автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация контроля и регулирования влажности и температуры сырья для мукольно-крупяной и кондитерской промышленности

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВА11ИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 664. 002. 5

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ СЫРЬЯ ДЛЯ МУКОМОЛЬИО-КРУПЯНОЙ И КОНДИТЕРСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.07 - автоматизация toxiюлогических процессов

На правах рукописи

КРИВОНОСОВ ДМИТРИЙ АЛЕРЬЕВИЧ

и производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 1096

Робота выполнена на кафедре "Электротехники, электроники и вычислительной техники" Московского государственного заочного института пищевой промышленности.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор И.М.Иноземцев

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор В.И. Попов кандидат технических наук, доцент С.С. Червяков

Ведущая организация

ЦНИИТЭИ "Хлебпродинформ",

Защита диссертации состоится * 11 * апреля 1996 г. в 14 часов

на заседании специализированного Совета К 063.45.03 при Московском

государственном заочном институте пищевой промышленности по адресу: 109803, г.Москва, ул.Земляной вал, 73. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических Наук, доцент

И.Д.Сапрыкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение проблемы сохранения зерна, муки и других полуфабрикатов с наименьшими потерями имеет первостепенное" народнохозяйственное значение. Эта задача может быть решена только на основе полной автоматизации процессов контроля и регулирования влажности и температуры зерна и полуфабрикатов с использованием новых технических средств. Особенно важно обеспечить автоматический контроль и регулирование влажности и температуры в зернохранилищах складского типа, где зерно хранится в насыпях. Для длительного хранения зерна необходимо, чтобы относительная влажность его не превышала 10...15%, а температура не превышала 15...20°С. Даже относительно кратковременное повышение влажности и температуры приводит к активизации процессов метаболизма и к необратимому ухудшению пищевых свойств зерна.

В настоящее время контроль влажности зерна и полуфабрикатов производится, в основном, в лаборатории. Измерение температуры в большинстве зернохранилищ также не автоматизировано. Имеющиеся промышленные измерители влажности и температуры, как правило, не отвечают требованиям, предъявляемым условиями эксплуатации в зернохранилищах.

Вопросы автоматизации процессов контроля и управления режимами хранения зерна, рассмотрены в ряде работ В.И.Анискина, А.Е.Баума,

A.П.Гержоя, А.С.Гинзбурга, Г.А.Егорова, Н.П.Коэьминой, Н.И.Малина, Б.Е.Мельника, Н.В.Остапчука, А.Т.Птушкина. В.А.Резчикова, В.А.Сакуна,

B.С.Сергунова, Л.А.Трисвятского, В.С.Уколова, А.Е.Юкиша и др. Однако, несмотря на большое число работ по технологии хранения зерна, теплофизическим процессам в зерновой насыпи, ряд вопросов, которые необходимо учитывать при создании автоматической системы управления режимами хранения зерна изучен недостаточно.

Важнейшими элементами систем автоматического контроля и регулирования являются полупроводниковые чувствительные к влажности и

температуре элементы. Однако вопрос о промышленном выпуске приборов с полупроводниковыми чувствительными к влажности и температуре элементами практически не решен. Ряд трудностей возникает при расчетах статических и динамических характеристик чувствительных к влажности и температуре элементов. Отсутствуют также и серийно выпускаемые электронные термо- и влагопреобразователи, отвечающие требованиям к измерительной технике, работающей в условиях, характерных для зернохранилищ различных типов.

Данная работа актуальна в связи с тем, что, несмотря на возрастающие усилия российских производителей сельскохозяйственной продукции, значительная часть продукции не доходит до потребителя. Существуют значительные потери продукции в поле, при транспортировке, хранении и переработке. Резервы сохранения продукции связаны с устранением или с уменьшением при хранении продуктов таких негативных явлений, как убыль - массы, снижение биологической ценности продуктов в результате воздействия на продовольствие микроорганизмов, насекомых и различных клещей. Однако реализовать это на основе традиционных методов обработки пищевых продуктов чрезвычайно трудно.

Целью работы является разработка и внедрение в производство психрометрических устройств с использованием влаго- и температурочувствительных полупроводниковых структур, СВЧ-влагомеров и систем автоматического управления режимами хранения зерна на складах, в элеваторах и бункерах. В результате может быть достигнуто уменьшение потерь при хранении зерна и муки, улучшение качества хлеба, кондитерских и других изделий пищевой промышленности.

Из цели вытекают следующие основные задачи исследования: - разработка и расчет новых, надежных и недорогих, психрометрических устройств с использованием в качестве датчиков влаго- и температурочувствительных полупроводниковых структур;

- использование электромагнитных полей сверхвысокочастотного диапазона для контроля влажности и увеличения срока хранения пищевых продуктов;

: разработка новых датчиков влажности и методов их расчета для построения на их основе систем автоматического контроля влажности мукомольно-крупяных и кондитерских изделий;

- разработка методов компенсации влияния изменений условий внешней среды на работу устройств контроля и регулирования влажности;

- практическая реализация и внедрение на пищевых предприятиях автоматических систем контроля и регулирования влажности мукомольно-крупяных и кондитерских изделий.

При решении указанных задач были получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

- предложены полупроводниковые датчики влажности на основе серийных попупроводниковых резисторов, диодов и транзисторов;

разработаны методы расчета психрометрических устройств с использованием влага- и температурочувствительных полупроводниковых структур, в том числе: методы расчета характеристик полупроводниковых влагочувствительных терморезисторов; методы расчета характеристик полупроводникового влагочувствительного диода, смещенного как в прямом, так и в обратном направлении; метод расчета характеристик влагочувствительного транзистора;

- разработаны СВЧ-влагомеры для контроля и регулирования влажности мукомольно-крупяных и кондитерских изделий, в том числе для экспресс-анализа

влажности пищевых продуктов, а также контроля влажности кондитерских материалов;

- разработаны методы компенсации влияния изменений условий внешней среды на устройства контроля и регулирования влажности;

- предложен метод расчета на основе термокомпенсирующих элементов психрометрических устройств.

Моделирование и расчеты были выполнены на ПЭВМ типа IBM 486-DX2 с использованием программных средств WINDOWS, WORD для WINDOWS, EXCEL для WINDOWS.

Прикладное значение работы определяется следующими результатами, имеющими практическую ценность:

- разработаны психрометрические устройства для измерения и регулирования влажности с температурной компенсацией;

- практически реализованы и используются на пищевых предприятиях автоматические системы контроля влажности кондитерских изделий.

Разработан портативный СВЧ-индикатор влажности для цехового контроля:

- реализован экспресс-анализ влажности кондитерских материалов СВЧ-методом;

- разработано устройство автоматизации одновременного контроля температуры и влажности одним чувствительным элементом.

Разработанные устройства демонстрировались в Германии (ФРГ) в 19901994 г.г. в различных фирмах в городах Ландсберге (NWK), Эссена (Wilgelm Kluk) и др. и составлены договора о дальнейшем сотрудничества по выпуску СВЧ-влагомеров в ФРГ и в России.

Внедрение результатов работы проводилось на предприятиях системы заготовок и производства хлебопродуктов. Документы, подтверждающие использование разработанных устройств на пищевых предприятиях, приведены в приложении к диссертации.

В соответствии с Государственной научно-технической программой "Перспективные процессы в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса ( Проект "Приборы АПК")" под руководством диссертанта создан и прошел ведомственные и межведомственные испытания индикатор влажности сыпучих продуктов СВЧ-методом. Различные варианты этого прибора отрабатывались при длительной работе в производственных условиях, в . частности, на Шумерлинском хлебозаводе в Чувашии, Московском мукомольно-

крупяном комбинате, на нескольких хлебозаводах г.Москвы. Акты приемки

опытного образца, протоколы его испытаний приведены в диссертации.

------ Апробация основных результатов исследований проводилась в ГКНТ

РФ, на приемочных испытаниях на Шумерлинском хлебозаводе в Чувашии и других предприятиях, а также на кафедре "Электротехники, электроники и вычислительной техники" МГЗИПП. По материалам работы опубликовано 11 статей.

Исследования проводились на кафедрах "Электротехники, электроники и вычислительной техники", "Автоматизации, робототехники и САПР" и на ряде предприятий пищевой промышленност. Содержание работы соответствует задачам исследований и отражает решение вопросов автоматизации контроля и регулирования влажности и температуры технологических процессов в пищевой промышленности с использованием новых технических средств.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, изложенных на 152 страницах, и содержит также приложение, 59 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Впервой главе рассмотрена эффективность применения влаго- и температурочувствительных полупроводниковых структур в системах автоматического контроля температуры и влажности. Доказана необходимость непрерывного автоматического контроля влажности и температуры зерна, муки и других полуфабрикатов. В настоящее время большая часть убранного зерна поступает в зернохранилища в необработанном виде с повышенной влажностью. Основным требованием к этапу хранения зерна является снижение интенсивности дыхания. До 95% зерна при поступлении на хлебоприемное предприятие имеет температуру 20-25°С, а влажное зерно составляет до 70% урожая, сырое - до 20%. Поэтому важнейшей целью при построении систем автоматического контроля за состоянием зерна является измерение влажности и температуры по всей толще насыпи. В главе приведены основные

массовлагообменные характеристики и термодинамические параметры насыпи. Основные задачи системы автоматического управления режимами хранения зерна можно сформулировать следующим образом:

- снижение влажности и температуры зерновой насыпи;

- выравнивание поля влажности и температурного поля между слоями насыпи;

- аэрация межзернового пространства;

- предотвращение самосогревания зерна.

При этом основными способами управления являются:

- активное вентилирование зерна атмосферным воздухом;

- перемешивание зерновых слоев (ручное или механизированное);

- высокотемпературная сушка.

В результате проведенного анализа показано, что для уменьшения потерь и сохранения качества зерна необходима разработка и внедрение системы непрерывного автоматического контроля его влажности и температуры. Для этого необходимо разработать новые технические средства на базе полупроводниковых влаго- и термочувствительных структур. При этом важнейшей задачей является разработка инженерных методов расчета таких приборов.

В главе приведены разработанные автором методы расчета характеристик полупроводниковых впагочувствительных терморезисторов для различных значений влажности. Для аналитического расчета семейства вольт-амперных характеристик полупроводниковых впагочувствительных терморезисторов при различных значениях влажности необходимо знание четырех параметров, определенных по двум экспериментальным точкам. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что максимальные отклонения опытных величин от расчетных составляет не более 2%. Измерение влажности производится одним из следующих трех ' методов: "постоянного сопротивления", "постоянного напряжения" и "постоянного тока*. Выбор метода определяется режимом работы чувствительного элемента влагомера.

Предложено применение в качестве влагочувствительных элементов серийных полупроводниковых приборов, в том числе диодов, транзисторов и др. Разработаны методы расчета прямых и обратных ветвей вольт-амперных характеристик полупроводниковых влагочувствительных диодов для различных значений влажности. Показано, что если прямая ветвь ■ вольт-амперных характеристик диода представляет собой вольт-амперную характеристику Э-типа, то такой полупроводниковый диод можно использовать в качестве чувствительного элемента влагомера, выбрав при этом рабочую точку на участке этой характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Представляет интерес расчет для различных значений влажности характеристик включенного в обратном направлении полупроводникового диода, включая участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При обратном включении диод можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из параллельно соединенных источника тока !<?„ и резистора Кт. При этом = 1ян + иц/ЯТ = 1р„ + 1ят. где 1я - ток через диод в обратном включении и напряжение на нем; -сопротивление эквивалентной схемы; 1йн - ток насыщения, определяемый неосновными носителями в р,п-областях и зависящий только от температуры среды (дрейфовая составляющая обратного тока диода). Величина тока насыщения 1ц„ практически не зависит от влажности; - ток, протекающий через резистор Р?т эквивалентной схемы (термогенерационная составляющая обратного тока диода). Ток определяется как свойствами внешней среды, так и режимом работы. Таким образом, чтобы рассчитать обратную ветвь вольт-амперных характеристик диода для любой влажности фи . достаточно определить ее без учета тока насыщения Ы* в координатах 11^, 1И,Р а затем сместить начало координат по оси токов влево на величину 1Ян. В главе рассмотрено три графоаналитических метода расчета обратных ветвей вольт-амперных характеристик полупроводникового диода для различных значений влажности: "постоянного

сопротивления", "постоянного напряжения" и "постоянного тока". В каждом из этих случаев исходными данными для расчета являются две экспериментально снятые при температуре То вольт-амперные характеристики диода в обратном включении, одна из которых определена при влажности фо, другая - при некоторой влажности цц,-

Впервые предложено применять в качестве чувствительных к изменению влажности элементов полупроводниковые приборы с двумя р-п переходами. Разработан метод расчета характеристик чувствительных к изменению влажности транзисторов. Исходными параметрами для этих расчетов является:

1ск>- ток, измереный при температуре То = 293 К и напряжении им = 1В; при включении транзистора по схеме со свободным эмиттером;

I.-ток базы;

интегральные коэффициенты передачи базового тока транзистора Илм, Ьгш, Ьгиг, рассчитанные по следующим формулам:

Ь21Ьо=1с(<роУ('<;,о+1.);

ь21ы=1с(ч>1)/(1«о +'.);

Ь21ьг= 1с(ч>2) / (1«о +10;

где: 1с(<ро), 1с(ч>1 ) Цч>г )•- токи коллектора, измеренные соответственно при <Ро=0, ч>1, фг и напряжении Ц» = 1В при включении транзистора по схеме с общим эмиттером; а также две экспериментально снятые при температуре То выходные вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при постоянном базовом токе. Одна из характеристик измеряется в среде с влажностью фо . а другая - при некоторой влажности ф|. Расчет семейства выходных вольт-амперных характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером для различных значений влажности, сводится к следующему: 1.Две исходные вольт-амперные характеристики экспериментально снятые при влажности среды сро, <Р1, перенести вдоль оси токов, получив две смещенные характеристики без учета составляющей коллекторного тока 1С) (<рос«. чн»)-

основании дпух полученных хнрэктериспк ч-,... пссгришь полы-

л:.ч:орные характеристики Зто и есть состазляюшоя коллекторного Тикп 3 Определить значений коэффициента- ||!1И-дг,я- «(т,. предварительно раг.считпа-г.о приведенным п диссертации формулам коэффициент!.: К. С. <1. Для ;!ЛД..;ньой платности :рм вычислить величину 5.Сложить две составляющие

коллекторного тока 1с) и 1С?.по лученные согласно пунктам 2 соответственно.

5 главе также рассмотрены влагочувствительнь:е сзойстоа сплавных транзисторов при различных сочетаниях полярностей напряжений на базе, коллекторе и эмиттере для различных значений влажности среды и управляющих сигналов. Все входные и выходные вольт-амперные характеристики транзистора разделены на три основных типа: 1) характеристики типа прямых ветвей ВАХ р-п-перехода (1 типа); 2) характеристики типа обратных ветвей ВАХ р-п-перехода (2 типа); 3) транзисторные характеристики (3 типа). На основе такого разделения ВАХ предложены методики их расчета для различных сочетаний полярностей.

Получена линейная модель полупроводникового влагочувствительного термореэистора:

21оР?стоЛ' + 1о2 д Нет - Кро(1+ ТОР) ДТР = (Тро-То) Д КР;

Д|=ли^,/ (Я^+^по) - ит110(ДР,+Д Кс,) / (К„о + Яоо)2;

ди =ди„„ -К„оД1 -1оДР!,;

д Ксг= (-И^) В дТр/Тга?;

ди = а (1 - Ь 102 ) Д11 (1 + Ь 102)2;

Д| = Б Дф / [4<г." ( А + Б Ф0'5 )"-5).

|Р-оп=ротс» дифФероттр%>ьа«-ля; В - постс>-.н>«<1К ;;•-.! ¡«

о::? !пчра пг.лупр^з >диккового :.;г,июг::Иог.. ::;:; ... ;

нлагочувсюигсльного терморазистор.ч: К„ - резистор нзгрузкч-.: к,, коэффициент р-;1ссо::оаник, учнтыза:о:.:;.-,й е.;со виды раслрестряпения т.^пз о г рабочего тепа полупроводникового рлэгочулствиюлыюг'.- тгрморозистсрч; Т„ -температура рзСч>--.\'о тела пэгг/гроцодимкового впагочуист!-..« (,»г.ыг.>!а

Д1

1о

(11но+11сто)

жди

дф Б Д1 21 Д1

-> —> —>

22

дКр

д!ро

Тро-То —> 28 > 1/Кр0(ТоР+1) Тр0 29

дТр,

? ЯстоВ

1о Тр0

■V -^ дКст 210

-дКст

дЯст —>

дКст

Рис. 1.

терморозистора; То - температура окружающей среды; а, Ь параметры, эззисящие при постоянной температуре среды от физических свойств полупрово,'чвикового влагочуостиитольнзго элемента; А , Б - эмпирические коэффициенты, пээисящио от физических свойстп полупроводникового

влагочувствительного элемента и среды; «,-> - влажность окружающей среды.

Получены передаточные функции цепи с полупроводниковым влагочувствительным терморезистором Wií, \Л/ясЛ позволяющие

выбирать электрические параметры при построении психрометрических устройств с полупроводниковым влагочувствительным терморезистором.

На рис.1 представлена структурная схема модели полупроводникового влагочувствительного терморезистора, составленная на основании вышеуказанной

линейной модели, где: Дф, ДКР, ДК„, ди„„ - входные величины, а Д1, Д1Г, Д

ДТр - выходные величины. С помощью данной модели можно, задавая различные значения входных величин, получать соответствующие им значения выходных величин.

Во второй главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик измерителей влажности, использующих генераторы

сверхвысокочастотных электромагнитных полей. В измерителях влажности этого типа используется зависимость диэлектрической проницаемости и, следовательно, затухания микроволнового электромагнитного излучения от влажности продукта.

Основными преимуществами микроволнового метода измерения влажности по сравнению с другими косвенными методами являются:

- возможность измерения без непосредственного контакта измерительного элемента с исследуемым веществом;

- исследуемый продукт не разрушается в процессе измерения, как это имеет место при других методах;

- микроволновый метод практически безынерционен;

- микроволновое излучение нечувствительно к. загрязнению окружающей среды (пыль и водяные пары);

- микроволновые сигнзлы проникают сквозь непрозрачные вещества, тем самым позволяя проводить объемные измерения влажности;

- СВЧ-метод дает возможность измерять интегральное значенно влажности контролируемого вещества в конкретном объема.

1.-.:о«л1и изморитесь мс-.лс;.: сжои; из следующих функциональных Огюког: формирователя потока .контролируемого вещества; микроволнового г .м ¡оратор.-;; аттенюатора; знтонног;. устройства; приёмника СЗЧ-колебаний электромагнитного г.оля; блока обработки и индикэтсра.

В простых измерителях влажности, работа которых основана на изменении поглощения электромагнитного поля контролируемым продуктом, используется метод определения затухания э образце. При этом величина затухания, считываемая по показаниям регулируемого аттенюатора, является количественной оценкой содержания влаги в материале. Разработан также прибор, который измеряет влажность по изменению отраженной от контролируемого материала мощности. Он работает в 3-сантиметровом диапазоне, обеспечивая точность измерения влажности около 2% при значениях влажности от 30% до 70%. Микроволновые измерители могут быть применены для непрерывных измерений влажности сахарного песка, пшеницы, сахара кускового и т.д. с приемлемыми точностями. Погрешности измерения влажности вызываются флуюуациями толщины слоя, смещением материала в зоне измерения, неоднородностью электромагнитного поля (краевые эффекты).

СВЧ-влагомеры позволяют осуществить быстрое определение влажности продуктов, что очень важно для ряда пищевых предприятий. В основу исследуемого макета измерителя влажности положена базовая схема с микропроцессорной обработкой результатов измерений. Этот измеритель обеспечивает реализацию преимуществ СВЧ-метода и построен с использованием современных решений микросхемотехники и микропроцессоров. Б результате создана гибкая модульная конструкция, позволяющая- легко модифицировать комплект поставки г.пд требования конкретного производства, ооеслочипающая хорошую поспроизг-одимость результатов измерения ;-. ■■долпитаоряющая санитарно-гигиеничссьмм требованиям.

Совместимость разработанного измерителя влажности с ЛСУТП и непрерывного богкс.!-г';?:;г-;:-о контроля влажности, г.сз'-олчот сувсти

измеритель в технологические схемы вновь разрабываемых линий, избежав закупок дорогостоящей импортной аппаратуры аналогичного класса. Структурная схема индикатора влажности с микропроцессорной обработкой выполнена по классической однопараметрической двухканальной схеме и содержит: датчики температуры; генератор СВЧ; направленный ответвитель; аттенюатор; усилитель аналоговый; детекторная камера; коммутатор; аттенюатор управляемый; блок питания; блок обработки; индикатор цифровой; первичный преобразователь. При наличии в памяти микропроцессора калибровочной таблицы, соотносящей влажность анализируемого продукта с величиной СВЧ-сигнала, цифровой индикатор показывает влажность непосредственно в %. При этом процессор обеспечивает и компенсацию погрешности из-за изменения температуры продукта.

Разработан также портативный индикатор влажности, выполненный по простейшей однопараметрической одноканальной схеме со стрелочной индикацией влажности, использующий отраженный сигнал. В схему входят: СВЧ-циркулятор; аттенюатор с антенным устройством; источник тока; блок питания; приемная детекторная камера; усилитель стрелочный; индикатор влажности; датчик температуры; генератор СВЧ.

Экспериментальные образцы измерителей влажности пищевых продуктов испытаны в производственных условиях на ряде пищевых предприятий, выпускающих хлебобулочные и кондитерские изделия.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и работ по созданию новых технических средств для устройств контроля и регулирования влажности и температуры мукомопьно-крупяных и кондитерских изделий. Одной из основных проблем при практическом использовании полупроводниковых психрометрических датчиков является компенсация зависимости их параметров от температуры.

В работе предложено применять в качестве термокомпенсирующих элементов психрометрических устройств металлические резисторы. Проведены

исследования, подтвердившие эффективность их применения. Выведены формулы для инженерных расчетов металлических резисторов, используемых для термокомпенсации параметров психрометрических датчиков влажности.

Параметры термокомпенсирующего резистора могут быть описаны уравнением

U = [ R I / (1 - a, R I2 / Кр).

где U - напряжение, падающее на резисторе [В], I - ток, протекающий через резистор [А], а, - температурный коэффициент сопротивления резистора, Кр - коэффициент рассеивания, определяет все виды отвода тепла от рабочего тела резистора, и численно равен мощности, рассеиваемой в среду при нагреве в 1К. Величина коэффициента рассеивания зависит от конструкции резистора, а также от условий внешней среды. Следует отметить, что уравнение является нелинейным.

Разработан инженерный метод расчета параметров характеристик термокомпенсирующего резистора. Расчеты выполнены на ПЭВМ типа IBM 486 -DX2 с использованием программных средств WINDOWS, WORD для WINDOWS, EXCEL для WINDOWS.

В главе приведен также разработанный автором метод аналитического расчета статических характеристик полупроводниковых терморезисторов, используемых в качестве термокомпенсаторов. Получены уравнения, определяющие в явном виде статические характеристики полупроводниковых терморезисторов. Для расчета вольт-амперных характеристик необходимо иметь не более трех паспортных параметров.

Общее уравнение полупроводникового терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления записывается в виде: U = (RI0 l)/( 1 +mT„R„lJ),

где тто - коэффициент, характеризующий энергетическую чувствительность терморезистора к изменению условий внешней среды.

Универсальная вольт-амперная характеристика полупроводникового терморезистора запишется в виде следующего простого уравнения: у1 = (2х,)/(1 + х,'). Расчет этой зависимости производится с помощью ЭВМ, шаг изменения аргумента Дх=0,1. При расчете семейств вольт-амперных характеристик термореэистора для различных условий внешней среды достаточно найти изменение напряжения и тока в точке максимума для каждой характеристики семейства. При практическом применении метода универсальных функций необходимо придерживаться следующей схемы расчета: 1) уточнить исходные параметры терморезистора при определенных условиях среды; 2) определить значения исходных параметров терморезистора для различных условий среды; 3) для получения реальных характеристик необходимо осуществить линейные преобразования универсальной функции на соответствующие параметры.

Разработаны методы компенсации изменений условий внешней среды и электрического режима полупроводниковых приборов. Получены передаточные функции компенсаторов, которые представляют собой передаточные функции первого порядка. Предложена принципиальная структурная схема инвариантного датчика, состоящего из компенсаторов изменения соответственно физических параметров внешней среды и электрического режима работы; датчика влажности и измерительного прибора. Это - многоканальная схема. Коэффициенты передачи данного компенсатора пропорциональны выходным величинам и обратно пропорциональны входной величине, а также зависят от соотношений статического и нагрузочного сопротивлений и от динамического множителя.

Решен вопрос автоматизации одновременного контроля нескольких параметров одним чувствительным элементом с решением вопроса термокомпенсации. Это стало возможным благодаря тому, что разработаны способ и устройство одновременного измерения нескольких параметров одним чувствительным элементом путем обработки выходных сигналов преобразователя по градуировочным характеристикам и определения по

амплитудам гармоник выходного сигнала величины параметров. При этом, с целью расширения функциональных возможностей, с выхода измерительного преобразователя лостоянйого тока с одним чувствительным элементом сигнал подают на преобразователь постоянного тока в переменный ток полигармонического сигнала и по амплитудам гармоник выходного сигнала судят о величине параметров, используя при этом соответствующие градуировочные характеристики. Амплитуда каждой гармоники по разному зависит как от влажности, так и от температуры и скорости потока. При этом может меняться не только чувствительность каждой гармоники к разным параметрам, но и знак этой чувствительности. Математическая обработка градуировочных характеристик дает возможность определить зависимости измеряемых параметров от амплитуд гармоник. При этом, чтобы определить два параметра для обработки, достаточно иметь две гармоники. Для определения п-параметров необходимо иметь п-гармоник.

В четвертой главе приведены результаты практической реализации автоматической системы контроля и регулирования влажности и температуры мукомольно-крупяных и кондитерских изделий на пищевых предприятиях.

Приведены результаты моделирования на ЭВМ процессов контроля и регулирования влажности и температуры мукомольно-крупяных и кондитерских изделий. Определены места установки датчиков влажности и температуры в зерновых насыпях и т.д. Разработана математическая модель зерновой насыпи, которая позволяет проводить расчет влажности и температуры в различных точках.

Математическая модель позволяет производить:

1.Анализ процессов теплообмена между зерновой насыпью и атмосферным воздухом.

2.Расчет процессов теплообмена между зерновыми слоями при отсутствии или наличии очагов самосогревания.

З.Оценку изменения полей температуры и влажности при охлаждении зерна

в результате активного вентилирования.

------В —основу-- разработанной матмодели положены дифференциальные

уравнения, описывающие нестационарные процессы массо- и теплообмена в зерновой насыпи. Исходные данные для моделирования были получены опытным путем в зернохранилищах различных типов.

В качестве измерителей температуры использовались погружные термощупы ИТЭ-1, разработанные в Московском государственном заочном институте пищевой промышленности. Для измерения влажности зерна применялись разработанные диссертантом влагомеры. В работе приведены разработанные автором алгоритмы и описания программы на ЭВМ для расчета температурного поля в зерновой насыпи. В результате моделирования показано, что процесс самосогревания зерна может быть описан системой с положительной обратной связью.

В главе представлены также результаты испытаний разработанной автором системы автоматического измерения и регулирования влажности с повышецрой надежностью и температурной компенсацией на основе полупроводниковых структур.

Устройство отличается тем, что в нем в четвертое плечо мостовой схемы включена термокомпенсирующая электрическая цепочка, состоящая из полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении, и параллельно ему включенного постоянного резистора, что позволяет упростить схему и повысить надежность ее работы.

В главе приведено описание используемых на ряде пищевых предприятий СВЧ-влагомеров, работающих на основе поглощения СВЧ-энергии пищевым продуктом, а также на основе ее отражения.

В структурной схеме СВЧ-влагомера по поглощению модулятор, выполненный на инверторных логических микросхемах, модулирует два импульсных напряжения, одинаковых по величине, но находящихся в

противофазе. Это позволяет работать генератору СВЧ в импульсном режиме, что имеет целый ряд преимуществ: повышается точность измерения влажности, увеличивается помехоустойчивость, возможность использования резонансного усилителя вместо усилителя постоянного тока (низкая стабильность работы УПТ), повышается мощность излучения за счет экономии мощности рассеивания, повышается надежность. В схеме использован лавинно-пролетный диод. В данном устройстве на синхронный детектор приходят два разнополярных сигнала из модулятора, которые синхронно открывают и закрывают его, накапливая как полезный сигнал с помехами, так и одни помехи. Далее происходит вычитание этих сигналов, таким образом, помехи компенсируют друг друга, а полезный сигнал усиливается и подается на регулятор и измерительный прибор. В диссертации приведены также материалы, касающиеся ■ СВЧ-влагомера, работающего на принципе отражения.

Приведены результаты испытаний разработанного с участием автора СВЧ-влагомера для экспресс-определения влажности мучнисто-кондитерских и хлебобулочных изделий. Прибор изготовлен на предприятии "Импульс" и состоит из генератора СВЧ, волноводного тракта, аттенюатора, детекторной головки и измерительного прибора. Излучающая часть устройства закреплена на держателе, установленном в специальных направляющих. Вращающаяся головка при повороте ручки обеспечивает перемещение держателя вдоль вертикальной оси штатива с фиксацией в необходимом положении. При этом ход перемещения держателя составляет 300 мм. Это необходимо для осуществления перехода от измерения продуктов с малой влажностью к измерению продуктов с большой влажностью.

Разработанные с участием и под руководством автора влагомеры демострировались в Германии (ФРГ) в 1990-1994 г.г. в различных фирмах в городах Ландсберг, Эссен и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

_______В результате проведенных в диссертации теоретических и

экспериментальных исследований получены следующие новые результаты и разработаны рекомендации.

1.Разработаны принципиально новые влагочувствительные датчики психрометрических устройств на основе серийных полупроводниковых приборов. Созданы графо-аналитические методы расчета характеристик полупроводниковых влагочувствительных датчиков для различных диапазонов изменения влажности. Получены простые формулы для инженерных расчетов характеристик полупроводниковых влагочувствительных диодов и транзисторов. Рассчитаны передаточные функции измерительной цепи с полупроводниковым влагочувствительным терморезистором, которые можно реализовать с помощью простейших цепочек, содержащих резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

2.Проведено исследование и созданы бесконтактные измерители влажности, использующие сверхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение. Разработанные системы высокочувствительных СВЧ-измерителей влажности могут решать самые разнообразные задачи, связанные с обнаружением очагов самосогревания зерна, определением высоты зерновой массы в силосных башнях, определением влажности зерна, диэлектрической проницаемости и др. Разработан СВЧ-влагомер с генератором СВЧ-излучений, собранным на диоде Ганна, предназначенный для контроля и регулирования влажности различных кондитерских материалов (сахар, сухое молоко, яичный порошок и т.п.). Показано, что на основе микроволнового метода возможно достижение измерения влажности на потоке. Разработан портативный индикатор для цехового контроля с цифровым способом отображения информации и микропроцессором. Для экспресс-анализа влажности пищевых продуктов СВЧ-методом разработан экспериментальный образец индикатора влажности пищевых

продуктов. испытанный в произволе! венных условиях предприятий, выпускающих булочные и кондитерские изделия. При разработке измерителей влажности использовались последние достижения микросхемо- и микропроцессорной техники; гибких модульных конструкций, позволяющих легко модифицировать комплект поставки под требования конкретного производства. Созданные СВЧ-влагомеры обладают хорошей воспроизводимостью результатов, удовлетворяют санитарно-гигиеническим требованиям; и имеют метрологическое обеспечение.

3.Проведено моделирование на ЭВМ процессов контроля и регулирования температуры и влажности пищевого сырья для мукомольно-крупяных и кондитерских изделий. Определены места установки датчиков влажности и температуры в зерновых насыпях и т.д.

4. Предложен аналитический метод расчета термокомпенсирующих элементов психрометрических устройств на основе использования металлических, а также полупроводниковых терморезисторов. Моделирование и расчеты выполнены на ПЭВМ типа IBM 486 - DX2 с использованием программных средств WINDOWS, WORD для WINDOWS. EXCEL для WINDOWS. Получены уравнения, определяющие статические характеристики полупроводниковых терморезисторов с отрицательным . температурным коэффициентом сопротивления. При этом использован метод универсальных функций, позволяющий с помощью ЭВМ найти такую безразмерную зависимость, (выведенную на основании физических уравнений), переход от которой к реальной характеристике осуществляется линейными операциями.

5.Разработан способ и устройство для одновременного измерения температуры и влажности одним психрометрическим полупроводниковым датчиком. Это достигается путем обработки выходных сигналов датчика по специальным градуировочным характеристикам с использованием гармоник выходного сигнала. Предложенный метод позволяет определить с помощью одного датчика и большее число параметров.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Кривоносое Д.А. и др. Устройство для измерения температуры. Пензенский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды (ЦНТИ). Информационный листок N 299 - 93.

2.Кривоносов Д.А. и др. Устройство для измерения и регулирования температуры. Новые промышленные технологии. Производственно-технический журнал. Выпуск 2 (256). М -1993, с.46 - 48.

3.Кривоносое Д.А. и др. Портативнный индикатор для цехового контроля. - М.; Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N1, с.26-27.

4.Кривоносое Д.А. Изыскание возможностей регулирования степени старения через уровень энтропии. - М.: Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N1, с.27-28.

5.Кривоносое Д.А. и др. Система оптимального управления освещением растений в условиях искусственного климата. - М.: Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N1, с.28-29.

6.Кривоносов Д.А. Производство экологически чистых продуктов с применением СВЧ-технологий. - М.: Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N1, с.29.

7.Кривоносов Д.А. и др.СВЧ-влагомер пищевых продуктов,- М.; Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N2-3, с.34-37.

3.Кривоносое Д.А. Обобщенное уравнение проводимости резисторов как приборов первичной информации технологических процессов пищевой промышленности - М.; Международный журнал "Биотехнология и управление", 1995. N4, с.17-21.

9.Кривоносое Д.А. и др. Биметаллический термокомпенсатор. Новые промышленные технологии. Производственно-технический журнал. Выпуск 6 (260). М - 1993, с. 63 - 64.

.10.Кривоносое Д.А. и др. Источник опорного напряжения. Новые промышленные технологии. Производственно-технический журнал. Выпуск 4(258). М - 1993. с.32 - 35.

11.Кривоносое Д.А. и др. Симметричный мультивибратор. Пензенский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды (ЦНТИ). Информационный листок N 186 - 90.