CC BY
102
УДК 620:631.365.22
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕРНОВЫХ
А.А. Цымбал, научный сотрудник
Д.А. Будников, кандидат технических наук, зав. лабораторией
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected]
Аннотация. Знание диэлектрических параметров зерновых материалов необходимо для разработки устройств, применяющих электромагнитные поля в процессе их обработки. Диэлектрические показатели не остаются постоянными и зависят от множества факторов, таких, как напряженность электрического поля, его частота воздействия, давление, температура, плотность материала, влажность и др. В статье разобраны основные зависимости диэлектрических свойств сельскохозяйственных материалов на примере зерна пшеницы. Анализ существующих данных о диэлектрических свойствах говорит о том, что диэлектрические свойства зерновых существенным образом зависят от плотности зерновой смеси, сорта, наличия предварительной обработки, наличия примесей и других факторов, что необходимо учитывать при проектировании оборудования для их электромагнитной обработки. Также точность получаемых данных измерений зависит от применяемых измерительных инструментов и методики. Представленные данные представляют собой результат экспериментальных исследований, проводимых на оборудовании, разработанном и представленном ранее авторами. Данное оборудование может применяться непосредственно в зоне СВЧ-воздействия в зонах, заполненных зерновым материалом. Экспериментальные данные, полученные авторами в результате исследований, согласуются с данными, полученными учеными ранее, и могут быть применены при описании исследуемых культур. При разработке оборудования, в котором зерновой материал может находиться в разных состояниях (плотный неподвижный, плотный подвижный, псевдоожиженный, взвешенный), необходимо учитывать, что в настоящее время практически все данные описывают диэлектрические свойства зерновоздушной смеси определенной плотности, а не зерна как такового, что необходимо учитывать при проектировании оборудования. Ключевые слова: зерно, сушка, фактор диэлектрических потерь, диэлектрический нагрев.
Введение. При зерновых культур с применением электрофизических способов воздействия необходимо иметь представление о свойствах этих материалов. В случае тепловой обработки может быть использован нагрев полями высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ).
Если речь идет о диэлектрических материалах с относительно высокими диэлектрическими факторами потерь, подвергающихся воздействию ВЧ или СВЧ электромагнитных полей достаточной интенсивности, эти материалы будут поглощать энергию от электрических полей путем преобразования энергии электрического поля в тепловую энергию. Это явление известно как высокочастотный диэлектрический нагрев или микроволновый нагрев, в зависимости от применяемых частот [1, 2]. Степень нагрева зависит от параметров воздействующего поля и характеристик обрабатываемых материалов. Основной характеристикой зерна при определении
мощности, идущей на нагрев, является фактор диэлектрических потерь.
Диэлектрическую проницаемость можно представить в виде [2, 7]: £ = £ — ís",
где s'- действительная часть, отвечающая за измерение электромагнитной энергии, запасенной в материале; s" - комплексная часть, характеризующая фактор диэлектрических потерь, которая описывает энергию, рассеиваемую в материале.
Величина «тангенс угла диэлектрических потерь» отвечает за поглощение материалом электромагнитной энергии и выражается следующим образом [6]:
tan S = —.
г'
Диэлектрические показатели не остаются постоянными и зависят от множества факторов, таких, как напряженность электрического поля, его частота воздействия, влажность, давление, температура, плотность материала
и другие [2]. В данной статье будут разобраны основные зависимости диэлектрических свойств сельскохозяйственных материалов на примере зерна пшеницы.
Материалы и методы. Исследования проводились с использованием теории планирования эксперимента согласно схеме, представленной авторами ранее [4]. При этом применялось оборудование, также представленное ранее [3, 5]. Структурная схема устройства приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема устройства для определения удельной мощности электромагнитного поля СВЧ, выделяемой в зерновом слое: 1 - детектор, 2 - шарообразный корпус детектора, 3 - датчик температуры, устройство опроса сигнала термодатчика, 4 - материал с известными зависимостями теплоемкости и диэлектрических свойств от температуры на исследуемой частоте, 5 - корпус, 6 - блок опроса и обработки данных, блок вывода результатов измерений на экран и их запись в файл 7
Детектор помещается в рабочую камеру, заполненную материалом, и осуществляется контроль его температуры до воздействия поля, во время воздействия поля (в случае применения оптических датчиков) и в течение нескольких секунд (5-10 с) после воздействия э. тромагнитным полем СВЧ, необходимых выравнивания температуры по объему детектора, далее устройством обработки производится вычисление удельной мощности и напряженности поля в данной точке по известным зависимостям.
На рисунке 2 приведен пример графика, построенного на основании экспериментальных данных измерения температуры материала 4, заполняющего емкость 2 детектора 1.Они показывают динамику нагрева и даль-
нейшее установление температуры. Эта температура характеризует мощность, поглощенную в точке установки детектора. Измерение изменения температуры производится в течение времени гизм, при этом воздействие СВЧ-поля производится в течение времени гСВЧ. Вычисление и протоколирование требуемых величин (поглощенной мощности, напряженности поля, фактора диэлектрических потерь) реализуется устройством обработки и вывода информации 7.
Как видно из таблицы, данные в пределах одной культуры и при сходной влажности у разных авторов существенно отличаются, хотя сходство в динамике изменения диэлектрических параметров несомненно.
Пример результатов эксперимента, проведенного нами по определению фактора диэлектрических потерь, представлен в таблице 2. В данном примере проводился расчет фактора диэлектрических потерь пшеницы по измеряемым параметрам электромагнитного поля в зерновоздушной смеси.
Основная часть. Существующие в настоящее время данные охватывают довольно большой перечень сельскохозяйственных продуктов и представлены для различных частот падающего поля. Пример подобных данных представлен в таблицах 1 и 2 [8].
Динамика зависимости фактора диэлектрических потерь от текущей влажности в целом соответствует данным, полученным ранее, и представлена на рисунке 3.
1,09
| 1,08
с; о
ё 1,07
0
1 . 1506 ¡Д 1,05
Р ззГ
8- ё 1.04
с ч
I 11,03 | 1 1.02 I 1,01
н
о .
О 1
Рн
0,99
1
у
<— —) Тизм ->
20
25
30
лек-для
-5 0 5 10 15
Время, с
Рис. 2. График измерения температуры детектора в процессе эксперимента
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(24)-2016
53
Таблица 1. Диэлектрические свойства пшеницы [8]
Т, °С W, % Частота, Гц
102 103 104 105 106 107 108 10у 1010
22 12 е' е" 2,56 0,28
12 е' е" 2,78 0,46
25 е' е" 2,95 0,28 2,9 0,375 2,47 0,305
24 6,0 е' е" 4,12 0,13 4,12 0,12 4,12 0,13 3,46 0,21 3,16 0,32 2,89 0,24 2,42 0,13 2,03 0,10
16,8 е' е" 27,0 10,0 15,6 5,62 9.15 3.16 5,38 1,15 4,92 0,562 4,51 0,365 3,78 0,299 2,89 0,274
23,8 е' е" 365 100 13,3 3,16 1,28 0,562 0,562 0,649
24 10,0 е' е" 6,23 1,82 5,4 1,14 2,99 0,34
12,0 е' е" 9,19 4,09 7,19 2,95 5,09 1,09
14,0 е' е" 14,11 5,23 10,9 5,23 6,75 3,23
15,8 е' е" 20,67 6,25 17,2 7,73 9,86 5,80
12,5 е' е" 9,69 2,89 7,53 2,31 5,46 0,91 4,46 0,33 4,54 0,21 4,3 0,41 3,61 0,45 2,89 0,29 2,58 0,25
Результаты исследований подтверждают данные о снижении фактора диэлектрических потерь зерна при уменьшении влажности. Отличие же результатов у разных авторов может быть обусловлено влиянием на них плотности зерновой смеси, сорта, наличия предварительной обработки, наличия примесей и других факторов. Изучение диэлектрических свойств сельскохозяйственных культур вызвано зависимостью влияния электромагнитного излучения на обрабатываемые объекты от этих диэлектрических свойств. Зная данные зависимости, можно рассчитать и смоделировать влияние различных физических факторов на электрические свойства сельскохозяйственных материалов через их диэлектрические показатели.
Выводы.
1. Диэлектрические свойства зерновых существенным образом зависят от плотности зерновой смеси, сорта, наличия предварительной обработки (сушка, обеззараживание и т.д.), наличия примесей и других факторов; это необходимо учитывать при проектировании оборудования для их электромагнитной обработки.
Таблица 2. Результаты эксперимента
W, % Расстояние от источника, см Е, В/м e"
3 1462,8328 3,018862
18 6 793,50866 3,68535
9 614,316 4,553003
3 1881,4108 1,989582
15 6 948,40027 2,870546
9 638,40775 4,54944
3 1813,8005 1,698287
12 6 1153,7916 1,943316
9 893,69823 2,283591
Влажность, %
Рис. 3. Пример экспериментальной зависимости
величины диэлектрической проницаемости от влажности в центре зерна на расстоянии 9 см от магнетрона при частоте 2,45 ГГц
2. Экспериментальные данные, полученные авторами в результате исследований, согласуются с данными, полученными учеными ранее, и могут быть применены при описании исследуемых культур.
3. В настоящее время практически все данные описывают диэлектрические свойства зерновоздушной смеси определенной плотности, а не зерна как такового, что необходимо учитывать при проектировании оборудования.
Литература:
1. Review of dielectric drying of foods and agricultural products / Y.Wang and etc. URL: http://www.ijabe.org
2. Nelson S. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015. 229 p.
3. Будников Д.А. Исследование динамических свойств зернового слоя при СВЧ-конвективном воздействии // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №4. С. 92-96.
4. Будников Д.А. Планирование эксперимента по контролю изменения комплексного диэлектрического показателя зернового слоя при СВЧ-конвективном воздействии // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №4. С. 39-42.
5. Будников Д.А. Исследование распределения напряженности СВЧ поля в зерновом слое. URL: http:// www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3234
6. Будников Д.А. Поглощение электромагнитного поля СВЧ сельскохозяйственными материалами // Вестник ВИЭСХ. 2013. №2. С. 38-40.
7. Meszaros P. Relationships between electrical parameters and physical properties of cereal grains, oilseeds, and apples PhD diss. Budapest, 2007.
8. Kent M. Electrical and dielectric properties of food materials: a bibliography and data. Science and Technology Publishers Ltd, 1987.
Literatura:
1. Review of dielectric drying of foods and agricultural products / Y.Wang and etc. URL: http://www.ijabe.org
2. Nelson S. Dielectric Properties of Agricultural Materials and Their Applications. Academic Press, 2015. 229 p.
3. Budnikov D.A. Issledovanie dinamicheskih svojstv zer-novogo sloya pri SVCH-konvektivnom vozdejstvii // In-novacii v sel'skom hozyajstve. 2014. №4. S. 92-96.
4. Budnikov D.A. Planirovanie ehksperimenta po kontro-lyu izmeneniya kompleksnogo diehlektricheskogo poka-zatelya zernovogo sloya pri SVCH-konvektivnom vozdej-stvii // Vestnik VNIIMZH. 2015. №4. S. 39-42.
5. Budnikov D.A. Issledovanie raspredeleniya napryazhen-nosti SVCH polya v zernovom sloe. URL: http:// www.ivdon. ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3234
6. Budnikov D.A. Pogloshchenie ehlektromagnitnogo polya SVCH sel'skohozyajstvennymi materialami // Vestnik VIEHSKH. 2013. №2. S. 38-40.
7. Meszaros P. Relationships between electrical parameters and physical properties of cereal grains, oilseeds, and apples PhD diss. Budapest, 2007.
8. Kent M. Electrical and dielectric properties of food materials: a bibliography and data. Science and Technology Publishers Ltd, 1987.
THE GRAIN DIELECTRIC PROPERTIES
A.A. Tsymbal, researcher
D.A. Budnikov, candidate of technical sciences, laboratory chief All-Russian research institute of agriculture electrification
Abstract. ne grain materials dielectric properties knowledge is needed to develop a sets applying electromagnetic fields devices at their treatment. The dielectric properties are not constant and depend on a lot of factors, such as the electric field strength, its frequency, pressure, temperature, material density, humidity, etc. This article explores the agricultural materials dielectric properties' basic dependences on wheat example. The dielectric properties existing data analysis suggests that the dielectric properties of grains depend essentially on the grain mixture density, the plant varieties, the presence of pretreatment, impurities, and other factors that must be considered at their electromagnetic treatment's equipment designing. Also their measurements date accuracy depends on the applied measuring tools and methodology. The presented data are the result of experimental studies conducted on equipment by the authors earlier developed and presented. The given equipment can be applied directly in the SWCh-effect areas in the zones filled with grain material. The experimental data obtained by the authors in the studies result are consistent with the previously data obtained by scientists, and can be used in studied plant cultures description. At the equipment designing when the grain material can be in different states (immobile dense, mobile dense, pseudo liquefied, weighted), it necessary to note that at present, almost practically all data describe the dielectric properties of air grain mixture of a certain density, but not the grain itself that it must be considered when equipment designing.
Keywords: grain, drying, dielectric losses factor, dielectric heating.
Journal of VNIIMZH №4(24)-2016
55
