CC BY
54
Automated control of parameters grain storage
Myrzbekova A. (Republic of Kazakhstan) Автоматизированный контроль параметров
хранения зерновых культур Мырзабекова А.М. (Республика Казахстан)
Мырзабекова Акмоншак Мухаммеджановна /Myrzbekova Akmonshak - магистрант, Карагандинский государственный технический университет, г. Караганда, Республика Казахстан
Аннотация: рассмотрены особенности контроля влажности сельскохозяйственных объектов. Предлагаются универсальные датчики для контроля влажности гигроскопических материалов и воздуха в технологических процессах сельского хозяйства. Описана система автоматизированного контроля влажности зерна и воздуха в хранилище, основанная на датчиках нового.
Abstract: features humidity control agricultural facilities. Offers universal sensors for controlling the moisture content of hygroscopic materials and air in industrial processes agriculture. Describes an automatic system for monitoring grain moisture and air in the storage based on the new sensors.
Ключевые слова: зерно, воздух, влажность, контроль, автоматизация. Keywords: grain, air, humidity, control, automation.
Важнейшим продуктом сельского хозяйства является зерно. Из зерна вырабатываются важнейшие продукты питания: мука, хлебные и макаронные изделия, крупа и другие жизненно необходимые продукты питания. Производство зерна должно быть связано с повышением его качества, одним из главных показателей которого является влажность. По ней определяют начало уборки, устанавливают режимы обмолота, сушки и хранения зерна. Оперативный контроль влажности зерна необходим на всех этапах технологического цикла производства данного продукта.
Уборка зерна производится в стадии технологической спелости, когда ее влажность достигает 18^25 %, и синтез питательных веществ еще не завершен [1]. Полная физиологическая зрелость зерна, при которой наиболее полно выявляются ее биологические и семенные качества, наступает значительно позже, в период ее хранения.
Известно, что процессы синтеза при дозревании зерна идут с выделением влаги, что приводит к возрастанию влажности зерновой массы и окружающего воздуха, а это, в свою очередь, может привести к самовозгоранию зерновой массы и потере ее семенных и питательных качеств.
Поэтому хранение зерна - особенно ответственный период в технологическом цикле производства зерна, требующий постоянного оперативного контроля влажности и температуры зерна, влажности и температуры воздуха в хранилище. Кроме того, хранение зерна - длительный процесс, что предъявляет повышенные требования к контролю параметров зерна и воздуха в хранилище.
На сегодняшний день большинство хранилищ оборудовано лишь системами оперативного контроля температуры в различных точках хранимого объема зерновой массы. Используя информацию о температуре зерновой массы, оператор при необходимости включает систему вентиляции в хранилище и систему продува зерновой массы сухим воздухом. Таким образом, предотвращается самовозгорание зерна.
Недостаток такого управления вентиляцией заключается в том, что повышение температуры говорит об уже начавшемся саморазогреве зерновой массы. В то же время известно, что наличие оперативной информации о влажности зерна позволяет прогнозировать возможный ее саморазогрев и предупредить его.
Оперативное получение достоверной информации о влажности зерновой массы и относительной влажности воздуха в хранилище возможно лишь при применении систем автоматизированного контроля влажности, основанных на использовании надежных помехозащищенных датчиков влажности и современных программно-технических средств вычислительной техники [2].
Однако разработка указанных систем затруднена тем, что на современном рынке средств измерений отсутствуют надежные помехозащищенные закладные датчики сыпучих материалов и надежные недорогие гигрометры воздуха. Поэтому разработка надежных датчиков и систем автоматизированного контроля влажности на их основе является актуальной задачей.
Для решения указанной задачи эффективней использовать кондуктометрические датчики влажности материалов с плоскими измерительными электродами. В частности, конструкция датчика позволяет расширить диапазон измерений влажности материалов, устранить влияние неоднородности исследуемой влажности, снизить весовые, габаритные и стоимостные характеристики систем контроля влажности.
Описываемый измерительный преобразователь выполнен в виде двух максимально протяженных, равноудаленных друг от друга проводников, нанесенных на диэлектрическую подложку в виде спирали. Расстояние между проводниками (измерительными электродами) с помощью современной технологии выдержано в пределах 0,5^0,1 мм, длина проводников приблизительно 100 мм.
Формирование проводников осуществляется фотолитографией, лазерным лучом или другим способом, обеспечивающим рисунок проводников с малым расстоянием между ними (до 0,1 мм).
Работа датчика основана на явлении электропроводности, возникающей в контролируемом материале между близкорасположенными проводниками 2 и 2 при их подключении к источнику питания.
1
а) б)
Рис. 1. Первичный измерительный преобразователь кондуктометрического типа с плоскими
электродами:
а) - вид спереди; б) - первичный измерительный преобразователь в сечении;
1 - диэлектрическая подложка; 2',2 - токопроводящие дорожки (электроды); 3 - зазор между
токопроводниками (д.).
Контролируемый материал замыкает электрическую цепь 2 - 2 , в результате чего на выходе появляется сигнал, пропорциональный электрическому сопротивлению исследуемого материала.
Электрическое сопротивление описываемого датчика с контролируемым материалом можно описать выражением
Я а = Яуа а = Яуа х X (!)
где Я а - электрическое сопротивление датчика с контролируемым материалом, Ом;
Я уа - удельное электрическое сопротивление контролируемого материала, Ом см;
С - расстояние между измерительными электродами, см;
^ 2
5 - площадь контакта электрода с контролируемым материалом, см ;
X - коэффициент "формы" токопроводности, 1/см.
При постоянном напряжении на измерительных электродах датчика величина Яу а, а, следовательно, и Я а, однозначно определяется влажностью контролируемого материала. Следовательно, выходной сигнал с датчика является функцией влажности контролируемого материала.
Высокая измерительная эффективность данного устройства обеспечивается выполнением измерительных электродов в виде двух равноудаленных линий очень большой длины (до нескольких десятков сантиметров) с малым расстоянием между ними.
Из выражения (1) следует, что уменьшение d до 0,05^0,01 см и увеличение 5 за счет увеличения длины проводников, приводит к снижению Я а. Таким образом, на датчике с плоскими электродами регистрируется очень малое сопротивление даже при очень большом удельном электрическом сопротивлении материала. Известно, что гигроскопические материалы с малой влажностью характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает нижний предел измерений кондуктометрических датчиков.
Следовательно, датчик с плоскими электродами способен измерять очень малые влажности материалов, что значительно расширяет его диапазон измерений по сравнению с известными кондуктометрическими датчиками, способными измерять влажность до 8%.
Кроме того, на основе указанного датчика материалов выбран анологичный датчик влажности воздуха (гигрометр). Конструкция названного гигрометра представляет собой описанный выше датчик влажности материалов, однако на его подложку с измерительными электродами нанесена пленка кардиолипина толщиной 2мм. Кардиолипин представляет собой гидрофильный ионообменный полимер. В результате сорбции водяного пара ионы, связанные в полимере электростатическими силами, становятся подвижными, и проводимость пленки увеличивается. Таким образом, выходным сигналом с гигрометра является электрическое сопротивление (проводимость), зависящая от влажности окружающего воздуха. Характер зависимости электрического сопротивления пленки кардиолипина от относительной влажности воздуха близок к зависимости электрического сопротивления большинства гигроскопических материалов от их влажности [3].
Таким образом, подобная форма выходных сигналов с датчика влажности воздуха и датчика влажности гигроскопических материалов, высокая степень унификации их конструкций позволяет создавать простые и надежные системы автоматизированного контроля влажности сельскохозяйственных объектов.
Учитывая особую важность процесса хранения зерна, была разработана система автоматизированного контроля влажности зерна и воздуха в хранилище. Функциональная схема указанной системы приведена ниже. В данной системе в качестве датчиков влажности зерна и относительной влажности воздуха в хранилище применены описанные выше датчики.
Программно-техническое обеспечение автоматизированной системы контроля влажности включает в себя:
1. Модуль ввода аналоговый МВА8 - служит для связи и согласования датчиков с информационной сетью системы контроля.
2. Модуль интерфейсный Я8-485 - обеспечивает необходимый протокол связи между МВА8 и информационной сетью системы контроля.
3. Адаптер сети ОВЕН АС3-М - обеспечивает связь компьютера оператора с информационной сетью системы контроля.
4. ПК - компьютер оператора.
5. ОВЕН ТРМ133, ОВЕН ПЛК - логические устройства обработки измерительной информации.
Рис. 2. Система автоматизированного контроля влажности зерна и относительной влажности
воздуха в хранилище
Применение системы автоматизированного контроля влажности зерна и воздуха в хранилище позволит повысить сохранность зерна при небольших материальных затратах.
Литература
1. Гуляев Г.А. Автоматизация послеуборочной обработки и хранения зерна. - М.: Агропромиздат, 2003. -324 с.
2. Гуляев Г.А., Секанов Ю.П. Автоматизация контроля влажности зерна. Научно-технический бюллетень ВИМа, вып. 7, 2002. - 292с.
3. Савосин С.И. Новые возможности кондуктометрического метода контроля влажности материалов.// Датчики и системы. - 2005. - №10. - 105с.
