CN106596422B - 检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法 - Google Patents

检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法，该系统包括箱体、电热风干燥系统、多光谱检测系统和主控计算机；本发明以多光谱可视化检测技术作为精加工脱水系统的反馈方法，干燥与检测一体化的控制方法革命了传统的加工与检测分离的模式，避免了重加工的步骤，大大简化了生产流程。系统在多光谱可视化检测水分含量分布的基础上，采用分级电热风干燥不同水分含量区域，有利于提高干燥均匀度，提高了批量干燥时所用产品的共同达标率。系统通过检测反馈形成一个闭环控制系统，实时调整干燥系统的参数，有节能、省时、高效的优点。系统采用电热风干燥，干燥过程环保、无污染。

Description

检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法
技术领域
本发明涉及检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法，特别涉及在精加工中应用多光谱可视化技术检测水分含量及其均匀度并进行分级电热风干燥的一种均匀干燥系统和方法。
背景技术
干制水产品因为具有丰富的营养价值而广受消费者青睐，其口味、质地、形态以及贮藏性等与其水分含量息息相关。随着对干制水产品风味以及营养卫生的要求不断提高，需要越来越精确地干燥水产品使其水分含量调控于标准范围。据国家质量监督检验检疫总局(2005)第75号《定量包装商品计量监督管理办法》的理化指标要求，干制水产品的水分含量需要调控于一定的范围，比如烤鱼片17％-22％，鱿鱼丝22％-30％。
在生产干制水产品的过程中，往往在粗加工中的烘烤或蒸煮等初次干燥后，进行精加工中的二次干燥冷却等步骤调控水分含量。目前精加工中的干燥调控温度、时间等参数都是凭人工经验来判断，由于是批量加工生产，一些产品初始水分含量不同造成加工后产品的水分含量难以很大限度地处于同一水平，增加了不合格率。检测步骤也是在干燥结束后进行称重衡量，这种干燥与检测分离的流程，对于水分含量不合格产品就需要再加工，使整个加工流程过于繁琐。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种检测与脱水一体化的闭环干燥系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种检测与脱水一体化的闭环干燥系统，该系统包括箱体、电热风干燥系统、多光谱检测系统和主控计算机；
所述箱体由不透光箱壁组成，箱体上设置上出风口和下进风口；
所述电热风干燥系统置于箱体内，包括从上至下设置的网状圆形托盘、电热层和吹风平台；所述电热层设有若干竖向挡风隔板，竖向挡风隔板将网状圆形托盘和吹风平台之间的空间分为若干独立的通风空间；所述电热层包含电加热元件和温度传感器；所述吹风平台包含若干可独立调节风力的吹风机，每一吹风机对应一独立的通风空间；
所述多光谱检测系统包括光源、滤光片轮、镜头、成像探测单元；所述光源、镜头、滤光片轮置于箱体内部上方，所述成像探测单元与主控计算机连接；所述滤光片轮包含能透过所需特征波长的光谱波段的多个滤光片；
所述多光谱检测系统采集所有待精加工产品的整体光谱图像信息，经过主控计算机处理得到产品的水分含量分布图像，根据水分含量的高低划分成若干个区域，转动网状圆形托盘使不同水分含量的区域对应不同的吹风机，并根据各个区域的水分含量设定各个吹风机风力，再根据产品的整体水分含量设定电热层的温度进行干燥，多光谱检测系统在干燥过程中每隔一段时间检测一次网状圆形托盘上的产品水分含量，并根据结果不断重新划分区域，重新转动网状圆形托盘及调节吹风机的风力以达到均匀干燥的效果，最后使绝大部分产品达到目标水分含量范围。
所述系统进行闭环干燥的方法包括正向控制步骤和反馈调控步骤，其中正向控制步骤包含如下子步骤：
(1)初始化检测：通过多光谱检测系统对放入托盘中的待加工产品的水分含量及分布进行多光谱可视化检测；
(2)改变托盘位置：根据待加工产品的水分含量分布的可视化检测结果，将托盘划分为若干个区域，区域数量与吹风机数量一致，转动托盘，使划分区域对应每个吹风机干燥区域；
(3)设置各个吹风机风力：根据每个吹风机对应的托盘区域的水分含量设置每个吹风机的风力；
(4)设置电热层温度：在不超过温度上限的调节范围内，根据待加工产品的整体水分含量，设置电热层温度。
反馈调控步骤包含如下子步骤：
(1)间隔性检测：每隔一段时间对加工产品的水分含量及分布进行一次多光谱可视化检测；
(2)预侧判断：根据检测结果与上一次检测的整体水分含量的差值，预测下一次检测时的整体水分含量，若预测结果显示下一次检测的整体水分含量接近目标范围上限，关闭电热层，缩短之后检测间隔的时间；
(3)调整干燥参数：根据加工产品的水分含量分布的检测结果，调整托盘位置，调整各吹风机风力，保持电热层温度恒定。
进一步地，所述正向控制的步骤(4)中所述的温度上限为能保持被检对象的正常光学特性的最大温度，由温度传感器控制。
进一步地，所述反馈调控的步骤(2)中所述的预测判断方法中，由于在干燥后期相同时间间隔的水分含量变化越来越小，所以用上一个间隔的水分含量变化值作为下一个间隔的变化预测值能保留有裕量，可以防止过度干燥；具体为：本次加工目标水分含量范围上限为H，在第k次检测得到的整体水分含量值为T(k)时，预测第k+1次检测的水分含量T’(k+1)＝T(k)‐[T(k‐1)‐T(k)]，当预测值T’(k+1)接近H时,关闭电热层，并将每次检测时间间隔缩短。
进一步地，所述正向控制的步骤(1)与反馈调控的步骤(1)中的检测方法为多光谱可视化检测，该方法需要的前期准备如下：光谱图像获取、光谱图像处理、特征数据提取、数学模型建立。
进一步地，所述光谱图像获取方法是面扫描法，所建立的数学模型为多元线性回归模型。
本发明的有益效果在于：
1.本发明以多光谱可视化检测技术作为精加工脱水系统的反馈方法，干燥与检测一体化的控制方法革命了传统的加工与检测分离的模式，避免了重加工的步骤，大大简化了生产流程。
2.系统在多光谱可视化检测水分含量分布的基础上，采用分级电热风干燥不同水分含量区域，有利于提高干燥均匀度，提高了批量干燥时所用产品的共同达标率。
3.系统通过检测反馈形成一个闭环控制系统，实时调整干燥系统的参数，有节能、省时、高效的优点。
4.系统采用电热风干燥，干燥过程环保、无污染。
5.利用系统内的温度传感器调控温度，能避免温度对检测造成的影响，以及避免干燥温度过高对产品造成的热损伤。
6.系统以多光谱可视化技术来建立水分含量的检测模型，使水分含量检测具有快速、精度高的特点。
7.系统的控制方法中具有可靠的预测机制，能保障产品的水分含量不会超出目标范围下限，造成过度干燥。
附图说明
图1是检测与干燥一体化的闭环系统的装置示意图；
图2是检测与干燥一体化的闭环系统的控制方法步骤框图；
图3是利用本发明系统检测水分含量及划分等级区域示意图；
图1中，主控计算机1、箱壁2、上出风口3、下进风口4、吹风平台5、竖向挡风隔板6、电热层7、温度传感器8、网状圆形托盘9、光源10、滤光片轮11、镜头12、成像探测单元13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的检测与脱水一体化的闭环干燥系统，该系统包括箱体、电热风干燥系统、多光谱检测系统和主控计算机1；
所述箱体由不透光箱壁2组成，箱体上设置上出风口3和下进风口4；
所述电热风干燥系统置于箱体内，包括从上至下设置的网状圆形托盘9、电热层7和吹风平台5；所述电热层7设有若干竖向挡风隔板6，竖向挡风隔板6将网状圆形托盘9和吹风平台5之间的空间分为若干独立的通风空间；所述电热层7包含电加热元件和温度传感器8；所述吹风平台5包含若干可独立调节风力的吹风机，每一吹风机对应一独立的通风空间；
所述多光谱检测系统包括光源10、滤光片轮11、镜头12、成像探测单元13；所述光源10、镜头12、滤光片轮11置于箱体内部上方，所述成像探测单元13与主控计算机1连接；所述滤光片轮11包含能透过所需特征波长的光谱波段的多个滤光片；
所述多光谱检测系统采集所有待精加工产品的整体光谱图像信息，经过主控计算机1处理得到产品的水分含量分布图像，根据水分含量的高低划分成若干个区域，转动网状圆形托盘9使不同水分含量的区域对应不同的吹风机，并根据各个区域的水分含量设定各个吹风机风力，再根据产品的整体水分含量设定电热层7的温度进行干燥，多光谱检测系统在干燥过程中每隔一段时间检测一次网状圆形托盘9上的产品水分含量，并根据结果不断重新划分区域，重新转动网状圆形托盘9及调节吹风机的风力以达到均匀干燥的效果，最后使绝大部分产品达到目标水分含量范围。
以下实施例，将利用本发明提供的系统和方法进行精加工以获得水分含量为16％-18％的干贝，在以下实施例的系统中，吹风平台5含有4个相互独立工作的吹风机；
在开始干燥流程前，进行多光谱可视化检测模型建立的前期准备，从待加工产品中选取一定数量的样品以干燥称重法获得平均水分含量(以矩阵Y表示)，并且通过多光谱检测系统获得其在385nm、420nm、443nm、598nm和982nm波长下的光谱数据(以矩阵X表示)，用X、Y矩阵进行偏最小二乘回归建模，通过公式进行主成分分解，其中T为光谱数据矩阵X的得分矩阵，U为水分含量矩阵Y的得分矩阵，P、Q分别为X和Y的载荷矩阵，E1、E2分别为X和Y的残差矩阵；接着建立T和U的多元线性回归模型U＝TB+Ed，B为回归系数，Ed为误差矩阵；根据B＝(T'T)-1T'U求得回归系数矩阵B，得到水分含量检测模型y＝x(U'X)'BQ，x为产品某像素点的光谱数据矩阵，y为其对应的水分含量预测值；据此可通过每个像素点在5个特征波长下的光谱数据求得该像素点的水分含量，因此可以获得整个样品图像的水分含量分布。
建模完成后，开始利用本发明提供的系统和方法进行干燥和检测流程。打开箱门，将待加工的干贝产品批量放在网状载物托盘上，关闭箱门，利用多光谱可视化检测技术进行产品水分含量分布的初始检测。首先转动滤光片轮，获取产品的在385nm、420nm、443nm、598nm和982nm波长下的光谱图像，对图像进行校正处理，并获得各个像素点的光谱数据，根据公式y＝x(U'X)'BQ计算得到各个像素点的水分含量，干贝所有像素点的水分含量构成了整体的水分含量分布图像。
如图3所示，深灰点表示水分，颜色越深表明水分含量越高；根据水分含量划分成4个扇形区域，每个区域的水分含量分别为：高、中高、中低、低(分别以1-4个等级表示)。划分区域后，转动网状圆形托盘，使这4个扇形区域对应吹风平台的不同吹风机。位置调整好后，根据每个吹风机对应的托盘区域的水分含量设置每个吹风机的风力；在不超过温度上限的调节范围内，根据待加工产品的整体水分含量，设置电热层温度。
至此完成了一次对产品干燥的正向流程设置，接着进行定时的反馈调控。
每隔30秒对加工产品的水分含量及分布进行一次多光谱可视化检测，检测方法和步骤与初始检测相同。每次检测完成后，根据最新的干贝的水分含量分布的可视化检测结果，重新划分为整体水分含量分别为高、中高、中低和低的4个扇形区域，转动托盘，使划分区域对应每个吹风机干燥区域，根据每个吹风机对应的托盘区域的水分含量设置每个吹风机的风力。保持电热层温度恒定，继续进行干燥。以此反复进行间隔性可视化检测，不断重新划分水分含量高低区域并调整位置以及干燥风力，可以达到均匀干燥的效果。
当检测到的整体水分含量小于50％后，开始预测判断。根据检测结果与上一次检测的整体水分含量的差值，预测下一次检测时的整体水分含量，即在第k次检测得到的整体水分含量值为T(k)时，预测第k+1次检测的水分含量为T’(k+1)＝T(k)-[T(k-1)-T(k)]。当预测结果T’(k+1)≤23％，关闭电热层，将以后每次的检测时间间隔缩短为10秒。这样可以利用水分含量变化曲线逐渐平缓的特点，让预测值有一定的裕量，及时缩短检测时间防止过度干燥。
当检测到每个区域的整体水分含量Y都达到16％-18％的目标范围后，关闭吹风平台，完成干燥。打开箱门取出加工完成的干贝。

Claims (6)

1.一种检测与脱水一体化的闭环干燥系统，其特征在于：该系统包括箱体、电热风干燥系统、多光谱检测系统和主控计算机(1)；
所述箱体由不透光箱壁(2)组成，箱体上设置上出风口(3)和下进风口(4)；
所述电热风干燥系统置于箱体内，包括从上至下设置的网状圆形托盘(9)、电热层(7)和吹风平台(5)；所述电热层(7)设有若干竖向挡风隔板(6)，竖向挡风隔板(6)将网状圆形托盘(9)和吹风平台(5)之间的空间分为若干独立的通风空间；所述电热层(7)包含电加热元件和温度传感器(8)；所述吹风平台(5)包含若干可独立调节风力的吹风机，每一吹风机对应一独立的通风空间；
所述多光谱检测系统包括光源(10)、滤光片轮(11)、镜头(12)、成像探测单元(13)；所述光源(10)、镜头(12)、滤光片轮(11)置于箱体内部上方，所述成像探测单元(13)与主控计算机(1)连接；所述滤光片轮(11)包含能透过所需特征波长的光谱波段的多个滤光片；
所述多光谱检测系统采集所有待精加工产品的整体光谱图像信息，经过主控计算机(1)处理得到产品的水分含量分布图像，根据水分含量的高低划分成若干个区域，转动网状圆形托盘(9)使不同水分含量的区域对应不同的吹风机，并根据各个区域的水分含量设定各个吹风机风力，再根据产品的整体水分含量设定电热层(7)的温度进行干燥，多光谱检测系统在干燥过程中每隔一段时间检测一次网状圆形托盘(9)上的产品水分含量，并根据结果不断重新划分区域，重新转动网状圆形托盘(9)及调节吹风机的风力以达到均匀干燥的效果，最后使绝大部分产品达到目标水分含量范围。
2.一种利用权利要求1所述系统进行闭环干燥的方法，其特征在于：该方法包括正向控制步骤和反馈调控步骤，其中正向控制步骤包含如下子步骤：
(1)初始化检测：通过多光谱检测系统对放入托盘中的待加工产品的水分含量及分布进行多光谱可视化检测；
(2)改变托盘位置：根据待加工产品的水分含量分布的可视化检测结果，将托盘划分为若干个区域，区域数量与吹风机数量一致，转动托盘，使划分区域对应每个吹风机干燥区域；
(3)设置各个吹风机风力：根据每个吹风机对应的托盘区域的水分含量设置每个吹风机的风力；
(4)设置电热层温度：在不超过温度上限的调节范围内，根据待加工产品的整体水分含量，设置电热层温度；
反馈调控步骤包含如下子步骤：
(1)间隔性检测：每隔一段时间对加工产品的水分含量及分布进行一次多光谱可视化检测；
(2)预测判断：根据检测结果与上一次检测的整体水分含量的差值，预测下一次检测时的整体水分含量，若预测结果显示下一次检测的整体水分含量接近目标范围上限，关闭电热层，缩短之后检测间隔的时间；
(3)调整干燥参数：根据加工产品的水分含量分布的检测结果，调整托盘位置，调整各吹风机风力，保持电热层温度恒定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述正向控制的步骤(4)中所述的温度上限为能保持被检对象的正常光学特性的最大温度，由温度传感器控制。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述反馈调控的步骤(2)中所述的预测判断方法中，由于在干燥后期相同时间间隔的水分含量变化越来越小，所以用上一个间隔的水分含量变化值作为下一个间隔的变化预测值能保留有裕量，可以防止过度干燥；具体为：本次加工目标水分含量范围上限为H，在第k次检测得到的整体水分含量值为T(k)时，预测第k+1次检测的水分含量T’(k+1)＝T(k)-[T(k-1)-T(k)]，当预测值T’(k+1)接近H时,关闭电热层，并将每次检测时间间隔缩短。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述正向控制的步骤(1)与反馈调控的步骤(1)中的检测方法为多光谱可视化检测，该方法需要的前期准备如下：光谱图像获取、光谱图像处理、特征数据提取、数学模型建立。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述光谱图像获取方法是面扫描法，所建立的数学模型为多元线性回归模型。
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