МЕТОДЫ  КОНТРОЛЯ  ВЛАЖНОСТИ  ЗЕРНОВЫХ  ПРОДУКТОВ  НА  ЭЛЕВАТОРАХ

Муравлев  Вячеслав  Константинович

канд.  физ-техн.  наук,  зав.кафедрой  приборостроения,  доцент  Карагандинского  государственного  технического  университета,  РК,  г.  Караганды

Мырзабекова  Акмоншак  Мухаммеджановна

магистрант  Карагандинского  государственного  технического  университета,  Республика  Казахстан,  г.  Караганды

E-mail: 

HUMIDITY  CONTROL  METHODS  OF  GRAIN  PRODUCTS  ON  THE  ELEVATOR

Myravlev  Vyacheslav

candidate  of  Physico-mathematical  Sciences ,  Head  of  Instrument-making  department,  assistant  professor  of  Karaganda  State  Technical  University,  Republic  of  Kazakhstan,  Karaganda

Myrzabekova  Akmonshak

master  student  of  Karaganda  State  Technical  University,  Republic  of  Kazakhstan,  Karaganda

АННОТАЦИЯ

Рассмотреть  основные  методы  контроля  влажности  зерновых  продуктов  на  элеваторах.  В  статье  приведены  основные  методы  контроля  влажности  при  помощи  сушильной  печи  и  влагомера.  Благодаря  контролю  влажности  снижаем  потери,  самовозгорание  зерновых  продуктов  на  элеваторах. 

ABSTRACT

Consider  the  basic  methods  of  controlling  the  humidity  of  grain  products  on  elevators.  The  article  describes  the  basic  methods  of  humidity  control  by  using  a  drying  oven,  and  moisture.  By  monitoring  the  humidity  reduces  the  loss,  spontaneous  combustion  of  cereal  products  on  elevators.

Ключевые  слова:  контроль  влажности;  сушильная  печь;  проба;  влагомер;

Keywords:  humidity  control;  drying  oven;  test;  hygrometer; 

Важнейшим  продуктом  сельского  хозяйства  является  зерно.  Из  зерна  вырабатываются  важнейшие  продукты  питания:  мука,  хлебные  и  макаронные  изделия,  крупа  и  другие  жизненно  необходимые  продукты  питания.  Зерновые  служат  сырьем  для  получения  патоки,  спирта  и  других  продуктов.  Зерно  необходимо  для  успешного  развития  животноводства  и  птицеводства,  обеспечивающих  производство  мяса  и  молока,  масла  и  других  продуктов.  Известно,  что  процессы  синтеза  при  дозревании  зерна  идут  с  выделением  влаги,  что  приводит  к  возрастанию  влажности  зерновой  массы  и  окружающего  воздуха,  а  это,  в  свою  очередь,  может  привести  к  самовозгоранию  зерновой  массы  и  потере  ее  семенных  и  питательных  качеств.  Поэтому  хранение  зерна  особенно  ответственный  период  в  технологическом  цикле  производства  зерна,  требующий  постоянного  оперативного  контроля  влажности  и  температуры  зерна,  влажности  и  температуры  воздуха  в  хранилище  [1,  с.  76].

Из  всех  методов  анализа  влажности  метод  сушильной  печи  является  самым  старым  и  широко  распространённым.  По  конструкции  и  принципу  действия  сушильная  печь  похожа  на  промышленную  хлебопекарную  печь.  Сушильная  печь  представляет  собой  металлический  корпус  с  нагревательными  спиралями,  которые  нагревают  воздух  внутри  печи.  Вентилятор  распределяет  нагретый  воздух  во  всём  объёме  сушильной  камеры.  Сушильные  печи  изготавливаются  различных  форм  и  размеров  от  малых,  портативных  моделей,  применяемых  в  лабораторных  условиях,  до  огромных  шкафов,  которые  заполняют  целые  комнаты,  такой  большой  вместимости,  что  можно  одновременно  высушивать  несколько  сотен  образцов.

Рисунок  1.  Сушильная  печь,  внешние  аналитические  весы  (справа)  и  эксикатор  (в  центре)  для  хранения  проб

Определение  влажности  методом  сушильной  печи  основано  на  принципе  конвекционного  нагревания.  Печь  нагревает  воздух  до  температуры  между  103  и  107  °С,  что  приводит  к  испарению  влаги  сначала  с  верхних  слоёв  пробы.  Внутри  пробы  возникает  градиент  влажности,  вызывающий  диффузию  влаги  из  более  глубоких  слоёв  пробы  на  поверхность.  Для  сушки  проб,  подгорающих  при  температуре  103  °С,  или  для  сокращения  времени  сушки  в  некоторых  сушильных  печах  имеется  возможность  создания  вакуума.  Сушка  в  вакууме  позволяет  осторожно  и  быстро  высушивать  теплочувствительные  вещества  при  более  низких  температурах,  т.  к.  при  понижении  давления  воздуха  температура  кипения  жидкости  падает.

Рисунок  2.  Схема  сушильной  печи  с  весами,  расположенными  снаружи

Также  можно  контролировать  при  помощи  метода  инфракрасной  спектроскопии.  Данная  методика  определения  влажности  основывается  на  характерных  для  каждого  вещества  спектрах  поглощения  и  отражения  в  инфракрасном  диапазоне.  Проба  облучается  монохроматическим,  т.  е.  одной  длины  волны,  светом  ближнего  инфракрасного  диапазона.  Некоторая  часть  этого  излучения  поглощается  материалом  пробы,  другая  часть  отражается  от  её  поверхности.  Для  количественного  замера  отражённого  пучка  света  и  преобразования  его  в  электрический  сигнал  используется  фотодатчик  [2,  с.  98].

Значение  влажности  может  быть  выведено  из  размера  сигнала  с  помощью  калибровочной  кривой.  Этот  метод  даёт  быстрые  результаты  и  не  зависит  от  контактных  явлений  на  электродах  (как  при  измерении  электропроводности),  которые  могут  вносить  негативный  вклад  в  погрешность  измерений.  По  этой  причине  данный  метод  часто  применяется  для  онлайнового  мониторинга  производственного  процесса,  например,  на  конвейерных  лентах.  С  другой  стороны,  инфракрасная  спектроскопия  очень  чувствительна  к  изменению  отражательной  способности  материала  пробы;  изменению  его  цвета  или  поверхностных  свойств,  что  может  привести  к  искажению  результатов.  Для  калибровки  в  качестве  контрольного  метода  используется  метод  сушильной  печи.

Рисунок  3.  Принципиальная  схема  ИК-спектрометра

Влажность  зерновых  продуктов  можно  контролировать  при  помощи  микроволновых  влагомеров.  Наиболее  заметной  особенностью  микроволновых  влагомеров  является  очень  короткое  время  измерений,  в  среднем  от  2  до  6  минут.  Это  преимущество,  однако,  лучше  проявляется  при  тестировании  жидких  или  пастообразных  проб.  Методы  микроволнового  измерения  влажности  неприемлемы  для  более  сухих  материалов  с  содержанием  влаги  ниже  4  %,  т.  к.  в  них  меньше  количество  дипольных  молекул  (в  частности,  молекул  воды),  благодаря  которым  происходит  быстрый  разогрев  вещества  —  главное  достоинство  микроволновой  технологии.  Сердце  микроволнового  влагомера  —  это  магнетрон.  Электромагнитные  волны,  генерируемые  магнетроном,  по  волноводу  поступают  в  сушильную  камеру,  которая  обычно  имеет  кубическую  форму.  На  ранних  моделях  магнетрон  присоединялся  к  одной  из  сторон  камеры,  и  он  создавал  неоднородное  электромагнитное  поле  сверхвысокой  частоты  (СВЧ),  в  результате  чего  пробы  зачастую  перегревались  с  одной  стороны,  и  слабо  нагревались  с  другой.  Сегодняшние  микроволновые  влагомеры  во  избежание  этого  недостатка  оборудованы  вращающейся  тарелкой  для  проб.

Рисунок  4.  Микроволновый  влагомер  с  цилиндрической  сушильной  камерой

Более  поздние  модели  микроволновых  влагомеров  оснащены  оптимизированной  цилиндрической  сушильной  камерой.  Y-образный  волновод  передаёт  микроволны  внутрь  камеры  в  двух  входных  точках,  расположенных  под  пробой.  Этим  обеспечивается  бòльшая  однородность  распределения  поля  СВЧ,  и  также  возрастает  эффективность.  В  результате  время  измерения  сокращается  до  40—150  секунд.

Рисунок  5.  Y-образный  волновод  для  передачи  СВЧ  волн  внутрь  сушильной  камеры

Большинство  изготовителей  предлагает  микроволновые  осушители  со  встроенными  весовыми  средствами  так,  что  все  операции  по  определению  массы,  требуемые  для  вычисления  влажности,  проводятся  в  едином  блоке.  Существует  немного  чисто  микроволновых  печей,  в  этом  случае  проба  взвешивается  на  внешних  весах  и  «вручную»  вычисляется  разница  значений  веса.

Рисунок  6.  Устройство  микроволнового  влагомера  с  интегрированной  весовой  системой

Проба  подвергается  воздействию  фокусированного  микроволнового  излучения  СВЧ  —  обычно  2,45  ГГц.  Энергия  электрического  поля,  поглощённая  в  пробе  полярным  растворителем  и  молекулами  воды,  вызывает  их  колебания.  В  течение  этого  процесса  температура  растёт  гораздо  быстрее  в  месте  с  высоким  содержанием  воды,  чем  в  том  месте,  где  содержание  воды  низкое.  Быстрый  рост  температуры  увеличивает  давление  водяных  паров  внутри  пробы  настолько  резко,  что  вода  диффундирует  «взрывным»  образом,  при  этом  охлаждая  поверхность  пробы.  Большая  часть  воды  выгоняется  обычно  в  начале  процесса  сушки.  С  этого  момента  разность  температур  внутри  пробы  и  на  поверхности  облегчает  сушку.  Непрерывный  поток  воздуха  выносит  пар  из  пробы  наружу,  чем  обеспечивается  её  дальнейшее  высушивание.

Сколько  нагреваться  пробе,  зависит  от  того,  насколько  глубоко  от  её  поверхности  проникают  электромагнитные  волны.  Чем  больше  длина  волны,  тем  глубже  волна  проникает  внутрь.  С  повышением  частоты  увеличивается  плотность  энергии,  а  это  уменьшает  глубину  проникновения.  Если  материал  пробы  ещё  сохраняет  влагу  внутри,  то  при  атмосферном  давлении  температура  не  превысит  100  ºС,  даже  если  увеличивать  подаваемую  энергию.  Однако  это  справедливо  в  том  случае,  если  капилляры  в  пробе  позволяют  влаге  беспрепятственно  диффундировать.  Когда  капилляров  недостаточно,  либо  они  блокированы  кожицей  или  образовавшейся  на  поверхности  пробы  коркой,  получаемый  эффект  подобен  выпеканию  под  давлением.  Избыточное  давление  приводит  к  росту  температуры  выше  100  ºС.  Если  подача  энергии  продолжается  и  после  полного  испарения  влаги  из  пробы,  температура  вырастает  скачкообразно.  Это  может  привести  к  термическому  разложению  материала,  которое  похоже  на  денатурацию  сахара,  и  к  увеличению  погрешности  измерения  [3,  с.  277].

В  микроволновом  влагомере  проба  размещается  на  стекловолоконном  фильтре,  потому  что  если  использовать  кювету,  то  закрытая  ей  нижняя  части  пробы  плохо  прогревается,  и  это  приводит  к  увеличению  времени  сушки  и/или  искажению  результатов  измерений.  Встроенная  весовая  система  сначала  тарируется  по  чистому  стекловолоконному  фильтру,  затем  накладывается  проба.  Как  только  колпак  влагомера  переходит  в  нижнее  закрытое  положение,  производится  измерение  начального  веса  пробы.  При  выполнении  критерия  выключения  нагрева,  весовая  система  определяет  сухой  вес  пробы  и  автоматически  вычисляет  начальную  влажность  пробы.  Воспроизводимость  результатов  зависит  от  степени  рассредоточения  массы  вещества  и  от  её  распределения  в  кювете.  Наиболее  часто  проба  размещается  на  стекловолоконном  фильтре,  и  чем  равномернее  распределение  пробы  на  этом  фильтре,  тем  лучше  воспроизводимость  результатов.  Большинство  влагомеров  с  целью  облегчения  дозирования,  имеет  столбиковую  шкалу  массы  на  индикаторе.  Опыт  показывает,  что  от  2  до  8  г  вещества  вполне  достаточно.  Большие  количества,  как  правило,  не  совместимы  со  стекловолоконным  фильтром,  главным  образом  из-за  того,  что  вращение  тарелки  во  время  измерений  может  вызвать  капание  излишков  пробы  с  фильтра.

Рисунок  7.  Кривая  изменения  доли  отражённого  излучения  в  процессе  сушки  («время  анализа  /  доля  отражённой  энергии»)

Для  размещения  пробы  на  стекловолоконном  фильтре  в  виде  спирали  используется  капельница.  Пастообразные  вещества  намазываются  на  фильтр  тонким  и  ровным  слоем.  При  сушке  сильная  диффузия  часто  приводит  к  образованию  пузырьков  на  поверхности  пробы.  При  лопании  пузырьков  небольшое  количество  вещества  может  разбрызгиваться.  Эта  потеря  массы  искажает  результаты  взвешивания,  которые  тем  самым  утрачивают  свою  полезность.  Этой  погрешности  можно  избежать,  если  на  фильтр  с  нанесённой  пробой  положить  второй  стекловолоконный  фильтр.

В  некоторых  моделях  момент  окончания  процесса  сушки  определяется  с  помощью  весовой  системы  путём  регистрации  постоянного  веса.  Другой  вариант  определения  момента  окончания  заключается  в  определении  энергии,  поглощенной  пробой.  Для  этого  используются  датчики,  которые  регистрируют  долю  микроволнового  излучения  в  процентах,  отражённого  от  пробы  во  время  высушивания.  Данный  метод  имеет  следующие  преимущества:

·       Вещество,  содержащее  влагу,  поглощает  100%  излучения,  воздействию  которого  оно  подвергается.

·       Сухое  вещество  отражает  100%  излучения  воздействию  которого  оно  подвергается.

Как  только  датчик  покажет,  что  почти  всё  микроволновое  излучение  отражается  от  поверхности,  измерения  прекращаются.  Кроме  того,  эта  технология  позволяет  выбрать  любые  критерии  выключения  нагрева,  например,  чтобы  калибровать  влагомер  по  контрольному  прибору.

Список  литературы:

1.Ивченко  Ю.А.  Чем  измерить  влажность?  /  Ю.А.  Ивченко,  А.А.  Федоров  //  Датчики  и  системы.  —  2003.  —  №  8.  —  85  с.

2.Савосин  С.И.  Новые  возможности  кондуктометрического  метода  контроля  влажности  материалов  /С.И.  Савосин  //  Датчики  и  системы.  —  2005.  —  №  10.  —  105  с.

3.Сычугов  Н.П.  Механизация  послеуборочной  обработки  зерна  и  семян  трав  /  Н.П.  Сычугов,  Ю.А.  Сычугов,  В.М.  Исупов;  под  ред.  Н.П.  Сычугова.  Киров:  ФГУИПП  «Вятка»,  2003.  —  368  с.