CC BY
24СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
В.П. Якушев, И.П. Ананьев, Е.В. Тулин, А.В. Белов,1 С.В. Усиков, Ю.И. Карташов, Л.К. Васильева,2 О.Г. Петкау, И.М. Богачев, В.В. Вылегжанин 3, АФИ1, «Российский научный центр «Прикладная химия» Российского агентства по боеприпасам»2, НИИ «Вектор» Российского агентства по системам управления3
Диэлькометрический контроль основан на измерении диэлектрических свойств веществ и широко используется как один из основных методов контроля состава, состояния и качества материалов в технологиях сельскохозяйственного производства. Благодаря экспрессности измерений, простоте использования, невысокой стоимости и приемлемой точности диэлькометрический метод контроля получил широкое применение во влагометрии сельскохозяйственных материалов: зерна и кормов, почв и тепличных грунтов, минеральных, органических и комбинированных удобрений, торфа [5, 6]. Доля диэлькометрических влагомеров в мировом объеме производства влагомеров зерна составляет около 70% [7]. Помимо измерения влажности, диэлькометрия применяется как аналитический метод количественного контроля состава, чистоты и качества различных продуктов и веществ (анализ качества молочных продуктов, меда, патоки, спиртосодержащих жидкостей, масел, топлив, состава золей, суспензий, эмульсий, бинарных водных и неводных растворов, порошковых смесей), а также для определения химической структуры веществ [9].
Диэлектрическая проницаемость материалов е в переменных электромагнитных полях, используемых в технологическом контроле, является комплексной величиной: е = е' -] е", в которой действительный компонент е' определяет способность материала поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент е" (коэффициент потерь) характеризует поглощение энергии веществом при поляризации. Компоненты комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) е', е" связаны с тангенсом угла диэлектрических потерь ^д и электропроводностью а материала соотношениями: ^д = е"/е', а = е"ю е0, где ю - круговая частота электромагнитного поля, е0 = 8,854 10-12 Ф/м - электрическая постоянная.
Для измерения компонентов е', е" используются обычно двухполюсные емкостные датчики с внутренним электромаг-
нитным полем (измерительные ячейки) или с внешним полем (зонды). Значения е', е" определяются по составляющим входного импеданса датчика, связанным функциональными зависимостями с е', е".
Основными методами измерения импеданса и его составляющих в диапазоне от низких частот до 100 МГц являются мостовой метод, включая метод автоматически балансирующегося моста, метод тока и напряжения с фазовым разделением активной и реактивной составляющих импеданса, резонансный метод (для сред с малыми диэлектрическими потерями) [10], а также модуляционный резонансный метод.
В настоящее время средства диэлькометрии используются в технологиях сельскохозяйственного производства, в основном, для контроля влажности сельскохозяйственных материалов (табл. столбцы 1 и 2). Эти средства являются однопара-метрическими и измеряют действительный компонент КДП е' для определения влажности, что основано на его высоком значении для воды (е'= 80,4 при 1 = 20°С) по сравнению с е' для сухого материала.
Двухкомпонентная диэлькометрия, основанная на одновременном измерении е'и е", существенно повышает эффективность применения средств диэлькометрии в технологическом контроле, увеличивая точность измерения влажности и расширяя функциональные возможности контроля (столбец 3 в табл.). В АФИ показана возможность одновременного определения влажности и объемной плотности зерновых материалов по измеренным значениям компонентов КДП е', е" в диапазоне радиочастот [1]. Аналогичная возможность существует и для стеблевых материалов. Это открывает перспективу создания влагомеров зерна и кормовых трав с автоматической коррекцией влияния объемной плотности или измерителей влажности и объемной плотности, что особенно актуально для зондовых измерений.
Возможности использования двухкомпонентной диэлькометрии в технологиях сельскохозяйственного производства
Подотрасли и технологии сельскохозяйственного производства Назначение средств диэлькометрии в контроле технологических параметров Возможности двухкомпонентной диэлькометрии
1 2 3
1. Производство и переработ-
ка зерна
2. Кормопроизводство (сено, силос, сенаж, плющеное
Контроль влажности в процессе заготовки, хранения и использования
Контроль влажности при заготовке сена, закладке и извлечении силоса и
Измерение влажности с коррекцией влияния объемной плотности. Измерение объемной плотности. Измерение влажности зерна и муки в потоке с коррекцией влияния сплошности
Измерение влажности с коррекцией влияния объемной плотности. Мониторинг консервации и хранения силоса, сенажа по влажно-
28
This document was created using
Плодородие №5^2007
Solid Converter PDF
зерно)
3. Земледелие открытого грунта
4. Точное земледелие
5. Овощеводство открытого грунта с использованием
систем орошения
6. Тепличное овощеводство
7. Производство, хранение и использование минеральных,
органических и комбинированных удобрений
8. Приготовление субстратов для выращивания грибов
сенажа, плющеного зерна Измерение посевной влажности почвы.
Мониторинг влажности в течение вегетационного периода Измерение влажности почвы в движении при обследовании состояния полей и проведении технологических операций
Измерение влажности почвы для управления системами орошения.
Измерение влажности тепличного грунта для управления системами полива
Контроль влажности при производстве, хранении и использовании минеральных, органических и комбинированных удобрений Контроль влажности в процессе ферментации
Важными факторами плодородия почв являются влажность почв и общее содержание растворенных элементов минерального питания. Задача определения этих характеристик почвы может быть решена с использованием двухкомпонент-ных диэлькометрических преобразователей, измеряющих действительный компонент КДП е' и электропроводность а почвы. Действительный компонент КДП е' является монотонно возрастающей функцией объемной влажности почвы в, зависящей от типа почвы и температуры, но практически не зависящей от электропроводности почвы в пределах а = 0.. .1 См/м [11]. Поэтому влажность почвы определяется измерением е' с использованием обобщенной градуировочной характеристики или индивидуальных характеристик для исследуемых типов почв с введением температурной поправки, если измерения проводятся при температурах, отличающихся от нормальной.
Установление общего содержания растворенных элементов минерального питания осуществляется путем определения солености почвенной воды, выражаемой через ее электропроводность aW. В работе [11] показано, что в диапазоне объемных влажностей в от 0,12 см3см-3 до насыщения связь между электропроводностью почвы а и диэлектрической проницаемостью е' для минеральных почв линейна. Частная производная да/де', названная индексом солености, не зависит от объемной влажности и прямо пропорциональна солености почвы (концентрации солей в почвенной воде). В [11] получена эмпирическая формула, связывающая электропроводность почвенной воды aW с измеренными in situ значениями а и е' почвы и процентным содержанием песка в почве, по которой можно рассчитать показатель засоленности почвы, выраженный через электропроводность почвенной воды. Сведения о содержании песка в почве используются из базы данных о гранулометрическом составе почв для обследуемых полей.
В земледелии открытого грунта измерение е', е" почв в течение вегетационного периода может использоваться для мониторинга влажности и динамики трансформации элементов минерального питания. В точном земледелии непрерывное измерение е', е" датчиком, укрепленном на мобильном информационно-измерительном средстве, может применяться для измерения влажности и общего содержания элементов минерального питания почвы в движении при обследовании состояния полей и внесении удобрений. В овощеводстве открытого грунта с использованием систем орошения непрерывное измерение е, е" позволяет не только определять влажность для управления системами орошения, но и осуществлять мониторинг общего содержания элементов минерального питания для принятия решений о проведении подкормок.
Большое значение имеет непрерывное измерение компонентов КДП е', е" тепличных грунтов в овощеводстве защищенного грунта при использовании систем орошения с подачей питательного раствора в поливную воду. Сигнал, пропор-
сти, электропроводности, температуре
Измерение влажности и содержания солей. Мониторинг влажности и динамики трансформации элементов минерального питания в течение вегетационного периода
Измерение влажности и общего содержания элементов минерального питания в движении при обследовании состояния полей и внесении удобрений
Измерение влажности почвы для управления системами орошения. Мониторинг общего содержания элементов минерального питания для принятия решений о проведении подкормок Измерение влажности и концентрации питательного раствора в тепличном грунте для управления системами полива с подачей
питательного раствора в поливную воду Контроль влажности с коррекцией влияния объемной плотности минеральных удобрений. Контроль влажности и динамики процессов ферментации при производстве органических и комбинированных удобрений Контроль влажности и динамики процессов ферментации при приготовлении субстратов для выращивания грибов
циональный е', может использоваться в этих системах для управления количеством поливной воды, а сигнал, пропорциональный е", дает возможность управлять подачей питательного раствора в поливную воду, что позволяет оптимизировать режим питания растений и экономить поливную воду и питательный раствор.
В технологиях производства силоса измерение влажности, электропроводности и температуры может использоваться для мониторинга процессов консервации и ферментации при хранении, что дает возможность оперативно управлять этими процессами и обеспечивать высокое качество силоса. Двухкомпонентная диэлькометрия перспективна также в производстве удобрений и приготовлении субстратов для выращивания грибов, позволяя осуществлять контроль влажности и электропроводности при производстве и хранении удобрений и динамики процессов ферментации субстратов.
В АФИ разработан метод автогенераторной двухкомпо-нентной диэлькометрии, позволяющий определять действительный е' и мнимый е" компоненты КДП жидких и сыпучих сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов в электромагнитном поле в диапазоне частот 1...50 МГц [3]. Метод основан на разработке специальных автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний, использование которых позволяет определять е' по изменению частоты колебаний автогенератора и е" по измерению амплитуд тока питания и напряжения его резонансной системы. На основе этого метода создается емкостной влагомер зерна со свободной засыпкой пробы, в котором решается задача исключения влияния плотности засыпки на показания влажности за счет измерения действительного и мнимого компонентов КДП. Проводится разработка двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя и прибора для измерения влажности и электропроводности почв, предназначенного для маршрутного обследования состояния полей в технологиях точного земледелия [4]. Конструкция зонда и прибора рассчитаны на проведение измерений на глубинах от 10 до 50 см в зависимости от глубины введения зонда, что позволяет определять профиль по глубине и пространственное распределение по полю этих параметров. Метод автогенераторной двухкомпонентной диэль-кометрии будет использован также в разрабатываемом в АФИ мобильном информационно-измерительном средстве для контактного измерения и картирования комплекса агрофизических характеристик почв и в приборе для бесконтактного измерения влажности и электропроводности почвогрунтов с помощью горизонтальной рамочной антенны [2].
В НИИ «Вектор» разработана компьютеризированная система анализа (КСА) качества и идентификации растворов органических и неорганических жидкостей на основе измерения диэлектрической проницаемости е' и электропроводности а различных веществ для промышленного применения, блок-схема которой приведена на рисунке.
Плодородие №5^2007
This document was created using
29
Solid Converter PDF
32
Система управляется ЭВМ имеет до 32 каналов измерения. Каждый канал имеет электронный блок (ЭБ), блок индикации с буквенно-цифровым жидкокристаллическим индикатором, соединенный с ЭБ электрическим кабелем длиной до 25 м, и стойкий к агрессивным средам емкостный датчик, конструктивно объединенный с датчиком температуры, который подключен к ЭБ коаксиальным кабелем длиной до 2 м. В системе может быть использован также индуктивный датчик. Диапазон рабочих температур ЭБ и датчика -40°С ^ +85°С, блока индикации -20°С ^ +75°С. Представленная система является базовой, так как на ее основе могут быть реализованы обычно более узкие, чем обеспечивают возможности системы, требования потребителей. Адаптация системы к методикам диагностики качества и идентификации, в том числе пищевых продуктов, проводится чисто программным путем без конструктивных изменений.
Программное обеспечение (ПО) системы включает в себя: программы, обеспечивающие функционирование ЭБ и его связи с ЭВМ; программы обработки измеренных данных; банк постоянных данных, загружаемый при настройке электронного блока, предназначенного для конкретного использования; пользовательское программное обеспечение, рассчитанное на эксплуатацию ЭВМ типа IBM РС под управлением операционной системы Windows. ПО предоставляет возможность расширенной обработки результатов измерений в соответствии с требованиями решаемой задачи потребителей. Возможность в конкретных применениях ограничить диапазон частот и измеряемых величин позволяет в процессе изготовления повысить точность измерения без существенных конструктивных изменений. Система может быть подключена к волоконно-оптической линии связи. Основные параметры КСА следующие. Диапазон испытательных частот: 10 Гц ^ 10 МГц. Диапазон измерения импеданса: активной проводимости: 10 нСм ^ 1 мСм; емкости: 0,01 пФ ^ 0,01 мкФ. Относительная погрешность установки частоты 10-5. Погрешность измерения в диапазоне частот 1 кГц ^ 2 МГц: активной проводимости от 1 мкСм до 1 мСм ± 0,5%; емкости от 0,1 до 1000 пФ ± 0,5%. Максимальное число точек сканирования частоты: 1024. Погрешность измерения температуры: ± 0,05°С. Тип интерфейса: RS-232 и RS-422. Потребляемая мощность на один канал 5 Вт от сети 50 Гц, 85 ^ 240 В или от источника напряжения 5 В либо 12 В. Разработанные датчики позволяют проводить анализ с отбором и без отбора проб, в том числе больших масс на потоке и в стационарных условиях, как в процессе производства, так и при отгрузке, приемке, хранении.
В РНЦ «Прикладная химия» предложен и разработан новый метод состояния [8], обладающий широкой перспективой применения и успешно реализуемый с использованием системы КСА. Суть метода заключается в следующем. При воздействии на жидкие органические и неорганические соединения электромагнитным полем различной частоты, например, в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц и выше при данной температуре (и в диапазоне температур) получают отклики в виде удельных электрофизических (Э/Ф) показателей: - электро-
30
проводности (удельной активной проводимости) а , в том числе на высокой частоте 1 МГц (а1МГц) и на низкой частоте 1 кГц (а1кГц); - критерия тождественности: отношения электро-проводностей на любой частоте к электропроводности на низкой частоте 1 кГц, в том числе отношения п = а1МГц/ а1кГц, в диапазоне от 1 до 10 МГц и выше; - действительного компонента КДП е}, в том числе при частоте 1 кГц (е'1кГц) и 1 МГц (е'1МГц) и приращение Д е} = е'1кГц - е'1МГц; - характеристической частоты/х, при которой происходит равенство температурных приращений, противоположных по знаку, для двух видов активных проводимостей, одна из которых обусловлена движением так называемых «свободных» ионов, а другая - движением связанных зарядов (ионов), например диполей; - спектр зависимостей а^- и е} от частоты в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц. По откликам Э/Ф показателей идентифицируют и определяют качество (состав) вещества и его принадлежность к данному продукту: нефтям, мазуту, битуму, тяжелым (дизельным), легким (светлым) топливам, соответствующим маркам моторных масел, растительным маслам, к спиртоводным растворам и к маркам водок и другим растворам. По критерию тождественности избирательно определяют высшую удельную теплоту сгорания (энергетическую ценность) продукта, характеризующую потенциальное содержание (качество) низкокипящих фракций в минеральных веществах, их калорийную ценность в пищевых продуктах. Приращение действительного компонента КДП е} используют для избирательного определения массовой доли воды в нефти, продуктах остаточной дистилляции, маслах минеральных и растительных. Характеристическая частота/х является важнейшим показателем принадлежности к данному продукту, в соответствии с его качеством.
Важным дополнением к характеристикам продуктов является зависимость (рельеф) этих удельных показателей от частоты. Это своеобразные спектральные характеристики Э/Ф показателей, связанные с качеством (составом, структурой) растворов. Открывается впервые в мировой практике реальная перспектива оценки зависимости от частоты удельных показателей растворов любого класса и их взаимосвязи с химическим состоянием, а значит - построения ультра новых технологий диагностики качества и идентификации продуктов. Этот комплекс Э/Ф показателей, их величина и набор представляют собой код вещества. С помощью метода состояния осуществляется диагностика качества и идентификация минеральных удобрений (мочевина), в частности, оценивается качество минеральных удобрений, экспортируемых из России в США. Данная методика и технические средства диагностики качества и идентификации минеральных удобрений могут быть успешно использованы в точном земледелии, опытном деле и производстве при дозированном, требуемом количестве и качестве удобрений в соответствии с потребностью растений.
О новизне и перспективности метода состояния, а также разработок средств на его основе сделаны доклады на международных форумах и конференциях, в том числе: «Экология и сельскохозяйственная техника», 5-6 июня 2002 г. в СПб
Плодородие №5^2007
This document was created using
Solid Converter PDF
(СЗНИИМЭСХ); «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья», 2-4 декабря 2003 г. в М. (ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова); «Состояние, проблемы и опыт аналитического приборостроения для сельскохозяйственного производства, пищевой и перерабатывающей промышленности и робото-технических систем точного земледелия», 25-27 мая 2004 г. в СПб (ХК «Ленинец»); «Двенадцатая Всемирная конференция и выставка по механизации полевых экспериментов», 5-9 июля 2004 г. в СПб, СПБГАУ, (1ЛМЕЕ/КШ81Л 2004); Третий Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» 14-18 марта 2005 г. (Правительство Москвы).
Литература
1. Ананьев И.П. Определение влажности и объемной плотности зерновой массы по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости. Материалы Международной научно-практической конф. «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов - АГР0ИНФ0-2003». Новосибирск, 22-23 октября 2003 г., Часть 2, С.60-71. 2. Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов. IX Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяй-
стве». Сборник докладов. 19-20 сентября 2006 г., г. Углич, С.292-309.. 3. Ананьев И.П. Измерение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости сельскохозяйственных материалов автогенераторными преобразователями с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний. IX Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». Сборник докладов. 19-20 сентября 2006 г., г. Углич, С.329-341. 4. Ананьев И.П., Белов А.В. Зондовый двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь влажности и электропроводности почв. Международная научно-практическая конф. «Информационные технологии, системы и приборы в АПК -АГР0ИНФ0-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., С. 298-316. 5. Берлинер М.А. Измерения влажности. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1973, 400 с. 6. Секанов Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов. М.: Агропромиздат, 1985, 161 с. 7. Секанов Ю.П. Разработка средств измерений влажности зерна. Доклады РАСХН. 1997, № 4, С. 43-46. 8. Усиков С.В. Определение электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов. Издательство "Теза", СПб, 1997, 175 с. 8. Эме Ф. Диэлектрические измерения для количественного анализа и для определения химической структуры. Перев. с нем. М.: Химия, 1967, 224 с. 9. Agilent Technologies. Impedance Measurement Handbook. December 2003. 123 p. Web-site: www.agilent.com. 10. Malicki M.A., Walczak R.T. Evaluating soil salinity status from bulk electrical conductivity and permittivity. European Journal of Soil Science. 1999, V. 50, РР. 505-514.
Плодородие №5^2007
31
Solid Converter PDF
This document was created using
