Вопросы по влагомерам зерна: преимущества, калибровки, разновидности

Предназначенный для оперативного анализа влажности в полевых условиях, портативный, удобный в эксплуатации и рассчитанный на множество зерновых культур влагомер зерна, успешно дополняет воздушно-тепловой метод, регламентированный ГОСТ 13586.5-2015.

Наблюдается своеобразное "разделение труда". В лабораториях по анализу качества зерна "властвуют" сушильный шкаф и лабораторные весы, а в десятках километров, в буквальном смысле - на земле, где нет электричества и вообще условиях для размещения оборудования, без альтернативны переносные измерители влажности зерна.

1. 3 "Д" не в пользу термогравиметрического метода
2. Компромисс между погрешностью и оперативностью
3. Калибровка на заводе
4. Математическая обработка результатов
5. Тысячи измерений для усреднения
6. Множество калибровок
7. Практические вопросы эксплуатации

Кратко о стандартном измерении влажности отобранных образцов зерна

При помещении размолотой мельницей пробы в сушильную лабораторную печь и нагреве до температуры выше 100 градусов, происходит процесс обезвоживания.
Два взвешивания – до и после сушки и дают искомую разницу в виде содержания влаги в исходном образце.

3 "Д" не в пользу термогравиметрического метода

Указанный метод апробирован в течение десятилетий, официально признается сторонами при заключении контрактов на поставку и хранение зерна, если бы не три Д:

• “Долго”;
• “Дорого”;
• “Далеко”.

Анализ влажности термогравиметрическим методом длится не меньше часа.

И это только одно исследование. А если нужно выполнить 5,10,20 тестов, поскольку в "горячую пору" сбора урожая, десятки тонн зерновых поступают автомобильным транспортом и из каждой партии необходимо отобрать репрезентативные пробы ручным щупом для зерна или автоматическим пробоотборником в соответствии с ГОСТ 13586.3-83.

Десять анализов – 10 часов. При 8-ми часовом рабочем дне.

Конечно можно увеличить штат персонала, купить несколько комплектов оборудования для лабораторий и измерительных приборов, но тогда мы приходим к второму Д:

Мы отметили, что необходимы сушильные электрические шкафы и весы, на самом деле это только основные лабораторные приборы.

Кроме нагревательного и весоизмерительного оборудования необходимы еще:

эксикатор лабораторный (стеклянный) для обезвоживания

термометр

секундомер

лабораторная посуда, сито, рассев

инвентарь и принадлежности

И все это “хозяйство” необходимо расположить на лабораторных столах, хранить в шкафах, тару мыть в мойках, для чего в свою очередь нужно помещение солидной площади, подводить электричество, водопроводы и т.д.
Персоналу надо платить зарплату.
А прожорливые сушильные печки с мощными ТЭНами потребляют немерянное количество электричества.

Чем интенсивней эксплуатация, чем больше вероятность выхода лаб оборудования из строя, а для ремонта необходимо отправлять приборы в сервисный центр, а он может быть расположен в сотнях километров. Плюс плата за транспортировку туда и обратно.
А простой лаборатории недопустим.

Современный аграрный бизнес устойчиво характеризуется трендом к укрупнению и концентрации активов в руках одних собственников.

То и дело в СМИ проскальзывает информация – такой-то финансово-промышленной группой приобретен элеватор, построен зерновой терминал или взяты в аренду несколько тысяч гектаров посевных площадей.
 

А площади и зернохранилища могут располагаться в разных концах страны.

Оборудовать новые лаборатории по анализу параметров качества зерна ? А это опять накладные расходы, ложащиеся на себестоимость.
Да и не поставишь лабораторию около каждого поля.

А для каждого анализа везти пробы зерна для лабораторного исследования влажности на десятки километров (в лучшем случае) по меньшей мере не разумно.
Что делать ? Есть другие варианты ?

Компромисс между погрешностью и оперативностью

В зерновом бизнесе приходится решать задачи, результат которых зависит от множества факторов и чтобы найти оптимальное решение, приходится определяться, какой из критериев поставить на первое место, а чем можно пренебречь.

В частности, акцентируем внимание на двух тезисах.

1. Баланс погрешности при определении влажности зерна и затраченного времени.
2. Оперативность при принятии управленческих решений.

Разберем каждый пункт по порядку.

Зерновые культуры – пшеница, ячмень, рожь должны сберегаться при диапазоне влажности 14-15 %. Чтобы этого достичь, необходимо внедрять современные устройства для автоматизации элеваторов - системы термометрии, своевременно вентилировать зерновую массу аэраторами зерна и т.д.

Но сейчас нас интересует отклонение: "дельта", в пределах которого зерно будет храниться с минимальными потерями потребительских качеств месяцами, составляющее 1 %. Запомним эту цифру.

ГОСТ 13586.5-2015 регламентирует, что абсолютная погрешность воздушно-теплового метода для зерновых культур не должна превышать 0,5 %.

Диэлькометрические и резистивные влагомеры обеспечивают измерение влажности зерна с погрешностью в пределах 0,25-0,5 %.

А теперь еще раз вспомним, что время лабораторного исследования воздушно-тепловым методом составляет около 1 часа, а переносной измеритель влажности зерна проводит замер за время не превышающее 1 минуты.

Скорость это хорошо, но как быть с достоверностью ?

Термогравиметрический метод интуитивно – понятный. Сколько влаги испарилось из зерна при сушке, это и есть содержание влажности и точность стандартного метода определяется исключительно строгим следованием рекомендациям, прописанным в ГОСТ, и соответствием лабораторной техники и  оборудования паспортным данным: для весов – погрешность взвешивания, для сушильного термошкафа – точность установки и поддержания температуры в камере.

А вот если на дисплее 13%. Так ли это ? Может быть на самом деле влажность составляет 12 или 15 %. Ведь по сути мы имеем дело с электронным "черным ящиком" и что происходит внутри измерительного прибора неизвестно. Поэтому приоткроем завесу.
 

Калибровка на заводе

Каким образом прибор, весом в среднем в 2 кг, без сушилки и весов, почти мгновенно определяет содержание влаги ?

“Секрет” в применении непрямых методов анализа влажности.

Наиболее распространенные косвенные методы измерения:

• электропроводности зерна (резистивный);
• емкости зерна (диэлькометрический).

Измерительные приборы (в прошлом стрелочные, сейчас - цифровые) для точного измерения емкости и сопротивления разработаны еще десятки лет назад.

И вот здесь как раз и необходим прямой – термо-гравиметрический метод, с помощью которого и производится заводская калибровка.

Приведем упрощенный алгоритм, как калибруется влагомер зерна.

1	В наличии имеется 10 проб зерна с влажностью от 10 до 19 % с шагом 1 %. Точное определение влажности производится при помощи шкафа сушильного и весов.
2	Каждый образец зерна засыпается в измерительную камеру.
3	Измеряется сопротивление
4	Полученные данные (сопротивление и влажность) сводятся в таблицу
5	По сформированному двухмерному цифровому массиву строится график.

В результате имеем приблизительно такую картину.

 

 

Видно, как с ростом влажности уменьшается сопротивление зерновок






 

Почему мы назвали алгоритм упрощенным ? По трем основным причинам.

Математическая обработка результатов

Если в реальных условиях влажность образца будет например 12,5 %, что покажет прибор ? При нашем упрощенном подходе, ничего не покажет – сопротивление измерит, но он просто “не знает” какое значение влаги поставить в соответствие – это промежуточная, не известная для него точка, лежащая между 12 и 13 %.

Это на графике мы для удобства восприятия соединили точки линиями.
На самом же деле пока у нас только массив дискретных точек.

Для полноценного "обучения" прибора на всем диапазоне измерения необходимо ответить на два вопроса.

1. С каким шагом получать промежуточные значения ?
2. Как получить эти промежуточные значения ?

Шаг измерения или разрешающая способность измерителя влажности зерновых, да и в принципе практически каждого прибора – рефрактометра, пирометра, анемометра, шумомера и др., обычно указывается в руководстве по эксплуатации. Даже например для стеклянной лабораторной посуды (мерные стаканы), нанесена шкала с градуировочными делениями, как и на дозаторах и микропипетках с переменным объемом.
Вот например выдержка из паспорта на модель Farmpro.

 

Пусть шаг измерения будет не 1 %, как у нас, а на порядок меньше – 0,1 %. Этого вполне достаточно для реальной практики.

Почему не 0,01 % или еще точнее ? Теоретически можно достичь и такого показателя, но:

• с одной стороны, для этого необходимо использование прецизионной (высокоточной) элементной базы, в результате чего влагомер для зерна станет дороже допустим в 10 раз, и его просто никто не решится купить: цена высока и не оправдана - никому сотые и тем более тысячные доли процента не нужны;
• c другой стороны, даже точность воздушно-теплового метода находится в пределах десятых долей %, а никак не сотых.

Теперь о том, как получить промежуточные значения.

Для этого используется такой математический инструмент как интерполяция, позволяющий вывести калибровочную зависимость или калибровочное уравнение, это касается как настройки ИК анализаторов зерна и продуктов, так и измерителей влажности.
Звучит сложно, на самом деле в итоге это простейшее линейное уравнение, которое изучают в школьном курсе математики с формулой Y = X×B, где X и Y – значения сопротивления и влажности, B – коэффициент “крутизны”, показывающий как быстро или медленно растет или падает график.

Теперь подсчитаем какое количество значений должен “знать” условный прибор для измерения влажности зерна, чтобы проводить замеры в нашей задаче в интервале 10-19% с шагом 0,1 %.
Получаем 9*10=90 значений сопротивлений и соответствующие им 90 значений влажности.
Эти цифровые показатели, их можно записать в энергонезависимую память (ПЗУ) прибора.
Теперь измеритель "научен" нами определять влажность зерновых в интервале 10-19% с шагом 0,1 %.

В большинстве случаев приборы настраиваются на более широкий диапазон в пределах 5-30 %, но методика остается такой же.
Выше мы указали, что изложенный алгоритм упрощен по двум причинам. Первую из них мы раз разобрали. Теперь поговорим об особенностях физико-химических параметров одного и того же вида зерна, например пшеницы.

Тысячи измерений для усреднения

В какую страну, на какой континент попадает измерительный прибор после отгрузки заказчику ?
Может в Украину, может в Бразилию или Австралию. И в любых условиях прибор должен обеспечить паспортную точность.
Это только на первый, визуальный взгляд кажется, что пшеница одинакова вне зависимости от региона произрастания. Хотя опытный глаз агронома, может определить даже внешние отличия.

Без сомнения, что уже в ближайшем будущем - речь идет не о десятилетиях, а о годах, даже участие человека не понадобится.
Отличать сорт зерна, определять по видимым признакам заболевания и другие признаки, будут нейронные сети.

Особенности формы, твердость, плотность, толщина плодовых оболочек, особенности внутренних элементов: эндосперма,  зародыша – все это оказывает серьезное влияние на результат определения влажности зерна, полученный непрямым методом.

В этом плане гораздо более "чувствителен" влагомер, поэтому при разработке калибровок исследуются тысячи образцов зерна.

Существует даже специальные институты семян с солидной базой образцов со всего мира. Дело даже не столько в сорте зерновых, а в условиях произрастания – климате, структуре почвы, сроках внесения удобрений и т.д.

Математическая обработка собранного массива информацию проводится средствами статистики, в частности методом наименьших квадратов, что позволяет вывести универсальную, усредненную зависимость.

 

Множество калибровок

До сих пор мы вели речь только об одном виде зерновой культуры – пшенице. А кукуруза, рожь, ячмень, горох и еще как минимум 2 десятка наиболее популярных на рынке и коммерчески востребованных видов культур ?

Никто не рискнет купить цифровой влагомер для экспресс анализа влажности зерна всего одного вида - чрезвычайно узкая сфера применения. Ведь агропромышленные холдинги могут выращивать и продавать несколько культур - это минимизирует риски, если не урожай одной из-за погодных условий или упадет цена на другую.

Например, популярные на рынке измерительных приборов для зерновой промышленности модели Wile 55, Farmpro, Superpro запрограммированы на экспресс анализ содержания влаги в 16-ти культурах.
Главное - не забыть перед началом тестов выбрать необходимую калибровку.

Конечно на заводе индивидуально вручную калибруется не каждый прибор.
Полный цикл испытаний проводится на эталонном измерителе влажности, пока не будет достигнута заданная паспортная точность.
А все остальные измерительные приборы этой же линейки изготовляются как под копирку, с теми же записанными в ПЗУ характеристиками.

Тогда возникает вопрос. Может ли быть так, что два одинаковых устройства, выпущенные с конвейера с интервалом в 1 час, покажут значение влажности для одной и той же пробы зерна с разницей допустим в 0,1% ?

Да может. Мир не идеален и измерительные приборы не исключение.
Всегда допустимы отклонения при изготовлении интегральных микросхем, дискретных электронных компонентов – транзисторов, конденсаторов, резисторов и т.д.

Вот если 1 измеритель влажности покажет 12 %, а другой 15 % на одном и том же образце зерна, тогда однозначно заводской брак (погрешность превышает норму), но такие случаи чрезвычайно редки – влагомер для зерновых с таким отклонением просто не пройдет заводской контроль и не поступит в продажу. Для производителей важна репутация, учитывая высокую конкуренцию.

Практические вопросы эксплуатации

Какой бы не использовался метод – резистивный или диэлькометрический, возникает вопрос – какое количество зерна засыпать в измерительную камеру ?

Проводя аналогию с сопротивлением электрического провода, известно, что чем длиннее проводник, чем сопротивление больше.


Значит если засыпать больше зерна, сопротивление будет больше ?
Так и есть, поэтому переносные измерители влажности снабжены камерой строго заданного объема.

Кроме того, используется специальная крышка, позволяющая свести до минимума влияние человеческого фактора на количество исследуемого материала - своеобразный дозатор.

При помещении образца зерна в камеру, завинчивающаяся крышка снабжена пружиной и индикатором.

С каждым поворотом увеличивается сжимающее усилие.

Таким образом, теоретически для нескольких последовательных проб из одной и той же партии зерна, количество зерновок в камере будет одни и тем же. Практически конечно, если задаться целью и подсчитать количество зерен пшеницы, гороха или кукурузы, в одном случае может быть например 1020 зерен, в другом 1019, в третьем 1023.

В конце концов, зерна могут не так “лечь” или “стать” в измерительной камере, одно из зерен может быть повреждено. Но все это не так важно, поскольку все эти нюансы учтены в погрешности прибора и радикально повлиять на точность измерения не способны.
 

А зачем в некоторых моделях предусмотрен размол ?

Зачем измельчать зерно, если можно просто проанализировать сопротивление или емкость, пропустив ток через зерновую массу ?
Ответов несколько.

1. При дроблении зерна внутренние влажные слои, извлекаются наружу, перемешиваются с плодовыми оболочками (отрубями) и получается вязкая кашица. Это своеобразный аналог лабораторной мельницы, "готовящей" образцы перед оперативным экспресс исследованием зерна на ИК анализаторе на протеин, клейковину, золу и т.д. А через влажный материал значительно проще пропустить ток - меньше энергетические затраты, больше срок автономной работы.
2. При измельчении стираются в прямом и переносном смысле грани между оболочкой и внутренними слоями, вместо отдельных зерен с хоть немного, но различающими показателями, получается однородная масса с идентичными физико-химическими характеристиками. Результат – из образца удается “выжать” дополнительные 0,25 % точности.

Именно так работает влагомер зерна Farmpro от торговой марки Supertech.

Встроенный измельчитель состоит из пары жерновов – в самом корпусе и на крышке.

 

 

 

Качественный размол возможен только при увеличенной компрессии, когда каждое зернышко плотно прижато друг к другу, за что “отвечает” крышка с мощной пружиной.

 

 

Практически все устройства, снабжены функцией температурной компенсации, поскольку вне зависимости от метода измерения влажности – и емкость и сопротивление зависят от температуры и встроенный терморезистор пусть на несколько долей процента, но увеличит точность.
 

В каких случаев необходимо перепроверять показания ?

Если из года в год, поля засеваются одним и тем же сортом зерна, контроль влажности воздушно-тепловым методом, можно провести один раз в сезон или если показания вызывают сомнения. Измерительный прибор не вечен – электроника тоже “стареет”. Можно проверять и чаще - раз в месяц или раз в неделю.

 

Могут со временем изнашиваться жернова – измельчители.
 

 

 

Что делать если истинное значение составляет 13 %, а дисплей показывает 14,5 % ? Перепрограммировать на аппаратном уровне не выйдет.

В нашем примере, результаты завышаются на 14,5%-13=1,5%.
Значит нужно записать в память корректировочный показатель 1,5 %.
С точки зрения графика, калибровочная кривая в данном случае “приподнимается” вверх на одно и тоже значение во всем диапазоне.

С точки зрения математики мы изменили формулу, добавив постоянный коэффициент А: Y = X×B+А.


 

 

Указанная операция называется смещение калибровочной кривой, и такую же контрольную процедуру приходится периодически проводить и для инфракрасного анализатора, где в качестве эталона выступают стандартные образцы зерна.
Не исключено, что возникнет необходимость в создании полностью новой шкалы – например если принято управленческое решение засеять поля абсолютно новой культурой, выведенной селекционерами.
В таком случае устройство можно сказать заново проходит заводскую процедуру калибровки по данным термогравиметрического метода с записью новых значений в память.

Портативно-лабораторные

Это отдельная группа, сочетающая в себе все преимущества переносных влагомеров и при это лабораторные измерители влажности зерна обладают расширенным функционалом:

• измерение температуры;
• определение натуры (массы в единице объема);
• расчет веса засыпанного образца.

Питание может поступать как от сети 220 В, так и от батареек.