способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов
Классы МПК: | G01N33/483 физический анализ биологических материалов G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот |
Автор(ы): | Шарков Г.А., Рудобашта С.П., Харьков А.В. |
Патентообладатель(и): | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-12-23 публикация патента:
27.02.1999 |
Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве. Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов. Данный результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия. 1 табл., 1 ил.
Формула изобретения
Способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, заключающийся в том, что образец нагревают, воздействуя на него энергией электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в направлении от поверхности в глубину образца, а после прекращения действия поля скачкообразно изменяют температуру поверхности, поддерживая ее постоянной, и регистрируют изменение температуры образца во времени на стадии остывания, на основании чего судят о теплофизических свойствах образца, отличающийся тем, что после прекращения воздействия электромагнитного поля регистрируют вначале температуру объекта в зоне нагрева на двух глубинах, а затем изменение во времени у поверхности образца температуры и плотности теплового потока.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Известны способы определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов (Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. - М. : Агропромиздат, 1988.). Однако они не позволяют найти все характеристики, входящие в дифференциальное уравнение теплопроводности и граничные условия к нему, что в свою очередь затрудняет определение технологических режимов обработки с.-х. материалов и пищевых продуктов. Из известных технических решений наиболее близким по сущности является способ определения теплофизических свойств (см. а.с. СССР N 1286977, МКИ A 01 G 7/00, 1987 г.). Этот способ позволяет определить характеристики с.-х. материалов с помощью СВЧ-нагрева материала. Однако существующий способ не позволяет определить коэффициенты теплоотдачи, объемной теплоемкости и теплопроводности. Кроме того, коэффициент температуропроводности определяется по сути дела по одной точке, что снижает его точность, а вычисление по нескольким значениям температуры весьма громоздко. Это приводит к неточности при расчете доз СВЧ-воздействия на биообъекты и определении необходимых технологических режимов. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и информативности определения характеристик с.-х. материалов и пищевых продуктов. В результате использования предлагаемого изобретения достигается определение необходимых характеристик для расчета доз СВЧ-воздействия на с.-х. материалы и пищевые продукты и других необходимых технологических параметров, необходимых для СВЧ-обработки. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что при воздействии на образец испытуемого материала электромагнитным полем высокой или сверхвысокой частоты информацию о теплофизических характеристиках получают, регистрируя изменения температуры в точках, расположенных внутри и на поверхности материала в зоне нагрева, и плотности теплового потока у поверхности образца после прекращения электромагнитного воздействия. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлены зависимости температуры (кривая 1) почвы от времени остывания и удельной плотности теплового потока (кривая 2) у поверхности почвы (компост N 5, состав в %: торф 20, суглинок 60, навоз 20; влагосодержание u = 22%, плотность 1200 кг/м3). Здесь t0=20oC,![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-2t.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/955.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/961.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-3t.gif)
Из системы (1) видно, что для определения теплофизических характеристик необходимо на стадии остывания материала получить экспериментальные зависимости t(0,
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/955.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/945.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/961.gif)
Пример численного определения теплофизических характеристик (a,
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/945.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/955.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/961.gif)
1. Экспериментальную кривую 1 функции температуры от времени на стадии остывания аппроксимируем полиномом второй степени, который примет вид
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-4t.gif)
откуда c0=tn=50,38oC, при tc=20oC, c1=0,42327, c2=0,00362. 2. Из начальных условий
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-5t.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-6t.gif)
3. Температуропроводность а находим из системы (1) с учетом экспериментальной зависимости температуры от времени на стадии остывания и ее аппроксимации согласно п.1, тогда
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-7t.gif)
Критерий (число) Bi определяем из системы уравнений (1) по выражению
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-8t.gif)
5. Коэффициент теплоотдачи
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/945.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/964.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-9t.gif)
6. Коэффициент теплопроводности
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/955.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-10t.gif)
7. Объемную теплоемкость, c
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/961.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/fullimg2/rupat3/19993/005.dwl/2126968-11t.gif)
Сравнительный анализ экспериментальных данных, полученных по новому способу и по известному способу (классической методике Чернышенко В.Г., Фоломеев В.А., Гарбуз В.М. Теплофизические характеристики тепличных почв. - Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1979, N 2, стр. 19-20. ) для тепличной почвы (компост N 5), показывает их хорошую сопоставимость. Результаты представлены в таблице. Предложен комплексный способ определения теплофизических характеристик (a,
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/945.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/955.gif)
![способ определения характеристик сельскохозяйственных материалов и пищевых продуктов, патент № 2126968](http://www.fips.ru/chr/961.gif)
Класс G01N33/483 физический анализ биологических материалов
Класс G01N22/00 Исследование или анализ материалов с использованием сверхвысоких частот