) видно, що інформативними параметрами первинного перетворювача є напруги UГ, UЗ, UЧЕ.

Вираз (21) використано при побудові засобу контролю вологості капілярно-пористих матеріалів з незначними втратами і нестабільною пористістю.

Експериментальні дослідження вологого зразка зерна показали, що опір його прямої провідності знаходиться в межах 15-20 кОм, тому для аналізу використано еквівалентну схему первинного перетворювача з послідовним ввімкненням діелектричних втрат (рис.7, а). Векторна діаграма цієї схеми показана на рис.7, б.

Рис.7. Еквівалентна схема а) та векторна діаграма ПП з сильнозволоженим зерном б)

Кут між струмами і знайдено за виразом (16), струм І – за виразом (18). При цьому уявна складова струму досліджуваного зразка матеріалу, яка пропорційна його вологості і не залежить від нестабільних діелектричних втрат, знайдена з виразу

. (22)

Захист від нестабільної шпаруватості здійснено шляхом застосування в якості інформативного параметра коефіцієнта відносного приросту уявної складової ємнісного струму зразка зерна

, (23)

де Іу1 – уявна складова ємнісного струму зразка пшениці на частоті 1;

Іу2 – уявна складова ємнісного струму зразка пшениці на частоті 2.

Вираз (23) використано для побудови засобу контролю вологості зерна зі значним вмістом вільної вологи.

В четвертому розділі розроблено алгоритми контролю повної вологості та вмісту зв’язаної вологи в зерні, які покладені в основу розробки структур засобів контролю вологості зерна.

Реалізація розроблених алгоритмів передбачає наявність двох генераторів гармонічних коливань з вихідними сигналами f1 і f2, оскільки в основу побудови засобу контролю вологості покладений двочастотний метод визначення вологості. Головним елементом засобу контролю вологості є первинний перетворювач, в якому інформація про вологість перетворюється в пропорційний електричний сигнал. Аналогові гармонічні сигнали UГ1 і UГ2 з частотами f1 і f2 відповідно за допомогою комутатора К1 по черзі подаються на первинний перетворювач ПП, що утворений послідовно з’єднаними зразковим та чутливим елементом емнісного типу, в якому знаходиться досліджуваний зразок зерна. Інформативні параметри: напруга генератора UГ, напруга зразкового елемента UЗ та напруга чутливого елемента UЧЕ через буферні каскади БК поступають на пікові детектори ПД, в яких виділяються амплітуди цих сигналів, які опрацьовуються в подальшому мікроконтролером.

Для усунення похибки за рахунок зміни температури навколишнього середовища до структурної схеми включений перетворювач температури ПТ, інформація з якого у вигляді рівня напруги поступає на мікроконтролер. Для виконання операції встановлення “нуля” в ПП передбачене коло імітації порожнього чутливого елемента, яке вмикається комутатором К2.

Структурна схема засобу контролю вологості сильнозволоженого зерна пшениці приведена на рис.8.

Засіб контролю вологості слабкозволоженого зерна має подібну структуру і відрізняється від засобу контролю вологості сильнозволоженого зерна пшениці наявністю іншої програми МПБ.

В основу побудови засобу контролю зв’язаної вологи покладена схема рис.8, яка доповнена генератором напруги постійного струму Г3 та термостатом ТС. З огляду на це структурна схема такого засобу контролю показана на рис.9.

Розроблено рівняння градуювання. Вимірювання вологості здійснено арбітражним термогравіметричним методом за ГОСТ 13586.5 – 93.

В якості апроксимувальної функції обох залежностей вибрано поліном виду:

, (24)

де y – вологість;

x – інформативний параметр.

Оскільки в досліджуваних межах вологостей характеристики W1(K1) i W2(K2) не дуже відрізняються від лінійних, вираз (24) обмежено поліномом ІІ порядку:

. (25)

Для визначення коефіцієнтів апроксимувальної функції використано метод найменших квадратів.

Рівняння градуювання має вигляд:

. (26)

Аналогічно знайдене рівняння градуювання засобу контролю вологості слабкозволоженого зерна.

В п’ятому розділі виконано аналіз сумарної похибки. Виявлено незалежність показів засобу контролю вологості від нестабільної пористості. В сумарній методичній похибці переважає температурна похибка, яка не перевищує 0,04% вологості.

Розраховано інструментальну похибку від нестабільності частоти генераторів гармонічних коливань, яка не перевищує 0,0000259% вологості.

Розраховано інструментальну похибку від температурної нестабільності розмірів чутливого елемента, яка не перевищує 0,09832% вологості.

Розраховано максимальну похибку від температурної нестабільності зразкового елемента, яка не перевищує 1710-4 %.

Розраховано повну абсолютну похибку засобу контролю, яка не перевищує 0,141% вологості.

Проведено експериментальні дослідження вологості засобом контролю вологості дослідного зразка зерна з вологістю 16,26%. Середньоквадратичне відхилення засобу контролю складає 0,101% вологості

Визначено абсолютну вірогідність контролю вологого зерна пшениці, яка дорівнює 0,934. При цьому ризик виробника = 0,041, а споживача = 0,025.

ВИСНОВКИ

1. Існуючі засоби контролю вологості визначають вологість за модулем комплексного опору зразка зерна, що знаходиться під дією високочастотного електричного поля в міжелектродному просторі ємнісного чутливого елемента. При цьому виникають значні похибки, обумовлені нестабільністю втрат і пористості (гранулометричного складу), які значно перевищують задекларовані значення 0,5% вологості, а також суб’єктивні похибки, які інколи взагалі призводять до неоднозначних результатів. При використанні стандартного термогравіметричного методу задекларована похибка 0,5% збільшується до 1-2% за рахунок подрібнення зерна та його висушування при високій температурі, при якій розпочинається хімічне розкладання речовини зерна і утворення летючих з’єднань (інертні гази, вуглекислий газ, жирні кислоти і інші органічні з’єднання).

2. На базі експериментальних досліджень зразків зерна пшениці різних сортів, районованих в південних та центральних областях України, запропоновано електрофізичну та математичну моделі зерна, адекватність яких перевірена шляхом комп’ютерного моделювання (електрофізична модель) та за критерієм Фішера (математична модель).

3. Запропоновано нові інформативні параметри чутливого елемента з зерном: уявна складова ємнісного струму чутливого елемента (для зерна з вологістю більше 18%) та ємнісна складова струму чутливого елемента (для зерна з вологістю менше 18%), і інтегральні інформативні параметри: коефіцієнт відносного приросту уявної складової ємнісного струму чутливого елемента та коефіцієнт відносного приросту ємнісного струму чутливого елемента.

4. Запропоновано та математично обґрунтовано нові різновиди методу високочастотної діелектрометрії, які дозволяють виділити з інформаційного каналу уявну складову ємнісного струму чутливого елемента (для зерна з W > 18%) і ємнісну складову струму чутливого елемента (для зерна з W 18%). Експериментальна перевірка запропонованих методів і порівняння з аналогом дала таке підвищення точності: в 5,6 разів для зерна з вологістю 18% і в 40 разів – для зерна з вологістю > 18%.

5. Запропоновано та математично обґрунтовано метод визначення зв’язаної вологості в зерні, який може бути використаний в подальших дослідженнях науковими установами сільськогосподарського профілю.

6. На основі нових різновидів методу високочастотної діелектрометрії запропоновано алгоритми контролю повної і зв’язаної вологості в зерні та розроблено структурні схеми їх реалізації.

7. Розроблено лабораторний зразок засобу контролю вологості, різнопланово досліджений, який показав, що його абсолютна похибка не перевищує 0,2% вологості, абсолютна вірогідність контролю при цьому складає 0,934, а ризики виробників і споживачів зерна становлять: = 0,041, = 0,025, що підтверджує високу точність та вірогідність контролю.

8. Розроблено методику одержання градуювальних характеристик, яка може бути використана при побудові універсального засобу контролю вологості широкого спектру зерна та насіння сільськогосподарських культур.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Куцевол О. М., Поджаренко В. О. Радіочастотні методи вимірювання вологості зерна // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. - № 3. С.5–7.

2. Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. Високочастотні методи та засоби вимірювання капілярно-пористих матеріалів // Вимірювальна техніка та метрологія: Зб. наук. праць. – Львів, 2003. - № 64. – С. 147 – 152.

3. Куцевол О. М., Куцевол М. О., Поджаренко В. О. Математична модель частотної залежності тангенса кута діелектричних втрат зерна пшениці // Вимірювальна техніка та метрологія. – Вісник національного університету “Львівська політехніка”. – 2005. - № 65. – С. 91 – 95.

4. Куцевол О. М., Поджаренко В. О. Мікропроцесорний прилад для контролю вологості зерна // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. - № 4. С. 16 – 18.

5. Куцевол О. М., Поджаренко В. О. Високочастотні методи вимірювання вологості зерна // Наук. праці Дон. Національного техн. унів. Сер. “Обчислювальна техніка та автоматизація”: Зб. наук. праць. – Донецьк, 2005. – Т.2, № 90. – С. 199 – 204.

6. Куцевол О. М., Куцевол М. О. Метод визначення ємності матеріалу зі значними діелектричними втратами // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Пр. 9-ї НТК. Хмельницький 30 травня – 2 червня 2002 р. – Хмельницький, 2002. – Т.1. – С. 86 – 88.

7. Куцевол О. М., Куцевол М. О. Метод вимірювання зв’язаної вологи в капілярно-пористих матеріалах // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Пр. 9-ї НТК. Хмельницький 30 травня – 2 червня 2002 р. – Хмельницький, 2002. – Т.1. – С. 86 – 88.

8. Куцевол О. М., Куцевол М. О. Вимірювання вологості сипучих органічних матеріалів методом високочастотної діелектрометрії // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: Пр. 9-ї НТК. Хмельницький 30 травня – 2 червня 2002 р. – Хмельницький, 2002. – Т.1. – С. 86 – 88.

9. Куцевол М. О., Куцевол О. М. Двочастотний метод вимірювання вологості капілярно-шпаристих матеріалів зі значними втратами // Контроль і управління в складних системах: V Міжнар. наук. технічна конференція. Вінниця, 3 – 5 лютого 1999 р. – Вінниця, 1999. – Т.2. – С.185–188.

10. Патент 75699 UA, МКІ G01N27/22. Спосіб вимірювання вологості / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. - №2004031999; Заявл. 18.03.2004; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5. – 3 с.

11. Патент 75700 UA, МКІ G01N27/22. Спосіб вимірювання вологості / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. - №2004032000; Заявл. 18.03.2004; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5. – 2 с.

12. Патент 75443 UA, МКІ G01N27/22. Спосіб вимірювання вологості капілярно-пористих матеріалів / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. - №2004031485; Заявл. 01.03.2004; Опубл. 17.04.2006, Бюл. №4. – 2 с.

13. Деклараційний патент 14659 UA, МКІ G01N27/22. Ємнісний вологомір / Поджаренко В. О., Куцевол М. О., Куцевол О. М. - №200511929; Заявл. 12.12.2005; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5. – 2 с.

АНОТАЦІЯ

Куцевол О. М. Радіочастотні методи та засоби контролю вологості зерна. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2007.

Дисертацію присвячено розробці ефективних методів та засобів контролю вологості зерна, як капілярно-пористого матеріалу з нестабільними діелектричними втратами і пористістю. Запропоновано нові інформативні параметри об’єкта контролю: дійсну ємність матеріалу та коефіцієнт відносного приросту уявної складової ємнісного струму первинного перетворювача вологості. Розроблено нові методи контролю, захищені від нестабільних діелектричних втрат і пористості. Розроблено математичну модель об’єкта контролю вологості, алгоритми функціонування та структури засобів контролю вологості зерна на базі мікроконтролера.

Виконана експериментальна перевірка функціонування засобу контролю вологості слабкозволоженого зерна та його метрологічних характеристик, яка підтверджує теоретичні результати

Ключові слова: вологість, капілярно-пористий матеріал, діелектрометричні методи, поляризаційні ефекти, дійсна ємність матеріалу, мікроконтролер, метрологічні характеристики.

АННОТАЦИЯ

Куцевол О. Н. Радиочастотные методы и средства контроля влажности зерна. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля и определения состава веществ. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.

Диссертацию посвящено разработке эффективных методов и средств контроля влажности зерна, как капиллярно-пористого материала с нестабильными диэлектрическими потерями и пористостью.

Выполнен анализ существующих методов контроля. Систематизированы имеющиеся сведения о “свободной” и “связаной” влаге. Сформулированы основные требования к высокочастотным средствам контроля влажности зерна.

Систематизированы сведения о физической сути диэлектрических параметров материалов с использованием теории поляризации диэлектриков. Приведены экспериментальные исследования диэлектрических параметров зерна различных сортов пшеницы, районированных в центральных и южных областях Украины.

Разработаны электрические модели зерна в диапазоне длинных и средних радиоволн. На основании многофакторного эксперимента разработана математическая модель зависимости информативного параметра от влажности зерна и основных мешающих факторов.

Разработаны и обоснованы радиочастотные методы контроля влажности зерна: метод контроля содержания связаной влаги в капиллярно-пористых материалах, метод контроля влажности материала с небольшими диэлектрическими потерями и нестабильной пористостью, метод контроля влажности капиллярно-пористых материалов с большим содержанием свободной влаги.

Метод контроля связаной влажности основывается на известных исследованиях проф. Лыкова А. В., использует свойство коэффициента диэлектрических потерь, определенного на двух радиочастотах, изменять свое значение с изменением свободной влажности. Поэтому суть метода заключается в том, чтобы определить прирост между значениями коэффициента диэлектрических потерь перед воздействием теплового поля на исследуемый материал и после него. Получена математическая модель, численно связывающая эти приросты со связанной влажностью.

Метод контроля влажности материала с небольшими нестабильными потерями и нестабильной пористостью базируется на известном понятии действительной емкости исследуемого материала. При разработке метода получено аналитическое выражение, позволяющее определить значение действительной емкости материала по измеренной емкости и тангенсу угла диэлектрических потерь. Кроме того, используя электрический аналог пробы исследуемого материала построена ее совмещенная векторно-топографическая диаграма, с помощью которой получено аналитическое выражение для емкостной составляющей тока чуствительного элемента, пропорционального влажности. Защита от нестабильной пористости осуществляется путем двухчастотного контроля и использования интегрального информационного параметра – коэффициента относительного приращения емкостной составляющей тока чуствительного элемента, пропорционального влажности.

Метод контроля влажности капиллярно-пористых материаллов с большим содержанием свободной влаги и нестабильной пористостью позволяет по информационным параметрам первичного преобразователя: напряжениях на образцовом, чувствительном элементах и входном напряжении получить значение мнимой составляющей комплексного емкостного тока материала, пропорциональное влажности и независимое от нестабильных диэлектрических потерь.

Предложены алгоритмы контроля влажности, структуры средств контроля, реализующие их, разработаны уравнения градуирования. Выполнен анализ погрешностей средств контроля влажности, рисков производителей и потребителей зерна.

Проведена экспериментальная проверка функционирования средства контроля слабоувлажненного зерна и его метрологических характеристик, которая подтверждает теоретические положения.

Ключевые слова: влажность, капиллярно-пористый материал, диэлектрометрические методы, поляризационные эффекты, действительная емкость материала, микроконтролер, метрологические характеристики.

ANNOTATION

Kutsevol O. N. Radio-frequency methods and monitoring facilities of a grain humidity. – A manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree the candidate of engineering science by speciality 05.11.13 - Devices both methods of verification and definitions a structure of mediums. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2007.

The thesis is dedicated to mining of effective methods and monitoring facilities of a grain humidity, as capillary - osculiferous stuff with unstable dielectric loss and porosity. The new informative parameters of object of the control are offered: real capacitance of a stuff and factor of a relative increment of imaginary component a capacity current of the primary converter humidity. The new methods of verification protected from unstable dielectric losses and a porosity are designed. The operation algorithms and frames a monitoring facilities of a grain humidity on the basis of microinspector are designed mathematical model object of the humidity control.

The experimental check of operation a check of the operation monitoring facilities of humidity is conducted gentle - is humidified grains and its metrology characteristics, which one confirms idealized outcomes.

Keywords: humidity, capillary - osculiferous stuff, dielectric methods, polarization effects, real capacitance of a stuff, microinspector, metrology characteristics.

Підписано до друку 28.08. 2007 р. Формат 29,7х42 ?

Наклад 100 прим. Зам. № 2007-128

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. Тел.: 59-81-59.