CN101881754A - 干燥设备的检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于干燥设备的监测方法及其装置。通过接收干燥设备内部的振动信号，分析接收到的振动信号，选取振动信号的特征参数确定干燥终点。另外，通过计算分析，利用多元线性回归方法构建湿度模型，将振动信号与湿度定量关联起来。本发明方法具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，对干燥设备中物料湿度能及时准确地在线分析，实现干燥终点的准确预警，并通过分析结果对生产参数进行控制，提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及干燥设备的湿度检测，尤其涉及一种干燥设备的检测方法及其装置。
背景技术
干燥是食品、制药等工业中重要的单元操作。干燥的好坏直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程能耗等。研究干燥过程的目的就是要控制过程参数(包括干燥时间、进出口温度、风速等)，对物料进行适度干燥，即在到达干燥终点时即停止干燥，以使产品的湿度、质量等指标达到生产的要求。如果到达干燥终点仍继续干燥，则会导致过干燥，物料间由于磨损而产生粉末，从而导致产品质量的下降；而如果未到达干燥终点就停止干燥，则会使产品的湿度过大而不符合生产要求。因此，实现干燥终点的实时在线检测具有重要现实意义和理论价值。
目前干燥终点的检测手段有取样法、温度传感器法、压力脉动法、红外扫描法、双比色皿法、电阻法和电容法等。但是由于它们存在着过程繁琐、离线检测、侵入式、易堵塞、准确度不高等缺点，越来越不适合日益苛刻的工业生产环境，严重制约生产的优化、强化，以及对产品结构和产品质量的调控，尤其是食品和医药行业。近年来，人们逐渐注意到加速度传感器(也称声发射传感器)的特殊作用，都试图在流程工业中以此建立重要物理参量的软测量手段。2000年以后，谢立生、Frank、Indrayani等人先后发表了文章、专利，将声发射技术应用于木头的干燥过程以提高木头干燥的质量；Briens、Vervloet等人将声发射技术应用到了药物干燥过程。
开发合适的检测手段，实现快速、准确、安全、非插入式的干燥终点的在线测量，不仅可以提高优化操作的质量，而且可以促进测量分析技术和化学工程的密切结合。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种干燥设备的检测方法及其装置。
用于监测干燥设备中物料湿度的方法包括以下步骤：
1)接收干燥设备内部颗粒撞击壁面产生的振动信号，并将其放大；
2)利用频谱分析、小波分析以及小波包分析方法对接收到的振动信号进行分析，得到振动信号的频率f、主峰位移Δf、能量E、各小波尺度或小波包尺度内的能量分率Ei、表示声发射信号时间序列在m维空间内的欧式距离的S-统计值、时间t作为特征值，其中i为尺度数；
3)基于各个尺度上的能量分率Ei，选取特征频段，利用多元线性回归方法构建湿度预测模型，以使物料湿度M和能量分率Ei进行定量关联，从而实现物料湿度的实时在线检测；在干燥过程中，随着湿度的减小，振动信号总能量E、小波分析第一尺度上的能量E1、小波分析第三尺度上的能量E3、S-统计值的变化都呈现单调性，此外，频谱图上的主峰位置向低频移动Δf，这些单调变化用来确定干燥进行的程度，针对不同工业确定的湿度要求实现干燥终点的预警；
4)根据监测结果，调控干燥过程参数，即干燥时间t、进出口温度、风速，以使物料进行适度干燥，提高产品质量。
所述的干燥设备为对流干燥器或传导传热干燥器，对流干燥器为气流干燥器、喷雾干燥器、旋转快速干燥器、流化床干燥器或流化床喷雾造粒干燥机，传导传热干燥器为耙式干燥器或辊筒干燥器。
所述的振动信号的接收频率范围为0Hz～10MHz。
用于监测干燥设备中物料湿度的装置包括振动信号接收装置、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置和输出显示装置；振动信号接收装置的输出端与信号放大装置的输入端相连，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端相连，信号采集装置的输出端与信号处理装置的输入端相连，信号处理装置的输出端与显示装置的输入端相连。
所述的信号接收装置为一个或多个振动换能器。所述的振动信号接收装置为声发射传感器、加速度传感器或传声器。所述的振动信号接收装置的输入端与干燥设备壁面紧贴，用于接收干燥设备内部物料撞击壁面产生的振动信号。所述的信号放大装置为一个或多个信号放大器。所述的信号采集装置为一个或多个信号采集卡，信号处理装置为带处理软件的处理器。
本发明与现有的方法相比有如下优点：
1)可根据实际需要的最适湿度设定干燥终点，并利用振动信号变化的单调性或状态比较法实现干燥终点的准确预警；构建的湿度模型的线性相关度达到了0.97以上，因此对于湿度的预测较为准确。
2)利用频谱分析之后的主峰位置来直接判断物料的湿度，主峰位置只与物料的物性有关，而不受物料多寡、信号强弱等其它因素的影响，这使得振动检测技术的应用领域大大拓宽。
3)声发射监测是非插入式的，安装时候只要直接贴于干燥器壁面上就可以了，简易方便，因此不会影响干燥器内部的干燥状况，对干燥物料也不会造成污染，特别适用于对产品质量要求高的行业。
4)是一种安全、绿色、环保，对人体无害的检测方法，且对环境要求比较低，能在比较恶劣的工厂环境全天候工作，即使在高温、高压、粉尘等苛刻环境下仍能保持信号的真实程度，真实反映干燥器内部物料的湿度信息。
附图说明
图1为设备框图；
图2为工厂装置示意图；
图3为振动信号总能量随时间的变化图；
图4为小波分析第一、三尺度上的细节信号能量随时间的变化图；
图5为模型计算值与取样值对比图；
图6为9个时刻时的声发射信号的频谱分析图。
具体实施方式
用于监测干燥设备中物料湿度的方法包括以下步骤：
1)接收干燥设备内部颗粒撞击壁面产生的振动信号，并将其放大；
2)利用频谱分析、小波分析以及小波包分析方法对接收到的振动信号进行分析，得到振动信号的频率f、主峰位移Δf、能量E、各小波尺度或小波包尺度内的能量分率Ei、表示声发射信号时间序列在m维空间内的欧式距离的S-统计值、时间t作为特征值，其中i为尺度数；
3)基于各个尺度上的能量分率Ei，选取特征频段，利用多元线性回归方法构建湿度预测模型，以使物料湿度M和能量分率Ei进行定量关联，从而实现物料湿度的实时在线检测；在干燥过程中，随着湿度的减小，振动信号总能量E、小波分析第一尺度上的能量E1、小波分析第三尺度上的能量E3、S-统计值的变化都呈现单调性，此外，频谱图上的主峰位置向低频移动Δf，这些单调变化用来确定干燥进行的程度，针对不同工业确定的湿度要求实现干燥终点的预警；
4)根据监测结果，调控干燥过程参数，即干燥时间t、进出口温度、风速，以使物料进行适度干燥，提高产品质量。
所述的干燥设备为对流干燥器或传导传热干燥器，对流干燥器为气流干燥器、喷雾干燥器、旋转快速干燥器、流化床干燥器或流化床喷雾造粒干燥机，传导传热干燥器为耙式干燥器或辊筒干燥器。
所述的振动信号的接收频率范围为0Hz～10MHz，其中最优接收频率范围为0Hz～300kHz，接收位置为被干燥物料频繁撞击的壁面处。
用于监测干燥设备中物料湿度的装置包括振动信号接收装置1、信号放大装置2、信号采集装置3、信号处理装置4和输出显示装置5；振动信号接收装置的输出端与信号放大装置的输入端相连，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端相连，信号采集装置的输出端与信号处理装置的输入端相连，信号处理装置的输出端与显示装置的输入端相连。如图1所示。干燥器内部的动态振动信号通过设置在外部壁面处的振动信号接收装置1进入放大装置2进行信号的放大，以保证在长距离内信号不衰减，然后进入声信号采集装置3进行A/D转换，最后进入信号处理装置4进行处理和分析。
所述的信号接收装置1为一个或多个振动换能器。所述的振动信号接收装置1为声发射传感器、加速度传感器或传声器。声发射传感器和加速度传感器主要用于测量通过固体传播的声音和振动信号，传声器用于测量通过气体传播的声音和振动信号，应用时可根据具体需要选择合适的传感器。所述的振动信号接收装置1的输入端与干燥设备壁面紧贴，用于接收干燥设备内部物料撞击壁面产生的振动信号。所述的信号放大装置2为一个或多个信号放大器。视信号强弱及实际要求来设置放大器的个数。所述的信号采集装置3为一个或多个信号采集卡，信号处理装置为带处理软件的处理器。
对采集得的振动信号进行分析，发现随着干燥过程的进行，一些分析结果呈现单调性，可用于确定干燥进行的程度。(i)采集得的振动信号的总能量呈现单调递增的趋势；(ii)对信号进行小波分析，发现第一尺度上的细节信号的能量分率随干燥的进行而单调递减；相反的，第三尺度上的细节信号的能量分率随干燥的进行而单调递增；(iii)频谱分析的结果显示主峰位置向低频移动。利用以上单调变化趋势，针对不同工业确定的最适湿度要求，可实现干燥终点的预警。
此外，还可以利用状态比较法，以物料达到所期望的湿度时的信号为参考时间序列，以干燥过程采集得的声发射信号为测试时间序列，当物料达到所期望的湿度时，声发射信号计算的S值会发生突变，因此实现了对干燥终点的预警。
进一步利用各频段上的能量分率数据构建湿度模型。具体的做法为以各频段上的能量分率(可基于频谱分析结果、小波分析结果或小波包分析结果)作为自变量，取样测得的湿度为因变量，直接作多元回归，结果发现模型计算值和取样值吻合得非常好。说明该技术实现了快速、准确、安全、非插入式地监测干燥过程中的湿度。
本发明可用于制药、食品、农产品加工、矿产加工等行业中干燥过程的湿度监测，目前，制药行业已有少量应用实例。本检测方法可实现干燥终点的预警，并利用监测结果调控过程参数，提高产品质量，尤其适用于对产品质量要求高的行业。
本检测方法可用于检测干燥过程中物料性质的变化，主要是物料湿度的变化。物料湿度发生变化会影响到颗粒撞击壁面产生的振动信号，包括频率、能量等。因此，如果寻找出这种变化与振动信号的变化之间的联系，那么就能通过采集得的声信号得到物料湿度及粒径的信息了，这就是声发射检测的原理。比如随着干燥过程的进行，物料湿度降低，固体弹性模量和质量随之发生变化，相继释放的能量也发生改变，而碰撞能量与振动信号强度(或能量)有关，因此，可利用振动信号监测物料湿度。
实施例1
将该检测技术用于如图2所示的工厂装置。1为流化床干燥机，其中2为物料进口管道，3为取样口，4为振动信号接收装置，5为前置放大器，6为主放大器，7为信号采集及处理系统。待干燥物料由2进入流化床干燥机，流化床高3m，内径为1.2m，热空气由流化床底部吹入，干燥结束后，物料由顶部卸出，振动信号接收设备贴于干燥器外壁。
利用本发明装置采集该装置干燥消炎药(主要成分为萘普生钠)时的振动信号。采样频率设为300kHz，整个干燥过程历时40min。当排风温度每上升一度，从取样口取一个样进行离线湿度分析。
对采集得的振动信号进行分析，发现振动信号总能量单调递增，如图3所示。对信号进行9尺度的小波分析，发现第一尺度上的细节信号的能量分率随干燥的进行而单调递减；相反的，第三尺度上的细节信号的能量分率随干燥的进行而单调递增，如图4所示。由图4可知，一开始时物料湿度约为13％，此时采集得到的声发射信号经小波分析，得到第一尺度上的能量分率约为53％，第三尺度上的能量分率约为26％；干燥终点时物料湿度为5.7％，此时信号在第一尺度上的能量分率约为7％，第三尺度上的能量分率约为54％。进一步利用小波分析的结果构建湿度预测模型。具体的做法为以概貌信号和9个尺度的细节信号为自变量，以取样测得的湿度为因变量，两者相关系数高达0.9767，利用多元线性回归方法构建预测模型，如图5所示。模型计算值与取样值见表1所示，数据显示两者吻合得非常好。
表1湿度模型计算值与取样值比较表
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 计算值(％) | 13.31 | 12.57 | 12.06 | 11.69 | 11.09 | 11.12 | 10.56 | 10.12 | 9.97 | 10.05 | 9.57 | 9.64 | 10.27 |
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 取样值(％) | 13.16 | 12.80 | 12.78 | 11.77 | 11.75 | 11.07 | 10.55 | 10.35 | 8.61 | 9.05 | 10.37 | 9.78 | 10.07 |
| 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 |
| 8.97 | 8.30 | 8.11 | 7.88 | 7.49 | 7.21 | 6.71 | 6.91 | 6.61 | 6.76 | 6.22 | 6.01 | 6.21 | 5.85 | 5.76 | 6.64 |
| 8.47 | 8.70 | 7.87 | 7.55 | 7.61 | 7.06 | 7.04 | 6.92 | 6.55 | 6.45 | 6.38 | 6.27 | 6.45 | 6.32 | 6.18 | 5.73 |
对采集得的振动信号进行频谱分析，发现主峰位置具有一个向低频移动的趋势。从开始干燥到干燥终点这整个过程中，取9个时间点的声发射信号进行频谱分析，如图6所示。主峰频率与相应的物料湿度如表2所示。
表2主峰频率与相应的物料湿度
| 编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 主峰频率(kHz) | 92.6 | 90.5 | 85.0 | 77.6 | 77.3 | 61.8 | 58.0 | 41.9 | 36.6 |
| 物料湿度(％) | 13.16 | 11.77 | 10.55 | 9.78 | 8.70 | 7.61 | 6.55 | 6.27 | 5.73 |
实施例2
将该检测技术应用于喷雾干燥器干燥草莓粉的过程，振动信号接收设备贴于干燥器外壁，采样频率设为500kHz。对采集得的振动信号进行分析，得到与实施例1相似的结论。用同样的手段实现了对喷雾干燥器干燥草莓粉过程的湿度监测，进一步可利用监测数据，通过调控过程参数，提升草莓粉的溶解性及口味。
实施例3
将该检测技术用于辊筒干燥机干燥米粉的过程。辊筒干燥机主要由主辊筒、副辊筒、刮料装置、传动装置、进排汽装置等构成，高压干燥，压力约为0.8MPa。振动信号接收设备贴于主辊筒外壁，采样频率设为500kHz。对采集得的振动信号进行分析，发现振动信号的变化规律与实施例1相似。用同样的手段实现了对辊筒干燥机干燥米粉过程的湿度监测，进一步可利用监测数据，通过调控过程参数，提高米粉的营养价值。
Claims (9)
1.一种用于监测干燥设备中物料湿度的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)接收干燥设备内部颗粒撞击壁面产生的振动信号，并将其放大；
2)利用频谱分析、小波分析以及小波包分析方法对接收到的振动信号进行分析，得到振动信号的频率f、主峰位移Δf、能量E、各小波尺度或小波包尺度内的能量分率Ei、表示声发射信号时间序列在m维空间内的欧式距离的S-统计值、时间t作为特征值，其中i为尺度数；
3)基于各个尺度上的能量分率Ei，选取特征频段，利用多元线性回归方法构建湿度预测模型，以使物料湿度M和能量分率Ei进行定量关联，从而实现物料湿度的实时在线检测；在干燥过程中，随着湿度的减小，振动信号总能量E、小波分析第一尺度上的能量E1、小波分析第三尺度上的能量E3、S-统计值的变化都呈现单调性，此外，频谱图上的主峰位置向低频移动Δf，这些单调变化用来确定干燥进行的程度，针对不同工业确定的湿度要求实现干燥终点的预警；
4)根据监测结果，调控干燥过程参数，即干燥时间t、进出口温度、风速，以使物料进行适度干燥，提高产品质量。
2.根据权利要求1所述的一种用于干燥设备的监测方法，其特征在于所述的干燥设备为对流干燥器或传导传热干燥器，对流干燥器为气流干燥器、喷雾干燥器、旋转快速干燥器、流化床干燥器或流化床喷雾造粒干燥机，传导传热干燥器为耙式干燥器或辊筒干燥器。
3.根据权利要求1所述的一种用于干燥设备的监测方法，其特征在于所述的振动信号的接收频率范围为0Hz～10MHz。
4.一种用于监测干燥设备中物料湿度的装置，其特征在于包括振动信号接收装置(1)、信号放大装置(2)、信号采集装置(3)、信号处理装置(4)和输出显示装置(5)；振动信号接收装置的输出端与信号放大装置的输入端相连，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端相连，信号采集装置的输出端与信号处理装置的输入端相连，信号处理装置的输出端与显示装置的输入端相连。
5.如权利要求4所述的一种用于干燥设备的检测装置，其特征在于所述的信号接收装置(1)为一个或多个振动换能器。
6.如权利要求4所述的一种用于干燥设备的检测装置，其特征在于所述的振动信号接收装置(1)为声发射传感器、加速度传感器或传声器。
7.根据权利要求4所述的一种用于干燥设备的监测装置，其特征在于所述的振动信号接收装置(1)的输入端与干燥设备壁面紧贴，用于接收干燥设备内部物料撞击壁面产生的振动信号。
8.如权利要求4所述的一种用于干燥设备的检测装置，其特征在于所述的信号放大装置(2)为一个或多个信号放大器。
9.如权利要求4所述的一种用于干燥设备的检测装置，其特征在于所述的信号采集装置(3)为一个或多个信号采集卡，信号处理装置为带处理软件的处理器。
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