ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ЗЕРНА В ПРОЦЕССЕ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

АННОТАЦИЯ

В рассматриваемой статье анализируется выборам метода и проектирования приборного обеспечения контроля влажности зерна, в целях обеспечения высокой точности измерения.  Для достижение поставленных задач рассматриваются особенности выбора метода и разработки контрольно-измерительных приборов. 

Для измерения влажности зерна в процессе отволаживания и управления процессом ГТО, требуется научное обоснование выбора диэлькометрического метода контроля. Научное обоснование увеличения эффективности использования сырьевых ресурсов, а также оборудования при стабильном режиме рабочего процесса. Разработанный опытный образец – измеритель    влажности, поступающего на переработку зерна. К его основным преимуществам относится возможность периодической коррекции текущей градуировочной характеристики, а также бесперебойная работа в условиях вибрации, позволяющая производить дискретно-непрерывный режим измерения влажности зерна, простота обслуживания, удобство поверки и передача данных в режиме реального времени.

Применение с использованием высокоточных измерителей влажности зерна, действующих по электрическому   диэлькометрическому методу, обеспечивают оперативный контроль влажностного состояния зерна в винтовом и цепном конвеера, что позволяет стабилизировать выходную влажность зерна.

Это позволяет добиться оптимальных помольных свойств партии, что дает существенный экономический эффект. Таким образом, правильный выбор метода контроля влажности зерна и разработка соответствующего приборного оборудования с высокой точностью измерений являются важными аспектами обеспечения эффективности и качества отволаживания зерна в процессе   гидротермической обработки.

АBSTRACT

This article analyzes the choice of method and design of instrumentation for monitoring grain moisture, as well as their high measurement accuracy. In order to ensure high accuracy of grain moisture measurement during hydrothermal treatment, the features of choosing a method and developing instrumentation are considered.

To measure grain moisture during the defoliation process and control the GTO process, a scientific justification for the choice of a dielectric control method is required. Scientific justification for increasing the efficiency of using raw materials, as well as equipment, with a stable workflow. The developed prototype is a moisture meter entering grain processing. Its main advantages include the possibility of periodic correction of the current calibration characteristic, as well as uninterrupted operation in vibration conditions, allowing for discrete-continuous measurement of grain moisture, ease of maintenance, ease of verification and real-time data transmission.

The use of high-precision grain moisture meters operating according to the electrical dielcometric method provides operational control of the moisture state of grain in screw and chain conveyors, which allows stabilizing the output grain moisture. This allows you to achieve optimal grinding properties of the batch, which gives a significant economic effect. Thus, the correct choice of method for controlling grain moisture and the development of appropriate instrumentation with high measurement accuracy are important aspects of ensuring the efficiency and quality of grain defoliation during hydrothermal treatment.

Ключевые слова: гидротермическая обработка, отволаживание, приборного оборудования, измерение, зерно, прибор контроля влажности, диэлькометрического метода контроля

Keywords: hydrothermal treatment, dewetting, instrumentation, measurement, grain, moisture control device, dielcometric control method.

Одним из ключевых аспектов в зерноперерабатывающей отрасли является содержание влаги в зерне. Зерновое сырьё представляет собой комплексное сочетание различных компонентов и характеризуется неоднородностью по физико-химическим свойствам. Особенности сырья должны учитываться при выборе методов измерения и разработки приборов для контроля влажности, включая анализ различных электрических параметров зерновой массы, таких как электропроводность и емкость [4-9].

Поскольку в процессе отволаживания необходима оптимизация влажности сырья путем оперативного определения, то именно по этой причине необходимо измерение влажности зерна после обработки холодной водой. Для этого нужны новые методы и приборы для определения влажности зерна в процессе отволаживания [4-9].    

В настоящее время для определения влажности зерна, на производстве используются методы высушивания до постоянной массы (термическая сушка) зернового сырья. Термогравиметрический метод является одним из наиболее точных способов определения содержания влаги в сырье. Метод основан на измерении изменения массы образца при нагревании и сушке. Этот метод дает высокий результат и обеспечивает контроль влажности на различных этапах производства. Данный способ считается эталонным и наиболее точным [3]. Несмотря на то, что этот стандартный метод, имеющий ряд преимуществ по точности и погрешностям (например, погрешность в пределах 0,5%), результат исследований свидетельствует о том, что этот метод не отвечает на современным требования зерноперерабатывающего производства [1].      

В практике контроль влажности зерна и продуктов его переработки показала, что традиционные термогравиметрические методы контроля влажности состоят из весов непрерывного взвешивания образцов, печи, приборов для регистрации температуры и программного регулятора температуры, в технологических процессах [17-18-19]. Задержка в получении информации значительно снижает ценность и ограничивает возможности [2]. Исходя из этого, требуется оперативная информация, поскольку существующий термогравиметрический метод требует длительного времени для определения  влажности что требует больших затрат. А это является показателем низкой КПД (коэффициент полезной действие).  Поэтому вышеуказанный метод невозможно использовать для оперативного получения результата при обработке зерна водой.

В настоящее время использование высокочастотных электрических технологий затрудняется отсутствием обновлений научно-методической базы. Поэтому возникает необходимость эффективной разработки основ общей теории измерений влажности, обоснования и разработатки требований системы для специалистов технологического процесса зерноперерабатывающих предприятий. В связи с этим, проблема оперативного измерения влажности зерна в процессе гидротермической обработки, и проблемы, связанные с разработкой устройств контроля влажности с обеспечением их совместимости в условиях автоматизации предприятия, являются актуальными и малоизученными.  [16-19].

Рассмотрим особенности использования диэлькометрического метода измерения влажности зерна в процессе гидротермической обработки. Исследования проводились зерноперерабатывающим предприятием «Галла-алтег» г.Ташкента. Предприятие ежегодно перерабатывает 110-120 тысяч тонн зерна и производит высококачественную обогащённую муку и комбикорма для животноводства. Целью исследования является выбор метода измерений и разработка устройств контроля влажности зерна в процессе гидротермической обработки зерна (ГТО).  Представленная работа призвана показать решение ряда задач, в ходе которого были проведены испытания разработанного опытного модуля измерительного устройства (влагомера) для измерения влажности зерна в процессе гидротермической обработки.  

Научная новизна исследований заключается в разработке способа и создании прибора для измерения влажности зерна во время обработки зерна холодной водой.  Проведенные исследования показали взаимосвязь электрических и физико- механических свойств (диэлектрической проницаемости) зерна и влажности в высокочастотных электромагнитных полях.

Материалы и методы

Научные исследования были проведены в лаборатории АО «Галла-Алтег» совместно со специалистами и учеными кафедры «Технология хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Ташкентского аграрного университета.

Во время практических испытаний на базе АО «Галла-Алтег» в процессе отволоживания зерна было применено холодное кондиционирование со статическим методом. Этот метод выбран нами для оптимизации влажности зерна и регулировки расхода воды для одной тонны зерна (расход на одну тонну 320-350 литр), исходя из показателей физико-механических свойств [ 10-11-12].

На рисунке 1 представлена технологическая схема контроля влажности зерна диэлькометрическим методом.

Рисунок 1. Технологическая схема ГТО зерна

1 – мойка зерна; 2;11 – распределительные шнеки;  3;12;7;15 – двигатели; 4;6;13;16 – шнеки-смесители;  5;14 – емкости для зерна  8;17 – прибор  для  измерения  влажности; 9;18 – нория.10 – зерношелушитель

Суть метода состоит в оперативном измерении при помощи прибора, установленного на винтовом конвейере, влажности зерна после первого этапа отволаживания.

Цель измерения влажности зерна во время ГТО заключается в том, что в процессе отволаживания происходит высокий градиент влагосодержания оболочек и эндосперм. В результате этого в основном в периоде влагопереноса в эндосперме появляются микротрещины, и он раскалывается на отдельные частицы, [7] что облегчает формирование крупка и дунстов при дроблении зерна. Для эффективности помола необходимо после первого этапа отбора иметь оперативную информацию о влагосодержании зерна. Оперативная информация о процессе отволаживания дает возможность регулировать влажность зерна на последующем этапе. Исходя из этого, можно рассчитывать на прекращение преобразования физико-химических и технологических свойствах зерна при ГТО [ 5-7].

Устройства контроля влажности зерна, рассматриваемые в нашем варианте процесса отволаживания, основаны на методе электрических измерений. Одним из основных методов исследования является высокочастотный диэлькометрический метод, в основе которого положены измерения электрофизических свойств зерна, а также его удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость.

С целью реализации данного метода при гидротермической обработке (ГТО) используется холодный кондиционированный процесс. При этом в конструкции технических измерительных приборов нами выявлен ряд недостатков данного метода.

Для контроля над влиянием температуры на результат измерения в измерительном приборе была введена температурная коррекция с помощью дополнительного датчика. Для устранения влияния плотности на процесс, было использовано принудительное механическое уплотнение. Диэлькометрический метод отличается тем, что он не трудоемок, не требует сложного лабораторного оборудования, отнимает значительно меньше времени и не ограничен в скорости по сравнению с другими методами, например, кулонометрическим, кондуктометрическими и другими.

В любом случае, необходима разработка современных высокоточных методов измерения электрофизических параметров материалов для определения влажности зерна в процессе обработки холодной и тёплой водой, а также научное обоснование повышения эффективности использования сырья в стабильном технологическом процессе за счет точного соблюдения технологических параметров при использовании новых способов и приборов. [4-9].

Результаты

Исследование направлено на разработку устройств для оперативного контроля влажности исследуемых материалов. Основным способом изучения этой проблемы является выбор метода, в качестве которого был выбран диэлькометрический, на основе которого синтезирован прототип устройства, позволяющего комплексно измерять содержание влаги в материале на всех этапах контроля его влажности в процессе ГTO.

Ёмкостно-первичный преобразователь, представляющий собой выносной датчик металлокерамической конструкции цилиндрической формы из титанового сплава, позволяет использовать его на цепном или винтовом конвейерах в течение длительного времени без ухудшения параметров. Электроды датчика коаксиально запрессованы в электрокерамику. При этом особенностью таких датчиков является то, что электрическое поле в них реально существует лишь в сравнительно тонкой приэлектродной области, так что, на результаты измерения не влияют ни полнота заливки, ни объем, ни вес [14]. С целью предотвращения налипания влажного материала на подошву, электроды датчика снабжены электроподогревом, для чего в стальном основании имеются пазы для укладки нагревательного элемента [14].

Общая емкость контура первичного преобразователя С составляет 250 пФ, разрешающая способность по емкости –10^-2пФ при соответствующей чувствительности датчика. На точность измерения влияет конструкция первичного преобразователя, которая должна обладать высокой прочностью, надежностью и стойкостью к механическим воздействиям. Особенно это относится к датчикам, которые будут устанавливаться в непрерывном потоке. Например, цепном и винтовом конвейерах, с помощью которых транспортируются зерна различных растений: пшеницы, ржи, ячменя, других зерновых культур.

Представленная универсальная методика измерения позволяет без потери точности вынести коаксиально запрессованную электрокерамику, служащую в первичном преобразователе в качестве электродов, за пределы зоны измерения на значительное расстояние,  например, для установки датчика для измерения в непрерывном потоке, причем электрическое поле напряженностью Е_эмп в них существует лишь в тонкой приэлектродной области, что обеспечивает  надежность результатов измерений диэлектрической  проницаемости от влияния плотности заливки электрокерамики в подошве датчика. Это обуславливает независимость измеряемой величины емкости образца материала от объема или веса заливки в каналах подошвы датчика [14].     

На рис. 2 с помощью контактов К1 и К2 осуществляется подключение кольцевых электродов, выполненных из титана, к входу измерительного генератора устройства через коаксиальный шнур кольцевых электродов, а с помощью контактов К3 и К4 – подключение нагревательного элемента керамической подошвы к основанию датчика с подключенным источником электрического питания.

В процессе измерения контролируемый материал находится в тесном контакте с поверхностью металлических кольцевых электродов, на которые подается высокочастотное напряжение измерительного генератора, и в результате определяется параметр диэлектрической проницаемости, соответствующий влажности контролируемого материала [14]. При этом формальную функциональную зависимость диэлектрических характеристик материала от его влажности можно рассматривать как первичное преобразование, а выходной сигнал первичного измерительного преобразователя является полезным выходным сигналом измерительного устройства.

Рисунок 2. Устройство первичного измерительного преобразователя влажности зерна

Где: 1 – подошва датчика выполнена из прочного диэлектрика; 2,3 – металлические (титановые) кольцевые электроды; 4 – кольцевая линия нагрева; 5 – встроенный в корпус датчик системы контроля влажности. 

Наши исследования соответствовали требованиям АО «ГАЛЛА-АЛТЕГ» по измерению влажности с погрешностью от 0,5% до 0,6%. Благодаря вышеуказанной конструктивной особенности первичного преобразователя можно использовать прибор в течение длительного периода времени на цепном или винтовом конвейере с минимальной погрешностью в показаниях измеряемых величин. Следовательно, в количестве влаги в образце пробы или объеме пробы на винтовом конвейере с передачей информации о влажности в режиме реального времени.  

Выводы

Подводя итоги проведенных исследований, выяснилось, что к основным преимуществам разработанного прототипа преобразователя для измерения влажности зерна в процесс ГТО, можно отнести возможность периодической регулировки текущей калибровочной характеристики. В результате гидротермической обработки изменяются и физико-химические свойства зерна. Это происходит из-за увлажнения зерна, изменения его структуры и размягчения. При этом повышается степень разрыхления эндосперма, что дает значительный экономический эффект, за счёт повышение выхода низкозольных крупок и дустов. Следовательно, увеличение выхода высших сортов муки не менее 2% при меньших затратах энергии, а именно не менее 0,5-1,0 кВт электрической энергии на тонну продукцию.    

Диэлькометрическим методом мы можем контролировать влажность зерна которое поступает для помола. Для контроля влажности в процессе гидротермической обработки зерна, более оптимальным является диэлькометрический метод, основанный на измерении влажности материалов по их диэлектрическим параметрам, зависящим от влажности зерна.

Применение прибора высокоточных измерителей влажности зерна при ГТО, основанных на электрическом диэлькометрическом методе, позволяет стабилизировать выходную влажность зерна, которое поступает для помола
Работа в условиях вибрации обеспечивает дискретно-непрерывное измерение влажности зерна, простоту обслуживания и проверки, а также передачу данных в режиме реального времени. Изучение влажности характеристик  частотно-  измерительного преобразователя позволяет определить функции преобразования схемы высокочастотного прибора в диапазоне частот от 5 10 ³ до 5 10 ⁷ Гц.

Список литературы:

1. Ikramov G.I., Kalandarov P. Izmerenie vlajnosti zerna I zernoproduktov sverhvisokochastotnim metodom vliynie neodnorodnosti po plotnosti zerna na massovoe otnoshenie vlagi. Izmeretelnay tehnika    № 9, 2022. 
2. P.I.Kalandarov.,Z.M.MukimovHumidity Control During Hydrothermal Treatment of Grain and Their Processed Products AFICIO 2022: Proceedings of the 8th International Conference on Industrial Engineering p. 966
3.  GOST13586.5-2015 «Zerno. Metod opredeleniy  vlajnosti   (c Popravkoy )».
4. Berliner, М. А.  Izmerenie vlajnosti     «Энергия», 1973. 400 s.
5. Kalandarov P.I., Mukimov Z.M.  Pribonoe obespechenie kontroly vlajnosti pri gidrotermicheskoy obrabotke zerna I produktov  ego pererabotki. Pribori.2020 №11 (245)16-21s
6. Kalandarov P.I., Mukimov Z.M. Devices for monitoring humidity during hydrothermal processing of grain and its processed products. Devices. - 2020. - No. 11.P.16-21(InRuss.).
7. EgorovG.A  Upravlenie tehnologicheckimu cvoyctvami zerna.Voronej.2000.   
8. Butkovsky, V. A. Technology of milling, cereal and feed production [Text] / V. A. Butkovsky. - M. : Kolos, 1981. - 256 p
9. V.V. Buyntuev, B. P. SHiyn,  SVCh Vlogomermetriy zernovix kultur  Vestnik nauki Sibiri  2012. № 5 (6).   
10. Kretovich V.L. Biochemistry of grain and bread. - M.: Nauka, 1991. - 133 p.
11. E.D. Kazakov, G.P. Karpilenko. Biochemistry of grain and bakery products     - St. Petersburg: GIORD, 2005. - 512 p.
12. Kalandarov Р ,   Mukimov Z.     АО “ГАЛЛА-АЛТЕГ” Analiz sostoyniy kontroly vlajnosti zerna v udalynom rejime v usloviyx AO “Galla-altege”    Agrar-iqtisodiy ilmiy- ommabop Qishloq va suv xqjalig ijurnal 2021. №3 s. 34-37  ОАК O‘R  
13. Z M Mukimov De   Device for measuring humidity during grain cooling AIP ConferenceProceedings  2 812,020050(2023)
14. Center  for intelectual propertysate  institution under the ministry of justiceof
     teh  republic  of Uzbellista  Visokochаstotniy yemkostniy vlаgomer sipuchix mаteriаlov (pаtent) Foydаli model. Innellktuаl mulk аgentligigа topshirildi.13iyn.2022  FAP2021258/8-son 
15. Kalandarov P. I. High-frequency moisture meter for grain and grain products / «Измерительная техника», №4, 2022. с.65-71.https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-4-65-71
16. Podgorniy Sergey Aleksandorovich.    Aftomatizasiy kontroliy I   upravleniy holodnim kondicionirovaniem zerna pered pomolom.  ВАК РФ 05.13.06   Krasnadar, 2005   
17. Kalandarov,   Zieviddin Mamurovich Mukimov Analiz sostoyniy pererravotki zernovih kultur I pribornoe obespechenie kontroly vlojnosti v rejime pealnogo vpemeni. Iskandarovich. Pishyvih tehnologii budeshogo innovacii v proizvodstve i pererabotke selskohozyastvennoy produksi II mejdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konfrencii(g Saratov, 24-25 mart2021)
18. Kalandarov P.I., Ismatullaev P.R., Saitov R.I. Ekspressniy SVCh vlagomer zerna i zernoproduktov. //Xleb i xleboprodukti, 1991. №10. S. 25-27
19. Afonin Vecheslav Strgeevich Razrabotka pribora kontroly vlajnosti zernovoy produksi na asnove mnogoelektrodnix emkostnix pereobrazovateley. Aftoreferat  Barnaul-2007g