CN107505224B - 射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统 - Google Patents

射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统 Download PDF

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    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance

Abstract

本发明属于射频干燥技术领域，尤其涉及一种射频‑热风联合干燥设备在线称重控制系统。为实现射频‑热风联合干燥过程射频输出功率与风速自适应控制，本发明提供一种射频‑热风联合干燥设备在线称重控制系统，该系统由执行装置、在线称重装置和称重控制装置3部分组成，本发明结构简单，使用方便，可以实时获得物料的质量，并且根据质量变化获得物料的干燥速率，进而通过称重控制装置控制执行装置，自动调整极板间距或风速，实现物料内部水分扩散与外部对流传质的匹配，可大大提高物料的干燥速率。此外，本发明避免了人工间歇称重时物料取放及射频设备启闭过程中受外界环境条件对物料及干燥腔状态参数的影响，提高了控制精度。

Description

射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统
技术领域
本发明属于射频干燥技术领域，尤其涉及一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统。
背景技术
射频是一种频率为3kHz～300MHz的电磁波，能穿透到物料内部，引起物料内部极性分子与带电离子的振荡迁移，相互摩擦，进而将电能转化为热能。由于直接产生于被干燥物料内部的热能促使物料水分蒸发，使得物料快速、均匀、保质干燥成为可能。因此，在物料干燥领域有很好的应用前景。然而在实际应用中，由于金属材料吸收或反射射频能量，一般称重设备不能直接放在干燥装置的两极板之间，物料需要在射频停止加热后取出来称重，进而计算相关参数，调节设备参数，操作极为不便。与此同时，在物料取放及射频设备启闭过程中，外界环境条件难免对物料及干燥腔的状态参数(比如温度、相对湿度等)产生影响，无法实现干燥过程的精准控制。目前某些关于射频、微波干燥在线称重系统虽可实时检测物料的质量变化，但称重对象是整个干燥设备，相比干燥设备，物料的质量所占比重很小，因此会造成获得的物料质量误差较大，测量精度不高。还有一些称重系统采用悬挂式称重，对于射频-热风联合干燥装备，采取悬挂式称重系统会受到上极板运动及风速的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种射频-热风联合干燥装备在线称重控制系统，包括：在线称重装置、称重控制装置和执行装置；
所述在线称重装置包括称重托盘4、4个支撑柱5、4个称重传感器7、放大器8和显示仪表9，该装置用于检测物料的当前质量，进行信号的处理以及与称重控制装置的数据传递；
所述称重控制装置包括计算机10、步进电机驱动器11、步进电机12以及连接、传动机构，该装置用于处理测得的物料质量数据，并计算干燥速率，以调整极板间距；
所述执行装置包括加热腔体1、4个丝杠2、上极板3、下极板6，该装置用于接受控制参数和执行控制命令，自动调整极板间距或风速以实现物料在线干燥与称重；
所述丝杠2的一端通过连接机构与上极板3相连，另一端通过传动机构与步进电机12相连；步进电机12通过步进电机驱动器11与计算机控制系统连接，称重托盘4下端设有4个支撑柱5向上延伸到上下两极板间，用于支撑称重托盘4，每个支撑柱5分别与对应的4个称重传感器7相连，4个称重传感器7分别以4个支撑柱5为固定点，安装于射频-热风联合干燥装置的下极板6下方，每个称重传感器7的引出线与放大器8相连，放大器8与显示仪表9连接，再通过RS485线与称重控制装置相连接。
所述执行装置还包括离心风机和变频器，所述离心风机与变频器和计算机控制系统依次连接，用于调节极板风速。
所述称重托盘4由聚四氟乙烯材料制成，其横截面为长方形，在称重托盘4的四个角开有四个相同的孔洞，四个支撑柱5分别与称重托盘4的四个孔间隙配合连接。
所述支撑柱5由聚四氟乙烯材料制成，其横截面为圆形，一端有螺纹，设有螺纹的一端与称重传感器7相连接，另一端与称重料盘4相连接。
所述放大器8的输入端为四根传感器线，输出端为一根信号线，输出端通过信号线与显示仪表9相连，显示仪表9接收放大器8的信号，通过RS485与称重控制装置通讯。
所述上极板3的横截面为长方形，由铝合金材料制成。
一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将已知初始质量和初始含水率的物料放在称重托盘4上，打开射频-热风联合干燥装备，显示仪表9将参数通过RS485线传递给计算机10的智能称重模块，根据已知物料初始质量、初始含水率和当前质量计算出当前物料的含水率，其中，
Figure BDA0001376555570000031
Figure BDA0001376555570000032
G＝W0-W0×M0
式中，DR为干燥速率，g/(g·min)；Mt为干基含水率，Mt1为t1时刻的干基含水率，Mt2为t2时刻的干基含水率，g/g；Wt为在任意时刻t物料总的质量，g；G为物料中干物质的质量，g；W0为初始物料总的质量，g；M0为初始湿基含水率，％；
步骤二：计算干燥速率，根据物料当前所处的干燥阶段，判断是否需要调节极板间距或风速，设当前干燥速率下极板间距为d0，当前干燥阶段下所需极板间距为d，则极板间距差值为△d＝|d-d0|，根据极板间距差值△d计算出步进电机的调节量，设当前干燥速率下风速为v0，当前干燥阶段所需风速为v，则风速差值为△v＝|v-v0|，根据风速差值△v计算变频器调节量，进而调节离心风机转速；
步骤三：步进电机驱动器接收称重智能模块发出的数据，以驱动步进电机，步进电机通过传动机构使丝杠开始运动，丝杠的运动带动上极板上下运动，到达所需的极板间距，变频器接收称重智能模块发出的数据，调节风机的频率，完成风速的调节。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种射频-热风联合干燥装备在线称重控制系统，结构简单，使用方便，通过自动调整极板间距或风速，可实时检测射频场中的物料质量，避免了人工间歇称重导致的劳动强度大，以及间歇称重时物料取放及射频设备启闭过程外界环境条件对物料及干燥腔状态参数(比如温度、相对湿度等)的影响，提高了试验的稳定性。此外，在干燥过程中，根据物料所处干燥阶段，实现极板间距或风速的自适应控制，从而达到物料内部水分扩散与边界层对流传质速率的匹配，极板间距和风速的自适应调整有助于提高干燥速率和能量利用效率，进而提高射频-热风联合干燥过程物料的干燥速率、能量利用效率以及过程控制精度，干燥后物料的生理生化品质得到改善，相比于常规的热风干燥方式，干燥产品品质更佳。
附图说明
附图1为射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统的结构示意图；
附图2为称重托盘主视结构示意图；
附图3为称重托盘俯视结构示意图；
附图4为支撑柱主视结构示意图；
附图标记：1-加热腔体、2-丝杠、3-上极板、4-称重托盘、5-支撑柱、6-下极板、7-称重传感器、8-放大器、9-显示仪表、10-计算机、11-步进电机驱动器、12-步进电机；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统的结构示意图，如图1所示，该系统主要由在线称重装置、称重控制装置和执行装置3部分组成，所述在线称重装置，用于检测物料的当前质量，进行信号的处理以及与称重控制装置的数据传递。本装置由称重托盘4、支撑柱5、称重传感器7、放大器8、显示仪表9及一些信号线组成。所述称重控制装置，由计算机10、步进电机驱动器11、步进电机12以及连接、传动机构组成，用于处理测得的物料质量数据，并计算干燥速率，结合电脑数据库存贮的物料干燥速率历史数据，确定物料所处干燥阶段，调整极板间距或风速。所述执行装置包括加热腔体1、4个丝杠2、上极板3、下极板6、离心风机、变频器，用于接受控制参数和执行控制命令，自动调整极板间距以实现物料在线干燥与称重。所述丝杠2的一端通过连接机构与上极板3相连，另一端通过传动机构与步进电机12相连；步进电机12通过步进电机驱动器11与计算机控制系统连接，称重托盘4下端设有4个穿过下极板的支撑柱5，延伸到上下两极板间，用于支撑称重托盘4，下端带有外螺纹的4个支撑柱5分别与对应的4个带有螺孔的称重传感器7连接在一起，所述称重传感器7分别以4个支撑柱5为固定点，安装于射频-热风联合干燥装置的下极板6下方，每个称重传感器7的引出线与放大器8相连，放大器8与显示仪表9连接，再通过RS485线与称重控制装置相连接。其中，称重托盘4由聚四氟乙烯材料制成，如图2和图3所示，其横截面为长方形，在称重托盘4的四个角开有四个相同的孔洞，四个支撑柱5分别与称重托盘4的四个孔间隙配合连接。所述支撑柱5由聚四氟乙烯材料制成，如图4所示，其横截面为圆形，一端有螺纹，设有螺纹的一端与称重传感器7相连接，另一端与称重料盘4相连接。所述上极板3的横截面为长方形，由铝合金材料制成。所述放大器8的输入端为四根传感器线，输出端为一根信号线，输出端通过信号线与显示仪表9相连，显示仪表9接收放大器8的信号，通过RS485与称重控制装置通讯。
本发明的工作方法包括如下步骤：
步骤一：操作人员将已知初始质量和初始含水率的物料放在称重托盘4上，打开射频-热风联合干燥装备，显示仪表9会显示出物料的质量，显示仪表9将参数通过RS485线传递给计算机10内的智能称重模块，根据已知物料初始质量、初始含水率和当前质量计算出当前物料的含水率。在此过程中，由于称重托盘4和支撑柱5是非金属材料，射频加热时不会出现打火、击穿等现象，物料的放入使称重传感器7的电阻应变片发生变化，电阻的变化经放大器8会转变为电流变化信号，当显示仪表9接收电流变化，经转化显示出物料的质量，显示仪表9的参数通过RS485线传递给计算机10内的智能称重模块。
其中，
Figure BDA0001376555570000051
Figure BDA0001376555570000061
G＝W0-W0×M0
式中，DR为干燥速率，g/(g·min)；Mt为干基含水率，Mt1为t1时刻的干基含水率，Mt2为t2时刻的干基含水率，g/g；Wt为在任意时刻t物料总的质量，g；G为物料中干物质的质量，g；W0为初始物料总的质量，g；M0为初始湿基含水率，％。
步骤二：计算干燥速率，根据物料当前所处的干燥阶段，判断是否需要调节极板间距或风速。设当前干燥速率下极板间距为d0，当前干燥阶段下所需极板间距为d，则△d＝|d-d0|，根据△d可计算出步进电机11调节量，设当前干燥速率下风速为v0，当前干燥阶段所需风速为v，则△v＝|v-v0|，根据△v可计算变频器调节量，进而调节离心风机转速。
步骤三：步进电机驱动器11接收称重智能模块发出的数据，驱动步进电机12，步进电机12通过传动机构使丝杠2开始运动，丝杠2的运动可以带动极板3上下运动，到达所需的极板间距。变频器接收称重智能模块发出的数据，调节风机的频率，完成风速的调节。
本发明通过极板间距或风速的自动调整，可保证射频与热风干燥，即物料内部水分扩散与外部对流传质驱动的最佳匹配，如恒速干燥段，在射频的作用下，物料内部充足的水分迁移至表面，此时物料内部扩散的驱动力大于外部对流传质，可通过提高风速或增加极板间距(即降低射频输出功率)实现物料外部对流传质与内部水分扩散的匹配；而降速干燥阶段，物料外部对流传质的驱动力大于内部水分扩散，可通过减小极板间距(即增加射频输出功率)或降低风速实现物料的内部水分扩散与外部对流传质的匹配。
实施例1
下面以对玉米种子进行射频-热风联合干燥为例对本发明进行详细说明，此实施例仅是本发明的优选实施方式，而并非对本发明的限制。具体步骤如下所述：首先，将质量为2kg，初始含水率为30％的玉米种子放在称重料盘4上，并在计算机控制系统中输入玉米种子的初始质量和初始含水率；其次，在射频设备控制面板上设定初始极板间距为160mm，初始风速1m/s，开启射频设备，在计算机控制系统10中的智能称重模块程序中可设定10s读取一次物料的质量，经过干燥一段时间后，系统可计算出该时间段内的玉米种子干燥速率是否变化，当干燥装置处于恒速干燥阶段时，玉米种子内部充足的水分迁移至表面，此时玉米种子内部水分扩散的驱动力大于外部对流传质，智能称重模块发出指令增大变频器的频率，使离心风机转速增大，风速可达到1.5m/s；当干燥装置处于降速干燥阶段时，玉米种子外部对流传质的驱动力大于内部水分扩散，减小极板间距至145mm，降低风速至1m/s，实现玉米种子的内部水分扩散与外部对流传质的匹配，最终玉米种子干燥5.5h便可达到安全水分(13％)，相比其它干燥方式本发明可显著提高干燥速率及能量利用效率，干燥后玉米种子的裂纹率在15％左右，品质也有很大改善。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，包括：在线称重装置、称重控制装置和执行装置；
所述在线称重装置包括称重托盘(4)、4个支撑柱(5)、4个称重传感器(7)、放大器(8)和显示仪表(9)，该装置用于检测物料的当前质量，进行信号的处理以及与称重控制装置的数据传递；
所述称重控制装置包括计算机(10)、步进电机驱动器(11)、步进电机(12)以及连接机构、传动机构，该装置用于处理测得的物料质量数据，并计算干燥速率，以调整极板间距；
所述执行装置包括加热腔体(1)、4个丝杠(2)、上极板(3)、下极板(6)，该装置用于接受控制参数和执行控制命令，自动调整极板间距或风速以实现物料在线干燥与称重；
所述丝杠(2)的一端通过连接机构与上极板(3)相连，另一端通过传动机构与步进电机(12)相连；步进电机(12)通过步进电机驱动器(11)与计算机控制系统连接，称重托盘(4)下端设有4个支撑柱(5)向上延伸到上下两极板间，用于支撑称重托盘(4)，在称重托盘(4)的四个角开有四个相同的孔洞，四个支撑柱(5)分别与称重托盘(4)的四个孔间隙配合连接；支撑柱(5)的横截面为圆形，一端有螺纹，设有螺纹的一端与称重传感器(7)相连接，另一端与称重托盘 (4)相连接；每个支撑柱(5)分别与对应的4个称重传感器(7)相连，4个称重传感器(7)分别以4个支撑柱(5)为固定点，安装于下极板(6)下方，每个称重传感器(7)的引出线与放大器(8)相连，放大器(8)与显示仪表(9)连接，再通过RS485线与称重控制装置相连接；称重托盘(4)的横截面为长方形，上极板(3)的横截面为长方形；在干燥过程中，根据物料所处干燥阶段，实现极板间距或风速的自适应控制，实时检测射频场中的物料质量，经过干燥一段时间后，系统计算出该时间段内的玉米种子干燥速率是否变化。
2.根据权利要求1所述的一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，所述执行装置还包括离心风机和变频器，所述离心风机与变频器和计算机控制系统依次连接，用于调节极板间的风速。
3.根据权利要求1所述的一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，所述称重托盘(4)由聚四氟乙烯材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，所述支撑柱(5)由聚四氟乙烯材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，所述放大器(8)的输入端为四根传感器线，输出端为一根信号线，输出端通过信号线与显示仪表(9)相连，显示仪表(9)接收放大器(8)的信号，通过RS485与称重控制装置通讯。
6.根据权利要求1所述的一种射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统，其特征在于，所述上极板(3)由铝合金材料制成。
7.一种基于权利要求2所述的射频-热风联合干燥设备在线称重控制系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将已知初始质量和初始含水率的物料放在称重托盘(4)上，打开射频-热风联合干燥装备，显示仪表(9)将参数通过RS485线传递给计算机(10)的智能称重模块，根据已知物料初始质量、初始含水率和当前质量计算出当前物料的含水率，其中，
Figure FDA0002331671030000031
Figure FDA0002331671030000032
G＝W0-W0×M0
式中，DR为干燥速率，g/(g·min)；Mt为干基含水率，Mt1为t1时刻的干基含水率，Mt2为t2时刻的干基含水率，g/g；Wt为在任意时刻t物料总的质量，g；G为物料中干物质的质量，g；W0为初始物料总的质量，g；M0为初始湿基含水率，％；
步骤二：计算干燥速率，根据物料当前所处的干燥阶段，判断是否需要调节极板间距或风速，设当前干燥速率下极板间距为d0，当前干燥阶段下所需极板间距为d，则极板间距差值为Δd＝|d-d0|，根据极板间距差值Δd计算出步进电机的调节量，设当前干燥速率下风速为v0，当前干燥阶段所需风速为v，则风速差值为Δv＝|v-v0|，根据风速差值Δv计算变频器调节量，进而调节离心风机转速；
步骤三：步进电机驱动器接收称重智能模块发出的数据，以驱动步进电机，步进电机通过传动机构使丝杠开始运动，丝杠的运动带动上极板上下运动，到达所需的极板间距，变频器接收称重智能模块发出的数据，调节风机的频率，完成风速的调节。
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红枣的射频热风联合干制技术研究;张丽;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20101115(第11期);第22-40页 *

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