CN107688714B - 一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法 - Google Patents

一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法，以干燥介质温度、干燥介质相对湿度、谷物初始水分、干燥介质流速、缓苏比为试验因素，以干燥理论积温和干燥品质为试验指标，利用薄层干燥试验获得实验数据，并建立谷物干燥理论积温和品质的数学模型，针对作业区域、干燥机机型、干燥作物品种、缓苏比等固定设置干燥介质相对湿度、干燥介质流速和缓苏比，将理论积温和品质的等值线图绘制于一张图表中，图表的纵坐标为谷物初始水分，横坐标为谷物温度，并详细介绍了图表的查索方法。

Description

一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法
技术领域
本发明属于谷物干燥水分及品质控制技术领域，特别涉及一种谷物干燥 理论积温品质图形绘制查索方法。
背景技术
现有实际干燥作业，对于品质的控制依赖经验参数，不能实现科学精准 的作业指导，在某种程度上会造成能源上的浪费。由于谷物水分的获取相较 于品质来说更加简单，传统谷物干燥方法一般以水分控制为目标，对品质的 关注较少，为了保证干燥之后稻谷的质量，针对各种类型的稻谷干燥机，GB/T 21015-2007中都给出了热风温度推荐值，但是标准中对温度的限定只是依靠 经验数据，无法给出相对精准的参考数据。对于有特殊品质要求的谷物干燥 时，由于谷物品质参数的获取较为复杂，一般都会采取较低干燥温度以保证良好的干燥品质，这种方法的缺点是会造成干燥速率的大幅度下降，干燥能 耗随之上升。李彦利等发明了一种水稻种子的干燥方法(申请号： 201510271320.5)，该方法利用圆筒形谷物干燥机对稻谷种子进行干燥，整个 干燥过程都维持在26～28℃，且水稻的初始水分基本都在16.1％～17.5％，采 用较低的干燥温度虽然可以较好的保证干燥后稻谷的品质，但是也会在一定 程度上降低干燥速率。
发明内容
本发明提供的谷物干燥理论积温品质图形查索方法可以应用于实际干燥 作业，通过查索图表可以较方便的谷物适宜的干燥温度，做到在保证谷物干 燥品质的前提下，实现降水要求，有效提高谷物干燥智能化水平。
本发明提供的技术方案为：
一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法，包括以下步骤：
步骤一：建立理论积温曲线方程CT0和品质曲线方程Q；
步骤二：以待干燥谷物初始水分为纵坐标，以干燥介质温度为横坐标， 绘制包含谷物干燥理论积温曲线和谷物干燥品质曲线的理论积温品质图形；
步骤三：确定烘干作业时待干燥谷物的初始水分M0，并给出谷物干燥 的品质要求Q；在积温品质图上找到初始水分为M0的点，并通过此点画水 平线，该水平线与品质要求为Q的交点A所对应的干燥介质温度为T，在烘 干过程中要保证谷物的平均温度不应超过温度T；
步骤四：经过交点A的积温曲线所对应的积温值即是在烘干过程中需要 参考的理论积温值CT0。
优选的是，所述理论积温曲线方程为：
CT0＝R·XT
所述品质曲线方程为：
Q＝R′·XT
其中，R为理论积温模型系数矩阵，R′为品质系数矩阵,X为参数矩阵；
Figure BDA0001404490850000021
Figure BDA0001404490850000022
Figure BDA0001404490850000023
x1为干燥介质温度；x2为干燥介质相对湿度；x3为稻谷初始水分；x4为干 燥介质流速；x5为缓苏比。
优选的是，稻谷的理论积温方程为：
Figure BDA0001404490850000024
稻谷的品质曲线方程为：
Figure BDA0001404490850000025
其中，x1为干燥介质温度；x2为干燥介质相对湿度；x3为稻谷初始水分； x4为干燥介质流速；x5为缓苏比。
优选的是，所述步骤二中横坐标干燥介质温度在试验范围内按照0.5℃的 步长进行划分，将纵坐标谷物初始水分在试验范围内按照0.5％的步长进行划 分。
优选的是，所述谷物干燥理论积温曲线和谷物干燥品质曲线为等湿度曲 线，其中，湿度指标为干燥介质的相对湿度。
优选的是，所述等湿度曲线的取值步长为10％。
优选的是，所述步骤二中，干燥介质流速在实验范围内取m个数据点和 缓苏比在实验范围内取n个特征点，将任一数据点和特征点的组合带入理论 积温曲线方程和品质曲线方程，能够得到m×n幅理论积温品质图形。
优选的是，在实际应用过程中还需要对理论积温进行折算，折算公式为： CT1＝K0·CT0
其中，CT1为理论等效积温；CT0为理论积温；K0为折算系数。
本发明所述的有益效果
本发明提供的一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法，将谷物干 燥水分控制和品质控制结合在一起，实现在品质控制的前提下达到降水要求， 通过简单的手查图表便可以确定最佳的干燥温度，同样，将相关的积温模型 和品质模型内置到控制程序中，便可以实现粮食干燥过程的自动控制，有效 提高谷物干燥智能化水平，利用积温调控可以大幅度减少前期试调所耗费的 时间，提高干燥效率。
附图说明
图1为本发明所述的一种谷物干燥理论积温品质图形绘制查索方法流程 图。
图2为本发明所述的水稻理论积温品质图。
图3为本发明所述的具体应用示例的理论积温品质图。
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。
如图1所示，本发明提供了一种谷物干燥理论积温品质图形绘制方法， 具体步骤如下：
步骤一S110、选定或指定谷物品种；
步骤二S120、制定薄层干燥试验方案；
(1)因素选择，取干燥介质温度、干燥介质相对湿度、谷物初始水分、 干燥介质流速、缓苏比作为试验因素，以干燥理论积温和干燥品质 为试验指标，其中品质指标依品种而不同；
(2)水平选择，各因素水平需要根据不同的谷物特点、实际干燥作业运 行参数及相关国家标准进行选择，其中干燥介质温度与实际作业中 谷物温度对应。
(3)试验方案，运用多元二次正交旋转组合试验设计方法设计试验方案。
步骤三S130、制备所需样品；试验开始之前需要根据正交试验表中谷物 初始水分水平制备试验所需要的样品；
步骤四S140、进行薄层干燥试验(采用专利号：CN 105767163B提供的 薄层干燥试验台，可实现多参数调控，特别是能够实现湿度的准确控制)；
步骤五S150、建立理论积温曲线方程为：
CT0＝R·XT
建立品质曲线方程为：
Q＝R′·XT
其中，R为理论积温模型系数矩阵，R′为品质系数矩阵,X为参数矩阵；
Figure BDA0001404490850000041
Figure BDA0001404490850000042
Figure BDA0001404490850000043
CT0为谷物干燥理论积温值(℃·h)；Q谷物干燥品质；x1为干燥介质温度 (℃)；x2为干燥介质相对湿度(％)；x3为谷物初始水分(％，干基)；x4为 干燥介质流速(m/s)；x5为缓苏比，其中系数矩阵R和R′内参数均为常数，由 上述步骤一～步骤四内实验获得，参数值因谷物种类不同会有不同数值。
如图2所示，步骤六S160、绘制理论积温品质控制图；
(1)针对作业区域、干燥机机型、干燥作物品种、缓苏比等固定设置积 温品质表适用的相对湿度、介质流速和缓苏比；
(2)将干燥介质温度在试验范围内按照0.5℃的步长进行划分，将谷物初 始水分在试验范围内按照0.5％的步长进行划分；
(3)利用所建立的回归模型，以谷物初始水分为纵坐标，以干燥介质温 度为横坐标，画出谷物干燥理论积温和谷物干燥品质的等值线图。
步骤七S170、建立理论积温品质图查索方法；
(1)确定烘干作业时稻谷的初始水分M0；
(2)给出稻谷干燥的爆腰增率要求Q；
(3)确定干燥过程中介质的相对湿度RH以及干燥机的缓苏比，并找到 需要参考的积温和爆腰增率参考线。
(4)在积温品质图上找到初始水分为M0的点，并通过此点画水平线， 该水平线与爆腰增率为Q的交点A所对应的温度为T，在烘干过程 中要保证稻谷的平均温度不应超过此值。
(5)经过A点的积温线所对应的积温值即是在烘干过程中需要参考的 理论积温值CT0。
步骤八S180、理论等效积温的折算
本发明中涉及的试验结果为薄层干燥试验得出，在实际干燥作业中，由 于作业环境、干燥机型等会对干燥过程产生影响，故由积温品质图查找到的 理论积温值CT0需乘以一定的折算系数K0得到理论等效积温值CT1才可应用于 实际。
CT1＝k0·CT0
其中，CT1为理论等效积温；CT0为理论积温；K0为折算系数，受干燥机 型、外界环境等的影响，可在作业过程中确定。
依据干燥介质温度、湿度均可调控的薄层干燥试验系统取得试验数据， 温品质图中包含了理论积温曲线组和品质曲线组，横坐标和纵坐标分别代表 谷物温度和谷物初始水分，依典型干燥作业的介质相对湿度、介质流速和干 燥缓苏比绘制有不同的理论积温品质图，干燥介质流速在实验范围内取m个 数据点和缓苏比在实验范围内取n个特征点，将任一数据点和特征点的组合 带入理论积温曲线方程和品质曲线方程，能够得到m×n幅理论温品质图形。
比如,在实际应用中通过查表得到的理论积温值CT0＝300℃·h,根据此 值设置排粮轮转速使实际积温值达到此积温值，但此时的出机粮食水分并没 有达到降水要求，需要继续降低排粮轮转速以使降水符合要求，此时的实际 积温值为350℃·h，说明查找到的理论积温值已经失去了指导意义，为了保证 查找到的理论积温值仍具有指导意义，需要将查找到的理论积温值CT0乘以一 定的折算系数K0得到理论等效积温值CT1才可应用于实际，而在本例中的修正 系数K0＝1.17，通过大量的数据统计，便可以得到适合特定机型的修正值K0。
本发明在原位薄层干燥试验的基础上，建立谷物干燥理论积温值和谷物 干燥品质的回归模型。利用回归模型绘制同时耦合谷物干燥理论积温值(CT0) 和谷物干燥品质(Q)的积温品质图，利用积温品质图可以在保证谷物干燥品 质的前提下实现对干燥机排粮速度的控制，进而控制干燥机出机谷物水分， 再通过水分仪对出机谷物水分加以修正，便能够较好的实现干燥机谷物出机 水分和干燥品质的双目标控制。
实施以稻谷的干燥理论积温品质图形绘制过程为例做进一步说明，包括：
步骤一、将稻谷选定为试验对象；
步骤二、制定稻谷薄层干燥试验方案，选取干燥介质温度、干燥介质相 对湿度、谷物初始水分、干燥介质流速和缓苏比作为试验因素，以稻谷干燥 理论积温和稻谷爆腰增率为试验指标；因素水平表详见表1；
表1因素水平及编码表
Figure BDA0001404490850000061
其中，干燥介质温度水平选择区间由GB/T21015-2007《稻谷干燥技术规 范》中确定，国标中指出稻谷在干燥中允许受热温度为≤40℃。当稻谷干燥 温度超过45℃后，稻米内部淀粉排列杂乱，脂肪酸含量增高，稻米陈化程度 加大，导致食味下降，故干燥温度以不超过45℃为宜；
稻谷初始水分水平选取区间，由实际干燥作业中预备干燥的稻谷水分梯度 作为标准；
干燥介质相对湿度和干燥介质流速水平选取区间由前期在多台稻谷干燥 机上采集的实际区间确定。
试验方案，运用多元二次正交旋转组合试验设计方法设计试验方案。
步骤三、制备所需样品；试验开始之前需要根据正交试验表中稻谷初始 水分水平制备试验所需要的样品；
步骤四、进行薄层干燥试验(采用专利号：CN105767163B提供的薄层干 燥试验台，可实现多参数调控，特别是能够实现湿度的准确控制)；
本试验于2016年10月启动，正值东北地区稻谷收获时节，为规避不同品 种稻谷对试验结果产生的影响，故本试验采用吉林省永吉县万昌镇所产稻花 香米为试验对象；同时，为保证试验用粮的初始水分及品质，故将初始水分 相同的稻谷进行真空包装，每袋质量为1500g左右。后将其放置在环境温度 为4℃的冷藏柜中保存，以备试验时取用。进行试验前，用105℃烘箱法测得 本组试验原粮水分。设定上位机中设定各因素值后启动试验台，待工控机上 显示各项因素值达到所需数值并趋于平稳后，用物料盘称装1000g稻谷原粮，放入薄层干燥试验台内，此时试验开始。自试验开始起，每15min风机暂停， 自动称重装置启动，待称重数据上传至上位机后风机重新启动。上位机程序 嵌入称重法测粮食水分方程，得出实时稻谷水分，待水分降低至14％左右， 每隔15min打开仓门取稻谷样品70g，共取样三次，每份样品分别用105℃烘 箱法测定三组数据取平均值，选取绝干得到数据与13.5％最为接近的一份样 品放入密封袋，后放入干燥器保存，待爆腰率增值测试等品质试验使用。至 此本组试验完毕。
步骤五、建立理论积温方程和品质曲线方程；
稻谷的理论积温方程为：
Figure BDA0001404490850000071
稻谷的品质曲线方程即爆腰增率模型为：
Figure BDA0001404490850000072
其中，x1为干燥介质温度(℃)；x2为干燥介质相对湿度(％)；x3为稻谷 初始水分(％，湿基)；x4为干燥介质流速(m/s)；x5为缓苏比。
步骤六、绘制试理论温品质控制图；
针对稻谷干燥作业区域、干燥机机型、缓苏比等固定设置积温品质表适 用的相对湿度、介质流速和缓苏比；
干燥介质温度在试验范围内按照0.5℃的步长进行划分，将稻谷初始水 分在试验范围内按照0.5％的步长进行划分；利用所建立的回归模型，以稻谷 初始水分为纵坐标，以干燥介质温度为横坐标，画出稻谷干燥理论积温和稻 谷爆腰增率的等值线图。
步骤七、建立理论积温品质图查索方法；
(1)确定烘干作业时稻谷的初始水分M0；
(2)给出稻谷干燥的爆腰增率要求Q；
(3)确定干燥过程中介质的相对湿度RH以及干燥机的缓苏比，并找到需 要参考的积温和爆腰增率参考线。
(4)在积温品质图上找到初始水分为M0的点，并通过此点画水平线，该 水平线与爆腰增率为Q的交点A所对应的温度为T，在烘干过程中要 保证稻谷的平均温度不应超过此值。
(5)经过A点的积温线所对应的积温值即是在烘干过程中需要参考的理 论积温值CT0。
步骤八、理论等效积温的折算
本发明中涉及的试验结果为薄层干燥试验得出，在实际干燥作业中，由 于作业环境、干燥机型等会对干燥过程产生影响，故由积温品质图查找到的 理论积温值CT0需乘以一定的折算系数K0得到理论等效积温值CT1才可应用于 实际。
CT1＝k0·CT0
其中，CT1为理论等效积温；CT0为理论积温；K0为折算系数，受干燥机 型、外界环境等的影响，可在作业过程中确定。
如图3所示，为了便于使用人员将该方法运用于实际，下面以具体的使 用实例来说明积温品质图的应用方法。假设实际干燥稻谷作业时原粮水分为23.9％时，干燥机内部介质相对湿度测量结果为55％，品质要求爆腰增率在 3％以内，干燥机的缓苏比为3，那么缓苏比为3且相对湿度为55％的干燥积 温等值线和干燥爆腰增率等值线是我们需要参考的两组曲线，沿着原粮水分 为23.9％的点作水平线，该水平线与爆腰增率为3％的等值线的交点为A点， A点所对应的的温度为33.7℃，在干燥过程中必须保证稻谷平均温度应在33.7℃下进行，经过A点的积温线所对应的理论积温值为250℃·h，假设理论 积温折算系数K0＝1.2，那么理论等效积温值CT1＝300℃·h，利用该理论等效积 温值调节排粮轮转速使干燥过程积温值达到300℃·h，此时降水便可基本满足 要求，再利用水分仪对水分加以修正，便实现了水分和品质的双目标控制， 详见图3。
本发明在原位薄层干燥试验的基础上，建立谷物干燥理论积温值和谷物 干燥品质的回归模型。利用回归模型绘制同时耦合谷物干燥理论积温值(CT0) 和谷物干燥品质(Q)的积温品质图，利用积温品质图可以在保证谷物干燥品 质的前提下实现对干燥机排粮速度的控制，进而控制干燥机出机谷物水分， 再通过水分仪对出机谷物水分加以修正，便能够较好的实现干燥机谷物出机 水分和干燥品质的双目标控制。
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 (8)

1.一种谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：建立理论积温曲线方程CT0和品质曲线方程Q；
步骤二：以待干燥谷物初始水分为纵坐标，以干燥介质温度为横坐标，绘制包含谷物干燥理论积温曲线和谷物干燥品质曲线的等效积温品质图形；
步骤三：确定烘干作业时待干燥谷物的初始水分M0，并在所述等效积温品质图形中的标记初始水分点，并通过所述初始水分点画水平线，所述水平线与所述谷物干燥品质曲线的交点A，得到所述等效积温品质图形中A点对应的横坐标，即干燥介质温度为T，在烘干过程中要保证谷物的平均温度不应超过温度T；
步骤四：经过交点A的积温曲线所对应的积温值即是在烘干过程中需要参考的理论积温值CT0。
2.根据权利要求1所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，所述理论积温曲线方程为：
CT0＝R·XT；
所述品质曲线方程为：
Q＝R′·XT；
其中，R为理论积温模型系数矩阵；
Figure FDA0002365781890000011
X为参数矩阵，
Figure FDA0002365781890000012
R′为品质系数矩阵；
Figure FDA0002365781890000013
x1为干燥介质温度；x2为干燥介质相对湿度；x3为稻谷初始水分；x4为干燥介质流速；x5为缓苏比，a0、
Figure FDA0002365781890000014
a12、a13...a45、
Figure FDA0002365781890000015
为矩阵R内参数，均为常数，b0、
Figure FDA0002365781890000016
b12、b13...b45、
Figure FDA0002365781890000017
为品质系数矩阵内参数，均为常数。
3.根据权利要求2所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，
稻谷的理论积温方程为：
Figure FDA0002365781890000021
稻谷的品质曲线方程为：
Figure FDA0002365781890000022
其中，x1为干燥介质温度；x2为干燥介质相对湿度；x3为稻谷初始水分；x4为干燥介质流速；x5为缓苏比。
4.根据权利要求1或2所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，所述步骤二中横坐标干燥介质温度在试验范围内按照0.5℃的步长进行划分，将纵坐标谷物初始水分在试验范围内按照0.5％的步长进行划分。
5.根据权利要求4所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，所述谷物干燥理论积温曲线和谷物干燥品质曲线为等湿度曲线，其中，湿度指标为干燥介质的相对湿度。
6.根据权利要求5所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，所述等湿度曲线的取值步长为10％。
7.根据权利要求5所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，所述步骤二中，干燥介质流速在实验范围内取m个数据点和缓苏比在实验范围内取n个特征点，将任一数据点和特征点的组合带入理论积温曲线方程和品质曲线方程，能够得到m×n幅效积温品质图形。
8.根据权利要求1所述的谷物干燥积温品质图形绘制查索方法，其特征在于，在实际应用过程中还需要对理论等效积温进行折算，折算公式为：
CT1＝K0·CT0；
其中，CT1为理论等效积温；CT0为理论积温；K0为折算系数。
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