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    浅谈仓储粮温度检测技术应用及发展趋势

      信息来源:   发布时间:2021-07-30  点击数:

    粮食在整个人类发展历史中都占有举足轻重的地位,粮食的生产、储藏是世界各国都必须要考虑的重要战略问题。我国是人口大国,也是粮食的主要生产和消费国。2020年我国粮食种植面积11677万公顷,比上年增加70万公顷。全年粮食产量66949万吨,比上年增加565万吨,增产0.9%。在我国农业良好的发展形势下,随着粮食产量的不断增加,对于粮食储藏的技术和要求也随之不断的提高。粮食在储藏的过程中,依然存在着生物的呼吸作用,而温度这一影响生物生理活动的重要参数,对储粮的影响尤为重要[1]。此外,储粮中的虫霉灾害也与温度关系密切。据估计,我国粮食收获后的损耗率在10%以上,其中由于虫害霉变的损失达到了10%~15%[2],因此做好储粮温度监控对于预防虫霉灾害,做好储粮管理有着十分重要的意义。目前仓储粮温度检测技术主要分为接触式和非接触式两大类。

    1 传统仓储粮温度检测技术

    目前仓储粮的温度检测,大多采用接触式测温,其原理是是依靠检测设备的温度敏感元件与粮食接触,通过热平衡原理实现对粮食温度的检测。常规的接触式温度检测技术已经基本成熟,并在测温领域有着十分广泛的应用。其中在仓储粮温度检测上使用较为广泛的接触式测温技术有液体温度计测温、热电偶测温、热敏电阻测温、数字式温度传感器测温。

    (1)液体温度计利用的是热胀冷缩的物理现象,不同温度下所对应的液体体积不同,通过测量毛细管内液柱高度间接计算温度。液体温度计具有精度高,稳定性高的特点,但由于其设备尺寸大,易碎以及部分含汞测温计存在泄漏隐患等问题,使其使用范围受到了一定的限制。

    (2)热电偶[3]温度计,它是由两种不同的导体材料焊接而成,当导线两端之间存在一定热梯度时,导线两端会产生电势差,将焊接导线的一端插入被测介质中,测量另一端的电势差从而根据电势差所对应的温度,间接计算被测介质的温度。热电偶温度计有着测温范围大的特点,温度量程可达到-200℃至1200℃,但由于其是由两端导线材料焊接而成,在长时间的使用过程中,可能出现因焊接处开焊等缺陷导致的较大的测量误差。

    (3)热敏电阻[4],是一种应用较为广泛的半导体器件,其利用热敏材料对温度的敏感性即电阻随温度变化而变化的特点,通过测量器件的电阻值间接计算温度值。具有结构简单,成本低,稳定性强,工业化程度高等优点,受限于电阻随温度的变化关系呈非线性,其测温范围通常为-60℃至150℃。

    (4)数字式温度传感器测温[5],其原理是内部存在着低温系数和高温系数振荡器,利用两种振荡器的晶振频率对温度敏感性的差异间接测量温度。以目前运用最为广泛的DS18B20型为例,其温度量程为-55℃至125℃,精度±0.5℃。该类测温仪器具有低成本,便于集成和阵列的特点,可将多个传感器连接形成测温线路,是目前粮食温度检测的主要方式。

    大型储粮设施中往往堆积了大量的粮食,接触式测温由于其传感器测量范围小的原因,为保障储粮安全,不得不高密度的铺设测温设备。这既增加了储粮设施的建设成本,也增加了设备维护上的困难,而且接触式的测温方式都不可避免的侵入储粮环境,侵入设备还存在对污染储粮的风险。如果减少温度检测设备,接触式检测设备有限的检测范围又会使得仓储粮温度检测的难度大大增加。众多学者不断研究更为有效的仓储粮接触式传感器分布方式的同时,各种新兴的仓储粮温度检测技术也在不断兴起。。

    2 新兴仓储粮温度检测技术

    随着科技不断发展,新的温度检测技术不断推动着仓储粮温度检测技术的革新。近年来新兴的接触式测温技术,光纤测温和光栅测温技术正有着越来越多的运用。

    (1)光纤测温技术是利用布里渊散射[6]或拉曼散射对温度敏感性不同的原理,由热敏材料制成的感光光纤,其上的每个传感器都会反射与自身温度相对应的窄谱脉冲信号,通过检测光纤中反射光的信息即可间接计算得到光纤各处的温度分布。(2)光纤光栅测温技术,利用的是布喇格光栅的温度敏感性和光的反射原理,光纤中的光遇到光栅会反射回部分光,而反射光的波长除了由光纤本身折射率影响外还由光栅的周期影响,而光栅周期则由环境温度而决定。通过测量反射光的波长信息即可间接计算沿光纤感温点的温度情况。两种光纤检测技术都适用于大范围温度测量,但由于光纤本身较为昂贵和脆弱,加大了系统的建设成本和维护难度。2019年,陈晴川[7]等人采用分布式光纤测温技术对粮仓温度进行监控,该方法可以有效监控粮仓温度,温度测量精度最高达±0.35℃。

    光纤测温和光栅测温技术虽然有着许多优势,但接触式测温方式的种种问题依然存在,而另外一种仓储粮的非接触式测温方式正不断兴起。非接触式测温是指测量设备不与被测对象接触,可以在不入侵测量对象、不破坏测量对象温度场的前提下实现温度测量。目前非接触测量主要有红外线测温法和声波测温法。

    (3)红外线测温法,通过被测物体所辐射出的红外线能量间接测量物体温度。物体的温度越高其辐射出的红外线能量就越高,反之则越小。该技术具有不接触测温物体,测温范围大,精度高的特点,在许多工业场景都有着较多的应用,但红外测温只能通过测量物体表面的红外线来间接的计算测量温度分布[8],在粮食库多灰多尘的环境中,由于粮食表面的尘土影响实际测量以及尘土对光学零部件的干扰等因素,该技术通常只是作为一种温度检测的辅助手段而不能作为仓储粮温度检测的主要方式。(4)声学法温度检测技术,在测温区域内设置多个声波发生器[9],检测系统在一定周期内有规律的启动关闭声波发生器,收集分析各个测点的声音信息传入计算机,综合各测点位置信息和声波传播时间等信息,进而计算得到声波路径上的温度信息,并通过适当的温度场反演算法、重构算法估算整个温度场的温度分布。2017年,齐仁龙[10]等人采用无线无源声表面波温度检测技术实现了仓储环境温度信息数据的采集,该技术大幅提高了对粮仓温度信息的检测效率。

    非接触式测温,侧重于对仓储粮整体温度场的测算。而当仓储粮内部产生劣变区域时,虽然粮食劣变会产生热量,但受限于小麦、稻谷或是玉米等粮食导热系数较低,其附近的正常储粮温度变化可能极小或是由于与接触式测温传感器间距较远难以确定粮食劣变区域。而通过非接触式测温法,可以对于仓储粮整体温度场进行估算,可以更为直观有效的掌握储粮的温度情况,当仓储粮内部出现劣变时,也能更为灵敏的发现和定位因粮食劣变而导致的温度异常区域。

    3 结语

    仓储粮中,温度异常点的位置和数量具有很大的随机性,极大地增加了储粮管理的难度。接触式温度传感器可以准确得到传感器附近小范围内的温度信息。但由于粮食自身导热性差的原因,对于稍远离传感器的区域范围的温度难以检测。而非接触式测温方法,虽然可以有效对仓储粮整体温度场进行测算,但其对如仓储粮中心、角落等位置的温度检测难以做到精准。而随着各种算法,如机器学习,人工智能的发展。对于粮食测温的检测方法也越来越趋向于自动化,智能化,不同的测温方式也在不断的交叉使用尝试创新,将传统的接触式测温方式与非接触式测温方式相结合,得到仓储粮关键位置温度的同时也得到其整体的温度场信息,将这两者信息结合相应的智能算法实现对仓储粮温度场更为全面、精准的检测。仓储粮温度检测技术正朝着,传统检测技术与新兴检测技术相互配合,同时融合计算机模拟技术的方向发展。


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