Датчики влажности зерна

5. Автоматическая  влагоизмерительная установка дискретного  действия АДВ

 

    Автоматическая влагоконтрольная установка дискретного действия АДВ предназначена для определения влажности зерна с целью соответствующего его размещения по хранилищам.

    При диапазоне влажности пшеницы 10...50% шкала прибора разделена на три  части, характеризующие состояние зерна: «Сухое», «Влажное» и «Сырое». Установка работает в стационарных условиях при температуре окружающего воздуха —5...+35°С и относительной влажности до 80%, питание от сети переменного тока напряжением 220 В.

    В состав блок-схемы входит первичный преобразователь, который периодически заполняется пробами зерна, отбираемого из автомашин с помощью пневмопробоотборщика. Преобразователем управляет командный прибор.

    Показания потенциометра дублируют показания измерительного прибора. Питание измерительной схемы установки от системы питания со стабилизированным напряжением.

    Имеющееся в составе автоматического потенциометра  позиционное регулирующее устройство управляет работой печатающего механизма, с помощью которого на приемных документах фиксируется категория влажности зерна.

Влияние температуры  зерна на электрическую емкость  конденсатора-преобразователя автоматически устраняется с помощью находящегося внутри него термокомпенсатора.

    Проба зерна, вынутая из автомашины пневматическим пробоотборником, в определенном объеме попадает в приемный бункер 10, выполненный из изоляционного материала, и удерживается в нем заслонкой /, которая устанавливается в горизонтальное положение с помощью электромагнита 8.

    По  сигналу, полученному с командного прибора, отключается напряжение питания электромагнита 5, а заслонка 1 под действием пружины 4 и силы тяжести зерна мгновенно поворачивается вокруг своей оси- 2 и устанавливается вдоль стенки бункера 10. Проба зерна при этом попадает в измерительную ячейку   кондуктометрического- преобразователя, находящегося между электродами 9. В ячейке зерно удерживается заслонкой 8, которую поднимает и удерживает в горизонтальном положении электромагнит 6.

    По  истечении определенного времени, необходимого для измерения и работы печатающего механизма, с электромагнита 6 снимается напряжение питания, заслонка 8 под действием пружины 7 и силы тяжести зерна поворачивается вокруг своей оси 5 и преобразователь освобождается от зерна. Через не которое время по команде прибора на электромагниты 3 и 6 поступает напряжение питания и они поднимают заслонки 1 и 8. После этого преобразователь готов к приему новой порции зерна. 

При измерении  влажности сыпучих материалов емкостным  методом наилучшие результаты в  смысле точности измерения достигаются при полном устранении влияния переменной объемной массы, т.е. при уплотнении постоянной массы контролируемого материала между электродами емкостного датчика до постоянного объема, т.е. при обеспечении постоянной плотности.

      В случае измерения влажности зерновых (пшеницы, ржи, ячменя, овса, проса и др.) использовать непосредственно этот способ не удается по той причине, что зерновые при низкой влажности не сжимаются и уплотнению не поддаются.

      Поэтому для повышения точности измерения влажности зерновых предложен способ, включающий помещение контролируемого зерна в емкостный датчик, совмещенный с мельницей, размол зерна до определенного дисперсного состояния, уплотнение размолотой массы (трота) между электродами датчика до постоянного объема, измерение емкости датчика и определение влажности по заранее составленным градуировочным характеристикам.

      Однако  этот способ имеет существенный недостаток, который ограничивает использование  способа - размол зерновых в емкостном  датчике возможен с помощью мельницы с электроприводом с высокой скоростью оборотов. Поэтому в процессе размола повышается температура размалываемого зерна и датчика с мельницей, что вызывает неконтролируемые потери влаги, т.е. резкое повышение погрешности измерения влажности.

      Например, эксперименты, проведенные при температуре  окружающего воздуха и зерна  пшеницы 17-21°С показали, что температура размолотого зерна и датчика с мельницей в процессе размола первого образца пшеницы повысилась до 30°С, второго - (с температурой 27-28°С) до 34-35°С, а третьего образца в том же датчике (с температурой 30-32°С) до 40-42°С.

      Устранение  этого недостатка в предложенном способе достигается тем, что  образец зерна с постоянной массой помещается в емкостной датчик с  мельницей, предварительно охлажденный до температуры 5-8°С, при этом масса навески пробы контролируемого зерна и датчика с мельницей и материал датчика с мельницей выбраны при условии выполнения неравенства

      где  Т₀ - температура датчика с мельницей до помещения в него контролируемого зерна;

      Т₁ - температура контролируемого зерна до размола;

      Т₂ - температура контролируемого зерна после размола в случае неохлажденного датчика с мельницей;

      Т₃ - конечная температура контролируемого зерна после размола и датчика с мельницей;

      DТ₁ = Т₂ - Т₁ - повышение температуры зерна в результате размола;

      DТ₂ = Т₂ - Т₃ - понижение температуры зерна в процессе размола в предварительно охлажденном датчике с мельницей;

      С₁, С₂ - удельная теплоемкость контролируемого зерна и материала датчика с мельницей;

      m₁, m₂ - масса пробы зерна и датчика с мельницей соответственно.

      Предварительное охлаждение датчика с мельницей  до температуры Т₀ - 5-8°С, соответствующий подбор масс пробы контролируемого сыпучего материала m₁, датчика т₂ и материала датчика с удельной теплоемкостью С₂ обеспечивает то, что в процессе размола температура материала Т₃ получается ниже, чем первоначальная температура пробы контролируемого материала Т₁, Т₃ < Т₁. Это означает, что в процессе размола проба зерна не нагревается, а наоборот, ее температура понижается, что предотвращает потери влаги в процессе размола и устраняет один из существенных составляющих погрешности измерения влажности. В действительности в процессе размола внутренняя энергия пробы контролируемого зерна увеличивается за счет кинетической энергии размалывающего ножа. Температура пробы контролируемого зерна повышается. Количество теплоты, полученное зерном при размоле, составит

,

      где  DТ₁ = Т₂ - Т₁

      В процессе размола в охлажденном  датчике происходит теплообмен между пробой зерна и охлажденным датчиком, при этом внутренняя энергия, выделенная при охлаждении пробы зерна, расходуется на нагревание датчика с мельницей.

      Количество  теплоты, отданное зерном при размоле, будет

      Количество  теплоты, полученное охлажденным до температуры 5-8°С датчиком с мельницей  при теплообмене в процессе размола  контролируемого зерна, составит

      Очевидно  Q₂ = Q₃.

,

      отсюда  понижение температуры зерна в процессе размола в охлажденном датчике

,

      когда т₁, С₂, т₂, Т₀ выбраны соответствующим образом

,

      т.е. Т₃ < Т₁ и в процессе размола температура зерна понижается.

      Способ  осуществляется с помощью влагомера зерна повышенной точности ВЗПТ-1. Масса пробы зерна т₁ = 0,025 кг.

      Масса датчика М = 1,5 кг, материал - сталь-3 (С₂ = 460 Дж/кг.К; С₁ - удельная теплоемкость пробы зерна, точное измерение затруднительно). Поэтому величина температуры Т₀ = 5-8°С = 278-281°К охлаждения датчика выбрана экспериментальным путем с таким расчетом, что в пределах практически возможной температуры контролируемого зерна от 5 до 35°С удовлетворилось вышеприведенное неравенство.

      На  рисунке показан емкостный датчик, реализующий способ. Он состоит из корпуса измерительной камеры, дно которой представляет собой электрод 1 нулевого потенциала конденсатора - емкостного датчика, электрода высокого потенциала (потенциальный электрод) 2, крышки 3 изоляционного (фторопластового) цилиндра 4, на котором крепится потенциальный электрод 2, ножа 5 и термодиода 6. Между электродами 1 и 2 помещен контролируемый материал - шрот зерна 7; корпус датчика 8; направляющий зерна 9; подшипник 10.

Емкостной датчик с размалывающим  устройством 

      Способ  осуществляется следующим образом: за час до начала измерения два вышеуказанных датчика помещаются в холодильник типа "Морозко", в котором установлена температура 5-8°С.

      Из  контролируемого зерна берется  проба массой 25 г и помещается в вынутый из холодильника первый емкостный датчик; измельчающий механизм (нож) 5 датчика присоединяется к электроприводу, который включается в течение 20 с и контролируемая проба зерна размалывается. После этого крышка 3 спускается усилием специального пресса до упора, при этом размолотый контролируемый материал (трот зерна) 7 уплотняется между электродами 1 и 2 до постоянного объема. Одновременно в размолотую массу погружается датчик температуры (термодиод) 6, который прикреплен на изоляционном цилиндре 4.

      Емкостный датчик отсоединяется от электропривода и электрически подключается к измерителю электрической емкости и температуры, измеряется емкость датчика и температура размолотого зерна, определяется по калибровочным характеристикам значение влажности. После этого первый емкостный датчик, температура которого повышалась до Т₃°С, освобождают от размолотого зерна и помещают в холодильник "Морозко" с предварительно установленной температурой 5-8°С. Для измерения влажности второй пробы зерна из холодильника достают второй емкостный датчик и измеряют влажность. Затем в холодильник ставят второй датчик.

      Для измерения влажности третьего образца  зерна из холодильника достают первый датчик, который успел охладиться до 5-8°С; влажность четвертого образца измеряют с помощью второго датчика и т.д.

      Способ был осуществлен с помощью указанного устройства при температуре окружающего воздуха 17-21°С. Пробы зерна брались с температурой 17, 21, 25 и 30°С.

      Контроль  температуры размолотого зерна  и датчика с мельницей показал, что в процессе размола температура зерна понижается соответственно до 10, 15, 18 и 23°С.

      Предложенный  способ дал возможность практически  полностью устранить составляющую погрешность, вызванную потерями влаги  в процессе размола зерна, в результате чего удалось повысить точность измерения  его влажности влагомером ВЗПТ-1 (довести погрешность измерения до ±0,6% против 1-1,5% в существующих емкостных влагомерах).