浅谈传感器在批量循环式稻谷干燥机上的应用

2021-12-28徐仁庆李建飞陆松花

粮食与饲料工业 2021年1期

徐仁庆，李建飞，陆松花

(1.苏州技师学院，江苏苏州 215000； 2.佐竹机械(苏州)有限公司，江苏苏州 215000)

稻谷干燥机是以机械的形式，通过热风干燥将稻谷水分干燥至安全储藏水分，可替代传统自然晾晒的谷物干燥方式，近年来已在国内推广开来。目前国内较为常见的稻谷干燥机主要有批量循环式、横流式、混流式、顺流式，以及间歇式干燥机五大类，其中以批量循环式干燥机最为流行[1]。传感器是将感受到的被测量信息，按照一定规律转换成电信号或其他形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录及控制等要求的一种检测器件[2]。传感器根据其工作原理可涉及到光(可见光、红外光、激光)、声(超声)、电(电阻、电容、电感、电荷)、磁(磁场效应)等方面，并根据其不同用途与特点被广泛应用于各个领域。

近年来，随着粮机设备智能化、无人化技术的不断发展，以及稻米加工产业对于稻谷干燥品质的要求不断提高，促使稻谷干燥机的智能化程度，以及稻谷干燥信息的精准度与联网追溯等功能成为粮机企业与研究者新的关注点。而传感器作为干燥机智能监控系统构建的首要环节，对于以上功能的实现至关重要。目前，国内关于各类传感器的研究已有较多，谷物干燥智能监控系统的设计也有一些报道[3-6]，但有关传感器在稻谷干燥机上的具体应用与介绍还未见报道。为此，笔者重点阐述各类传感器在循环式稻谷干燥机上的应用，旨在为谷物干燥机智能化监控系统的开发提供一定参考。

1 稻谷干燥机用传感器的选择

循环式干燥机的智能控制系统主要由单片微机系统主机、控制电路、传感器等组成[5]，传感器部分是智能控制系统信息接收与传输的首要环节。由于稻谷的水分含量和稻谷表面干燥温度是决定稻谷最终干燥品质的关键因素，因而水分传感器与温度传感器在各类稻谷干燥机中被普遍使用。此外，为进一步保障稻谷的干燥品质与作业安全性、节省工作能耗，以及提升设备监控系统的智能化程度，湿度传感器、风压传感器、料位传感器、回转传感器、感震传感器等各类传感器越来越多被应用于稻谷干燥机上。由于稻谷烘干车间的作业环境普遍较为恶劣(如：噪音较大、粉尘浓度较高等)，且作业方式一般为24 h连续作业，因而在传感器的选择上对其测定精准度、灵敏度、环境适用性、安装与维护便利性等方面要求较高。

2 传感器在稻谷干燥机上的具体应用

以国内S公司所开发的新型低温循环式干燥机为例，对各类传感器在稻谷干燥机上的具体应用进行阐述。

2.1 水分传感器

在稻谷干燥过程中，稻谷干燥后的水分含量是确保稻谷干燥品质的首要指标。稻谷水分含量越高其储存品质越差，如：真菌生长迅速、发芽率降低、脂肪酸值升高等[7]。稻谷水分含量对籽粒的破裂载荷的影响程度要高于环境温度，稻谷含水量越高其破裂载荷则越低[8]，即在后期运输、贮存、加工等过程中越容易产生破碎。但稻谷的水分含量过低则会对大米的食味造成不良影响[9]，并会增高干燥成本、降低经济效益。因此，做好稻谷干燥过程中水分含量的实时监测至关重要。

稻谷的水分测定可通过烘箱法或仪器法进行，其中仪器测定法因其测定速率快而被广泛应用于稻谷烘干车间，其测定方式主要有红外线、中子式、电容式、电阻式、微波式等。在稻谷干燥过程中的水分监测上，又可分为在线检测和线下检测两种方式。其中线下检测需要人工取样，既耗时又耗力，现已被线上水分检测装置逐渐取代。对于在线水分检测传感器的研发，电阻式传感器因其灵敏度与稳定性高、测定速度快及线性度好等优点，现已成为稻谷干燥机在线水分检测装置的首选，该型传感器的基本原理是根据不同水分含量谷物所对应的导电率不同来测定水分含量。目前国内外较为高端的稻谷干燥机上所采用的单粒水分测定仪，其传感器均为电阻式[10-13]。其次，电容式传感器以其构造简单、测定速度快、互换性好及造价低等特点也备受欢迎，其测定原理是根据不同水分含量的稻谷，其介电常数不同引起电容量的变化来进行测量。传统的电容式传感器的接触探头以平行极板式或圆筒式为主，但测定精度受外部因素影响较大，难以保证在线测定精度。为此，国内相关科研工作者对此进行了一系列改进措施，以提高电容式传感器的测定精度和稳定性，如：电路设计改进[14]、采用边缘电场电容式传感器[15]、CAN总线的应用[16]等。此外，微波式水分检测作为一种无损检测新技术，以其测量范围广、检测精度较高、对环境敏感性好，以及适合用于动态检测等优势[17]，在粮食在线水分检测上也得到了一定推广。

2.2 温度传感器

相关研究表明，干燥温度是影响稻米食味的主要因素。高温干燥可促使稻米脂肪酸值和直链淀粉含量升高，内部结构由有序排列变得杂乱无序[18]，且相对于低温干燥，高温干燥会导致爆腰率的升高[19]。因此，在稻谷干燥过程中，为保障稻谷最终的干燥品质，需要通过温度传感器严格把控稻谷温度和热风温度。

温度传感器可分为接触式与非接触式两大类别。具体包括应用较为广泛的热电偶与热电阻传感器[20]，以及应用于特殊领域的新型传感器，如：光纤温度传感器、特种测温热敏电缆、石英温度计[21]等。热电偶测温原理是利用热电效应，即由两种不同导体材料制成的电极组成闭合回路，当两个节点温度不同时，在闭合回路中就会产生热电动势[22]。热电阻传感器的测温原理是基于电阻值随温度变化而变化的特性[23]，其电阻材料可根据使用要求选用金属导体或半导体材料。

2.3 湿度传感器

通过搭载湿度传感器，可持续测量外部空气湿度。当外部空气湿度较高(雨天等)或较低时，湿度传感器可将空气湿度信息传送至计算机，系统通过对稻谷水分含量、稻谷温度等信息综合分析与判断，自动调高或降低送风温度，从而在高湿度时能够维持干燥速率，在低湿度时防止过度干燥导致品质下降。

湿度传感器通常采用电容式与电阻式等湿敏元件，近年来随着传感技术的不断引进与拓展，湿度传感器的集成化和智能化，以及多指标测量技术已得到飞速发展。与之相关的新型研究成果也是层出不穷，如基于可调谐激光吸收光谱的湿度传感器[24]、基于还原氧化石墨烯的干涉型光纤湿度传感器[25]、基于光纤锥级联的Mach-Zehnder干涉湿度传感器[26]等。

2.4 风压传感器

风压传感器又称为微差压传感器，其在干燥机上主要用于监测干燥过程中的热风量，以便于根据进料量进行热风量的自动变频调节，从而达到最符合进料量与水分值的风量，最终达到节约电力、减少燃料消耗量的目的。其工作原理是当压力作用在传感器的膜片上时，膜片会发生与介质压力成正比关系的微位移，同时传感器的电阻也会产生相应变化，测量电路检测到相应变化后随即转换并输出一个对应于这个压力的电信号。

2.5 其他传感器

料位传感器在干燥机上也被称为满量传感器，当稻谷进料量达到干燥机满仓位置时，阀门可自行关闭。目前在粮机企业中以电容式和阻旋式料位传感器较为常见。对于电容式物料传感器，采用双电容式结构可消除温度和湿度对测定过程的干扰[27-28]，因而更适合应用于谷物干燥机上。此外，有些干燥机厂家会在下部绞龙搭载回转传感器用于监视谷物循环量。由于谷物性状的不同，回转阀中排出的稻谷量有可能过多或过少，通过回转传感器及控制盘对电机运转进行实时监控，能够保证合适的循环量。