CC BY
28
DOI: 10.6084/m9.figshare.5686681 УДК 621.38(075.8)
РОЗРОБКА ВИМ1РЮВАЧА ВОЛОГОСТ1 СИПУЧИХ МАТЕР1АЛ1В Литвиненко Вжтор Миколайович1, Андр1енко Антон1на Олександр1вна 1
1 Херсонський нацiональний техшчний унiверситет, Херсон, Украша
Адреса для листування: Литвиненко Виктор Николаевич, к.т.н., доцент.
Мюце роботи: Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет, м. Херсон, Украша
Email: [email protected]
Анотац1я. Розроблено вимiрювач вологостi сипучих матерiалiв, який характеризусться високою надiйнiстю та порiвняно невисокою вартiстю. За рахунок удосконалення схеми аналога збшьшено середнiй термiн служби елеменлв принципово! схеми та надшнють розробленого приладу в цiлому. Представлен практичнi рекомендацп по виготовленню розробленого пристрою контролю вологосп сипучих матерiалiв.
Ключов1 слова: вологiсть, датчик, сипучi матерiали, дiод, транзистор.
Вступ. Вимiрювання вологостi сипучих матерiалiв являеться складною задачею. Складнють 11 визначаеться рiзноманiттям сипучих матерiалiв, змiнами в процес вимiрювання 1х фiзико-хiмiчних властивостей, а також рiзноманiттям форм зв'язку рщини з твердою речовиною.
У процес дослiджень проаналiзованi рiзнi першоджерела, таю як каталоги техшчних засобiв автоматизацп, продукцiя рiзних фiрм виробникiв, рекламш прайс - листи, 1нтернет. Були виявлеш найбiльш часто використовуванi методи вимiрювань вологостi сипучих i твердих матерiалiв при розробцi приладiв для вимiрювання вологостi. Результати аналiзу таю: 60% випущених приладiв використовують дiелькометричний метод; 27% - ваговий метод; 6% -електромагштний метод; 5% - НВЧ-метод; 2% - кондуктометричний i iншi методи.
Аналiз наочно показуе, що найбiльш часто використовуваний метод при побудовi приладу, який вимiрюе вологiсть, е емнiсний ^елькометричний) метод i його рiзновид - високочастотний метод.
Пщ високочастотними системами, яю вимiрюють вологiсть, маються на увазi широкий клас систем, що працюють в дiапазонi частот вiд 5 103 до 5 107 Гц i використовують або емнюний
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
принцип вимiрювання вологосп, або принцип фазочастотного подшу корисних i заважають
сигналiв.
З усього рiзноманiття систем, якi вимiрюють волопсть, принципи ди яких пов'язаний з використанням рiзних частот спектра електромагнггних коливань, високочастотнi системи вибираються не тому, що вони е едино можливими для виршення поставлених завдань, а головним чином тому, що в порiвняннi з шшими класами систем вони мають ряд незаперечних переваг.
В наш час промисловютю випускаеться широкий асортимент приладiв для вимiрювання вологостi. Але бiльшiсть з них мають високу вартють, невисоку точнють вимiрювання, низьку надiйнiсть, нестабшьш в роботi.
В зв'язку з цим е актуальним продовження робгг з удосконалення вимiрювачiв вологостi. Матер1али та методи досл1дження. Для розробки вологомiра був вибраний аналог [1]. Принципова схема розробленого вологомiра приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципова схема вологомiра
По вщношенню до схеми аналога [1] в розробленш нами схемi було зроблено замшу транзистора П410А (УТ2) на його аналог - транзистор 2Ш143 в блощ генератора високо! частоти, а також замшу дiодiв 2Д2 на дюди Д2Е в блоках випрямлячiв.
Розроблений двочастотний вологомiр призначений для вимiрювання вологостi сипучих матерiалiв (наприклад зерна, пiску, грунту i таке iнше), безпосередньо на мющ вiдбору проб. Межi
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
вимiрювань приладом складають 10-30% в двох дiапазонах. Похибка вимiрювань на першому
дiапазонi (10-20%) не бшьше 0,4%, а на другому (20-30%) - не бшьше 0,5%.
З вологомiром можна працювати в примiщеннях при температурi навколишнього повiтря +(10-35)°С i вiдноснiй вологосп до 20%. Температура матерiалу, вологють якого визначають, може бути в межах + (5-50)°С.
Живлення приладу здшснюеться вiд батаре! 3336Л. Струм - близько 20 мА. Маса - близько 2 кг. Принцип роботи вологомiра заснований на багатопараметричному методi вимiрювання [2, 3]. Вш полягае в тому, що вимiрюють кiлька параметрiв матерiалу з метою компенсаци похибок, що викликаються нестабшьнютю його характеристик i !х взаемозалежнютю. Наприклад, при однаковiй вологостi двох проб рiзного матерiалу, якi розмщеш мiж обкладинками конденсатора, струм через них буде рiзний, так як самi проби мають рiзнi дiелектричнi втрати. Тому, при вимiрюваннi вологосп мае бути враховано кiлька параметрiв матерiалу. Вiднiмаючи або складаючи сигнали вщ декiлькох датчикiв, можна отримати сигнал, пропорцшний тiльки вологостi випробувального матерiалу.
Вологомiр складаеться з шдуктивно-емнюного датчика (рис. 2), двох генераторiв високо! частоти, двох вимiрювальних вузлiв, двох випрямлячiв i вимiрювального приладу.
Один генератор високо! частоти виконаний на транзисторi Т1 за звичайною схемою i виробляе сигнал частотою 6 МГц. Сигнал генератора через обмотку L2 надходить в одну з дiагоналей шдуктивно-емнюного моста, утвореного половинками обмотки котушки L2, конденсатором С3 i, в залежносп вщ положення перемикача В1а, конденсаторами С6, С7 або емнiсним датчиком. В шшу дiагональ моста включений резистор R4, з якого напруга розбалансу подаеться через конденсатор С4 на випрямляч, зiбраний за схемою подвоення напруги на дюдах Д1, Д2. Навантаженням випрямляча служать конденсатор С5, резистор R5 i вимiрювальний прилад ИПТ. При пiдключеннi еталонних конденсаторiв С6, С7 замiсть емнiсного датчика (положення 1 i 2 перемикача В1а) здiйснюеться контроль вiдлiку на початку i кiнцi шкали приладу вщповщно. Чутливiсть емнiсного датчика регулюють резистором R1. У положеннях 3 i 4 перемикача В1а вимiрюють вологiсть вiдповiдно на першому i другому дiапазонах.
Другий генератор високо! частоти виконаний на транзисторi Т2 по тiй же схемi i виробляе сигнал частотою 50 МГц. Контур генератора через обмотку L4 пов'язаний з шдуктивним датчиком (в положеннях 3 i 4 перемикача В1б.) З котушки L4 через конденсатор С11 сигнал надходить на другий випрямляч, виконаний на дюдах Д3, Д4 також за схемою подвоення напруги. Навантаженням випрямляча е конденсатор С12, резистор R14 i вимiрювальний прилад ИПТ. 1ндуктивний датчик приладу впливае на добротнють контуру генератора, а отже на амплггуду напруги генеруючих коливань. Резистори R16 i R15 використовуються, також як конденсатори С6, С7, при контролi
ISSN 2311-1100
CC-BY-NC
вщлшу приладу на початку i кшщ шкали вiдповiдно. Регулювання чутливосп iндуктивного датчика здiйснюeться резистором R11. Резистори R6-R10 необхiднi для установки стршки вимiрювального приладу на початок або кшець шкали при вимiрюваннi вологостi еталонних проб при градуюванш приладу.
Датчик вологостi, що складасться з eмнiсного та iндуктивного датчиюв [4, 5], показаний на рис. 3.2, i являе собою металевий стакан дiаметром 60 мм, висотою 110 мм з системою електродiв, в якому дослiджуваний матерiал стискаеться за допомогою пружинного пристрою. Система електродiв емнiсного датчика утворена корпусом 8, кришкою 2 з розмщеним в нiй поршнем 4, який перемщаеться гвинтом 1 i пружинами 3, основним 7 i компенсуючим 5 електродами, якi з котушкою iндуктивного датчика 6 закрiпленi на iзолюючiй прокладцi 9. Штепселi 10 необхщш для з'еднання датчика вологосп з вологовимiрювачем. Компенсуючий електрод служить для стабшзацй показань, що мшяються залежно вiд кiлькостi дослiджуваного матерiалу або його щiльностi, за рахунок змши вiдстанi мiж поршнем i цим електродом. При виготовленнi датчика вологосп для отримання лiшйноi шкали вологомiра компенсуючий електрод 5 i нижню частину основного електрода 7 (приблизно двi третини) покривають лаком УВЛ-3 (ТУ КУ 425-35). Площу покриття основного електрода пiдбирають експериментально. Смнють емнiсного датчика при незаповненому датчику вологосп становить 3,2 пФ.
У вологомiрi використаний вимiрювальний прилад М265 з межею вимiрювання 100 мкА. Всi резистори МЛТ 0,5. Конденсатори C1, C8 - МБМ; С2, С11-КТК; С4, С5, С12 - КСВ-1; iншi - КПК-1.
Рис. 2. 1ндуктивно - емнюний датчик вологомiра
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Транзистори, яю використовуються в приладi повиннi мати статичний коефщент передачi струму
не менше 20.
Котушки L1, L2 виконаш на чотирьохсекцiйному каркасi з оргашчного скла дiаметром 4 мм. Осердя котушок - з фериту 100НН типорозмiру СС2,8х12. Обмотки котушок L1, L2, мають по 32 витка проводу ПЕВ-1 0,32. Обмотка котушки L1 мае вщвщ вщ 12 витка, рахуючи вiд поеднаного з загальним проводом кiнця, а котушки L2 - вщ середини. Котушки L3, L4 виготовлеш на каркас з органiчного скла дiаметром 12 мм. Обмотки котушок L3 i L4 мiстять по 9 витюв дроту ПЕВ-1 1,2. Обмотка котушки L3 мае вщвщ вщ 4 витка, рахуючи вщ поеднаного з загальним проводом кшця.
Дросель розв'язки Др1 виконаний без каркаса i мютить 16 виткiв дроту ПЕВ-1 1,2 з внутршшм дiаметром намотування 8 мм.
Налагодження вологовимiрювача починають з установки колекторних струмiв транзисторiв. Через Т1 вiн повинен становити не бшьше 8 мА, а через Т2 - не бшьше 15 мА. Далi домагаються необхщних частот сигналiв генераторiв, змiнюючи емносп конденсаторiв С9, С10, С13.
Попм приступають до градуювання шкали вологовимiрювача. Для цього готують проби з волопстю, яка вiдповiдае початку i кшцю кожного дiапазону вимiрювання.
Спочатку датчик заповнюють пробою з волопстю, яка вщповщае початку першого дiапазону i, в положеннi 3 перемикача В1, пiдлаштовуючи конденсатор С3 i резистор R6, встановлюють стрiлку мшроамперметра на нульову подiлку шкали. Попм датчик заповнюють пробою з волопстю, яка вщповщае кшцю цього дiапазону i, регулюючи резистор R1, встановлюють стршку на останню подшку шкали. Далi проводять уточнення градуювання по обом пробам методом послщовних наближень, переводять перемикач В1а в положення 4 i встановлюють стршку на нульову подшку шкали, регулюючи резистор R7. Попм пщлаштовують контрольш конденсатори С6, С7, так, щоб при пщключенш конденсатора С6 (в положенш 1 перемикача В1а), стрiлка зупинялася напроти нульового розподшу шкали, а при пщключенш конденсатора С7 - проти останнього розподшу. Одночасно пщбирають i резистори R15 i R16. Надалi можна здiйснити градуювання вае'1 шкали.
При роботi з вологовимiрювачем перед початком вимiрювання потрiбно поставити перемикач роду роботи 7 (В1а) в положення 1, натиснути кнопку 8 (Кн1) i обертаючи ручку 2 резистора R1 встановити стршку на нульову подшку шкали. Попм натиснути кнопку 9 (КН2) i, обертаючи ручку 4 резистора R11, домогтися того ж.
Далi перемикач перевести в положення 2. При натисканш кнопок 9 або 8 стршка приладу повинна зупинятися проти останнього розподшу шкали.
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Наповнюють датчик матерiалом до кра!в, закривають кришку, вщгвинчують гвинт,
опускаючи тим самим поршень датчика, що ущiльнюе матерiал, i вставляють вилку датчика в гшзда 6.
Перемикач переводять в положення 3, натискають одночасно кнопки 8 i 9 i вiдраховують показання. Якщо стрiлка вiдхиляеться за межi шкали, необхiдно перемикач 7 перевести в четверте положення i вщрахувати показання приладу на другому дiапазонi.
В розроблюваному пристро! вимiрювання вологосп сипучих матерiалiв використовуеться емнiсний датчик. З метою кращого розумiння фiзичних основ роботи датчика та роботи розроблюваного пристрою в цшому було розроблено математичну модель емнюного датчика. Показано, що емнюний датчик дозволяе визначати дiелектричну проникнiсть речовини i, як наслiдок, !! вологiсть, без урахування геометричних параметрiв датчика i кювети з речовиною.
Було проведено дослщження роботи розробленого вимiрювача вологосп; в якостi об'екта вимiрювання використовували пшеницю - «озиму м'яку», «озиму тверду» i ячмiнь у виглядi зерен. Зерна засипались в стакан вимiрювача вологостi до повного його заповнення.
Стутнь вологостi дослiджуваних зразюв визначали при введеннi в стакан вимiрювача вологостi рiдини (проточно! води) в сумарнш кiлькостi 50 мл, причому вода вводилася в стакан з пшеницею поступово, починаючи з 5 мл з поступовим додаванням по 10 мл. Вимiрювання вологосп зерен пшеницi проводилося вiдразу тсля засипання зерен в стакан, а також тсля кожного процесу вливання води. Вимiри проводилися при температурi навколишнього середовища 25оС. В таблицях представлен результати дослiджень.
Як видно з таблиць 1...3 зi збшьшенням кiлькостi води, що додаеться в стакан, волопсть зернових культур зростае. Причому найбшьше вологи поглинають зерна пшенищ «озима м'яка», а найменше - зерна пшеницi «озима тверда».
Таблиця 1
Волопсть зерен пшенищ «озима м'яка»
№ п/п Кшькють рщини, мл Показання мжроампер- метра розробленого пристрою, мкА Вологiсть, що вщповщае показанням мiкроамперметра розробленого пристрою %
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
Таблиця 2
Вологiсть зерен пшениц «озима тверда»_
№ п/п Кшькють рiдини, мл Показання мжроампер- метра розроблено-го пристрою, мкА Вологiсть, що ввдповвдае показанням мiкроамперметра розробленого пристрою %
Таблиця 3
Вологiсть зерен ячменю
№ п/п Кшькють рвдини, мл Показання мжроампер- метра розробленого пристрою, мкА Вологiсть, що ввдповвдае показанням мкроамперметра розробленого пристрою %
Результати дослщження. В розробленш нами схемi у порiвнянi зi схемою аналога було зроблено замшу транзистора П410А (УТ2) на транзистор 2Ш143 в блоцi генератора високо'1 частоти. У порiвнянi з транзистором П410А транзистор 2Ш143 мае бшьшу потужнiсть розсiювання колектора (300мВт проти 100мВт). Також в розробленiй нами схемi було зроблено замiни дiодiв 2Д2 на дiоди Д2Е в блоках випрямлячiв. Дiоди Д2Е у порiвнянi з дiодами Д2Д мають значно бшьше значення максимально'1 постшно'1 зворотно'1 напруги (100В проти 50В). Зроблена замша за рахунок бшьшо'1 розаяно'1 потужност колектора транзистора 2Ш143 дала можливiсть збiльшити надiйнiсть вимiрювача вологостi у порiвняннi з аналогом. Замша дiодiв 2Д2 на дюди Д2Е дала можливiсть
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
збiльшити середнiй термш служби дiодiв та надiйнiсть розробленого приладу в цшому.
Обговорення результат1в. Розроблено вимiрювач вологостi сипучих матерiалiв. За рахунок оптимiзащi схеми аналога збшьшеш середнiй термiн служби елемен^в схеми та надiйнiсть розробленого приладу в цшому.
За допомогою розробленого пристрою дослщжена залежнють вологостi зернових культур ввд кiлькостi води, яка 1х додатково зволожуе. Показано, що найбшьше вологи поглинають зерна пшенищ «озима м'яка», а найменше - зерна пшенищ «озима тверда».
ISSN 2311-1100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
CC-BY-NC
1. http://www.patlah.ru.
2. Полщук С.С., Дорожовець М.М., Iвахiв О.В. та ш. Засоби та методи вимiрювань неелектричних величин. - Львiв: Видавництво «Бескид Бт>, 2008.- 618с.
3. Полщук С.С. Метрологiя та вимiрювальна техшка. - Львiв: Видавництво «Бескид Бт>, 2003. -544с.
4. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1969. - 313с.
5. Михлин Б.З. Высокочастотные датчики емкости и индуктивности. - М.: Госэнергоиздат, 1960. -75 с.
