СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ПОТОКЕ ЗЕРНОСУШИЛКИ

Полезная модель относится к технологии сушки твердых сыпучих материалов путем удаления из них влаги, в частности, к техническим средствам автоматического контроля влажности зерновых продуктов в потоке шахтной зерносушилки и может быть использовано на хлебоприемных предприятиях для автоматического контроля и регулирования технологического процесса сушки зерна.
Известно устройство для автоматического регулирования процесса сушки зерна в шахтной зерносушилке с теплогенератором, содержащее контур регулирования влажности зерна, контур регулирования температуры теплоносителя и контур корректирования температуры зерна, причем контуры регулирования влажности зерна и температуры теплоносителя подключены корректирующими элементами к датчику влажности зерна на входе сушилки, а контур корректирования температуры зерна через корректирующий элемент подключен к элементу сравнения контура регулирования температуры теплоносителя (см. книгу В.Ф.Самочетов. "Техническая база хлебоприемных предприятий. Зерносушение". М., Колос, 1978, с.215).
К недостаткам известного устройства следует отнести низкую точность регулирования температуры зерна в динамических режимах из-за влияния на процесс сушки физико-механических характеристик подвижного слоя зерна, изменение которых происходит вследствие изменения влажности зерна, скорости его перемещения по сушильной камере и тепловой инерционности зернового слоя. По этим причинам температура зерна длительное время может отличаться от заданной, что может привести к перегреву зерна и ухудшению его качественных характеристик.
Известно устройство для автоматического регулирования процесса сушки зерна в сушильной камере, содержащее контур регулирования подачи теплоносителя, датчик и задатчик температуры теплоносителя, элемент сравнения, регулирующий орган, датчик и задатчик влажности зерна, (см. патент РФ №2135917, МПК F26B 25/22, опубликовано 27.08.1999).
Известное устройство имеет сравнительно низкую точность регулирования температуры и влажности зерна, поскольку контроль влажности осуществляется только в той части потока зерна, которая попадает на датчик-влагомер. При этом регулирование производится не по интегральной влажности зерна в объеме сушильной камеры, что приводит к дополнительной погрешности, обусловленной представительностью контролируемой части зерна, которая проходит через датчик-влагомер. Данная погрешность появляется, в том числе, из-за существенной неоднородности зерна по влажности в объеме сушильной камеры и доходит до 10% относительной погрешности, что в абсолютном выражении при среднем значении влажности высушенного зерна 14% составляет около 1,4% (Р.И.Саитов. СВЧ-влагометрия продуктов сельского хозяйства. Уфа: Изд-во БИРО, 1999, стр.9), что не отвечает требованиям ГОСТ 9353-90 - (Пшеница. Требования при заготовках и поставках).
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки, содержащая датчики влажности и пульт управления, включающий микроконтроллер, блоки измерения, регистрации, коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры (данная система описана в патенте РФ №2277212 «Способ автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки и устройство для его осуществления», МПК F26 В 25/22, опубл. 27.05.2006 - прототип).
Особенностью известной системы автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки является измерение текущей влажности зерна емкостным датчиком-влагомером и корректировка показателей влажности в зависимости от влияния внешних воздействующих факторов.
Конструкция устройства автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки в известной системе содержит корпус с емкостным датчиком-влагомером, закрепленным в зерносушилке в зоне выгрузки зерна. Датчик кабелем соединяется с измерительным и индикаторным блоками на пульте управления зерносушилкой, в который входят также микроконтроллер, блок коррекции, блок выбора контролируемой зерновой культуры и дисплей. Зерносушилка заполняется зерном, а на дисплее устанавливается наименование контролируемой культуры (зерна). Устройство входит в режим измерения влажности установленной культуры в районе датчика-влагомера.
При этом необходимо обеспечить постоянство плотности потока зерна, его соприкосновение с поверхностью чувствительных элементов датчика-влагомера. Для компенсации внешних воздействующих факторов на точность показаний устройства вводится коррекция. Значение введенной коррекции определяется по разности показаний между контрольными измерениями влажности проб зерна, отобранных на выходе из зерносушилки другим датчиком-влагомером, и значением влажности на дисплее основного датчика-влагомера. Задается кондиционное значение влажности зерна. При превышении влажности зерна кондиционного значения прекращают его выгрузку и продолжают сушку, причем текущее значение влажности зерна фиксируют путем определения текущего аналогового сигнала для данной зерновой культуры по ранее найденной эмпирической зависимости. Устройство автоматического контроля влажности зерна позволяет далее работать зерносушилке в автоматическом режиме.
Основным недостатком известной системы автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки является сравнительно высокая или недопустимая погрешность при определении влажности зерна в процессе сушки, поскольку контроль влажности осуществляется только для части потока зерна, попадающего на датчик-влагомер, закрепленный в потоке зерносушилке в зоне выгрузки зерна.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой и эффективной системы автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки при незначительной общей погрешности измерений. Объективная интегральная оценка температурного и влажностного состояния объема зерна обеспечивает своевременное автоматическое управление исполнительными механизмами зерносушилки и соблюдение требований технологического процесса для достижения высокого качества сушки зерна.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в системе автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки, содержащей датчики влажности и пульт управления, включающий микроконтроллер, блоки измерения, регистрации, коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры, согласно полезной модели, система содержит средства для измерения влажности и температуры потока сушильного агента, включающие датчики влажности и температуры, расположенные в общем корпусе, закрепленном на измерительной штанге, установленной в шахте зерносушилки на выходе из сушильной камеры с возможностью размещения в различных точках по высоте и сечению шахты, причем выходы датчиков влажности и температуры соединены через блок измерения с первым входом микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом блока коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры, а первый и второй выходы микроконтроллера соединены, соответственно, с входом блока регистрации результатов измерений и управляющими входами исполнительных механизмов зерносушилки.
Кроме того, датчики влажности и температуры могут быть выполнены каждый по дифференциальной мостовой схеме, в одно плечо которой подключены герметично закрытые эталонные датчики влажности и температуры, в другое плечо - открытые измерительные датчики для контакта их чувствительных элементов с потоком сушильного агента, причем блок измерения включает схемы усиления полученных аналоговых сигналов и выделения напряжения их рассогласования для определения в микроконтроллере интегральной влажности зерна в сушильной камере.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания достаточно простой, надежной и эффективной системы автоматического контроля температурного и влажностного состояния зерна в зерносушилке. Интегральная оценка текущих значений влажности зерна в сушильных камерах обеспечивает своевременное автоматическое управление исполнительными механизмами зерносушилки и строгое соблюдение требований технологического процесса сушки зерна.
Проведенные авторами экспериментальные исследования выявили четкую функциональную зависимость измеренных влажности и температуры сушильного агента на выходе из сушильной камеры от действительной влажности конкретного вида зерна. Использование предложенного выполнения датчиков влажности и температуры и упомянутое размещение датчиков в шахте сушильной установки обеспечили сравнительно малую итоговую погрешность измерения влажности и температуры потока сушильного агента на выходе из сушильной камеры после теплообмена с массой зерна. Это позволило создать аппаратуру для контроля действительной влажности зерна в технологическом потоке в диапазоне 12-19% с основной погрешностью 0.7%, что значительно лучше подобных показателей для известных устройств аналогичного назначения.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенной системы.
Система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки 1 содержит датчики 2, 3 влажности и температуры, расположенные в общем корпусе, закрепленном на измерительной штанге 4, установленной в шахте 5 зерносушилки 1 на выходе из сушильных камер 6 с возможностью размещения в различных точках по высоте и сечению шахты 5. Выходы датчиков 2, 3 влажности и температуры соединены через блок 7 измерения с первым входом микроконтроллера 8, второй вход которого соединен с выходом блока 9 коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры.
Первый и второй выходы микроконтроллера 8 соединены, соответственно, с входом блока 10 регистрации результатов измерений и управляющими входами исполнительных механизмов зерносушилки (не показаны). Поз. 11 условно обозначен пульт управления зерносушилкой 1, поз.12 - потоки сушильного агента в шахте 5 на выходе из левой и правой сушильных камер 6 с зерном. Указанные датчики 2, 3 могут располагаться на выходе из левой и правой сушильных камер 6 с возможностью размещения в различных точках по высоте и сечению шахты 5.
Датчики 2, 3 влажности и температуры в конкретном случае выполнены каждый по дифференциальной мостовой схеме, в одно плечо которой подключены герметично закрытые эталонные датчики Влажности и температуры (не показаны), в другое плечо - открытые измерительные датчики для контакта их чувствительных элементов (не показаны) с потоком сушильного агента, причем блок измерения 7 включает схемы усиления полученных аналоговых сигналов и выделения напряжения их рассогласования (не показаны) для определения в микроконтроллере 8 интегральной влажности зерна в сушильной камере 6. В качестве датчика влажности использовался стандартный датчик - гигрометр электрического типа, а в качестве микроконтроллера 8 - промышленный микроконтроллер «Микконт М-180», серийно выпускаемый фирмой "ТЕСС-инжиниринг" в г.Чебоксары. В некоторых случаях блок 7 измерения и блок 9 коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры могут входить в состав микроконтроллера 8, перепрограммированного с учетом функций этих блоков.
Система автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки функционирует следующим образом.
Датчики 2, 3 влажности и температуры, выполненные по указанной дифференциальной мостовой схеме, устанавливают в общем корпусе и укрепляют на измерительных штангах 4, которые установливают в шахте 5 зерносушилки 1 на выходе из сушильных камер 6 с возможностью размещения в различных точках по высоте и сечению шахты 5 в потоке сушильного агента 12. В результате последующих измерений определяют оптимальное расположение каждой штанги 4 и корпусов с датчиками 2, 3 относительно стенок шахты 5 и расстояния до сушильных камер 6, что позволяет в дальнейшем производить указанные измерения при найденном относительном расположении датчиков 2, 3 в шахте 5.
Выходы датчиков 2, 3 влажности и температуры кабелем соединяют с входом блока 7 измерения на пульте управления 11 зерносушилкой 1. Остальные связи между микроконтроллером 8, блоком 9 коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры, блоком 10 регистрации результатов измерений и управляющими входами исполнительных механизмов зерносушилки указаны выше.
После подключения пульта управления 11 осуществляют загрузку зерна в зерносушилку 1, исполнительные механизмы которой обеспечивают транспортировку зерна и нагрев сушильного агента 12. Одновременно осуществляются указанные измерения влажности и температуры сушильного агента 12 в точках сечения шахты 5 зерносушилки 1. Аналоговые сигналы с датчиков 2, 3 поступают на вход блока 7 измерения, в котором сигналы сначала усиливаются, затем поступают на вход схемы рассогласования.
Результирующий сигнал рассогласования является функцией интегральной влажности зерна, пересчет которой в показатель действительной влажности зерна осуществляется в микроконтроллере 8 и отражается на дисплее блока 10 регистрации результатов измерений. Взаимосвязь измеряемых параметров, анализируемых в микроконтроллере 8, основана на линейной зависимости между действительной влажностью зерна и значениями измеренной влажности и температуры сушильного агента на выходе из сушильной камеры 6 в шахте 5 зерносушилки 1.
Одновременно второй выход микроконтроллера 8 обеспечивает подачу корректирующих команд для нормального функционирования исполнительных механизмов зерносушилки 1. Блок 9 коррекции и выбора контролируемой зерновой культуры обеспечивает задание кондиционного значения влажности данного типа зерна, ввод в микроконтроллер 8 дополнительных корректирующих данных, связанных с компенсацией внешних факторов, влияющих на точность показаний устройства, а также с иными неучтенными факторами, например, с изменением сорта обрабатываемого зерна, характеристик исполнительных механизмов и др.
Экспериментальные исследования по выявлению зависимости показаний прибора от влажности зерна были проведены в технологическом потоке сушки на сушильной установке ДСП-50. Дифференциальные датчики 2, 3 влажности и температуры сушильного агента 12 размещались на индивидуальных штангах 4 на различных уровнях H=140, 170, 190 см в шахте 5 сушильной установки, через которую сушильный агент 12 выходит после взаимодействия с зерном. По этой причине при проведении указанных измерений нет необходимости, как в известных устройствах, обеспечивать постоянство плотности потока зерна и его соприкосновение с поверхностью чувствительных элементов датчиков 2, 3. Зависимости показаний приборов блока 10 регистрации от влажности и температуры при различных высотах размещения датчиков влажности и температуры сушильного агента 12 в шахте 5 были изучены для зерна пшеницы. В качестве измерительной схемы в одном из случаев выполнения системы использовался указанный промышленный микроконтроллер «Микконт М-180».
w,т
w
Исследование полученных данных показывает, что с увеличением высоты установки датчика в шахте 5 чувствительность измерений растет и при максимальной высоте составляет S=ΔU/ΔW=0,6342 В/%. По результатам экспериментов получены уравнения регрессии зависимости показаний приборов блока 10 регистрации от температуры сушильного агента 12 и влажности зерна U, а также зависимости показаний только от влажности зерна при различных по высоте положениях датчиков U:
W,T
U=-0,00011T+0,633142W-1,118 при Н=190 см.
Коэффициент корреляции r=0,979
W
U=0,6342W-1,14131 при Н=190 см.
Коэффициент корреляции r=0,979
W
U=0.4564W+0,55536 при Н=170 см.
Коэффициент корреляции r=0,949
W
U=0,35533W+0,912654 при Н=140 см.
Коэффициент корреляции r=0,961.
Текущее интегральное значение влажности зерна фиксируют путем определения текущего аналогового сигнала для данной зерновой культуры по указанной эмпирической зависимости. Анализ приведенных уравнений показывает, что наибольший коэффициент корреляции получается при Н=190 см.
3
В соответствии с ГОСТ 9353-90 - (Пшеница. Требования при заготовках и поставках) допустимая влажность заготавливаемого зерна составляет 19%, поставляемого - от 13,5% до 14,5%. При первичной переработке зерно подсушивается до 13,5%. Температура зерна при сушке обычно достигает 50-60°С. Натурный вес (плотность) зерна колеблется в пределах 600-900 кг/л (г/см), а неоднородности зерна в объеме по влажности и плотности достигают 20%. Зерно сушится порциями в 3-5 тонн путем продувания сушильным агентом (горячий воздух). При этом важнейшим показателем качества зерна является его влажность, при которой в клетках появляется свободная влага и в зерне наблюдается резкий скачок интенсивности дыхательных процессов (критическая влажность). Так, для пшеницы, ржи и ячменя критическая влажность находится в пределах 14,5-15%, для кукурузы - 13-14%, проса - 12-13% и масличных культур - 9-11%.
Следует отметить, что в зерне сухом и средней сухости нет или почти нет свободной влаги, энергия дыхания его незначительна. Такое зерно пригодно для длительного хранения высоким слоем насыпи, хорошо сохраняется и требует значительно меньше затрат по уходу. Во влажном зерне в связи с увеличением содержания свободной влаги заметно повышается энергия дыхания. Без предварительного охлаждения или подсушивания такое зерно нельзя закладывать на хранение высоким слоем насыпи. Необходимость сушки зерна требует контроля его влажности непосредственно в технологическом потоке с помощью предложенной системы.
В сыром зерне при температуре выше 10-14°С интенсивность дыхания за счет свободной влаги резко возрастает, выделяется много тепла, происходит значительная трата сухого вещества зерна и создаются благоприятные условия для развития вредителей зерна и процесса самосогревания. Такое зерно также нельзя закладывать на хранение высоким слоем, оно сразу же должно подвергаться активному вентилированию и по мере освобождения зерносушилок его надо срочно просушивать. При сушке в условиях, так называемых, жестких режимов интенсификация процесса происходит за счет перегрева и пересушивания поверхности зерна, вызывающих ухудшение некоторых технологических свойств зерна. Это пересушивание поверхности характеризуется большим значением поверхностного градиента влагосодержания grad u.
Таким образом, в дополнение к существующим факторам, определяющим сохранение качества зерна в процессе сушки (максимальная температура нагрева зерна, скорость нагрева и скорость сушки), представляется целесообразным ввести фактор, характеризующий влагоустойчивость зерна. Таким фактором и может явиться допускаемый градиент влагосодержания grad u Превышение градиента влагосодержания (градиента влажности) выше допускаемой величины при сушке культур, подверженных растрескиванию (кукуруза, бобовые), наблюдается визуально, а при сушке пшеницы это проявляется в виде ухудшения технологических свойств.
Результаты проведенных экспериментов подтверждают возможность реализации предложенной системы автоматического контроля влажности зерна в потоке зерносушилки и достижение указанных характеристик при решении указанной задачи с учетом фактора влагоустойчивости зерна, связанного с допускаемым градиентом влагосодержания grad u.
Предложенная система, в отличие от известных систем гигротермического равновесия позволяет контролировать интегральную влажность всего объема зерна в сушильной камере. В частности, предложенное устройство позволяет контролировать влажность зерна в диапазоне от 12 до 19%. Чувствительность приборной части системы составляет S=ΔU/ΔW=0.6342 В/%. Основная абсолютная погрешность измерения влажности зерна не превышает 0.7%.
Приборная часть системы выполнена на доступной и недорогой элементной базе, надежна в работе и проста в эксплуатации. По результатам проведенных исследований заявленного технического решения авторами был разработан и прошел необходимые испытания опытный образец прибора контроля влажности зерна в технологическом процессе его сушки.