CN104364646B - 用于水分确定和控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过使用对正被处理的材料的水分含量的实时测量来进行水分确定和控制的方法。本发明还提供一种基于对正被处理的材料的水分含量的实时测量来用于进行水分确定和控制的装置。本发明特别地适于在干燥过程中比如在干燥料斗中控制材料的水分含量，其中，在干燥过程的入口和出口处测量材料水分含量。通过测量待干燥的进料的水分含量来预期干燥负载以进一步控制干燥过程。

Description

用于水分确定和控制的方法和装置

本发明涉及一种通过使用对正被处理的材料的水分含量的实时测量来进行水分确定和控制的方法。本发明还提供了一种基于对正被处理的材料的水分含量的实时测量来进行水分确定和控制的装置。

本发明的上下文中的术语“水分”并非意在限于“水”的常规理解，而是意在涵盖所有流体，“水分”的存在与否可能会对制造过程和/或此制造过程的最终产品产生有利或有害的影响。举例来说，术语“水分”意在涵盖水、无论有机或无机的溶剂、可能影响给定制造过程以及影响由此所制造的最终产品的任何其他流体。

背景技术

天然或合成材料的水分含量的评估和控制在比如药物、食品、农业化学品、塑料、建筑、采矿、造纸、催化剂制造、石油化工、半导体等多种工业中被认为是重要的。在多种情况下，水分含量被当作是产品质量的标志。

可以认识到，几乎所有的制造过程均需要对其中的流体水平进行严格控制，有时需要控制在ppm水平，以符合质量要求、规定标准，防止在这些过程的最终产品中出现缺陷等。例如，在制药工业中的颗粒制造中存在不必要的水分(水)会在颗粒的凝聚方面对产品产生不利影响，从而导致产品成批的不合格。另一示例涉及聚合物材料的处理。在多种聚合物材料的处理期间，有必要对水解的水平进行调节，使得无论呈粉末状形式或挤出物形式或颗粒形式的最终产品均没有缺陷比如在表面上或在内部出现碎屑、裂缝等。类似地，树脂处理是这样的技术：在该技术中，有必要对存在于系统中的水分水平进行控制，使得树脂产品的模制呈现高效率并且避免材料浪费。还有必要在造纸期间控制水分含量，使得最终产品具有小于3％的水分存在。

如可以看到的，不同工业具有不同的产品水分要求，并且在某些情况下，不可能在使制造过程中成本不显著增加且不产生高水平的能量消耗的情况下达到要求水分具有ppm水平的最优质量。

水分含量确定通常通过两种方法——直接方法和间接方法——来完成。前者，即直接方法，涉及通过使用比如烘箱干燥之类的方法来测量产品的重量损失或使用卡尔-费歇尔试剂的化学滴定法。直接方法通常提供相当高水平的精度，然而，缺点在于需要离线处理。因而，这些方法不适合于自动化水平较高的工业中，并且实际上甚至在其他工业方法中也存在能量效率低且昂贵的劣势。

水分确定的间接方法涉及比如电磁波测量的技术的使用、核传感器、电介质传感器或红外传感器的使用等。尽管这些方法提供了非接触测量，但是申请人未得知如下任意方法，通过该方法已能够以很高精确度实现对整个材料体积的采样和均衡，并且还能够进行实时控制。这些方法已知提供在线式测量。然而，至今尚未开发同时且在线上或在线中进行的测量和控制方面。

历史上，在制造过程中进行水分水平确定的方法已经涉及离线测量。这需要停止过程流，移出产品流的样品以及通过使用比如卡尔-费歇尔试剂之类的装备确定其中的水分水平。然后，根据检测中获得的读数对过程参数进行重设，以确保产品流实现所需水分水平的存在与否。显然，这些过程具有明显劣势：这些过程不具有高能效，需要停工和重新启动并且精确度水平不高。

例如，已知的是，将有机树脂材料的水分含量保持在恒定水平对确保树脂产品的良好质量是重要的。供给至模制机的树脂材料中的不合适的水分含量水平导致出现这些缺陷，比如产品中的空隙和银线。通常已知的是，在将材料供给至模制机之前，通过使用料斗干燥器干燥此树脂材料。这涉及基于对树脂材料的水分含量的评估为料斗干燥器设定固定的加热温度和加热时间。对产品进行采样并且通过使用卡尔-费歇尔试剂进行滴定分析。尽管这些方法确实产生了合适的精确度，但是这些方法具有要求在实验室中或由受过训练的专业人员进行离线水分测量的随附劣势，且这些方法也是不可重复的。显然，该过程的停止-重启自身在能量低效率方面具有显著的劣势。

认识到，材料的水分含量在甚至食品和农用化学品研究以及工业应用方面是重要的。通常，在这些工业中使用的干燥技术涉及在根据材料的温度和时间的特定条件下基于干燥样品的烘箱干燥。然而，这些技术是耗时且是能量密集的。附加地，这些技术的准确度由于被测试的样品与产品流中材料的质量分布之间的差别而遭到质疑。已在这些应用中尝试使用电磁波相互作用来进行连续测量。尽管该方法具有非接触的一个优势，但是其因产品流的堆积密度的变化而易于波动。这要求还要对密度进行单独连续监测，从而除了使测量系统变得非常复杂之外还使能量和成本消耗增大。

在包括在线和离线测量的水分测量或确定的领域中存在多种现有技术。下面将讨论这些现有技术中的一些现有技术。

下面将还参照在这些工业中已知的现有技术、现有技术的优点和其限制对多种工业中的水分确定和控制(强调增加的)的要求进行讨论。

在陶瓷形成材料的领域中，挤压过程的应用是常见的。在该工业中使用的一种类型的挤压过程涉及使用形成塑料混合物或“成批材料”的陶瓷形成材料。其被挤压通过模口以形成成形制品。具有由平行于结构的纵向轴线伸延的薄壁分离的多个室或通道的陶瓷蜂窝形制品已经通过挤压而形成并且用作用于各种应用的过滤器，该过滤器包括用于内燃机的微粒过滤器。该过程要求控制多个参数，使得所需制品保持其挤压后的形式。参数例如包括组成成批材料的混合物的特定成分以及随后可以进行干燥和焙烧以形成陶瓷制品的挤压原木的水分含量。具有不足水分的成批材料将不适当地挤压成形并且可能会导致在最终制品中形成裂纹，包括不可见微裂纹。另一方面，具有太多水分的有机成批材料也不适当地挤压成形并且可能会导致挤压制品的变形。

美国专利申请2010/300183公开了在用于形成陶瓷制品的挤压系统内测量陶瓷材料的水分含量的在线中方法。本公开的方法包括：相对于挤压系统布置具有射频(RF)天线的至少一个RF传感器系统，并且通过RF天线产生基本上完全存在于陶瓷材料内的RF场；响应于与陶瓷材料相互作用的RF场，在RF传感器系统中产生代表陶瓷材料的原水分含量测量的信号SM；通过对具有不同已知水分含量的陶瓷材料的样品执行RF水分含量测量而生成校准数据；以及通过使用原水分含量信号SM和校准数据建立校准的水分含量测量。本公开的方法以及本公开在US 2011/0006461中的随后发展均依赖于样品的移除以及样品的测试。因此，事实上，尽管测量水平被认为是相当准确，但控制机构仍然是离线的。因此，如果水分水平出现改变，则该方法将会失效。另外，产品可能在一段时间内做得不合格，直至对该过程进行调节为止。

美国专利5377428涉及造纸干燥过程以及用于生产具有低水分含量的纸的设备。尽管该文献陈述了其还涉及控制机构，但是该机构专属于造纸工业并且专用于测量3％的水分水平。该公开的系统包括：横向干燥器件，该横向干燥器件可控制成修正横贯网状物的温度；温度检测器件，该温度检测器件用于确定网状物的横向温度分布；以及调制器件，该调制器件用于响应于温度分布的变化来控制横向干燥器件以产生最优均匀横向温度分布。温度检测器件包括高温检测器件且可选地包括低温检测器件，其中，高温检测器件定位在网状物的至少一部分可以具有高于水的沸点的温度的位置处，低温检测器件定位在网状物的整个横向带将处于低于水的沸点的温度的位置处。还包括干燥速率预测器件以根据在接近低温检测器件的位置处所察觉到的温度来预测网状物的干燥速率。调制器件响应于来自高温检测器件和低温检测器件的信号以在高温检测器件附近产生基本上均匀的横向网状物温度分布。本发明的干燥控制方法通过下述方面生成基本平的均匀的横向分布：检测横向网状物温度；在网状物进行干燥时监测横向温度分布；以及控制干燥网状物的速率以保证网状物温度保持在基本均匀的最优温度且保持为平的横向分布。如可以看到的，该系统限于其造纸应用中并且完全依赖于温度测量来实现控制。

美国专利6439027公开了一种用于气体水分测量的方法，并且更特别地，涉及微粒质量测量仪器，该微粒质量测量仪器能够操作成在测量在烟囱或其他排气管道中流动的微粒物的质量期间对废气的水分含量进行测量以实时调节等动力学取样。虽然该方法看起来包括对废气水分含量的实时测量；基于对废气的实时水分含量测量获得一部分废气的等动力学样品，这包括通过废气的体积确定水蒸汽比例的步骤，但是实际测量方法看起来为基于等动力学测量而离线进行。

美国专利7330034公开了一种用于测量棉包中的水分的方法和系统。该公开的过程包括在无需空气参数或校准程序的情况下，对材料的水分含量和质量水分含量进行测量。微波信号被分成参考信号和传递信号，并且参考信号直接应用于相位检测器，而传递信号在呈现于相位检测器的另一侧之前首先传递通过样品。该测量提供了依赖于测试下的材料介电特性的相位常量测量。该系统对贯穿频率带的材料的相位常量进行测量。相位常量对频率的斜率随后用于预测材料的密度，该材料的密度然后与正确的相位常量测量结合，以计算材料的水分含量。本公开限于确定水分含量并且不提供用于水分含量控制的在线上解决方案。

US 6691563显然公开了如下一项发明，该发明提供了一种用于在无需从单一水分校准方程获得容积密度的情况下在任何无线电频率和温度下对任何微粒状或颗粒状材料的水分含量进行确定的方法和设备。然而，本公开的方法要求在至少两个点处进行测量，并且还限于对介电常数的测量。另外，不是非常清楚该方法是否真正提供了绝对在线上和连续控制。该方法看来确实提供了对水分含量的测量，但是控制算法由于其复杂性将看起来具有显著的时间滞后，并且需要进行多次测量。

食品加工工业对在任何给定的产品中所允许的水分含量的水平进行了严格规范。在该技术领域中，期望能够管理食品材料中关于水分含量的组分，以便可以保持对处理的严密控制进而保证高效操作和资源的有效利用。液体、半固体或粉末状食品材料的水分含量迄今为止已经通过多种方法进行确定。例如，已知使用通过使用真空炉或微波炉的重量分析法。当需要定期测量例如成百上千的样品的水分含量时，两个变量不便于使用。真空炉变量还要求用于在线上食品处理的不期望的长测量时间。其他方法包括对反射参数或吸收参数或作为水分含量的间接指示的一些其他参数进行测量。然而，已发现所有现有技术缺乏用于方便地和有意义地测量食品材料的水分含量的若干要求中的至少一种要求。这些要求说明性地包括：高温耐受性、测量样品的水分含量的短时性、校准的容易性以及在传感器与食品系统之间的基本无污染。

US 5257532公开了一种方法，在该方法中，水分含量测量通过下述方面得以免去：对在预定的加热时间间隔内预定材料样品的温度差与加热时间对数响应的关系曲线进行测量；确定该响应在其大致最大斜率的部分处的斜率；确定与在热应用开始时的温度相关的温度参数；以及根据该斜率和该温度参数计算样品的水分含量。然而，该方法也看起来要求对样品的离线测试，或最起码涉及测量之间的时间滞后，且然后引入控制器件，这在日益增长的自动化工业过程中可能不是很有用处。

除了上述之外，在比如土壤测试、采矿、农用化学品、聚合物处理等不同技术领域中，存在已知用于水分确定的若干现有技术公开。然而，申请人所知的现有技术看起来集中于离线测试，然后进行水分含量控制，或替代性地在可以进行测量和控制的水分含量水平方面以及在测量和控制之间的时间滞后方面具有严重缺陷。本现有技术中的焦点由于所需的相对较高的精确水平而看起来集中在离线测量策略并且看起来也是工业所特有的。实际上，申请人不知道如下单个测量和控制方法学，该方法学不论是否在工业方面都能够得到普遍应用，并且该单个测量和控制方法学提供了在ppm范围下的测量水平并且提供了对水分含量的同时控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在工业过程中进行在线上水分测量和控制的方法，其中，要求高精度水平以及高能效水平。

本发明的另一目的是提供一种用于水分含量确定和控制的直接方法，由此，通过在干燥过程中使用最少能量而在所需的条件下提供来自干燥过程的材料。

本发明的其他目的包括以最大可能干燥率提供来自干燥过程的材料，并且通过使用向每个平行干燥过程提供干燥作用的单个中央装置以相同品质提供来自若干平行的干燥过程的材料。

本发明的另一目的是提供一种通用的在线上水分确定和控制方法，该通用的在线上水分确定和控制方法不仅可应用在水分必须从该过程移除的工业中而且也可应用在可能要求添加水分以确保产品流具有所需/所期望的水分含量的工业中。

尽管下面参照干燥过程对本发明进行了描述，但是必须理解的是，本发明可应用于水分控制是必不可少的任何过程并且包含水分含量必须增加以防止产品流中的过度干燥的系统。如上面所述，尽管参照作为‘水分’的水描述了本发明的一些实施方式，但是该术语也包含系统中存在的任何流体，比如溶剂等，这些流体的存在和数量在系统中起重要作用。

在一个实施方式中，本发明包括基于下述方面来直接控制干燥过程的方法：在干燥过程中通过设置在预定位置处的一个或更多个传感器对正被干燥的材料的水分含量进行实时测量，收集和整理实时获得和在动态模式中获得的信息，且将所述信息传递至控制器件，对所述信息进行实时处理，基于来自所述控制器件的输入而在所述干燥过程中调节水分含量。

在本发明的另一实施方式中，对离开干燥过程的材料的水分含量进行监测并且控制除湿器的操作参数以保持所需的水分含量。受控参数可以包括除湿的空气体积、供给至料斗的温度和湿度、供给用于干燥剂的再激活的加热空气的体积和温度以及干燥剂材料的再激活频率。

在本发明的另一实施方式中，基于对进入和/或离开干燥过程的材料的流动速率的实时测量来调整除湿器的操作参数。以这种方式，可以在预期到因产品材料的流动速率改变而引起的干燥负载改变时调整除湿器的操作。

在本发明的又一实施方式中，基于对进入干燥过程的材料的水分含量的实时测量来调整除湿器的操作参数。以这种方式，可以在预期到因进入的材料的水分含量改变而引起的干燥负载变化时调整除湿器的操作。

在本发明的另一实施方式中，材料的水分含量可以在干燥过程期间在一个或更多个中间点处进行测量，以调整干燥参数来实现最优性能。

在本发明的又一实施方式中，在以上列出的所有实施方式中所获取的实时输入数据被使用在用于除湿器和过程空气系统的全面控制算法中。

在本发明的另一实施方式中，本文中所描述的输入数据和控制算法用于控制向两个或更多个平行干燥过程提供干燥能力的除湿器。该控制可以包括对除湿器和过程空气系统的操作的全面调整以及对供给至每个干燥过程的干燥力的单独调整。该调整可以包括所提供的干燥力的体积、功率水平和温度。

上述实施方式基于对箱或料斗中的颗粒状材料的干燥，但是本领域的技术人员可以理解，相同的理念可以应用于其他材料和干燥过程。这些过程可以包括借助于辐射将能量传输至干燥产品。

在另一实施方式中，本发明的装置设置有两个传感器，第一传感器设置在干燥器的入口位置处以提供有关在材料装载到干燥器期间所测量的平均水分含量的信息，第二传感器设置在干燥器上的出口位置处，以供给关于干燥过程之后的水分含量的信息，双向阀设置成在测量值不符合所需产品的情况下允许不符合的材料返回至干燥器进行另一周期的干燥。

在本发明的另一实施方式中，由两个传感器产生的数值由控制器件所利用，以通过使用多个参数的积分计算来使该过程的动力需求最小化。

在本发明的又一实施方式中，控制过程包括对下述各项中的任一者或更多者进行控制：温度设定点、干燥时间、露点调整、空气流动速度、转子转速、氮设定点、氮过滤站、干燥剂塔开关、干燥剂再生、微波功率发生器、过滤器更换时间、甲烷气体调节以及蒸汽发生器控制。

本发明还提供了一种用于食品或饲料应用的水分确定和控制机构，其中，所述系统能够控制用于原料的投配仪器、混合器和匀浆器。

在本发明的另一实施方式中，本发明的装置和方法通过单个传感器进行实施。

在本发明的另一实施方式中，所实施的程序是模糊逻辑或模糊神经系统(NFS)，以允许将干燥器的参数对应地调整为“近乎人类”的控制逻辑。

附图说明

根据以下描述和附图，本发明的这些实施方式和优势及其他实施方式和优势将变得更加充分明显，在附图中：

图1为通过使用本发明的在示例1中讨论的实施方式中的方法和系统来使用除湿器单元控制料斗操作的示意性描述。

图2为用于示例1中讨论的料斗操作的实施方式的操作流程图。

图3为水分添加过程的示意性描述，其中，使用单个传感器能够确定和控制水分含量，如示例3中讨论的实施方式中所描述的。

图4为本发明的方法和装置在负载控制领域中应用的示意性描述，其中，水分规格由供货商提供。这在示例4中所公开的实施方式中进行讨论。

图5为水分控制过程在用于有机食品和一般燃料工业中时的示意性描述。这在示例5中进行讨论。

图6示出了使用通过使用干燥剂轮的本发明的控制方法和设备的除湿器。这主要在示例1中进行讨论。

图7和图8为本发明与对水分自由流动散装货物的测量和控制相关的示意性描述。这在示例6中进行讨论。

图9为使用在本发明的利用神经网络的方法中的水分测量和控制算法中的一者的示意性描述。

具体实施方式

本发明提供了用于直接控制干燥过程的方法。本发明还提供了下述装置：在该装置中，可以基于对其中的水分含量的实时测量根据在不同的时间/位置处的特定水分要求而在工艺流程中在这些时间/位置点处修正正被处理的产品的水分含量。

该测量方法可以包括不要求与正被干燥的材料接触的间接方法，比如对正被干燥材料的移动流的电容、辐射吸收等的测量。正被干燥的材料的水分含量可以在干燥过程的出口处、干燥过程的入口处和/或在干燥过程期间的中间位置处进行测量。

干燥限定为从正被干燥的材料除去不想要的组分(比如水分)。不想要的组分可以是水、冰、固体或液体有机溶剂或化合物的混合物。用于干燥过程的能量和驱动力可以通过下述方面提供：通过与第二流体比如空气或惰性气体直接接触，或通过将能量经由电磁辐射以从无线电和微波至红外光谱、可见光谱以及紫外光谱的任何频率间接传输至干燥产品。正被干燥的材料在形式上可以呈颗粒状，比如糖粒料、塑料粒料等，并且可以是能够作为液体进入干燥过程但在喷洒或快速干燥过程中作为固体离开的材料，或作为连续的片材料或网状物贯穿干燥过程或在带、盘等上传送通过干燥过程的固体。

当前发明的独特特征为使用材料的已测量的水分含量并且使用该数据来以直接的方式且在实时基础上控制设置成对系统的水分进行干燥或向系统添加水分的器件。例如，在干燥过程中，受控的变量可以包括诸如空气之类的第二干燥流体的流速、温度、压力以及湿度；正被干燥的材料的质量流速；和/或经由比如RF(无线电频率)、微波和红外线之类的辐射源所输入的热量。

许多工业过程要求在该过程期间从材料移除水分(水)。本公开内容基于从材料移除水(对材料进行干燥)，但是可以理解，相同的理念可以应用于从正被处理的材料移除其他化学品(比如溶剂)。

从材料移除水常常是能量密集型过程。材料中所需的最终水分含量经常需要暴露于除湿的空气以实现所需的最终水分含量。所需的空气湿度常常低于通过典型的基于制冷剂的除湿装备所能达到的空气湿度。从材料移除水分通常涉及水从液体或固体到蒸汽的相变。该相变需要大量的能量输入，对于水而言需要约1000BTU/lb。在工业场所中对材料进行干燥通常要求温度和湿度受控的环境，以在正被干燥的材料中实现所需水分含量。有时，辐射能量比如微波或RF辐射用于提供从材料蒸发出水所需的一部分能量。

通常，材料中所需的最终水分含量越低，干燥过程越能量密集。合适的示例为在塑料粒料供给至处理装备比如挤压机、注塑机等之前对其的干燥。通用塑料对于可以被吸收或可从周围环境吸收的水分而言具有一定的亲和力，并且甚至粒料中的微量的水将引起来自装备的产品中的缺陷。为防止这些缺陷，粒料在供给至处理机器之前进行干燥。当这些粒料被包含在处理装备上方的料斗中时，通常使热干燥空气通过粒料来对这些粒料进行干燥。需要极干燥的空气来保证塑料粒料干燥成足以进入处理装备。干燥空气必须远比由典型的空调装备所生产的干燥空气更加干燥，因此干燥剂式除湿器通常使用在闭路气体系统中，以产生保证粒料干燥度所需的干燥空气。干燥剂式除湿装备在其设计负载条件下具有高能量消耗，但是由于进入料斗的粒料的水分含量的变化以及处理装备的生产速率的变化，这些负载条件很少发生。目前，这些除湿单元通常以全部能量输入的方式进行连续操作或者控制成不管在进入料斗的细粒中包含的水分如何都以恒定的低湿度水平将空气传递至干燥料斗。这使除湿器的能量使用比所需更高。通过本发明，除湿器的操作通过对进入处理装备的塑料粒料的水分含量的实时非接触测量而至少部分地进行控制，并且也可以通过对进入干燥料斗且位于料斗内的一个或更多个中间点处的粒料的水分含量的实时非接触测量来至少部分地进行控制。在该类型应用中的典型预期的能量节约期望处于10％至50％或更多的范围内。

在本发明的方法应用于除湿器控制过程时，对离开干燥过程的材料的水分含量进行监测，并且对除湿器的操作参数进行控制以保持所需的水分含量。控制参数包括：供给至料斗的除湿空气的体积、温度和湿度；供给用于干燥剂的再激活的加热空气的体积和温度以及干燥剂材料的再激活频率。

除湿器的操作参数也可以基于对进入和/或离开干燥过程的材料流速的实时测量而进行调整。这使得在预期到干燥负载因产品材料的流速改变而改变时调整除湿器操作。

可以基于对进入干燥过程的材料的水分含量的实时测量调整除湿器的操作参数。以这种方式，可以在预期到干燥负载因进入材料的水分含量改变而改变时调整除湿器的操作。

材料的水分含量可以在干燥过程期间在一个或更多个点处进行测量，以调整干燥参数来实现最优性能。

在以上所列的所有实施方式中所获取的实时输入数据在用于除湿器和过程空气系统的全面控制算法中使用。

以上描述的输入数据和控制算法可以用于控制向两个或更多个平行的干燥过程提供干燥能力的除湿器。该控制包括对除湿器和过程空气系统的操作的全面调整以及对供给至每个干燥过程的干燥力的单独调整。这些调整包括所提供的干燥力的体积、功率水平和温度。

上述实施方式基于对箱或料斗中的颗粒状材料的干燥，但是本领域的技术人员应当理解，相同的理念可以应用于其他材料和干燥过程。这些过程可以包括借助于辐射将能量传递至干燥产品。

本发明的装置可以设置有一个或更多个传感器。在一个实施方式中，装置使用两个传感器。第一传感器设置在干燥器的入口位置处。入口传感器提供关于在将材料装载到干燥器中期间所测量的平均水分含量的信息。所实施的程序优选地为模糊逻辑或神经模糊系统(NFS)，以允许将干燥器的参数对应地调整为“近乎人类”的控制逻辑。

第二传感器设置在干燥器上的出口位置处。该传感器提供关于干燥过程之后的水分含量的信息。提供双向阀以在测量值不符合所需产品时允许不符合的材料返回至干燥器以进一步进行干燥。如果材料符合所需的干燥参数，那么将此产品流转送至下一生产过程流。两个传感器收集水分数据，以自动地控制干燥器的操作参数。本发明的重要特征是由两个传感器所产生的数值由控制器件利用，以将过程的动力需求最小化。这通常使用积分计算来完成。该调节过程根据干燥器技术包括：温度设定点、干燥时间、露点调整、空气流动速度、转子转速、氮气设定点、氮过滤站、干燥剂塔开关、干燥剂再生、微波功率发生器、过滤器更换时间、甲烷气体调节以及蒸汽发生器控制。

在涉及食品/饲料应用的另一示例中，系统还控制搅拌器、匀浆器、微生物和蛋白质的投配。例如，在食品应用涉及添加糖的情况下，应用干燥器调节通常涉及产品水分含量的滚筒速度以及材料流速设定。因此，出口传感器确保由调控措施所需的精确结晶和水分含量。

本发明的装置(和方法)也可以通过单个传感器实施。例如，在饲料/食品应用干燥器中，在线中水分测量计安装在干燥器的出口上并且用于调节对包含在产品中的水分敏感的产品所需的所有添加剂的精确数量。根据干燥器输出调整干燥功率。在石膏/水泥/大理石粉末制造中，传感器应用于干燥器的输出并且调整通常通过测量排出水分含量而引入的加水量。一些干燥器设置有一体地形成在干燥器自身中的搅拌站。本实施方式确保需要最少量的水。附加地，干燥器可以调整水温和设定点温度。

在模制应用/多个系统干燥器中，传感器式干燥器出口提供关于在下游分配产品的阀的在干燥过程之后的水分含量的信息。如果测量值不符合所需产品，则换向阀将允许将不符合的材料返回至干燥器以进行又一周期的干燥。这在聚酰胺的使用中是特别有用的，因为该再循环避免了对单独的第二次干燥过程的需要并且由此避免了聚合物的裂化。在干燥器上的这种应用在不存在当干燥器空气太干燥时可能会发生的任何污染的情况下确保了对产品的水分含量的质量保证。在使用除湿器系统的实施方式中，本发明依靠提供器件来连续地改变根据来自连接至一个或更多个传感器的控制器件的输入而将在整个过程流之外绕过干燥剂轮的空气量。通过干燥剂单元的过程流动的减少通常跟随干燥器系统或干燥过程中的瞬时水分负载的变化。这也同样适用于下述情形：在该情形中，正控制的过程不是干燥过程而是水分含量必须维持在预定水平的工业过程。当减少通过干燥剂轮的过程流动时，不再需要保持通过轮的再激活区的全部再生流动。在再生流动在一些限定的交互作用中对应地减少时，在再生产能量使用方面实现大幅降低。

控制功能基于通过过程区的连续变化的过程流速使用户能够连续地减少或增加再生空气流速。基于若干已知的方法使用变速驱动器的用途允许连续改变再生空气流动。类似地，该技术也可以用于还通过相关联的控制功能的轮旋转速度的连续速度变化。

在典型的过程干燥/除湿系统中，周围空气穿过冷却线圈以减小水分负载并且周围空气被冷却。旁路阻尼器调控待穿过干燥剂轮的气流以及通过旁路的其余气流。混合空气经过加热源/冷却源并且根据供应空气的需求进行调温。再生流动也在通常位于再生风机之后的阻尼器的帮助下进行控制。再生热量输入可以是电力、蒸汽、煤气燃烧器或来自可以基于单元的具体设计而提升温度的各种热源。该温度由恒温器控制。基于干燥箱中所要求的条件，混合空气经过过程热量输入以提供所需的干燥温度。回流空气通过冷却线圈进行冷却并且穿过过程区且可选地穿过转子的清洗区。正面和旁路阻尼器用于控制绕过除湿器的流动。离开清洗区的空气进行再循环并且与冷却线圈上游的回流空气混合。这使除湿器能够输送较干燥的空气。再激活入口温度由恒温器进行控制。

以上例示了一个实施方式，其中，智能除湿器系统可以用于实施本发明在干燥过程中的方法和装置。

图9为可以在本发明的方法和装置中使用的水分测量和控制算法的示意性描述，其涉及多个水分传感器器件的使用。该算法基于下述事实进行预测，即：表征产品的干燥时间和控制干燥器变量的参数取决于其水分含量的初始值以及水分在原材料中的分布并且通常是不均匀的。在干燥器中装载的材料的水分分布的测绘为用于控制干燥器阶段组分的重要参数。测量水分的传感器将数据提供至神经网络，该神经网络能够执行明显随机的数据集之间的相关性外插法。实际上，系统以所期望的现象的时间序列数据的连续性约束神经网络，使得输出和干燥器参数汇聚于某个值或汇聚于特定的构型，其中，该系统实际上是确定性机。

在该相联存储器中使用的系列表达式为Hebb规则：

DW(j，k)＝P(j)*P(k)*t

其中：

增量W(j，k)＝神经元H1与神经元H2......Hn之间的连接的权重变化

P(j)＝神经元H1的输出

P(k)＝神经元H2的输出

t＝因素或学习速度

上述算法可以通过对各种工业应用的适当修正——包括减少神经数量——而进行利用。每个神经元代表从水分传感器获得的信号，该信号又被收集，与其它所收集的数据核对整理，并且由当前水分水平与所需水分水平的比值构成最终确定，从而促使控制器件发送适当的输出信号以如可以要求的那样添加水分或者加快干燥过程。

该方法可以应用在下文描述的实施方式中的每个实施方式中。尽管以示例的方式对实施方式进行了描述，但是这些实施方式是对本发明的方法的真实描述。

示例1：工程聚合物的干燥

大多数工程聚合物，比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氨酯(PUR)等在化学链结构内具有极性基团。这些基团负责颗粒的吸湿性。为了由吸湿塑料材料生产高质量零部件，必需将已加工材料的水分含量保持在用于特定产品的上限以下。否则，残留水会在处理期间产生问题且降低结构性能和机械性能。产品的尺寸稳定性、提高的机械性能、声音和化学性能是受水分影响的一些性能。基于其本身不具有吸湿性的聚合物的化合物有时会由于吸湿添加剂而产生问题。

干燥需要很多能量。过程参数基于来自原材料的生产商的规格而设定。这些参数与原材料的水分无关。因此，这导致比所需的能量消耗更高的能量消耗并且导致剩余水分的波动。非常频繁地使用过干材料(使用较高温度和较长干燥时间)来在模制或挤压期间避免任何可能的问题。

图1示出了使用本发明的控制方法和设备的除湿器。该控制方法和设备包括微处理器中央控制器、可编程序逻辑控制器(PLC)或类似控制器。该特定控制布置的目的是将水分含量保持在从料斗出口处进行模制和/或挤压所需的规格内。出口干燥材料的水分水平值可以基于不同的塑料/树脂类型而变化。为了实现和维持料斗出口处的干燥水分水平值，将需要控制在控制回路/逻辑的基础上进行最优化的再激活热能、过程气流以及过程出口热能。

控制变量可以以任意组合的形式包括下述变量中的一个或更多个变量：

●再激活空气的热输入

●再激活风扇速度(以控制再激活气流)

●过程风扇速度(以控制过程气流)

●过程空气的热控制

●过程入口处的冷却线圈

●轮旋转速度

●干燥剂珠粒的再生/干燥剂塔开关

●氮投配

图2为描绘了通过使用本发明的装置实践本发明的方法的操作流程图。分析装载的材料以确定水分含量。然后，将该材料供给至机械接口，并且使用模糊神经控制和上文中所描述的算法测绘所收集的数据。然后，通过使用控制器件来设定干燥参数，该控制器件可以包括如图7中所描述的干燥剂除湿器机构。一旦设定了干燥参数，则干燥循环开始，然后，产品被排出至该过程，在该过程中，如果需要的话，可以执行进一步干燥并且通过使用多个传感器对进一步干燥进行监测。再次检查干燥产品的水分含量。如果含量满足所需值，则干燥过程结束，如果含量不满足所需值，则产品返回至干燥循环进行再循环。通过该过程，对水分水平进行在线测量和在线检查，从而能够在无需中断该过程或甚至无需耗时和比如等动力测量的昂贵方法的情况下进行水分的实时测量和水分的实时控制。

示例2：使用本发明的装置所控制的除湿系统

图3图示了使用本发明的控制方法和设备的除湿器。该控制方法和设备包括通常为可编程逻辑控制器(PCL)的中央控制器或类似控制器。该特定控制布置的目的是保持在用于干燥的尼龙6粒料/颗粒的料斗出口处的水分水平小于或等于100ppm。出口干燥材料的水分水平值取决于不同塑料/树脂类型并且可以变化。实现和保持料斗出口处的干燥水分水平值需要控制在控制回路/逻辑的基础上进行最优化的再激活热能、过程气流和过程出口热能。

控制变量以任意组合的形式包括如下变量中的一个或更多个变量：

●再激活空气的热输入

●再激活风扇速度(以控制再激活气流)

●过程风扇速度(以控制过程气流)

●过程空气的热控制

●过程入口处的冷却线圈

●轮旋转速度

示例3：产品尺寸控制的除湿器

在诸如玻璃微珠、大理石、阻塞物、水泥、建筑材料之类的应用中需要筛选以获得所需尺寸。这通常通过生产流中的回转筛或振动筛而实现。由于筛的质量和尺寸通过该过程的速度进行调节，因此该过程速度严格地取决于水分含量，这些材料中的水分含量使其倾向于粘在筛中。在研磨过程之后，通常材料往往被干燥或润湿以达到适合水分进而获得粉末的最佳生产速度和适当尺寸。

图3图示了包括微处理器、PLC或类似控制器的控制方法和设备。水分传感器与生产流直接作用以调节筛的速度、运输工具、提取速度、水喷雾器和/或流生产线中的其他装置。

示例4：负载控制中的水分控制

图4示例了本发明的方法和装置在由产品的最终用户根据供应商的规格应用于负载控制时的应用。可以认识到，在有机产品和人工合成产品中，输送处的湿度值是用于质量或随后处理的重要参数。通常，在现有技术中，取几克样品进行测试，来验证所输送的产品的一致性。在本发明的方法的应用中，设备用于测量水分以控制储料仓入口处的产品。系统使用与负载控制连接的水分分析器(1)并且通过测绘初始水分，所产生的数据在进入储料仓(2)之前用作在干燥器中用于初始处理的参数。

示例5：用于有机食品和染料工业的水分控制过程

通常，有机食品和包括宠物食品的一般食品需要在生产过程期间进行干燥和水分控制。该材料出于两个主要原因经历水分控制：产品腐烂如霉变和生产问题如维生素、蛋白质降解。在生产过程期间，产品需要用水或蒸汽润湿以允许适当混合了水的材料形成最终产品并且最终进行干燥以获得合适的可交付水分。本发明的方法在应用于该过程时能够控制润湿器和连续干燥参数，以实现最终产品中适量的水分含量。匀浆器的流动速度取决于产品的粘度，并且系统控制泵送至系统中的液体量。本申请包括使用连接至混合机、匀浆器、搅拌器和干燥器的用于测量水分的装置的系统。这在图5中进行了描述。水分传感器连接至混合机或匀浆器或搅拌器和干燥器。必须理解的是，本示例的实施方案可以包括使用多个传感器。实时收集的水分数据通过使用如上面所述那样的模糊神经逻辑以及PID控制进行测绘。根据最终用户的需求和所收集的数据，该数据供给至干燥器或水分添加机，比如液体泵。很显然，该实时方式能够根据从水分分析器获得的读数添加水分或移除水分。

示例6：散装货物的在线上水分测量

该示例涉及对自由流动散装货物比如粮食、食物产品、肥料、盐、米、沙子、薯片、糖甜菜碎片、石膏、木屑等的水分测量。如图7所示，散装货物在圆形管道中经过水分传感器。在图8中描绘的替代性实施方式中，水分传感器安置在与主管线平行的辅管线中，并且材料的样品经过该水分传感器。

图7和图8图示了包括微处理器、PLC或类似控制器的控制方法和设备。该水分传感器与生产流直接作用以调节筛的速度、运输工具、提取速度、水喷雾器和/或流生产线中的其他装置。

必须理解的是，本发明的装置和控制方法不限于仅图示了优选实施方式的前面的公开内容或示例。在不以任意方式脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行改变和改进。

Claims (19)

1.一种用于在工业过程中进行在线上实时动态水分确定和控制的方法，所述方法用于直接控制干燥过程，所述方法包括：

(a)通过设置在预定位置处的一个或更多个专用感测器件在一个或更多个位置处感测水分水平以获得感测的信息；

(b)收集和整理实时获得和在动态模式下获得的所述感测的信息并将所述感测的信息传递至控制器件，所述控制器件在一端处连接至水分控制机构；

(c)在所述控制器件中实时处理所述感测的信息以能够在所述工业过程中对水分含量进行实时调节；

(d)其中，基于所述控制器件中的对所述感测的信息的处理控制该实时调节。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述信息进行实时处理，并且基于来自所述控制器件的输入在所述干燥过程中调节水分含量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对离开所述干燥过程的材料的水分含量进行监测并且控制除湿器的操作参数以保持所需的水分含量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，受控制的所述参数选自由下述各项构成的组：经除湿的空气体积、供给至料斗的温度和湿度、供给用于干燥剂的再激活的加热空气的体积和温度以及干燥剂材料的再激活频率。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，基于对进入和/或离开所述干燥过程的材料的流速的实时测量来调整除湿器的操作参数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在预期到因产品材料的流速改变而引起的干燥负载改变时调节所述除湿器的操作。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，基于对进入所述干燥过程的材料的水分含量的实时测量来调整除湿器的操作参数，从而能够在预期到因进入的材料的水分含量改变而引起的干燥负载改变时调整除湿器操作。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在干燥过程期间在一个或更多个中间点处测量材料的水分含量，以调整干燥参数来实现最优性能。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所获取的实时输入信息用在用于除湿器和过程空气系统的全面控制算法中。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述输入信息和所述控制算法用于控制向两个或更多个平行的干燥过程提供干燥能力的除湿器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制包括对所述除湿器和所述过程空气系统的操作的全面调整以及对供给至每个干燥过程的干燥力的单独调整。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述调整选自所提供的干燥力的体积、功率水平和温度中的一者或更多者。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，由两个传感器产生的数值由所述控制器件利用，以通过使用多个参数的积分计算来使所述过程的动力需求最小化。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述控制过程包括对下述各项中的一者或更多者进行控制：温度设定点、干燥时间、露点调整、空气流动速度、转子转速、氮设定点、氮过滤站、干燥剂塔开关、干燥剂再生、微波能发生器、过滤器更换时间、甲烷气体调节、蒸汽发生器控制。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过程用于散装货物干燥、有机食品工业、染料工业、药品制造过程、负载控制、料斗操作中。

16.一种用于在料斗操作中进行水分测量和控制的方法，所述方法用于基于对料斗中的材料的水分含量的实时测量来直接控制干燥过程，其中，通过使用一个或更多个水分传感器在动态模式中实时分析装载材料以确定水分含量，然后将所述装载材料供给至一个或更多个机械接口，通过使用一个或更多个模糊神经控制测绘所收集的数据，然后由控制器件设定干燥参数，然后开始干燥循环，将产品排出至所述过程，并且根据与水分相关的数据实时地执行进一步干燥或结束干燥过程。

17.一种用于在工业过程中进行在线中实时水分确定和控制的装置，所述装置包括至少一个感测器件，所述至少一个感测器件设置在所述工业过程中的至少一个预定位置处，所述感测器件能够在所述工业过程中在此位置处确定水分水平，所述感测器件操作性地连接至控制器件，所述控制器件设置有预定的最优水分水平信息，并且能够与来自所述至少一个感测器件的水分水平输入相关联，所述控制器件连接至水分控制器件并且导引所述水分控制器件以根据从所述至少一个感测器件接收的所述水分水平信息来输入额外水分以确保较大程度地干燥。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述装置应用于料斗中的干燥系统，并且包括两个传感器，第一传感器设置在干燥器的入口位置处以提供有关在材料装载到所述干燥器期间所测量的平均水分含量的信息，第二传感器设置在所述干燥器的出口位置处，以提供有关在所述干燥过程之后的水分含量的信息，提供双向阀以在测量值不符合所需产品的情况下允许不符合的材料返回至所述干燥器以进行另一干燥周期。

19.根据权利要求17所述的装置，所述装置用于散装货物干燥、有机食品工业、染料工业、药品制造过程、负载控制、料斗操作中。

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