CC BY
35
УДК 389. 631. 15
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Ю.П. Секанов, доктор технических наук E-mail: u.secanov@gmail.com
М.А. Степанов, экономист
ООО «Техносерв-менеджемент» E-mail: mastepanov@ gmail. com
Аннотация. Интенсификация процессов производства и возрастающие требования к качеству конечной продукции предъявляют высокие требования к быстродействию и точности получаемой измерительной информации. В этой связи в развитии науки и практики все больше внимания уделяется средствам не-разрушающего контроля параметров качества продукции и технологических процессов ее производства, уборки, обработки и хранения. В работе дается оценка с использованием средств неразрушающего контроля качества продукции и технологических процессов в системах управления современными технологиями производства зерна и заготовки кормов. Производственный контроль предусмотрен техническими регламентами Таможенного Союза «О безопасности зерна» и «Безопасности кормов и кормовых добавок». Средства измерений играют также важную роль в достижении добросовестной конкуренции на рынке, обеспечивая объективную оценку качества, безопасности и количества реализуемой продукции. Мониторинг рынка средств измерений показал, что в этих технологиях доминируют приборы зарубежных производителей. На примере широко используемых в отечественном сельском хозяйстве зарубежных средств неразрушающего контроля влажности обоснована необходимость их калибровки с использованием отечественных культур, сортов и условий производства. Калибровка является важнейшим направлением деятельности метрологической службы на стадии эксплуатации средств измерений. Для решения этой задачи в отрасли нужна метрологическая служба. Отсутствие такой службы создает огромные риски от использования недостоверной информации при производстве зерна и заготовке кормов. Ключевые слова: корма, приборы, влагомеры, ИК-анализаторы, погрешности, калибровка, конкуренция.
В условиях рынка в стратегии управления сельским хозяйством приоритетным направлением становится (должно стать) внедрение в сферу материального производства информационных технологий, базирующихся на современных методах измерений. Опыт стран с развитой экономикой показывает, что это направление обеспечивает решение проблем качества и безопасности продукции, энергосбережения при ее производстве, где отечественное сельское хозяйство уступает своим основным конкурентам [1-3]. Средства измерений играют важную роль в достижении добросовестной конкуренции на рынке, обеспечивая объективную оценку качества, безопасности и количества реализуемой продукции. Возрастающие требования к качеству продукции, интенсификация про-
цессов ее производства предъявляют высокие требования к быстродействию и достоверности получаемой измерительной информации. Этим определяется большое внимание к разработке средств неразрушающего контроля не только параметров качества потребляемой продукции, но и технологий ее производства, обработки и хранения. Производственный контроль предусмотрен техническими регламентами Таможенного Союза «О безопасности зерна» и «Безопасности кормов и кормовых добавок».
Измерительная техника неразрушающего контроля параметров сельскохозяйственной продукции (зерна, семян, травяных кормов и др.) теснит применение в управлении технологическими процессами сложных и дорогостоящих аналитических методов. В резуль-
тате наряду с быстродействием измерений расширяются возможности автоматизации технологических процессов, исключаются сложные операции по подготовке проб к измерениям и использование дополнительных расходных материалов.
Наиболее широкое практическое применение метод неразрушающего контроля получил во влагометрии сельскохозяйственных материалов. Объясняется это тем, что влажность важнейших видов сельскохозяйственной продукции (зерно, семена, травяные корма, лен) является (независимо от технологий производства) определяющим информативным параметром их состояния, от которого зависит качество, потери, затраты производства и хранения, т.е. экономика хозяйства. Первые разработки таких влагомеров относятся к началу прошлого столетия, а в 70-80-е годы для оценки качества сельскохозяйственной продукции создаются сложные анализаторы ближней инфракрасной области спектра (БИК-анализаторы) [4,5].
В настоящее время измерительная техника неразрушающего контроля широко представлена на отечественном рынке. Зерновых электрических влагомеров насчитывается около 40 марок. Измерение влажности входит в перечень параметров контроля любого из известных в настоящее время БИК-анали-заторов качества сельскохозяйственной и пищевой продукции. Их отличает экспресс-ность, высокая чувствительность, одновременное определение нескольких компонентов вещества: содержание влаги, белка, жира, масла, клетчатки и др. Почти за 50лет, прошедших с создания первых образцов анализаторов (GQA фирмы Neotek и Grain analysis computer фирмы Dickey-John), осуществлено техническое совершенствование приборов и решены задачи, связанные с их использованием. К числу этих задач следует отнести: перенос калибровок от прибора к прибору без потери точности измерений, разработку методик градуирования, калибровки и обработки полученных результатов, а также систему обеспечения удаленного управления и обслуживания анализаторов. Это позволяет создавать на их базе метроло-
гические инфраструктуры в виде сетей контроля качества зерна. Такие сети созданы во многих странах мира. Наличие сетей позволяет, используя современные средства связи, обеспечить единство и достоверность результатов измерений независимо от селекционных различий сорта и географических условий выращивания культуры. Данные обстоятельства исключительно важны для нашей страны с ее территориальными масштабами производства зерна. На рынке представлены анализаторы из Швеции, Германии, США, Франции, Японии и других стран. Их производители активно работают по продвижению своей продукции в Россию. Ряд зарубежных приборов внесены в реестр СИ РФ. Анализаторы шведской фирмы «Foss Tecator» находят применение в разных отраслях народного хозяйства нашей страны на протяжении многих лет. Анализатор этой фирмы Infratec 1241, благодаря высоким метрологическим, технологическим и эксплуатационным достоинствам, признан многими странами в качестве официального средства в торговых операциях с зерном. В статье [6] получены оценки метрологических характеристик Infratec 1241 при работе с использованием отечественных сортов пшеницы и ячменя. Установлено, что результаты измерений белка, крахмала и клейковины зависят от влажности зерна, причем связь этих параметров достаточно тесная. В этой связи, при оценке содержания анализируемой пробы, следует указывать значение влажности, при которой их определяли, так как от этого зависит ценность зерна. Важно отметить, что применение ИК-спектроско-пии расширяется на создание средств измерений, рассчитанных на использование непосредственно производителями зерна, кормов, комбикормов. Фирма «Foss Tecator» разработала анализатор Infratec Sofia, являющийся мобильной версией Infratec 1241. Прибор предназначен для определения влажности и белка в пшенице и ячмене, имеет универсальное питание: от аккумулятора 12В и сети 220В. Поточный ИК анализатор ДА7300 (Perten Instruments, Швеция) позволяет автоматизировать процессы управления
при помоле зерна, в технологиях производства комбикормов и сушки зерна. Итальянская компания «Dinamica Generale s.r.l.» представила на рынок для экспресс-анализа основных параметров качества кормов при заготовке силоса, сенажа, сена (влажность, белок, крахмал, зола, ADF, NDF) анализаторы: лабораторный AgriNIR и портативный X-NIR, а также IRM-анализатор, позволяющий определять параметры компонентов рациона при загрузке в кормосмесители. Его устанавливают в фронтальные погрузчики. «Научно-практический центр по животноводству» НАН РБ отмечает экономическую эффективность применения прибора AgriNIR. Согласно приказу Росстандарта №661 от 21.02.2011 анализатор отнесен к средствам измерений. Компанией John-Deere разработан пакет интеллектуальных функций для мобильного кормоуборочного комбайна. Он включает ряд систем, обеспечивающих автоматическую в режиме реального времени оптимизацию длины резки в зависимости от влажности поступающего материала, БИК-анализ его качественных параметров (сухое вещество, протеин, сахар, крахмал и др.), что позволяет определять и дозировать необходимые добавки для получения качественного корма.
В аналитическом приборостроении на базе спектроскопии ближней инфракрасной области спектра серьезную конкуренцию зарубежным производителям представляют анализаторы отечественных фирм: НПФ «ЛЮМЕКС», ООО «ЭКАН» и ПК «Сибаг-роприбор». Их разработки получают применение и внесены в реестры СИ не только в России, но и в странах ближнего зарубежья: Беларусь, Казахстан, Молдавия и др.
Проблемам влагометрии сельскохозяйственных материалов посвящено большое количество научных и практических публикаций отечественных и зарубежных исследователей. В них получили освещение специфические свойства сельскохозяйственной продукции, роль содержания влаги в условиях ее производства, уборки, обработки, хранения и реализации, а также оценки рискам от несоблюдений требований к влажности.
Значительные достижения в области теории и практики влагометрии сельскохозяйственной продукции приходятся на 60-80-е годы прошлого столетия. Этому периоду характерно расширение исследований электрофизических свойств (ЭФС) различных материалов и, как следствие, увеличение типов влагомеров, работающих по принципу косвенного определения влажности (СВЧ, ЯМР, оптические, акустические, механические и др.). В изучение ЭФС продукции сельскохозяйственного производства внесли значительный вклад ученые ВИМ, ЦНИИМЭСХ, ВИЭСХ, ВНИИЗ, МИИСП, ОТИПП им. М.В. Ломоносова, ЧИМЭСХ, ЛСХИ, УСХА и ряда других НИИ и ВУЗов СССР. Большой вклад в изучение ЭФС внесли зарубежные ученые: Nelson S.O., Stetson L.E., Corcoran P.T., Jorgensen J.L., Matthews J., Ko R.S., Zoerb G.C. и др.
Разработанные в этот период аналитические модели, отражающие связь электрических и физико-химических свойств исследуемых материалов, позволили существенно расширить и углубить знания о процессах, происходящих в сложных анизотропных гетерогенных материалах (зерно, травяные корма, хлопок и др.), помещенных в электрические поля разных частот. Результаты теоретических и экспериментальных исследований свойств растительных материалов получили применение при обосновании параметров измерительных схем, датчиков, способов компенсации помех, разработке стандартных образцов, методик градуирования, испытаний, поверки, калибровки и рекомендаций по применению влагомеров. Систематизации и анализу научных и практических результатов в области влагометрии сыпучих и волокнистых растительных материалов посвящены работы [5-10].
Практическое отсутствие в настоящее время конкуренции со стороны отечественных разработок влагомеров, которые три десятилетия назад составляли весь требуемый типаж приборов с полным комплексом нормативно-технической и методической документации, открыло российский рынок для разработок зарубежных производителей.
В настоящее время отечественный рынок зерновых влагомеров представлен в основном иностранными приборами. Это наиболее востребованные полевые технологические влагомеры. Примерно 15% из их числа можно отнести к классу лабораторных более точных, сложных и дорогих приборов. Имеется дефицит в автоматических поточных влагомерах, что является сдерживающим фактором оптимизации работы зерносу-шильной техники. Производство серийно выпускавшегося Бобруйским весовым заводом поточного влагомера ПВЗ-20Д с распадом страны прекращено. Большой научный потенциал и опыт создания таких средств не был реализован в годы перестройки.
Контроль влажности травяных кормов в зависимости от технологии заготовки может выполняться в прокосах, валках, тюках, рулонах или в потоке измельченной массы, как например, в кормоуборочных комбайнах John Deere серии 7080 и Jaguar 870-830 фирмы Claas. В условиях разнообразия технологий и операций связанных с заготовкой и хранением кормов, необходимы разные в конструктивном исполнении датчики. Номенклатура электрических влагомеров для кормов по сравнению с зерновыми насчитывает небольшое количество приборов. Это в основном приборы с зондовскими датчиками разной длины: Эвлас-5, Россия; Grain Spear 6300, Швеция; FL-2 и Bale Check 200, Германия; Wile-251, 252, 253, Финляндия; Dra-minski, Польша, и др. Такая конструкция исключает их применение при определении влажности в прокосах и валках. В [7] дано описание прибора, где найдено решение измерения влажности травяных кормов без отбора и специальной подготовки проб. В приборе реализована оригинальная система компенсации влияния плотности материала, защищенная патентом.
В средствах неразрушающего контроля качества зерна важной задачей повышения точности измерений является компенсация влияния объемной плотности контролируемых проб в измерительных ячейках приборов. В БИК-анализаторах эту задачу решают с помощью предоставления нескольких
сменных ячеек (кювет), как например, в отечественном ФТ-10, или путем автоматизированной загрузки зерна в измерительную ячейку с автоматически устанавливаемыми в зависимости от вида зерна параметрами, реализованной в Infratec 1241.
Многообразием технических решений датчиков зерновых влагомеров объясняется стремление минимизировать влияние объемной плотности. За последние 10-15 лет не внесено существенных новшеств в технические решения и методы компенсации влияния объемной плотности, анализ которых дан в работах [7, 8]. Главными направлениями в повышении точности измерений влажности полевыми приборами зарубежных производителей являются: совмещение объемного дозирования с весовым, измельчение и сжатие контролируемой пробы, а также уплотнение зерна без разрушения структуры. Оснащение влагомеров встроенными взвешивающими устройствами расширяет их функциональные возможности, т.к. позволяет получать оценки натуры зерна и обеспечивает компенсацию ее влияния на результаты измерения влажности. Нами были проведены исследования с целью получения оценок погрешностей измерения натуры влагомерами РМ 6040 (Kett, Япония) и Wile 200 (Farmcomp, Финляндия), оснащенными встроенными взвешивающими устройствами с использованием объемного дозирования проб зерна. В РМ 6040 используется свободная засыпка, а в Wile 200 - самоуплотнение обрушиванием зерна с фиксированной высоты. Излишки зерна над измерительной ячейкой в приборе Wile 200 удаляются специальным устройством, значительно усложняющим его использование в полевых условиях. Исследования выполнены с использованием зерна пшеницы кондиционной влажности (с 8,75 до 12,1%). Установлено, что результаты измерений объемной плотности (натуры) приборами (Nn) тесно связаны с измерением натуры стандартным методом (N). Ниже приведены корреляционные зависимости, отражающие эти связи: РМ 6040>Nn = 1,103 N - 85,51 (R2 = 0,9851) Wile 200>Nn = 0,849 NT + 122,35 (R2 = 0,9974)
Однако наличие тесных связей не исключает погрешности (А) измерений натуры. Для РМ 6040 характерна систематическая погрешность с занижением результатов измерений в среднем на 8,7 г/л. Wile 200 завышает результаты измерений натуры.
Погрешности измерений натуры определяют, главным образом, точность применяемых весов и их динамические свойства, от которых зависит момент фиксации массы зерна в измерительной ячейке. Приближение результатов измерения натуры приборами к стандартизованному методу может быть решено программными средствами. Анонсируемый разработчиками приборов способ компенсации влияния объемной плотности зерна на результаты измерений влажности в производственно необходимых диапазонах измерений пока не обеспечивает необходимой эффективности. Во многом благодаря широкому использованию приборов, средств автоматизации и информационных технологий фермеры развитых стран имеют большие конкурентные преимущества перед нашими производителями сельскохозяйственной продукции, возможности которых в оснащении производства этой техникой остаются весьма ограниченными. Рынок в настоящее время предлагает технические средства, главным образом зарубежных производителей, позволяющие принимать управляющие решения на любом из этапов при производстве зерна и заготовке кормов. Однако эффективность решений зависит от адаптиро-ванности этих приборов к отечественным культурам, сортам и условиям производства.
Исследования ряда полевых влагомеров ведущих зарубежных производителей (Японии, США, Финляндии, Польши, Дании и др.) показали, что их метрологические и эксплуатационные характеристики не в полной мере отвечают отечественным требованиям: погрешности в 2-3 раза (в зависимости от уровня влажности) превышают данные производителей; не охватывают требуемые диапазоны измерений; имеют неудовлетворительные оценки воспроизводимости измере-
ний на одном и том же контролируемом материале [9,11,12].
На рисунке приведена кривая воспроизводимости (В,%) измерений влажности, реализуемых на российском рынке приборами WZW3P и WDN10 фирмы Draminski. Исследования выполнены на одном и том же коде культуры в диапазоне влажности пшеницы 11,66-23,54%.
Рис. Зависимость воспроизводимости измерений приборами WZW3P и WDN10 от влажности зерна
Из рисунка следует, что в рассматриваемом диапазоне влажности приборы имеют неудовлетворительную воспроизводимость результатов измерений. На зерне кондиционной влажности она достигает почти 3%. Таким образом, приобретатели приборов для одной и той же партии получат указанную разницу в оценках влажности. Практическое использование такой измерительной техники обостряет технико-экономические, социальные, экологические и техногенные риски при уборке, обработке, хранении и реализации продукции предприятий, снижающие их конкурентоспособность. Приборы нуждаются в проведении калибровки. Решение этой проблемы защитит отечественных пользователей зарубежных приборов от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Калибровка является важнейшим элементом метрологической службы отрасли. Отсутствием такой службы объясняется утрата контроля за технической политикой в области оснащения сельского хозяйства измерительной техникой и за соответствием ее характеристик метрологическим и эксплуатационным требованиям. Создание ведомственной метрологической службы, отвеча-
ющей требованиям рыночной экономики, является важным условием преодоления негативной ситуации, сложившейся в метрологическом обеспечении сельского хозяйства.
Литература:
1. Стребков Д.С., Тихомиров А.В., Харченко В.В. Проект энергетической стратегии сельского хозяйства России // Техника и оборудование для села. 2009. №2.
2. Романенко Г.А. С.-х. наука: вклад в решение задач госпрограммы развития сельского хозяйства России // С.-х. машины и технологии. 2013. №2.
3. Чекмарев П. Производство качественного зерна - важнейшая задача АПК России // Земледелие. 2009. №4.
4. Крищенко В.П. Ближняя инфракрасная спектроскопия. М., 1997. 638 с.
5. Секанов Ю.П., Тамиров М.Л. Автоматизация и приборное оснащение технологических процессов в растениеводстве. М.: ВНИИТЭИагропром, 1986. 62 с.
6. Секанов Ю. О метрологических и эксплуатационных характеристиках инфракрасных анализаторов качества зерна // Техника в с. х. 2008. №4. С. 34-37.
7. Секанов Ю.П. Влагометрия сыпучих и волокнистых растительных материалов. М.: ВИМ, 2001. 189 с.
8. Секанов Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов. М.: Агропромиздат, 1985. 160 с.
9. Секанов Ю.П. Влагометрия травяных кормов. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015. 59 с.
10. Grain moisture meters // Research Report. Farming Ahead with the kondinin group. 1999. №93. Р. 23-27.
11. Секанов Ю.П. Метрологические и эксплуатационные характеристики зерновых влагомеров зарубежных производителей // Система технологий и машин для инновационного развития АПК России. М., 2013.
12. Секанов Ю.П., Степанов М.А. Результаты исследований электрических влагомеров с разрушением и
сжатием зерна в измерительной ячейке // Проблемы ресурсо и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК. Иваново, 2014.
Literatura:
1. Strebkov D.S., Tihomirov A.V., Harchenko V.V. Proekt ehnergeticheskoj strategii sel'skogo hozyajstva Rossii // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2009. №2.
2. Romanenko G.A. S.-h. nauka: vklad v reshenie zadach gosprogrammy razvitiya sel'skogo hozyajstva Rossii // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2013. №2.
3. CHekmarev P. Proizvodstvo kachestvennogo zerna - va-zhnejshaya zadacha APK Rossii // Zemledelie. 2009. №4.
4. Krishchenko V.P. Blizhnyaya infrakrasnaya spektro-skopiya. M., 1997. 638 s.
5. Sekanov YU.P., Tamirov M.L. Avtomatizaciya i pribor-noe osnashchenie tekhnologicheskih processov v rastenie-vodstve. M.: VNIITEHIagroprom, 1986. 62 s.
6. Sekanov YU. O metrologicheskih i ehkspluatacionnyh harakteristikah infrakrasnyh analizatorov kachestva zerna // Tekhnika v s. h. 2008. №4. S. 34-37.
7. Sekanov YU.P. Vlagometriya sypuchih i voloknistyh rastitel'nyh materialov. M.: VIM, 2001. 189 s.
8. Sekanov YU.P. Vlagometriya sel'skohozyajstvennyh materialov. M.: Agropromizdat, 1985. 160 s.
9. Sekanov YU.P. Vlagometriya travyanyh kormov. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2015. 59 s.
10. Grain moisture meters // Research Report. Farming Ahead with the kondinin group. 1999. №93. R. 23-27.
11. Sekanov YU.P. Metrologicheskie i ehkspluatacionnye harakteristiki zernovyh vlagomerov zarubezhnyh proiz-voditelej // Sistema tekhnologij i mashin dlya innovacion-nogo razvitiya APK Rossii. M., 2013.
12. Sekanov YU.P., Stepanov M.A. Rezul'taty issledova-nij ehlektricheskih vlagomerov s razrusheniem i szhatiem zerna v izmeritel'noj yachejke // Problemy resurso i ehne-rgosberegayushchih tekhnologij v promyshlennosti i APK. Ivanovo, 2014.
THE SCIENTIFIC AND EXPERIENCE BASES OF NON- DESTRUCTIVE CONTROL OF THE PRODUCTS' QUALITY
AND TECHNOLOGICAL PROCESSES MEANS' APPLICATION IN CROP PRODUCTION Y.P. Sekanov, doctor of technical sciences M.A. Stepanov, economist OOO "Technoserv-management"
Abstract. The productivity processes' intensification and the final products quality requirements' increasing give high demands on the obtained measurement information speed and accuracy. In this regard, at the science and practice development more and more attention it is paid to the means of non-destructive testing of products' quality parameters and technological processes of its productivity, harvesting, processing and storage. The paper gives assessment at means of non-destructive testing of products' quality parameters and technological processes using in systems of grain and fodder harvesting management's modern technology. Industrial control is provided by the Customs Union "The safety of grain about" and "The feed and feed's additives safety" technical regulations. Also the measuring means play an important role in achieving fair competition on the market, providing an objective evaluation of products' quality, safety and quantity. The market measuring means' monitoring has shown that in these technologies are dominating the means of foreign manufacturers. On the example of foreign non-destructive testing of moisture are widely used in the domestic agriculture the need of its calibration with the local crops, sorts and industry conditions using is justified. The calibration is the major direction of Metrology service's activity on the measuring means operation's stage. To solve this problem in this industry's branch it is necessary the metrological service. The lack of such service creates huge risks from the grain production and feed harvesting's false information using. Keywords: feed, tools, moisture meters, IR-analyzers, errors, calibration, competition.
