CN100552589C

CN100552589C - 用于木质包装的热处理检测控制系统及其检测方法

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Publication number: CN100552589C
Application number: CNB2008101512567A
Authority: CN
Inventors: 黄庆林; 魏亚东; 程瑜; 张瑞峰; 康芬芬; 柳金富; 吴梅山; 詹国平
Original assignee: TIANJIN INSTITUTE OF INSPECTION AND QUARANTINE SCIENCE TECHNOLOGY
Current assignee: TIANJIN INSTITUTE OF INSPECTION AND QUARANTINE SCIENCE TECHNOLOGY
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: CN101359230A

Abstract

本发明涉及一种用于木质包装的热处理检测控制系统及其检测方法。该系统包括分别与检测终端和控制终端相连接的温度测量仪和控制器，检测终端与控制终端相连接，检测终端通过网络连接到监管中心，控制器通过多路固态继电器和接触器连接到热处理设备，检测和控制终端分别输入有检测和控制程序。该系统及其检测方法是根据计算公式计算出木材中心温度达到56℃所需时间，同时对热处理设备进行控制。本发明的有益效果：使木质包装热处理过程实现了自动化，从而提高了工作效率，减少了能源消耗，不仅处理结果准确，满足处理要求，而且可对处理过程进行实时监控，并自动存储处理数据，为检验检疫机构对木质包装加工企业的监控提供了方便。

Description

用于木质包装的热处理检测控制系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及温度检测控制系统，特别涉及一种用于木质包装的热处理检测控制系统及其检测方法。

背景技术

随着国际贸易自由化进程的加快，各国之间的贸易交流日益增长，农林有害生物随木质包装在世界范围内广泛传播和扩散的危险性也日益增加。自1998年美国发生“光肩星天牛”事件以来，世界各国对贸易货物木质包装的检疫处理问题日益关注，为此，国际植物保护公约组织(IPPC)于2002年制定了第15号植物检疫措施国际标准-《国际贸易中木质包装材料管理准则》(ISPM15)，其主要目的是统一和规范各国热处理指标，同时也为了防止各国借木质包装的处理问题人为地设置贸易壁垒。该国际标准中规定热处理必须使木材中心温度达到56℃持续30mins。我国于2005年3月1日起施行《出境货物木质包装检疫处理管理办法》，于2006年1月1日起实施《入境货物木质包装检疫处理管理办法》。至此，我国对于商品的木质包装方面已全面和国际接轨。但是新标准未对执行该标准的实施步骤、环境设施条件、操作要求以及详细技术指标等进行明确的规定，因而世界各国的木质包装处理企业在执行该标准时难度大，往往不能确保处理效果，主要表现为出口的货物木质包装常被对方国检出有活虫，进而导致了重新处理、滞港、退货、甚至销毁等系列后果的发生。

目前，我国大多数木质包装生产企业，采用通过将感温探头埋入一定厚度的木质包装材料的方法对中心温度进行测量和控制。但是在实际使用过程中发现这种方法有很多缺陷，误差较大。感温探头插入的木质包装材料的纤维结构被破坏，使其导热率与其他木质包装材料不同，温度测量结果误差较大。

为了便于企业掌握统一指标，充分保证处理效果，多数检验检疫部门为企业设定了更直观可靠的方法，通常要求企业在木材中心温度达到一指定点后再持续数小时，有的要求企业在窑内温度(介质温度)达到70℃后，对木质包装持续处理10小时，期间用感温探头对木材中心温度进行监控。实践证明该方法主观性、随意性较大，缺乏科学根据，浪费了大量的能源，并且对于相对厚一些的木包装，难以满足处理要求。该出口的货物也常因木质包装处理不彻底的问题在进口国引发了一些贸易纠纷或争端。

目前的热处理工作程序：沿木料宽度方向钻孔，孔径为0.2厘米，孔深应大于板的厚度，并与板面保持平行。然后，将直径不大于0.15厘米的热电偶插入孔内，其末端应与孔底紧贴，并用同一树种的细木粉填塞压紧，确保热电偶埋植牢固，接触良好，再用硅橡胶封牢，将热电偶的引线与窑外的测量仪表连接。通过测量仪表显示木材中心温度。但是，该方法有很多缺陷。首先，测温使用的木材并不能代表制造木质包装所使用的木材。两者的导热率不同，同一时间，木材中心温度也不同。其次，用干热处理法对木材加热，木材内部的水分蒸发使得木材表面温度下降，延长了处理时间。实际使用中，为了解决以上问题，常常人为的提高合格标准。例如，将木材中心温度达到56度，30分钟的标准提高到75度，持续1小时。但是，该方法增加了能源的消耗，而且效果很难评估。

综上所述，目前我国缺乏一种有效、易行的用于木质包装的热处理检测控制系统及检测方法。

发明内容

本发明为了解决对木质包装进行热处理后，中心温度测量结果不准确，以至浪费大量能源难以满足处理要求的问题，特别提供一种有效、易行的用于木质包装的热处理检测控制系统及其检测方法。

本发明根据国际上通用的对木质包装的热处理其“中心温度至少达到56°，并至少持续处理30分钟”的标准，利用Willian T.Simpson发明的Multiple Regression公式计算出木材中心温度达到56℃所需的时间(该公式由William T.Simpson于2006年发表于Forestproducts journal Vol.56 No.7/8)。为了验证该公式的可行性和准确性，通过试验得出大量数据，经对数据对比分析后对该公式进行了修正。根据修正后的计算公式，系统必须实时检测处理过程，系统程序自动计算出国际标准规定的热处理时间，当热处理达到这个时间后，检测完成，即木质包装的热处理中心温度达到了标准要求。

本发明采取的技术方案是：一种用于木质包装的热处理检测控制系统，其特征在于：包括分别与检测终端和控制终端相连接的温度测量仪和控制器，检测终端与控制终端相连接，检测终端通过网络连接到监管中心，控制器通过多路固态继电器和接触器连接到热处理设备，所述的检测终端输入有检测程序，控制终端输入有控制程序。

用于木质包装的热处理检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)、基础数据的测定

a、人工判断被检测木材种类，将木材名称、基本比重G输入检测程序；

b、人工测量被检测木材横截面的长度和宽度，输入检测程序，程序自动将毫米换算成英寸，并求出平均值D；

c、用湿度检测仪人工测量被检测木材的初始含水量M，在被检测木材上最少等距测量4个点，并求出平均值，输入检测程序；

(2)、将被检测木材放入热处理库，在库内按标准要求安放干湿球温度传感器，测量仪对库内温、湿度进行实时监测；

(3)、对热处理库进行加热，加热前打开风扇，使库内温度均匀；

(4)、干、湿球温度差不得超过5℃，如果超过，则使用热处理设备进行调节；

(5)、当温度测量仪器监测到的湿球温度达到56℃时，查看此时的干球温度T_init，将干球温度T_init加热温度T_ht、木材中心目标温度T输入检测程序，程序自动将摄氏温度转换成华氏温度；

(6)、检测程序调用基础数据和干球温度T_init，根据计算公式计算出被检测木材中心温度达到56℃的时间；

(7)、如果湿球温度又回落到56℃以下时，则重新计算；

(8)、开始计时，当处理时间达到被检测木材中心温度达到56℃所需要的t时间，库内继续加热并至少持续30分钟后，此时，被检测木材处理完毕。

本发明的有益效果：使木质包装热处理过程实现了自动化，从而提高了工作效率，减少了能源消耗，不仅处理结果准确，满足处理要求，而且可对处理过程进行实时监控，并自动存储处理数据，为检验检疫机构对木质包装加工企业的监控提供了方便。

附图说明

图1是本系统连接框图并作为摘要附图。

图2是本系统温度测量仪电原理图。

图3是本系统控制器电原理图。

图4是检测程序流程图。

图5是控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

参照附图，本发明包括分别与检测终端和控制终端相连接的温度测量仪和控制器，检测终端与控制终端相连接，检测终端通过网络连接到监管中心，控制器通过多路固态继电器和接触器连接到热处理设备，所述的检测终端输入有检测程序，控制终端输入有控制程序。

检测终端由普通设置的计算机和检测程序构成。控制终端由普通设置的计算机和控制程序构成。

温度测量仪包括单片机PIC16F877A、通讯模块MAX232、八个电流电压转换芯片RCV420、八个电阻电流转换芯片XTR105、八个温度传感器PT100，其中，单片机的25脚通过电阻R3与通讯模块的10脚连接；单片机的26脚通过电阻R4与通讯模块的9脚连接；单片机的13脚通过晶振CRY与其14脚连接；单片机的13脚和14脚分别通过电容C2和C3接地，通讯模块的3脚通过电容C4与其1脚连接；通讯模块的4脚通过电容C5与其5脚连接，通讯模块的6脚通过电容C8接地；通讯模块的2脚通过电容C6接电源VCC；电源VCC通过电容C11接地；通讯模块的7、8脚分别通过插座JP7与所述的检测终端连接，单片机的2、3、4、5、7、8、9、10脚分别与每个电流电压转换芯片的第14脚连接；每个电流电压转换芯片的16脚连接电源+12V；每个电流电压转换芯片的4脚接电源-12V；每个电流电压转换芯片的5、13脚接地；每个电流电压转换芯片的3脚分别通过二极管D1与每个电阻电流转换芯片的10脚连接，每个电阻电流转换芯片的8脚通过电阻R6与其9脚连接；每个电阻电流转换芯片的3脚通过电位器VR1、电阻R5、电容C1与其7脚连接；每个电阻电流转换芯片的4脚分别连接一个传感器PT100；每个电阻电流转换芯片的15脚通过三极管Q1与其11脚连接；每个电阻电流转换芯片的10脚通过电容C20与其7脚连接；每个电阻电流转换芯片的5脚通过电阻R1与其6脚连接。

控制器包括单片机PIC16F877A、通讯模块MAX232、八个光电耦合器G、八个继电器HRS，其中单片机的25脚通过电阻R4与通讯模块的10脚连接；单片机的26脚通过电阻R3与通讯模块的9脚连接；单片机的13脚通过晶振CRY与其14脚连接；单片机的13脚和14脚分别通过电容C2和C3接地，通讯模块的3脚通过电容C8与其1脚连接；通讯模块的4脚通过电容C7与其5脚连接，通讯模块的6脚通过电容C9接地；通讯模块的2脚通过电容C10接电源VCC；电源VCC通过电容C11接地；通讯模块的7、8脚分别通过插座JP7与所述的控制终端连接，单片机的19、20、21、22、27、28、29、30脚分别与每个光电耦合器的2脚连接，每个光电耦合器的5脚分别与每个继电器的3脚连接；每个光电耦合器的1脚通过电阻R1接电源VCC，每个继电器的3脚分别通过二极管D1接到电源+12V，每个继电器的4脚分别通过电阻R2和电容C1与其5脚连接。

温度测量仪的传感器设有温度传感器(干球)和湿度传感器(湿球)，该仪器将实时检测到的干、湿球温度通过串行接口下发到控制器，控制器实时将检测参数与用户设置的参数进行比较，根据比较结果启动或关闭热处理设备。当温度测量仪检测到湿球温度达到56℃时，查看此时的干球温度T_init，并将该温度输入检测程序，程序将输入的基础数据：被检测木材的基本比重G、木材的横截面长和宽的平均值D、木材的初始含水率M、干球温度T_init、加热温度T_ht及木材中心目标温度T代入计算公式：

t＝45.36(T_ht)^-2.954(T)^2.996(T_init)^-0.2616D^2.00M^-0.0946G^0.2158

即求出被检测木材中心温度达到56℃时所需要的时间。温度测量仪开始计时，当处理时间达到t时间后，再继续加热并至少持续30分钟后处理完毕。

温度测量仪的电路设计可实现同时检测两个热处理库，而控制器的电路设计同时控制多个热处理设备。

检测程序包括以下运行步骤：

(1)、是否达到计时起初温度：开始计时前、首先检测热处理库是否达到规则要求达到的初始温度、如果达到、开始计时，如果未达到，不计时，继续检测；

(2)、读取基础规则中基础数据：基础数据包括：加热温度T_ht、木材中心目标温度T、湿球温度达到规则标准温度时的干球温度T_init、木材横截面长度和宽度D、初始含水率M和木材基本比重G；

(3)、根据计算公式计算中心温度达到规则标准温度所需的时间，将基础数据代入计算公式t＝45.36(T_ht)^-2.954(T)^2.996(T_init)^-0.2616D^2.00M^-0.0946G^0.2158；

(4)、存储数据：将实时数据信息进行记录，存储并上传监管中心；

(5)、检测完成：将检测结果数据进行记录，存储并上传监管中心。

控制程序包括以下运行步骤：

(1)、首先开启风扇，然后判断温度是否低于设定下限，如果是，关闭风门，开启加热设备，如果不是，则返回，对温度重新进行判断；

(2)、同时判断干湿球温度差是否大于设定值，如果是，关闭风门，开启加湿设备，如果不是，则返回，对干湿球温差重新进行判断。

用于木质包装的热处理检测方法包括以下步骤：

(1)、基础数据的测定

b、用游标卡尺人工测量被检测木材横截面的长度和宽度，输入检测程序，程序将毫米换算成英寸，并求出平均值D；

(2)、将被检测木材放入热处理库，在库内按标准要求安放干、湿球温度传感器，测量仪对库内温、湿度进行实时监测；

(3)、对热处理库进行加热，加热前打开风扇，使库内温度均匀，

(4)、干、湿球温度差不得超过5℃，如果超过，则使用加湿设备进行调节；

(5)、当温度测量仪器监测到的湿球温度达到56℃时，查看此时的干球温度T_init，将加热温度T_ht、木材中心目标温度T及干球温度T_init输入检测程序；程序自动将摄氏温度转换成华氏温度；

(7)、如果湿球温度又回落到56℃以下时，则重新计算；

Multiple Regression公式的介绍：

Multiple Regression公式将木质包装按照横截面的形状分为圆形、正方形和长方形三种。横截面为圆形(横截面长宽相差小于等于10％)的木质包装其中心温度达到56℃的时间用公式1来计算；

公式1：t＝38.41(T_ht)^-2.969(T)^3.013(T_init)^-0.2626D^2.000M^-0.0946G^0.2157

t＝木材中心温度达到56℃所需时间(分钟)；T_ht＝加热温度(华氏)；T＝木材中心目标温度(华氏)；T_init＝木材初始温度(华氏)；D＝木材横截面直径(英寸)；M＝木材初始含水率；G＝木材基本比重。

横截面为正方形(横截面长宽相差大于10％但小于等于30％)的木质包装其中心温度达到56℃的时间用公式2来计算；

公式2：t＝45.36(T_ht)^-2.954(T)^2.996(T_init)^-0.2616D^2.00M^-0.0946G^0.2158

t＝木材中心温度达到56℃所需时间(分钟)；T_ht＝加热温度(华氏)；T＝木材中心目标温度(华氏)；T_init＝木材初始温度(华氏)D＝木材横截面边长(英寸)；M＝木材初始含水率；G＝木材基本比重。

横截面为长方形(横截面宽度相差大于30％)的木质包装其中心温度达到56℃的时间又公式3来计算；

公式3：t＝60.44(T_ht)^-3.032(T)^3.080(T_init)^-0.2662(TH)^1.720W^-0.2560M^-0.0945G^0.2156

t＝木材中心温度达到56℃所需时间(分钟)；T_ht＝加热温度(华氏)；T＝木材中心目标温度(华氏)；T_init＝木材初始温度(华氏)TH＝木材横截面厚度(英寸)；W＝木材横截面宽度；M＝木材初始含水率；G＝木材基本比重。

该公式的数据均来自实验室条件下，在实际生产条件下无法达到。例如：1、该实验在实验室使用的加热箱中完成，该加热箱升温远比热处理库迅速。实验中，先测定木材的初始温度T_init，然后将加热箱加热到一定温度T_ht，再迅速将木材放入加热箱中。由于试验材料远少于实际情况且加热箱温度基本保持不变，因此在T_ht时，木材初始温度基本不发生变化，与实际情况出入很大。

该实验的加热方式为：用热饱和水蒸气加热，空间湿度100％。该方法加热速度快且保持木材湿度不变。而实际情况下，由于用热饱和水蒸汽加热成本太高，因此几乎无人用其加热木质包装材料。通常情况下，热处理库使用干热加热法加热，湿度由加湿器控制，能够保持在70％左右。这样用美国公式计算所得结果与实际测得的结果有一定差距。

现场实验说明

在木质包装热处理厂进行现场试验中选取了5种北方常用的木质包装材料：油松、榆树、落叶松、杨木、桦木。试验严格模仿实际操作情况进行。试验共分为8组，每组有8块木条。木条按照横截面分为两种：10*10cm和5*10cm。长度均为100cm。一共测量了64组数据，包括木材横截面的长、宽，木材的长度，含水率、重量、以及实时温度。

接着在木材中心位置打孔，安放感温探头，检测木材中心温度。探头每隔一分钟记录一次温度数据，并自动储存。

然后，按照实际情况将木质托盘堆垛，摆满热处理库，各垛之间留有空隙。然后将试验材料摆放入库。关闭库门，用锅炉加热。同时，库内的干湿球温度也被实时记录。

最后，将获取得到的数据带入美国公式。将计算后的结果与实时监控的木材中心温度结果相比较，并修正公式。

经过试验发现应用美国公式计算横截面为正方形的木材，中心温度达到56度的时间比实际测得结果长。不同木材多出的时间也不同，平均多出30分钟。横截面为长方形的木材，使用长方形公式计算，计算时间比实际时间长，但是比正方形短。木质包装热处理库中的木材有正方形也有长方形，如果按照长方形公式计算，则长方形木材中心温度达到56度时正方形木材中心温度无法达到56度。因此为了处理效果(处理时间越长，越能保证检疫处理效果)，决定选取正方形公式作为计算木材中心温度达到56度的公式。对于横截面为长方形的木材取各边长求平均值，然后带入正方形公式计算中心温度达到56度的时间。由修正后的公式计算所得的时间虽然比实际达到的时间长。但是，能够保证良好的处理效果，而且尽可能减少了资源的浪费。

修正后的公式为：t＝45.36(T_ht)^-2.954(T)^2.996(T_init)^-0.2616D^2.00M^-0.0946G^0.2158

其中：t＝木材中心温度达到56℃所需时间(分钟)；T_ht＝加热温度(华氏)；T＝木材中心目标温度(华氏)；T_inint＝湿球温度达到56℃时的干球温度，木材初始温度(华氏)W＝木材横截面长度和宽度的平均值；M＝木材初始含水率；G＝木材基本比重。

修正后的公式是将美国公式1和公式2简化成一个公式，而且运用在现场时实际检测中，检测结果更为准确。

Claims

1、一种用于木质包装的热处理检测方法，其特征在于：检测方法包括以下步骤：

(1)、基础数据的测定

(5)、当温度测量仪器监测到的湿球温度达到56℃时，查看此时的干球温度T_init，将干球温度T_init、加热温度T_ht、木材中心目标温度T输入检测程序，程序自动将摄氏温度转换成华氏温度；

(6)、检测程序调用基础数据，基础数据包括：加热温度T_ht、木材中心目标温度T、湿球温度达到规则标准温度时的干球温度T_init、木材横截面长度和宽度D、初始含水率M和木材基本比重G；根据计算公式t＝45.36(T_ht)^-2.954(T)^2.996(T_init)^-0.2616D^2.00M^-0.0946G^0.2158计算出被检测木材中心温度达到56℃的时间；

(7)、如果湿球温度又回落到56℃以下时，则重新计时；

2、一种用于木质包装的热处理检测控制系统，包括分别与检测终端和控制终端相连接的温度测量仪和控制器，检测终端与控制终端相连接，检测终端通过网络连接到监管中心，控制器通过多路固态继电器和接触器连接到热处理设备，所述的检测终端输入有检测程序，控制终端输入有控制程序，其特征在于：所述的检测程序包括以下运行步骤：

(2)、读取基础规则中基础数据，基础数据包括：加热温度T_ht、木材中心目标温度T、湿球温度达到规则标准温度时的干球温度T_init、木材横截面长度和宽度D、初始含水率M和木材基本比重G；

3、如权利要求2所述的用于木质包装的热处理检测控制系统，其特征在于：所述的控制程序包括以下运行步骤：

4、如权利要求2所述的用于木质包装的热处理检测控制系统，其特征在于：所述的温度测量仪包括单片机PIC16F877A、通讯模块MAX232、八个电流电压转换芯片RCV420、八个电阻电流转换芯片XTR105、八个温度传感器PT100，其中，单片机的25脚通过电阻R3与通讯模块的10脚连接；单片机的26脚通过电阻R4与通讯模块的9脚连接；单片机的13脚通过晶振CRY与其14脚连接；单片机的13脚和14脚分别通过电容C2和C3接地，通讯模块的3脚通过电容C4与其1脚连接；通讯模块的4脚通过电容C5与其5脚连接，通讯模块的6脚通过电容C8接地；通讯模块的2脚通过电容C6接电源VCC；电源VCC通过电容C11接地；通讯模块的7、8脚分别通过插座JP7与所述的检测终端连接，单片机的2、3、4、5、7、8、9、10脚分别与每个电流电压转换芯片的第14脚连接；每个电流电压转换芯片的16脚连接电源+12V；每个电流电压转换芯片的4脚接电源-12V；每个电流电压转换芯片的5、13脚接地；每个电流电压转换芯片的3脚分别通过二极管D1与每个电阻电流转换芯片的10脚连接，每个电阻电流转换芯片的8脚通过电阻R6与其9脚连接；每个电阻电流转换芯片的3脚通过电位器VR1、电阻R5、电容C1与其7脚连接；每个电阻电流转换芯片的4脚分别连接一个传感器PT100；每个电阻电流转换芯片的15脚通过三极管Q1与其11脚连接；每个电阻电流转换芯片的10脚通过电容C20与其7脚连接；每个电阻电流转换芯片的5脚通过电阻R1与其6脚连接。

5、如权利要求2所述的用于木质包装的热处理检测控制系统，其特征在于：所述的控制器包括单片机PIC16F877A、通讯模块MAX232、八个光电耦合器G、八个继电器HRS，其中单片机的25脚通过电阻R4与通讯模块的10脚连接；单片机的26脚通过电阻R3与通讯模块的9脚连接；单片机的13脚通过晶振CRY与其14脚连接；单片机的13脚和14脚分别通过电容C2和C3接地，通讯模块的3脚通过电容C8与其1脚连接；通讯模块的4脚通过电容C7与其5脚连接，通讯模块的6脚通过电容C9接地；通讯模块的2脚通过电容C10接电源VCC；电源VCC通过电容C11接地；通讯模块的7、8脚分别通过插座JP7与所述的控制终端连接，单片机的19、20、21、22、27、28、29、30脚分别与每个光电耦合器的2脚连接，每个光电耦合器的5脚分别与每个继电器的3脚连接；每个光电耦合器的1脚通过电阻R1接电源VCC，每个继电器的3脚分别通过二极管D1接到电源+12V，每个继电器的4脚分别通过电阻R2和电容C1与其5脚连接。