CN103808591B

CN103808591B - 一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法

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Publication number: CN103808591B
Application number: CN201410052968.9A
Authority: CN
Inventors: 吴文福; 韩峰; 张亚秋; 刘哲; 张立辉; 吴玉柱; 吴新怡
Original assignee: JIDA SCIENCE APPARATUS CO Ltd CHANGCHUN
Current assignee: JIDA SCIENCE APPARATUS CO Ltd CHANGCHUN
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2034-02-17
Also published as: WO2015120643A1; CN103808591A

Abstract

一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法。利用水分和容重的关系计算水分，具有结构简单、安装方便、操作简单、抗干扰能力强、环境适应性好等优点、适合玉米、水稻、小麦等作物的连续干燥作业，避免现有技术的水分检测的主要缺陷。

Description

一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种谷物连续干燥过程水分在线检测方法，具体而言,涉及一种连续式谷物干燥机的基于总重检测的水分在线检测方法。

背景技术

粮食干燥的基本目标是保持干燥过程稳定的前提下，以最低的干燥成本和能耗去除粮食中的水分，因此,水分的在线检测就十分重要了。

传统谷物干燥过程水分在线检测多采用电容法或电阻法等方法检测，近期国内已出现采用重量进行在线水分检测和控制的新研究和趋向。

电阻法水分在线检测原理是利用谷物水分与其电阻值之间的相关关系来间接测定谷物水分，水分高电阻小，水分低电阻大。在循环式谷物干燥机一般使用电阻式水分传感器进行在线检测，通常安装在干燥机的提升机机筒侧壁，从提升机提升畚斗散落下的谷物颗粒不断散落入一对相对旋转的滚轮，滚轮是一对电极，当谷粒通过滚轮时被碾碎，同时测出滚轮电极之间物料的电阻变化曲线；对一定数量的谷物颗粒电阻变化曲线特征值的提取并进行滚动统计，求出其平均值；依据此平均值与水分相关函数关系（事先标定好的），求解出谷物的水分值；最后依据水分值对谷物的干燥过程实施目标控制或过程控制。日本金子、台湾三久、日本佐竹等知名干燥机企业均采用这种原理的水分在线检测仪；国内华南农业大学李长友开发了基于电阻法原理的水分在线检测仪，中国申请公开号CN1963478A。电阻法水分在线检测的缺点是：①当谷物水分不均匀，含有较多青粒、未熟粒时，检测值误差较大；②结构复杂，故障多；③当物料有石块等异物时，容易在滚轮处堵塞，损坏滚轮；④只能适应性状、粒度相近的谷物，如稻、麦，谷物类型改变时传感器要作大的更改；⑤属于有损检测；⑥高水分谷物水分的检测精度低。

电容法水分在线检测原理是应用谷物水分和电容之间的相关关系来间接测定谷物水分的，水分高电容大，水分低电容小。目前，谷物自动干燥机采用电容式水分传感器时，一般是具有一定容量的筒状物，安装在循环式谷物干燥机的缓苏段内部或出口谷物流中，粮食流经电容极板，根据粮食水分不同其介电特性不同测出含水率的变化。实现对水分的检测，再通过二次仪表或上位机根据谷物水分值调整对谷物干燥的控制。长春吉大科学仪器设备有限公司、上海绿洲等国内企业生产这种形式的在线水分检测仪。其缺点是：①安装和检修不方便；②检测精度受环境和谷物温湿度、谷物密度、谷物流速的影响大；③当谷物含杂较高时监测误差大。

重量法水分在线检测的原理是应用单位体积内不同水分含量的物料具有不同的重量进行水分检测的方法或在已知初始水分的条件下，通过重量降低来计算谷物的实时在线水分的方法。重量检测方法存在精度高和稳定性好的优点，但是也存在安装不便利和动态误差不易消除的缺点。中国申请号201310682597.8,基于总重检测的谷物循环干燥水分在线测控方法及其系统，公开了一种利用重量检测实时在线检测的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术及方法中的缺陷，提供一种适合连续式谷物干燥机水分在线测控的方法。

一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法，步骤一、向干燥机内输送待干燥谷物；启动干燥作业；步骤二、实时检测总重W_j和料位，用下列公式计算谷物实时水分；谷物实时的水分：W_b为干燥机内无谷物时的重量；V_j为干燥机内部谷物的实时料位对应的体积；k为回归试验方程的阶次，取值为0、1、2或3；A_k为方程的系数，n是干燥机分成多个薄层的数量；步骤三、根据谷物实时的水分变化，手动或者自动控制调节排粮速度和/或干燥温度，使排粮机构排出的谷物的水分在容许的水分阈值范围内。

作为进一步的优选，进粮作业可以通过手动或者自动启动。

作为进一步的优选，按照一定的时间间隔启动热风机。

作为进一步的优选，采用双限料位间歇进粮的作业方式，即当干燥机内粮食达到上限料位传感器位置，自动停止进粮；当干燥机内粮食低于下限料位传感器位置，再次启动进粮装置，这样形成了进粮间歇和不进粮间歇的交替进行。

作为进一步的优选，在不进粮的间歇，检测谷物的总重和高度。

有益效果：

1、该方法利用重量法检测避免电测法测量水分存在的稳定性差和精度低的问题，实现了粮食干燥机内谷物平均水分的精确测量。

2、本发明通过对干燥机及其内部谷物实测容重与水分的关系，来监测干燥过程中谷物水分的变化，是连续干燥过程水分在线检测方法的进一步改进，以此为基础进一步可以对干燥过程实施有效的自动控制。

3、克服了电阻法和电容法的温湿度敏感性问题；提高了水分在线检测的精度和稳定性；扩大了水分在线检测的测量域。电阻法和电容法在谷物的低水分域(13%～18%)的检测精度勉强达到±0.5%、稳定度在80%左右,而称重法在全水分域(13%～35%)能够达到可以很容易达±0.5%、稳定度在80%。

4、本发明提供的连续式谷物干燥水分在线检测系统具有结构简单、安装方便、操作简单、抗干扰能力强、环境适应性好等优点、适合玉米、水稻、小麦等作物的连续干燥作业，避免现有技术的水分检测的主要缺陷。

附图说明

图1是连续式谷物干燥机水分在线测控的方法示意图。

图2是连续式谷物干燥机作业等效图.

图3是连续式谷物干燥机的系统框图。

图4是连续式谷物干燥机的结构示意图。

图5是连续式谷物干燥机的电路示意图。

具体实施方式

参见图3和图4，一种连续式谷物干燥自动作业系统包括干燥机主体1，热风道8，热风机9，冷风机6，热风炉10，进粮提升机18，干燥机总重称重传感器组7，信号检测与转换单元12，控制显示单元11、温湿度探头组20、料位传感器21、进粮溜管22。

干燥作业时，将待干燥谷物输送到干燥主体1内，干燥机总重传感器组7置于干燥机主体1底座立柱底端或立柱之上，干燥机总重称重传感器组7与信号检测与转换单元12连接在一起，信号检测与转换单元12与控制显示单元11相连接。干燥机总重传感器组7用于检测干燥机主体1和谷物的总的重量,将检测信号发给信号检测与转换单元12,通过控制显示单元11显示在屏幕上。

热风机9连接热风炉10，热风炉10通过热风道8连接干燥机主体1，进粮提升机18通过进粮溜管22连接到干燥机主体1的顶部。料位传感器21包括上料位传感器和下料位传感器，料位传感器21安装在干燥机主体1的上部，温湿度探头组20安装在干燥机主体1的上部，并且位于下料位传感器21的下边。

参见图3，所述干燥机主体1自上而下依次为储粮段2、干燥段3、缓苏段4、冷却段5。在冷却段5的下面设置排粮机构6和干燥机底座16。作为一种优选，料位传感器21和温湿度探头组20安装在储粮段2上。作为一种优选，温湿度探头组20包括多个湿度探头和多个温度探头。储粮段2作用是将进干燥机内部的粮食暂储，等待进入干燥段3中进行干燥。储粮段2的下方为缓苏段4。作为一种优选，为增加干燥机干燥能力和干燥速率，干燥机内部设有多个干燥段3和缓苏段4，谷物经多级干燥和缓苏后，进入冷却段5，如果谷物的水分符合要求，谷物经冷却后进入排粮机构15，通过干燥机底座16的集粮锥斗排至排粮输送机14，输送到储粮地点，完成谷物的烘干过程，同时当谷物低于下料位传感器的位置时，进入新的待干燥谷物。

通过检测谷物水分或者水分变化速率，可以手动调节或者自动控制调节排粮速度和/或干燥温度，使谷物水分变化和排粮速度和/或干燥温度相适应，达到谷物经过干燥机的干燥段、缓苏段和冷却段就能够达到水分阈值范围内。非限制性的示范性举例来说，如果谷物水分干燥速度慢，降低排粮速度和/或增高干燥温度；如果谷物水分干燥速度过快，增加排粮速度和/或降低干燥温度。作为一种优选，排粮速度和/或干燥温度的自动控制策略可以采用传统的PID控制方式。

如图3所示，热风机9和热风道8间采用软连接形式连接，热风道8与干燥机主体1间采用软连接形式连接。作为一种优选，热风道8与干燥机主体1法兰间通过保温软性接头连接在一起。这样，可以避免热风机9的振动影响称重传感器组7的检测精度。作为一种优选，这里热源采用燃煤式热风炉，也可采用燃油或燃气式热风炉提供干燥介质。

如图4所示，干燥机工作时，谷物进入装料斗13中经进粮提升机18将谷物从下向上输送到干燥机主体1的上顶部，经进提升机18与干燥机主体1间的进粮溜管22将谷物均匀撒入干燥机主体1内，谷物靠重力向下分别经过储粮段2、干燥段3、缓苏段4，多级干燥和缓苏后到达冷却段5，然后进入六叶轮式排粮机构15，排粮速度受排粮机构15来控制，谷物排出后经排粮输送机14输送至储粮仓或运粮车辆内。干燥机主体1的安装风道一侧，采用鼓风方式将热介质鼓入干燥机内来干燥谷物。热介质和被干燥谷物经质热交换后的潮湿尾气通过排潮口17排出。谷物在干燥机内经过多级干燥后，通排粮机构15、排粮输送机14排出，完成干燥过程。

作为一种优选，干燥作业时，进粮提升机18和排粮输送机14同时工作，保持平衡，配合料位传感器21使得干燥机内谷物重量不变或在小范围内波动。

如图3和图4所示：所述的干燥机称重传感器组7包括若干个称重传感器，安装于干燥机底座16的立柱底端或立柱之上。称重传感器的安装方式可以根据传感器的类型来确定。当干燥机主体1内谷物重量变化时，干燥机底座立柱承受重量变化通过重量传感器组转换为电压信号，电压信号传输给信号转换和检测单元12。

如图5所示，所述信号检测和转换单元12采集电压信号并进行模数转换。该单元由放大滤波线路、模数转换电路、看门狗线路、MCU信号处理器、RS485串行通讯线路构成。

放大滤波线路前置，以此消除噪声并放大信号。再与模数转换线路相连接，负责将模拟信号转化为可被上位机接收的数字信号。再将MCU信号处理电路与模数转换线路相连，负责处理所接受的数字信号。看门狗线路与MCU线路相连接，防止程序的锁死、丢失等现象。最后将处理好的信号通过RS485串行通讯线路与控制显示单元11相连接。

其中电压信号经过滤波放大线路以后，滤除了噪声，消除了干扰信号并将有效信号值放大。滤波放大处理的电压信号仍属于模拟量，还不能被上位机所接收，此时将信号经过模数转换线路转换为可被上位机接收的数字信号。数字信号经过MCU信号处理线路进行运算。MCU信号处理线路即单片机信号处理电路。

此外，温湿度探测头组20将环境温湿度、干燥机主体1内的温湿度信号传输给MCU信号处理线路。作为一种优选，温湿度探测头组20可采用赛斯特ST800温湿度探头组。将料位指示器21信号与信号检测与转换单元12相连接，以判断干燥机主体1内粮食的高度，以此控制进粮提升机18的运行。作为一种优选，料位指示器21可采用红外激光料位传感器或阻旋式料位开关。

在MCU运行的时候，为防止诸如程序跑失、存储失效、外部干扰或者操作不正确等一些现象发生，造成系统进入死循环而无法正常工作，需增加看门狗电路，看门狗电路的基本功能是在软件运行发生问题和程序紊乱后使程序初始化。这样就可以在系统遇到诸如此类干扰的时候立刻进行复位，这样就很大程度上完善了机器自身的工作稳定性。这时，再将数字化、稳定的、经过运算的信号传输给控制与显示单元11。

谷物连续干燥过程水分在线检测方法，包括以下步骤：

初始化，向干燥机的控制显示单元内输入和存储待干燥谷物的初始水分值M₀、热介质温度T、初始排粮速度G_g。

检测皮重，在干燥机内部无粮的状态下、利用干燥机下部安装的称重传感器组，检测、读取和存储皮重W_b。

采用双限料位控制启动进粮作业、手动或自动启动干燥机进粮，向干燥机内输送待干燥谷物，当干燥机内粮食达到上料位传感器位置，自动停止进粮；当干燥机内粮食低于下料位传感器位置，再次启动进粮装置。

启动热源供给和排粮装置，按一定时间间隔和顺序启动热介质供给风机，排粮装置。

实时检测总重和料位，按一定的时间间隔实时检测、读取和存储总重量W_j和料位高度H_j，计算和存储体积V_j和容重ρ_j，或者，当干燥机双料位进粮达到上料位时刻确定初始总重量W₀（上料位重量）和初始料位高度H₀，然后在供料过程的不进料期间，不断检测、读取和存储实时总重量W_j，采用设定的干燥排粮速度G_g计算料位高度H_j、体积V_j和容重ρ_j。

利用水分和容重关系转换关系，计算和显示干燥机内部谷物实时平均水分值M_j。

以下结合图2示范性的说明平均水分的检测，无论是顺流、逆流、横流或混流，无论有几个干燥段和缓速段，都可以将不同形式的干燥机简化等效为如图1所示结构模型，并且可以将干燥体自上而下分为n个薄层，薄层越多n值越大，计算越精确。

在干燥机底部底座上装有总重检测传感器组，在干燥机上部装有开关式或连续式料位传感器，由此可以实时检测干燥内部谷物重量和料位高度，由此可以计算出干燥机内部谷物的容重，再根据已经建立的谷物水分与谷物容重之间的关系，计算出平均水分。或者也可利用已知谷物初始水分和检测的谷物总重，依靠水分换算关系，计算出谷物的平均水分。

不断检测、读取和存储干燥机内部谷物的实时总重量W_j和料位高度H_j，计算或检测、存储谷物的实时体积V_i和容重ρ_j，并根据下述公式计算和显示干燥机内部谷物实时平均水分值M_j。作为一种优选，为了得到更加精确检测精度，干燥机湿粮进入过程采用双料位器自动控制间歇进料控制，应在不进粮的间歇（可保持排粮），测量谷物的总重和高度。

利用水分容重关系，计算谷物平均水分。

谷物的实时容重：

{\overset{&OverBar;}{ρ}}_{j} = \frac{W_{j} - W_{b}}{V_{j}} - - - (1)

其中：W_j为干燥机（含其内部的谷物）的实时总重量；W_b为干燥机内无谷物时的重量；V_j为干燥机内部谷物的实时平均料位对应的体积。

谷物的实时水分：

{\overset{&OverBar;}{M}}_{j} = f ({\overset{&OverBar;}{ρ}}_{j}) = Σ_{1}^{n} A_{k} {\overset{&OverBar;}{ρ}}_{j}^{k - 1} - - - (2)

式中，k为回归试验方程的阶次，取值为0、1、2或3；A_k方程的系数（不同品种谷物针对不同类型干燥机，在不同的干燥工艺条件下，具有不同的数据，通过实际试验统计确定），是实时的容重，n是干燥机分成多个薄层的数量。

表1干燥机作业水分和容重关系表

表中，B₁C₁；B₂C₂；……B_LC_L；为l组针对特定品种谷物、特定干燥机机型，特定干燥工艺条件下，试验取得的关于谷物水分和容重的关系数据。

东北地区针对玉米、小麦和水稻采用横流多薄层连续干燥工艺的应用实例。

表2方程系数A_k的应用取值表

方程系数	A₀	A₁	A₂	A₃
					玉米	4858.9	-18.436	0.0235	-1E-05
小麦	-4899.4	19.469	-0.0255	1E-05
					水稻	-121.71	0.178	0.0001	0

表2中第一列公式系数适合于干燥机内部玉米平均水分低于23%的情形，包含了绝大多数玉米作业的一般情形（如入机水分在30%左右的正常作业情形），特殊不符合情形采用人工干预调节温度或者排粮速度进行调整。

表3干燥作业的具体应用实例实验数据

作为一种优选，表3中数据的应用，可以采用线性或非线性插值法拟合。第一列和第二列适合于干燥机内部玉米平均水分低于23%的情形，包含了绝大多数玉米作业的情形（如入机水分在30%左右的正常作业情形），个别不符合情形采用人工干预调节温度或者排粮速度进行调整。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种连续式谷物干燥过程水分在线检测方法，其特征在于:

步骤一、向干燥机内输送待干燥谷物；启动干燥作业；

步骤二、实时检测总重和料位，计算谷物实时的水分；

谷物实时的水分：

{\overset{&OverBar;}{M}}_{j} = Σ_{1}^{n} A_{k} {\overset{&OverBar;}{ρ}}_{j}^{k - 1};

k为回归试验方程的阶次，取值为0、1、2或3；A_k为方程的系数，针对不同品种谷物、在不同的干燥工艺条件下，该方程的系数取不同的值，n是干燥机分成多个薄层的数量，谷物实时的容重；

步骤三、根据谷物实时的水分变化，手动或者自动控制调节排粮速度和/或干燥温度，使排粮机构排出的谷物的水分在容许的水分阈值范围内。

2.根据权利要求1所述的在线检测方法，其特征在于：进粮作业可以通过手动或者自动启动。

3.根据权利要求1或2所述的在线检测方法，其特征在于：按照一定的时间间隔启动热风机。

4.根据权利要求1所述的在线检测方法，其特征在于：当干燥机内粮食达到上料位传感器位置，自动停止进粮；当干燥机内粮食低于下料位传感器位置，再次启动进粮装置。

5.根据权利要求1、2或4所述的在线检测方法，其特征在于：在不进粮的间歇，检测谷物的总重和料位高度。