Szemestermények korszerű szárítási, tárolási, feldolgozási és mérési technológiái Gödöllő, 2018 Amit a kapacitív gabona nedvességmérésről tudni kell Dr. Gillay Zoltán, adjunktus Szent István Egyetem, Élelmiszertudományi Kar Fizika Automatika Tanszék
Bemutatkozás 2000-től Szent István Egyetem, Budapest, Élelmiszertudományi Kar, Fizika-Automatika Tanszék Részt vettem az új UGMA gabona nedvességmérő rendszer finomításásában és adaptálásában dr. David B. Funk-kal PhD címe: Dielektromos nedvességmérők kalibrációátvitelét befolyásoló tényezők 2010-2014 vendég kutató voltam az USDA Federal Grain Inspection Service, National Grain Center-ben 2
UGMA műszerek Perten Aquamatic 5200 Grain Moisture Tester Dickey John GAC 2500 Grain Analysis Computer
Gabona nedvességmérés Szükséges a gabonanedvesség mérése Feldolgozés során technológiai szerepe van -> kevésbé pontos mérés Kereskedelemben ármeghatározó szerepe van -> pontos mérés Nedvességmérési módszerek Kémiai módszerek Referencia módszer: szárítószekrényes nedvességmérés Gyors nedvességmérési módszerek Közeli infravörös technológia Vezetőképességen alapuló Kapacitív vagy dielektromos mérés Mikrohullámú technológia 4
Vezetőképességen alapuló nedvességmérők Feszültségforrás, V + - I d Mintatartó gabonával A gabona vezeti az áramot Az áramerősség mérésével meghatározható a vezetőképesség A vezetőképesség függ a töltéshordozók számától és mozgékonyságától A nedvességtartalom közel arányos a vezetőképesség logaritmusával A vezetőképesség nagyon érzékeny a szemcsék közti felületek tulajdonságaira, ezért szükséges a darálás, a keverés és a konzisztens tömörítés Még így is elmarad a kapacitív nedvességmérők megbízhatósága mögött 5
Kapacitív - dielektromos - nedvességmérők
Kondenzátor > Dielektromos állandó Mintatartó gabonával A kondenzátor jellemzője az elektromos kapacitás mennyi töltést képes tárolni, úgy, hogy a lemezek közti feszültség 1 V A kapacitás egyrészt függ a tesztcella geometriai paramétereitől Másrészt függ a tesztcellában lévő anyagtól, attól, hogy az anyag mennyire polarizálódik A polarizálódást az anyag dielektromos állandója jellemzi Valós tesztcella esetén a kapacitás közel annyi szorosára nő, amennyi az anyag dielektromos állandója C ε C üres 7
Dielektromos állandó és nedvességtartalom Szobahőmérsékletű víz dielektromos állandója ε = 78.5 Egyéb összetevőkre a dielektromos állandó ε = 2 3 A dielektromos állandó szorosan összefügg a nedvességtartalommal 8
Kapacitív - dielektromos - nedvességmérés Alacsony frekvencián mérhető a váltakozó feszültség hatására létrejövő áram Ebből könnyedén számolható a komplex impedancia A komplex impedanciából a tesztcella geometriáját is figyelembe véve számolható az ún. komplex permittivitás I Z ε 9
Komplex Permittivitás (Relatív) ' j '' Valós rész ε - Dielektromos állandó Tárolt energia egy ciklusban Képzetes rész ε - Vesztességi tényező Elnyelt energia egy ciklusban Kalibráció Nedvességtartalom 10
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Széles frekvenciatartományban mérnek nedvességet: Rádió frekvenciás (0.1-100 MHz) VHF/UHF frekvenciás (100 1.000 MHz) Mikrohullám(1 30 GHz) 11
A dielektromos állandó több okból függ a frekvenciától Forgási Ionos Ato mi Elektron 12
Víz molekula forgása elektromos tér hatására
Nem poláros molekula torzulása elektromos tér hatására (vízen kívüli összetevők)
Töltéshordozók vándorlása a tesztcellában - + - + + - - + - + - - + - - + + + - +
Vezetőképesség hatása az alacsony frekvenciás nedvességmérésre A magok közti vezetőképesség A töltéshordozók feltorlódnak, ahol a magok érintkeznek az elektródokkal. A magokon belüli vezetőképesség A töltéshordozók feltorlódnak a gabonaszemek határain. 16
Mért dielektromos állandó Vezetőképesség hatása az alacsony frekvenciás nedvességmérésre A 10-20 MHz alatt ezek a hatások erősen dominálnak Dens. Corr. Dielectric Constant 14 12 10 8 6 4 1 MHz 20 MHz Vezetési hatások 150 MHz 10 15 20 25 30 35 40 Moisture Content (% wb) Nedvességtartalom, % Dipólus polarizáció Megnő a mérés bizonytalansága 17
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet 18
Mért nedvesség, C Gabona mért nedvességtartalmának hőmérséklet függése 30 29.3 28.49 25.24 20 21 20.88 16.47 20.68 10 (~0.1 %/ C) 10.8 10.1 7.35 0 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Hőmérséklet, C 19
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet Halmazsűrűség 20
Gabona mért nedvességtartalmának halmazsűrűség függése Sűrűségkorrekció nélkül Sűrűségkorrekcióval 10 10 5 5 Mérési hiba 0 Mérési hiba 0 5 5 10 0 10 20 30 40 50 10 0 10 20 30 40 50 Referencia nedveség, % Referencia nedveség, % 21
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet Halmazsűrűség A magokon belüli nedvességeloszlástól A magok közti nedvességeloszlástól Keverés Nedvesebb anyag Szárazabb anyag Szárítás 22
Dielektromos állandó Gabona mért nedvességtartalmának inhomogenitás függése 1 10 3 34.0% (2 hours)-->23.5% 100 Kiegyenlítődott 10 1 Inhomogén nedvességeloszlás 100 1 10 4 1 10 6 1 10 8 Frekvencia (Hz) 23
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet Halmazsűrűség A magokon belüli nedvességeloszlástól A magok közti nedvességeloszlástól A mintára nehezedő nyomás 24
Dielektromos állandó Gabona mért nedvességtartalmának nyomás függése Nyomás Frekvencia (Hz) 25
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet Halmazsűrűség A magokon belüli nedvességeloszlás A magok közti nedvességeloszlás A mintára nehezedő nyomás A betöltés módja, szem orientáció 26
Betöltés hatása a nedvességmérésre A tölcséres betöltéstől való nedvességmérési eltérés Kézi betöltés Ejtő mechanika 27
Betöltés hatása Oldalnézet (árpa) Tölcséres betöltés Kézi betöltés Ejtő mechanika Felülnézet (zab) Tölcséres betöltés Kézi betöltés Ejtő mechanika 28
A dielektromos állandó nem állandó A mért dielektromos állandó függ Mérőfrekvencia Hőmérséklet Halmazsűrűség A magokon belüli nedvességeloszlás A magok közti nedvességeloszlás A mintára nehezedő nyomás A betöltés fajtájától, szem orientáció A tesztcella alul- illetve túltöltése Nyilvánvaló hiba 29
Tesztcella geometriájának hatása Ha nem párhuzamos a tesztcella Ha csúcsok találhatók Patent 6686749 Egyenetlen elektromos tér eloszlás Mérési eredmény bizonytalanabb 30
UGMA avagy Egyesített gabonanedvességmérési eljárás Perten Aquamatic 5200 Grain Moisture Tester Dickey John GAC 2500 Grain Analysis Computer
UGMA avagy Egyesített gabonanedvességmérési eljárás (David B. Funk) Mérési összeállítás Tesztcella Impedanciamérő Gabonatartó szakasz Frekvencia 149 MHz Pontos dielektromos állandó meghatározás 50 Ω-os lezárás Hullámvezető szakaszok 32
Dielektromos állandó Sűrűségkorrekció Korrekció előtt Referencia nedvesség, % 33
Dielektromos állandó Sűrűségkorrekció Korrekció után Referencia nedvesség, % 34
Dielektromos állandó Egyesítő paraméterek 1. Párhuzamosítás Referencia nedvesség, % 35
Dielektromos állandó III. Egyesítő Paraméterek 1. Párhuzamosítás 2. Függőleges igazítás Referencia nedvesség, % 36
Dielektromos állandó Egyesítő paraméterek 1. Párhuzamosítás 2. Függőleges igazítás 3. Görbe mentén elcsúsztatás Referencia nedvesség, % 37
Dielektromos állandó Egy egyesített kalibráció minden gabonára Kalibrációs összefüggés 5-öd fokú polinom Referencia nedvesség, % + Fejlett hőmérsékletkorrekció, fagyott mintákra is + Alacsony minőségű gabona korrekció 38
Nedvességmérési hiba UGMA avagy Egyesített gabonanedvességmérési módszer a recept nyilvános 4 2 5 év 6139 minta 61 gabona faj 0 2 4 0 10 20 30 40 50 Referencia nedvesség, % 39
Aktuális projekt Teszt anyag keresés nedvességmérők állapotának ellenőrzéséhez Eddig használt anyagok Üveg golyók Műanyag golyók Műanyag szemcsék Szükség van jobb anyagokra
Köszönöm a figyelmüket! Köszönet: Dr. David B. Funk, (Grain Quality Analytics, LLC) Dr. Mészáros Péter Dr. Gillay Bíborka