Домой
Вверх
Статья 1
Статья 2
Статья 3
Статья 4
Статья 5

 

 

 

                       

Измерение влажности зерна в потоке: актуальность, технические средства, проблемы точности, пути решения

Измерение влажности зерна в потоке: актуальность, технические средства, проблемы точности, пути решения

Хобин В.А., доктор технических наук, профессор; Гапонюк И.О., магистрант, Одесская национальная академия пищевых технологий

Влажность зерна является одной из важнейших его характеристик. С определенной долей условности последствия изменения влажности можно разделить на две составляющие: коммерческую и технологическую.

Коммерческая составляющая влажности существенно влияет на цену зерна при его покупке и продаже. В этом случае точность измерения влажности зерна должна быть не ниже коммерческой точности измерения массы этого зерна. Ее достижение требует аттестации средств измерения по классу точности 0,1. Это означает, что значение погрешности измерения не должно превышать 0,1% от диапазона измерения. Такая точность измерения влажности обеспечивается стандартизованным методом высушивания [1-3]. По сути, такое измерение является метрологическим экспериментом, который предполагает специальные процедуры отбора и подготовки проб, их высушивания и взвешивания. Отметим, что метод высушивания можно отнести к непрямым методам измерения, результаты которого вычисляются по специальной формуле. Высокая точность измерения влажности этим методом обеспечивается за счет высокой точности измерения масс пробы зерна до и после ее высушивания. А она, в свою очередь, достигается применением компенсационного метода измерения [4], когда масса пробы на рычажных весах компенсируется дробной метрологической мерой массы (специальными разновесами), а результат измерения считывается при достижении равенства масс, факт которого определяется по положению стрелки компаратора весов. Предельная точность взвешивания определяется точностью применяемой меры массы, чувствительностью компаратора и точностью отсчета его нуля при уравновешивании. Основные недостатки метода: трудоемкость и длительность процедуры измерения.

Технологическая составляющая влажности влияет на эффективность ведения технологических процессов хранения зерна и его переработку в муку. При подготовке зерна к хранению его сушат (при необходимости), а при подготовке к размолу увлажняют до заданных значений влажности. Необходимым (хотя и недостаточным) условием соответствия фактической влажности зерна после его сушки или увлажнения заданным значениям является возможность измерения влажности зерна в потоке с приемлемой точностью. Такое измерение создает информационную основу для функционирования систем автоматического регулирования влажности, эффективная работа которых и будет являться достаточным условием обеспечения заданной влажности.

Техническая реализация средств измерения влажности зерна в потоке требует разработки прямых методов измерения, реализуемых автоматическими приборами (влагомерами). И в настоящее время, и последние не менее чем полвека для таких измерений применялись и применяются методы, опирающиеся на изменение физических характеристик зерна при изменении его влажности [5-8]. К числу таких физических характеристик относятся:

а) электропроводность (кондуктометрические (КМ) влагомеры);

б) диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери в высокочастотном поле (диэлькометрические (ДЭ) или емкостные влагомеры или ВЧ влагомеры);

в) ослабление энергии сверхвысокочастотного поля (СВЧ влагомеры);

г) поглощение и отражение инфракрасного излучения (ИК влагомеры на основе инфракрасной спектрометрии);

д) величина резонансного пика поглощения электромагнитной энергии, обусловленного магнетизмом ядер (влагомеры ядерного магнитного резонанса, ЯМР влагомеры);

е) поглощение водой рентгеновского излучения (рентгеновские влагомеры);

ж) поглощение водой - и -излучения, рассеивание нейтронов (радиационные влагомеры);

Следует отметить, что каждый из перечисленных методов измерения имеет модификации, цель которых – повысить точность измерений.

Критерием отбора метода измерений для построения на его основе влагомеров зерна в потоке должен являться компромисс между точностью, которую может обеспечить этот метод, сложностью технических средств, которые его реализуют, простотой и безопасностью эксплуатации и т.д. Формализовать такой критерий в форме математического выражения вряд ли возможно, но очевидно, что главной составляющей в нем была бы точность измерения. При этом если бы один из методов показал на практике заметные преимущества по точности перед другими, то разработчики аппаратуры достаточно быстро довели бы техническую сторону средств измерений до высокого уровня совершенства. Отсутствие сегодня на рынке таких средств свидетельствует об объективном, проверенном практикой отсутствии явных преимуществ у какого-либо из методов.

Общим у всех перечисленных прямых методов измерения является невозможность создания прямой метрологической меры влажности зерна, а, следовательно, и ее непосредственного применения при измерениях для обеспечения точности этих методов. Мера в измерениях заменяется градуировочной характеристикой, которая связывает между собой значения измеряемой переменной и той «косвенной» физической переменной (переменных), которая непосредственно измеряется. При этом точность этих методов в самой существенной степени определяется точностью отражения градуировочной характеристикой реальных свойств объекта измерения. Важнейшим условием такого соответствия является отсутствие неконтролируемых факторов, приводящих к изменению (нестабильности) этих свойств. Отметим, что градуировочная характеристика, по сути, является математической моделью объекта измерения, полученной по результатам специально организованных экспериментов, а вопросы метрологической точности – это вопросы адекватности модели результатам экспериментов при заданной доверительной точности их описания.

При измерении влажности зерна, особенно в потоке, факторов, обеспечивающих нестабильность физических свойств зерновой массы, очень много. Их главная объективная основа – сложность материала. И зерновая масса, и ее каждая зерновка представляет собой многокомпонентную, многофазную, гетерогенную систему, свойства которой в значительной степени определяются характером структуры жидкой фазы воды, формами ее связи с каждым из компонентов системы. Состав этих компонентов для зерна меняется и в реальных условиях может быть известен только очень приближенно. Вместе с тем, каждый компонент влияет на свойства объекта измерения, причем степень этого влияния может зависеть не только от его доли в системе, но и от его влажности. Для потока зерновой массы, движение которой всегда неравномерно, на текущие свойства объекта измерения влияют, кроме прочего, изменяющиеся плотность укладки и конкретный вид распределения массы зерна в объеме чувствительного элемента датчика влажности в момент измерения.

Несмотря на описанные проблемы обеспечения точности измерения влажности, практика создания, внедрения и эксплуатации влагомеров зерна в потоке продолжается. Она обусловлена объективной необходимостью таких измерений. Одновременно эта практика «отобрала» среди возможных альтернативных методов измерения те, которые удовлетворяют сформулированному выше компромиссу требований к ним. Такими стали методы, основанные на физике свойств зерна в электромагнитных полях высокой частоты (ВЧ), диапазон частот от 5.103 до 5.107 Гц и сверхвысокой частоты (СВЧ), диапазон частот от 5.107 до 5.1010 Гц. В табл. приведен перечень влагомеров зерна в потоке современной разработки [9-13], базирующихся на этих методах, доступных на украинском рынке и ориентированных на измерение влажности зерна при его сушке. Интересным фактором является то, что влагомеров зерна в потоке из стран дальнего зарубежья на рынке СНГ нет, хотя экспресс-влагомеров много, например [14, 15].

Таблица. Сводные данные о влагомерах зерна в потоке, представленных на рынке СНГ и рекламируемых в Интернете.

№ п/п

Наименование

Производитель

Метод измерения

Декларируемая точность и диапазон измерения, % влажности абс.

Адрес информации в Интернете

Цена (без пусконаладочных работ)

1.

Влагомер зерна ВЗб

ПК «Меридиан», г. Днепропетровск

ВЧ

(0,5-1)%

в диапазоне

5-25%

[9]

от 200 у.е.

2.

Влагометрическая подсистема зерна в потоке

ГНПП «Эльдорадо», г. Днепропетровск

ВЧ

1,00%

[10]

нет данных

3.

Экспресс-анализатор для непрерывного контроля влажности «Вариант-С»

Корпорация «Вариант», г. Днепропетровск

ВЧ

(0,8-1,2)%

в диапазоне 10-40%

[11]

нет данных

4.

Влагомер зерновых «Поток»

ООО «АкваСенсор», г. Харьков

СВЧ

0,8%

в диапазоне 6-30%

[12]

от 1000 у.е.

5.

Поточный влагомер MICRORADAR-113C2P

НПО «МИКРОРАДАР», г. Минск

СВЧ

0,5%

в диапазоне 10-30%

[13]

от 1500 у.е.

Отметим, что в 70-80-е годы прошлого века на СВЧ метод возлагались большие надежды по кардинальному повышению точности прямых измерений влажности зерна [16]. Это связано с тем, что электромагнитные колебания такой частоты по своей природе не отличаются от световых и подчиняются, в том числе, законам физической оптики. Последнее делает СВЧ измерения влажности нечувствительными ко многим характеристикам зерна, которые, прежде всего, связаны с местом и условиями его произрастания, и значительно изменяющим диэлектрическую проницаемость зерна. Однако, к сожалению, нашлись другие факторы, ограничивающие точность СВЧ метода. Это, в частности, площадь поверхности зерна, плотность укладки и др. Несмотря на это, заметное преимущество в точности СВЧ метода перед ВЧ методом сохраняется (табл.). Однако реализация СВЧ влагомеров существенно более сложная по сравнению с ВЧ влагомерами, т.к. генерировать сверхвысокочастотное электрическое поле достаточной мощности гораздо сложнее, чем поле ВЧ. А это отражается на цене (табл.).

С учетом сказанного выбор поточного влагомера зерна – это в значительной мере выбор степени компромисса между точностью измерений и ценой влагомера.

К сожалению, значения точности измерений влагомеров декларируют сами фирмы, которые их разрабатывали и выпускают. Государственной системы обеспечения единства измерений, которая могла бы подтвердить заявляемую точность и разрешить их применение, фактически не существует. Кроме того, не ясно, какими методиками пользовались разработчики рассмотренных влагомеров, ориентировались ли они, например, на ГОСТ 8.009-84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» или другие нормативные документы. В материалах фирм прямо об этом не говорится, а по косвенным признакам можно судить, что серьезной метрологической экспертизе их влагомеры не подвергались. Но для справедливости необходимо отметить, что объективно оценить точность поточных влагомеров, которая отражала бы неизбежное многообразие свойств самого зерна, характер его движения через чувствительный элемент влагомера и условия измерений, вряд ли возможно. Кроме того, с течением времени генераторы и ВЧ, и СВЧ электромагнитных колебаний могут менять свои характеристики из-за дрейфа характеристик электронных компонентов датчиков влагомеров, появления паразитных RLC цепей на конструктивах, где эти элементы размещены, и т.д. Этот дрейф обусловлен различными, но практически неконтролируемыми факторами: изменением геометрических размеров всех компонентов датчика с изменением его температуры деформацией компонентов чувствительных элементов, износом их поверхностей, деградацией свойств используемых материалов, абсорбированием влаги в их микропоры и микротрещины и т.д.

В заключение, для того чтобы акцентировать внимание, сформулируем несколько принципиальных для рассматриваемой проблемы вопросов и дадим наши ответы на них.

1. Какая точность влажности зерна в потоке необходима на практике для предприятия?

В начале статьи мы подразделили влияние влажности зерна на две составляющие: коммерческую и технологическую. Но при этом подчеркнули, что это условное разделение. Условное потому, что технологическая составляющая неизбежно становится коммерческой. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы измерение влажности зерна в потоке по точности приближалось или, по крайней мере, было соизмеримо с той точностью, которую обеспечивает метод высушивания.

2. В приведенном в статье перечне влагомеров, представленных на рынке, нет разработок иностранных фирм, хотя, как известно, с некоторыми импортными сушилками такие влагомеры поставляются. Может быть, их разработки уже достигли желаемой точности и нужно только ими воспользоваться?

На наш взгляд, дилеры СНГ не предлагают купить импортные влагомеры зерна в потоке по двум причинам. Во-первых, они очень дорогие. Это связано с тем, что интеллектуальный труд в промышленно развитых странах очень дорог, а затраты на исследование и разработку должны не только окупиться, но и дать прибыль. Даже в том случае, если желаемые характеристики новой разработки не достигаются. Во-вторых, законы физики одинаковы для всех. Известен случай, когда в начале 70-х годов по постановлению Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ) СССР, неудовлетворенного низкой точностью отечественных разработок экспресс-влагомеров зерна, была закуплена небольшая партия таких влагомеров одной из известных западных фирм. Исходя из паспортных данных, абсолютная погрешность измерения не превышала 0,1%. Влагомеры были очень красивые и дорогие. ГКНТ было открыто финансирование НИОКР по воспроизведению отечественного аналога такого влагомера. Через некоторое время стало ясно, что чуда нет. Указанная в паспорте погрешность составляла только часть общей погрешности измерения, так называемую инструментальную погрешность. В СССР на исследования и разработки в области влагометрии выделялись большие средства, и этой проблемой занимались научные учреждения всех уровней – академические, отраслевые, учебные… В период конверсии к этой проблеме подключили научно-исследовательские центры, выполнявшие оборонные заказы. Один из авторов настоящей статьи в 1989 году по заданию Минхлебопродуктов СССР участвовал в рассмотрении результатов разработки влагомеров, выполненных в специальном конструкторском бюро г. Новочеркасск, которое специализировалось на разработке систем для подводных лодок. Результата, который заслуживал бы внимания, ими получено не было. Те влагомеры, которые перечислены в табл., имеют в своей основе не какие-то новые научные разработки и революционные идеи, они используют научные и конструкторские наработки прошлых лет. Новое в них – элементная база приборов, которая позволяет делать их более надежными, удобными в настройке и применении.

Известные авторам единичные факты применения влагомеров зерна в потоке из дальнего зарубежья, установленных на закупленных импортных сушилках, которые, конечно, не могут дать основание обобщать, свидетельствуют о следующем. Они имеют хороший дизайн, встроенный контроллер и принтер, но предприятия ими не пользуются.

3. Итак, с одной стороны, повышение эффективности технологических процессов требует значительного повышения точности измерения влажности зерна в потоке, с другой – современные влагомеры не могут ее обеспечить. Существует ли реальный выход из этой ситуации? В чем он состоит?

Перечисленный ранее перечень проблем, возникающих при стремлении обеспечить приемлемую точность результатов измерений, хотя мы и не претендуем на его полноту, так велик, что ситуация выглядит «тупиковой». Наглядное проявление этого «тупика» – типичная ситуация, возникающая при эксплуатации влагомеров на некоторых известных нам предприятиях. Там сразу после внедрения пользователи чувствуют воодушевление от перспектив его применения, но через некоторое время осознают, что датчик начал «безбожно врать», и снимают его с эксплуатации. Ситуация усугубляется тем, что для таких влагомеров не существует метрологически обоснованных методик по организации и порядку проведения их экспертизы, ревизии и поверки. Поэтому даже значения погрешностей измерения предлагаемых влагомеров, указанные в их технической документации, однозначно интерпретировать невозможно. Что это – максимально допустимая абсолютная погрешность средства измерения, определяемая его классом точности при эксплуатации влагомера в условиях, соответствующих паспортным? Маловероятно. Это только инструментальная погрешность? Возможно, но об этом нигде в технических описаниях разработчики не пишут.

Начало пути выхода из этой ситуации, на наш взгляд, состоит в признании неоспоримыми фактами следующих положений:

а) потенциал повышения точности измерений и за счет поиска новых, и за счет совершенствования известных методов практически исчерпан, и надеяться на появление влагомеров с высокими метрологическими характеристиками бессмысленно;

б) полная метрологическая характеристика влагомеров зерна в потоке измерительных приборов и подтверждение этих характеристик в ходе плановых поверок, которое гарантировало бы точность измерений, соответствующую паспортной, принципиально невозможны из-за неопределенно большого количества факторов, влияющих на результаты измерений.

После признания этих фактов легко согласиться и с тем, что конструктивный выход из создавшейся ситуации – переход при измерении влажности зерна в потоке от применения автоматических приборов измерения к автоматизированным системам измерения на основе этих приборов. Сущность этого перехода – дополнение результатов непрерывных измерений, получаемых от влагомеров, результатами специально организованных, осуществляемых работниками лабораторий зерноперерабатывающих предприятий, точных (тестовых) измерений влажности зерна на основе метода высушивания. Объединительным элементом такой автоматизированной системы должны стать алгоритмы адаптации математической модели канала измерения, основанные на методе тестовых измерений [17]. Сам метод, конечно же, должен быть существенно адаптирован к условиям измерения влажности зерна в потоке. Программно-техническую реализацию этих алгоритмов целесообразно интегрировать в АРМ инженера лаборатории, осуществляющего контроль над ходом процесса сушки зерна на предприятии. Разработка указанных алгоритмов составляет отдельную задачу и в этой статье не рассматривается. Сделаем здесь только два важных, на наш взгляд, замечания:

1. Указанные алгоритмы для эффективного решения поставленной задачи должны учитывать максимум конкретных особенностей процессов измерения влажности и применяемых автоматических влагомеров. В частности, саму измеряемую переменную необходимо рассматривать как случайный процесс, предотвращая на всех этапах измерения транспонирование его высокочастотной составляющей спектра в низкочастотную область. Пренебрежение этим приведет к появлению в результатах измерения низкочастотной случайной составляющей методической погрешности, выявить и оценить величину которой будет практически невозможно.

2. Рекомендаций по применению в указанной автоматизированной системе тех или иных автоматических влагомеров, в частности из тех, которые приведены в табл., априори дать невозможно. Но одно важнейшее метрологическое свойство, которое будет давать конкурентное преимущество для применения, очевидно – это минимальная случайная центрированная составляющая инструментальной погрешности измерения и минимальная скорость дрейфа ее детерминированной составляющей. Именно эти характеристики целесообразно было бы улучшать в новых разработках влагомеров и указывать их значения в технической документации.

Статья посвящается светлой памяти Александра Александровича Пикерсгиля (11.03.1927-02.04.1990), замечательного человека, педагога, ученого. Благодаря его энтузиазму, энергии и научной интуиции в нашей академии (тогда – Одесском технологическом институте им. М.В. Ломоносова) развивались и занимали передовые позиции в СССР методы и автоматические приборы измерения влажности зерна, в том числе и в потоке. Его научные труды и идеи и легли в основу этой статьи.
 

Литература:

1. ГОСТ 13586.5-85 «Зерно. Метод определения влажности». – Взамен ГОСТ 3040-55 в части метода определения влажности; Введ. 14.11.85. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 8 с.

2. ГОСТ 29143-91 (ISO 712-85) «Зерно и зернопродукты. Определение влажности (рабочий контрольный метод)» – Введ. 05.12.91. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 5 с.

3. ГОСТ 29144-91 (ISO 711-85) «Зерно и зернопродукты. Определение влажности (базовый контрольный метод)» – Введ. 05.12.91. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 8 с.

4. Проненко В.И., Якирин Р.В. Метрология в промышленности. – К.: «Техника», 1979. – 223 с.

5. Пикерсгиль А.А. Исследование поточных датчиков влажности: Дис… канд. техн. наук: 05.13.07. – Одесса, 1965. – 202 с.

6. Федоткин И.М., Клочков В.П. Физико-технические основы влагометрии в пищевой промышленности. – К.: «Техника», 1974. – 320 с.

7. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. (под общ. ред. Е.С. Кричевского). – М.: «Энергия», 1980. – 240 с.

8. Секанов Ю.П. Влагометрия сыпучих и волокнистых растительных материалов. – М.: ВИМ, 2001. – 189 с.

9. Влагомер зерна ВЗб / http://meridian.bip.ru/

10. Влагометрическая подсистема зерна в потоке / http://www.dnvpeldorado.dp.ua

11. Экспресс-анализатор для непрерывного контроля влажности зерна «Вариант-С» / http://k-variant.com.ua/potoch_pribor.html

12. Влагомер зерновых «Поток» / http://www.aquasensor.com.ua

13. Поточный влагомер MICRORADAR-113C2P / http://www.microradartest.com/

14. Влагомеры для зерна Farmcomp, Финляндия / http://www.labua.net/

15. Влагомеры зерна, каталог фирмы КЕТТ, http://www.wingoda.ru/catalog_k/wlagomer/spravochnik/oborudovanie/pererabotka-zema/vlagomery-dlya-zerna/farmcomp-finlyandiya.html

16. Автоматизация зернопунктов / Краусп В.Р., Расстригин В.Н., Грошев В.Н. – М.: Россельхозиздат, 1973. – 248 с.

17. Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений. – М.: «Энергия», 1978. – 176 с.
 


 

 

Домой ] Вверх ] Статья 1 ] Статья 2 ] Статья 3 ] [ Статья 4 ] Статья 5 ]


Rambler's Top100 Яндекс цитирования AGRO.NET.RU - Аграрная Баннерная Сеть АгроПортал. Сельское хозяйство в России. АгроПоиск - аграрная поисковая система

 

Copyright © 2003 ООО фирма "Лепта"
Изменен: 25.10.16