真空干燥過程中物料質(zhì)量在線測量設(shè)備設(shè)計與試驗

薛令陽 王書茂 高振江 于賢龍 林 海 魏 青

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制學(xué)院， 葫蘆島 125105)

0 引言

真空脈動干燥是一種真空狀態(tài)和常壓狀態(tài)周期性交替變化的真空干燥技術(shù)，在真空-常壓交替變化過程中實現(xiàn)快速干燥[1-6]。該技術(shù)在干燥過程中物料的質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)與干燥過程的環(huán)境溫度、真空狀態(tài)、加熱溫度等工藝參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，是研究干燥技術(shù)工藝參數(shù)與物料適應(yīng)性和干燥動力學(xué)及干燥品質(zhì)的重要參數(shù)，也是判定物料干燥終了的重要指標，具有重要的理論和實際應(yīng)用價值[7-8]。

真空脈動干燥裝置工作時大多處于真空密閉狀態(tài)，由于測量系統(tǒng)會受到機械振動、溫度變化和氣流干擾等多重影響，以往干燥過程中的質(zhì)量測量多采用在脈動常壓階段打開干燥箱體，將物料取出稱量的離線測量方式[4,9]。這種測量方式勞動強度大，測量過程離開干燥室，物料所處環(huán)境發(fā)生變化易引起物料狀態(tài)的變化從而產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果無法準確反映干燥過程的變化。

農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用稱量系統(tǒng)較多的環(huán)節(jié)是分級、包裝、飲料灌裝、產(chǎn)品檢測等[10-12]。如王棟等[13-14]設(shè)計了氣體射流沖擊含水率在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過自動稱量法在線測量物料含水率，但該系統(tǒng)測量精度較低，在干燥后期物料質(zhì)量較小時存在較大誤差。

本文設(shè)計質(zhì)量在線測量系統(tǒng)，主要研究真空脈動干燥室環(huán)境下質(zhì)量在線測量，其中包含稱量的機械裝置和控制部分的軟硬件設(shè)計以及信號的濾波和校準算法設(shè)計等，以保證在整個干燥過程中質(zhì)量測量的最大引用誤差不大于0.1%，為干燥過程智能化控制提供技術(shù)支持。

1 帶有質(zhì)量測量系統(tǒng)的真空脈動干燥設(shè)備

1.1 干燥系統(tǒng)組成

真空脈動干燥設(shè)備由干燥室、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成[15]。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。物料置于平行放置的碳晶加熱板之間，通過加熱板的輻射對其加熱；真空系統(tǒng)為干燥過程提供周期性交替變化的脈動真空壓力，控制系統(tǒng)控制并記錄各項參數(shù)。其中，干燥室真空度變化范圍為0～97 kPa，加熱板溫度變化范圍為30～120℃。

圖1 真空脈動干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed vacuum dryer1.控制箱 2.人機界面(上位機) 3.干燥室 4.料架 5.真空壓力傳感器 6.循環(huán)水箱 7.冷卻機 8.水環(huán)式真空泵 9.真空管路 10.稱量傳感器 11.電磁閥 12.門 13.觀察窗

1.2 控制系統(tǒng)組成及功能

真空脈動干燥設(shè)備控制系統(tǒng)如圖2所示，由上位機、溫度控制模塊、IO模塊和質(zhì)量測量系統(tǒng)組成。其中上位機采用威綸通公司的MT8101iE人機界面為控制核心部件，在滿足控制功能的同時具有較好的經(jīng)濟性，上位機負責人機交互、數(shù)據(jù)計算、指令控制、數(shù)據(jù)存儲、MODBUS總線維護等工作，上位機與各模塊之間采用3條RS485總線通信[16]。溫度控制模塊通過采集各個加熱板上溫度傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合上位機指令調(diào)節(jié)碳晶加熱板的溫度，實現(xiàn)對干燥過程中溫度的控制。IO模塊負責采集真空壓力和物料溫度，并且結(jié)合上位機指令負責控制外部設(shè)備中真空泵和電磁閥的工作。另外，本文增加了質(zhì)量測量模塊，其中稱量傳感器負責采集質(zhì)量信號，由信號變換模塊將信號放大處理和A/D轉(zhuǎn)換，并實時與上位機通信，負載溫度傳感器負責采集負載傳感器自身溫度，用于后續(xù)溫度補償。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Schematic diagram of control system

2 測量方案設(shè)計

GB 5009.3—2016中物料含水率的測量要求物料在初始質(zhì)量為2～10 g時，測量分度值0.1 mg，干燥終點兩次測量結(jié)果質(zhì)量變化小于2 mg，即測量精度應(yīng)大于0.1%[17]。該標準要求的測量精度是在實驗室靜態(tài)環(huán)境下測得的結(jié)果，測量過程對環(huán)境有特殊要求，而要在干燥過程中多重干擾條件下實現(xiàn)同等測量精度難度極大，因此為盡量滿足含水率的測量標準，綜合考慮干燥試驗的需求，本文測量系統(tǒng)設(shè)計總量程不小于1 500 g，去掉料盤后有效量程不小于1 000 g，測量分度值0.1 g，最大引用誤差不大于0.1%。

2.1 物料托架設(shè)計

圖3 物料托架及安裝位置Fig.3 Material bracket and position of assembly1.頂部橫梁 2.傳感器基座 3.壓力傳感器 4.料盤支架 5.隔熱板 6.加熱板固定架

碳晶紅外加熱板式的真空脈動干燥設(shè)備為多層干燥，加熱板尺寸為300 mm×500 mm,試驗裝置中單層物料裝載量為200～500 g，1 000 g裝載量需裝載2～5層。為保證足夠的輻射熱量，干燥裝置中層間距為55 mm，在55 mm的間距中包含加熱板、加熱板固定橫梁、料盤和物料，因此實際操作空間狹小。然而包含加熱板的料架質(zhì)量遠大于物料質(zhì)量，直接測量整個料架會嚴重影響測量精度。因此本文將加熱板固定架與物料托架分離，使測量系統(tǒng)直接測量物料從而減少不必要的精度損失。物料托架直接連接測量傳感器，并支撐物料料盤，與加熱板固定架不直接接觸。首先，為盡量減小除物料外的附件質(zhì)量，以提高有效測量精度，物料托架的質(zhì)量應(yīng)盡量減小。為保證物料托架穩(wěn)定性和耐用性，采用10 mm×10 mm×1 mm規(guī)格的不銹鋼方管設(shè)計了如圖3a所示的料架結(jié)構(gòu)。其中底部支撐座平行方管與傳感器固定，傳感器固定在不銹鋼板基座上，以減小測量過程中的振動；另外，支撐料盤使用4個焊接在豎桿上的短柱，料盤選擇300 mm×450 mm不銹鋼網(wǎng)狀盤，以減小托架的質(zhì)量。具體安裝位置和安裝方式如圖3b和圖3c所示。

2.2 關(guān)鍵部件選型及安裝方式

測量傳感器是整個質(zhì)量測量系統(tǒng)的核心元件，質(zhì)量的測量實際為被測物體在重力作用下對傳感器壓力或拉力的測量。懸臂梁式壓力傳感器有著較高的測量精度、較好的溫度系數(shù)和較低的形變量，因此結(jié)合物料托架的結(jié)構(gòu)和測量范圍要求，本文選用量程為3 kg的單點式雙孔懸臂梁壓力傳感器進行質(zhì)量測量，傳感器為Hottinger Baldwin Measurements(HBM)公司生產(chǎn)的SP4MC3MR/3 kg。為方便與干燥設(shè)備控制系統(tǒng)整合，除傳感器外，還選用了該公司的帶RS485總線的信號調(diào)理模塊AED9101D和AD103C構(gòu)成整個質(zhì)量測量系統(tǒng)。

由于壓力傳感器會受到溫度變化的影響，為進行溫度補償，需實時測量壓力傳感器自身溫度。本文選用德州儀器(TI)公司的LM75型數(shù)字式溫度傳感器進行測量，該模塊具有I2C數(shù)字信號輸出，測量范圍-45～125℃，測量精度0.125℃，完全滿足壓力傳感器溫度測量要求。

圖4 傳感器安裝位置Fig.4 Installation location of sensor1.中心線 2.壓力傳感器 3.溫度傳感器粘貼位置 4.線束 5.壓力傳感器固定端 6.壓力傳感器受力端

壓力傳感器和溫度傳感器的安裝位置如圖4所示，壓力傳感器中心面與測量料架中心面重合，使測量時重心恰好通過傳感器中心。溫度傳感器粘貼在壓力傳感器固定端位置，在保證能夠測得壓力傳感器溫度的同時有效避免溫度傳感器粘貼和線束受力對測量結(jié)果的影響。

3 干擾分析與補償方法

針對干燥機結(jié)構(gòu)分析可知，測量結(jié)果受到干擾的因素主要有：①振動干擾。由于壓力傳感器單點固定，多層式物料托架質(zhì)心遠高于傳感器測量水平面，導(dǎo)致整體處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，在外界環(huán)境存在輕微干擾時會產(chǎn)生周期性簡諧振動[18]，并且存在一定的規(guī)律性，可以通過濾波方式將振動干擾信號濾除。②溫度干擾。由于干燥過程中不同干燥參數(shù)的設(shè)置，加熱板處于不同工作溫度，使干燥室內(nèi)溫度隨時間發(fā)生變化，負載傳感器自身溫度也隨之改變，溫度變化會引起傳感器特性變化，進而影響測量結(jié)果，可以通過測量其中變化規(guī)律進行補償。③氣流擾動。在真空狀態(tài)和常壓狀態(tài)的切換過程中，干燥室處于進氣或抽氣狀態(tài)，此時有快速的氣流流動，氣流從不同方向作用于壓力傳感器、物料托架和物料，使原有平衡狀態(tài)被打破，由此對測量結(jié)果產(chǎn)生較明顯干擾，干擾影響會由于不同物料的裝載和干燥過程中的變化呈現(xiàn)明顯差異。④氣壓變化。真空狀態(tài)和常壓狀態(tài)時干燥室內(nèi)氣壓差異懸殊，由于空氣浮力的作用會導(dǎo)致測量結(jié)果有輕微差異，該差異會隨著裝載量和干燥進程而變化。

3.1 振動干擾的測量、分析和消除

由于壓力傳感器的安裝方式導(dǎo)致其對振動干擾極為敏感，輕微環(huán)境振動和設(shè)備自身運轉(zhuǎn)振動都會引起傳感器示數(shù)大幅周期性波動，無法獲取穩(wěn)定測量結(jié)果。傳感器示數(shù)的波動呈現(xiàn)一定規(guī)律，但該規(guī)律會受到載荷、傳感器溫度、干燥室氣壓的影響。因此可以通過采集不同狀態(tài)下的傳感器輸出信號分析振動規(guī)律，得到干擾信號的頻率分布，通過設(shè)計合適的濾波算法將其消除[18]。

3.1.1測量方法

頻率分布測量時考慮載荷、溫度、氣壓3個因素的作用，每個因素只考慮測量條件的最小和最大兩個極端狀態(tài)水平，即載荷空載0 g和滿載1 500 g，溫度20℃和50℃，氣壓真空和常壓。三因素二水平共有23=8種組合，對這8種組合下的傳感器輸出信號分別以1 200 Hz采樣頻率連續(xù)讀取8 192個結(jié)果，每個組合獨立測量10次，然后對每次讀取結(jié)果分別通過快速傅里葉變換(FFT)得到其頻譜數(shù)據(jù)，通過分析頻域特性，找到共振頻率[19]。

3.1.2結(jié)果分析

測量結(jié)果如圖5～12所示(共8組)。由于時域圖10次測量數(shù)據(jù)相互重疊無法有效區(qū)分，文中只給出其中一次。頻域圖為全部10次測量結(jié)果的頻譜，從測量次數(shù)坐標可以看出每一次的頻譜曲線。由時域圖可以發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下的波動幅度存在明顯差異，如圖5a波動范圍在-6～7之間，而圖6a波動范圍在3 530～3 610之間。由頻域圖可以發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下的共振頻率存在明顯差異，共振頻率主要集中在12、25、48、55、75 Hz左右，最多時可同時存在5個共振頻率(圖9b)，最少時存在1個主要共振頻率25 Hz(圖6b)，其中在空載、真空狀態(tài)下的波形最復(fù)雜(圖9、11)。

對比載荷因素下的兩個水平狀態(tài)時域圖和頻域圖可以看出，滿載和空載狀態(tài)存在明顯差異，滿載狀態(tài)時共振頻率幾乎全部集中在25 Hz，另外還存在8 Hz和48 Hz的不明顯共振頻率。由此可得隨著負載的增加頻率向25 Hz集中，其他頻率影響減弱。

對比溫度因素下的兩個水平狀態(tài)時域圖和頻域圖可以看出，溫度的變化會影響波形復(fù)雜度，隨著溫度升高各個共振頻率都得到加強，50℃的波形復(fù)雜度明顯高于20℃。

對比壓力因素下的兩個水平狀態(tài)時域圖和頻域圖可以看出，壓力狀態(tài)的變化會影響個別頻率，真空狀態(tài)下大于40 Hz的共振頻率明顯增強，這是由真空狀態(tài)下真空泵持續(xù)運轉(zhuǎn)引起箱體振動造成的。

圖5 空載、20℃、常壓狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.5 Time domain diagram and frequency domain diagram of signal in no load, 20℃ and normal pressure states

圖6 滿載、20℃、常壓狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.6 Time domain diagram and frequency domain diagram of signal in full load, 20℃ and normal pressure states

圖7 空載、50℃、常壓狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.7 Time domain diagram and frequency domain diagram of signal in no load, 50℃ and normal pressure states

圖8 滿載、50℃、常壓狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.8 Time domain diagram and frequency domain diagram of signal in full load, 50℃ and normal pressure states

圖9 空載、20℃、真空狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.9 Signal time domain diagram and frequency domain diagram of no load, 20℃ and vacuum pressure states

圖10 滿載、20℃、真空狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.10 Signal time domain diagram and frequency domain diagram of full load, 20℃ and vacuum pressure states

圖11 空載、50℃、真空狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.11 Signal time domain diagram and frequency domain diagram of no load, 50℃ and vacuum pressure states

圖12 滿載、50℃、真空狀態(tài)下信號時域圖和頻域圖Fig.12 Signal time domain diagram and frequency domain diagram of full load, 50℃ and vacuum pressure states

綜上分析可知，載荷、溫度和壓力因素均會對測量系統(tǒng)的振動特性產(chǎn)生影響，不同因素水平狀態(tài)下的共振頻率主要集中在12～60 Hz，但在最大負載情況下最小共振頻率會從12 Hz轉(zhuǎn)移到8 Hz左右，系統(tǒng)的主要共振頻率集中在25 Hz左右。為保證在線測量能準確測量零至滿載時的全部情況，在濾波時應(yīng)將頻率大于8 Hz的信號全部濾除。

3.1.3濾波算法設(shè)計

由圖5～12中的時域圖可以看出，實際信號為直流信號和交流信號的疊加。在一個濾波采樣周期中，質(zhì)量的變化可以忽略不計，所以質(zhì)量信號視為傳感器輸出信號的直流分量，干擾信號視為交流分量。理想狀態(tài)的濾波只保留直流分量濾除全部交流分量，但實際中并不存在該理想狀態(tài)濾波器。常見的數(shù)字低通濾波器有有限長沖擊響應(yīng)(FIR)低通濾波器和無限長沖擊響應(yīng)(IIR)低通濾波器，這兩種濾波器均可以實現(xiàn)較好的低通濾波，并且FIR濾波器結(jié)構(gòu)簡單，求解方便。但是在同樣濾波效果的前提下，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)要遠高于IIR，即FIR濾波器的計算量遠大于IIR濾波器[20-22]。為減小控制器的計算量，并提高濾波器的濾波效果，本文選擇IIR濾波器進行濾波，濾波器基本差分方程[20]為

(1)

式中X(n-i)——濾波前序列

Y(n)——濾波后序列

ai、bi——待求解加權(quán)系數(shù)

N——濾波器階數(shù)

n——數(shù)據(jù)序號

選擇巴特沃斯低通濾波器進行間接設(shè)計，選取干擾波形最復(fù)雜的空載、50℃、真空狀態(tài)下的測量結(jié)果為測試序列對濾波器進行測試，求解流程如圖13所示。

圖13 濾波器設(shè)計流程Fig.13 Design ideas of filter

設(shè)計要求為：采樣頻率1 200 Hz，通帶截止頻率0.125 Hz，阻帶截止頻率8 Hz，通帶最大衰減1 dB，阻帶最小衰減60 dB。濾波器階數(shù)N滿足公式[21]

(2)

式中Ωp——通帶截止頻率

Ωs——阻帶截止頻率

αp——通帶最大衰減系數(shù)

αs——阻帶最小衰減系數(shù)

將設(shè)計要求代入式(2)得N=1.823 4，故取濾波器階數(shù)為二階，即N=2。由Matlab中butter函數(shù)求解得式(1)中序列各加權(quán)系數(shù)為：a0=0.000 000 107 04、a1=0.000 000 214 09、a2=0.000 000 107 04、b1=-1.999 1、b2=0.999 1。

求得各加權(quán)系數(shù)后，即可由式(1)對原始序列進行濾波運算，為測試該濾波器能否達到設(shè)計要求，應(yīng)用測試序列對濾波器性能進行測試，測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可知，濾波器的響應(yīng)時間約為9 s，雖然單從響應(yīng)時間來看數(shù)值較大，但與長達十幾小時的整個干燥過程相比可以忽略；由圖14可得，直流分量放大倍數(shù)約為1，頻率8 Hz以上的波形全部濾掉，故濾波器滿足實際使用需求。

圖14 濾波器測試結(jié)果Fig.14 Filter test results

圖15 濾波效果對比Fig.15 Contrast of filtering effect

在濾波器設(shè)計完成后，對上文所有三因素二水平8種組合狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)進行了濾波測試，測試結(jié)果表明該濾波算法可以有效濾除所有干擾信號，其中空載、20℃、常壓狀態(tài)下的濾波效果如圖15所示。濾波后傳感器輸出示數(shù)穩(wěn)定，響應(yīng)時間滿足測量要求，為后續(xù)溫度修正提供了基礎(chǔ)。

3.2 溫度干擾測量、分析和補償

3.2.1影響規(guī)律分析

在濾除振動干擾后壓力傳感器輸出穩(wěn)定測量結(jié)果，但在負載不變條件下溫度發(fā)生變化時輸出數(shù)值會隨之變化，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。為確定溫度影響規(guī)律，分別對傳感器在20、30、40℃ 3個溫度點進行加載測量，加載質(zhì)量為0、190、381、571、671、771、…、1 571 g，得到3個溫度下的傳感器加載輸出結(jié)果如圖16所示。由圖可得，傳感器在3個溫度點的加載輸出規(guī)律一致，但隨著溫度升高傳感器零點向下漂移，即溫度變化不影響傳感器輸出特性，僅會導(dǎo)致傳感器零點漂移，此為傳感器固有特性，與物料變化情況無關(guān)。

圖16 傳感器不同溫度加載輸出結(jié)果Fig.16 Sensor loading output at different temperatures

3.2.2測量方法

為定量測量傳感器隨溫度變化的零點漂移規(guī)律，在空載條件下對傳感器進行升溫和降溫試驗，記錄傳感器在不同溫度下的輸出結(jié)果。在正常的干燥過程中壓力傳感器自身溫度變化范圍為30～40℃，溫度變化過程極其緩慢，最大升溫幅度約為5℃/h，在此過程中可以認為傳感器不同位置溫度相同，傳感器溫度測量點(圖4中溫度傳感器粘貼位置)可以反映整個傳感器的溫度。另外由于干燥過程始終處于加熱狀態(tài)，幾乎不會出現(xiàn)傳感器降溫情況。然而為充分考慮極端情況本文將測試溫度擴展為20～45℃，并且分別測量升溫和降溫規(guī)律。測量方法為：首先密閉干燥室，關(guān)閉真空泵、電磁閥、冷卻機等其他外設(shè)；然后設(shè)置所有加熱板溫度為90℃持續(xù)加熱，使壓力傳感器在加熱板作用下緩慢升溫，待溫度從20℃升到45℃時完成一次升溫過程；最后，關(guān)閉加熱板使壓力傳感器自然冷卻至20℃完成一次降溫過程。整個測量過程中溫度和壓力傳感器測量結(jié)果每隔2 s記錄一次。

3.2.3結(jié)果分析和擬合

壓力傳感器自身溫度隨時間變化如圖17a所示，由于測量過程模擬實際干燥過程始終密閉干燥室，因此升溫和降溫過程極其緩慢，一次升降溫循環(huán)約14 h。由于升溫和降溫過程緩慢，壓力傳感器在兩個過程中表現(xiàn)出的規(guī)律幾乎相同，即溫度滯回性可以忽略不計。因此，在20～45℃范圍內(nèi)，間隔0.125℃分別求得對應(yīng)溫度下的升溫過程和降溫過程傳感器輸出值的平均值，作為該溫度下的傳感器輸出結(jié)果，繪制成如圖17b所示的關(guān)系曲線。

圖17 溫度對測量結(jié)果的影響Fig.17 Measurement results of temperature influence

由圖17b可知，溫度對傳感器輸出值的影響并非簡單的線性關(guān)系，為求得溫度修正公式，分別對該曲線進行了二階至六階多項式建模，得到如圖18所示的擬合結(jié)果。通過擬合曲線發(fā)現(xiàn)二階多項式擬合效果最差，三階和四階多項式擬合效果優(yōu)于二階多項式，五階和六階多項式擬合效果最優(yōu)，但是三階和四階多項式在低溫和高溫段的擬合誤差較大，而五、六階多項式擬合計算量較大，進行單精度浮點運算時可能會存在較大誤差，而雙精度浮點運算對處理器要求較高，不利于整機控制的實時性。但通過分析曲線發(fā)現(xiàn)該曲線明顯呈現(xiàn)出3個變化趨勢：減速下降、勻速下降和加速下降，因此提出將曲線進行分段擬合，通過降低擬合多項式次數(shù)實現(xiàn)減小計算復(fù)雜度的目的。為找到分段端點，求得傳感器輸出值對溫度的一階差分序列，得到如圖19所示的差分序列曲線，通過差分曲線發(fā)現(xiàn)該曲線存在兩個明顯的拐點，說明原始序列在該拐點處變化趨勢有明顯改變，因此選擇在拐點處對原始序列進行分段，得到分段區(qū)間為[20℃，21.5℃)、[21.5℃，43℃)、[43℃，45℃]。在各分段區(qū)間內(nèi)分別對原始序列進行擬合，得到如圖20所示的擬合結(jié)果。

圖18 空載條件下溫度對測量結(jié)果影響曲線與擬合情況Fig.18 Influence curve and fitting condition of temperature on measurement results under unloaded condition

圖20 各溫度段擬合結(jié)果及殘差Fig.20 Fitting results of each temperature section and residual

各溫度段擬合公式為

(3)

式中t——溫度，℃

圖19 差分曲線和拐點Fig.19 Difference curve and inflection point

其中，在20～21.5℃擬合公式的決定系數(shù)R2=0.988，21.5～43℃擬合時發(fā)現(xiàn)二階擬合結(jié)果在首尾端存在較大誤差，因此采用三階函數(shù)擬合，擬合決定系數(shù)R2=0.998，43～45℃擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2=0.999。各擬合段的R2均大于0.98，并且所有傳感器輸出的殘差小于250(與空載時不同溫度段輸出值相比，可以忽略)，由此可得各階段擬合公式均可以實現(xiàn)很好的擬合效果，可以對溫度漂移進行修正。

3.3 氣流擾動和氣壓變化影響

干燥室在進氣和抽氣過程時，強烈的氣流沖擊會對測量結(jié)果產(chǎn)生很大的干擾，試驗測量發(fā)現(xiàn)進抽氣沖擊時間小于1 min，干擾過程無明顯規(guī)律，通過方程擬合的形式進行修正無法實現(xiàn)較高的擬合精度。雖然進氣和抽氣過程有較明顯的干燥速率變化[14]，但由于壓力切換過程時間較短，占整個干燥過程的1/15～1/20，實際質(zhì)量的變化并不明顯[22]，因此本文研究中不考慮壓力切換過程的質(zhì)量實時變化規(guī)律，僅測量切換過程起始和結(jié)束點的質(zhì)量數(shù)值。實際測量過程中將進氣和抽氣過程數(shù)據(jù)去掉后用線性插值數(shù)據(jù)代替。

實際測量中發(fā)現(xiàn)在濾除振動干擾信號后氣壓變化影響很小，幾乎可以忽略不計，而且在不同干燥階段影響大小不同，修正時可能會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，因此本文不考慮氣壓變化影響。

4 質(zhì)量擬合公式

在對傳感器輸出結(jié)果進行濾波和修正處理后，得到相對穩(wěn)定的示數(shù)，但該示數(shù)并非最終需要的質(zhì)量值，要想得到最終質(zhì)量需對該示數(shù)與實際質(zhì)量之間建立回歸方程，通過回歸方程建立對應(yīng)關(guān)系進行變換。為得到回歸方程，在溫度基點20℃環(huán)境下進行了3次加載-減載測試，標準質(zhì)量采用適量直徑為0.4～0.6 mm的玻璃珠放置在玻璃培養(yǎng)皿中由JA31002型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司，量程3 000 g，精度0.01 g)稱量得到。測試結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器載荷測試結(jié)果Tab.1 Sensor load test results

分析表1數(shù)據(jù)可得，傳感器在空載時輸出結(jié)果小于溫度修正擬合殘差值，并且與有負載時的輸出結(jié)果相比可以忽略不計。傳感器輸出結(jié)果與質(zhì)量之間呈線性關(guān)系，可得到線性回歸方程為

m=0.000 440 21x-1.455 3

(4)

式中x——傳感器振動濾波后輸出值

m——質(zhì)量，g

其中，擬合方程決定系數(shù)R2=0.999 99。

式(4)為在20℃狀態(tài)下未加溫度修正的質(zhì)量，要想得到不同溫度下的最終測量結(jié)果需對該公式添加溫度修正參數(shù)，即由式(3)和式(4)可得最終質(zhì)量擬合公式為

mo=0.000 440 21(x-y)-1.455 3

(5)

式中mo——校準后的輸出質(zhì)量

由式(5)可得，質(zhì)量測量的最終結(jié)果由傳感器振動濾波后的輸出值和不同溫度狀態(tài)下的溫度修正參數(shù)共同計算得出。

5 試驗驗證

5.1 測量精度試驗測試

為有效驗證質(zhì)量測量系統(tǒng)在不同溫度和載荷下的測量精度，選取驗證溫度點為20、30、40℃；測試載荷盡量避開傳感器線性擬合測試點，選取0、571(3個料盤的質(zhì)量)、671、871、1 071、1 271、1 471 g。測試時在不同溫度點進行3次加載-減載試驗，取3次平均值為測試結(jié)果，以最大引用誤差為評價依據(jù)，具體測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果顯示在20～40℃范圍內(nèi)，靜態(tài)條件下系統(tǒng)測量最大引用誤差為0.06%，測量精度滿足干燥過程中質(zhì)量監(jiān)測的需要。

表2 不同溫度和載荷下的測量結(jié)果Tab.2 Measurement results at different temperatures and loads

5.2 物料干燥試驗測試

為驗證在動態(tài)過程中系統(tǒng)測量結(jié)果能否反映物料質(zhì)量變化情況，使用初始質(zhì)量為1 000 g、尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的茯苓塊進行干燥過程質(zhì)量測量測試，設(shè)置脈動比為真空時間15 min、常壓時間4 min，加熱板溫度65℃，連續(xù)干燥500 min，每隔2 s記錄一次物料質(zhì)量、干燥室壓力和壓力傳感器自身溫度。干燥結(jié)束后取出樣品，使用JA31002型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司，量程3 000 g，精度0.01 g)測量最終質(zhì)量，與在線測量結(jié)果對比相差1.0 g，即最大引用誤差0.1%。質(zhì)量記錄結(jié)果如圖21所示，由圖可見在不同溫度和脈動干擾條件下，在線質(zhì)量測量結(jié)果輸出穩(wěn)定變化，可以清楚反映整個干燥過程中的質(zhì)量變化情況和干燥過程中不同狀態(tài)下的干燥速率變化情況。

圖21 物料干燥試驗質(zhì)量在線測量結(jié)果Fig.21 On-line measurement results of material drying test

6 結(jié)論

(1)通過設(shè)計獨立測量料架和選用高精度的壓力傳感器，在經(jīng)過振動濾波、溫度修正和氣流擾動處理后，實現(xiàn)了在振動、溫度變化和氣流短時沖擊干擾等多重擾動影響下的物料質(zhì)量在線測量，測量總量程1 500 g，去掉料盤后有效量程1 000 g，在傳感器溫度20～45℃、無明顯外部劇烈振動、沖擊時間小于1 min的正常進抽氣條件下，測量系統(tǒng)最大引用誤差0.1%，并且測量結(jié)果在不同干擾影響下輸出穩(wěn)定，可以清楚反映整個干燥過程中的質(zhì)量變化情況和不同狀態(tài)下的干燥速率變化情況，滿足了干燥過程中物料質(zhì)量的測量要求。

(2)質(zhì)量的測量過程會受到來自外界環(huán)境和設(shè)備本身的振動干擾，干擾振動呈現(xiàn)不同的共振頻率，應(yīng)用二階無限長度沖擊響應(yīng)低通數(shù)字濾波器進行濾波，可以有效濾除測量系統(tǒng)的振動干擾。

(3)質(zhì)量的測量結(jié)果會由于干燥室溫度變化導(dǎo)致零點漂移，漂移量與溫度呈高次函數(shù)關(guān)系，直接用高次函數(shù)擬合計算量較大，通過差分運算尋找拐點進行分段擬合，可以在大幅減小擬合計算量的前提下保證擬合精度，進而保證整機系統(tǒng)的控制實時性。

(4)質(zhì)量在線測量方案具有較大的安裝靈活性，可應(yīng)用于大多數(shù)干燥設(shè)備，為研究農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中物料狀態(tài)變化規(guī)律，進而為保證農(nóng)產(chǎn)品干燥品質(zhì)、實現(xiàn)節(jié)能減損提供技術(shù)支持。