畢業(yè)論文：茶葉殺青機(jī)的溫度場分析及其控制的研究

畢 業(yè) 論 文
（科 學(xué) 研 究 報(bào) 告）
題 目 茶葉殺青機(jī)的溫度場分析及其控制的研究
院(系)別 機(jī)電及自動化學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械電子
級 別 2008

摘 要
鐵觀音屬于烏龍茶類，是中國十大名茶之一烏龍茶類的代表。其制作工藝中的殺青就是以高溫破壞茶中酵素作用,用炒青機(jī)將茶青的菁味炒到消退，茶香浮現(xiàn)。因此殺青的時(shí)間和溫度直接決定了茶葉的品質(zhì)。按照茶葉殺青需求模塊化設(shè)計(jì)，采用溫度傳感器、濕度傳感器、單片機(jī)和電磁閥等構(gòu)建茶葉殺青的全自動溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制殺青溫度并實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)溫控系統(tǒng)通過SILICON LAB編譯軟件編寫c語言程序燒入C8051F020單片機(jī)進(jìn)行控制。為了能夠更好地控制滾筒內(nèi)的茶葉殺青溫度，對滾筒內(nèi)外壁的溫度通過ANSYS進(jìn)行溫度場分析，從而有效地控制殺青溫度，提高茶葉殺青的效率和品質(zhì)，也為實(shí)際應(yīng)用提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 殺青機(jī) 溫度控制 單片機(jī) 電磁閥 溫度場

ABSTRACT
Iron Goddess of Mercy, belonging to oolong tea , is one of the top ten tea oolong class representatives. Its production process in the fi*ing is the role of the enzyme in the high-temperature destruction of the tea, Cha Jing taste Scoop subsided with Roasted machine will emerge tea. Therefore, fi*ing the time and temperature directly determines the quality of tea. In accordance with the demand for tea fi*ing modular design, the use of a temperature sensor, humidity sensor, microcon
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殺青后，茶葉應(yīng)該達(dá)到:葉色由鮮綠變?yōu)榘稻G；葉表失去光澤；葉質(zhì)柔軟萎卷；折梗不斷，捏成團(tuán)，松手后可緩慢散開，略帶粘性；清香顯露；無紅梗、紅葉[1]。
傳統(tǒng)的殺青方法采用炭火對殺青鐵鍋加熱，由炒茶師傅憑經(jīng)驗(yàn)在鍋內(nèi)翻動青葉完成，對溫度、時(shí)間的控制完全憑炒茶師傅的經(jīng)驗(yàn)。這種原始的方法不僅效率低，而且生產(chǎn)出的茶葉品質(zhì)也難以得到保障。而如今大多數(shù)茶廠，規(guī)模生產(chǎn)一般使用殺青機(jī)進(jìn)行殺青，有鍋式、炒式、滾筒式三種。其中滾筒式殺青機(jī)由于自動化程度相對較高，成本合理等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但是就福建省內(nèi)市場上的殺青機(jī)而言，大多數(shù)只是對殺青時(shí)間進(jìn)行了簡單的人為定時(shí)控制，本質(zhì)上還是需要依靠操作師傅的經(jīng)驗(yàn)來決定殺青時(shí)間和殺青溫度，而且現(xiàn)有產(chǎn)品幾乎沒有對滾筒內(nèi)的濕度進(jìn)行考慮，然而滾筒內(nèi)的濕度卻是保證茶葉殺青品質(zhì)一個(gè)重要的因素[2]。
本課題旨在研制一套全智能的滾筒式殺青機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)濕度、溫度兩個(gè)參數(shù)，智能的判斷殺青的溫度和時(shí)間，從而更加有效的保證殺青的品質(zhì)。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
1.2.1 國內(nèi)殺青機(jī)研究動態(tài)
中國作為一個(gè)茶葉大國，在茶葉機(jī)械方面的發(fā)展起步也較早。上個(gè)世紀(jì)50年代就開始研究茶葉殺青機(jī)。按照殺青原理和主要結(jié)構(gòu)類型分，目前國內(nèi)常見的殺青機(jī)主要有鍋式殺青機(jī)、滾筒式殺青機(jī)、網(wǎng)袋式蒸汽殺青機(jī)、微波式殺青機(jī)和熱風(fēng)式殺青機(jī)。各類殺青機(jī)由于它們的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，殺青性能和效果差異較大，分述如下：
1）鍋式殺青機(jī)
鍋式殺青機(jī)曾是20世紀(jì)70年代我國茶葉加工中使用的最普遍的殺青機(jī)，但鍋式殺青機(jī)存在明顯的缺點(diǎn)：出葉不凈而產(chǎn)生焦葉，不能連續(xù)作業(yè)且作業(yè)效率低[4]。
2）滾筒式殺青機(jī)
為了克服鍋式殺青機(jī)存在的不足，并有利于連續(xù)化作業(yè)，我國又研制成功滾筒式茶葉殺青機(jī)，在國內(nèi)普遍推廣，并被廣泛用作其它殺青茶類的殺青作業(yè)，后來又被小型化設(shè)計(jì)，用于名優(yōu)茶的殺青。
3）網(wǎng)帶式蒸汽殺青機(jī)
20世紀(jì)90年代，國內(nèi)名優(yōu)茶發(fā)展迅速，同時(shí)我國從日本引進(jìn)數(shù)十條茶葉生產(chǎn)線，用以生產(chǎn)蒸青綠茶返銷日本。這時(shí)候國內(nèi)有關(guān)科研部門開始嘗試使用日本蒸青機(jī)進(jìn)行殺青，但發(fā)現(xiàn)蒸青后的茶葉表面水分含量高，很難順利進(jìn)入下一步揉捻工序。在這樣的情況下，有關(guān)科研部門專門研制了一種實(shí)驗(yàn)型的網(wǎng)帶式蒸青機(jī)用于鮮葉蒸青，然后進(jìn)行脫水、揉捻、炒干或烘干。實(shí)驗(yàn)表明，所制茶產(chǎn)品，色澤綠、香氣較獨(dú)特。90年代后期，浙江省有關(guān)茶機(jī)生產(chǎn)廠吸取這種蒸青機(jī)和配套工藝試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)出網(wǎng)帶式蒸汽殺青機(jī)，并在生產(chǎn)中使用。
4）微波式殺青機(jī)
進(jìn)入21世紀(jì)，我國微波式殺青機(jī)的研究提上日程，江蘇先后研制成功系列微波式殺青設(shè)備，在綠茶產(chǎn)區(qū)使用，尤其在四川等茶區(qū)，應(yīng)用效果較好。
5）熱風(fēng)式殺青機(jī)
為了保證殺青質(zhì)量，浙江省有關(guān)茶機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，近幾年又研制開發(fā)成功一種熱風(fēng)式殺青機(jī)，由于殺青原理新穎，殺青葉香氣良好，普及速度較快，是目前生產(chǎn)上應(yīng)用的最新型的殺青機(jī)。
在上述的幾種殺青機(jī)中，由于滾筒式殺青機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，因此直至目前，滾筒殺青機(jī)仍然是我國茶葉加工中應(yīng)用最普遍的殺青機(jī)類型。如何提高滾筒式殺青機(jī)的效率也成為一個(gè)熱點(diǎn)，同樣也是難點(diǎn)的問題。
現(xiàn)有殺青機(jī)存在的問題：殺青溫度和殺青時(shí)間都是憑制茶師傅的經(jīng)驗(yàn)人為控制，自動化程度不高，有時(shí)候會產(chǎn)生差錯(cuò)，出現(xiàn)焦葉等情況，殺青茶葉的品質(zhì)不能夠得到保障；滾筒內(nèi)的濕度對最終的殺青葉品質(zhì)具有很重要的影響，在福建省內(nèi)現(xiàn)有的殺青機(jī)控制系統(tǒng)中，普遍忽略了滾筒內(nèi)濕度對殺青品質(zhì)的影響，都只是通過手動控制排濕扇的開關(guān)，一方面自動化程度不高，另一方面不節(jié)能。
1.2.2 國外茶葉機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
日本作為一個(gè)產(chǎn)茶大國，在茶葉生產(chǎn)方面有許多先進(jìn)的管理和技術(shù)。日本茶農(nóng)的生產(chǎn)組織方式有2種：一是栽培加工一體化的個(gè)體生產(chǎn)，二是農(nóng)協(xié)聯(lián)合生產(chǎn)。農(nóng)協(xié)毛茶加工廠是由茶農(nóng)聯(lián)合，在政府扶持下建立的農(nóng)協(xié)的茶農(nóng)將鮮葉交給工廠加工，茶葉出售后按其鮮葉數(shù)量、 等級分成。毛茶生產(chǎn)線，從鮮葉進(jìn)廠開始，整個(gè)加工過程全部連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。2條生產(chǎn)線只需2名工人坐在計(jì)算機(jī)前監(jiān)控。茶葉加工生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，特別是加工過程管理的工業(yè)化，茶葉加工基本上都由高度自動化的蒸青生產(chǎn)線來完成。茶葉原料不落地，使產(chǎn)品衛(wèi)生得到了可靠保證[5].

第二章 滾筒殺青機(jī)溫濕度控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)整體描述
溫度傳感器監(jiān)控茶葉殺青溫度，實(shí)時(shí)輸出溫度信號給信號處理模塊，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；根據(jù)信號處理模塊處理所得的信號，決定是否驅(qū)動電磁閥門控制燃?xì)饬髁康拇笮�。若需要，則進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，控制電磁閥，從而達(dá)到改變茶葉殺青溫度，控制加熱時(shí)間的目的。




圖2.1
2.2 傳感器的選擇
2.2.1溫度傳感器可選
熱電偶；RTD；溫度IC
表2.1 幾種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較表
傳感器類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 可測溫度范圍
熱電偶 溫度范圍較大，能適應(yīng)各種不同的環(huán)境，擁有眾多外形結(jié)構(gòu)，且無需供電，成本低廉。 存在較大的非線性，最不靈敏，最不穩(wěn)定，不適合應(yīng)用在需求高精度的情況下。冷端需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償 -180℃~2800℃
RTD 在四者中最精確，最穩(wěn)定，非線性也要優(yōu)于熱電偶 溫度變化相對較慢，需要電流源，采用四線測量，而且價(jià)格比較昂貴 -200℃~600℃
溫度IC 線性度最好，價(jià)格便宜 測試范圍有限，只能測試250°C以下的溫度，反應(yīng)較慢，需要外加電源，同時(shí)還會產(chǎn)生自熱。 <250℃
在這個(gè)溫控系統(tǒng)中，要求測溫的精度高，同時(shí)能夠最大的測溫范圍最大到300℃，綜合考慮這些因素，選擇RTD作為溫度傳感器。
2.2.2 Pt100與Pt1000的區(qū)別
相同點(diǎn)：兩種都是以白金(Pt)作成的電阻式溫度檢測器,屬于正電阻系數(shù).
不同點(diǎn):
1.在0攝氏度時(shí)的電阻不一樣,Pt100是100歐,Pt1000是1000歐;
2.溫度范圍不一樣,Pt100是-200至850度,Pt1000是-50至300度
2.2.3 Pt100的精度等級說明
表2..2 精度等級比較表

2.2.4 待選產(chǎn)品
1．主要技術(shù)參數(shù)，如表2.3所示。
表2.3 主要技術(shù)參數(shù)
名稱 分度號 測溫范圍 允許偏差
鉑電阻 Pt100 —200~500℃ A級 B級
±(0.15+0.002∣t︱) ℃ ±(0.30+0.005∣t∣) ℃
2．熱響應(yīng)時(shí)間
熱響應(yīng)時(shí)間是在階躍溫度作用下，熱電阻的輸出變化值相當(dāng)于階躍變化的50％時(shí),所需的時(shí)間，用 來表示。
表2.4 熱電阻熱響應(yīng)時(shí)間參考值
直徑(mm) Φ3 Φ4 Φ5 Φ6 Φ8
(s)
≤3 ≤5 ≤8 ≤12 ≤18
注：當(dāng)鎧裝元件與外保護(hù)管組成帶護(hù)套的鎧裝熱電阻整機(jī)時(shí)，由于保護(hù)管的直徑和壁厚遠(yuǎn)大于鎧裝套，因此熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于保護(hù)管的動態(tài)響應(yīng)[6]
3．常溫絕緣電阻
熱電阻在環(huán)境溫度為15—35°C，相對濕度不大于80%，試驗(yàn)電壓為10—100V（直流）電極與外套管之間的絕緣電阻>100MΩ絕緣電阻：常溫≥2000MΩ，高溫(500℃)≥300MΩ。
2.3 濕度傳感器的選擇
HS1101-HS1100：是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)。
 高精度2%；極好的線性輸出
 1--99%RH濕度量程；-40到100攝氏度的溫度工作范圍
 響應(yīng)時(shí)間5秒；濕度輸出受溫度影響極小
 5VDC供電，0〜20%RH典型輸出1〜1.6VDC
 精度：±2%RH（1〜20%RH范圍）
 相對于同類產(chǎn)品價(jià)格極低
 適合用于低濕及露點(diǎn)測量需要的場合，如干燥箱、電纜充氣設(shè)備中干燥氣 ……（未完，全文共23127字，當(dāng)前僅顯示4160字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：茶葉殺青機(jī)的溫度場分析及其控制的研究》）