CC BY
140
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Неъматжон Рахимович Рахимов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры специальных устройств и технологий, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail: n rah@ngs.ru
Елена Юрьевна Кутенкова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры ТОП, тел. (383)361-07-79, e-mail: kutenkova.elena@vandex.ru
Михаил Петрович Исаев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры специальных устройств и технологий, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail:
Исроилжон Махамматисмоилович Болтабоев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»), 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры нанатехнологий и оптотехники, тел. +7(383)344-40-58, факс +7(383)344-40-58, e-mail
В статье предлагается устройство повышенной чувствительности и упрощенной конструкции для измерения влажности сыпучих материалов.
Ключевые слова: светоизлучающий диод, фотодиод, датчик нарушенного полного внутреннего отражения, шнековое устройство, влагомер, сыпучие материалы.
OPTOELECTRONIC METHOD FOR DETERMINATION OF MOISTURE BULK OF MATERIALS
Nematgon R. Rakhimov
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy»; 630108, Russia, str. Novosibirsk, str. Plaxotnogo, 10, D.Sc., Professor of the Department of special devices, technologies and materials, phone +7(383)344-40-58, fax +7(383)344-40-58, e-mail: n rah@ngs.ru
Elena Yu. Kutenkova
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy», associate Professor at the TOP, 630108, Russia, str. Novosibirsk, ul. Plaxotnogo, 10, tel. (383)361-07-79, e-mail: kutenkova.elena@vandex.ru
Michael P. Isaev
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy», 630108, Russia, str. Novosibirsk, ul. Plaxotnogo, 10, post-graduate, engineer of the Department of the special of devices and technologies, tel. (913)777-59-28, e-mail: mihail54@mail.ru
I.M. Bokarev
Federal state budgetary educational institution of higher professional-national education «Siberian state Academy of geodesy», graduate student of the Department «N and The» 630108, Russia, str. Novosibirsk, ul. Plaxotnogo, 10, tel. +7 9513662162 e-mail nemrah@mail.ru
The article includes the device high sensitivity and simplified structure of humidity measurement of bulk solids.
Key words: light-emitting diode and photodiode sensor violated total internal reflection, шнековое device, the moisture meter, bulk materials.
Вода является одним из основных веществ, содержащихся в сыпучих материалах и сопровождающих процессы их переработки, при этом влажность часто является одним из главных параметров, по которому оптимизируют технологические процессы и аттестуют качество готовой продукции. Наиболее полно требованиям промышленного контроля отвечают абсорбционные методы контроля в инфракрасной области спектра, так как избирательное поглощение ИК - излучения связано с молекулярным строением вещества и в меньшей степени зависит от структуры, поэтому дальнейшее исследование оптоэлектронного метода и разработка приборов на основе применения новейших достижений оптоэлектроники, позволяющих повысить точность, надежность и быстродействие и уменьшить габариты и энергопотребление является актуальной задачей.
Методы количественного определения содержания влаги в твердых телах и жидкостях принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах влагу отделяют определенным способом от сухого вещества и устанавливают количественное соотношение этих частей в исследуемом материале. В косвенных методах измеряют ту или иную физическую величину, функционально связанную с влажностью [1].
В масложировой и других отраслях промышленности наиболее распространенным прямым методом для твердых материалов является термогравиметрический (весовой). Сущность его заключается в высушивании предварительно отобранной и взвешенной пробы материала до постоянного веса (или ускоренной сушке при повышенной температуре в течение определенного времени). Количество влаги в пробе устанавливают по потере ее веса в результате взвешивания пробы до и после сушки. Полученное значение количества влаги можно отнести к первоначальному (масса влажного вещества q 1) или конечному (масса сухого вещества q2) весу пробы и выразить в долях или процентах. При этом в качестве величины, характеризующей содержание влаги, можно использовать влажность (массовая доля влаги) — отношение массы влаги к массе влажного вещества
ж = Чх Чг Жо/о = Яг ^2 100о/о
<7, ИЛИ с/2
и - влагосодержание (массовое отношение влаги) — отношение массы влаги к массе сухого вещества
и = Чх ~ Чг 11% = 91 ~Чг 100%
<7, ИЛИ д2
По сложившейся традиции в хлопковых материалах принято исчислять влагосодержание. В производственных же условиях по метрологическим соображениям в них определяют влажность.
Термогравиметрические методы измерения влажности требуют выполнения персоналом трудоемких операций по отбору и подготовке проб. Постоянно включенные сушильные агрегаты повышают температуру воздуха в лаборатории, что создает трудные условия для работы, особенно в летний период (в южных республиках).
Значительно реже, чем термогравиметрические, применяются следующие прямые методы определения влажности твердых материалов:
• дистилляционные, в которых исследуемый образец подогревается в сосуде с жидкостью, не смешивающейся с водой, и затем отгонкой определяется масса выпарившейся из образца воды;
• экстракционные, основанные на извлечении влаги из образца водопоглощающей жидкостью и дальнейшем определении влажности полученного жидкого экстракта;
• химический, основанный на обработке исследуемого образца материала реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. При этом количество влаги в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции.
Целью данной работы является исследование оптоэлектронного метода и разработка устройств контроля влажности сыпучих материалов на основе применения новейших достижений оптоэлектроники.
Для того чтобы получить наиболее равномерное распределение влаги в контролируемом объеме, было решено использовать шнековое устройство.
Оно позволяет путем частичного разрешения исследуемого образца выделить влагу, содержащуюся внутри. А также создает достаточное давление исследуемого вещества на линзу чувствительного элемента (датчика) нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), что увеличивает пятно контакта.
Для уменьшения погрешности измерений в данном влагомере используются две длины волны - измерительная и опорная. Это позволяет существенно повысить точность измерений.
Устройство содержит (см. рис. 1): 1 - корпус; 2 - шнековое устройство; 3 -закрепляющее устройство; 4 - рукоятка; 5 - опора; 6 - подставка; 7 - линза в форме полусферы (элемент НПВО); 8 - задающий генератор (ЗГ); 9 - триггер (Т); 10 - светоизлучающий диод (измерительный) - (СИД1); 11 - светоизлучающий
диод (компенсационный) - (СИД2); 12 - приемник оптического излучения (измерительный)- (ПОИ1); 13 - приемник оптического излучения (опорный) -(ПОИ2); 14 - блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС); 15 - измерительный прибор (ИП).
Устройство работает следующим образом. Исследуемый материал засыпается на шнек 2, который вращаясь при помощи рукоятки 4, проталкивает исследуемый материал к элементу НПВО, создавая давление на него. При этом материал частично разрушается. Затем задающий генератор 8 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 8-10 кГц. Эти импульсы подаются на вход триггера 9. Разделённые импульсы подаются на светоизлучающие диоды (измерительные и компенсационные). Поток излучения измерительного светоизлучающего диода фокусируется на измерительных поверхностях и подается на ПОИ1 (фотодиод). Излучение компенсационного светоизлучающего диода подается на ПОИ2 (фотодиод). Далее эти сигналы поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала, где реализуется отношение сигналов компенсационного и измерительного потока. Сигнал отношения, пропорциональный величине влажности, подается на измерительный прибор, по показанию которого судят о процентных отношениях влажности в сыпучем материале. Благодаря частичному разрушению материала, а также его прессовке на стенку НПВО, повышается точность измерения за счёт плотного контакта исследуемого вещества с оптическим элементом датчика НПВО.
1 - корпус; 2 - шнековое устройство; 3 - закрепляющее устройство; 4 - рукоятка; 5 - опора; 6 - подставка; 7 - линза в форме полусферы (элемент НПВО); 8 - задающий генератор (ЗГ); 9 - триггер (Т); 10 - светоизлучающий диод(измерительный)- (СИД1); 11 - светоизлучающий диод (компенсаторный)- (СИД2); 12 - приемник оптического излучения (измерительный)-(ПОИ1); 13 - приемник оптического излучения (опорный)-(ПОИ2); 14 - блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС); 15 - измерительный прибор (ИП).
Рис. 1. Устройство для измерения влажности сыпучих материалов Физический смысл заключается в следующем. Используются два световых потока с разными длинами волн, например, = 1,93 мкм (измерительный) и к2
= 1,7 мкм (опорный), соответствующим максимальному и минимальному поглощению воды. Световой поток Фох. распространяется из оптически плотной среды с показателем преломления пь в менее плотную с п2 под углом 0, превышающим предельный (критический) угол полного внутреннего отражения ©к,. Световой поток Фом частично проникает в среду п2; на глубину порядка длины волны падающего излучения:
=■
Л
2тг4т2 0-и.
".1/2
21
где - длина волны излучения в оптически плотной среде с показателем преломления п1;
п21 = п2/п! - относительный показатель преломления.
Если угол излучения равен или превышает критический ©к = агсБт п!/п2, то наблюдается полное внутреннее отражение (метод ПВО). Поскольку менее плотная среда с комплексным показателем преломления п = п2 -у/л- обладает поглощением, отражение не будет полным, т.е. условия для этого нарушаются и коэффициент отражения (Я = ФЛ| / Ф0/ | ) станет меньше 1. Степень ослабления Я пропорциональна показателю поглощения. Таким образом, чем выше поглощение, тем сильнее нарушается отражение. Это называется эффект НПВО [2].
В ИК-области спектра для достижения условия п1 > п2 используются измерительные элементы НПВО из высокопреломляющих оптических материалов, прозрачных в соответствующем диапазоне [3].
При включении устройства (см. рис. 2), задающий генератор ЗГ вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 8 - 10 кГц. Эти импульсы подаются на вход триггера ТГ. Разделённые импульсы подаются на светоизлучающие диоды СИД1 (измерительные) и СИД2 (компенсационные). Поток излучения измерительного светоизлучающего диода фокусируется на измерительных поверхностях и подается на ПОИ1. Излучение компенсационного светоизлучающего диода СИД2 подается на ПОИ2. Далее эти сигналы поступают в блок обработки фотоэлектрического сигнала БОФС, где реализуется отношение сигналов компенсационного и измерительного потока. Сигнал отношения, пропорциональный величине влажности, подается на измерительный прибор ИП, по показанию которого судят о процентных отношениях влажности хлопковых семян. Благодаря разрушению гранулометрического состава трота и мятки, а также прессовки семян на стенку НПВО, повышается точность измерения за счёт плотного контакта исследуемого вещества с оптическим элементом датчика НПВО.
ЗГ - задающий генератор; ТГ - триггер; СИДі (измерительные) и СИД2 (компенсационные) светоизлучающие диоды; ПОИ1. и ПОИ2- приемники оптического излучения; БОФС- блок обработки фотоэлектрического сигнала; ИП- измерительный прибор
Рис. 2. Принципиальная схема устройства
Далее исследуем метрологические характеристики для измерения влажности (^) в диапазоне 0,5 ... 6,5 %, за максимальную влажность примем 7 %. Градуировочная характеристика в диапазоне 0,1 ... 6,5 % приведена на рис. 3.
Рис. 3. Градуировочная характеристика прибора
Анализ результатов приведенных исследований показывает, что в выбранном диапазоне влажности чувствительность разработанного датчика выше чувствительности известных (термогравиметрических). Таким образом, приведенные исследования показывают возможность создания НПВО-влагомеров, обладающих повышенной чувствительностью в любом заранее заданном узком диапазоне измерения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мухитдинов М. Оптические методы и устройства контроля влажности / М. Мухитдинов, Э.С. Мусаев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 96 с.
2. Харрик, Н. Дж. Спектроскопия внутреннего отражения. - М.: Недра, 1968. - 305 с.
3. Мусаев, Э.С. Исследование оптоэлектронного метода и разработка устройства для контроля влажности: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. - Ташкент, 1986. -107 с.
4. Рахимов Н.Р., Тожиев Р.Ж., Юлдашев Н.Х., Самадов А. Устройство для измерения влажности хлопковых семян // Патент РУз ГОР 2000 0390 от 29.05.2002 г.
© Н.Р. Рахимов, Е.Ю. Кутенкова, М.П. Исаев, И.М. Болтабоев, 2013
