Проблемные задачи автоматизации процесса увлажнения зерна на мукомольных предприятиях. Возможные современные технические способы построения автоматизированных систем увлажнения зерна перед помолом.
Увлажнение зерна перед размолом применяется на мукомольных предприятиях с целью изменения структурно-механических и биохимических свойств и для улучшения мукомольных качеств зерна: оболочка становится более эластичной, что улучшает ее отделение. В то же время вода наоборот снижает прочность эндосперма, способствуя уменьшению сопротивляемости при измельчении. Уменьшается нагрузка на мукомольные машины, уменьшается зольность муки, увеличивается выход муки высших сортов.



Следует отметить, таких преимуществ можно достичь, обеспечив оптимальные режимы процесса увлажнения и отволаживания зерна. Для чего при организации автоматизации процесса необходимо применение как можно более точных датчиков-преобразователей влажности.



Использовать для точного измерения влажности зерна кондуктометрические датчики достаточно проблематично. Особенно сложно кондуктометрическими измерителями контролировать малые влажности, когда электрическое сопротивление еще очень велико, а мешающие факторы вносят большую погрешность. В наиболее важном, для контроля диапазоне 5-17% даже отдельно взятое зерно имеет сопротивление десятки МОм. Точно измерить такое сопротивление пробы непросто и соответственно сложно получить точное значение влажности. При этом на величину сопротивления пробы зерна будут влиять: структура зерна, формы пор, их размеры, характер распределения влаги, наличие на измеряемом зерне поверхностной влажности, загрязнений и др. Кондуктометрический метод измерения вполне подходит для материалов имеющих невысокое первоначальное сопротивление, но трудно реализуем для поточных датчиков зерна.
Диэлькометрические датчики (емкостные и СВЧ-влагомеры) оказываются в сильной зависимости от свойств зерна. Автоматически, внутри прибора, учитывать различие свойств зерна маловероятно, в лучшем случае в приборе можно сохранить калибровки для различных сортов зерна или их смесей.
Не следует забывать, на мукомольных предприятиях, для получения качественной сортовой муки, обрабатывают различные виды зерна, в частности, различные смеси зерен, кроме того, мы имеем дело, не с искусственным стандартным откалиброванным продуктом. Зерно - продукт природный. Зерновая масса неоднородна по составу, что обусловлено особенностями созревания отдельных растений и каждой зерновки. Например, масса одной зерновки пшеницы находится в диапазоне от 30 до 50 мг, прибавим факторы, оказывающие влияние на диэлектрическую проницаемость отдельно взятой пробы зерна. Поскольку, при первоначальной обработке новой зерновой смеси, еще не известны свойства зерна данной помольной партии, влияющие на измерение диэлектрической проницаемости, то, по меньшей мере, после каждой смены одного сорта зерна на другой или после изменения состава помольной партии, необходимо проводить новую калибровку датчика влажности для достижения необходимой точности измерения, что связано необходимостью проводить достаточно трудоемкие лабораторные измерения. Тем самым цель автоматического регулирования влажности достигается лишь частично. В конечном итоге, нам необходимо определить влажность продукта, а не учитывать и пересчитывать в поправки к измеренной влажности различные свойства зерна, во многих случаях не поддающиеся учету.
Влияние физических свойств зерна, математически можно устранить по принципу: если есть две неизвестные переменные (влажность и свойства зерна), следовательно для однозначного решения нужны минимум два уравнения.
Прибор, реализующий данный принцип измерения, действует следующим образом: под действием СВЧ поля молекулы (диполи) воды начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь с частотой поля по его электрическим линиям, поглощая определенную часть энергии поля, уменьшается соответственно амплитуда волны на выходе из измерительной ячейки.
При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей воды диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от частоты. Измеряя значения двух параметров, частот и амплитуд, можно получить однозначную зависимость между указанными параметрами и влажностью зерна. Определение влажности таким способом обнаруживает устойчивость к внешним помехам, колебания диэлектрической проницаемости, вызванные, например, изменениями величины или сорта зерна, постоянно компенсируются в самом датчике.
В условиях поточного замера влажности диэлькометрическими влагомерами, необходимо обеспечить воспроизводимость факторов, влияющих на результаты измерения. Как правило, нужно стабилизировать плотность потока в измерительном пространстве чувствительного элемента, обеспечить стабильность измерительной ячейки, особенно при возможности загрязнения - это, в производственных условиях, вынуждает к использованию дополнительных приспособлений, либо к введению поправок на аппаратную погрешность, что усложняет эксплуатационные свойства прибора.
Аппаратная проблема решается введением в прибор дополнительного опорного СВЧ тракта, не взаимодействующего с зерном. Опорный тракт, собранный в единой конструкции с измерительным, служит для компенсации дестабилизирующих факторов: изменения температуры и влажности воздуха, ухода частоты, и изменения мощности генератора, температурной нестабильности, загрязнения и/или естественного старения элементов тракта.
С выбором первичного датчика влажности вопросы не заканчиваются. В силу свойств зерна, технология процесса увлажнения не совсем стандартна для автоматизации. Для большинства технологических процессов, достаточно обеспечить регулирующий механизм обратной связью с первичным датчиком через пропорционально интегрально-дифференциальный (ПИД) контроллер и фактически, по крайней мере, локальный контур регулирования создан, процесс считается автоматизированным. Но зерно все-таки живой продукт, проблема в том, что замеряя влажность зерна на выходе из увлажняющего аппарата и обеспечив добавку воды до необходимого значения влажности, мы никогда не можем быть уверены, что добавленная нами вода сразу безоговорочно будет принята зерном в полном объеме. В этом отношении зерно ведет себя по "крестьянски" - степенно, не суетясь. Ему необходимо время «подумать», для чего в технологии процесса увлажнения и необходимо время пребывания в отлежных закромах. Существует фактор времени между добавлением воды и определением содержания связанной влаги в зерне.
При применении стандартной схемы автоматизации с обратной связью нет гарантии, что измеренная на выходе из увлажняющего устройства влага, в том числе капиллярная, и тем более поверхностная не останется в шнеке, не потеряется в пути к емкости для отлежки, и не будет использована для увлажнения уже следующей порции зерна. Что внесет некоторую нестабильность в процесс увлажнения. По этой же причине, считаем нецелесообразным изобретать датчик для свежеувлажненного (мокрого) зерна. Из-за наличия особенностей поведения воды в высокочастоном поле, наличия солей в воде, изменений температуры и т.д датчик, обладающий хорошей точностью, получится достаточно громоздким в обслуживании и эксплуатации. Исключить выше названные недостатки в таком датчике зерна можно либо за счет снижениия эксплуатационных параметров, как то: ручной ввод поправок, калибровки связанные со свойствами воды. Либо за счет повышения стоимости. Снижая удобство эксплуатации введением дополнительных перекалибровок, придем к почти "ручному" управлению процессом увлажнения, а высокая стоимость слишком сложного, наукоемкого и, как следствие, дорогого первичного датчика влажности невыгодна для заказчика.
В качестве решения проблемы существования временного фактора превращения свободной влаги в связанную и проблемы связанных с созданием и эксплуатацией датчика свежеувлажненного зерна предлагается применение расчетной схемы автоматизации увлажнения зерна, основанной на подсчете необходимой добавки воды по измеренной массе зерна за период времени и измеренной первоначальной связанной влажности "сухого" зерна на входе в увлажняющее устройство.
На сегодняшнем этапе развития электроники и микропроцессорной техники, расчетная схема автоматизации увлажнения зерна, с двухпараметрическим микроволновым датчиком влажности оптимальна по соотношению потребительских качеств и стоимости, показала свою жизнеспособность практическим внедрением на предприятиях Российской Федерации и Республики Беларусь.