CC BY
18
УДК 517.977.5:631.67
В В. ПОЛИВОДА, Д.Г. ЛИТВИНЧУК, В О. ГАВРИЛЕНКО
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ВИМ1РЮВАННЯ ВОЛОГОСТ1 В ЗЕРНОВ1Й МАС1
Виконано анализ методгв вимгрювання вологостг зерново! маси на хл1боприймальному тдприемствг з точки зору можливостi Их використаннг у процеа моделювання в сучасних системах керування технологгчними процесами та системах прийняття рШень на хлiбоприймальному пiдприемствi. Сформульоват цiлi i задачi дослiдження. Проведено моделювання процесу вимiрювання вологостi в зерновт масi за допомогою кондуктометричного методу, який використовуеться в сучасних експрес-анал1заторах вологостi зерна.
Ключовi слова: моделювання, вологiсть зерново! маси, хлiбоприймальне пiдприемство, система керування технологiчними процесами, система прийняття рШень.
В.В. ПОЛИВОДА, Д.Г. ЛИТВИНЧУК, В.А. ГАВРИЛЕНКО
Херсонский национальный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ В ЗЕРНОВОЙ МАССЕ
Выполнен анализ методов измерения влажности зерновой массы на хлебоприемных предприятиях с точки зрения возможности их использования в процессе моделирования в современных системах управления технологическими процессами и системах принятия решений на хлебоприемных предприятиях. Сформулированы цели и задачи исследования. Проведено моделирование процесса измерения влажности в зерновой массе с помощью кондуктометрического метода, который используется в современных экспресс-анализаторах влажности зерна.
Ключевые слова: моделирование, влажность зерновой массы, хлебоприемное предприятие, система управления технологическими процессами, система принятия решений.
V.V. POLIVODA, D.G. LITVINCHUK, V.A. GAVRILENKO
Kherson National Technical University
MODELING OF HUMIDITY MEASUREMENT PROCESS IN GRAIN
The paper gives a detailed analysis of methods for measuring humidity of grain on grain-enterprises from the point of view of the possibility of their use in the process of modelling in modern process control systems and decision-making systems at grain enterprises. The article describes the goals and tasks of the study. Much attention is given to modelling of humidity measurement process of grain by the conductometric method used in modern grain humidity express analyzers.
Keywords: modeling, grain humidity, grain-enterprise technological process control system, decision-making system.
Постановка проблеми
Волопсть e найважлившим показником якосл зерна, тому И визначають при вах технолопчних операциях i3 зерном на хл1боприймальному шдприемств1 (ХПП) - прийомщ, перемщенш, сушщ, сепаруванш тощо [1]. Це пояснюеться впливом води на життeдiяльнiсть живих органiзмiв, насамперед самого зерна i мiкроорганiзмiв на його поверхш. Волопсть характеризуе кшьшсть поживних речовин в зерш, а також його придатшсть до збертання та переробки. Так, вологе зерно мютить менше поживних речовин i непохитно при збертанш. Зволоження активiзуe фiзико-хiмiчнi та фiзiологiчнi процеси (дихання, проростання, розщеплення високомолекулярних бiополiмерiв, активiзацiя ферменпв, набухання), все це ускладнюе його збер^ання та переробку. На поверхнi вологого зерна починають швидко розвиватися мiкроорганiзми, також в зерновш масi збiльшуeться число комах, клiщiв та iнших шкiдникiв. Сукупнють перерахованих процесiв в зернi призводить до попршення його якостi i до його псування при збер^анш, в результатi при переробцi зб№шуються витрати енерги на дробления зерна, знижуеться вихiд i як1сть продукцп, тому необхiдно точно та швидко вимiрювати важливий показник якостi зерна - волопсть [2].
Аналiз останшх досл1джень i публiкацiй
1снують три групи методiв визначення вологосп: прямi i непрямi, а також комбшоваш (рис. 1) [3]. Прямi методи грунтуються на визначеннi втрати маси при сушiннi (термiчному, у високочастотному електричному полi, хiмiчному). Непрямi пов'язаиi з вимiрюваниям фiзичних параметрiв, що залежать вiд вологостi (електропроввдшсть, дiелектричнi втрати, дiелектрична проникиiсть).
Рис. 1. Методи визначення вологосп зерна
Вимiрювання вологосп зерна на ХХП виконують згiдно ГОСТ 13586.5-93 [4] за допомогою сушильно! електрично! шафи [5], проте цей метод дуже тривалий у часi, мае вiдносно велик! затрати енергп у порiвняннi до шших методiв вимiрювання вологостi, не виключаеться людський фактор при проведенш експерименту та розрахунках, що унеможливлюе використання цього методу в сучасних системах керування технологiчних процесiв (СКТП) на ХХП, у системах щдтримки прийняття рiшень (СППР) тощо. Тому використовують iншi методи, наприклад вимiрювання вологостi зерна за допомогою експрес-аналiзаторiв [6, 7].
Доцiльно розроблення нових методiв вимiрювання вологостi, що базуються на непрямих методах.
Формулювання цiлi досл1дження
Цiллю дослiдження е моделювання процесу вимiрювання вологостi у зерновш масi як задачi щдсистеми контролю та прогнозування у СКТП та СППР збертання зерна на ХПП.
Для досягнення поставлено! цш необхвдно вирiшити наступнi основнi задача
- виконати аналiз методiв визначення вологосп зерново! маси;
- побудувати залежностi для калiбрування приборiв експрес-аналiзаторiв вологостi зерна;
- виконати моделювання процесу вимiрювання вологостi зерна за допомогою експрес-методу.
Викладення основного матерiалу досл1дження
При надходженнi зерна на ХПП необхщно чiтко знати, куди направляти ту чи iншу партш зерна: в зерносушарку, на збер^ання в склад активного вентилювання або в силос елеватора на тривале збер^ання. При цьому необхiдний експрес-метод, що дозволяе провести анатз за дешлька хвилин, iнакше процес приймання зерна надзвичайно ускладнюеться. Таким методом може бути визначення вологосп за допомогою вологомiра зерна, який замiряе електропровiднiсть зерна. Кiлькiсть води в зерш впливае на його електропровщшсть. В сухому станi воно виявляе властивостi дiелектрика, в той час як у вологому стае нашвпроввдником. У вологомiрi зерно потрапляе в мiжелектродний простiр, через який пропускають електричний струм. Значення електропровiдностi зерна автоматично переводиться в значення вологосп, виражене 0 вiдсотках, яке висвiчуеться на цифровому табло приладу, весь процес займае всього 2-3 хв., що е великою перевагою даного методу. У вологомiрi для вимiрювання вологосп зерна застосовуеться дiелькометричний кондуктометричний метод - метод непрямого вимiру вологостi речовин, заснований на залежносп дiелектрично! проникностi цих речовин вщ !х вологостi.
Основою електричних методiв вимiрювання вологостi е залежнiсть вщ параметрiв вологостi, що характеризують поведшку вологих матерiалiв в електричних полях. Кондуктометричш методи заснованi на вимiрi електрично! провiдностi матерiалу на постшному струмi i змiнному струмi промислово! або звуково! частоти.
Прилад для вимiрювання параметрiв якостi зерново! маси - вологосп та сорносп - складаеться за таких блокiв (рис. 2): датчик вологосп, мiкроконтролер, АЦП, датчик зображення, процесор управлiння, елементи вводу-виводу. Модуль вимiрювання вологостi зерна зображений на рис 3.
Зерно для аналяу
I 1
4
Енккшш датчик (конденсатор!
АЦП
5 В
АЦП
Корвкцт Схема
кольору биёоду
Сигнал и упрадшня ССВ
%
си 8
IСО екран
Пристра! ёбоду
Приптро/ боЗоду \
Процесса упраблтня
Рис. 2. Структурна схема приладу для вишрювання параметрш якосп
Електроди
а) б)
Рис. 3. Модуль вишрювання вологосп зерна: а — структурна схема вишрювача вологостц б — внутршнш вигляд модуля
Для випадку датчика вологосп з використанням конденсатора з плоскими електродами площею $ , розмщеними один вiд одного на вщсташ d в середовищi з дiелектричною проникнiстю е, емшсть виражаеться формулою:
„ еБ
С = —. (1)
d
Вологовмiсткi матерiали, будучи в сухому виглядi дiелектриками, в результатi зволоження стають напiвпровiдниками. Питомий опiр змшюеться, отже, залежно вiд вологостi в надзвичайно широкому дiапазонi, що охоплюе 12-18 порядкiв. Неоднорiднiсть дiелектрика, наявшсть у ньому вологи позначаються не тшьки на величинi питомо! провщносп, але i на якiсних особливостях електропровiдностi: на И залежностi вщ напруженостi електричного поля i температури. Похибка емкiсних вологомiрiв вiдносно невелика та становить 0,2 ... 0,5%.
Таким чином, з точки зору економп часу i коштiв ми приходимо до задачi обчислення наближених значень функци при будь-якому значенш аргументу на основi наявних табличних даних.
Це завдання вирiшуеться шляхом наближеною замiни функци ^х) бшьш простою функцiею р(х), яку неважко обчислювати при будь-якому значеннi аргументу х в заданому iнтервалi його змiни. Введену функцiю можна використовувати не тшьки для наближеного визначення чисельних значень ^х), але й для проведения аналiтичних розрахуншв при теоретичному дослiдженнi моделi.
Наближення функци Г(х) простiшою функцiею (р(х) називаеться апроксимацiею. Апроксимуючу функцiю р(х) будують таким чином, щоб вщхилення (в певному сенсi) р(х) вщ Г(х) в заданiй областi було найменшим. Поняття "малого вiдхиления" залежить вiд того, яким способом оцшюеться близькiсть двох функцiй.
Для того щоб провести апроксимацш, в лабораторп ПАТ "Херсонський комбшат хлiбопродуктiв", були проведет вимiрювання вологостi за допомогою вологомiра iз застосуванням кондуктометричного методу. Бралися проби зерна, iз заздалепдь ведомою вологiстю i засипалися в модуль для вимiрювання вологостi зерна та зшмалися значення АЦП, яш наведенi в табл. 1.
Таблиця 1
Результати експериментальних даних_
Воло-
псть 11,1 11,1 11,1 11,9 11,9 11,9 12,2 12,2 12,2 12,5 12,5 12,5 13,1 13,1 13,1
зерна, %
344 345 344 368 370 368 379 383 380 399 402 396 431 432 432
342 341 343 370 369 368 384 386 383 397 406 408 435 435 435
347 347 347 375 370 375 384 379 384 396 414 400 433 437 436
Значення АЦП 348 344 341 370 383 381 386 395 404 397 438 431 437
345 345 348 379 384 394 405 407 434 435 434
341 344 382 380 403 415 401 437 432
341 401 411 405 432 436
410
405
Середне ариф- 345 343,9 344,6 371 370 370 382 382,3 383 398 408 402 434 434 434,8
метичне
Повне
середне ариф- 344,31 370,41 382,3 402,6 434,36
метичне
За допомогою програмного пакету Mathcad, знайдено функцш апроксимаци вимiрювания вологостi та отриманий графiк апроксимаци (рис. 4).
2 3
р( x) = a + bx + cx + dx ,
a = -159,98355; b = -1.2552482; c = -0.0030822921; d = 2,5550214 • 10-6.
(1)
12,9 12,5 12,1 11,7
11,3
10,9
ь Волопсть, %
/ Показання АЦП, од. -►
353,3 389,3 425,4
Рис. 4. Результат апроксимаци отриманих вишрювань вологосп
Зерно засипаеться в емшсть, у якш знаходиться датчик вологосп i через 1 секунду на LCD диспле! вiдображаeться значення вологостi в процентах. Результат вщправляеться у СКТП або СППР ХПП через термiнальну програму: на рис 5,а зображено результати вимiрюваиия вологосп сухого зерна, яке вщображаеться у ввдсотках (в дужках - значення датчика АЦП), а на рис. 5,б - вологого зерна.
а) сухе зерно б) вологе зерно
Рис. 5. Результата модулю для вгашрювання вологосп зерна
Висновки
Моделювання процесу вимiрювання вологосп зерна показало, що вимiрювання вологостi зерна за допомогою кондуктомеричного методу дозволяе використовувати його у системах керування технологiчних процеав на хлiбоприймальних пiдприемствах. Завдяки високо! швидкодп, вiдносно невеликих затрат на обладнання, виключення людського фактору виникае можливють своечасно фiксувати вiдхилення стану зерново! маси ввд належного та оперативно приймати рiшення щодо технолопчних процесiв зберiгання зерна на ХПП.
Список використано'1 л1тератури
1. Поливода В.В. Повышение эффективности контроля состояния зерновой массы при хранении / В.В. Поливода, А.М. Бражник // Проблеми шформацшних технологш. — 2010. - №1 (007). — С. 126—130.
2. Влияние влажности на качество зерна [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://agro-portal.su/vlazhnost-zerna.html.
3. Влажность зерна [Электронный ресурс] / Зоонжинерный факультет МСХА. — Режим доступа: http://www.activestudy.info/vlazhnost-zerna/.
4. ДСТУ ISO 712:2015 (ISO 712:2009, IDT). Зерновi та продукти з них. Визначення вмюгу вологи. Контрольний метод. Чинний з 01.01.2016 за наказом Держспоживстандарту №208 ввд 25.12.2015. — К.: Держспоживстандарт Укра!ни, 2015. — 15 с.
5. Шкаф сушильный электрический СЭШ-3М [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://zemo-ek.com/?page=catalog&cat=174.
6. Измеритель влажности зерна Mini GAC [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.olis.com.ua/rus/izmeritel-vlazhnosti-zerna-mini-gac.html
7. Влагомер зерна WILLE-55 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.akwa.com.ua/vlagomer-zerna-wile-55.htm.
