張湘楠，姚雪東，黃 勇，鄭 霞，王 強，魏事宇，曹玉雪，朱榮光

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

干燥是許多農(nóng)產(chǎn)品及食物長期保藏的一種經(jīng)濟有效的方法，也是一種重要的加工工藝[1]。熱風干燥簡單、成本造價低，但容易對產(chǎn)品造成表面硬化、溶質散失等不利影響[2]，且熱風干燥干燥效率低、干燥時間長。將熱風與其他干燥方式聯(lián)合進行干燥的方式是干燥領域的一種發(fā)展趨勢。紅外輻射干燥是利用紅外發(fā)熱器發(fā)射出的紅外線照射到被加熱物料上，并被吸收轉化為熱能，從而實現(xiàn)加熱和干燥的一種方法[3]。紅外干燥具有升溫時間短、生產(chǎn)能力強、無污染[4]等優(yōu)點，但紅外干燥有其自身缺點，如加熱不均、營養(yǎng)物質損害嚴重[5]等。另外，紅外干燥中，物料內(nèi)部的水分在電磁波譜的作用下由內(nèi)向外蒸發(fā)，蒸發(fā)區(qū)域的水氣會吸收紅外熱量，以致輻射到物料表面的能量有損，阻礙干燥的順利進行。

國內(nèi)外的干燥研究多是針對干制品干燥前后的對比研究[6-8]，而針對干燥過程中干制品實時分析對比的研究結果較少。

針對上述問題，本文設計了一種將熱風與紅外聯(lián)合干燥的盤式干燥機并配備溫濕度控制系統(tǒng)。同時，為研究干燥過程中干制品色澤及含水率的變化，結合在線稱重技術[9]和計算機圖像處理技術[10]，設計了自動稱重系統(tǒng)和在線圖像提取系統(tǒng)。

1 整機結構和工作原理

系統(tǒng)裝置主要由干燥室、加熱系統(tǒng)(熱風與紅外)、排濕系統(tǒng)、自動稱重系統(tǒng)及圖像提取系統(tǒng)構成，如圖1所示。

1.風機 2.進風通道 3.加熱機構 4.干燥室 5.圖像提取系統(tǒng) 6.自動稱重系統(tǒng) 7.回風通道 8.電磁閥圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig 1 The chart of the whole machine structure

干燥系統(tǒng)主要由熱風與紅外聯(lián)合加熱機構、熱量循環(huán)與利用機構及排濕機構組成；在線檢測系統(tǒng)包括自動稱量系統(tǒng)和圖像提取系統(tǒng)。

空氣在風機的作用下，進入進風通道被電加熱管加熱至設定溫度，具有一定溫度與流速的熱氣流到達干燥室，對物料盤上的物料進行對流換熱。干燥室內(nèi)的紅外加熱管可以進行干燥初期預熱階段的快速升溫和干燥過程中的輔助加熱。同時，干燥室上方的電子天平可以實時檢測物料盤內(nèi)的物料質量并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機器上以分析物料含水率的變化；CCD相機可以實時提取物料盤上物料表面的圖像并傳輸?shù)絇C機上進行后續(xù)處理，分析物料干燥過程中色澤的變化。

2 關鍵部件設計

2.1 加熱機構設計

加熱機構主要由電加熱管、進風通道、紅外加熱管及料盤組成，如圖2所示。

1.進風通道 2.電加熱管 3.紅外加熱管 4.物料盤托架 5.物料盤圖2 熱風與紅外聯(lián)合干燥機構圖Fig.2 The chart of the combined drying mechanism of hot blast and infrared radiation

電加熱管功率為1.5kW/根；紅外管選取碳纖維式紅外加熱管，功率為0.8kW/根。干燥預熱階段，電加熱管和紅外管同時打開，由于紅外加熱為輻射加熱且具有穿透性，可以對干燥室內(nèi)的空氣及干燥箱壁面進行全面輻射加熱，帶有一定溫度和風速的空氣從進風端進入，帶走由紅外管加熱的空氣；同時，電加熱管對進風端的空氣進行加熱，這兩種加熱方式相互聯(lián)合，快速升高干燥室內(nèi)的溫度，達到設定溫度。

電加熱管位于進風通道內(nèi)，干燥進行中，空氣由電加熱管加熱，帶有一定溫度和風速的熱風由進風端進入干燥室內(nèi)，進行對流干燥作業(yè)；紅外管位于干燥箱內(nèi)，紅外管呈對稱位置分布，可以更好地對物料盤區(qū)域進行輻射加熱。紅外管主要進行輔助加熱，若進風端溫度低于設定溫度，則紅外管自動打開進行熱量補償。

2.2 料盤機構設計

料盤機構由物料盤、料盤托架整體及固定片組成，如圖3所示。物料盤放置于托架上的階梯上，可以調(diào)節(jié)料盤高度。固定片選取相同長寬的輕質鋁合金制成，固定于兩個托架上，以維持整體的穩(wěn)定性和平衡性。

可放置最上端和最下端物料盤最大間距為360mm，可放置的最小間距為30mm，該干燥箱內(nèi)部物料盤層數(shù)為3～6層。物料盤托架上有多個階梯可用于擱置物料盤。干燥作業(yè)時，可根據(jù)不同物料的干燥特性、大小、形狀等，對物料盤間距、物料盤層數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，適應不同物料的具體干燥條件。

圖3 物料盤及托架機構圖Fig.3 The chart of material tray and bracket

2.3 排濕系統(tǒng)

排濕系統(tǒng)由排濕閥、吸氣閥和回風通道組成，如圖4所示。干燥進行中，與物料對流換熱的空氣進入回風通道后進行熱量循環(huán)；當氣流濕度超過設定值上限時，位于干燥室附近的排濕閥打開，高濕空氣自動排至干燥室外；同時，在大氣壓的作用下，等量的低濕新鮮空氣由位于風機進風端的吸氣閥吸入至回風管道內(nèi)，以確保通道內(nèi)濕度在設定值范圍內(nèi)。

1.排濕閥 2.回風通道 3.進氣閥圖4 排濕機構Fig.4 The chart of the moisture removing mechanism

2.4 自動稱重系統(tǒng)

自動稱重系統(tǒng)主要由電子天平、天平秤板、稱重連桿、料盤托架等構成，如圖5所示。電子天平位于干燥箱的上方，天平秤板水平放置于電子天平上，與物料盤及托架整體通過稱重連桿相連，借助上述機構可以對物料盤上的物料進行整體稱重，干燥過程中可以記錄物料的重量以分析含水率的變化。

1.天平秤板 2.電子天平 3.稱重連桿 4.干燥箱 5.物料盤及托架整體圖5 自動稱重系統(tǒng)Fig 5 The chart of weighing system

通過選取不同量程、不同精度的天平可以獲得對更多種類的物料進行干燥和在線檢測。該機構所選取天平為舜宇恒平JA41002，量程為4 100g，精度為0.01g，該天平配有RS-232串口，可以通過串口向PC機傳輸數(shù)據(jù)，且可以設定數(shù)據(jù)傳輸時間周期，以串口通信技術可以由PC機上以VC或VB等編程軟件制作上位機界面，實時顯示物料含水率的變化。

含水率計算公式為

其中，Wt為t時刻的濕基含水率；Mt為t時刻物料的質量；M0為初始物料的質量；W0為初始時刻的濕基含水率。

2.5 圖像提取系統(tǒng)

圖像提取系統(tǒng)主要由CCD相機、LED光源、玻璃及增透膜、料盤及托架構成，如圖6所示。

工業(yè)相機位于干燥箱上方，透過玻璃對物料盤上的物料進行圖像提取并將圖像傳輸至PC機上進行后續(xù)處理。相機可以在調(diào)節(jié)架槽上進行高度調(diào)節(jié)，以獲得物料盤上物料表面的清晰圖像。工業(yè)相機通過相機高度調(diào)節(jié)架上的槽可以進行高度調(diào)節(jié)完成對焦，由此得到物料盤上的高清圖像。選取2mm厚度玻璃，并在玻璃下側增添增透膜以增加圖像的清晰度。相機選取MV-EM1400C,像素為4 608×3 288，可采集最大面積為120mm×80mm。光源為低角度環(huán)形LED光源，可以照亮相機正下方所采集的150mm×150mm矩形區(qū)域。

1.CCD相機 2.調(diào)節(jié)架 3.LED光源 4.干燥箱 5.物料盤及托架整體圖6 圖像提取系統(tǒng)Fig.6 The chart of the Image extraction system

如圖7所示,由相機提取的初始圖像為RGB圖片，進行棗片特征區(qū)域分割，RGB2Lab轉化后讀取棗片表面的色澤，分析色差。

色差計算公式為

其中，△E*為t時刻的色差值;△L*為t時刻亮度值與初始時刻的差值;△a*為t時刻a*與初始時刻的差值;△b*為t時刻b*與初始時刻的差值。

圖7 圖像處理過程流程圖Fig.7 The flow chart of image processing

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)干燥機內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集與控制。干燥機控制主要是對干燥條件的控制，即熱風溫度、濕度及風速。進風端溫度選取溫控器進行控制，出風端的濕度信號由AT89C52進行控制，風速由變頻器控制。

本系統(tǒng)所控制裝置選取溫控器進行溫度控制，所選型號為歐姆龍E5EZ，該溫控器支持多種傳感器類型，控制精度高、應用范圍廣泛。該干燥機中采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，控制精度為±0.2℃，濕度以AT89C52單片機為核心進行控制，控制精度為±5%，其控制系統(tǒng)結構框如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.8 The chart of the control system

4 性能試驗

以新疆盛產(chǎn)的冬棗片為試驗材料進行性能試驗，經(jīng)過烘干失重法測定，所選取冬棗的初始濕基含水率為(78±2)%。放置料盤3層，物料盤層間距為80mm，風溫為55、65、75℃，進風口風速為2.5m/s，進行干燥試驗，并分析干燥過程中色澤及含水率的變化。將冬棗進行預處理并切片(厚度5.5 mm±0.5mm)，料盤長寬為320 mm×280mm，平鋪滿冬棗片，每層物料盤放置棗片的質量約為200g。

歷時4h干燥處理以后，55、65、75℃條件下，濕基含水率由(78±2)%下降至10%以下；L*降低，在55、65℃條件下，趨于穩(wěn)定，為35～25；而75℃條件下，持續(xù)降低，由35～15且仍有下降的趨勢。a*在3種風溫下均呈現(xiàn)升高的趨勢，a*值為-5～0且干燥后期趨于穩(wěn)定；b*在55℃持續(xù)降低，而在65℃下干燥后期有微微上升的趨勢，在75℃下前期降低而后期升高；△Ε*在55、65℃溫度下變化較小，為7.9～8.51，而75℃條件下色差持續(xù)增長。

圖9、圖10分別為含水率與色澤隨干燥時間的變化曲線。

圖9 含水率隨干燥時間的變化曲線Fig 9 The chart of moisture changing with drying time

(a) 色差系數(shù)L*

(b) 色差系數(shù)a*

(c) 色差系數(shù)b*

5 結論

1)將熱風干燥與紅外干燥相結合，設計了一種熱風與紅外聯(lián)合干燥的盤式干燥機并配套溫濕度控制系統(tǒng)。

2)為實時檢測干燥過程中物料的含水率及色澤的變化，設計了自動稱重系統(tǒng)和在線圖像提取系統(tǒng)，為過程檢測的實現(xiàn)提供了一定的研究基礎。該檢測機構可以根據(jù)干燥物料特性等，調(diào)整參數(shù)，具有一定的實用性。

3)應用該裝置，以冬棗片為試驗材料進行了性能試驗，結果表明：可以應用該干燥機的在線檢測裝置對干燥過程中物料的色澤及含水率實現(xiàn)在線檢測功能。