Способ измерения влажности материалов

Изобретение относится к области электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для контроля влажности материалов.

Известен способ измерения влажности материалов неоднородных по электрическим свойствам, основанный на измерении ослабления электромагнитной энергии СВЧ при прохождении через материал в направлении распространения падающей волны, при этом измеряют интенсивность энергии, рассеянной под определенным углом, например в 30°, к направлению распространения падающей воны, и о влажности материала судят по сумме значений ослабления энергии, прошедшей через материал, и отношению интенсивности энергии, рассеянной под определенным углом, к интенсивности энергии, прошедшей через материал в направлении распространения падающей волны [авторское свидетельство №271104, кл. G01N 23/24, опубл. Бюл. №17, 12.05.1970 г.].

Известен также способ измерения влажности материалов, заключающийся в облучении электромагнитной волной кюветы с исследуемым образцом и измерении прошедшего через него сигнала, по которому определяют влажность исследуемого материала, при этом кювету вращают вокруг оси, не совпадающей с направлением распространения электромагнитной энергии, а влажность определяют по среднему результату многократных измерений прошедшего сигнала, приведенных за полный оборот кюветы [авторское свидетельство №1146588, кл. G01N 22/04, опубл. Бюл. №4, 30.01.87 г.].

Недостатком этого способа является возможность измерения влажности только для сыпучих материалов.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения влажности, заключающийся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала при постоянном перемешивании материала под действием собственного веса во вращающейся цилиндрической кювете с последующим определением среднего значения измеряемой величины. При этом для обеспечения надежного перемешивания кювета заполняется не полностью. Степень заполнения кюветы выбирается в зависимости от свойств материала (угол откоса, гранулометрический состав) [авторское свидетельство №1419302, 22.04.1988 г.].

Основным недостатком известного способа является возможность повышения точности измерения влажности только для сыпучих материалов, т.к. только сыпучие материалы при вращении в кювете, перемешиваясь, обеспечивают взаимонезависимость результатов измерения за счет случайного распределения неоднородностей материала, что не обеспечивается в случае твердых, жидких, пастообразных и дисперсных материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение ассортимента контролируемых материалов не только для сыпучих, но и твердых, жидких, пастообразных и дисперсных материалов.

Данный технический результат достигается тем, что в способе измерения влажности методом СВЧ, заключающемся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала с последующим определением среднего значения измеряемой величины, контролируемый материал облучается независимыми источниками СВЧ-энергии в "n" направлениях, амплитуда прошедшего через материал СВЧ-сигнала в каждом направлении многократно измеряется с последующим определением среднеарифметического измеренных по всем направлениям значений амплитуды.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Исследуемый образец сыпучих, твердых, жидких, пастообразных и дисперсных материалов облучают независимыми источниками СВЧ-энергии в "n" направлениях. Для этого используют «n» пар «СВЧ-генератор - детектор», произвольно расположенных вокруг исследуемого материала. Амплитуда прошедшего через материал СВЧ-сигнала в каждом направлении многократно измеряется с последующим определением среднеарифметического значения измеренных по всем направлениям значений амплитуды, т.е.

где - среднеарифметическое значение измеренных по всем направлениям значений амплитуды, n - число направлений (число пар СВЧ-генератор - детектор), m - число измерений в каждом направлении.

При многократных измерениях с последующим усреднением измеряемой величины доверительный интервал случайной составляющей погрешности на уровне 0,95 определяется из выражения

где x_i - измеряемая случайная величина, t_0.95 - коэффициент Стьюдента, N=m×n - число наблюдений, S(x_i) - оценка среднеквадратического отклонения случайной величины.

Действительно из (2) следует, что при N→∞ доверительный интервал Δ→0. При этом среднее значение измеряемой величины (х) стремится к его истинному значению, т.к.

Однако это справедливо только для взаимонезависимых случайных величин, распределенных по нормальному закону и при равноточных измерениях.

При большом числе измерений гипотеза о нормальном распределении результатов наблюдений выполняется. Равноточность измерений при использовании одинаковых излучателей СВЧ-энергии и приемников (детекторов) во всех "n" направлениях также выполняется.

Независимость результатов наблюдений обеспечивается не за счет вращения (перемешивания) образца, а за счет использования "n" пар «СВЧ-генератор - детектор».

В силу линейности уравнений Максвелла электромагнитные поля "n" пар «СВЧ-генератор - детектор» подчиняются принципу суперпозиции, т.е. в каждой точке объема контролируемого поля и в каждый момент времени результирующее СВЧ-поле определяется как суперпозиция "n" независимых полей. При этом вектор напряженности суммарного поля определяется как векторная сумма составляющих:

Например, при n=2

являются взаимонезависимыми, т.к. создаются независимыми «n» парами «СВЧ-генератор - детектор». Кроме того, распределенные случайным образом неоднородности в материале, а также случайные помехи, воздействующие на СВЧ-генератор, обусловливают случайный характер векторов .

Т.к. суперпозиция взаимонезависимых случайных величин является независимой случайной величиной, то в соответствии с выражением (2) для доверительного интервала случайной погрешности справедливо

При этом снижение случайной погрешности осуществляется без вращения образца материала, т.е. предлагаемый способ измерения влажности на СВЧ применимо не только к сыпучим, но и твердым, жидким, пастообразным и дисперсным материалам.

Предлагаемый способ измерения влажности материалов применим в промышленности.

Способ измерения влажности материалов, заключающийся в многократных измерениях амплитуды прошедшего через материал СВЧ-сигнала с последующим определением среднего значения измеряемой величины, отличающийся тем, что контролируемый материал облучается независимыми источниками СВЧ-энергии в n направлениях, амплитуда прошедшего через материал СВЧ-сигнала в каждом направлении многократно измеряется с последующим определением среднеарифметического измеренных по всем направлениям значений амплитуды.