с 01.01.2009 по настоящее время
Ангарск, Иркутская область, Россия
Предложен способ измерения влажности зерна сорбционными гигрометрами, работающих на сорбционно-частотном или сорбционно-ёмкостном методе измерений. Проведены экспериментальные исследования, показывающие, что влажность зерна и влажность воздуха над поверхностью зерна взаимосвязаны при условии поддержания задан-ной температуры. Получена эмпирическая зависимость массовой доли влаги пшеницы от относительной влажности воздуха
влажность, зерно, влагомер, гигрометр
Содержание влаги во многих видах продукции является одним из важнейших показателей качества [1-3]. Большое значение это также имеет и при обработке и хранении большинства видов сельскохозяйственной продукции. В частности, для сохранения потребительских свойств, предъявляются высокие требования по влагосодержанию зерна [4]. Влага оказывает влияние не только на качественное состояние самого зерна, но и на жизнедеятельность микроорганизмов, находящихся на его поверхности.
При превышении влажности зерна выше нормированных значений усиливаются физико-химические процессы, активируется ферментация, происходит быстрое размножение микроорганизмов и грибков. Если при хранении зерна влажность превышает установленные нормы, то это приводит к потере пищевых качеств продукта, а также к снижению сыпучести, что затрудняет его дробление. Контролю влажности зерна уделяется большое внимание на всех этапах его обработки, начиная с уборочной кампании и до переработки. В период уборочной компании влажность зерна может достигать 30 %, в то время как для хранения и переработки она должна быть существенно ниже. Так, в соответствии с нормативной документацией, влажность пшеницы не должна превышать 14 %. Контроль этого показателя является главным фактором при решении о необходимости сушки для повышения качества зерна.
Нормативная документация [5] устанавливает основной метод измерения влажности зерна при контрольных измерениях, приёме, отпуске, отгрузке и переработке продукции на основе применения воздушно-тепловой установки (диапазон измерения влажности от 5 % до 45 %, основная абсолютная погрешность ± 0,5 %).
Для принятия оперативных решений, например, о необходимости направления партии зерна на сушку, допускается применение влагомеров. Так в [5] рекомендуются диэлектрические влагомеры с абсолютной погрешностью измерений ± 1,0 % в диапазоне влажности зерна до 17 % и ± 1,5 % в диапазоне влажности зерна свыше 17 %.
Зерно, как и семена всех культур, обладает высокими гигроскопическими свойствами. Сорбционные свойства зерна обусловлены его капиллярно-пористой структурой. При взаимодействии с атмосферным воздухом и газами межзерновых пространств происходит сорбция и десорбция влаги за счёт разницы давлений паров воды в воздухе и над поверхностью зерна. В результате устанавливается состояние динамического равновесия между влажностью зерна и воздухом в межзерновом пространстве уже на глубине до 10 см от поверхностного слоя насыпи зерна. Таким образом, равновесная влажность зерна связана с доступным для производственного использования показателем – относительной влажностью воздуха [6].
Поскольку зерно, как сорбент, обладает сложной структурой, в которой присутствуют и адсорбционные центры, и микро-, и макропоры, и капилляры, то зависимость равновесной влажности зерна от относительной влажности воздуха не может быть линейной. Определение такой зависимости является важным для разработки влагомеров зерна сорбционного типа.
Ниже приведены результаты эксперимента по определению такой зависимости для пшеницы.
В эксперименте использовались несколько эксикаторов, в нижней части которых под фарфоровой вставкой находились либо пятиокись фосфора (использовалась в качестве осушителя), либо насыщенные растворы солей. Последние применялись для создания необходимой для экспериментов относительной влажности воздуха (φ, %) над соответствующим раствором.
Метод насыщенных растворов солей основан на свойстве таких растворов поддерживать постоянную относительную влажность над своей поверхностью при определённой температуре [7]. При исследованиях в лабораторном помещении температура воздуха поддерживалась на уровне 24 оС. Использовались следующие насыщенные растворы солей:
– хлорид лития (LiCI·Н2О) – φ = 12 %;
– хлорид магния (MgCl2·6H2O) – φ = 33 %;
– карбонат калия (K2СО32H2О) – φ = 44 %;
– бихромат натрия (Nа2Сr2O72Н2O) – φ = 55 %;
– хлорид натрия (NaCI) – φ = 75 %;
– хлорид калия (KСl) – φ = 85 %;
– сульфат калия (K2SO4) – φ = 97 %.
Для создания насыщенных растворов были выбраны указанные соли из-за того, что они позволяют создавать требуемую влажность, равномерно охватывающую диапазон от 0 до 100 %.
Для зерна использовались бюксы с крышками, которые предварительно осушались в сушильном шкафу и далее содержались в эксикаторе с пятиокисью фосфора. Сухие чистые бюксы с крышками взвешивались на лабораторных весах АДВ-200 (кл. 2). Размельчённое зерно в бюксах (навески, ориентировочно, 5 г) помещались в эксикаторы, при этом крышки бюкс снимались для обеспечения доступа влажного воздуха к зерну, а сами крышки помещались рядом в эксикаторе.
Пробы размельчённого зерна выдерживались в эксикаторе с требуемым уровнем влажности воздуха в течение двух суток, так как предварительными испытаниями было установлено, что этого времени заведомо хватает для получения равновесной влажности измельчённого зерна. В каждый эксикатор были помещены по три бюксы с зерном.
Определение влажности зерна производилось по методике, изложенной в [5]. Влажность пробы зерна, W, %, вычислялась по следующей формуле:
где m – масса пробы с бюксой до высушивания, г;
m1 – масса пробы с бюксой после высушивания, г;
mn - масса пробы до высушивания, г.
За окончательные результаты определения влажности зерна принималось среднее арифметическое результатов трёх параллельных вычислений. Расхождения между ними не превышали ± 0,1 %.
На рисунке 1 показана эмпирическая зависимость массовой доли влаги пшеницы W от относительной влажности воздуха φ, полученная в результате проведённых экспериментов.
Рисунок 1 – Эмпирическая зависимость влажности пшеницы от относительной влажности воздуха
Приведённую на рисунке 1 зависимость можно использовать для разработки влагомеров зерна, используя уже созданные гигрометры сорбционного типа, например сорбционно-ёмкостные или сорбционно-частотные гигрометры относительной влажности воздуха [8-9]. Указанные сорбционные гигрометры имеют хорошие динамические характеристики, позволяют производить быструю калибровку и могут применяться в автоматизированных системах контроля влагосодержания.
1. Берлинер, М. А. Измерения влаж-ности. – М.: Энергия, 1973. – 400 с.
2. Воронова, Т.С., Липнин, Ю.А., Мазур, В.Г., Пудалов, А.Д. Исследование чувствительности широкодиапазонных пьезосорбционных влагочувствительных элементов для неразрушающего контроля органических растворителей // Измерительная техника. – 2017. – № 3. С. 65–68.
3. Липнин, Ю.А., Мазур, В.Г., Пу-далов, А.Д. Исследование динамических свойств широкодиапазонных пьезосорбционных датчиков влажности органических жидкостей // Измерительная техника. – 2014. – № 7. С. 65–68.
4. ГОСТ 9353-2016 Пшеница. Технические условия. Дата введения 01.07.2018. М. : Стандартинформ.– 2019 – 12 с.
5. ГОСТ 13586.5-2015. Зерно. Метод определения влажности. Дата введения 01.10.2016. - М.: Стандартинформ.- 2019 – 12 с
6. Гигроскопические свойства зерна: влияние на технологию хранения // Grainboard.ru – весь рынок зерна, муки, крупы в России. Обзоры отрасли. URL: https://grainboard.ru/news (Дата обращения 01.11 2024).
7. Мазур, В.Г., Пудалов, А.Д., Тур, А.А. Приготовление образцов органических жидкостей заданной влажности // Вестник Ангарской государственной технической академии. – 2014. – № 8. – С. 24–28.
8. Иващенко, В.Е., Мазур, В.Г., Пудалов, А.Д., Томилин, М.А. Измерение влажности газов и жидкостей в широких диапазонах концентраций // Сборник научных трудов АГТА – Ангарск : АГТА, 2011. – С. 16–20.
9. Иващенко, В.Е., Мазур, В.Г., Пудалов Исследование широкодиапазонных пьезокварцевых влагочувствительных элементов // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – Т. 321, № 4. – С. 160–165.
