Обоснование параметров и разработка прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности при заготовке кормов

В кормовом балансе животноводства России порядка 60% занимают объемистые корма в виде сена, силоса и сенажа. Современное состояние с заготовкой объемистых кормов можно охарактеризовать значительными потерями питательных веществ и низким качеством готового корма. Из общего количества потерь питательных веществ, которое в среднем составляет 30−32%, свыше 20% относится к разряду неустранимых, остальные потери связаны с нарушением технологии заготовки и хранения кормов [47]. Изучение факторов, влияющих на возникновение потерь питательных веществ, позволяет отметить, что значительная часть этих потерь связана с нарушением агротехнических требований к влажности травяных кормов при выполнении технологических операций [7, 9, 24, 39, 50, 79, 84]. Знание и достоверная оценка влажности трав в полевых условиях имеет исключительное значение, поскольку на основе информации о влажности принимаются оперативные решения о проведении всех без исключения технологических операций заготовки кормов: в прокосах, валках, копнах, стогах, скирдах, тюках и рулонах. Применение используемого в кормопроизводстве воздушно-теплового метода определения влажности сена из-за длительности анализа, составляющего до четырех и более часов, не позволяет оперативно использовать полученные результаты для управления технологией заготовки кормов в реальном времени. В результате чего нарушается технологический процесс равномерной сушки: происходит пересыхание верхнего слоя травы, что при ее последующем подборе приводит к значительным потерям листовой части. Следствием всего является увеличение длительности нахождения травы в поле и снижение качества готового сена. Следовательно, для своевременного выполнения технологических операций необходимо использование технических средств оперативного контроля влажности трав в полевых условиях.

В настоящее время в агропромышленном комплексе наблюдается острый дефицит полевых влагомеров кормовых материалов, так как имеющиеся в хозяйствах страны средства контроля влажности морально устарели и не отвечают современным технологиям заготовки кормов [79, 81, 83]. При их использовании требовалось осуществлять в полевых условиях такие трудоемкие операции как отбор проб, их измельчение и засыпку в измерительный преобразователь коаксиального типа. Выполнение этих операций значительно снижало быстродействие, точность и достоверность результатов измерений, а также удобство прибора в эксплуатации. В литературе достаточно полное освещение получили вопросы создания влагомеров с пробоподготов-кой измеряемого материала [64, 78, 79, 88, 105]. Вопросы создания приборов, не требующих такой подготовки материала, отражены в научной литературе недостаточно. Вместе с тем, в технологии заготовки объмистых кормов, а также при заготовке прессованного сена, использование последних дает существенное преимущество. Это обстоятельство определило выбор направления научных исследований. Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию основных метрологических и конструктивных параметров и разработке прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности кормов при заготовке. Анализ состояния средств измерения влажности кормовых материалов показывает, что в области обоснования типа и расчета основных параметров первичного измерительного преобразователя пока еще существует много нерешенных научно — исследовательских и инженерных проблем. В этой связи предусматривается выполнение следующих этапов работ:

— выбор типа и обоснование параметров датчиков прибора для неразрушающего контроля влажности кормов;

— создание влагомера блочно-модульного построения для оперативного неразрушающего контроля влажности различных кормовых материалов.

Анализ существующих средств контроля влажности выявил отсутствие достаточно простых по конструктивному исполнению и удобных при измерении влажности датчиков. Исходя из технологических особенностей сушки трав в полевых условиях, решить проблему измерения влажности растительных материалов в прокосах и валках, рассыпного и прессованного сена без отбора и подготовки проб предлагается путем использования измерительных преобразователей неразрушающего контроля компланарного (накладного) и зондового типа [21,43, 73, 75,79,94].

В работах ряда авторов, посвященных вопросам исследования электрических характеристик и свойств кормов растительного происхождения, наблюдаются существенные различия по частотному диапазону измерений и по результатам исследований [16, 22, 32, 79, 88, 90, 91, 92]. Такой разброс в значениях экспериментальных исследований и частотном диапазоне указывает на недостаточную изученность этого вопроса и недоработку методических решений проведения исследований на измельченном и не измельченном растительном материале. В этом направлении показана целесообразность использования рабочей частоты порядка 2МГц, на которой наблюдается достаточно высокая чувствительность к влажности и стабильность результатов последовательных измерений. Приводятся результаты экспериментальных исследований электрофизических свойств кормовых материалов методом неразрушающего контроля влажности в широком диапазоне частот. Получены расчетные формулы и градуировочные уравнения.

Повышение точности измерений влажности достигнуто за счет комплексного использования конструктивно-технологических решений первичных измерительных преобразователей неразрушающего контроля влажности и алгоритмических методов обработки информации по каналам — влажность, плотность, температура. Для компенсации влияния плотности растительного материала предложено техническое решение, реализованное в разработанном приборе (патент РФ № 1 816 107).

Разработка и создание прибора блочно-модульного построения для оперативного контроля влажности травяных кормов велась с использованием современной электронной базы и микропроцессорной техники [34, 74]. На защиту выносятся следующие основные положения работы: — тенденции развития средств контроля влажности кормов и метод неразрушающего контроля влажности трав в прокосах, валках, тюках, рулонах и др.;

— научно-обоснованные технические решения, используемые при выборе и расчете конструкционных и электрических параметров первичных измерительных преобразователей неразрушающего контроля влажности в полевых условиях;

— результаты исследований электрофизических свойств, частотно-влажностные характеристики кормовых материалов, полученные на измерительных преобразователях компланарного и зондового типа;

— результаты экспериментальных исследований опытных образцов и оценка их метрологических показателей;

— практическая реализация полевого микропроцессорного влагомера блочно-модульного построения и технико-экономическая эффективность его применения при контроле влажности в процессе заготовки кормов.

На основании рассмотренных теоретических и экспериментальных исследований в лаборатории автоматизации стационарных технологических процессов в растениеводстве ГНУ ВИМ был создан опытный образец микропроцессорного прибора, который с положительными результатами в производственных условиях хозяйства Московской области позволял вести оперативный контроль влажности на всех технологических операциях заготовки силоса, сенажа и сена. Практика показала, что использование прибора позволило повысить точность учета количества и определения стоимости заготовленного сена, снизить его потери вследствие порчи или пересушки в поле и неизбежных механических потерь при уборке.

Исследования проводились по тематическим планам научно — исследовательских работ ВИМ, ряду заданий и комплексных межотраслевых программ на 1998.2005гг., а также Федеральной Государственной программы машиностроения для АПК России.

1.5. Выводы. Цель и задачи исследований.

1. Системный анализ процессов заготовки объемистых кормов и технологических операций показал на необходимость измерения влажности трав перед скашиванием, в прокосах и валках, при заготовке силоса, сенажа, рассыпного и прессованного сена. Своевременность проведения технологических операций является определяющим условием снижения потерь питательных веществ и получения кормов высокого качества.

2. Проведенный анализ литературных источников по методам измерения влажности трав в полевых условиях показывает, что одним из наиболее эффективных путей получения экспрессной информации о влажности заготавливаемых кормов следует считать диэлькометрический метод. Возможности измерения широкого перечня кормовых материалов, различающихся по диапазону влажности, физико-механическим свойствам, являются достаточно вескими аргументами, позволяющими данный метод использовать при разработке полевого влагомера кормовых материалов.

3. Измерение влажности трав при заготовке сена, силоса и сенажа осуществлялось влагомерами с датчиками коаксиального типа. Необходимо отметить методическую трудность применения таких влагомеров, связанную со сложностью и трудоемкостью отбора проб материала из прокосов, валков, скирд, тюков, а также последующим её измельчением перед проведением измерения влажности на влагомере.

4. Исходя из технологических особенностей полевой сушки трав в прокосах и валках, для измерения влажности трав без отбора проб и нарушения целостности ее укладки более приемлем метод неразрушающего контроля, который может быть реализован в компланарной конструкции датчика.

5. Перспективным конструкционным решением измерительного преобразователя, обеспечивающего контроль влажности прессованного сена, является зондовая конструкция датчика. Важным направлением повышения точности измерений влажности прессованных материалов должно быть увеличение объема контролируемого материала и разработка устройств компенсации влияния плотности измеряемого материала.

6. Оценивая результаты исследований по ЭФС кормовых материалов, следует отметить значительные различия в экспериментальных данных. Несмотря на значительное количество публикаций, столь широкий частотный диапазон, рекомендуемый авторами для разработки электрических измерительных схем влагомеров, показывает на недостаточную изученность этого вопроса. ЭФС растительного материала в не измельченном состоянии с использованием метода неразрушающего контроля в производственно необходимом диапазоне изменений влажности и плотности травяных кормов изучены в недостаточном объеме.

7. Анализ технических средств измерения влажности травяных кормов показал, что за последние 10 лет в России серийное производство полевых влагомеров кормовых материалов не проводилось. Создание влагомера по блочно-модульному принципу построения, включающего в себя МП контроллер и набор датчиков, позволит решать большой перечень задач контроля технологических параметров, не увеличивая при этом номенклатуру кормовых влагомеров специализированного применения. Такое построение влагомера упрощает решение ряда таких задач, как поверка, настройка и ремонт в условиях эксплуатации, а также имеет предпочтение и в стоимостном выражении.

В этой связи целью диссертационной работы является обоснование типа, параметров и разработка прибора для оперативного неразрушающего контроля влажности травяных кормов, способствующего повышению их качества и эффективности ведения технологии заготовки кормов.

На основании проведенного анализа состояния проблемы и изучения технологических аспектов заготовки объёмистых кормов как объекта измерения влажности для осуществления поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— сформулировать основные требования к датчикам неразрушающего россииская государственная.

41 библиотека контроля влажности и метрологическим параметрам влагомера кормов;

— провести экспериментально — теоретическое обоснование и расчет геометрических и электрических параметров первичных измерительных преобразователей прибора;

— экспериментально исследовать частотно — влажностные характеристики травяных кормов с использованием различных типов первичных измерительных преобразователей в производственно необходимом диапазоне изменений влажности и широком интервале частот электрического поля;

— экспериментально исследовать взаимосвязь электрических и физико-механических свойств некоторых растительных материалов;

— изыскать технические решения снижения влияния плотности материала на результаты измерения влажности;

— разработать опытный образец прибора и дать технико-экономическую оценку его использования при заготовке кормов.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ.

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВОГО ВЛАГОМЕРА КОРМОВЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Технологические требования к метрологическим параметрам полевого прибора для измерения влажности трав.

К основным метрологическим параметрам разрабатываемого влагомера как средства измерения, согласно [13], относятся: диапазон и погрешность измерения влажности.

При обосновании диапазона измерений влажности руководствовались следующим. Влажность свежескошенной травы при уборке ее в соответствии с агросроками может изменяться по данным многих исследователей в диапазоне 60.85%, причем более высокие значения влажности характерны в основном для бобовых трав (клевер, люцерна и др.) в ранней фазе вегетации. Статистическая обработка многолетних результатов определения влажности, полученных с использованием сушильных шкафов СЭШ-ЗМ, позволила определить, что мода полигона влажности в период скашивания трав соответствует 72.75%. Исходя из этого, верхний предел диапазона измерений влажности может быть принят равным 75%. Данная величина влажности не вступает в противоречие с требованиями к уровню влажности растительной массы при ее закладке на силос, а также при высокотемпературной сушке. Все последующие технологические операции (ворошение, сгребание), а также технологии заготовки сенажа и сена производятся при влажности менее 70%. Нижняя граница диапазона измерения должна соответствовать величине влажности готового сена и быть равной 17. 18%. Рассмотрение технологий приготовления кормов, включая корма искусственно высушенные, показало, что этот диапазон составляет 14.22% влажности. Однако на практике из-за несовершенства технологических процессов сушки трав имеет место их пересушка на 2.3, а иногда и более процентов. Поэтому нижний предел диапазона влажности для полевых влагомеров сена может быть принят порядка 10%.

Погрешность измерений влажности полевого влагомера (Апв) должна отвечать требованиям, предъявляемым к точности измерения влажности при организации ритма работы кормоуборочных машин, выполняющих операции ворошения, сгребания, прессования и т. д.

Граничные значения погрешности измерений (АПВ) можно записать следующим образом:

Аэ<�Апв<�Атехн. (2.1).

Для условий заготовки кормов, регламентируемых действующими стандартами, максимальную величину значения технологической погрешности Атех&bdquoопределяли исходя из рекомендуемых значений верхних и нижних интервалов влажности (УНижн—^верх), а также с учетом неоднородности травы по влажности в процессе сушки. Причем доминирующей составляющей в АТехн является величина погрешности, обусловленная неравномерностью и невыравненностью по влажности растительного материала в процессе сушки.

Из обзора технических характеристик влагомеров, приведенных в первой главе, видим, что погрешность измерения на кормовых материалах с влажностью до 50% составляет ±1.2% и от ± 3 до ± 5% на материалах влажностью более 50%. Однако, погрешность, получаемая в процессе испытаний влагомеров, зачастую оказывается значительно выше приводимых значений погрешностей. Совершенно очевидно, что столь низкие значения погрешностей не учитывают реальных условий при измерении влажности провяленных трав: невыравненность по влажности ботанических составляющих растений и неравномерность их сушки.

Известно, что травы уже на корню имеют различную влажность, поэтому неизбежна значительная неоднородность по влажности свежескошен-ной растительной массы. В связи с большой неравномерностью густоты посева, влажностью составляющих и различной скоростью сушки, невыравненность по влажности наблюдается на протяжении всего периода сушки. Причем, разница по влажности тем больше, чем быстрее идет процесс сушки.

Наибольшая неравномерность по влажности растений в процессе полевой сушки наблюдается в диапазоне 35.45%. Для обоснования погрешности измерения влажности (А) полевым влагомером с учётом реальных условий сушки были проведены измерения в указанном диапазоне влажности на смеси злаковых трав в девяти валках. Отбор проб производился из каждого валка, влажность определялась на сушильных шкафах в двух повторностях. При средней влажности травы на данном участке поля равной 36,6%, влажность валков (в %) была следующая: 1 — 34,6- 2 — 46,8- 3 — 39,4- 4 — 40,9- 5 — 32,2- 6 — 34,4- 7 — 30,0- 8 — 36,2- 9- 35,0.

Как видно из приведенных данных разброс по влажности между валками составлял 16,8%. Среднее квадратическое отклонение, а =5,06%. Используя эти данные, найдем погрешность измерения влажности по формуле [23, 30]:

А = /у~, (2.2) л/и где: /у — распределение Стьюдента с числом степеней свободы к = п-1- п — количество измерений.

Тогда, с доверительной вероятностью у = 0,95 погрешность измерения будет равна: А = 2,31 • =3,9%.

Таким образом, точность, с которой была определена средняя влажность в валках, составляет ± 3,9%. Данные расчета дают основание для установления предельных значений погрешности измерения для свежескошен-ных и подвяленных трав не более ± 4,0%. Правомерно отметить, что чем меньше будет А, тем точнее будет оценка влажности.

Полученные нами значения, А и сг подтверждают высокую степень неоднородности по влажности растительного материала в процессе сушки, что не позволяет иметь более низкую погрешность измерения влажности провяленных трав. Вместе с тем, численное значение, А = ± 4,0% не превышает рекомендуемых интервалов влажности, указанных в агротребованиях и ОСТах на корма. Иными словами, в этих документах допускается, что при провяливании трав имеет место значительная неравномерность по влажности и поэтому нецелесообразно полевым влагомером контролировать колебание влажности, имеющееся между валками. Исходя из этого, можно указать, что максимальное значение погрешности прибора, А не должно превышать, а по влажности трав в валках, т. е. величина, А должна быть меньше 5% влажности.

Величину минимального значения погрешности влагомера оценивали через ее энтропийное значение Аэ [51], которое связано со среднеквадратичным отклонением (сги) через энтропийный коэффициент — ?^э=Кэ (7к. При расчете значений Аэ использовались результаты наших многолетних исследований по определению влажности трав в период заготовки кормов, полученные с использованием сушильных шкафов СЭШ-ЗМ, и результаты их статистической обработки.

В таблице 2.1 приведены результаты статистической обработки проведенных измерений влажности: — среднее значение размаха параллельных определений влажности (К) и её среднеквадратическое отклонение а. Для проведения анализа нами было выделено три характерных поддиапазона влажности:

— 10 — 35%, охватывающий заготовку всех видов сена;

— 35 — 55%, включающий сушку сена активным вентилированием, сгребание трав в валки и приготовление сенажа;

— 55 — 85%, ворошение, силосование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Для обеспечения оптимальных режимов сушки трав в полевых условиях, своевременного выполнения технологических операций кошения, ворошения, сгребания, прессования, копнения и заготовки высококачественных кормов необходима оперативная информация о состоянии влажности растительного материала.

2. Проблема измерения влажности трав в прокосах, валках, тюках и рулонах без отбора и подготовки проб (неразрушающий контроль влажности) с различными физико-механическими свойствами определила необходимость блочно-модульного построения прибора с набором датчиков, основанного на диэлькометрическом методе.

3. Экспериментальные данные, полученные при исследовании ЭФС кормовых материалов в диапазоне частот 0,5. 15 МГц, показали, что электрические параметры трав изменяют свои значения в довольно широких пределах в зависимости от их влажности. Установлено, что на частоте 2 МГц для злаковых и бобовых трав при изменении влажности от 15 до 75% и плотноI сти от 30 до 160 кг/м зависимость изменения электрических свойств в большей мере определяется влажностью и характеризуется стабильностью результатов измерений.

4. Обосновано техническое решение неразрушающего контроля влажности трав в прокосах и валках датчиком компланарного типа с охранным электродом. Определены геометрические размеры его электродной системы с заданной глубиной зоны контроля влажности, составляющей 30 мм. Определена область рационального его применения — измерение влажности трав в диапазоне от 35 до 75%.

5. Экспериментально-теоретическими исследованиями установлены следующие метрологические характеристики влагомера кормов: диапазон измерения влажности от 15 до 75%- основная абсолютная погрешность измерения влажности должна составлять ± 2% в диапазоне 15.35% и ± 4% при влажности более 45%.

6. Для неразрушающего контроля влажности прессованных материалов предложены конструкции датчиков: шестиэлектродный, с диаметром игл 4 мм и межэлектродным расстоянием — 20 мм и зондовый датчик, состоящий из центрального штыревого электрода и окружающего его кольцевого электрода. Определены оптимальные конструктивные размеры зондового датчика, обеспечивающие максимальную чувствительность к влажности и минимальное усилие его внедрения в прессованный материал: диаметр штыревого электрода 20 мм, угол при вершине конуса — 22°.

7. Теоретически исследовано и экспериментально проверено, что взаимосвязь усилия внедрения зондового датчика с плотностью прессованного сена на участке от 100 до 160 кг/м3 и угле при вершине конуса 22° является линейной и имеет следующий вид: р = 3,86Р + 91,2.

8. Проанализированы способы и устройства компенсации влияния плотности материала на результаты измерения влажности кормовых материалов. Выявлены закономерности влияния плотности прессования растительного материала на информативный параметр влажности для различных типов датчиков. В опытном образце прибора разработано устройство измерения и компенсации влияния плотности прессованного сена на результаты измерения влажности, защищенное патентом РФ № 1 816 107.

9. Проведена технико-экономическая оценка перехода на инструментальные методы оперативного контроля влажности. Прибыль от использования одного прибора составила порядка 4145 рублей в год. Результаты проведенных расчетов и производственные испытания доказывают экономическую эффективность применения прибора при заготовке кормов.