CC BY
228
возмущений и динамических характеристик управляемых объектов.
Список литературы
1. Леоненков, А.В. Нечеткое моделирование в среде МА^АВ и А^гуТЕСН / А.В. Леоненков. — СПб.: БХВ-Петербург, 2003.
2. Харитонов, А.С. Гармония хаоса и порядка в круговороте энергии / А.С. Харитонов. — М.: РФО РАН, 2004.
3. Солдатов, В.В. Робастное управление линейными стационарными системами на основе оптимального соотношения между составляющими хаоса и порядка / В.В. Солдатов, Н.Г. Агабекян // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика. — 2004. — № 7. — С. 8-15.
УДК 681.586.772
С.И. Савосин, инженер
В.В. Солдатов, доктор тех. наук, профессор
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет»
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА ПРИ ЕГО ХРАНЕНИИ
Увеличение производства зерна — одна из важнейших задач сельского хозяйства. 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.
Зерно убирают в стадии технологической спелости, когда его влажность достигает 18...25 % и синтез питательных веществ еще незавершен [1-3]. Полная физиологическая спелость зерна, при которой наиболее полно выявляются его биологические и семенные качества наступает значительно позже, в период хранения.
Известно [1], что процессы синтеза при дозревании зерна сопровождаются выделением влаги, что приводит к росту 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, вследствие чего предъявляются повышенные требования к контролю параметров зерна и воздуха в хранилище.
В настоящее время 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 хра-
28
нилище и систему продува зерновой массы сухим воздухом. Таким образом, предотвращается самовозгорание зерна.
Недостаток такого управления вентиляцией заключается в том, что повышение температуры свидетельствует о начинающемся саморазогреве зерновой массы. Наличие оперативной информации о влажности зерна позволяет прогнозировать возможный ее саморазогрев и предотвратить 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.
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 был исследован и разработан новый тип кондуктометрического датчика влажности материалов с плоскими измерительными электродами [7, 8]. Конструкция разработанного датчика позволила расширить диапазон измеряемых значений влажности материалов, устранить влияние неоднородности исследуемой влажности, снизить массовые, габаритные и стоимостные характеристики систем контроля влажности.
Описываемый измерительный преобразователь выполнен в виде двух максимально протяжен-
ных и равноудаленных один от другого проводников, нанесенных на диэлектрическую подложку в виде спирали (рис. 1, а). 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 близко расположенными проводниками 2' и 2" при их подключении к источнику питания.
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 = Яуд £ = ЯдХ , (!)
где Яд — электрическое сопротивление датчика с контролируемым материалом, Ом; Яуд — удельное электрическое сопротивление контролируемого материала, Ом-см; й — расстояние между измерительными электродами, см; £ — площадь контакта электрода с контролируемым материалом, см2; % = й/£ — коэффициент «формы» токо-проводности, 1/см.
При постоянном напряжении на измерительных электродах датчика величина Я , а следовательно, и Яд 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 й до 0,05^0,01 см и увеличение £ (за счет увеличения длины проводников) приводит к снижению Яд. Таким образом, на датчике с плоскими электродами регистрируется очень малое сопротивление, даже при очень
большом удельном электрическом сопротивлении материала. Известно, что гигроскопичные материалы с малой влажностью характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает нижний предел измерений кондуктомет-рических датчиков [4, 5, 6].
Следовательно, датчик с плоскими электродами способен измерять очень малые значения влажности материалов (до 5 %), что значительно расширяет его диапазон измерений по сравнению с известными кондуктометрическими датчиками, способными измерять влажность до 8 %.
На основе рассмотренного датчика материалов разработан надежный датчик влажности воздуха (гигрометр). Конструкция названного гигрометра представляет собой описанный выше датчик влажности материалов, на подложку которого с измерительными электродами нанесена пленка кар-диолипина толщиной ~1 мм. Кардиолипин (1, 3 — бисфосфатидилглицерин) 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.
Таким образом, подобная форма выходных сигналов с датчика влажности воздуха и датчика влажности гигроскопических материалов, высо-
1
К схеме
Рис. 1. Первичный измерительный преобразователь кондуктометрического типа с плоскими электродами:
а — вид спереди; б — сечение преобразователя; 1 — диэлектрическая подложка; 2', 2" — токопроводящие дорожки (электроды); 3 — зазор между токопроводниками (й)
Помещение для хранения зерна
Зерновая масса
1-й слой зерна
n-и слои зерна
Датчик 1 влажности зерна______
_1_
Датчик n влажности зерна______
1-й уровень
высоты
помещения
Датчик 1 влажности зерна
“Г
n-и уровень Датчик n і I ъ Масшта- бирование шкалы
помещения влажности зерна 1 3
ГЛ
Модуль ввода аналоговый МВА8
п
Масшта- Гальвани-
Вход 1 бирование -э* ческая
шкалы изоляция
Масшта- Гальвани-
Вход n бирование ческая -
шкалы изоляция
Масшта- Гальвани-
Вход 1 бирование ческая
шкалы изоляция
Гальвани-
ческая
изоляция
Протоколы
сетевого
обмена
информа-
цией
•ОВЕН
DCAN
RS-485
Л
ОВЕН АСЗ-М
ОВЕН ТРМ133
ОВЕН ПЛК
J
V
Контроллер системы управления вентиляцией и температурой
Рис. 2. Система автоматизированного контроля влажности зерна и относительной влажности воздуха в хранилище
кая 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 на рис. 2. В данной системе в качестве датчиков влажности зерна и относительной влажности воздуха в хранилище применены новые разработанные датчики, описанные выше. Программно-техническое обеспечение автоматизированной системы контроля влажности включает в себя:
• аналоговый модуль ввода МВА8 — служит для связи и согласования датчиков с информационной сетью системы контроля;
• интерфейсный модуль RS-485 — обеспечивает необходимую связь между МВА8 и информационной сетью системы контроля;
• адаптер сети ОВЕН АС3-М — обеспечивает связь компьютера оператора с информационной сетью системы контроля;
• ПК — компьютер оператора;
• ОВЕН ТРМ133, ОВЕН ПЛК — логические устройства обработки измерительной информации.
Применение разработанной системы автоматизированного контроля влажности зерна и воздуха в хранилище позволит повысить сохранность зерна при небольших материальных затратах.
Список литературы
1. Гуляев, Г.А. Автоматизация послеуборочной обработки и хранения зерна / Г.А. Гуляев. — М.: Агропромиз-дат, 1990. — 240 с.
2. Гуляев, Г.А. Автоматизация контроля влажности зерна / Г.А. Гуляев, Ю.П. Секанов.: научно-техн. бюлл. — М.: ВИМ, 1978. — Вып. 7. — 12 с.
3. Бородин, И.Ф. Связь между электрическими параметрами зерновой массы и влажностью: сб. науч. тр. / И.Ф. Бородин, В.Н. Столбов, В.И. Загинайлов. — М.: МИИСП, 1977. — Т. 14. — Вып. 13. — С. 12-14.
4. Берлинер, М.А. Измерения влажности / М.А. Берлинер. — М.: Энергия, 1973. — 400 с.
5. Коряков, В.И. Приборы в системах контроля влажности твердых веществ и их метрологические характеристики / В.И. Коряков, А.С. Запорожец // Практика приборостроения. — 2002. — № 1. — С. 5-11.
6. Ивченко, Ю.А. Чем измерить влажность? / Ю.А. Ивченко, А.А. Федоров // Датчики и системы. — 2003. — № 8. — С. 53-54.
7. Савосин, С.И. Новые возможности кондуктометри-ческого метода контроля влажности древесных материалов / С.И. Савосин // Датчики и системы. — 2005. — № 10. — С. 44-46.
8. Савосин, С.И. Портативный влагомер шпона / С.И. Савосин // Приборы и системы управления. — 2005. — № 5. — С. 31-34.
