Improving the accuracy, stability, and reliability of moisture measurement results for bulk materials: a modern approach based on regression models

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрено повышение точности измерения влажности сыпучих материалов, имеющей критическое значение для обеспечения качества, сохранности продукции и эффективности технологических процессов в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и строительстве. Дан краткий обзор методов измерения влажности и показано, что традиционные методы, включая гравиметрический анализ, хотя и отличаются высокой точностью, не обеспечивают оперативный и непрерывный контроль. Разработанметод измерения влажности с использованиемизмерительной системы, состоящей из сенсорной и интеллектуальной частей. Сенсорная часть – влагомер, содержащий ёмкостные датчики, регистрирует диэлектрическую проницаемость материала, сигналы датчиков поступают в блок сбора и предварительной обработки, где выполняется фильтрация и нормализация данных. Сенсорная часть обеспечивает стабильные измерения влажности пшеницы, кукурузы и песка в диапазоне 6–25 %. Интеллектуальная часть системы включает регрессионную модель, которая учитывает влияние диэлектрической проницаемости, объёмной плотности материала и температуры окружающей среды на точность измерений влажности и представляет собой многопараметрическую линейную модель, реализованную с помощью библиотеки scikit-learn (Python). Для оценки устойчивости модели применена десятикратная перекрёстная проверка. При экспериментальных исследованиях получены средняя абсолютная погрешность измерения влажности менее 1,8 % и коэффициент детерминации более 0,89, что подтверждает стабильность и воспроизводимость системы. Представленный подход демонстрирует, что интеграция ёмкостных сенсорных систем с интеллектуальными системами на основе регрессионных моделей позволяет повысить надёжность контроля и автоматизировать мониторинг влажности в производственных условиях. Разработанный метод измерения влажности и реализующую его систему можно адаптировать для различных сыпучих материалов и технологических сред.

About the authors

P. I. Kalandarov

National Research University “Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers”

Email: eest_uz@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8199-7484

B. P. Iskandarov

National Research University “Tashkent Institute of Irrigation and Agricultural Mechanization Engineers”

Email: iskandarov822@bk.ru

References

  1. Choi Y., Okos M. R. Effects of temperature and composition on the electrical properties of foods. Journal of Food Process Engineering, 9(3), 239–256 (1986). https://doi.org/10.1111/j.1745-4530.1986.tb00539.x
  2. Trabelsi S., Nelson S. O. Dielectric properties of cereal grain and oilseed at microwave frequencies. Transactions of the ASAE, 46(5), 1425–1432 (2003). https://doi.org/10.13031/2013.14311
  3. Sosa-Morales M. E., Valerio-Junco L., López-Malo A., García H. S. Dielectric properties of foods: Reported data in the 21st century and their potential applications. LWT – Food Science and Technology, 43(8), 1169–1179 (2010). https://doi.org/10.1016/j.lwt.2010.03.017
  4. Wang N., Zhang N., Wang M. Wireless sensors in agriculture and food industry - Recent development and future perspective. Computers and Electronics in Agriculture, 50(1), 1–14 (2006). https://doi.org/10.1016/j.compag.200
  5. Pedregosa F., Varoquaux G., Gramfort A., et al. Scikit-learn: Machine Learning in Python. Journal of Machine Learning Research, 12, 2825–2830 (2011). https://scikit-learn.org/stable/
  6. Robinson D. A., Campbell C. S., Hopmans J. W. et al. Soil moisture measurement for ecological and hydrological watershed-scale observatories: A review. Vadose Zone Journal, 7(1), 358–389 (2008). https://doi.org/10.2136/vzj2007.0143 ; https://elibrary.ru/mhhecr
  7. Li C., Han B., Zhang T. Free-space refl ection method for measuring moisture content and bulk density of particulate materials at microwave frequency. Review of Scientifi c Instruments, 86(3), 034712 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4916262
  8. Szabó Z., Sándor R., Várallyay Z. Effect of soil organic matter and bulk density on the dielectric response of soils. Geoderma, 401, 115314 (2021). https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115314 ; https://elibrary.ru/sgrrad
  9. Yang N., Lu Y., Jiang J., Zhang X. Prediction of compost moisture content using support vector regression and dielectric properties. Bioresource Technology, 331, 125015 (2021). https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125015 ; https://elibrary.ru/orzzyb
  10. Nay M., Nelson S. O., Trabelsi S. Advances in grain moisture sensing technologies: A review. Sensors, 22(7), 2669 (2022). https://doi.org/10.3390/s22072669
  11. Nelson S. O., Bartley P. G. Dielectric spectroscopy of cereal grain and oilseed from 1 to 350 MHz. Transactions of the ASAE, 43(6), 1651–1658 (2000). https://doi.org/10.13031/2013.3039
  12. Hurburgh C. R. Jr., Rippke G. R., Smith J. M. Moisture measurement variability in corn: Sources and solutions. Applied Engineering in Agriculture, 15(4), 387–393 (1999). https://doi.org/10.13031/2013.14282
  13. Cosh M. H., Jackson T. J., Bindlish R., McKee L. G. Soil moisture sensor performance evaluation using laboratory and fi eld experiments. Vadose Zone Journal, 15(5), 1–10 (2016). https://doi.org/10.2136/vzj2016.06.0040
  14. Kizito F., Campbell C. S., Campbell G. S. et al. Frequency, electrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor. Journal of Hydrology, 352(3-4), 367–378 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.01.001
  15. Zawilski B., Tyliszczak A., Walczak R. T. Calibration strategies for soil moisture sensors based on time domain refl ectometry. Sensors, 23(1), 298 (2023). https://doi.org/10.3390/s23010298 ; https://elibrary.ru/qykttn
  16. Chen Y., Or D. Root growth and water uptake along transverse and vertical gradients in partially wetted soil. Vadose Zone Journal, 5(3), 964–976 (2006). https://doi.org/10.2136/vzj2005.0137
  17. Tempke R., Horn H. G., Pratsinis S. E. Dielectric measurement of moisture content in pharmaceutical powders using a coaxial refl ectance probe. International Journal of Pharmaceutics, 537(1–2), 138–145 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2017.12.063
  18. Tuncer E., Gubanski S. M., Nettelblad B. Dielectric mixtures: Electrical properties and modeling. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 8(3), 327–339 (2001). https://doi.org/10.1109/TDEI.2002.1038664 ; https://elibrary.ru/wnlwal
  19. Berger J., Weiler M., Blume T. Optimizing experimental design for soil moisture sensor networks using temporal stability and a genetic algorithm. Hydrology and Earth System Sciences, 21(3), 1609–1624 (2017). https://doi.org/10.5194/hess-21-1609-2017
  20. Nunes L. J. R., Causer T. P., Matias J. C. O. Application of infrared thermography and capacitance sensors in moisture measurement of forest biomass: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 109, 522–534 (2019). https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.04.018
  21. Каландаров П. И. Искандаров Б. П. Проточный влагомер для измерения влажности зерна в составе автоматизированной системы контроля влажности зерна. Измерительная техника, 73(5), 18–25 (2024) https ://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-5-18-25 ; https ://elibrary.ru/cylcmm
  22. Каландаров П. И., Искандаров Б. П. Измерение влажности бурого угля Ангренского месторождения и проблемы метрологического обеспечения. Измерительная Техника (7), 845–848 (2012). https://elibrary.ru/pbbuqv
  23. Kalandarov P. I. Analy sis of the state of moisture control to ensure and regulate the quality of grain and grain products. IgMin Research, 2(4), 228–235 (2024). https://doi.org/10.61927/igmin170
  24. Kalandarov P. I., Mukimov Z. M., Nigmatov A. M. Automatic devices for continuous moisture analysis of industrial automation systems. Proceedings of the 7th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2021). Lecture Notes in Mechanical Engineering, 810–817 (2022). https://doi.org/10.1007/978-3-030-85230-6_96
  25. Kalandarov P. I., Turkmenov Kh. I., Abdukadyrov A. A., Kutybaeva A. E., Marksuly S. Grain moisture control in the technological process of drying based on the dielcometric method. BIO Web of Conferences, 108, 06005 (2024). https://doi.org/10.1051/bioconf/202410806005.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).