Про калибровки влагомеров зерна

При измерении влажности зерна термогравиметрическим методом, процесс интуитивно понятен и интересующий нас % после нагрева и обезвоживания в сушильной камере вычисляется математически очень просто, а результат является эталонным, по которому в частности настраиваются влагомеры для зерна, равно как и остальные приборы, работающие в "полевых условиях" на основе непрямых методов измерения:

• электропроводности (резистивный);
• емкости (диэлькометрический).

Сколько влаги испарилось из зерна при сушке, это и есть исходная влажности. Точность стандартного метода определяется исключительно строгим следованием рекомендациям, прописанным в ГОСТ, и соответствием требованиям применяемого лабораторного оборудованиея.
Но вся эта процедура достаточно долгая, но зато есть возможность получить тот же итог, с отклонением пусть 0,2-0,3 % от референтного метода, но зато за минуту. Скорость это отлично, но как быть с достоверностью ?

Разберемся с калибровками влагомера зерна

Настройки с завода

Сразу перейдем к цифровому примеру. Вот если на дисплее 13%. Так ли это ? Может быть на самом деле влажность составляет 12 или 15 %. Ведь по сути мы имеем дело с электронным "черным ящиком" и что происходит внутри влагомера неизвестно, а именно как именно он "извлекает" информацию из зерна, помещенного в его камеру, мы понятия не имеем. Поэтому приоткроем завесу, постепенно переходя к калибровкам.

Каким образом прибор, весом в среднем в 2 кг, без сушилки и весов, почти мгновенно определяет содержание влаги ?

И вот на этом этапе как раз и понадобится прямой – воздушно-тепловой метод, с помощью которого и производится заводская калибровка. То есть получается эталонное значение, наивысшей точности. Это носитель свойства. В данном случае влажности
Приведем упрощенный алгоритм, как производится калибровка резистивного влагомера на основании предварительно отобранных проб зерна. С диэлектрическими, процедура та же.

В результате имеем так называемуд калибровочную зависимость. Видно, как с ростом влажности уменьшается сопротивление зерновок

Почему мы назвали алгоритм упрощенным ? По следующим причинам.

Математическая обработка результатов

Если в реальных условиях влажность образца будет например 12,5 %, что покажет устройство ? При нашем упрощенном подходе, ничего не покажет – сопротивление влагомер измерит, но он просто “не знает” какое значение влаги в зерне поставить в соответствие – это промежуточная, не известная для него точка, лежащая между 12 и 13 %.

Это на графике мы для удобства восприятия соединили точки линиями. На самом же деле пока у нас только массив дискретных значений.
Для полноценного "обучения" на всем диапазоне измерения необходимо ответить на два вопроса. С каким шагом получать промежуточные значения ? И как их собственно получить ?

Шаг измерения или разрешающая способность измерителя влажности зерновых культур, обычно указывается в руководстве по эксплуатации.
Вот например выдержка из паспорта на модель Farmpro.

Пусть шаг измерения будет не 1 %, как у нас, а на порядок меньше – 0,1 %. Этого вполне достаточно для реальной практики.
Почему не 0,01 % или еще точнее ? Теоретически можно достичь и такого показателя, но это не выгодно. С одной стороны, для этого необходимо использование прецизионной (высокоточной) элементной базы влагомера, в результате чего его стоимость станет дороже допустим в 10 раз, и его покупка станет не рентабельной для производителей зерна и не исключено, что он окупится позже, чем выйдет из строя по причине естественного физического износа. С другой стороны, даже точность референтного метода находится в пределах десятых долей %, а никак не сотых.

Поэтому смысла в сверх точности никакой нет. "Золотая середина" – шаг в 0,1 %.

Теперь о том, как получить промежуточные значения.
Для этого используется такой математический инструмент как интерполяция, позволяющий вывести калибровочную зависимость или уравнение.
Звучит сложно, на самом деле в итоге это простейшее линейное уравнение, которое изучают в школьном курсе математики с формулой Y = X×B, где X и Y – значения сопротивления и влажности, B – коэффициент “крутизны”, показывающий как быстро или медленно растет или падает график.
Теперь подсчитаем какое количество значений должен “знать” условный прибор, чтобы проводить замеры в нашей задаче в интервале 10-19% с шагом 0,1 %.

1. Получаем 9*10=90 значений сопротивлений и соответствующие им 90 значений влажности.
2. Эти цифровые показатели, их можно записать в энергонезависимую память (ПЗУ).
3. Теперь влагомер "научен" нами определять влажность зерновых в интервале 10-19% с шагом 0,1 %.

В большинстве случаев приборы настраиваются на более широкий диапазон в пределах 5-30 %, но методика остается такой же.
Выше мы указали, что изложенный алгоритм упрощен по ряду причин. Первую из них мы разобрали. Теперь поговорим об особенностях физико-химических параметров одного и того же вида зерна, например пшеницы.

Тысячи измерений для усреднения влажности

В какую страну, на какой континент попадает влагомер после отгрузки заказчику ? Может в Украину, может в Бразилию или Австралию. Везде где произрастает зерно. И в любых условиях должна обеспечиваться паспортная точность.
Это только на первый, визуальный взгляд кажется, что пшеница одинакова вне зависимости от региона. Хотя опытный глаз агронома, может определить даже внешние отличия.

Без сомнения, что уже в ближайшем будущем - речь идет не о десятилетиях, а о годах, даже участие человека не понадобится.

Особенности формы, твердость, плотность, толщина плодовых оболочек, структура внутренних элементов: эндосперма, зародыша – все это оказывает серьезное влияние на результат определения влажности, полученный непрямым методом.

Чтобы выбранный влагомер был готов ко всевозможным, встретившимся на его пути экземплярам зерна, при разработке калибровок исследуются тысячи образцов. Существует даже специальные институты семян с солидной базой образцов со всего мира. Дело даже не столько в сорте зерновых, а в условиях произрастания – климате, структуре почвы, сроках внесения удобрений и т.д.

Математическая обработка собранного массива информацию проводится средствами статистики, в частности методом наименьших квадратов, что позволяет вывести универсальную, усредненную зависимость.

Для разных зерновых культур

До сих пор мы вели речь только об одном виде культуры – пшенице. А кукуруза, рожь, ячмень, горох и еще как минимум 2 десятка наиболее популярных на рынке и коммерчески востребованных видов культур ?
Никто не рискнет купить влагомер для экспресс анализа влажности всего одного вида зерна - чрезвычайно узкая сфера применения. Ведь агропромышленные холдинги могут выращивать и продавать несколько культур - это минимизирует риски, если не урожай одной из-за погодных условий или упадет цена на другую.

Поэтому указанные выше процедуры калибровки проводятся для каждой культуры.

Например, популярные модели Wile 55, Farmpro, Superpro запрограммированы на экспресс анализ содержания влаги в 16-ти культурах.
Главное - не забыть перед началом измерений выбрать необходимую калибровку.
Конечно на заводе индивидуально вручную калибруется не каждый прибор. Полный цикл испытаний проводится на эталонном измерителе влажности, пока не будет достигнута заданная точность. А все остальные из этой же линейки изготовляются как под копирку, с теми же записанными в ПЗУ характеристиками.