CN106017546A - 一种原位测量粮仓单元装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位测量粮仓单元装置，包括：粮仓单元装置，用于放置谷物；温度电缆，其均匀布设在粮仓单元装置内，用于探测粮仓单元装置温度；传感器组，其上温度传感器、湿度传感器和水分传感器通过缆线均匀布设在模拟舱内，用于探测谷物的温度、湿度和水分；以及数据采集单元，其连接温度电缆和传感器组，用于接收并传输温度电缆和传感器组的数据；控制单元，其连接数据采集单元，用于接收数据采集单元传输的数据并进行数据分析处理；其中，控制单元通过计算结露影响因子p来判断仓储状态并进行操作。本发明的粮仓单元装置采用多参数原位测量方法为试验和模型探索提供准确数据源，能够准确判断谷物是否方法结露并进行报警。

Description

一种原位测量粮仓单元装置

技术领域

本发明涉及谷物仓储试验装置领域。更具体地说，本发明涉及一种原位测量粮仓单元装置，具体为一种不改变粮仓单元装置内粮食环境来监测谷物仓储状态的粮仓单元装置。

背景技术

粮食作为生命体，在储藏过程中，储粮生态系统的影响因素多，而研究单一因素已无法精确描述粮堆状态的变化过程，其中结露是威胁安全储粮的重要因素。温度、湿度、微气流和粮食平衡水分是结露的重要影响因素。因此为了揭示粮食在粮仓中的变化规律，通过构建粮仓单元装置对仓内的温度、湿度及气流等多场耦合对储粮状态变化的影响，以便制定有效的调控措施、实现储粮安全。

粮食作为生命体，收获后到储藏环节则形成了储粮生态系统。该系统主要由粮堆生态子系统和环境生态子系统构成，各子系统中的因素相互交错共同影响整个系统状态，如粮堆自身的变化易受到虫霉侵害故保质保鲜储藏难度增大，环境生态子系统多区域性特点也加大了安全储粮的难度。因此粮堆生态子系统中的温度、湿度、微气流等非生物因子和微生物滋长、虫害活动等生物因子均是影响储粮生态系统安全状态的重要因素。储粮实践也表明，因粮堆结露而引起局部霉变、发热是破坏储粮安全状态的重大威胁之一。

粮食结露有以下几种类型：1、以通风道为轴心呈“V”型结露；2、沿仓墙内壁和地皮呈“U”型结露；3、在粮堆的某一层呈断面的层状结露；4、在粮堆内部某一个部位呈窝状结露；5、在粮堆的内部呈斜面结露；6、通风口或通风道的附近局部结露。温差的出现是粮堆产生结露的根本原因。而温差的出现通常有三方面的原因，一是工艺设计不合理；二是技术操作不当；三是粮质不均，松紧程度不一。在现代储量技术中，通常采用以下方法解决结露问题，一是合理设计通风系统；二是严格技术管理；三是确保粮质均匀一致，尽量做到粮堆松散程度一致。但是现有的粮仓储藏却没有有效的结露探测及报警系统，提前预估或及时探测到结露产生并及时报警。

发明内容

本发明目的是提供利用原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，根据传感器组探测的温度、湿度、水分和品质参数分布场，控制单元判断仓储状态和结露问题，并发出相应预警或警报。

本发明目的是提供一种原位测量粮仓单元装置，采集粮仓单元装置各部位的温度、湿度、水分等参数，将参数传输至控制单元，控制单元根据温度、湿度、水分等参数提前预估或探测到结露产生并及时报警。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，包括以下步骤：

步骤1、传感器组探测粮仓单元装置内的谷物的温度、湿度和水分信号，并将信号通过数据采集单元传输至控制单元；

步骤2、控制单元根据信号计算结露影响因子p：

p＝p₁×ΔT+p₂×ΔH+p₃×ΔC

其中，p₁为温控系数；p₂为湿控系数；p₃为水控系数；ΔT为累积谷物温差；ΔH为累积谷物湿度差；ΔC为累积谷物水分差；

步骤3：当0＜p≤0.25，谷物仓储状态优；

当0.25＜p≤0.45，谷物仓储状态良，加大通风量；

当0.45＜p≤0.75，谷物仓储状态中，加大通风量，发出预警；

当0.75＜p≤0.85，谷物仓储状态差，控制单元判断是否结露，发出相应的预警或结露警报；

当0.85＜p≤1，谷物仓储状态极差，控制单元判断是否结露，发出相应的预警或结露警报。

优选的是，所述步骤3中控制单元通过粮食平衡绝对湿度等温线曲线判断是否结露，当发生结露时，控制单元发出警报；当没有发生结露时，控制单元发出预警。

优选的是，所述步骤2中

累积谷物温差ΔT计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(T_{ijk}-T_{(i+1)jk})\·(T_{ijk}-T_{(i-1)jk})\·(T_{ijk}-T_{i(j+1)k})\·(T_{ijk}-T_{i(j-1)k})(T_{ijk}-T_{ij(k+1)})(T_{ijk}-T_{ij(k-1)})}{6T_{ijk}}\right|$

其中，i为温度传感器的层数，a为温度传感器的最大层数；j为温度传感器的行数，b为温度传感器的最大行数；k为温度传感器的列数，n为温度

传感器的最大列数；T_ijk为第i层j行k列的温度传感器探测的温度值。

优选的是，所述累积谷物湿度差ΔH计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}H=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(H_{ijk}-H_{(i+1)jk})\·(H_{ijk}-H_{(i-1)jk})\·(H_{ijk}-H_{i(j+1)k})\·(H_{ijk}-H_{i(j-1)k})(H_{ijk}-H_{ij(k+1)})(H_{ijk}-H_{ij(k-1)})}{6H_{ijk}}\right|$

其中，i为湿度传感器的层数，a为湿度传感器的最大层数；j为湿度传感器的行数，b为湿度传感器的最大行数；k为湿度传感器的列数，n为湿度传感器的最大列数；H_ijk为第i层j行k列的湿度传感器探测的相对湿度。

优选的是，所述累积谷物水分差ΔC计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}C=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(C_{ijk}-C_{(i+1)jk})\·(C_{ijk}-C_{(i-1)jk})\·(C_{ijk}-C_{i(j+1)k})\·(C_{ijk}-C_{i(j-1)k})(C_{ijk}-C_{ij(k+1)})(C_{ijk}-C_{ij(k-1)})}{6C_{ijk}}\right|$

其中，i为谷物水分传感器的层数，a为谷物水分传感器的最大层数；j为谷物水分传感器的行数，b为谷物水分传感器的最大行数；k为谷物水分传感器的列数，n为谷物水分传感器的最大列数；C_ijk为第i层j行k列的谷物水分传感器探测的谷物水分值。

本发明的目的还可通过一种原位测量粮仓单元装置来实现，所述粮仓单元装置包括：

仓体，用于放置谷物；

温度电缆，其均匀布设在仓体内，用于探测仓体内温度；

传感器组，其上的温度传感器、湿度传感器和水分传感器通过缆线均匀布设在仓体内，用于探测谷物的温度、湿度和水分；以及

数据采集单元，其连接温度电缆和传感器组，用于接收并传输温度电缆和传感器组的数据；

控制单元，其连接数据采集单元，用于接收数据采集单元传输的数据并进行数据分析处理；

加热机构，多点LED热源加热，所述热源分别固定在仓体相对的仓壁上；

其中，所述控制单元连接多点LED热源加热，其控制热源在相对的仓壁上产生温度差。

优选的是，还包括：

气体浓度传感器，用于探测粮仓单元装置内气体浓度；

微型X光透射仪，其安装在粮仓内，用于检测环境变化谷物产生的裂纹率和爆腰率；

JDSU MicroNⅡ0 1700微型近红外光谱仪，用于检测模拟仓内的谷物成分是否随着时间的变化而变化；

优选的是，所述仓体为矩形或房型。

优选的是，所述传感器组等行距、列距和层距布设在粮仓单元装置内；所述温度电缆上布设4-8个测温点，用于探测相应位置的温度。

本发明至少包括以下有益效果：1、本发明不用在粮仓内频繁取样，在不改变粮仓内环境的情况下对各个参数进行测量；2.本发明采用多参数原位测量方法为试验和模型探索提供准确数据源，解决目前数据采集参数少、多种传感器互相干扰、由于点位存在位移而导致的参数间解耦失败等问题。3、粮仓单元装置准确能够判断谷物是否方法结露并进行报警。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的原位粮仓单元装置、采集和控制单元连接图。

图2是本发明的原位测量粮仓单元装置的半剖图。

图3是本发明的原位粮仓单元装置中传感器组和温度电缆的排列图。

图4是本发明的粮仓单元装置内加热机构排列图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1-4示出了根据本发明的一种实现形式，原位测量模拟系统包括：粮仓单元装置100、数据采集单元200、控制单元300和恒控单元，粮仓单元装置100进行谷物仓储试验并将测试数据传输至数据采集单元200，数据采集单元200保存数据并将数据传输至控制单元300，控制单元300对数据进行分析处理并反馈相应结果，其中，粮仓单元装置100设置在恒控单元内部，恒控单元调节其内部的温度和湿度，保证粮仓单元装置100处在恒温恒湿条件下，优选的是，恒控单元选用空调调节其内部的温度和湿度，并提供恒温恒湿条件。

一种原位测量粮仓单元装置，包括加热机构110、传感器组120和温度电缆130，其中，加热机构110、传感器组120和温度电缆130设置在粮仓单元装置100内部，粮仓单元装置100仓壁的内外壁为不锈钢板，内外壁之间夹设硅酸铝板保温材料，具有良好的保温性能，粮仓单元装置的仓顶为不锈钢板，仓顶之间旋转连接，旋至打开状态用于装入谷物。用于放置谷物，保持1面升温(左面或右面，多点热源加热，恒定高于环境一个温度值，一般3-15度)、1面恒温(右面或左面，由2温环境决定)，4面绝热(上下前后面)；

加热机构100固定在粮仓单元装置100内两个相对的仓壁上，加热机构100由多个加热管组成，图4示出了加热管在仓壁上的一种排列方式，加热管的加热温度范围在10-50℃之间，其中，加热机构100采用恒温控制方式进行加热，其内部传感器探测到加热机构100的温度达到目标温度T_b，停止加热；传感器探测到温度小于T_b-2，开始加热，恒温控制方式防止过度加热，恒温效果更好。

传感器组120包括温度传感器、湿度传感器、水分传感器和气体传感器，用于探测谷物的温度、湿度、水分和气体浓度，传感器之间不会产生互相干扰、解耦失败等问题；传感器组120通过缆线固定在粮仓单元装置100内，缆线垂直地面设置，缆线上端通过横向固定架固定在粮仓单元装置100的顶部，缆线底端固定在粮仓单元装置100的仓底。其中，多根缆线相互平行并按照固定行距、列距布设成阵列，进一步的是，缆线上固定多层传感器组120，即传感器组120排列成等行距、等列距和等层距的阵列，其最大行数为a，最大列数为b，最大层数为c，a、b、c为大于2的正整数，优选为a＝6、b＝6、c＝4。传感器组120还包括微型X光透射仪，其安装在粮仓单元装置内壁上，微型X光透射仪主要用于检测粮食在温度和湿度改变的情况下，对粮食的裂纹率和爆腰率的影响。微型X光透射仪选用BJI-XZ型号的X光透视仪，主要是由机器主机发射端和接收端组成，发射端发射X光射线，穿透物体后，由接收端接收X射线，并且处理成图像，在通过电脑连接打印机直接打出；主要作用是保证谷物的品质，裂纹率和爆腰率增加会影响谷物的品质，从而影响经济价值。传感器组120还包括微型近红外光谱仪，安装在仓壁内，其型号为JDSU MicroNⅡ0 1700，其工作原理为在不同的温度下分别获取样品的近红外光谱，通过已建立好的预测模型，预测出不同温度下样品的蛋白质、淀粉含量。研究不同温度环境对样品成分的影响，最终确定最优储存环境。

温度电缆130垂直地面设置，其上端通过横向固定架固定在粮仓单元装置100的顶部，其底端固定在粮仓单元装置100的仓底。温度电缆130上设置设置多个测温点131，测温点数量优选为4-8个，用于测定粮仓单元装置100内不同部位的温度。图3示出了传感器组120和温度电缆130在粮仓单元装置100内部的一种排列方式，传感器组120和温度电缆130采集粮仓单元装置内个部位的温度、湿度、谷物水分和气体浓度等参数。

数据采集单元200连接粮仓单元装置100和控制单元300，其包括接收单元、存储单元和输出单元，接收单元连接温度电缆和传感器组，用于接收粮仓单元装置内个部位的温度、湿度、谷物水分和气体浓度等参数；存储单元将参数进行存储；输出单元将粮仓单元装置内参数传输至控制单元300。

控制单元300具有数据处理功能并能将实时显示粮仓单元装置内数据，方便实验操作人员查看粮仓单元装置内情况，优选的是，控制单元300采用Labview编程程序，其连接数据采集单元，用于接收数据采集单元传输的数据并进行数据分析处理。其中，控制单元300通过计算结露影响因子p来判断仓储状态，其计算公式为：

p＝p₁×ΔT+p₂×ΔH+p₃×ΔC (1)

其中，p₁为温控系数，无因次；p₂为湿控系数，无因次；p₃为水控系数，无因次；ΔT为累积谷物温差；ΔH为累积谷物湿度差；ΔC为累积谷物水分差。表一示出了公式(1)中系数的取值。

表一温控、湿控和水控系数汇总表

	温控系数	湿控系数	水控系数
				玉米	0.23	0.186	0.317
大米	0.312	0.098	0.298
				小米	0.226	0.18	0.278

其中，公式(1)中的累积谷物温差ΔT计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(T_{ijk}-T_{(i+1)jk})\·(T_{ijk}-T_{(i-1)jk})\·(T_{ijk}-T_{i(j+1)k})\·(T_{ijk}-T_{i(j-1)k})(T_{ijk}-T_{ij(k+1)})(T_{ijk}-T_{ij(k-1)})}{6T_{ijk}}\right|$

其中，i为温度传感器的层数，a为温度传感器的最大层数；j为温度传感器的行数，b为温度传感器的最大行数；k为温度传感器的列数，n为温度传感器的最大列数；T_ijk为第i层j行k列的温度传感器探测的温度值。

累积谷物湿度差ΔH计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}H=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(H_{ijk}-H_{(i+1)jk})\·(H_{ijk}-H_{(i-1)jk})\·(H_{ijk}-H_{i(j+1)k})\·(H_{ijk}-H_{i(j-1)k})(H_{ijk}-H_{ij(k+1)})(H_{ijk}-H_{ij(k-1)})}{6H_{ijk}}\right|$

其中，i为湿度传感器的层数，a为湿度传感器的最大层数；j为湿度传感器的行数，b为湿度传感器的最大行数；k为湿度传感器的列数，n为湿度传感器的最大列数；H_ijk为第i层j行k列的湿度传感器探测的相对湿度。

累积谷物水分差ΔC计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}C=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{(C_{ijk}-C_{(i+1)jk})\·(C_{ijk}-C_{(i-1)jk})\·(C_{ijk}-C_{i(j+1)k})\·(C_{ijk}-C_{i(j-1)k})(C_{ijk}-C_{ij(k+1)})(C_{ijk}-C_{ij(k-1)})}{6C_{ijk}}\right|$

其中，i为谷物水分传感器的层数，a为谷物水分传感器的最大层数；j为谷物水分传感器的行数，b为谷物水分传感器的最大行数；k为谷物水分传感器的列数，n为谷物水分传感器的最大列数；C_ijk为第i层j行k列的谷物水分传感器探测的谷物水分值。

当控制单元300检测到0＜p≤0.25，谷物仓储状态优；

当控制单元300检测到0.25＜p≤0.45，谷物仓储状态良，应加大通风量；

当控制单元300检测到0.45＜p≤0.75，谷物仓储状态中，进一步加大通风量，控制单元发出预警警报；

当控制单元300检测到0.75＜p≤0.85，谷物仓储状态差，控制单元判断粮仓单元装置内结露机率增大，控制单元通过粮食平衡绝对湿度等温线曲线判断是否结露，控制单元发出相应的预警或结露警报；

当控制单元300检测到0.85＜p≤1，谷物仓储状态极差，控制单元判断粮仓单元装置内结露机率进一步增大，控制单元通过粮食平衡绝对湿度等温线曲线判断是否结露，控制单元发出相应的预警或结露警报。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种利用原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、传感器组探测粮仓单元装置内的谷物的温度、湿度和水分信号，并将信号通过数据采集单元传输至控制单元；

步骤2、控制单元根据信号计算结露影响因子p：

p＝p₁×ΔT+p₂×ΔH+p₃×ΔC

其中，p₁为温控系数；p₂为湿控系数；p₃为水控系数；ΔT为累积谷物温差；ΔH为累积谷物湿度差；ΔC为累积谷物水分差；

步骤3：当0＜p≤0.25，谷物仓储状态优；

当0.25＜p≤0.45，谷物仓储状态良，加大通风量；

当0.45＜p≤0.75，谷物仓储状态中，加大通风量，发出预警；

当0.75＜p≤0.85，谷物仓储状态差，控制单元判断是否结露，发出相应的预警或结露警报；

当0.85＜p≤1，谷物仓储状态极差，控制单元判断是否结露，发出相应的预警或结露警报。

2.如权利要求1所述的利用原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，其特征在于，所述步骤3中控制单元通过粮食平衡绝对湿度等温线曲线判断是否结露，当发生结露时，控制单元发出警报；当没有发生结露时，控制单元发出预警。

3.如权利要求2所述的利用原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，其特征在于，所述步骤2中

累积谷物温差ΔT计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\Σ}}\left|\frac{(T_{ijk}-T_{(i+1)jk})\·(T_{ijk}-T_{(i-1)jk})\·(T_{ijk}-T_{i(j+1)k})\·(T_{ijk}-T_{i(j-1)k})(T_{ijk}-T_{ij(k+1)})(T_{ijk}-T_{ij(k-1)})}{6T_{ijk}}\right|$

其中，i为温度传感器的层数，a为温度传感器的最大层数；j为温度传感器的行数，b为温度传感器的最大行数；k为温度传感器的列数，n为温度

传感器的最大列数；T_ijk为第i层j行k列的温度传感器探测的温度值。

4.如权利要求3所述的原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，其特征在于，所述累积谷物湿度差ΔH计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}H=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\Σ}}\left|\frac{(H_{ijk}-H_{(i+1)jk})\·(H_{ijk}-H_{(i-1)jk})\·(H_{ijk}-H_{i(j+1)k})\·(H_{ijk}-H_{i(j-1)k})(H_{ijk}-H_{ij(k+1)})(H_{ijk}-H_{ij(k-1)})}{6H_{ijk}}\right|$

其中，i为湿度传感器的层数，a为湿度传感器的最大层数；j为湿度传感器的行数，b为湿度传感器的最大行数；k为湿度传感器的列数，n为湿度传感器的最大列数；H_ijk为第i层j行k列的湿度传感器探测的相对湿度。

5.如权利要求4所述的原位测量粮仓单元装置判断仓储状态的方法，其特征在于，所述累积谷物水分差ΔC计算公式如下：

$\mathrm{\Δ}C=\underset{i=2,j=2,k=2}{\overset{i=a-1,j=b-1,k=n-1}{\Σ}}\left|\frac{(C_{ijk}-C_{(i+1)jk})\·(C_{ijk}-C_{(i-1)jk})\·(C_{ijk}-C_{i(j+1)k})\·(C_{ijk}-C_{i(j-1)k})(C_{ijk}-C_{ij(k+1)})(C_{ijk}-C_{ij(k-1)})}{6C_{ijk}}\right|$

其中，i为谷物水分传感器的层数，a为谷物水分传感器的最大层数；j为谷物水分传感器的行数，b为谷物水分传感器的最大行数；k为谷物水分传感器的列数，n为谷物水分传感器的最大列数；C_ijk为第i层j行k列的谷物水分传感器探测的谷物水分值。

6.一种原位测量粮仓单元装置，其特征在于，使用权利要求1-5所述的判断仓储状态的方法，所述粮仓单元装置包括：

仓体，用于放置谷物；

温度电缆，其均匀布设在仓体内，用于探测仓体内温度；

传感器组，其上的温度传感器、湿度传感器和水分传感器通过缆线均匀布设在仓体内，用于探测谷物的温度、湿度和水分；

数据采集单元，其连接温度电缆和传感器组，用于接收并传输温度电缆和传感器组的数据；

控制单元，其连接数据采集单元，用于接收数据采集单元传输的数据并进行数据分析处理；

加热机构，多点LED热源加热，所述热源分别固定在仓体相对的仓壁上；

其中，所述控制单元连接加热机构，其控制热源在相对的仓壁上产生3～15度温度差。

7.如权利要求6所述的原位测量粮仓单元装置，其特征在于，还包括：

气体浓度传感器，用于探测粮仓单元装置内气体浓度；

微型X光透射仪，其安装在粮仓内，用于检测环境变化谷物产生的裂纹率和爆腰率。

8.如权利要求7所述的原位测量粮仓单元装置，其特征在于，所述仓体为矩形或房型。

9.如权利要求7或8所述的原位测量粮仓单元装置，其特征在于，所述传感器组等行距、列距和层距布设在粮仓单元装置内；所述温度电缆上布设4-8个测温点，用于探测相应位置的温度。