Измерители влажности зерна

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО  «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»

 

 

кафедра стандартизации, сертификации и технологии продуктов питания

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по методам  и средствам измерения

на тему «Измерители влажности зерна»

 

 

 

 

                                      

 

 

                                               Выполнил: Семенова Ю.И., группа ТСП-09

   Проверил: к.с.- х.н. ст. преподаватель Залилов Р.В.

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск, 2012

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………………...3

Основная часть………………………………………………………………………….5

1 Величины, характеризующие содержания влаги в твердых материалах…………5

2 Классификация методов измерения влажности……………………………………7

  2.1 Прямые методы……………………………………………………………………7

       2.1.1 Метод высушивания…………………………………………………………7

       2.1.2 Дистилляционный метод……………………………………………………8

       2.1.3 Экстракционный метод……………………………………………………...8

       2.1.4 Химический метод…………………………………………………………...8

  2.2 Косвенные методы………………………………………………………………...9

       2.2.1 Электрические методы………………………………………………………9

                2.2.1.1 Кондуктометрический метод………………………………………..9

                2.2.1.2 Диэлькометрический метод………………………………………..10

3 Емкостной датчик с размалывающим устройством………………………………13

4  Датчик  влажности с вращающимися валками……………………………………19

5 Автоматическая влагоизмерительная установка дискретного действия………..21

Заключение……………………………………………………………………………23

Библиографический список…………………………………………………………..24

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Влагомер —  это прибор для измерения влажности  газов, жидкостей и твердых тел. Влагомеры используются при проведении строительных отделочных работ, на деревообрабатывающих заводах при контроле степени просушки древесины, на мебельных фабриках при сборке мебели, при просушке зерна на элеваторах и других отраслях промышленности, где необходим контроль за влажностью.

Зерно является основным продуктом сельского хозяйства. Из зерна вырабатывают важные продукты питания: муку, крупу, хлебные и макаронные изделия.

В процессе обработки, хранения и транспортировки зерновых культур (пшеницы, ржи, ячменя, овса, проса и др.) в целях обеспечения качественных характеристик и сохранения потребительских и полезных свойств зерна огромное значение имеет соблюдение температурного и влажностного режима.

На выход  и качество крупы влияют многие показатели качества зерна. Прежде всего, большое значение имеют содержание пленок, крупность, выравненность, влажность зерна и содержание примесей в нем.

Для контроля параметров влажности зерновых культур используется специализированный измерительный прибор под названием измеритель влажности зерна.

Влажность зерна  это количество воды, содержащейся в зерне, выраженное в процентном отношении к общему его весу. Влажность зерна имеет огромное хозяйственное значение, особенно во время уборки и хранения хлеба.

У различных  зерновых культур критический показатель влажности индивидуальный. К примеру, рожь, рис, ячмень и пшеница  от 14 до 15,5%,для овса, проса и кукурузы  от 13 до 14,5%, для бобовых культур от 15 до16%.

При хранении нельзя смешивать зерно излишне влажное  с зерном нормальной влажности (13-16%). Зерно с влажностью выше нормальной необходимо предварительно просушить вне зернохранилища, а если погода этого не позволяет, то ссыпать его слоем не толще 0,75-1 м и подвергать частому проветриванию, перелопачиванию и т. д., чтобы довести влажность зерна до 13-16%.

Влажность зерна  оказывает большое влияние на его технологические свойства, на конечную влажность крупы. Высокая, а часто и низкая влажность ухудшает его технологические свойства, при высокой влажности затрудняются очистка от примесей и шелушение зерна, при низкой влажности резко повышается его дробимость в процессе переработки.

Основным процессом  протекающем в зерне является его дыхание, поэтому при повышении влажности повышается интенсивность дыхания, начинается процесс самосогревания, что в свою очередь вызывает уменьшение сухой массы в зерне, а так же стимулирует рост бактерий и микроорганизмов. Неконтролируемое течение этих процессов может привести к порче части, а иногда и гибели всего хранящегося зерна.

Так же повышение содержания влаги в зерне ограничивает сроки хранения. Так при влажности до 14% кукуруза, соя и зерно хранится  в течение года, для подсолнечника этот показатель 11%. В течение 6 месяцев кукуруза, соя и зерно хранится с показателем 14-16 %, а подсолнечник 11-14 %.Тогда как с влажностью 16 % кукуруза, соя и зерно хранится максимум 2 месяца столько же будет храниться и подсолнечник с  влажностью 14 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная  часть

1 Величины, характеризующие содержание влаги в твердых материалах

 

Для характеристики содержания влаги в материалах применяются  две величины: влагосодержание и влажность. Ранее эти величины назывались соответственно абсолютной и относительной влажностью.

 Под влагосодержанием  понимается отношение массы влаги , содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела :

 

        (1)

 

Под влажностью понимается отношение массы влаги , содержащейся в теле, к массе влажного материала :

 

                                          (2) 

 

Иногда эти величины выражают через веса и в процентах. В таком случае выражения (1) и (2) принимают вид:

 

                                                        (3)                                                

где - вес влажного тела;

- вес абсолютно сухого тела.

Для указания содержания влаги  в материале может быть применена  любая из этих величин. Переход от одной величины к другой может  быть осуществлен по соотношениям:

 

                                                        (4)

 

Так, например, соответствует .

На рис.1.1 показана зависимость между U и W, построенная по соотношениям (1-4).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 Зависимость между U  и W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Классификация методов измерения влажности

 

Методы измерения влажности принято делить на прямые и косвенные. В прямых методах производится непосредственное разделение влажного материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется другая величина, функционально связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной.

 

2.1 Прямые  методы

 

К прямым методам  относятся наиболее распространенный метод высушивания (термогравиметрический), дистилляционный метод, экстракционный и химический метод.

2.1.1 Метод  высушивания

Метод высушивания, заключается в воздушно-тепловой сушке образца материала до достижения равновесия с окружающей средой, это равновесие условно считается равноценным полному удалению влаги. На практике применяется высушивание до постоянного веса, чаще применяют так называемые ускоренные методы сушки

В первом случае сушку заканчивают, если два последовательных взвешивания исследуемого, образца дают одинаковые или весьма близкие результаты. Так как скорость сушки постепенно уменьшается, предполагается, что при этом удаляется почти вся влага, содержащаяся в образце. Длительность определения этим методом составляет обычно от нескольких часов до суток и более. В ускоренных методах сушка ведется в течение определенного, значительно более короткого промежутка времени, при повышенной температуре (например, стандартный метод определения влажности зерна сушкой размолотой навески при +130°С в течение 40 мин). В последние годы для ускоренной сушки ряда материалов стали применять инфракрасные лучи, а в отдельных случаях—диэлектрический нагрев (токи высокой частоты).

2.1.2 Дистилляционный метод

В дистилляционных  методах исследуемый образец  подогревается в сосуде с определенным количеством жидкости, не смешивающейся с водой (бензол, толуол, ксилол, минеральное масло и т. д.), до температуры кипения этой жидкости. Пары, проходя через холодильник, конденсируются в измерительном сосуде, в котором измеряется объем, или вес воды. Дистилляционные методы в различных модификациях и с использованием разных конструкций аппаратуры были разработаны для различных материалов, в том числе и для жидких. Однако дистилляционным методам также свойственны многие недостатки. Капли воды, остающиеся на стенках холодильника и трубок, вызывают погрешности в определениях. Применяемые растворители, как правило, огнеопасны, а аппаратура хрупка и громоздка.

 Методы высушивания  и дистилляционные приняты в  качестве стандартных методов определения влажности большинства материалов.

2.1.3 Экстракционный метод

Экстракционные методы основаны на извлечении влаги из исследуемого образца твердого материала водопоглощающей жидкостью (диоксан, спирт) и определении характеристик жидкого экстракта, зависящих от его влагосодержания: удельного веса, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п. В электрических экстракционных методах измеряются электрические свойства (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость) экстракта.

2.1.4 Химический метод

Основой химических методов является обработка образца  реагентом, вступающим в химическую реакцию только с влагой, содержащейся в образце. Количество воды в образце определяется по количеству жидкого или газообразного продукта реакции. Так для зерна можно использовать титрирование К. Фишера.

 

 

2.2 Косвенные  методы

 

В этих методах  оценка влажности производится по изменению  различных его свойств.

Механические  методы основаны на измерении изменяющихся с влажностью механических характеристик  твердых материалов (сопротивление раздавливанию зерна).

Физические  методы основаны на преобразовании влажности  в другую физическую или физико-химическую величину, более удобную для измерения и дальнейших преобразований.

2.2.1 Электрические  методы

Электрические методы основаны на измерении электрических параметров материала. К электрическим методам относятся кондуктометрический и диэлькометрический метод.

2.2.1.1 Кондуктометрический метод

Кондуктометрические методы основаны на измерении электрического сопротивления (или электрической проводимости) материала, помещенного в датчик прибора.

Если известна зависимость между влажностью материала  и его удельной электропроводностью  , измеренное сопротивление датчика может быть выражено в единицах влажности, поскольку:

 

 

где R – сопротивление датчика, Ом;

К – коэффициент  пропорциональности, зависящий от формы, размеров и взаимного расположения электродов, представляющий постоянную датчика;

- удельное   сопротивление материала, зависящее от его влажности, Ом*см;

- удельная проводимость материала,  обратная сопротивлению.

  Влагосодержащие материалы, являясь в сухом виде диэлектриками, в результате увлажнения становятся полупроводниками. Удельное сопротивление изменяется, следовательно, в зависимости от влажности в чрезвычайно широком диапазоне, охватывающем 12-18 порядков. Неоднородность диэлектрика, наличие в нем влаги сказываются не только на величине удельной проводимости, но и на качественных особенностях электропроводности: на ее зависимости от напряженности электрического поля и температуры.

Электропроводность  твердого материала определяется электролитами, растворенными в воде, эти электролиты содержатся главным образом в самом материале. При этом характер зависимости удельной электропроводности материала от содержания влаги определяется распределением влаги в нем, зависящим в свою очередь от пористой структуры материала, формы пор, их размеров и характера распределения.

Кондуктометрические датчики строятся с произвольной засыпкой материала, с самоуплотнением и с принудительным уплотнением материала в междуэлектродном пространстве.

При этом уменьшается  влияние размеров частиц, создаются  более или менее плотные контакты частиц материала между собой и с поверхностью электродов.

В зависимости  от плотности укладки материала, измеренные электропроводности могут отличаться друг от друга.

2.2.2.2 Диэлькометрический метод

Этот метод  часто называют емкостным, потому что  при своем возникновении он основывался на измерении емкости датчика-конденсатора, в котором контролируемый материал играл роль диэлектрика, определяющего эту емкость в зависимости от диэлектрической проницаемости.

В диэлькометрическом методе чаще всего используется средневолновой и коротковолновой диапазоны частот или сверхвысокие частоты.

Диэлектрическая проницаемость материала зависит  от его влажности. Замерив этот параметр, можно узнать, какова абсолютная влажность материала.

Изменение диэлектрической  проницаемости вследствие изменения влажности материала определяют по изменению емкости конденсатора, между обкладками которого помещается анализируемый материал. Преобразователь емкостного влагомера выполняют в виде двух плоских пластин или двух концентрических цилиндров, пространство между которыми заполняется анализируемым материалом с помощью засыпки при падении материала с определенной высоты.

Поведение диэлектрика  в синусоидальном электромагнитном поле характеризуется величинами комплексной диэлектрической и магнитной проницаемостей. При измерении влажности используются следующие пары величин:

а) вещественная и мнимая составляющие комплексной  диэлектрической проницаемости;

б) диэлектрическая  проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь;

в) диэлектрическая  проницаемость и удельная проводимость (ее активная составляющая).

Зависимость диэлектрической  проницаемости  и тангенса угла потерь от влажности W:

 

 

 

 

Зная одну из указанных пар параметров, можно, следовательно, вычислить любую другую пару.

Диэлькометрические  датчики для сыпучих материалов менее чувствительны к уплотнению материала в междуэлектродном пространстве, чем кондуктометрические.

Диэлькометрические  датчики изготавливают с самоуплотнением или с принудительным уплотнение материала. В первом случае уплотнение материала в междуэлектродном пространстве обеспечивается тем, что проба (обычно зернистого материала) падает с определенной высоты и тем самым уплотняется. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Емкостной датчик с размалывающим устройством

 

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.

При измерении 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 существует 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 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 температура датчика с мельницей до помещения в него контролируемого зерна;

 температура контролируемого зерна до размола;

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

 конечная температура контролируемого зерна после размола и датчика с мельницей;

 повышение температуры зерна в результате размола;

 понижение температуры зерна в процессе размола в предварительно охлажденном датчике с мельницей;

 удельная теплоемкость контролируемого зерна и материала датчика с мельницей;

 масса пробы зерна и датчика с мельницей соответственно.

Предварительное охлаждение датчика с мельницей до температуры 5-8°С, соответствующий подбор масс пробы контролируемого сыпучего материала , датчика и материала датчика с удельной теплоемкостью обеспечивает то, что в процессе размола температура материала получается ниже, чем первоначальная температура пробы контролируемого материала , < . 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 .

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:

 

 

где .

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

 

 

Очевидно .

Тогда:

 

 

Отсюда понижение температуры зерна в процессе размола в охлажденном датчике составляет:

 

 

Когда выбраны соответствующим образом, тогда:

 

>

Т.е. < и в процессе размола температура зерна понижается.

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

Масса датчика М = 1,5 кг, материал - сталь-3 ( = 460 Дж/кг*К; - удельная теплоемкость пробы зерна, точное измерение затруднительно). Поэтому величина температуры = 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 3.1 представлен  емкостной датчик с размалывающим  устройством.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1. Емкостной датчик с размалывающим устройством

Датчик 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.

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 (шрот 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 °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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Датчик влажности с вращающимися валками

 

Датчик, применяемый в распространенном в США влагомере для зерна типа TAG, уплотняет сыпучий материал в узком зазоре между двумя вращающимися металлическими валками с рифленой цилиндрической поверхностью.

На рисунке 4.1 представлен датчик влажности с вращающимися валками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1. Датчик влажности с вращающимися валками

 

Электродвигатель вращает через редуктор (электродвигатель и редуктор не показаны на рисунке) валик 1 со скоростью 32 об/мин; валик 1 электрически соединен со станиной датчика. Второй валик 2 изолирован от корпуса стойками 3 из электроизоляционного материала. Валик 2 снабжен пружинящим трущимся контактом и ручкой 4 для поворачивания вручную с целью облегчения попадания зерна в зазор или выхода из него. Сцепление между валиками осуществляется через слой материала; последний поступает в зазор между валиками из засыпного бункера 5, изготовленного из пластмассы. Валики 1 и 2 выполют роль электродов; сопротивление слоя сыпучего материала измеряется во время вращения валиков. Величины зазора между валиками регулируются с помощью сменных прокладок 6 в зависимости от того, какая зерновая культура исследуется. Предельные величины зазора равны 0,6мм для льняного семени и 3 мм для кукурузы. Под валиками установлены два скребка 7 из пластмассы; скребки прижимаются пружиной 8 к поверхности валиков и очищают ее при вращении электродов. Весь датчик смонтирован на станине 9 из чугунного литья, имеющей два винта 10 для закрепления на столе.

Датчик с  валками отличается громоздкостью и большим весом и неприменим для мелко измельченных материалов, таких, как мука. В то же время при применении этого датчика результаты измерения не зависят от величины навески; можно использовать большие навески (100— 150 г и больше), значительно лучше отражающие среднюю влажность материала, чем малые навески, используемые в датчике с ручным прессом. Здесь, так же как и в других датчиках с прессованием материала, на результаты измерения влияет износ электродов, происходящий вследствие больших усилий при прессовании. В датчике с валками вследствие износа изменяются острота нарезки валиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Автоматическая влагоизмерительная установка дискретного действия

 

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