КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Технология TDR (рефлектометрия интервала времени) используется для разнообразных капиллярно-пористых материалов. Огромное значение имеет определение влажности в процессе сушки сельскохозяйственных культур. Основанная на методе TRIME-TDR – и представленная на симпозиуме, посвященному TDR-технологии в 1994 г. – новая сфера применения фокусируется на разработке поточных датчиков для контроля и управления процессами по переработке сельскохозяйственного сырья с целью оптимизации качества продукции и потребления энергии.
Датчики TRIME-GW для поточного измерения представляют собой или стержневые зонды с двумя металлическими направляющими или бесконтактные поверхностные зонды, адаптированные под индивидуальные требования завода или процесса. На графическом индикаторе SONO-VIEW можно осуществить калибровку системы на месте измерения для точного определения весовой влажности продукта. В памяти прибора 15 калибровочных кривых для разных сыпучих продуктов. Система может подключаться к любому программному управлению (SPC) через аналоговый выход. Успешную эксплуатацию системы можно продемонстрировать на двух основных применениях:
1. Автоматическое управление сушилками за счет прямого измерения влажности внутри сушильной камеры при температуре до 130°C.
2. Оптимизированная по времени обработка гранулированного жома сахарной свеклы в ротационных грануляторах с влажностью свыше 40 % по весу. Новая система в 1999 году получила награду за новаторскую идею от Немецкого сельскохозяйственного общества.
ВВЕДЕНИЕ
Сушка сельскохозяйственных продуктов необходима во всем мире для того, чтобы не допустить их быструю порчу, обеспечить длительное хранение и достичь оптимального содержания влаги с целью дальнейшей обработки.
Во всем мире напрасно расходуется огромное количество энергии из-за неправильного управления процессом сушки, допускается потеря качества продукта и ущерб из-за пересушки продукта, кроме того, ценные трудовые ресурсы растрачиваются на необходимость ручного контроля процесса сушки. В процессе сушки основных продуктов питания стала очевидной исключительная возможность модернизации, что можно использовать в качестве преимущества для производителей пищевых продуктов, руководителей перерабатывающих заводов и потребителей продуктов питания. Согласно исследованиям, стимул для улучшения контроля влажности был существенным. Экономия энергии в 0.5 .. 1 $/тонну и дополнительная прибыль в 1 .. 3 $/тонну, в зависимости от продукта, реализуемы благодаря встроенным датчикам измерения или датчикам, измеряющим в режиме реального времени. Существующие системы автоматического контроля, основанные на измерении температуры или влажности отработанного воздуха, изначально неточные, подвергаются воздействию мешающих факторов (влажность воздуха, колебания температуры) и в некоторой степени требуют тщательного технического обслуживания. Следовательно, сушилки обычно контролируются, основываясь на результатах длительного анализа влажности отобранного вручную образца. Контролируемый вручную процесс сушки требует результатов лабораторных исследований, и можно допустить ошибки, поскольку технология, используемая для измерения влажности зерна устарела или не до конца доработана.
Мы разрабатывали поточную систему измерения влажности цельного зерна TRIME-GW с целью увеличения прозрачности и точности процесса сушки. Поточная система измерения позволяет непрерывно измерять влажность зерна и усовершенствует контроль процесса сушки зерна в сушилке. Оптимизация и рационализация рабочих процессов, сокращение потерь качества продукта и экономия энергии являются преимуществами новой технологии .
МЕТОД И МАТЕРИАЛЫ
TRIME-технология основана на принципе рефлектометрии интервала времени, к настоящему времени уже прочно установившийся и общепризнанный метод электромагнитного измерения для определения влажности почвы и других пористых материалов. Электромагнитный импульс передается по металлическому волноводу и отражается от поверхности измеряемого продукта. При этом импульс отражения зависит от диэлектрической постоянной продукта, величина которой колеблется в зависимости от содержания воды в продукте. Прибор измеряет время между моментами отправки и принятия импульсного сигнала. Мы установили, что изначально разработанная специально для определения влажности почвы и представленная на симпозиуме, посвященному методу TDR в 1994 г. в Эванстоне, технология TRIME обладает потенциалом для намного большего количества материалов, не только для почвы. В этом аспекте измерение влажности злаковых зёрен является одним из перспективных направлений, интересным как с экономической, так и экологической точки зрения.
Несмотря на то, что злаковые зёрна, такие как кукуруза, пшеница, рожь и т.д. относятся к пористым материалам, существует все-же некоторые отличия между ними и почвой, которые необходимо учитывать при конструировании датчика. Пористость насыпного зерна выше, его плотность и абсолютная максимальная влажность ниже, по сравнению с обычной почвой, следовательно, нет необходимости в ПВХ-покрытии металлических волноводов с целью увеличения скорости отражаемого импульса, что является нормой для датчиков измерения влажности почвы TRIME из-за специфичного метода оценки импульса .
Желание измерять влажность непосредственно внутри сушилки в процессе сушки требует от датчика особых свойств. Независимо от типа сушилки, будь то шахтная сушилка, барабанная сушилка, ковшовая или ленточная сушилка, датчики TRIME-GW со стержневыми зондами, бесконтактными поверхностными или клинообразными зондами можно адаптировать под любое применение (рисунок 1).
В связи с высокими температурами, которые могут возникать в процессе сушки, существует потребность в устойчивым к высоким температурам головкам и заглушкам зондов. Электронный блок спрятан в маленьком и надежном алюминиевом литом корпусе, подключенном к индикаторному блоку.
В коммерческих целях необходимо знать гравиметрическое содержание воды в злаковых культурах на основе влажной массы. Поскольку TDR в своей основе измеряет объемную влажность, мы сделали возможным выбор материала из 15 различных калибровочных кривых. Неотъемлемым элементом является хороший контакт зонда с материалом. Зонды необходимо устанавливать таким образом, чтобы их хорошо покрывал материал и где поток материала постоянный или материал находится в состоянии покоя, чтобы достичь постоянной плотности продукта и рассчитать весовую влажность исходя из замеров объемной влажности.
В зависимости от типа зонда глубина проникновения поля измерения может достигать 15 см. В связи с тем, что геометрические характеристики сушилки значительно отличаются и металлические элементы могут препятствовать прохождению сигнала зонда, система предлагает возможность точной настройки и калибровки прибора на месте установки, чтобы компенсировать данный эффект. Результаты измерений TRIME-GW могут выводиться на дисплей для ручного управления, включаться в систему мониторинга посредством аналогового выхода (0)4 - 20 мА, или документироваться с помощью ПК. Модульная концепция системы позволяет проводить любую модернизацию. Автоматическую работу можно настроить благодаря подключению к программному управлению (SPC) .
РЕЗУЛЬТАТЫ
1 Калибровка материала и точность
Система откалибрована для большого числа злаковых культур, таких как кукуруза, пшеница, рожь, ячмень, овес или рапс. Методом проверки была выбрана сушка в печи при 105 °C или 130 °C до получения постоянного веса. На рисунке 2 отображена связь между псевдовременем прохождения сигнала TRIME датчика, неподдающееся измерению число между 0 и 800, и гравиметрической влажностью образцов пшеницы, определенной с помощью технологии сушки в печи при температуре 130 °C. Затухание очень хорошее и можно создать функцию линейной калибровки
Достигаемая точность для поточного датчика измерения влажности цельного зерна была протестирована Немецким сельскохозяйственным сообществом (DLG 2000). В таблице 1 указана произвольная средняя квадратическая погрешность измеренной влажности датчиком от исходной гравиметрической влажности для различных злаковых культур и диапазонов влажности.
2 Влияние температуры материала
Во время первых экспериментальных испытаний сушильных установок при сотрудничестве с Немецким сельскохозяйственным обществом, мы заметили влияние температуры на результаты измерений датчиков влажности TDR. Похожий эффект уже наблюдали при работе с почвой, которая, в зависимости от состава, демонстрировала высоко специфическую поверхность и, следовательно, большое количество связанной воды, как например, глина. Если, как правило, с увеличением температуры диэлектрическая постоянная избыточной воды уменьшается, то в данном случае такой эффект ведет к увеличению диэлектрической постоянной с повышением температуры, и, таким образом, измеренной абсолютной влажности. Данный эффект объясняется броуновским движением молекул воды, которое усиливается с повышением температуры, таким образом диполи связанной воды успешно отделяются, свободно вращаются и, в конечном итоге, способствуют увеличению диэлектрической постоянной. На рисунке 3 демонстрируется связь между температурой, измеренной влажностью по технологии TRIME и контрольным значением влажности для разных образцов кукурузы. Становиться очевидным, что данный эффект зависит также от абсолютной влажности кукурузы.
В диапазоне заданной влажности высушенной кукурузы 13 – 14 % по весу, данный эффект играет самую важную роль, и мы определили влияние в 1.2 % по весу на каждые 10°C. Влияние температуры уменьшается с увеличением влажности и свыше 25 % по весу данный эффект можно практически игнорировать. Для компенсации данного эффекта мы интегрировали датчик температуры в кончик одного из стержней зонда TRIME-GW с целью измерения температуры. Уравнение для компенсации температуры в зависимости от абсолютной влажности следующее:
где - компенсированная влажность, - измеренная влажность по технологии TRIME, T - измеренная температура, и ɑ0 (= 20), ɑ1 (= -0.0021786) и ɑ2 (= 0,00714286) - экспериментально определенные коэффициенты. Данное уравнение интегрировано в программное обеспечение TRIME для автоматической компенсации.
3 Результаты измерений в барабанной сушилке
На рисунке 4 показан цикл сушки при загрузке кукурузы в барабанную сушилку. Стержневой зонд ТRIME-GW был установлен в стенку сушилки и настроен с учетом геометрии сушилки. Затем непрерывно измерялись влажность и температура. Периодически брались образцы кукурузы вблизи от зонда для контрольных замеров влажности в лаборатории и переносным влагомером, основанном на измерении сопротивления. Кроме того, измерялась температура в отработанном воздухе.
Рисунок 4: Температура отработанного воздуха, измерения влажности и температуры TRIME-GW по сравнению с сушкой в печи и измерителем влажности (Pfeuffer) для кукурузы в барабанной сушилке.
При сопоставлении данных при измерении влажности методом TRIME-GW и сушкой в печи результаты очень хорошие. Лишь при большем значении влажности TRIME- GW демонстрирует небольшое завышение значения. Портативный влагомер значительно занижает значения влажности, что скорее всего связано с отсутствием компенсации температуры. Соотношение между температурой воздуха, которая практически идентична температуре зерна, и температурой, измеренной датчиком TRIME-GW отличное, таким образом, данные значения могут быть использованы для правильной компенсации температуры.
4 Результаты измерений в сушилке с псевдоожиженным слоем
Одной из самых главных проблем при измерении является контакт волноводов зонда с материалом. Особенно, если материал движется очень быстро или даже вращается, как в случае с сушилкой с псевдоожиженным слоем. В таком случае нужно уделять особое внимание.
В следующем примере был использован поверхностный зонд для определения влажности жома во время процесса рафинации. В этом процессе жом загружают в ротационный гранулятор, где он перемешивается с питательной массой влажностью около 40 % по весу. Благодаря процессу вращения жом тщательно перемешивается с питательной массой и формируются гранулы диаметром 0.5 см. После процесса грануляции, жом высушивается в псевдосжиженном слое до достижения влажности в 15 % по весу.
Внутри гранулятора установлены металлические крылья, работающие в качестве смесителей, которые постоянно переворачивают гранулы при вращении. Благодаря силе вращения гранулы вдавливаются в крылья и этого материала достаточно для определения влажности. С первого раза не удалось удачно определить подходящее место установки и зонд не достаточно покрывался материалом. Это видно на результатах измерений на рисунке 5. Первые несколько минут от начала процесса вращения, измеренная влажность слишком маленькая, по сравнению с гравиметрической влажностью.
После смены положения проблема была решена и были достигнуты отличные результаты измерений за весь процесс сушки. Сравнение влажности, измеренной датчиком TRIME-GW, и гравиметрической влажностью, определенной сушкой в печи, изображены на рисунке 6.
В ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Технологию TRIME-TDR можно успешно адаптировать для определения содержания воды влажной массы в различных сельскохозяйственных продуктах. Специальные поточные датчики со стержневыми или бесконтактными поверхностными зондами предлагают возможность беспрерывного измерения и контроля влажности продукта в различных сушилках. Новые датчики имеют существенные преимущества, и их точность впечатляет. Пространственная и временная разрешающая способность отличная, впечатляющие объемы измерения и измерения цельного зерна сводят к минимуму ошибки, связанные со взятием проб и измельчением, и значительно упрощают работу.
Интеграция в программы обработки данных и контроля процесса производства увеличивает надежность автоматической работы сушилки с минимальными рисками по пересушке или недостаточной сушке, а также имеет экономические преимущества благодаря экономии энергии и большего объема готового продукта. Было установлено, что температура влияет на результаты измерений влажности методом TDR. Данный эффект компенсируется соответствующим программным обеспечением.
Перевод статьи In-line TDR moisture sensors for agro-industrial processing
Авторы: Маркус Штахедер, Петер Блюме, Робин Фундингер, Курт Кёлер и Рюдигер Руф
IMKO Micromodultechnik GmbH, Im Stoeck 2, D-76275 Еттлинген, Германия
