淺談傳感器在批量循環(huán)式稻谷干燥機(jī)上的應(yīng)用

徐仁慶，李建飛，陸松花

(1.蘇州技師學(xué)院，江蘇 蘇州 215000； 2.佐竹機(jī)械(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

稻谷干燥機(jī)是以機(jī)械的形式，通過(guò)熱風(fēng)干燥將稻谷水分干燥至安全儲(chǔ)藏水分，可替代傳統(tǒng)自然晾曬的谷物干燥方式，近年來(lái)已在國(guó)內(nèi)推廣開(kāi)來(lái)。目前國(guó)內(nèi)較為常見(jiàn)的稻谷干燥機(jī)主要有批量循環(huán)式、橫流式、混流式、順流式，以及間歇式干燥機(jī)五大類，其中以批量循環(huán)式干燥機(jī)最為流行[1]。傳感器是將感受到的被測(cè)量信息，按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄及控制等要求的一種檢測(cè)器件[2]。傳感器根據(jù)其工作原理可涉及到光(可見(jiàn)光、紅外光、激光)、聲(超聲)、電(電阻、電容、電感、電荷)、磁(磁場(chǎng)效應(yīng))等方面，并根據(jù)其不同用途與特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

近年來(lái)，隨著糧機(jī)設(shè)備智能化、無(wú)人化技術(shù)的不斷發(fā)展，以及稻米加工產(chǎn)業(yè)對(duì)于稻谷干燥品質(zhì)的要求不斷提高，促使稻谷干燥機(jī)的智能化程度，以及稻谷干燥信息的精準(zhǔn)度與聯(lián)網(wǎng)追溯等功能成為糧機(jī)企業(yè)與研究者新的關(guān)注點(diǎn)。而傳感器作為干燥機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的首要環(huán)節(jié)，對(duì)于以上功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于各類傳感器的研究已有較多，谷物干燥智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也有一些報(bào)道[3-6]，但有關(guān)傳感器在稻谷干燥機(jī)上的具體應(yīng)用與介紹還未見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者重點(diǎn)闡述各類傳感器在循環(huán)式稻谷干燥機(jī)上的應(yīng)用，旨在為谷物干燥機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供一定參考。

1 稻谷干燥機(jī)用傳感器的選擇

循環(huán)式干燥機(jī)的智能控制系統(tǒng)主要由單片微機(jī)系統(tǒng)主機(jī)、控制電路、傳感器等組成[5]，傳感器部分是智能控制系統(tǒng)信息接收與傳輸?shù)氖滓h(huán)節(jié)。由于稻谷的水分含量和稻谷表面干燥溫度是決定稻谷最終干燥品質(zhì)的關(guān)鍵因素，因而水分傳感器與溫度傳感器在各類稻谷干燥機(jī)中被普遍使用。此外，為進(jìn)一步保障稻谷的干燥品質(zhì)與作業(yè)安全性、節(jié)省工作能耗，以及提升設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度，濕度傳感器、風(fēng)壓傳感器、料位傳感器、回轉(zhuǎn)傳感器、感震傳感器等各類傳感器越來(lái)越多被應(yīng)用于稻谷干燥機(jī)上。由于稻谷烘干車(chē)間的作業(yè)環(huán)境普遍較為惡劣(如：噪音較大、粉塵濃度較高等)，且作業(yè)方式一般為24 h連續(xù)作業(yè)，因而在傳感器的選擇上對(duì)其測(cè)定精準(zhǔn)度、靈敏度、環(huán)境適用性、安裝與維護(hù)便利性等方面要求較高。

2 傳感器在稻谷干燥機(jī)上的具體應(yīng)用

以國(guó)內(nèi)S公司所開(kāi)發(fā)的新型低溫循環(huán)式干燥機(jī)為例，對(duì)各類傳感器在稻谷干燥機(jī)上的具體應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2.1 水分傳感器

在稻谷干燥過(guò)程中，稻谷干燥后的水分含量是確保稻谷干燥品質(zhì)的首要指標(biāo)。稻谷水分含量越高其儲(chǔ)存品質(zhì)越差，如：真菌生長(zhǎng)迅速、發(fā)芽率降低、脂肪酸值升高等[7]。稻谷水分含量對(duì)籽粒的破裂載荷的影響程度要高于環(huán)境溫度，稻谷含水量越高其破裂載荷則越低[8]，即在后期運(yùn)輸、貯存、加工等過(guò)程中越容易產(chǎn)生破碎。但稻谷的水分含量過(guò)低則會(huì)對(duì)大米的食味造成不良影響[9]，并會(huì)增高干燥成本、降低經(jīng)濟(jì)效益。因此，做好稻谷干燥過(guò)程中水分含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

稻谷的水分測(cè)定可通過(guò)烘箱法或儀器法進(jìn)行，其中儀器測(cè)定法因其測(cè)定速率快而被廣泛應(yīng)用于稻谷烘干車(chē)間，其測(cè)定方式主要有紅外線、中子式、電容式、電阻式、微波式等。在稻谷干燥過(guò)程中的水分監(jiān)測(cè)上，又可分為在線檢測(cè)和線下檢測(cè)兩種方式。其中線下檢測(cè)需要人工取樣，既耗時(shí)又耗力，現(xiàn)已被線上水分檢測(cè)裝置逐漸取代。對(duì)于在線水分檢測(cè)傳感器的研發(fā)，電阻式傳感器因其靈敏度與穩(wěn)定性高、測(cè)定速度快及線性度好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為稻谷干燥機(jī)在線水分檢測(cè)裝置的首選，該型傳感器的基本原理是根據(jù)不同水分含量谷物所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電率不同來(lái)測(cè)定水分含量。目前國(guó)內(nèi)外較為高端的稻谷干燥機(jī)上所采用的單粒水分測(cè)定儀，其傳感器均為電阻式[10-13]。其次，電容式傳感器以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、測(cè)定速度快、互換性好及造價(jià)低等特點(diǎn)也備受歡迎，其測(cè)定原理是根據(jù)不同水分含量的稻谷，其介電常數(shù)不同引起電容量的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量。傳統(tǒng)的電容式傳感器的接觸探頭以平行極板式或圓筒式為主，但測(cè)定精度受外部因素影響較大，難以保證在線測(cè)定精度。為此，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研工作者對(duì)此進(jìn)行了一系列改進(jìn)措施，以提高電容式傳感器的測(cè)定精度和穩(wěn)定性，如：電路設(shè)計(jì)改進(jìn)[14]、采用邊緣電場(chǎng)電容式傳感器[15]、CAN總線的應(yīng)用[16]等。此外，微波式水分檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，以其測(cè)量范圍廣、檢測(cè)精度較高、對(duì)環(huán)境敏感性好，以及適合用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)[17]，在糧食在線水分檢測(cè)上也得到了一定推廣。

2.2 溫度傳感器

相關(guān)研究表明，干燥溫度是影響稻米食味的主要因素。高溫干燥可促使稻米脂肪酸值和直鏈淀粉含量升高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由有序排列變得雜亂無(wú)序[18]，且相對(duì)于低溫干燥，高溫干燥會(huì)導(dǎo)致爆腰率的升高[19]。因此，在稻谷干燥過(guò)程中，為保障稻谷最終的干燥品質(zhì)，需要通過(guò)溫度傳感器嚴(yán)格把控稻谷溫度和熱風(fēng)溫度。

溫度傳感器可分為接觸式與非接觸式兩大類別。具體包括應(yīng)用較為廣泛的熱電偶與熱電阻傳感器[20]，以及應(yīng)用于特殊領(lǐng)域的新型傳感器，如：光纖溫度傳感器、特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|、石英溫度計(jì)[21]等。熱電偶測(cè)溫原理是利用熱電效應(yīng)，即由兩種不同導(dǎo)體材料制成的電極組成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí)，在閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)[22]。熱電阻傳感器的測(cè)溫原理是基于電阻值隨溫度變化而變化的特性[23]，其電阻材料可根據(jù)使用要求選用金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料。

2.3 濕度傳感器

通過(guò)搭載濕度傳感器，可持續(xù)測(cè)量外部空氣濕度。當(dāng)外部空氣濕度較高(雨天等)或較低時(shí)，濕度傳感器可將空氣濕度信息傳送至計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)稻谷水分含量、稻谷溫度等信息綜合分析與判斷，自動(dòng)調(diào)高或降低送風(fēng)溫度，從而在高濕度時(shí)能夠維持干燥速率，在低濕度時(shí)防止過(guò)度干燥導(dǎo)致品質(zhì)下降。

濕度傳感器通常采用電容式與電阻式等濕敏元件，近年來(lái)隨著傳感技術(shù)的不斷引進(jìn)與拓展，濕度傳感器的集成化和智能化，以及多指標(biāo)測(cè)量技術(shù)已得到飛速發(fā)展。與之相關(guān)的新型研究成果也是層出不窮，如基于可調(diào)諧激光吸收光譜的濕度傳感器[24]、基于還原氧化石墨烯的干涉型光纖濕度傳感器[25]、基于光纖錐級(jí)聯(lián)的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器[26]等。

2.4 風(fēng)壓傳感器

風(fēng)壓傳感器又稱為微差壓傳感器，其在干燥機(jī)上主要用于監(jiān)測(cè)干燥過(guò)程中的熱風(fēng)量，以便于根據(jù)進(jìn)料量進(jìn)行熱風(fēng)量的自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最符合進(jìn)料量與水分值的風(fēng)量，最終達(dá)到節(jié)約電力、減少燃料消耗量的目的。其工作原理是當(dāng)壓力作用在傳感器的膜片上時(shí)，膜片會(huì)發(fā)生與介質(zhì)壓力成正比關(guān)系的微位移，同時(shí)傳感器的電阻也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，測(cè)量電路檢測(cè)到相應(yīng)變化后隨即轉(zhuǎn)換并輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的電信號(hào)。

2.5 其他傳感器

料位傳感器在干燥機(jī)上也被稱為滿量傳感器，當(dāng)?shù)竟冗M(jìn)料量達(dá)到干燥機(jī)滿倉(cāng)位置時(shí)，閥門(mén)可自行關(guān)閉。目前在糧機(jī)企業(yè)中以電容式和阻旋式料位傳感器較為常見(jiàn)。對(duì)于電容式物料傳感器，采用雙電容式結(jié)構(gòu)可消除溫度和濕度對(duì)測(cè)定過(guò)程的干擾[27-28]，因而更適合應(yīng)用于谷物干燥機(jī)上。此外，有些干燥機(jī)廠家會(huì)在下部絞龍搭載回轉(zhuǎn)傳感器用于監(jiān)視谷物循環(huán)量。由于谷物性狀的不同，回轉(zhuǎn)閥中排出的稻谷量有可能過(guò)多或過(guò)少，通過(guò)回轉(zhuǎn)傳感器及控制盤(pán)對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠保證合適的循環(huán)量。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)谷物干燥機(jī)的補(bǔ)貼與推廣力度的不斷加大，以及國(guó)內(nèi)干燥機(jī)用戶對(duì)于干燥機(jī)的智能化要求不斷提高，如何完善干燥機(jī)的智能監(jiān)控系統(tǒng)已成為未來(lái)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行研發(fā)的重點(diǎn)。而傳感器作為稻谷干燥機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其在稻谷干燥機(jī)上的應(yīng)用必將越來(lái)越為廣泛。