Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Для обеспечения населения качественными продуктами питания, необходимо обеспечить надлежащие условия хранения сельскохозяйственной продукции. Этих условий можно достичь с помощью совершенствования систем управления технологическими процессами, касающихся повышения качества продукции, увеличения сроков хранения и уменьшения потерь. В современных условиях необходимы универсальные устройства для контроля влажности различных сельскохозяйственных материалов без дополнительной перестройки с большой точностью измерения.

Измерение влажности зерна нужно проводить на разных стадиях его обработки, поскольку влажность является важнейшим показателем качества зерна. Вода влияет на жизнедеятельность всех живых организмов, прежде всего самого зерна и микроорганизмов, которые могут находиться на его поверхности. Значение влажности характеризует и отражает количество питательных веществ в зерне, а также его готовность к хранению и дальнейшей обработки. Влажное зерно содержит меньшее количество питательных веществ, а при длительном хранении может меняться и портиться. Наличие влаги активизирует физические и физиологические процессы, негативно влияет на хранение и переработку.

1. Актуальность темы

Тема актуальна будет еще долгое время так как население планеты занимается заготовкой зерна. Для того что бы получить больше сырья оно должно соответствовать нормам. Из чего можем сделать вывод, что предприятиям нужны поточные влагомеры зерна. А так как в данной теме магистерской диссертации мы улучшаем, упрощаем и делаем экономичнее прибор, предполагаю, что данный вопрос будет весьма актуален в решении предпринимателей о улучшении качества производства и сырья.

2. Обзор и выбор методов для разработки прибора

Методы измерения влажности принято делить на две группы:
– методы массопереносные, основанные на предварительном переносе влаги во вспомогательную среду;
– методы, основанные на измерении одного или нескольких свойств влажного материала без предварительного разделения воды и исследуемого образца (немассопереносные). В методах второй группы измеряется величина, функционально связанная с влажностью материала. Данные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной [1].

Массопереносные методы Наиболее распространенным методом является метод высушивания (термогидравлический), заключающийся в воздушно–тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой; это равновесие условно считается равнозначным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса; чаще всего применяют так называемые ускоренные методы сушки. В первом методе сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого образца дают одинаковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130 градусах в течение 40 минут).

Определению влажности твердых материалов высушиванием присущи следующие методические погрешности:
– при высушивании органических материалов наряду с потерями гигроскопической влаги происходит потеря летучих; одновременно при сушке в воздухе имеет место поглощение кислорода вследствие окисления вещества, а иногда и термическое разложение пробы;
– прекращение сушки соответствует не полному удалению влаги, а равновесию между давлением водяных паров в материале и давлением водяных паров в воздухе;
– удаление связанной влаги в коллоидных материалах невозможно без разрушения коллоидальной частицы и не достигается при высушивании;
– в некоторых веществах в ходе сушки образуется водонепроницаемая корка, препятствующая дальнейшему удалению влаги.

Некоторые из указанных погрешностей можно уменьшить сушкой в вакууме при пониженной температуре или в потоке инертного газа. Однако для вакуумной сушки требуется более громоздкая и сложная аппаратура, чем для воздушно–тепловой.

При наиболее распространенном методе сушке (в сушильных шкафах) имеются погрешности, зависящие от применяемой аппаратуры и техники высушивания. Так, например, результаты определения влажности зависят от длительности сушки, от температуры и атмосферного давления, при которых протекала сушка. Температура имеет особенно большое значение при использовании ускоренных методов, когда понижение температуры сильно влияет на количество удаленной влаги. На результаты высушивания влияют также форма и размеры бюкс и сушильного шкафа, распределение температуры в сушильном шкафу, скорость движения воздуха в нем, возможность уноса пыли или мелких частиц образца и т. д. Для материалов, подвергающихся перед определением влажности измельчению, большое значение имеет убыль влаги в образце в процессе измельчения. Эта убыль особенно велика, если при размоле имеет место нагрев образца.

В итоге высушивание представляет собой чисто эмпирический метод, которым определяется не истинная величина влажности, а некая условная величина, более или менее близкая к ней. Определения влажности, выполненные в неодинаковых условиях, дают плохо сопоставимые результаты. Значительно более точные результаты дает вакуумная сушка, выполняемая обычно в камере при давлении 25 мм рт. ст. и ниже до постоянного веса.

В дистилляционных методах образец подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой. Выделяющиеся пары воды вместе с парами жидкости подвергаются отгонке и, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем или масса воды. Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки и источники погрешностей, в том числе и систематических.

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца водопоглощающей жидкостью и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания – плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т. д.

Основой химических методов является обработка образца реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Так для зерна можно использовать титрирование К. Фишера. В основу метода положена известная в аналитической химии реакция:

формула

Метод отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью, применим в широком диапазоне влагосодержания (может использоваться в качестве образцового). Обычно конец титрирования определяют визуально или электрометрическим способом.

Определение влажности массопереносными методами длится от многих часов (высушивание до постоянного веса) до 1 ч (ускоренные методы сушки) или в лучшем случае до десятков минут, что препятствует их применению в качестве экспресс-методов.

Немассопереносные методы в этих методах оценка влажности производится по изменению различных его свойств.

Механические методы основаны на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик твердых материалов (сопротивление раздавливанию зерна). Этим методам, отличающимся своей простотой, свойственна низкая точность.

Из немассопереносных методов важнейшими и получившими наибольшее распространение являются те физические методы, которые представлены на рисунке 1.1.

<

Рисунок 1 – Схема классификации физических методов измерения влажности

Методы, основанные на измерении неэлектрических свойств материалов

Радиометрические методы, развитые в последние десятилетия, базируются в основном на современных способах исследования состава, структуры и свойств вещества, использующих взаимодействие различных видов электромагнитных колебаний и ядерных излучений с исследуемым веществом. Общими достоинствами рассматриваемой группы методов является неконтактный способ измерения и отсутствие нарушения различных полей (температурных, влажностных, механических деформаций и так далее) в объекте измерения. В то же время для их применения необходима сложная аппаратура.

В основе метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) лежит резонансное поглощение радиочастотной энергии ядрами атомов водорода (протонами) воды при помещении влажного материала в постоянное магнитное поле. Основными недостатками метода ЯМР по сравнению с другими методами измерения влажности остаются сложность и громоздкость применяемой аппаратуры и ее более высокая стоимость.

Оптические методы основаны на зависимости оптических свойств материалов от их влагосодержания. Для твердых материалов используется инфракрасная и видимая области спектра. Достоинством данных методов является простота конструкции. В то же время они не применимы при высоких влагосодержаниях, а изменение гранулометрического состава и наличие примесей, отличающихся своими оптическими характеристиками, могут вызвать большие погрешности.

Теплофизические методы основаны на зависимости от влажности материала его теплофизических свойств – коэффициента теплопроводности λ, удельной теплоемкости с и коэффициента температуропроводности а = λ/сρ (ρ – плотность материала). Эта зависимость наблюдается у всех капиллярно пористых материалов. К недостаткам теплофизического метода следует отнести сильное влияние плотности материала, его гранулометрического контакта; наличие поверхностной влаги в зоне контакта может вызвать большие погрешности. Следовательно, от данного метода нельзя ожидать высокой точности.

Ультразвуковые методы основаны на зависимости характеристик ультразвуковых колебаний от свойств и состава среды, в которой распространяется ультразвук. В них обычно используется зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний от влажности исследуемого материала. Недостатком данных методов является низкая точность [2].

Электрические методы измерения влажности

Основой электрических методов измерения влажности является зависимость от влажности параметров, характеризующих поведение влажных материалов в электрических полях.

Кондуктометрические методы основаны на измерении электрической проводимости материала на постоянном токе и переменном токе промышленной или звуковой частоты.

Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками с удельным объемным сопротивлением ρv=1010–1015 и выше, в результате увлажнения становятся полупроводниками; величина ρv понижается до 10–2–10–3 ом*см. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12–18 порядков.

При измерениях в области дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн приходится рассматривать системы с распределенными параметрами.

Рассмотрим методы измерения влажности на сверхвысоких частотах. Данные методы классифицируют на:
– методы, основанные на измерении характеристик поля стоячих волн;
– методы, основанные на измерении характеристик поля волн, прошедших через влажный материал (оптические методы) [3].

К первой группе методов относятся: а) метод, основанный на измерении поля стоячей волны в образце исследуемого диэлектрика. Основывается на вычислении диэлектрической проницаемости влажного материала, которая является функцией влагосодержания, по результатам измерения величины фазовой части постоянной распространения. Практически измерения сводятся к определению длин волн в системе без диэлектрика и с диэлектриком, по которым определяется:

где λ0 и λд – соответственно длина волны в свободном пространстве и влажном материале.

Элементами, в которых регистрируется распределение поля (или датчиками в случае измерения влажности) могут являться: однo- и двухпроводная линии, коаксиальная линия или волноводы. Недостатками являются необходимость использования образцов большого объема и снижение точности измерений в случае образцов с большими потерями (большой влажности);

б) метод, основанный на изучении поля стоячих волн, возникающих при отражении электромагнитной энергии от образца исследуемого материала. Сущность метода состоит в определении постоянной распространения в образце измеряемого материала путем изучения картины распределения стоячей волны на участке линии, не заполненной диэлектриком (при известных нагрузках, включенных за образцом в конце линии). Возможны различные варианты расположения образца в измерительном элементе и оконечной нагрузки: полное заполнение сечения, применение образцов разной толщины, создание режима короткого замыкания и холостого хода, вариация толщины образца (тонкий и бесконечный слой) и др. Во всех случаях процесс измерения диэлектрической проницаемости материала сводится к измерению коэффициента стоячей волны и смещения первого минимума [4].

Расчетные формулы получаются достаточно сложными, получается неоднозначность в определении диэлектрической проницаемости, и, как правило, приходиться решать систему трансцендентных уравнений;

в) метод, основанный на использовании волн, отраженных от поверхности измеряемого образца. В этом случае для определения диэлектрической проницаемости используют параметры волны, возникшей в результате взаимодействия падающей и отраженной волн;

г) резонансный метод основан на измерении параметров резонатора при внесении в него исследуемого материала. Измеряя частоты резонатора, определяют диэлектрическую проницаемость, а измеряя ее добротность, определяют коэффициент потерь.

В диэлькометрическом (емкостном) методе чаще всего используется средневолновой и коротковолновой диапазоны частот или сверхвысокие частоты. В первом случае геометрические размеры датчика и других элементов измерительных цепей значительно меньше длины волны и их можно рассматривать как системы с сосредоточенными параметрами.

В данном методе используют средневолновый и коротковолновый диапазон частот (f = 0,1 – 30 МГц).

В этих условиях геометрические размеры датчиков значительно меньше длины волны и их можно рассматривать как системы с сосредоточенными параметрами.

Использование данного метода связанно с аномально высокой диэлектрической проницаемостью воды; в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц при комнатной температуре ее можно считать близкой к 81, при значении диэлектрической проницаемости капиллярно–пористых материалов не более 5 – 10.

Поэтому электрические параметры капиллярно–пористых материалов сильно зависят от их влажности, то есть емкость ЕПП есть функция влажности. Однако, емкостной метод измерения влажности может быть, применен лишь только в том случае, если большая часть молекул воды в веществе находится в свободном состоянии и вещество имеет более или менее постоянный физико–химический состав.

В качестве ЕПП чаще всего используют датчики на основе плоско–параллельного и коаксиального конденсаторов.

При внесении контролируемого вещества в ЕПП, его электрическая емкость увеличится на величину средней диэлектрической проницаемости материала между электродами датчика. Изменение емкости повлечет за собой изменение реактивного сопротивления датчика, и как следствие увеличения тока, протекающего через ЕПП влагомера, регистрируемого измерительной схемой. Зависимость емкости ЕПП от влажности материала находят экспериментальным путем [5].

Диэлектрическая проницаемость материалов ε в переменных электромагнитных полях, используемых в технологическом контроле, является комплексной величиной:

в которой действительный компонент ε' определяет способность материала поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент ε"(коэффициент потерь) характеризует поглощение энергии веществом при поляризации. Компоненты комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) ε', ε" связаны с тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ и электропроводностью σ материала соотношениями:

где ω – круговая частота электромагнитного поля,ε0 = 8,854 10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Для измерения компонентов ε', ε" используются обычно двухполюсные емкостные датчики с внутренним электромагнитным полем (измерительные ячейки) или с внешним полем (зонды). Значения ε', ε" определяются по составляющим входного импеданса датчика, связанным функциональными зависимостями с ε', ε" [6].

Влияние на точность измерения оказывают следующие факторы: изменение плотности исследуемого материала, изменение температуры и проводимости вещества, изменения химического состава. Все перечисленные факторы вносят погрешность в измерительный процесс. Для того чтобы эти погрешности свести к минимуму, принимаются специальные меры. Например, вводится автоматически или учитывается поправка на изменение температуры и проводимости. Принимаются меры к обеспечению постоянства плотности измеряемого вещества в датчике.

Достоинствами метода являются простота и не высокая стоимость измерительной схемы и первичного преобразователя, что позволяет определять влажность материала без нарушения его структуры и без отбора проб; метод может быть использован в поточном режиме; высокая скорость измерения.

Недостатки: невысокая точность измерения, влияние различных факторов (температура, плотность и др.) на результат измерения.

В разрабатываемом устройстве будет применен емкостной метод – измерение влажности по изменению емкости конденсатора.

Данный способ измерения влажности выбран потому, что его характерной особенностью является чувствительность измерений, возможность поточной оценки влажности в больших объемах (большая информационная емкость метода). Последнее является важным достоинством, так как в реальных производственных условиях всегда наблюдается неравномерное распределение влаги в объеме.

3.Прототип

Поточный влагомер Фауна–П предназначен для измерения влажности в потоке зерновых и масличных культур и продуктов их переработки в процессе сушки в сушилках шахтного, карусельного и других типов, на оборудовании предприятий пищевой промышленности.

Влагомер выпускается в модификациях: "Фауна-П" – для работы с одним датчиком (см. рис. 2), Фауна-ПМД2 – с двумя датчиками,Фауна-ПМД3 – с тремя датчиками, Фауна-ПМД4 – с четырьмя датчиками. Влагомер имеет унифицированный выход 0 – 1,0 В, что позволяет использовать его в системах регулирования и управления технологическими процессами [7].

Рисунок 2 – Поточный влагомер Фауна–П

Поточный влагомер работает в непрерывном режиме с автоматической коррекцией измерений в зависимости от температуры и других воздействующих факторов.

Технические характеристики прибора Фауна–П представлены в таблице 1.

Таблица.1 – Технические характеристики прибора Фауна–П

Строение и принцип действия

Влагомер реализует диэлькометрический (емкостной) метод измерения влажности и представляет собой микропроцессорный прибор, обеспечивающий вывод на дисплей значений влажности, температуры и названий контролируемых зерновых или масличных культур, выход аналогового сигнала, пропорционального значению влажности, для построения систем автоматического регулирования процесса сушки, введение ручной коррекции результатов измерений влажности для компенсации влияния внешних воздействующих факторов, выбор контролируемых культур. Конструктивно влагомер выполнен из двух частей – датчика и блока индикаторного, соединенных кабелем.

Датчик представляет собой две параллельные металлические полосы и образующие конденсатор. Изменение электрической емкости конденсатора функционально связано с изменениями величины влажности контролируемой культуры. Измерительный блок, установленный между параллельными металлическими полосами, преобразует значения емкости конденсатора в сигнал измерительной информации, который по соединительному кабелю передается в индикаторный блок.

Индикаторный блок содержит микропроцессор и элементы измерительного преобразователя. На передней панели находится дисплей, кнопка выбора контролируемых культур Выбор и две кнопки Коррекция + и – для ввода коррекции показаний влажности. На правой стенке блока находится тумблер электропитания. На нижней стенке – разъемы соединительного кабеля и сигнального кабеля, ввод шнура питания и держатель предохранителя. Конструктивно влагомер Фауна–П состоит из датчика и блока индикаторного, соединенных кабелем длиной 10 м, но по заявке заказчика длина кабеля может быть увеличена до 50 м.

Датчик поточного влагомера Фауна–П устанавливается в местах, где наилучшим образом обеспечивается постоянство плотности потока и отсутствуют застойные зоны зерна, например, в местах выгрузки. Температура в этих местах может достигать 80°С. Значение температуры зерна в районе установки датчика постоянно измеряется и отображается на дисплее индикаторного блока. Изменения показаний влажности, связанные с изменением температуры автоматически компенсируются (корректируются) по индивидуальным зависимостям для каждой культуры. Значительным резервом повышения точности измерений влагомером Фауна–П является снижение методических погрешностей градуирования, возникающих при установке датчика в рабочей зоне технологического агрегата (сушилки) конкретного типа. Это так называемые ошибки стыковки, которые обусловлены собственной начальной (электрической) ёмкостью агрегата.

Датчик влагомера Фауна–П снабжен компенсатором начальной ёмкости, с помощью которого показания влагомера приводятся к заводской градуировке. Процедура стыковки датчика с данным агрегатом проводится один раз после завершения монтажа. Блок индикаторный, как правило, устанавливается на пульте управления агрегатом в легко доступном для оператора месте и эксплуатируется при температуре от 5 до 40°С. После монтажа блок индикаторный в настройке не нуждается.

4 Заключение

Магистерская диссертация посвящена разработке прибора измерения влажности зерна на мукомольном предприятии. В ходе выполнения работы были определены оптимальные значения погрешности и влажности зерна.

Приведённый обзор методов показывает нам что, наилучшим методом для решения поставленной задачи будет емкостной метод измерения влажности зерна.

В качестве прототипа выступает поточный влагомер Фауна–П который демонстрирует нам все качества метода. Который показывает себя с наилучшей стороны для использования на мукомольном предприятии.

На момент создания сайта магистерская работа не завершена. Если есть вопросы просьба обращаться к автору.

Список источников

  1. Берлинер М.А., Измерения влажности / Берлинер М.А. — М.: Энергия, 1973. — 400 с.
  2. Бензарь В.К., Техника СВЧ–влагометрии / Бензарь В.К. – Минск: Высшая школа, 1974. – 349 с.
  3. Бесекерский В.А., Теория систем автоматического регулирования / Бесекерский В.А., Попов Е. П.. – М: Наука, 1972. – 768 с.
  4. Брандт А.А., Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах – М.: Физматгиз, 1963. – 403 с.
  5. Бугров А.В., Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества / Бугров А. В. – М.: Машиностроение, 1982. – 94 с.
  6. Будницкая Е.А., Точные измерения комплексных сопротивлений емкостного характера / Будницкая Е. А., Карпенко В. П. // Измерительная техника. – 1967. – №8. – С. 44–47
  7. Интернет ресурс,Официальный сайт компании ОООЛепта по разработке, производству и поставки влагомеров для зерна, семян и других сыпучих материалов Режим доступа: http://www.agrolepta.ru/Fauna–P.htm. http://www.agrolepta.ru....