CC BY
10
et al. // IMMAEE - IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 2019; pp. 1-8.
12. Hassanpour Isfahani A., Ebrahimi B.M., Lesani H. Design optimization of a low speed single-sided linear induction motor for improved efficiency and power factor. IEEE Transaction on Magnetic. 2008; 44(2): 266-272.
13. Pat. 197990 Russian Federation. Resonance manipulator with linear electric drive; IPC B25J 9/10 (2006.01) / Aipov R.S., Grigoriev E.A.; will declare and patent area. FSBEI HE Bashkir State Agrarian University; No. 2020110210/20; dec. 03/10/20; publ. 06/11/2020; Bull. No. 17.7 s.
14. Aipov R.S., Nugumanov R.R., Grigoriev E.A. Resonance manipulator with a linear electric drive for technological processes in the agro-industrial complex. Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2021; 59(3): 50-56.
15. Bessekersky V.A., Popov E.P. Theory of automatic control systems: textbook. M.: Nauka, 1972. 768 p.
16. Popov E.P. Theory of linear systems of automatic regulation and control: textbook. Ed. 2nd, revised. and additional. M.: Nauka, 1989. 304 p.
17. Zenkevich S.L., Yushchenko A.S. Fundamentals of manipulative robots control: textbook. Ed. 2nd rev. and additional. M.: MSTU im. N.E. Bauman, 2004. 480 p.
Рустам Сагитович Аипов, доктор технических наук, профессор, aipovrs@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5874-3187
Раушан Римович Нугуманов, кандидат технических наук, доцент, nugraush@rambler.ru, https://orcid.org/0000-0003-0163-9917
Эдуард Андриянович Григорьев, аспирант, grigoriev.edick@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-5590-8014
Rustam S. Aipov, Doctor of Technical Sciences, Professor, aipovrs@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-5874-3187
Raushan R. Nugumanov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, nugraush@rambler.ru, https://orcid.org/0000-0003-0163-9917
Eduard A. Grigoriev, postgraduate, grigoriev.edick@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0001-5590-8014
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 26.12.2022; одобрена после рецензирования 16.01.2023; принята к публикации 05.03.2023.
The article was submitted 26.12.2022; approved after reviewing 16.01.2023; accepted for publication 05.03.2023. -♦-
Научная статья УДК 621.372.812
Теоретическое обоснование применения частотной рефлектометрии для определения диэлектрической проницаемости зерна пшеницы волноводным диэлькометрическим методом
Виталий Матвеевич Попов, Сергей Юрьевич Панферов
Южно-Уральский государственный аграрный университет, Троицк, Челябинская область, Россия
Аннотация. В статье показаны результаты теоретического исследования по измерению диэлектрической проницаемости зерна пшеницы в волноводе. Приведен теоретический анализ процесса возбуждения радиоволновода с диэлектрическим заполнением, предложено определять диэлектрическую проницаемость с помощью критической частоты волновода. На основании анализа, рассмотрено использование метода частотной рефлектометрии для определения критической частоты волновода. Показаны зависимости изменения параметров возбуждения волновода и частотных характеристик коэффициента отражения от относительной диэлектрической проницаемости материала, заполняющего волновод. Установлено, что критическая частота волновода может быть найдена по характерным точкам частотных зависимостей коэффициента отражения. Расчёт относительной диэлектрической проницаемости материала в волноводе производился путём сравнения значений критической частоты для пустого и заполненного волноводов. Оценка применения частотной рефлектометрии проведена с помощью численного расчёта на примере зерна пшеницы.
Ключевые слова: диэлькометрия, относительная диэлектрическая проницаемость, влажность, зерно, волноводы, частотная рефлектометрия, критическая длина волны, критическая частота.
Для цитирования: Попов В.М. Панферов С.Ю. Теоретическое обоснование применения частотной рефлектометрии для определения диэлектрической проницаемости зерна пшеницы волноводным диэль-кометрическим методом // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 2 (100). С. 146 - 151.
Original article
Theoretical explanation of the use of frequency reflectometry to determine the dielectric permittivity of wheat grain by the waveguide dielсometric method
Vitalii M. Popov, Sergei Yu. Panferov
South Ural State Agrarian University, Troitsk, Chelyabinsk region, Russia
Abstract. The article presents the results of a theoretical study on measuring the dielectric permittivity of wheat grain in a waveguide. A theoretical analysis of the excitation process of a radio waveguide with dielectric charging is given, it is proposed to determine the dielectric permittivity using the wave-guide cutoff frequency. Based on the analysis, the use of the frequency reflectometry method to determine the wave-guide cutoff frequency is considered. The dependences of changes in the excitation parameters of the waveguide and the frequency characteristics of the reflection coefficient on the relative permittivity of the material filling the waveguide are shown. It is established that the wave-guide cutoff frequency can be found by the characteristic points of the frequency dependences of the reflection coefficient. The relative permittivity of the material in the waveguide was calculated by comparing the values of the wave-guide cutoff frequency for empty and charged waveguides. Evaluation of frequency reflectometry was carried out using numerical calculation, by the example of wheat grain.
Keywords: dielcometry, relative dielectric permittivity, humidity, grain, waveguides, frequency reflectometry method, cut-off wavelength, cut-off wavelength frequency.
For citation: Popov V.M., Panferov S.Yu. Theoretical explanation of the use of frequency reflectometry to determine the dielectric permittivity of wheat grain by the waveguide dielcometric method. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 100(2): 146-151. (In Russ.).
Определение влажности является важной частью технологического процесса переработки зерна. Поточный контроль влажности необходим, в частности, при сушке зерна. Объективные данные о текущей влажности зерна являются необходимым условием для управления процессом сушки. Существуют схемы управления зерносушилкой, основанные на данных со входа и выхода сушилки, однако они не позволяют управлять процессом, основываясь на динамике сушки. В качестве пути развития систем управления зерносушилками стоит рассматривать варианты получения данных о влажности непосредственно из камеры зерносушилки. Получение таких данных позволит организовать оптимальное управление зерносушилкой, повысить качество высушенного зерна и снизить технологические издержки в процессе его производства и переработки.
Известно, что влага в зерне подразделяется на свободную и связанную [1]. При сушке ставится задача удаления свободной части влаги - той, что участвует в процессах жизнедеятельности
зерновки. Исследования [2 - 5] показывают, что диэлектрические свойства свободной влаги и сухого вещества зерна имеют значительные отличия. Так, относительная диэлектрическая проницаемость г' сухого вещества, как правило, составляет 2 - 3, в то время как г' влаги составляет ~80. Такой высокий градиент обуславливает распространённость диэлькометрических средств и методов измерения влажности. Существуют различные варианты измерительных устройств - кондуктометрические, ёмкостные, резонаторные, микроволновые. Ввиду особенностей конструкции и методов измерения такие системы измерения влажности требуют создания определённых условий в измерительном объёме, что зачастую не удаётся реализовать в камере зерносушилки без конструктивных изменений в самой камере. Перспективным видится использование волноводных методов измерения [6]. Так, камеру шахтной зерносушилки можно представить в виде ячеистой структуры, состоящей из множества элементарных измерительных ячеек - волноводов переменного сечения (рис. 1).
Рис. 1 - Устройство камеры шахтной зерносушилки (А, Б) и элементарная измерительная ячейка - волновод переменного сечения (В)
Возбуждение такого волновода возможно через торцевую стенку, что минимизирует вмешательство в конструкцию зерносушилки. Необходимы методы, позволяющие определять диэлектрическую проницаемость зерна в таких волноводах. Перспективным видится использование методов частотной рефлектометрии. Такой подход позволяет возбуждать электромагнитные колебания (ЭМК) в волноводе и проводить измерение коэффициента отражения от возбуждающего устройства по одному кабелю, что значительно упрощает как процесс измерения, так и саму измерительную технику.
Целью работы является теоретическое обоснование применения частотной рефлектометрии для определения диэлектрической проницаемости зерна пшеницы в измерительной ячейке камеры зерносушилки.
Материал и методы. Известно, что электромагнитная волна в диэлектрике сжимается ввиду снижения её фазовой скорости [7]. Относительное укорочение длины волны зависит от относительной диэлектрической проницаемости г' диэлектрика и описывается соотношением Максвелла:
П л°
(1)
(3)
где Aq - длина волны в вакууме, м;
А - длины волны в исследуемом диэлектрике,
м;
n - коэффициент преломления Максвелла.
Таким образом, сравнивая длины волн в свободном пространстве и в диэлектрике возможно определять его г'. Применительно к пшенице относительная диэлектрическая проницаемость напрямую связана с её влажностью, а на результатах изучения диэлектрических свойств зерна и других материалов построены модели, позволяющие связывать определённое значение г' с влажностью контролируемого сырья [8, 9]. Для определения г' через измерения параметров ЭМК в диэлектрике перспективным является волноводный метод измерения. Однако сложность в измерениях длины волны заключается в необходимости размещать измерительный зонд в волноводе и манипулировании им. Подобный принцип подробно описан в работе Робертса и Хиппеля при измерении диэлектрической проницаемости материала в частично заполненном волноводе [10]. Для реализации потенциала волноводных методов измерений необходим максимально простой способ определения длины волны в волноводе.
Рассмотрим теорию возбуждения волновода. Основным типом возбуждаемой электромагнитной волны в радиоволноводе является поперечно электрическая волна, или Нщ. Т.е. с помощью колебаний типа Hoi передаются сигналы с наибольшей длиной волны для текущих размеров поперечного сечения волновода. Наибольшая
длина волны, при которой происходит возбуждение волновода, называется критической длиной волны Лкр. Из выражения (1) зависимость Лкр от диэлектрических свойств материала описывается выражением:
Акр = Лол/17, (2)
где Ло - критическая длина волны пустого волновода;
г' - относительная диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего волновод. Или, приводя длину волны к частоте, получим выражение:
^ —
/кр~ V?'
где /кр - критическая частота заполненного волновода;
/о - критическая частота пустого волновода. При возбуждении волновода ЭМК подводятся от генератора к возбуждающему устройству - коаксиально-волноводному переходу. Если частота подводимых колебаний меньше /кр, то в волноводе не будет возбуждаться бегущая волна и подводимая энергия отразится обратно в тракт. Отношение подводимой энергии и отражённой характеризуется с помощью коэффициента отражения Г. Представим волновод и коаксиально-волноводный переход различными средами со своими волновыми сопротивлениями 2. Тогда:
(4)
г!+г2
где 2\, 22 - волновые сопротивления (импедансы) первой и второй среды соответственно. В случае с возбуждением волновода границей раздела сред принимаем переход между коаксиальной линией передачи и возбуждающим устройством - коаксиально-волноводным переходом. Волновое сопротивление линии принимаем стандартным 2л = 50 П. Рассмотрим волновое сопротивление самой измерительной ячейки-волновода (рис. 1 В).
В источнике [11] приводится выражение, описывающее волновое сопротивление волновода 2зВ:
. 4Ф-
(5)
при этом в области отсечки (когда / < /кр) 2зв является мнимой величиной. Результаты численного расчёта волновых сопротивлений для стандартного прямоугольного волновода с размерами 30 х 22 см при г = 1, 2, 4 приведены на рисунке 2.
Граница перехода 2зв из мнимой величины в действительную как раз соответствует критической частоте волновода. Как видим, при изменении г' материала, помещённого в волновод, изменяется и его критическая частота. Таким образом, выражение 4 возможно использовать
для определения критической частоты волновода через коэффициент отражения ЭМК от зоны возбуждения волновода, т.е. становится доступной техника частотной рефлектометрии.
Рассмотрим параметры коаксиально-волноводного перехода (рис. 3) при возбуждении ЭМК в волноводе. Предполагаем, что зонд или возбуждающий вибратор является продолжением центрального проводника коаксиальной линии. Тогда его волновое сопротивление можно рассчитать по формуле Кессениха:
Z = 60(ln(^)-0,577. (6)
С другой стороны, при подключении коаксиальной линии к волноводу она оказывается нагруженной на комплексное сопротивление:
Z = ZQg sin'
+ JX.
(7)
С точки зрения рефлектометрического анализа важен коэффициент отражения от возбуждающего перехода. Из формулы (7) следует, что наименьшее отражение, соответствующее наилучшему согласованию коаксиального тракта с возбуждающим устройством, достигается, когда 2 перехода становится равной активному волновому сопротивлению коаксиальной линии 2о. При этом волновое сопротивление для волны типа ТЕ в волноводе описывается как:
î*I а>
ReÇZK 1))1 S.104 Im(Zf 1)) Re(Z(f 2)) Im(Zf 2)) TD"1 ReÇZf 4)) Im(Z(f, 4))
S'ltf3
Е = 1
Е = 2
Е = 4 -
... ..J.1-:
200
400 №0
/
BH>
Рис. 2 - Зависимости мнимой и действительной частей волнового сопротивления волновода 2 от частоты возбуждаемых ЭМК при е = 1, 2, 4
Рис. 3 - Конструкция коаксиально-волноводного перехода
ZTE — Zw(Xg/X) Jj,
(8)
Подставляя (8) вместо 2q0 в выражение (7), получим действительную часть 2 в виде:
Z — 2ZW
а.
1 +
(9)
где Хд - длина волны в волноводе; Ь - узкая стенка волновода; а - широкая стенка волновода; I - расстояние зонда от короткозамкнутой стенки;
ш - смещение зонда относительно продольного центра симметрии волновода. С учётом зависимости длины волны от относительной диэлектрической проницаемости г' среды распространения (2) выражение для расчёта длины волны в волноводе Хд примет следующий вид:
Ао
(10)
где Х0 - длина волны в свободном пространстве;
Хс - критическая длина волны в волноводе.
На рисунке 4 представлены результаты численного расчёта волнового сопротивления 2 волновода, при г' = 1, 2, 4.
Результаты расчёта коэффициента отражения от коаксиально-волноводного перехода представлены на рисунке 5. На рисунке 5 видно, что наилучшее согласование, т.е. наименьший коэффициент отражения, достигается на критической частоте. Первые минимумы функции Г(/) соответствуют выходу волновода из режима отсечки и наблюдаются на частотах 500, 353,6 и 250 МГц при г' = 1, 2 и 4 соответственно, при этом изменение критической частоты соответствует закону (3).
Для анализа применялся численный расчёт. Моделирование заполнения измерительной ячейки (волновода) зерном пшеницы производилось
I.&XIO1
I Rf 1)I into3 J Rf 2)|
1 Rf,4)! ВАЛ
200
400
ÖÜ0
6СО
/
Рис. 4 - Расчётные зависимости волнового сопротивления коаксиально-волноводного перехода от частоты / возбуждаемых ЭМК (при е' = 1, 2 и 4)
М, % е расч е теор Укр(расч), МГц ./кр(теор), МГц
13,5 3,33 3,33 273,998 274,010
14,5 3,45 3,45 269,191 269,191
15,0 3,51 3,51 267,033 267,033
16,0 3,61 3,61 263,231 263,231
17,6 3,75 3,75 258,302 258,302
18,0 3,78 3,78 257,240 257,240
18,5 3,81 3,81 256,023 256,023
21,0 3,98 3,98 250,722 250,722
R = 1
4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3
Ж
Ж £'Расч — — £'теор
'Ж
X.
"Ж
245
255
275
Рис. 5 - Расчётные зависимости коэффициента отражения коаксиально-волноводного перехода от частоты /возбуждаемых ЭМК и значения критических частот /кр (при е' = 1, 2 и 4, /кр = 500, 353,56 и 250 МГц соответственно)
через расчёт значений г' для зерна. Для расчёта применялась модель Нельсона — Крашевского. Значения г' рассчитывались для влажностей М от 13,5% до 21,0 %. Критические частоты /кр(расч) определялись по характерным точкам построенных частотных зависимостей. По выражению (3) рассчитывались значения /кр(расч) и значения г'расч. Базисные значения г'те0р рассчитывались по выражению (2).
Результаты и обсуждение. Результаты, полученные из численного расчёта, сведены в таблицу 1 и показаны на рисунке 6.
1. Результаты численного расчёта по определению диэлектрической проницаемости зерна в волноводе рефлектометрический методом
График показывает, что изменение г'те0р, рассчитанной по характерным точкам частотных зависимостей, полностью соответствует теоретическому закону изменения (3). Расчётный коэффициент К = 1. Такой результат прямо указывает на перспективность применения рефлектометрии в задачах определения диэлектрической проницаемости материалов. Применительно к измерению влажности зерна техника однопортовой рефлектометрии может существенно расширить возможности диэлькометрических методов измерения.
265 f, МГц
Рис. 6 - Сравнение расчётных и теоретических значений е'
На рисунке 5 видно, что частотные характеристики имеют явно выраженную область с минимальным отражением. Определение минимума Г - характерной точки в этой области является относительно простой задачей, решаемой при помощи частотного сканирования.
Вывод. Становится возможным использование одного пассивного канала измерения, что является существенным преимуществом. Это позволит проводить измерения влажности в сложных условиях камеры зерносушилки минимальными средствами.
Список источников
1. Ребиндер П.А. О формах связи влаги с материалами в процессе сушки // Всесоюзное совещание по интенсификации процессов и улучшению качества материалов при сушке в основных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. М.: Профиздат, 1958. С. 20 - 23.
2. Thorp J.M. The dielectric behaviour of vapours adsorbed on porous solids. Transactions of the Faraday Society. 1959. Т. 55. С. 442 - 454.
3. Bockris J.O.M., Devanathan M.A.V., Müller K. On the structure of charged interfaces. Electrochemistry. Pergamon, 1965. Р. 832-863..
4. Serdyuk V.M. Dielectric study of bound water in grain at radio and microwave frequencies. Prog. Electro-magn. Res. 2008; 84: 379-406.
5. Ulaby F.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric spectrum of vegetation-Part II: Dual-dispersion model. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1987; 5: С. 550 - 557.
6. Жданов Б.В., Полевик Н.Д., Панферов С.Ю. Высокочастотный метод измерения влажности сельскохозяйственного сырья // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: матер. 28-й Междунар. Крымской конф. Севастополь, 2018. С. 1375 - 1380.
7. Hasted J.B. et al. Aqueous dielectrics. London: Chapman and Hall, 1973. Т. 17.
8. Boyarskii D.A., Tikhonov V.V, Komarova N.Y. Model of dielectric constant of bound water in soil for applications of microwave remote sensing. Progress In Electromagnetics Research. 2002; 35: 251-269.
9. Kraszewski A., Nelson S.O. Composite model of the complex permittivity of cereal grain. J. Agric. Eng. Res. 1989; 43: 211-219.
10. Roberts S., Von Hippel A. A new method for measuring dielectric constant and loss in the range of centimeter waves. J. Appl. Phys. 1946; 17(7): 610-616.
11. Huber R., Schmidt W., Muller H. Silent defect of the roentgen tubes. Archiv fur Geschwulstforschung. 1954; 6(3-4): 354-359.
References
1. Rebinder P.A. On the forms of communication of moisture with materials during drying // All-Union Conference on the intensification of processes and improving the quality of materials during drying in the main industries and in agriculture. M.: Profizdat, 1958. P. 20-23.
2. Thorp J.M. The dielectric behaviour of vapours adsorbed on porous solids. Transactions of the Faraday Society. 1959; 55: 442-454.
3. Bockris J.O.M., Devanathan M.A.V., Müller K. On the structure of charged interfaces. Electrochemistry. Pergamon, 1965. P. 832-863.
4. Serdyuk V.M. Dielectric study of bound water in grain at radio and microwave frequencies. Prog. Electro-magn. Res. 2008; 84: 379-406.
5. Ulaby F.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric spectrum of vegetation-Part II: Dual-dispersion model.
IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1987; 5: 550-557.
6. Zhdanov B.V., Polevik N.D., Panferov S.Yu. High-frequency method for measuring the moisture content of agricultural raw materials // SHF-technics and telecommunication technologies: mater. 28th Intern. Crimean Conf. Sevastopol, 2018. P. 1375-1380.
7. Hasted J.B. et al. Aqueous dielectrics. London: Chapman and Hall, 1973. T. 17.
8. Boyarskii D.A., Tikhonov V.V, Komarova N.Y. Model of dielectric constant of bound water in soil for applications of microwave remote sensing. Progress In Electromagnetics Research. 2002; 35: 251-269.
9. Kraszewski A., Nelson S.O. Composite model of the complex permittivity of cereal grain. J. Agric. Eng. Res. 1989; 43: 211-219.
10. Roberts S., Von Hippel A. A new method for measuring dielectric constant and loss in the range of centimeter waves. J. Appl. Phys. 1946; 17(7): 610-616..
11. Huber R., Schmidt W., Muller H. Silent defect of the roentgen tubes. Archiv fur Geschwulstforschung. 1954; 6(3-4): 354-359.
Виталий Матвеевич Попов, доктор технических наук, профессор, ntc-es@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-5773-4839
Сергей Юрьевич Панферов, магистр, s.y.panferov@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-3823-5994
VitalyM. Popov, Doctor of Technical Sciences, Professor, ntc-es@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-5773-4839 Sergei Yu. Panferov, master of science, s.y.panferov@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-3823-5994
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests. Статья поступила в редакцию 15.02.2023; одобрена после рецензирования 05.03.2023; принята к публикации 05.03.2023.
The article was submitted 15.02.2023; approved after reviewing 05.03.2023; accepted for publication 05.03.2023. -♦-
Научная статья УДК 621.043
Эффективность использования электрических нагревательных элементов в сельскохозяйственных машинах
Роман Олегович Сурин, Андрей Валентинович Михайлов, Александр Викторович Кучер,
Сергей Васильевич Щитов, Евгений Евгеньевич Кузнецов
Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск, Россия
Аннотация. При работе сельскохозяйственных машин в периоды ранних осенних и поздневесенних заморозков наблюдается эффект намерзания почвенных масс на их рабочие органы, что снижает эффективность полевых работ. В статье представлены результаты исследований, подтверждающие эффективность применения гибких нагревательных элементов в конструкции полевых машин, позволяющих снизить силу сцепления налипших к рабочим органам сельскохозяйственной техники и замёрзших почвенных масс. При этом технологические особенности применённых нагревающих элементов позволяют их использование в различных погодных условиях и практически на любой сельскохозяйственной технике. Полученные данные позволяют сделать вывод, что при нагревании рабочих органов сельскохозяйственной техники с помощью нагревательных элементов, подключенных в рабочую сеть колёсного полурамного трактора, усилие сдвига примёрзшего почвенного клина снижается в пределах 1,2 - 2,0 раза при температуре +5 °С, и 3,0 - 5,8 раза при температуре -5 °С.
Ключевые слова: фронтальный прокалыватель-щелерез, гибкий нагревательный элемент, почвы высокой липкости, усилие сдвига, эффективность.
Для цитирования: Эффективность использования электрических нагревательных элементов в сельскохозяйственных машинах / Р.О. Сурин, А.В. Михайлов, А.В. Кучер и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 2 (100). С. 151 - 155.
