Разработка прибора контроля

влажности зерновой продукции

на основе многоэлектродных

емкостных преобразователей


Автор:Афонин Вячеслав Сергеевич

Источник:Разработка прибора контроля влажности зерновой продукции на основе многоэлектродных емкостных преобразователей: диссертация кандидата технических наук: 05.11.13 / Афонин Вячеслав Сергеевич; [Место защиты: Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова].- Барнаул, 2007.- 134 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5324

Введение. В технологическом процессе переработки зерна в муку одним из основных факторов, влияющим на качественные и количественные показатели, является влажность зерна перед помолом. Изменение влажности зерна на 0,1% от оптимального значения уменьшает выход муки высшего сорта на 0,8%, первого - 0,5%, второго 1%, что приводит к потере дохода: например, мельница производительностью 100 т/сутки терпит убыток в 1 400 000 руб. в год. Поэтому владельцы мельниц заинтересованы в оптимизации процесса переработки зерна с помощью современной техники. Для подготовки зерна к помолу проводится гидротермическая обработка зерна (ГТО), где необходимо измерить влажность зерновой массы и добавить рассчитанное количество воды для получения определенной влажности зерна. По этой причине идет непрерывное развитие технических средств контроля влажности зерна в технологической линии мельниц. Таким образом, создание поточного прибора контроля влажности зерновой продукции является актуальной задачей.

На рынке поточных влагомеров преобладают изделия западных стран, такие как Германия, Acvatron АУРА(Швейцария) и другие. Однако, многие подобные приборы имеют существенный недостаток - снижение точности контроля за счет повышения систематической составляющей погрешности, которое происходит из-за высокой засоряемости датчика вследствие размещения электродов непосредственно в зерновом потоке. Для устранения систематической составляющей погрешности контроля периодически останавливают технологический процесс и производят чистку датчика влажности.

Для создания высокоточного прибора контроля влажности крайне важным является вопрос выбора датчика, его принципов действия, конструкции.

Существует множество методов и средств измерения влажности сыпучего вещества: оптических, СВЧ, кондуктометрических, методов ядерного магнитного резонанса и других. Электроемкостной метод привлекает к себе внимание относительной простотой реализуемости, малыми габаритами, низкой стоимостью в сочетании с высокими метрологическими характеристиками, широкими возможностями совершенствования. Однако данный метод имеет ряд недостатков, связанных с влиянием на результат измерения факторов, таких как тангенс угла потерь, плотность, температура и др[22]. Таким образом, при реализации метода возникает задача устранения или сведения к минимуму погрешностей, связанных с влиянием указанных факторов. Задача может быть решена за счет применения многоэлектродных емкостных первичных преобразователей (ЕПП), у которых электроды крепятся на стенки трубы самотека и не препятствуют зерновому потоку.

Цель работы - разработка поточного прибора контроля влажности зерновой продукции на основе многоэлектродных емкостных преобразователей, обеспечивающих устранение систематической погрешности, вызываемой засоряемостью датчика.

Основные задачи исследования

  1. Формирование набора требований к прибору контроля влажности зерновой продукции, работающего в технологической линии переработки зерна.
  2. Исследование основных характеристик емкостных первичных преобразователей, основанных на 2-х, 3-х и 4-х электродных системах, и их пригодности для измерения влажности сыпучих продуктов.
  3. Разработка метода измерения влажности зерновой массы, функционально связанной с проводимостью ЕПП, содержащего контролируемое вещество.
  4. Определение функциональной зависимости характеристик емкостного преобразователя, содержащего контролируемое вещество, от влажности этого вещества.
  5. Разработка методов калибровки прибора контроля влажности зерновой продукции в технологической линии переработки зерна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Предложена конструкция емкостного преобразователя, обладающая метрологическими преимуществами по сравнению с существующими аналогами.
  2. Предложен новый метод уравновешивания двухплечевого моста, основанный на учете сдвига фаз между опорным и измерительным сигналами с помощью управляемого фазовращателя.
  3. Предложена и аналитически исследована модель, основанная на электрической схеме замещения, учитывающая электрическую связь контролируемого вещества с общей точкой измерительной цепи.

Методика исследований. При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые могли способствовать решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились путем построения модели, основанной на электрической схеме замещения, допускающей аналитическое и численное решение. На всех этапах работы производилось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

Практическая ценность. Емкостные приборы контроля, построенные на базе многоэлектродных емкостных первичных преобразователей и разработанного метода измерения проводимости датчика, основанного на учете сдвига фаз между опорным и измерительным сигналами, позволяют проводить контроль влажности зерновой продукции в технологической линии переработки зерна с погрешностью 0,5 % по абсолютной величина в диапазоне 10 - 20% влажности. Разработанный емкостной преобразователь подвержен засорению в меньшей степени, так как не имеет электродов, размещенных внутри зернового потока. Предложенные приборы контроля влажности могут быть использованы не только для зерновой продукции, но и в случае предварительной настройки и калибровки, для аналогичных сыпучих веществ, таких как песок, грунт и др.

Реализация научно-технических результатов. В результате проведенных исследований были разработаны и введены в эксплуатацию несколько приборов контроля влажности зерновой продукции, работающие в лабораторных условиях и в технологическом процессе на зерноперерабатывающих предприятиях г.Бийска и г. Барнаула.

Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 112 наименований.

В первой главе приведен обзор технологического процесса переработки зерна в муку. Обосновано применение технических средств измерения влажности зерновой массы в процессе ГТО. Описаны лабораторные средства измерения влажности зерна, показаны недостатки метода ГОСТ и методов разрушающих зерно.

Приведены и подробно разобраны методы и средства измерения влажности твердого вещества, показаны достоинства и недостатки. Описана ситуация на рынке поточных влагомеров.

В результате анализа существующих методов и средств измерения влажности был сделан выбор в пользу электроемкостного метода вследствие относительной простоты реализации, низкой стоимости в сочетании с высокими метрологическими характеристиками, широкими возможностями совершенствования.

Исходя из результатов анализа, полученных в первой главе, были сформулированы требования к разрабатываемому прибору контроля влажности зерновой продукции.

Во второй главе исследовалась зависимость составляющих комплексного тока от геометрического расположения исследуемого вещества в измерительной ячейке. Показано преимущество измерения реактивной составляющей комплексного тока вследствие меньшей зависимости на него геометрического расположения контролируемого вещества в емкостном преобразователе. Разработана и аналитически исследована модель, основанная на электрической схеме замещения. Показано, что разработанная модель устраняет влияние электрической связи контролируемого вещества с общей точкой измерительной цепи.

В третей главе разработана функциональная схеме влагомера, учитывающая влияние активных потерь в емкостном преобразователе с контролируемым веществом. Схема основана на трансформаторном измерительном мосте, обладающим возможностями измерения сверхмалых емкостей (до 10" 17 Ф). Преимуществом трансформаторных измерительных мостов является низкая чувствительная к сетевым помехам.

Разработаны конструкции 3-х и 4-х электродных емкостных преобразователей. Проведено сравнение метрологических характеристик различных конструкций емкостных преобразователей, показано преимущество 4-х электродного варианта. Разработана принципиальная электрическая схема прибоpa контроля влажности. Исследовался вопрос учета и компенсации активного сопротивления ЕПП.

Четвертая глава посвящена разработанному прибору контроля влажности зерновой продукции «Поток». Приведены основные характеристики прибора и функциональные возможности. Описаны методы настройки прибора, калибровки в статическом режиме и в технологическом процессе. Проведены сравнительные испытания разработанного прибора с аналогами и методом определения влажности ГОСТ.