автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Контроль влажности травяной муки электрическим методом в процессе производства с целью повышения ее качества

liba МЭдПбПЬ 9П60ШВ0 toad(50 ыызяьдпю во языюеэоь

ЬдОХОРПЗС! JHWbOÓ

b¡ij¿á»30<y>b ВппвпЬ росодсо ег5г>Зов

39J 0X58

cueaort хозлнгсзь ÓO КМПМЭ

xoa&io'sooofiobxn вттэчизао т^бьзтепь ото еоновпь 6¿etus;¿3¿ во em¡o элп■зэзвбхпь воылзадм

ó3eei<iJ3 3<tóeo ^ Лддлс ¿Góto )

вйОСОЫ) 1990

Sucas 717 УЭ 03656 Тиргик ICO

Подписано к пепти 30.05.90. количеств* усл.дисвов I 0' ' ' j

Количество учетно - издательских лизтов 1,0

БЕСПЛАТНО Ш> - ni) (i¡5J9ao,'a3o£>oOrt - 37

Типография ГрузСХИ, Тбилиси - 31

ЛЩШГРАДСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ^ ^ * СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АЛЕКСАНДРОВ Валерий Александрович

УДК 621.3:631. Г71:631.363:53 .СВИ .2:636.086( 0«. 3)

КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ТРАВЯНОЙ МУКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ КАЧЕСТВА

Специальность: 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного Вяаыени сельскохозяйственной институте.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

KOJ1ECOB J1.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор К7РТИНЕР, Д.А.; кандидат технических наук, профессор КРАВЦОВ A.B.

Ведущая организация: НИПТИМЭСХ НЗ РСЗСР ИПО "Нечернозем-

агромаш".

Защита состоится 28 декабря в 12 час.'30 мин. на заседании специализированного совета К 120.37.06 в Ленинградском ордена Iрудового Красного Знамени сельскохозяйственном институте по адресу: 189620, Ленинград-Пушкин; Академический пр., 23, пул. 529.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛСХИ. Автореферат разослан ноября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, ¡£(-

доцент

СЕЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

i Актуальность теш. Существующий контроль влажности травяной муки в процессе ее производства (методом отбора проб) не позволяет проводить технологический процесс сушки в режимах близких к оптимальным, увеличивается выпуск'низкосортной продукции. Для сохранения качественных показателей травяной муки при ее производстве возникает необходимость в применении технических средств, контролирующих влажность муки как основного параметра процесса сушки. Учитывая зысокув стоимость и кормовую ценность травяной муки I и 2 класса задача но разработке технических средств контроля влажности, позволявших снизить процентное содержание низкоклзсеной и неклассной готовой продукции, является актуальной.

Настоящая работа выполнена по плану научных работ кафедры "Электрические машины и электропривод" ЛСХИ в соответствии с заданием 02 целевой комплексной научно-технической программы 0Ц0Э2 и в соответствии с постановлением ГКНТ СССР .4 296 от 25.06.C4 г.

Цель работы. Снижение производства низкосортной травяной муки посредством контроля основного параметра сушки - влажности готовок продукции.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решэнъ! следующие задачи:

1. Проведен анализ методов и средств контроля влажности сыпучих материалов и выбран диэлькометрическиП метод контроля влажности травяной муки.

2. Осуществлен анализ и синтез схем замещения первичного преобразователя с травяной мукой различной влаяности и получены частотко-влажностные характеристики травяной муки.

3. Произведен анализ частотно-вла-кностных характеристик травяной муки и выбрана частота электрического поля схемы устройства контроля влажности.

Определены факторы, влияошие на электрические свойства травяной муки, экспериментально исследовано влияние этих факторов и забраны методы их компенсации.

5. Осуществлен анализ конструктивных *орч первичных преобразователей. выбрана конструкция плоскопараллельного преобразователя и произведена оптимизация его параметров.

6. Проведен анализ измерительных схем и выбрана мостовая схема устройства контроля влажности.

7. Разработано к испытано устройство контроля влажности 'травяной муки, дана оценка его экономической эффективности,

Матог-о_ исследованчя. В работе использована методы синтеза писсишых двухполюсников теории электрических цепей, метода теории корреляции и экспериментальные методы. Расчеты час-тотно-Блакностнкх характеристик травяной муки выполнялись с помощью Эй 4 ЕС-1033,

Научная новизна. В работе впервне предложена методика получеши схем замещения первичного преобразователя с травяной иукоп,установлены закономерности изменения электрических свойств травяной муки в диапазоне частот 0,075...ыГц и выявлено влияние на них влажности, объемной плотности и температуры.

П ря 1 • т и че о кая значимость. Предложенная методика синтеза схем занесения может бить использована при разработке устройств контроля влажности, базирующихся на диэдькометрическом, кондук-тоамрическом методе и методе СВЧ, а таете при исследовании электрических свойств любых сложных диэлектриков.

Разработанное устройство контроля влажности может использоваться при производстве травяной муки. При этом годовой экономический эффект составляет примерно 9 тыс. руб.

Основное положения, выносимые на защиту. На защиту выносится:

1. Обоснование способа контроля влажности травяной муки.

2. Анализ и синтез схем замещения первичного преобразователя с травяной мукой различной влажности.

3. Анализ частотно-влажноепшк характеристик травяной

муки.

Практическая реализация способа контроля влажности травяной муки.

Реализация результатов. Разработанное устройство контроля влажности травяной муки испытано в производственных условиях в совхозе "Восход" АПК "Тосненский" Ленинградской области. Материала по исследован и» электрических свойств травяной муки и разработке устройства контроля влажности приняты к внедрении Ленинградским Агрофизическим научно-исследовательским институтом.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ЛСХИ (Ленинград-Пушкин, 1976...1962, 1965...1987 г.г.) и ЧШЭСХ (Челябинск, I9B4, 1967 г.г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста: в него включены 47 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 138 наименований и 4 приложения на 20 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены зоотехнические требования к качеству травяной муки и обоснована необходимость контроля влажности при ее производстве. Произведен анализ существующих методов контроля Елакности сыпучих материалов и выбран диэлько-метрический метод.

В главе дан анализ литературы:

- по устройствам контроля влажности сыпучих сельскохозяйственных материалов;

- по способам определения и исследования электрических свойств влагосодержацих материалов;

- по влиянию возмущащих воздействий на электрические свойства влагосодержащих материалов и способам их компенсации при контроле влажности.

В результате анализа установлено:

- первичные преобразователи и электрические схемы рассмотренных устройств контроля влажности оказываются непригодными для контроля влажности травяной муки;

- для выбора схемы и частоты электрического поля устройства контроля влажности необходимы исследования диэлектрических свойств травяной муки и анализ чясготно-дла^ностных характеристик;

- исследования диэлектрические сг.оГстр травяной чуки сл'гду^т

3

проводить с использованием схем замещения;

- наибольшее влияние на электрические свойства влагосодержа-щих материалов оказывают колебания влажности, частоты электрического поля, объемной плотности и температуры. Колебания химического и гранулометрического состава, неравномерность распределения влаги и т.п. из-за малости еносшой иыи погрешности рассматривать нецелесообразно.

Ка основании вышеизложенного в настоящей работе были поставлены задачи:

- разработать методику определения частотно-влахностных характеристик на основе синтеза схем замещения преобразователя с травяной ыукой;

- исследовать электрические свойства травяной иуки и выявить степень влияния на них частоты электрического поля, влажности, обьемной плотности и температуры;

- произвести анализ частотно-вяашостних характеристик травяной иуки с целью выбора оптимальной частоты электрического

ноля;

- произвести выбор конструктивной формы первичного преобразователя к оптимизировать его параметры;

- произвести выбор электрической схемы устройства контроля влажности травяной муки;

- разработать устройство контроля влажности и испытать в лабораторных и производственных условиях;

- произвести исследование экономической эффективности использования устройства контроля влажности травяной муки.

Вторая глава посвящена разработке методики определения частогно-влажностных характеристик травяной муки с помощью схем замещения.

Суть предложенной методики определения частотно-влажноет-ных характеристик заключается в следующей:

- на вход первичного преобразователя с исследуемым материалом подается заранее известной формы напряжение;

- с экрана осциллографа снимаются временные зависимости напряжения и протекающего под его действием тока;

- снятые экспериментальные кривые описываются матеыатгческкыи формулами;

- по полученным временным характеристикам напряжения и тока 4

методами синтеза пассивных двухполюсников теории цепей определяется схемы замещения первичного преобразователя с числовыми значениями входящих в них элементов;

- с помощью схем замещения рассчитываются частотно-влажностнне характеристики исследуемого материала.

В результате реализации предложенного метода получены временные зависимости напряжения к токов вида

А-Як^*, (!)

I» Г

где А - значение напряжения или тока; К - постоянная, определяемая начальными условиями; ¿/у- ; Т - постоянная времени электрической цепи; £ - время.

В операторной форме выражение (I) принимает вид:

а

Общий вид формулы входного сопротивления преобразователя Ц(Р) . Вт-1рт I -■■+Вс

¿(Р)~ 1(р}=л Спрп+Сп-,Рп" + -+е0 '

где /77 - степень полинома числителя; п - степень полинома знаменателя; В . О »А ~ коэффициенты, величины которых зависят от влажности травяной муки.

Выражения (3) проверялись на физическую реализуемость по условиям Бруне. Проверка показала, что все функция (3) при различных влажностях травяной муки реализуются пассивными двухполюсниками .

Реализация по первой форме Кауэра производилась разложением функций (Э) в цепную дробь с помощью операции "деление -обращение". В результате получена схема замещения, вид которой приведен на рис. 1а. Количество элементов схемы и их числовые значения зависят от влажности травяной муки.

Реализация по первой форма Фостера осуществлялась с помощью разложения функций (3) на элементарные дробя методом вычета. В результате получека схема замещения, вид которой приводен на рис. 16.

Л £3 м кг ,04

н—Н—М~~Н

а\

т т т_

К7 1-1-т_'-И__м

^РчьЙШУ

.5 0~

Рис. I. Схемы замещения первичного преобразователя с травяной мукой, реализованные по первой форме: а Кауэра; б - Фостера.

Сравнительный анализ схем замещения показал, что предпочтительней схема, реализованная по первой форме Кауэра, так как при ее реализации проще математический аппарат.

С помощью схем замещения в работе определены частотно-ьзз.у.ноещыа характеристики преооразователя с травяной мукой. Для огог-о нййдсни входные сопротивления в виде ¿■'п _ £п-1

Ни <"о' £ Мк О)*

-: - ¿Л -Т'^-• - С4)

С помощью ЭШ ЕС-ЮЭЭ по формуле (4) в диапазоне частот 0,075..ДО мГц произведен расчет кривых £ (сд] , ЭСс(<й) и частотно-влакноотных характеристик:

где (5 диэлектрическая проницаемость травяной муки; Сг » С - емкости незаполненного преобразователя и преобразователя с травяной мукой; р - удельное сопротивление травяной муки; 6. - высота слоя муки в преобразователе; К - геометрический коэффициент электродной системы.

На рис, 2 приведены зависимости диэлектрической проницаемости травяной муки от влажности при различных частотах электрического поля.

Анаяиз частотно- влажноотних характеристик выявил, что целесообразно принять:

б

- контролируемый сигнал зависящим от £ ;

- частоту электрического поля устройства контроля влажности равной 0,5 МГц.

В третьей главе ' произведена проверка предложенной в .главе 2 методики определения частотно-влажностных характеристик. Для этого характеристики травяной муки определялись с помощь» куыетра. Полученные зависимости

для граничных (в исследуемом диапазоне) частот приведены на рис. 2. Совпадение кривых указывает на правильность предложенной методики.

С целы) выявления возможности использования устройства контроля влажности при хранении травяной муки исследованы зависимости объемной плотности % от времени хранения t и глубины слоя /? . Установлено, что зависимость ¡{(Я) имеет линейный характер и описывается уравнением

(б)

где и й. - коэффициенты, зависящие от влажности травяной муки, времени es хранения, гранулометрического состава, фазы вегетации растений и др. факторов. В проведенном эксперименте при времени хранения 100 суто«;, неизменной влажности травяной муки 7,4 % и температуре окружающей среды 20°С Уа -258 кг/м3, а - 28 кг/м4.

Зависимость tf (i) носат экспоненциальный характер и опи-

Рис, 2. Зависимости травяной муки при различных частотах: I - определяемые о помощью куметра; 2 - определяемые с пог мощью схем замещения.

сывается уравнением

где /Уот. - установившаяся объемная плотность; Т - постоянная времени. При принятых условиях эксперимента « = 286 кг/м3; Т - 21 сутки.

В результате эксперимента установлено, что при контроле влажности травяной муки, хранящейся насыпью, необходимо вводить поправки в соответствии с вышеприведенными зависимостями.

Кроме того, в главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований влияния объемной плотности и температуры Т на диэлектрическую проницаемость травяной муки. На рис.З и 4 приведены такие зависимости при фиксированных значениях

влажности и частоты электрического поля.

И. У

Г ,л 0' X

_ С..5Уо

<5

0/4 0,26 ^ 0,30

Рис. 3. Зависимости (У) травяной муки влаж-ностью'П.Э %.

¿>,34 гЛнъ О38 15 £5 35 45 "С 55 • Т —

Рис. <♦. Зависимости травяной муки при частоте 0,5 мГц.

Анализ приведенных на рис. 3 и Ч зависимостей и

£ (т) показал, что при разработке устройства контроля влажности травяной муки необходима компенсация погрешностей, обусловленных колебаниями / и 7 . Линейный характер этих зависимостей упрощает выбор методов компенсации.

Четвертая глава посвящена разработке устройства контроля влажности травяной муки. Экспериментальными исследованиями диэлектрических свойств травяной муки установлено, что 8

для разработки устройства контроля влажности необходимо:

- обеспечивать однородную объемную плотность травяной муки в нежэлектродноы пространстве преобразователя;

- осуществлять коррекцию показаний устройства контроля в зависимости от температуры травяной муки;

- контролировать влажность по емкостной составляющей полного сопротивления преобразователя на частоте 0,5 мГц.

Для выполнения первого требования произведен анализ конструкций емкостных преобразователей, используемых,в устройствах контроля влажности сыпучих материалов. В результате анализа выбрана конструкция плоскопараллельного преобразователя и приведена методика определения его конструктивных параметров, обеспечивающих однородную плотность травяной муки в межэлектродном пространстве.

Для выполнения второго требования в принятую-измерительную схему устройства включен териорезистор с температурным коэффициентом, близким к температурному коэффициенту диэлектрической проницаемости травяной муки.

Для выполнения третьего .требования произведен анализ измерительных схем, используемых в устройствах контроля влажности, базирующихся на "емкостном" методе. В результате анализа принята мостовая схема и на ее основе рг-дработано устройство контроля влажности, блок-схема которого приведена на рис.5.

Рис. 5. Блок-схема устройства контроля влажности травяной муки.

Схема состоит из блока питания БП, высокочастотного генератора ВГ, узла температурной поправки ТП, измерителя И, первичного щ?еобразоватедя ПП, анализатора А, усилителя У, коммутатора К и измерительного прибора И1.

Изменение влажности травяной муки в преобразователе приводит к разбалансу моста измерителя и появления на выходе мостовой схемы напряжения разбаланса, пропорционального приращению емкости преобразователя. Это напряжение выпрямляется в измерителе, суммируется о сигналом термопоправки и поступает на анализатор. Если влажность травяной муки не выходит за пределы заданных уровней, сигнал с анализатора подается на усилитель, усиливается и поступает на коммутатор и измерительный прибор, проградуированный в процентах влажности. Коммутатор осуществляет коммутации во внешних цепях сигнализации и может выдавать сигнал для регулирования технологического процесса сушки.

Пятая глава посвящена вопросам экспериментального исследования устройства контроля влажности в лабораторных и производственных условиях. В лабораторных условиях произведена градуировка измерительного прибора и определены погрешности. Производственные испытания разработанное устройство прошло в совхозе "Восход" АПК "Тосненское" Ленинградской области. Испытания показали его работоспособность. Усредненная относительная погрешность в статике составила менее 0,6 в динамике - I Предельная относительная погрекность в статике - 1,29 %, в динамике - 1,4 %.

В шестой главе произведен расчет экономической эффективности применения устройства контроля влажности. Годовой экономический эффект составляет 9166 руи. при сроке окупаемости капитальных вложений 1,3 месяца.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Основным параметром, определяющим качество травяной муки в процессе производства, является ее влажность. Кондиционное значение влажности составляет 9...12 %. Отклонение влажности в сторону уменьшения от кондиционной приводит к увеличении расхода жидкого топлива и снижению питательной ценности муки как в процессе производства, так и хранения. Пересушка муки приводит к повышенному распаду каротина и перевариыого протеина. Так, например, при влажности травяной муки после сузш: В % в I кг муки содержится 133,3 иг каротина, тогда как при 12,4 % - 187,2 ыг. Кроме того, в пересушенной мухе при

хранении каротин разрушается быстрее. Так, например, при кес-тимесячном хранении травяной муки платность» б % 'Меряется 52...54 % каротина, з то время как при влажности 10...12 % -

Отклонение влажности травяной муки в сторону увеличения от кондиционной приводит к засорению молотковых дробилок и дозаторов АВЧ, повышенному расходу электроанергии на дробление и повышенному разрушению каротина при хранении под влиянием плесени. ■

Вышеизложенное и то, что контроль влажности позволя'"? снизить выпуск ннзкоклассной и неклассной муки г. среднем па II %, указывает на необходимость в контроле влажности травяной муки при ее производстве.

2. Из существующих методов контроля влажности дисперсных материалов для контроля влажности травяной муки наиболее приемлемым является диэлькометричеекий, который не требует отбора проб как пикнометрический, теллофизичеокий, механический

и все. прямые методы, не требует мер предосторожности и специальны х защитных устройств, предохранявших обслуживающий персонал от биологического дейогвяя излучений, как того требуют радиометрические методы. Оптические методы неприемлемы' из-за того, что влажность необходимо контролировать в толще травяной муки. Акустический метод и метод СВЧ неприемлемы из-за наличия в материале больного числа воздушных включений и неоднородного гранулометрического состава.

3. Разработанная методика синтеза схем замещения первичного преобразователя с травяной мукой различной влажности позволила определить частотно-влажностные характеристики^ анализом которых установлена рабочая частота электрического поля 0,5 мГц и контролируемый параметр - диэлектрическая проницаемость травяной муки.

Анализом конструктивных форм первичных преобразователей и измерительных схем "емкостных" устройств контроля влажности сыпучих материалов установлено, что в устройстве контроля важности травяной муки следует принять в качестве:

- первичного преобразователя - плоскопараллельный;

- измерительной схемы - мостовую.

Однородная плотность травяной муки в межэлектродном пространстве обеспечена оптимизацией конструктивных параметров первичного преобразователя. Температурная погрешность скомпенсирована включением в принятую схему устройства контроля влажности терморезистора с температурным коэффициентом, близким к температурному коэффициенту диэлектрической проницаемости травяной муки.

5. Исследованием разработанного устройства контроля влажности в лабораторных и производственных условиях установлено, что предельная относительная погрешность в статике составила 1,29 %, в динамике - 1,4 %, В период испытания устройство контроля влажности позволило снизить выпуск низкоклассной и неклассной травяной муки в среднем на II %.

6. Расчетный годовой экономический эффект от применения устройства контроля влажности на одном агрегате витаминной муки ЛВМ-1,5 составляет 9186 руб. при сроке окупаемости в 1,3 месяца.

Основные положения диссертации опубликованы в следуюзтх работах:

1. Александров В.А. Обоснований автоматической системы управления процессом сушки в агрегатах витаминной муки, -Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, Л., 1977, т. 312. - С. 83...88.

2. Колесов Л.В., Александров В.А. Выбор метода и частоты измерения датчика влажности травяной муки в потоке. - Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, Л., 1978, т. 341. - С. 79...85.

3. Александров В.А. Исследование характеристик плотности травяной муки в процессе ее хранения. - Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, Л., 1978, т. 341. - С. 93...95.

4. Александров В.А. Анализ емкостных преобразователей

с целью выбора оптимального варианта конструкции для измерения влажности травяной муки в потоке. - Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного ппоиз-

водства, Л., 1979, т. 366. - С. 63...67,

5. Колесов Л.В., Александров В.А. Определение параметров емкостного преобразователя датчика влажности травяной муки. -Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства, Л., 1979, т. Збб. - С. 67...73.

6. Александров В.А., Кулагин В.А. Электрическая модель емкостного преобразователя с травяной мукой и зерном различной влажности. - Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация технологических процеосов в животноводстве и растениеводстве, Л., I98X, т. 104. - С. 12...17.

7. Александров В.А, Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость травяной муки. - Научные труды ЛСХИ, Электрификация и автоматизация технологических процеосов в животноводстве и растениеводству, Л., 1982. - С. 30. ..32.

8. Александров В. А. Исследование диэлектрических характеристик травяной муки с помощью схем замещения. - Сборник научных трудов ЛСХИ, Автоматизация процеосов послеуборочной обработки зерна, Л., 1985. - С. 58...60.