安徽省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站

□ 潘汪友 徐凱 周翔

在批式循環(huán)谷物烘干機(jī)作業(yè)過(guò)程中，要求根據(jù)谷物的實(shí)時(shí)含水率，提供合適的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)流量，完成烘干作業(yè)。因此，在線測(cè)試谷物含水率，就成為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)烘干并滿足優(yōu)化烘干工藝的必要條件。

一、研究背景

1.問(wèn)題提出

各品牌批式循環(huán)谷物烘干機(jī)均配備了間接法水分測(cè)試儀，主要有電容式和電阻式，但實(shí)際使用中存在各種問(wèn)題：舉例說(shuō)明，儀器對(duì)不同品種谷物含水率測(cè)試的適用性差，適用于小麥的在測(cè)試水稻和玉米的含水率時(shí)，誤差很大；即使是同一種谷物，不同批次和不同品種的測(cè)量結(jié)果一致性也差；同一批次的谷物，不能兼顧高含水率和低含水率時(shí)的測(cè)量精度。在烘干作業(yè)過(guò)程中，用戶要么使用外置水分測(cè)試儀測(cè)試含水率，在烘干過(guò)程中通過(guò)人工方式，多次輸入調(diào)整后的含水率；要么根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估烘干過(guò)程中各時(shí)間段的谷物含水率，在烘干作業(yè)開(kāi)始前，輸入經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)烘干作業(yè)自動(dòng)化。烘干機(jī)自帶的在線水分測(cè)試裝置因?yàn)闇y(cè)試誤差大、適應(yīng)性差，難以使烘干作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，主要依靠經(jīng)驗(yàn)和人工測(cè)試來(lái)完成。這是當(dāng)前國(guó)內(nèi)烘干作業(yè)的普遍現(xiàn)象。

2.原因分析

按測(cè)試原理，谷物含水率測(cè)試分為直接烘干法和間接法。直接烘干法是GB/T 5262 《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》中關(guān)于籽粒水分測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法，通過(guò)加熱蒸發(fā)谷物中的游離水和結(jié)合水，計(jì)算蒸發(fā)水分量在濕物料中的占比，計(jì)算谷物含水率。這種方法克服了非水物質(zhì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，具有普適性好、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)在大多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或?qū)r(shí)效性要求不高的場(chǎng)所，目前市場(chǎng)上尚未見(jiàn)使用這種方法作為在線水分測(cè)試的谷物烘干機(jī)，多數(shù)在線測(cè)試使用測(cè)量時(shí)間較短的間接法。

間接法基本原理是：通過(guò)特定物理量對(duì)谷物中水的敏感系數(shù)和谷物中非水物質(zhì)敏感系數(shù)的不同，來(lái)測(cè)量谷物水分。舉例說(shuō)明，電容法理論依據(jù)是，谷物中干物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)范圍在2—5之間，而水的相對(duì)介電常數(shù)在70左右。因?yàn)樗慕殡姵?shù)相對(duì)其它物質(zhì)高出很多，含水率不同的谷物，綜合相對(duì)介電常數(shù)不同，因此，相同密度和幾何形狀的谷物電容值也不同?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量電容值，測(cè)量谷物含水率。由此可見(jiàn)，間接法要求谷物中非水物質(zhì)介電常數(shù)是一個(gè)常量或相對(duì)穩(wěn)定，才能保證測(cè)量結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。在對(duì)品種及品質(zhì)一致性好的谷物進(jìn)行水分測(cè)量時(shí)，間接法能達(dá)到較好效果。如在歐美等大農(nóng)場(chǎng)，作物品種、種植環(huán)境和作物的成熟度等物料特性差異較小，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)儀器的一次校準(zhǔn)，多批次重復(fù)使用。

目前國(guó)內(nèi)烘干企業(yè)谷物來(lái)源分散，大多從不同農(nóng)戶收購(gòu)，當(dāng)谷物累積到適合烘干機(jī)作業(yè)批次時(shí)集中烘干。各農(nóng)戶分散種植，作物品種不同，谷物含水率不同，成熟度不同，收割后作物破碎率不同，含雜率不同，導(dǎo)致烘干作業(yè)中各批次谷物差異性大。在烘干過(guò)程中，谷物中的粉塵和其它碎小物質(zhì)被排出機(jī)外，谷物的非水物質(zhì)會(huì)不斷發(fā)生變化。以上種種因素，導(dǎo)致每批次烘干谷物的非水物質(zhì)介電常數(shù)不同，并不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致當(dāng)前采用間接法作為在線水分測(cè)試的谷物烘干機(jī)，水分測(cè)試普遍失真，適應(yīng)性不強(qiáng)，無(wú)法滿足烘干工藝要求。

二、直接烘干法作為水分在線測(cè)試的可行性探討

1.批式循環(huán)谷物烘干流程及含水率測(cè)量精度要求

如圖1所示，以上流程中批式循環(huán)谷物烘干機(jī)先上糧，上糧時(shí)間與提升機(jī)生產(chǎn)率（單位時(shí)間內(nèi)提升的谷物質(zhì)量）成反比，不同品牌烘干機(jī)，提升機(jī)生產(chǎn)率的設(shè)計(jì)值略有不同，基本為批處理量/h左右。由此推算，上糧時(shí)間在1h左右。上糧完成后，谷物進(jìn)入烘干和緩蘇循環(huán)。在谷物的一次循環(huán)中，緩蘇和烘干的循環(huán)時(shí)間與撥糧輪的生產(chǎn)率（單位時(shí)間內(nèi)從烘干層排出的谷物質(zhì)量）成反比。為了防止物料堵塞，批式循環(huán)谷物干燥機(jī)要求撥糧輪的生產(chǎn)率必須小于提升機(jī)生產(chǎn)率，也就是說(shuō)，緩蘇時(shí)間和烘干時(shí)間之和應(yīng)大于上糧時(shí)間（1h）。緩蘇時(shí)間和烘干時(shí)間比值叫緩蘇比。對(duì)批式循環(huán)烘干機(jī)來(lái)說(shuō)，緩蘇比等于烘干機(jī)的緩蘇容積與烘干容積之比，是一個(gè)定值。水稻和小麥的烘干工藝要求緩蘇比應(yīng)大于5:1。由此推算，緩蘇時(shí)間應(yīng)大于50分鐘。

圖1 批式循環(huán)烘干作業(yè)流程

圖3 直接烘干法在線水分測(cè)試儀的基本結(jié)構(gòu)

在谷物進(jìn)入烘干層時(shí)，要根據(jù)谷物含水率調(diào)整烘干層的熱風(fēng)溫度及流量，在整個(gè)烘干工藝中，對(duì)含水率測(cè)量準(zhǔn)確度要求分幾段：當(dāng)谷物含水率大于25%時(shí)，要求測(cè)量準(zhǔn)確度小低于3%；在谷物含水率為25%—18%時(shí)，要求準(zhǔn)確度小低于1%；在谷物含水率為16%以下時(shí)，要求測(cè)量準(zhǔn)確度小低于0.5%?？偟膩?lái)說(shuō)，含水率測(cè)量準(zhǔn)確度小于0.5%時(shí)，就可以滿足烘干作業(yè)全過(guò)程的工藝要求。

2.準(zhǔn)確度測(cè)量0.5%含水率所需時(shí)間

按照GB/T 5262 《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》要求，在谷物含水率大于18%時(shí)，不允許對(duì)谷物破碎，在含水率低于18%時(shí)，可對(duì)谷物破碎后烘干。在恒定溫度下，含水率測(cè)量值和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 含水率測(cè)量值和時(shí)間的關(guān)系曲線

由圖2可知，在谷物高水分時(shí)，烘干速度快，降水速率大；在低水分時(shí)，降水速率會(huì)越來(lái)越小，V1＞V2＞V3。對(duì)玉米、水稻和小麥三種作物，各選取25個(gè)含水率為35%的樣本，依據(jù)GB/T 5262的試驗(yàn)方法，測(cè)得的t1、t2及t3的最大值（表1），在50分鐘內(nèi)，可以得到測(cè)量準(zhǔn)確度不低于0.5%谷物含水率。

3.直接烘干法在線水分測(cè)試儀的基本結(jié)構(gòu)

依據(jù)圖3，含水率測(cè)試流程如下：（1）取樣器取樣到整粒谷物托盤，測(cè)量重量Z1。（2）根據(jù)谷物品種對(duì)整粒谷物進(jìn)行定時(shí)烘干，使谷物含水率低于18%，測(cè)量重量Z2。（3）破碎谷物，測(cè)量破碎谷物重量S1。（4）根據(jù)谷物品種對(duì)破碎谷物定時(shí)烘干，測(cè)量重量S2。按以下公式計(jì)算谷物含水率。

三、結(jié)論

由上可知，按照含水率0.5%準(zhǔn)確度要求，結(jié)合批式循環(huán)谷物烘干機(jī)的作業(yè)流程，直接烘干法可以滿足批式循環(huán)谷物烘干機(jī)的時(shí)序要求。

直接烘干法也可能存在以下問(wèn)題：（1）測(cè)試儀采用的重量傳感器對(duì)作業(yè)環(huán)境中的振動(dòng)敏感度高。（2）在緩蘇階段測(cè)試含水率，因?yàn)闀r(shí)延問(wèn)題，所測(cè)試的含水率和物料批次的對(duì)應(yīng)性，需要結(jié)合撥糧輪的生產(chǎn)率來(lái)匹配，因而對(duì)烘干機(jī)的控制系統(tǒng)提出了更高要求。作者對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了一些思考，并形成了一些解決思路，如：振動(dòng)可以通過(guò)提高采樣頻率，以平均值代替瞬時(shí)值的方法來(lái)克服。批次的選擇可以通過(guò)在高水分測(cè)試時(shí)，通過(guò)降水速率甄別。本文意在為谷物烘干機(jī)在線含水率測(cè)試提供一種解決思路。