Ім'я файлу: ВИЗНАЧЕННЯ_ВОЛОГОСТІ_ЗЕРНА_ПО_ТИСКУ_ВОЛОГОГО_ПОВІТРЯ_СТАТЬЯ_1905
Розширення: docx
Розмір: 253кб.
Дата: 21.06.2021

УДК

В.Б. Бенедицький, ст. викл.

О.Л. Коренівська, к.т.н., доцент

Державний університет «Житомирська політехніка»
ВИЗНАЧЕННЯ ВОЛОГОСТІ ЗЕРНА ПО ТИСКУ ВОЛОГОго ПОВІТРЯ
Стаття присвячена розгляду питання контролю за ступенем вологості зерна при зберіганні, транспортуванні та переробці. Актуальність теми обумовлена потребою експрес-контролю вологості, як одного із шляхів підвищення якості, продуктивності та зниження витрат, у тому числі й енергетичних, при підготовці, виробництві, переробці, транспортуванні і збереженні зерна і продуктів його переробки – круп, комбікормів, макаронів, хліба і хлібобулочних виробів.

В роботі розглянуто ризики впливу вологості зерна на його якість, відомі методи вимірювання вологості зерна, описано їх переваги та недоліки. Показано, що шляхом удосконалення відомих методів можна збільшити точність вимірювання та чутливість. В роботі досліджено залежність тиску вологого повітря від вологості зерна. Показано, що тиск вологого повітря залежить тільки від кількості води в одиниці об'єму зерна і не залежить від питомої ваги зерна. Приведено емпіричні формули та методику теоретичного розрахунку вологості зерна по зміні тиску повітря в камері. Приведено результати експериментальних вимірювань, які підтверджують справедливість теоретичних розрахунків.

На основі отриманих теоретичних результатів розроблена інженерна методика розрахунку маси води, що містить проба зерна, яка може використовуватися для проектування реальних приладів. Запропоновано модельну структуру для оцінювання впливу розкиду визначальних параметрів на похибку вимірювання маси води та наведено результати моделювання отримані за допомогою середовища Micro-Cap. Поставлено завдання на подальші дослідження.
Ключові слова: вологість зерна, вологомір, тиск маси вологи, дистиляційний метод, похибка вимірювання.
Вступ. Волога є одним з основних компонентів більшості сільськогосподарських продуктів яка визначає їх якість [1,2]. Вологість зерна, бавовни і інших продуктів є основним чинником, що визначає можливість тривалого зберігання без псування і втрат цих матеріалів. Значення вологості характеризує та відображає кількість поживних речовин в зерні, а також його готовність до зберігання та подальшої обробки. Вологе зерно містить меншу кількість поживних речовин, а при тривалому зберіганні може змінюватись та псуватись. Наявність вологи активізує фізичні та фізіологічні процеси, які негативно впливають на його зберігання та переробку. При переробці зерна від його вологості залежать опір подрібненню, і, отже, питома витрата енергії і продуктивність млинового устаткування. Величина вологості зерна враховується при здачі і прийманні, оскільки від неї залежать його чиста вага і дійсна вартість. Вимірювання вологості зерна потрібно проводити на різних стадіях його обробки.

В сучасних умовах необхідні універсальні пристрої, для контролю вологості різних сільськогосподарських матеріалів без додаткової перестройки, з великою точністю вимірювання.

Тому виникає потреба у розробці методу контролю, який забезпечить такі ж за точністю дані, як і прямий метод вимірювання вологості, та відповідатиме необхідним вимогам: визначення значення вологості зерна в потоці, а не в окремих його частинах, забезпечення зняття даних в реальному часі, абсолютна похибка вимірювань не повинна становити більше ±1%.

Постановка проблеми. Методи визначення вологості зерна, бавовни і інших продуктів дуже різноманітні і не обмежуются методами, які передбачені стандартами []. Велика кількість різних методів постійно вивчається, удосконалюєтся і розглядаються, як основа для створення сучасних вимірювачів вологості, для контролю вологості у виробничому процесі.

Всі методи визначення вологості зерна поділено на дві групи: прямі та непрямі.

Прямі методи являють собою види лабораторного аналізу: хімічні (екстрагування вологи з проби досліджуваної речовини з подальшим визначенням вологості за діелектричною проникністю), вагові (сушка проби речовини до досягнення незмінної ваги), дистиляційні (відбір вологи потоком підсушеного газу).

Непрямі методи, засновані на залежності вологи від якості електричного сигналу. Характерні більшою продуктивністю і експресністю, що дозволяє створити системи автоматичного контролю. Існують різні електрофізичні методи визначення вологості зерна [1, 2]:

1) Непрямі методи, засновані на визначенні температури, що залежить від вологості досліджуваного матеріалу;

2) Методи, фізичною основою яких є:

1. Інфрачервоне випромінювання;

2. Ядерно-магнітний резонанс;

3. Взаємодія ядерного випромінювання з речовиною;

4. Зміна амплітуди і фази пройденого через матеріал, що містить вологу, електромагнітного НВЧ випромінювання.

5. Зміна амплітуди відбитого від волого матеріалу електромагнітного НВЧ сигналу випромінювання.

Серед прямих методів, що забезпечують швидке і точне вимірювання вологості зерна, особливий інтерес представляє дистиляційний метод або метод для прямого об'ємного визначення вмісту вологи, в основі якого лежить перегонка, випаровування рідини з наступним охолодженням та конденсація пару. Недоліком цього дистиляційного методу є використання в більшості випадків вогненебезпечних розчинників та розріджувачів (допоміжних рідин), зазвичай з використанням скляної апаратури. Крім того, налипання водяних капель, на внутрішніх поверхнях холодильника та вимірювання кількості води за допомогою мірного судна зменшує точність вимірювання.

Дана робота присвячена аналізу залежності тиску вологого повітря від вологості зерна та націлена на усунення розглянутих вище недоліків, які виникають при вимірюванні вологості дистиляційним методом.

Викладення основного матеріалу. Представимо зерно масою як систему, що складається з двох складових: сухої речовини масою і води масою тобто . Зразок зерна масою розмістимо в герметично закриту місткість об’ємом . Закрита місткість нагрівається до температури . Вода, що міститься в зразку зерна переходить із зв’язаного стану у водяну пару і з сухим повітрям, до початку нагріву, утворює вологе повітря. Оскільки система закрита, то всередині змінюється тиск. Визначимо зміну тиску при нагріві зразків до температури щоб визначити чи буде зміна тиску пов’язана з масою води . Вважатимемо що початкові умови нормальні: .

Відомо, що за законом Дальтона тиск []:

,

(1)

де – тиск сухого повітря; – тиск водяної пари.

Оскільки нагрівання проходить при постійному об'ємі , то тиск сухого повітря при температурі визначається за законом Шарля []:



(2)

З виразу (2) одержуємо:



(3)

Знайдемо тиск водяної пари вважаючи її ідеальним газом. Кількість молей водяної пари в місткісті визначається наступним виразом:



(4)

де – молярна маса водяної пари.

При нормальних умовах водяна пара масою займає об'єм :



(5)

де – об’єм одного моля довільного газу при нормальних умовах.

З виразів (4) і (5) одержуємо:



(6)

Згідно закону газового стану:



(7)

тоді з (7) одержуємо тиск водяної пари:



(8)

з урахуванням (6) маємо:



(9)

З виразів (3) і (9) витікає, що тиск вологого повітря:



(10)

Таким чином, з виразу (10) бачимо, що тиск лінійно пов’язаний з масою води і температурою нагріву . Визначимо умову при якій тиск від водяної пари буде перевищувати тиск сухого повітря:

.

(11)

Підставивши (9) та (3) в (11) після перетворення нерівності маємо:

.

(12)

З виразу (12) одержуємо, що виконання умови (11) залежить від об’єму герметично закритої посудини і маси води .

Таким чином, при виконанні умови (11), визначення вологості зерна пов’язано зі знаходженням тиску , що утворився в герметично закритій посудині об’ємом та температури нагріву .

Визначимо, який потрібно обирати об'єм закритої посудини в залежності від маси води . Припустимо, що маса проби зерна , як при використанні повітряно-теплового метода без попереднього підсушування []. Межі вологості зерна обираємо . Маса води, що містить проба зерна . Значення [].

Графічно, отримані за теоретичним розрахунком результати, наведені на рис.1.. Аналіз даних дозволяє зробити наступні висновки:

при необхідно, щоб об’єм закритої посудини обирався в межах менше (2 - 6) л, але для строгого виконання умови (11), при різних значеннях , необхідно обирати об’єм .

Таким чином, вибір об’єму визначає нижній край межі вимірювання кількості води в пробі.

Визначимо межі зміни тиску при нагріванні до температури , при фіксованих значеннях маси вологи та об’єму посудини з виразу (10). Обираємо , температуру змінюємо в межах від до , . Графічне зображення отриманих даних представлено на рис.2.



Рис. 1 – Залежність об’єму закритої посудини від маси води



Рис. 2 – Залежність зміни тиску при нагріві до температури , при фіксованих значеннях і
Аналіз цих графіків дозволяє зробити наступні висновки:

при підвищенні температури на тиск змінюється на для , для тиск змінюється на ;

при підвищенні температури тиск вологого повітря суттєво змінюється для

тиск збільшуються в 1,73 разів при збільшенні кількості води в пробі на 1 г.

Алгоритм знаходження маси води, що містить проба зерна визначається виразом:



(13)

Як бачимо, визначальними параметрами алгоритму є тиск водяного пару та температура нагріву зразка .

Виконаємо моделювання для оцінювання впливу розкиду визначальних параметрів на похибку вимірювання маси води. Моделювання будемо проводити в середовищі Micro-Cap, оскільки в ньому вже є необхідні елементи для моделювання. Будемо використовувати функціональну схему, що представлена на рис.3. Схема містить наступні блоки:

Блок 1 – формувач тиску водяного пару.

Блок 2 – формувач температури нагріву.

Блок 3 – формувач температури повітря .

Блок 4 – формувач атмосферного тиску .

Блок 5, 6, 12 – подільник.

Блок 7, 13 – помножувач.

Блоки 8 – суматор.

Блоки 9 – формувач константи -1.

Блок 10 – формувач об’єму закритої посудини.

Блок 11 – формувач об’єму одного моля ідеального газу .

Блоки 14 – підсилювач із коефіцієнтом .



Рис. 3 – Функціональна схема алгоритму знаходження маси води
За цією схемою побудуємо комп’ютерну модель в середовищі Micro-Cap. Вихідна модель показана на рис.4.



Рис. 4 – Комп’ютерна модель алгоритму знаходження маси води в середовищі Micro-Cap
Розглянемо контрольний приклад при умові, що тиск водяного пару , температура нагріву – сталі, результат моделювання

Розглянемо випадок, коли визначальні параметри визначаються із помилкою .

В результаті моделювання отримали гістограму та закон розподілу похибки вимірювання маси води. (рис.5).



Рис. 5 – Розподіл маси води за результатами моделювання

Параметри закону розподілу, що отримані в результаті моделювання: математичне очікування 2,007 г, середньо квадратичне відхилення .
Висновки. В роботі досліджено теоретичну залежність тиску вологого повітря від вологості зерна.Описано методику вимірювання вологості зерна через термодинамічні характеристики тиску повітря та температури нагріву зерна (Р, Т) та аналітичні співвідношення (10) - (12). Показано, що тиск вологого повітря залежить тільки від кількості води в одиниці об'єму зерна і не залежить від питомої ваги зерна. Також дано рекомендації по вибору достатнього об’єму проби зерна, яка забезпечить необхідну точність вимірювання. Проведено оцінку впливу параметрів на похибку визначення вологості зерна. Параметри закону розподілу, що отримані в результаті моделювання: математичне очікування 2,007 г, середньо квадратичне відхилення .

Задачею подальших досліджень слід вважати оцінювання ефективності розробленої методики щодо точності та однозначності отриманих у результаті її використання даних. А також розробка приладу вимірювання, що буде реалізовувати запропоновану методику вимірювання.

Література

1. Лисовский В. В. Теория и практика сверхвысокочастотного контроля влажности сельскохозяйственных материалов. Мн., 2005.

2. Лисовский В.В., Современные методы экспрессного измерения влажности сельскохозяйственных материалов // Вести национальной академии наук Беларуси, серия аграрных наук, №2, 2006, с.102.

3. Подпрятов Г. І. Технологія зберігання і переробки продукції рослинництва. Практикум: навч. посібник. Г.І. Подпрятов, Л.Ф. Скалецька, А.М. Сеньков. –К.: Вища освіта. 2004.-272 с

4. Глеваський В.І. Технологія зберігання та переробки продукції рослинництва: Методичні вказівки до виконання практичних робіт для студентів агробіотехнологічного факультету за кредитно-модульною системою навчання/ В.І. Глеваський. – Біла Церква, 2014. с.

5. ДСТУ ГОСТ 29144:2009 (ИСО 711-85) Зерно и зернопродукты. Определение влажности (базовый контрольный метод) (ДСТУ ГОСТ 29144:2009 (ИСО 711-85) Cereals and cereal products. Determination of moisture content (Basic reference method)).

6. ДСТУ 3871:2015 Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання вологості зерна та продуктів його перероблення (ДСТУ 3871:2015 Metrology. State verification schedule for means of measuring moisture of grain and grain products).

7. Шапиро М.В. Приборы и методы измерения влажности зерна и продуктов его переработки. – Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 – приборы и методы контроля и определения состава веществ. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2003.

8.

9.

10.

11.
КОРЕНІВСЬКА Оксана Леонідівна – к.т.н, доцент кафедри біомедичної інженерії та телекомунікації Державного університету «Житомирська політехніка»

Номер ORCID – http://orcid.org/0000-0002-3735-7690

Наукові інтереси: побудова медичної апаратури, апаратура підтримки життєдіяльності, дослідження роботи серця.

Контактный тел.: +38 (098) 525-63-08

E-mail: o.l.korenivska@gmail.com
Бенедицький Василь Борисович – старший викладач кафедри біомедичної інженерії та телекомунікації Державного університету «Житомирська політехніка»

Номер ORCID – http://orcid.org/0000-0003-1623-1594

Наукові інтереси: моделювання роботи органів людини, обробка та передача медичних даних.

Контактный тел.: +38 (097) 473-24-41

E-mail: vslbened@gmail.com
Стаття надійшла до редакції 20.05.2021 р.

В.Б. Бенедицкий

О.Л. Кореновская
Определение влажности зерна по давлению влажного воздуха
В статье рассматривается вопрос контроля степени влажности зерна при хранении, транспортировке и переработке. Актуальность темы обусловлена ​​необходимостью экспресс- контроля влажности, как одного из путей повышения качества, производительности и снижения затрат, в том числе и энергетических, при подготовке, производстве, переработке, транспортировке и хранении зерна и продуктов его переработки – круп, комбикормов, макарон, хлеба и хлебобулочных изделий.

В работе рассмотрены риски воздействия влажности зерна на его качество, известные методы измерения влажности зерна, описаны их преимущества и недостатки. Показано, что путем усовершенствования известных методов можно увеличить точность измерения и чувствительность.

В работе исследована зависимость давления влажного воздуха от влажности зерна. Показано, что давление влажного воздуха зависит только от количества воды в единице объема зерна и не зависит от удельного веса зерна. Приведены эмпирические формулы и методика теоретического расчета влажности зерна по изменению давления воздуха в камере. Приведены результаты экспериментальных измерений, подтверждающие справедливость теоретических расчетов.

На основе полученных теоретических результатов разработана инженерная методика расчета массы воды, что содержит проба зерна, которая может использоваться для проектирования реальных приборов. Предложена модельная структура для оценки влияния разброса определяющих параметров на погрешность измерения массы воды, приведены результаты моделирования получены с помощью среды Micro-Cap. Поставлены ​​задачи на дальнейшие исследования.

Ключевые слова: влажность зерна, измеритель влажности, давление массы воды, дистилляционный метод, ошибка измерения.

.

Benedytskyi V.B.

Korenivska O.L.
DETERMINATION OF GRAIN HUMIDITY BY HUMID AIR PRESSURE
The article is devoted to the control of the degree of grain moisture during storage, transportation and processing. The urgency of the topic is due to the need for rapid control of humidity, as one of the ways to improve quality, productivity and reduce costs, including energy, in the preparation, production, processing, transportation and storage of grain and processed products - cereals, feed, pasta, bread

The paper considers the risks of grain moisture on its quality, known methods of measuring grain moisture, describes their advantages and disadvantages. It is shown that by improving the known methods it is possible to increase the measurement accuracy and sensitivity. The dependence of humid air pressure on grain moisture is investigated in the work. It is shown that the pressure of moist air depends only on the amount of water per unit volume of grain and does not depend on the specific gravity of the grain. Empirical formulas and methods of theoretical calculation of grain moisture on the change of air pressure in the chamber are given. The results of experimental measurements are presented, which confirm the validity of theoretical calculations.

Based on the obtained theoretical results, an engineering method for calculating the mass of water containing a grain sample has been developed, which can be used to design real devices. A model structure for estimating the influence of the scatter of the determining parameters on the error of water mass measurement is proposed and the simulation results obtained using the Micro-Cap medium are presented. Tasks are set for further research.

Keywords: grain moisture, moisture meter, moisture mass pressure, distillation method, measurement error.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас