Про калібрування вологомірів зерна

При вимірюванні вологості зерна термогравіметричним методом, процес інтуїтивно зрозумілий і %, що нас цікавить, після нагрівання та зневоднення в сушильній камері обчислюється математично дуже просто, а результат є еталонним, за яким зокрема налаштовуються вологоміри для зерна, як і інші прилади, що працюють у "польових умовах" на основі непрямих методів вимірювання:

• електропровідність(резистивний);
• ємності (діелькометричний).

Скільки вологи випарувалося із зерна при сушінні, це і є вихідна вологість. Точність стандартного методу визначається виключно суворим дотриманням рекомендацій, прописаних у ГОСТ, та відповідністю вимогам лабораторного обладнання.
Але вся ця процедура досить довга, проте є можливість отримати той же результат, з відхиленням нехай 0,2-0,3% від референтного методу, зате за хвилину. Швидкість це чудово, але як бути з достовірністю?

Розберемося з калібруванням вологоміра зерна

Налаштування із заводу

Відразу перейдемо до цифрового прикладу. Ось якщо на екрані 13%. Чи так це ? Можливо, насправді вологість становить 12 або 15%. Адже по суті ми маємо справу з електронною "чорною скринькою" і що відбувається всередині вологоміра невідомо, а саме як саме він "витягує" інформацію із зерна, поміщеного в його камеру, ми не маємо жодної думки. Тому відкриємо завісу, поступово переходячи до калібрування.

Яким чином прилад, вагою в середньому в 2 кг, без сушарки та вагів, майже миттєво визначає вміст вологи ?

І ось на цьому етапі якраз і знадобиться прямий – повітряно-тепловий метод, за допомогою якого проводиться заводське калібрування. Тобто виходить еталонне значення, найвищої точності. Це носій якості. В даному випадку вологості.
Наведемо спрощений алгоритм, як проводиться калібрування резистивного вологоміра на підставі попередньо відібраних проб зерна. З дієелектричними процедурами та ж ситуація.

У результаті маємо так звану калібрувальну залежність. Видно, як зі зростанням вологості зменшується опір зерновок.

Чому ми назвали алгоритм спрощеним? З таких причин.

Математична обробка результатів

Якщо в реальних умовах вологість зразка буде, наприклад, 12,5 %, що покаже пристрій ? При нашому спрощеному підході, нічого не покаже - опір вологомір виміряє, але він просто "не знає" яке значення вологи в зерні поставити у відповідність - це проміжна, не відома для нього точка, що лежить між 12 и 13 %.

Це на графіку ми для зручності сприйняття з'єднали точки лініями. Насправді поки що у нас тільки масив дискретних цифр.
Для повноцінного "навчання" на всьому діапазоні виміру необхідно відповісти на два питання. З яким кроком отримувати проміжні значення? І як їх власне отримати ?

Крок вимірювання або роздільна здатність вимірювача вологості зернових культур зазвичай вказується в посібнику з експлуатації.
Ось, наприклад, витяг з паспорта на модель Farmpro.

Нехай крок виміру буде не 1%, як у нас, а на порядок менше – 0,1%. Цього цілком достатньо для реальної практики.
Чому не 0,01% чи ще точніше? Теоретично можна досягти такого показника, але це не вигідно. З одного боку, для цього необхідне використання прецизійної (високоткової) елементної бази вологоміра, в результаті чого його вартість стане дорожче допустимо в 10 разів, і його покупка стане не рентабельною для виробників зерна і не виключено, що він окупиться пізніше, ніж вийде з ладу внаслідок природного фізичного зносу. З іншого боку, навіть точність референтного методу знаходиться в межах десятих часток %, а не сотих.

Тому сенсу понад точності ніякої немає. "Золота середина" – крок у 0,1 %.

Тепер про те, як отримати проміжні значення.
Для цього використовується такий математичний інструмент як інтерполяція, що дозволяє вивести калібрувальну залежність або рівняння.
Звучить складно, насправді це найпростіше лінійне рівняння, яке вивчають у шкільному курсі математики з формулою Y = X×B, де X і Y – значення опору і вологості, B – коефіцієнт “крутості”, що показує як швидко чи повільно зростає або падає графік.
Тепер підрахуємо скільки значень має “знати” умовний прилад, щоб проводити виміри в нашому завданні в інтервалі 10-19% з кроком 0,1 %.

1. Отримуємо 9*10=90 значень опорів та відповідні їм 90 значень вологості.
2. Ці цифрові показники можна записати в енергонезалежну пам'ять (ПЗУ).
3. Тепер вологомір "научений" нами визначати вологість зернових в інтервалі 10-19% з кроком 0,1 %.

У більшості випадків прилади налаштовуються на ширший діапазон у межах 5-30 %, але методика залишається такою самою.
Вище ми вказали, що викладений алгоритм спрощено з кількох причин. Першу з них ми зараз розібрали. Тепер поговоримо про особливості фізико-хімічних параметрів того самого виду зерна, наприклад пшениці.

Тисячі вимірювань для усереднення вологості

У яку країну, на який континент потрапляє вологомір після відвантаження замовнику ? Може, в Україну, може, до Бразилії чи Австралії. Скрізь де росте зерно. І в будь-яких умовах має забезпечуватись паспортна точність.
Це лише на перший візуальний погляд здається, що пшениця однакова незалежно від регіону. Хоча досвідчене око агронома, може визначити навіть зовнішні відмінності.

Без сумніву, що вже в найближчому майбутньому йдеться не про десятиліття, а про роки, навіть участь людини не знадобиться.

Особливості форми, твердість, щільність, товщина плодових оболонок, структура внутрішніх елементів: ендосперму, зародка – все це серйозно впливає на результат визначення вологості, отриманий непрямим методом.

Щоб обраний вологомір був готовий до всіляких екземплярів зерна, що зустрілися на його шляху, при розробці калібрувань досліджуються тисячі зразків. Існує навіть спеціальні інститути насіння з солідною базою зразків з усього світу. Справа навіть не так у сорті зернових, а в умовах зростання – кліматі, структурі ґрунту, термінах внесення добрив тощо.

Математична обробка зібраного масиву інформацію проводиться засобами статистики, зокрема методом найменших квадратів, що дозволяє вивести універсальну, усереднену залежність.

Для різних зернових культур

Досі ми говорили лише про один вид культури – пшеницю. А кукурудза, жито, ячмінь, горох і ще як мінімум 2 десятки найпопулярніших на ринку та комерційно затребуваних видів культур ?
Ніхто не ризикне купити вологомір для експрес-аналізу вологості всього одного виду зерна - надзвичайно вузька сфера застосування. Адже агропромислові холдинги можуть вирощувати та продавати кілька культур – це мінімізує ризики, якщо не врожай однієї через погодні умови чи впаде ціна на іншу.

Тому зазначені вище процедури калібрування проводяться для кожної культури.

Наприклад, популярні моделі Wile 55, Farmpoint, Superpro запрограмовані на експрес аналіз вмісту вологи в 16 культурах.
Головне - не забути перед початком вимірювань вибрати необхідне калібрування.
Звичайно на заводі індивідуально вручну калібрується не кожен прилад. Повний цикл випробувань проводиться на еталонному вимірнику вологості, поки не буде досягнуто заданої точності. А всі інші з цієї лінійки виготовляються як під копірку, з тими ж записаними в ПЗУ характеристиками.