УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СУШКИ ЗЕРНА
DEVICE FOR GRAIN DRYING TEMPERATURE CONTROL

Изобретение относится к разделам автоматики и измерительной техники. В нем реализуется автоматический расчет и поддержание температуры зерновой массы на рассчитанном уровне в процессе сушки с учетом ее изменяющейся во времени влажности. Устройство обеспечивает обратную связь между преобразователем датчика влажности, датчиком температуры зерна и топливным насосом топочного блока сушилки, что позволяет регулировать тепловой режим процесса сушки. Устройство может быть использовано в сельском хозяйстве при послеуборочной обработке зерновой массы.
Известно устройство измерения влажности сыпучих материалов, содержащее источник переменного напряжения, регулируемый резистор, электродный питатель и измерительный конденсатор с тарой, причем электродный питатель и измерительный конденсатор включены по схеме положительной обратной связи между ними, отличающееся тем, что с целью сокращения длительности измерения измерительный конденсатор шунтирован ветвью, содержащей последовательно соединенные ключ и конденсатор, емкость которого превышает максимальную емкость измерительного конденсатора, а ключ механически связан с тарой и нормально закрыт при отсутствии последней (А.с. СССР №1824568 А1, G01N 27/22).
Основными недостатками указанного устройства являются:
1. Устройство не имеет цифрового выхода результата измерения.
2. Отсутствуют сигналы управления измерительной камерой.
3. Ключ в потоке зерна не обеспечивает надежной и точной работы.
Известен способ измерения температуры, состоящий в измерении мощности электрического нагрева терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, и вычислении значения измеряемой температуры по формуле:
1
2
1
2
где P и Р - значения мощности нагрева, соответствующие значениям Т и Т температуры терморезистора, отличающийся тем, что осуществляют непрерывное за образцовый интервал времени измерение мощности выходного сигнала управляемого источника питания измерительной цепи системы стабилизации температуры терморезистора, генерирующего на своем выходе импульсно-модулированный сигнал, причем указанные измерения осуществляют дважды при разных значениях температуры стабилизации, которая изменяется путем соответствующего изменения параметра задатчика температуры стабилизации (А.с. РФ №2269750 С2, G01K 7/24).
Основными недостатками указанного устройства являются:
1. Обязательная математическая обработка результата измерения.
2. Невозможность точного измерения температуры загрязненной поверхности.
3. Невозможность точного измерения температуры при высокой или низкой влажности окружающей среды.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является термоэлектрический модуль, содержащий полупроводниковые ветви n- и р-типов проводимости, которые соединены металлическими коммутационными шинами, образуя тем самым электрическую цепочку.
1. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что каждая ветвь выполнена в виде прямой шестигранной призмы, причем коммутационные шины контактируют с основаниями смежных призм.
2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что все призмы n- и р-типов проводимости имеют одинаковые размеры.
3. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что каждая коммутационная шина, соединяющая основания смежных шестигранных призм, полностью перекрывает основания призм, на которых она расположена.
4. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые материалы, из которых выполнены прямые шестигранные призмы, изготовлены посредством зонной плавки или горячего прессования порошков соответствующих полупроводниковых материалов.
5. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электроизоляционными платами, изготовленными из высокотеплопроводного материала, противолежащие поверхности которых расположены параллельно, при этом коммутационные шины примыкают к этим поверхностям.
6. Термоэлектрический модуль по п.1 или 5, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен каркасом, изготовленным из электроизоляционного материала с низкой теплопроводностью, имеющего форму решетки со сквозными ячейками, в которых размещены шестигранные призмы (А.с. РФ №2234765 С1, H01L 35/32).
Основными недостатками указанного устройства являются:
1. Высокая сложность конструкции термоэлектрического модуля.
2. Низкая эффективность термоэлектрического модуля при измерении температуры.
3. Необходимость применения АЦП и обработки сигнала при измерении температуры.
Задача изобретения - обеспечить автоматический расчет температуры сушки зерна в зависимости от динамически изменяющейся ее влажности, поддержание температуры на рассчитанном уровне, упрощение эксплуатации зерносушильных комплексов.
Устройство регулирования температуры сушки зерна, содержащее датчик температуры зерна, устройство вычисления температуры сушки зерна, блок регулирования температуры сушки зерна и устройство ввода, причем за счет связи устройства вычисления температуры сушки зерна с преобразователем сигнала датчика влажности зерна система вычисляет изменение величины влажности, в соответствии с которым регулирует температуру сушки зерна широтно-импульсным воздействием на топливный насос топочного блока сушилки, оказываемым блоком регулирования температуры, для обратной связи, который соединен с датчиком температуры зерна; устройство ввода осуществляет управления системой регулирования температуры.
Новые существенные признаки:
1. Генерируются автоматические сигналы управления топливным насосом топочного блока в зависимости от имеющейся влажности материала.
2. Обеспечивается обратная связь между имеющейся и рассчитанной температурой сушки зерна.
3. Отсутствие необходимости применения дорогостоящего оборудования.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают высококачественное поддержание и регулирование температуры в процессе сушки различных зерновых масс.
Получение технического результата обеспечивается при использовании системы регулирования температуры сушки зерна, имеющей датчик температуры зерна, устройство ввода, применяемое для управления системой регулирования температуры сушки зерна, устройство вычисления температуры сушки зерна, причем устройство вычисления температуры должно быть подключено к преобразователю датчика влажности зерна для определения величины изменения влажности, на основании которого рассчитывается оптимальная температура сушки зерна текущей влажности и блоком регулирования температуры сушки зерна поддержания на рассчитанном уровне, за счет широтно-импульсного воздействия на топливный насос топочного блока сушилки.
На фиг.1, 2, 3, 4 изображены принципиальные схемы датчика температуры зерна, устройства вычисления температуры сушки зерна, блока регулирования температуры сушки зерна, устройства ввода соответственно. Датчик температуры зерна фиг.1 и устройство вычисления температуры сушки зерна фиг.2 подключаются к блоку регулирования температуры сушки зерна фиг.3, а устройство ввода фиг.4 и преобразователь датчика влажности зерна (на фигурах не показан) подключаются к устройству вычисления температуры сушки зерна. Система регулирования температуры сушки зерна работает следующим образом.
В датчике температуры зерна фиг.1 микросхема DD1, соединенная с цепями R1, С1 и R2, С2, начинает генерировать измеряемую (высокую) и опорную (низкую) частоты, определяемые величинами цепей R1, C1, R2, С2 соответственно. При этом частота цепи R1, С1 под воздействием температуры зерна должна изменяться в пределах, превышающих эталонную частоту от 1 до 100 раз.
Настройка датчика температуры производится изменением параметров R1, С1, при этом должна выполняться система:
Tmin
где R - минимальное значение терморезистора R1 (Ом);
Tmax
R - максимальное значение терморезистора R1 (Ом);
С1 - емкость переменного конденсатора С1 (Ф);
R2 - сопротивление резистора R2 (Ом);
С2 - емкость конденсатора С2 (Ф).
Измерение температуры происходит за счет измерения высокой частоты цепи R1, С1, которая изменяется терморезистором R1 под действием температуры зерна.
Высокая частота цепи R1, С1 с выхода 6 DD1 поступает на счетный вход CN двоично-десятичных счетчиков DD2, DD3 (вход 15 DD2, DD3), вызывая их переключения. Вход блокировки PI (вход 5 DD3) двоично-десятичного счетчика DD3 соединен с выходом перенос Р (выход 7 DD3) двоично-десятичного счетчика DD2, за счет чего двоично-десятичный счетчик DD3 переключается по каждому десятому импульсу высокой частоты.
Переключения двоично-десятичных счетчиков DD2, DD3 прекращаются во время положительного полупериода сигнала низкой частоты цепи R2, С2 на выходе 8 DD1, так как выход 8 DD1 соединен с входом блокировки PI (вход 5 DD2) двоично-десятичного счетчика DD2. При этом положительный полупериод сигнала низкой частоты цепи R2, С2, проходя через цепь С4, VT2, R5, воздействует единичным импульсом длительности не более 100 мкс на входы S (выходы 1 DD4, DD5) десятичных преобразователей кодов для семисегментных светодиодных индикаторов DD4, DD5, что вызывает у преобразователей кодов DD4, DD5 запоминание выходных кодов двоично-десятичных счетчиков DD2, DD3.
Положительный полупериод сигнала низкой частоты цепи R2, С2, проходя через цепь С3, VT1, R3, R4, воздействует единичным импульсом с задержкой не менее 400 мкс на входы S (выходы 1 DD2, DD3) двоично-десятичных счетчиков DD2, DD3, тем самым вызывая установку счетчиков DD2, DD3 в состояние «нуль».
Сразу после снятия положительного полупериода сигнала низкой частоты цепи R2, С2 через диоды VT1, VT2 снимаются остановка и установка счетчиков DD2, DD3, после чего счетчики DD2, DD3 начинают подсчет импульсов высокой частоты цепи R1, С1 с нуля.
Входы счетчиков DD2, DD3 «+1» и «2-10» (входы 10, 9 DD2, DD3 соответственно) следует подключить на плюс питания для обеспечения прямого десятичного счета.
На входы К и М (входы 7, 6 DD4, DD5) десятичных преобразователей кодов для семисегментных светодиодных индикаторов DD4, DD5 следует подать уровень логического нуля для обеспечения работы сдвоенного светодиодного индикатора HG1.
Входы счетчиков DD2, DD3 1, 2, 4, 8 (входы 6, 11, 14, 2 DD2, DD3 соответственно) содержат относительное показание высокой частоты во время положительного полупериода сигнала низкой частоты цепи R2, С2 длительностью не менее 400 мкс.
Окончательный результат измерения температуры находится на выходах счетчиков DD2, DD3 1, 2, 4, 8 (входы 6, 11, 14, 2 DD2, DD3 соответственно), в момент пребывания единичного уровня на выходе схемы «+Сигнал» и постоянно отображается на семисегментных светодиодных индикаторах HG1. С указанными значениями всех резисторов и конденсаторов датчик температуры будет выполнять не менее 50 измерений в секунду, при этом время нахождения истинного результата измерения на выходе счетчиков DD2, DD3 будет не менее 10 мс за такт измерения.
Устройство вычисления температуры сушки зерна фиг.2 предназначено для автоматического вычисления необходимой температуры сушки зерна, при которой зерно не должно спекаться и сушиться максимально эффективно (чем выше важность зерна, тем ниже должна быть температура его сушки и наоборот). Устройство вычисления температуры сушки зерна должно быть подключено к преобразователю датчика влажности зерна для определения величины изменения влажности зерна в процессе его сушки. Выходы преобразователя датчика влажности зерна должны иметь интерфейс, аналогичный датчику температуры зерна.
Для правильной работы системы регулирования температуры сушки зерна необходимо ввести значение температуры, характерное для зерна текущей влажности с помощью устройства ввода (фиг.4).
Ввод величины температуры сушки зерна осуществляется подачей нужных логических уровней на входы «1», «2», «4», «8», «+запись ед.», «+запись дес.», «+блокировка» со схемы устройства ввода. Ввод значений температуры должен всегда осуществляться в режиме сушки с постоянной температурой для того, чтобы устройство вычисления температуры не реагировало на величину частично введенной температуры. Ввод температуры можно осуществлять как начиная с десятков разряда влажности, так и, наоборот, с единиц. Допускается ручная корректировка температуры в процессе сушки зерна, для этого устройство вычисления температуры необходимо перевести в режим сушки с постоянной температурой и ввести нужную величину температуры.
Существуют два основных режима работы: автоматическая регулировка температуры сушки зерна - на вход «+блокировка» подан нулевой логический уровень и сушка с постоянной температурой на вход «+блокировка» подан единичный логический уровень.
В режиме автоматической регулировки температуры сушки зерна в триггерах реверсивных двоично-десятичных счетчиков DD7, DD8 записаны разряды единиц и десятков величины температуры сушки зерна. В триггеры DD1, DD2 по сигналу с преобразователя датчика влажности зерна периодически ведется запись разрядов величины влажности зерна, измеренной датчиком влажности. Компараторы DD3, DD4 сравнивают соответствующие разряды величины влажности, записанной в триггеры DD1, DD2, со значением промежуточных разрядов реверсивных двоично-десятичных счетчиков DD5, DD6.
Если значение, записанное в триггеры DD1, DD2, больше значения, записанного в счетчиках DD5, DD6, то по тактовым импульсам датчика влажности по сигналам управления (выходы 3, 13 DD4) счетчики DD5, DD6 начинают работать на прибавление до выравнивания указанных значений, затем останавливаются. Параллельно со счетчиками DD5, DD6 по сигналам управления (выходы 3, 12 DD4) счетчики DD7, DD8 начинают обратный счет. В результате при увеличении влажности зерна на одну единицу температура сушки снижается на одну единицу.
Если значение, записанное в триггеры DD1, DD2, меньше значения, записанного в счетчиках DD5, DD6, то по тактовым импульсам датчика влажности по сигналам управления (выходы 3, 13 DD4) счетчики DD5, DD6 начинают обратный счет до выравнивания указанных значений, затем останавливаются. Параллельно со счетчиками DD5, DD6 по сигналам управления (выходы 3, 12 DD4) счетчики DD7, DD8 начинают работать на прибавление. В результате при снижении влажности зерна на одну единицу температура сушки увеличивается на одну единицу.
Физические значения единиц влажности и температуры зерна устанавливаются калибровкой соответствующих датчиков. Разовое увеличение значения влажности зерна в процессе сушки возможно при ошибке датчика влажности или при измерении более влажной порции зерна, при этом не должна проводиться разбалансировка счетчиков DD5, DD6 и DD7, DD8. Поэтому счетчики DD5-DD8 должны выполнять как прямой, так и обратный счет.
Результатом автоматической регулировки температуры сушки зерна является увеличение температуры сушки на одну единицу температуры при снижении значения влажности зерна на одну единицу и наоборот.
В режиме сушки с постоянной температурой единичный логический уровень, поданный из устройства ввода, блокирует счетчики DD7, DD8, температура сушки автоматически не изменяется и включает счетчики DD5, DD6 на постоянную запись с триггеров DD1, DD2 для правильности последующих вычислений в автоматическом режиме.
Блок регулирования температуры сушки зерна фиг.3 предназначен для автоматического поддержания температуры сушки зерна на заданном устройством вычисления температуры (фиг.2) уровне.
Регулирование температуры сушки зерна осуществляется воздействием на цепь управления топливным насосом топочного блока сушилки зерна высокочастотных импульсов изменяемой скважности с широтно-импульсного преобразователя блока регулирования температуры сушки зерна фиг.3.
В процессе работы блока регулирования температуры в триггеры DD1, DD2 периодически записывается результат измерения температуры зерна датчиком температуры, компараторами DD3, DD4, записанное в триггеры DD1, DD2 значение сравнивается со значением, заданным устройством вычисления температуры.
При неравенстве указанных значений на выводе 3 компаратора DD4 отрицательный логический импульс разрешает счетчику DD7 переключаться в направлении прямого или обратного счета по сигналу со счетчика-делителя DD6, изменяя двоичный код на входе компаратора DD5. Счетчик-делитель DD6 необходим для замедления реакции счетчика DD7 на время незначительного изменения температуры зерна (Выходной разряд счетчика DD6, подключенный к входу 15 DD7, определяет число пропущенных измерений температуры датчиком).
Скважность выходных импульсов управления определяется компаратором DD5, который сравнивает значения постоянно переключающегося счетчика DD6 со значениями, установленными счетчиком DD7. Чем больше значение, записанное в счетчик DD7, тем дольше на выходе 15 DD5 будет находиться положительный уровень - топливный насос будет работать активней. Чем меньше значение, записанное в счетчик DD7, тем дольше на выходе 12 DD5 будет находиться положительный уровень - топливный насос будет выполнять меньшую работу.
Если значение, определенное устройством вычисления температуры, много больше значения температуры, полученного с датчика, на выходе 12 DD5 будет находиться единичный логический уровень, определяющий прямой порядок счета микросхемы DD7. Двоичный код на выходах 6, 11, 14, 2 DD7 будет постепенно нарастать, плавно увеличивая активность топливного насоса. Когда единичные логические уровни установятся на всех выходах 6, 11, 14, 2 DD7, на входы 9, 8 DD8.3 с резистора R2 поступит единичный логический уровень. Инвертируется на выходе 10 DD8.3 и с выхода 3 микросхемы DD8.1 на вход 1 счетчика DD7 поступит единичный логический уровень, вызывающий неизменную текущую установку счетчика DD7. Так будет продолжаться, пока значение измеренной датчиком температуры не достигнет заданной величины, после чего с выхода 13 DD4 пройдет единичный логический уровень, блокирует микросхему DD8.1 и счетчик DD7 переключится на ступень назад, плавно уменьшая активность работы топливного насоса.
Если значение, определенное устройством вычисления температуры, много DD5, будет находиться нулевой логический уровень, определяющий обратный порядок счета микросхемы DD7. Двоичный код на выходах 6, 11, 14, 2 DD7 будет постепенно убывать, плавно уменьшая активность топливного насоса. Когда нулевые логические уровни установятся на всех выходах 6, 11, 14, 2 DD7, на вход 5 DD8.2 с резистора R1 поступит нулевой логический уровень. При этом на выходе 4 DD8.2 появится положительный логический уровень, вызывающий сброс счетчика DD7 в текущее неизменное состояние. Так будет продолжаться, пока значение измеренной датчиком температуры не достигнет заданной величины, после чего с выхода 12 DD4 пройдет единичный логический уровень, блокирует микросхему DD8.2 и счетчик DD7 переключится на ступень вперед, плавно увеличивая активность работы топливного насоса.
Если величина влажности изменяется незначительно на число единиц, не вызывающее крайних значений счетчика DD7, режим работы топливного насоса под действием компаратора DD5 изменится незначительно.
Элемент микросхемы DD8.4 (на фигуре не показан) не используется, его выходы 12, 13 DD8.4 рекомендуется подключить к одному из выходов питания микросхем с целью избежания неопределенности и самопроизвольного переключения выхода 11 DD8.4. Питание микросхемы DD8 подводится: общий минус к выходу 7 DD8, плюс к выходу 14 DD8.
Таким образом выполняется автоматическая регулировка температуры сушки зерна.
Принцип работы устройства ввода фиг.4 основан на остановке ждущего генератора импульсов и счетчика DD3 в момент присутствия на выходах счетчика DD3 нужного для ввода двоично-десятичного кода.
Ждущий генератор импульсов выполнен на элементах микросхемы DD1, соединенных с задающей цепью R1, С1. Остановка генератора происходит при нулевом логическом уровне на входах 8, 9 DD1, приходящем с общего провода цифровой клавиатуры SB1-SB10. Генератор переключает двоичный счетчик DD2, который изменяет состояние входов D1, D2, D4, D8 (входы 3, 6, 7, 4 DD3) двоичного дешифратора DD3. Двоичный дешифратор DD3 последовательно выбирает кнопки цифровой клавиатуры SB1-SB10, подавая на них нулевые логические уровни. Частота переключения ждущего генератора импульсов, определяемая величиной цепи R1, С1, должна быть достаточной для быстрой реакции на нажатие кнопок клавиатуры SB1-SB10. При указанных на схеме значениях цепи R1, С1 частота ждущего генератора импульсов около 200 Гц.
Дешифратор DD3 имеет инверсные выходы на два состояния с открытым коллектором. Выходы дешифратора DD3, соединенные с цифровой клавиатурой, выполненной из кнопок SB1-SB10 с нормально разомкнутыми контактами, так, что при переключении двоичного счетчика DD2 дешифратор DD3 последовательно перебирает кнопки клавиатуры.
Общий выход клавиатуры соединен с входами остановки ждущего генератора импульсов (выходы 8, 9 DD1) и через резистор R2 конденсатор С2 замкнут на плюс питания микросхем для того, чтобы в разомкнутом состоянии кнопок SB1-SB10 ждущий генератор импульсов переключал двоичный счетчик DD2. Величины резистора R2 и конденсатора С2 определяются по закону Ома для отрицательного тока утечки на выходе дешифратора DD3 в состоянии логической единицы с учетом положительного тока срабатывания входов микросхемы DD1 и переходного процесса заряда и разряда конденсатора С2. Для указанных на схеме микросхем ток утечки менее 1 мкА, а ток, проходящий через резистор R2, не менее 150 мкА, что позволяет работать схеме без сбоев. Конденсатор С2 с учетом резистора R2 определяет минимальную длительность и отставание выходного сигнала. Для указанных на схеме величин R2, С2 минимальная длительность сигнала на общем выходе цифровой клавиатуры SB1-SB10 не менее 1,5 млс, а максимальное отставание не более 1,5 млс, что позволяет устранить эффект «дребезга контактов» для большинства кнопок с открытыми контактами и контактами-герконами.
При нажатии любой из кнопок цифровой клавиатурой SB1-SB10, когда она активируется дешифратором DD3, состояние логического нуля, выходящее с соответствующего выхода микросхемы DD3, проходя через соответствующую кнопку цифровой клавиатуры SB1-SB10 и выходя с общего провода цифровой клавиатуры SB1-SB10, поступает на входы 8, 9 микросхемы DD1.
В результате на выходе 10 микросхемы DD1 формируется единичный логический уровень, поступая на вход 1 микросхемы DD1, он вызывает смену тактовой частоты на выходе 3 микросхемы DD1 на уровень логического нуля.
Сигналы тактовой частоты, сменяемые нулевым логическим уровнем, с выхода 3 микросхемы DD1 поступают на выходы 12, 13 микросхемы DD1 с целью получения инверсного сигнала на выходе 11 микросхемы DD1, вызывают единичный логический уровень на тактовом входе 1 счетчика DD2, в результате чего счетчик DD2 останавливается в текущем состоянии, соответствующем нажатой кнопке.
Удерживая нажатой необходимую кнопку цифровой клавиатуры SB1-SB10, нажимаются кнопки SB11 или SB12 с целью получения на их выходах сигналов управления записью в триггеры единиц или десятков разрядов требуемых величин.
Тумблером SB13 задается режим работы системы регулирования температуры сушки зерна.
Питание микросхем системы регулирования температуры сушки зерна должно осуществляться от источника постоянного тока стабильным напряжением +5 В с фильтрующими конденсаторами (конденсаторы на схемах не показаны, их суммарная емкость должна быть в пределах 47…470 нФ).
Перечень позиций на чертежах к заявке
Устройство регулирования температуры сушки зерна
Фиг.1
DD1 - К561 ЛН2;
DD2, DD3 - K561 ИЕ14;
DD4, DD5 - K176 ИД2;
HG1 - BD - C516RD;
VT1 - Д220;
R1 - MMT - 4-4,7 K;
R2 - МЛТ - 0,125-100 К;
R3 - МЛТ - 0,125-10 К;
R4 - МЛТ - 0,125-1 К;
R5-R18 - МЛТ - 0,125-1,5 К;
С1 - КТ4-21 - 6-25 пФ;
С2 - КТ1-Н70 - 47 нФ;
С3, С4 - КТ1-Н70 - 1 нФ.
Фиг.2
DD1, DD2 - K561 ТМ3;
DD3, DD4 - K561 ИП2;
DD5-DD8 - K561 ИЕ14;
R1-R3 - МЛТ - 0,125-100 К;
С1, С2 - КТ1-Н70 - 47 нФ.
Фиг.3
DD1, DD2 - K561 ТМ3;
DD3-DD5 - K561 ИП2;
DD6 - K176 HE1;
DD7 - K561 ИЕ11;
DD8 - K561 ЛЕ5;
VT1 - VT10-Д220;
R1-R3 - МЛТ - 0,125-100 K.
Фиг.4
DD1 - K561 ЛЕ5;
DD2 - K176 ИЕ1;
DD3 - К155 ИД1;
R1 - МЛТ - 0,125-150 K;
R2-R4 - МЛТ - 0,125-33 К;
С1 - КТ1-Н70 - 3,9 нФ;
С2 - КТ1-Н70 - 47 нФ.