一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统及方法，该预警防控系统包括依次电连接的测温传感器阵列、分析预警装置和通风控制装置；所述测温传感器阵列包括多个规则排列的温度传感器，该多个温度传感器分别设置于粮堆内部的不同位置，且每一个温度传感器位于粮堆内部的一个实际测量点；所述分析预警装置包括温度场构建模块、湿度场构建模块和耦合模块，且所述温度场构建模块依次与所述湿度场构建模块和所述耦合模块电连接。所述预警防控系统及方法能够对粮堆在数天或数十天后可能发生结露的时间和位置进行预测，进而避免发生霉变损失，降低费用开支，确保储粮的数量和质量安全。
【专利说明】一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粮食储藏安全理论和工程控制【技术领域】，特别涉及一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统及方法。
【背景技术】
[0002]粮食安全关系国家安全。我国自1998年以来新建了一批大型粮食储备库，国家粮食局科学研究院的吴子丹为首的研究团队提出了储粮“四合一”新技术并推广使用，使我国粮食综合储藏技术迈上了一个新台阶，而粮堆结露是威胁粮食安全的重要隐患之一。
[0003]粮堆结露是指粮堆中水汽达到饱和状态，开始在粮粒、器材、仓墙表面出现凝结水的现象。当粮堆内部温度骤降到一定程度，使粮堆孔隙中所含的水汽量达到饱和状态时，粮粒表面开始结露。引起粮堆结露的主要原因是粮堆不同部位之间存在冷热界面，界面温差越大，结露越严重，粮食水分对结露也有一定影响，高水分粮在温差较小的情况下也可能发生结露。
[0004]粮堆结露发生是一个逐步发展积累的过程，与粮堆温度场、湿度场之间的耦合密切相关。根据粮食平衡水分原理和WU(CAE)模型，粮堆高温区域粮食平衡绝对湿度(水汽分压值)较高，反之较低温度区域粮食平衡绝对湿度较低，在水汽分压压差的弥散作用下，粮食水分不断从相对高温区域向相对低温区域转移，使低温区域粮食吸湿致水分逐渐上升。如果这一进程持续发展，将在粮堆低温区域发生结露，进而导致粮食霉变。实际储藏过程中，粮堆内温度场随外界气候变化而变化，其中相对高温区域和低温区域也随之变化，是否能构成水分持续转移直至发生结露的条件，现有技术的粮情预测报警技术尚不能准确判断。
[0005]现有技术的粮情预测报警技术是通过检测储粮温度进而对超过阈值的测温点进行报警，基本原理是通过对每一个测温点单独进行温度数值、温度变化率、历史变化数据的分析，设定一定的阈值，以判断该位置的储粮是否安全。现有技术的上述方法的不足是，粮堆温度的异常改变通常是由于微生物快速生长或虫害导致，当测温点的相关数据超出预定阈值而发出报警时，粮堆局部可能已经发生问题，尤其是在粮堆局部发生结露时难以及时进行判断，而往往是由结露导致发生霉变、检测到局部发热信息后才能报警；即使是采用密布湿度传感器或粮食水分传感器的检测系统，直接感应到异常变化现象时，往往已经出现结露霉变。此外，上述方法缺乏对粮堆整体温度场和湿度场变化的耦合分析，无法提前预测粮堆储藏状态趋向稳定或不稳定，也无法提前预知粮堆将来可能出现结露霉变的部位和时间。作为补救办法，储粮管理人员可能依据经验提前对粮堆进行机械通风，平衡粮堆的温度湿度，以预防结露。但是这需要管理人员有足够的经验，否则不适当的通风不仅加大费用开支，而且可能导致过度的水分减量损失；而通风不及时往往造成严重的霉变损失。
[0006]因此，需要一种能够对大型粮堆整体储藏稳定性进行准确测量、判断的新方法，该新方法能够对粮堆在数天或数十天后可能发生结露的时间和位置进行预测，进而避免发生霉变损失，降低费用开支，确保储粮的数量和质量安全。
【发明内容】
[0007]本发明的目的之一是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统。
[0008]本发明的目的之二是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法。
[0009]本发明提供的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统包括依次电连接的测温传感器阵列、分析预警装置和通风控制装置；
[0010]所述测温传感器阵列包括多个规则排列的温度传感器，该多个温度传感器分别设置于粮堆内部的不同位置，且每一个温度传感器位于粮堆内部的一个实际测量点；
[0011]所述测温传感器阵列用于每天定时测量粮堆内部不同位置的温度值，并将测量得到的温度值发送给所述分析预警装置；
[0012]所述分析预警装置包括温度场构建模块、湿度场构建模块和耦合模块，且所述温度场构建模块依次与所述湿度场构建模块和所述耦合模块电连接；
[0013]所述温度场构建模块用于通过差分法由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的实际测量点的温度测量值计算得到该测量面内所有的虚拟测量点的温度计算值；还用于由需要测量的任意时刻任意测量面内的实际测量点的温度测量值和虚拟测量点的温度计算值获得该时刻粮堆内部的该测量面内的等温线图；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图确定该时刻粮堆内部的该测量面内的源点和结露方向；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图计算得到该测量面内的沿结露方向的温度梯度值；
[0014]所述湿度场构建模块用于通过粮食平衡绝对湿度算法计算得到需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的任意位置点的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压值；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值计算得到该时刻该测量面内的湿度场；
[0015]所述耦合模块用于通过多场耦合算法由需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值及其湿度场计算得到该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的沿结露方向的温度梯度值和该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值计算得到粮堆内部的该测量面内的结露位置点并将其发送给通风控制装置；还用于由粮堆内部的任意一个测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的温度差、该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的距离、以及该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压的沿结露方向的压力差计算得到粮堆内部的该测量面的湿平衡时间；还用于根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置。
[0016]优选地，所述通风控制装置包括开启模块、风机、比较模块和关闭模块，且所述开启模块和所述关闭模块都与所述风机电连接，所述比较模块与所述关闭模块电连接；所述开启模块用于收到结露位置点和粮堆的最早结露时间后，且在粮堆的最早结露时间之前开启风机；所述风机用于通过预设在粮仓内的风道向粮堆内部的结露位置点通风；所述比较模块用于通过比较获得通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值并将其发送给关闭模块；所述关闭模块用于根据通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值决定是否关闭风机。
[0017]本发明提供的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法采用所述的预警防控系统，该预警防控方法包括如下步骤:
[0018]利用测温传感器阵列定时测量粮堆内部的所有的实际测量点的温度，获得所有的实际测量点的温度测量值并将其发送给分析预警装置；
[0019]根据需要选取粮堆内部的多个测量面，且每一个测量面内有多个实际测量点；
[0020]根据需要在每一个测量面内选取多个虚拟测量点；
[0021]利用分析预警装置的温度场构建模块通过差分法由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的实际测量点的温度测量值计算得到该测量面内所有的虚拟测量点的温度计算值；
[0022]利用分析预警装置的温度场构建模块由需要测量的任意时刻任意测量面内的实际测量点的温度测量值和虚拟测量点的温度计算值获得该时刻粮堆内部的该测量面内的等温线图；重复该步骤获得需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的等温线图；
[0023]利用分析预警装置的温度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图确定该时刻粮堆内部的该测量面内的源点和结露方向，且该测量面内的源点为该测量面内的温度最大的点，该测量面内的结露方向为该测量面内的温度梯度最大的方向；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的源点和结露方向；
[0024]利用分析预警装置的温度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图计算得到该测量面内的沿结露方向的温度梯度值；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值；
[0025]利用分析预警装置的湿度场构建模块通过粮食平衡绝对湿度算法计算得到需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的任意位置点的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压值，重复该步骤获得该时刻该测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值；
[0026]利用分析预警装置的湿度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值计算得到该时刻该测量面内的湿度场；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的湿度场；
[0027]利用分析预警装置的耦合模块通过多场耦合算法由需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值及其湿度场计算得到该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值；
[0028]利用分析预警装置的耦合模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的沿结露方向的温度梯度值和该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值计算得到粮堆内部的该测量面内的结露位置点并将其发送给通风控制装置；
[0029]利用分析预警装置的耦合模块由粮堆内部的任意一个测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的温度差、该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的距离、以及该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压的沿结露方向的压力差计算得到粮堆内部的该测量面的湿平衡时间；
[0030]利用分析预警装置的耦合模块根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置。
[0031]优选地，该预警防控方法还包括如下步骤:
[0032]通风控制装置的开启模块收到结露位置点和粮堆的最早结露时间后，且在粮堆的最早结露时间之前开启风机，风机通过预设在粮仓内的风道向粮堆内部的结露位置点通风；
[0033]通风控制装置的比较模块通过比较获得通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值并将其发送给关闭模块；
[0034]通风控制装置的关闭模块根据通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值决定是否关闭风机。
[0035]优选地，所述步骤“利用分析预警装置的耦合模块根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置”包括如下子步骤:
[0036]利用分析预警装置的耦合模块判断粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间是否大于时间阈值；如果是，则粮堆内部的该测量面内不出现结露，结束判断；如果否，则继续后续判断；
[0037]根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间，且该测量面内的结露位置点的结露时间小于或等于该测量面的湿平衡时间。
[0038]优选地，所述时间阈值为150天。
[0039]优选地，所述粮食平衡绝对湿度算法的计算公式如下:
[0040]
【权利要求】
1.一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统，其特征在于，该预警防控系统包括依次电连接的测温传感器阵列、分析预警装置和通风控制装置； 所述测温传感器阵列包括多个规则排列的温度传感器，该多个温度传感器分别设置于粮堆内部的不同位置，且每一个温度传感器位于粮堆内部的一个实际测量点； 所述测温传感器阵列用于每天定时测量粮堆内部不同位置的温度值，并将测量得到的温度值发送给所述分析预警装置； 所述分析预警装置包括温度场构建模块、湿度场构建模块和耦合模块，且所述温度场构建模块依次与所述湿度场构建模块和所述耦合模块电连接； 所述温度场构建模块用于通过差分法由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的实际测量点的温度测量值计算得到该测量面内所有的虚拟测量点的温度计算值；还用于由需要测量的任意时刻任意测量面内的实际测量点的温度测量值和虚拟测量点的温度计算值获得该时刻粮堆内部的该测量面内的等温线图；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图确定该时刻粮堆内部的该测量面内的源点和结露方向；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图计算得到该测量面内的沿结露方向的温度梯度值； 所述湿度场构建模块用于通过粮食平衡绝对湿度算法计算得到需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的任意位置点的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压值；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值计算得到该时刻该测量面内的湿度场； 所述耦合模块用于通过多场耦合算法由需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值及其湿度场计算得到该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值；还用于由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的沿结露方向的温度梯度值和该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值计算得到粮堆内部的该测量面内的结露位置点并将其发送给通风控制装置；还用于由粮堆内部的任意一个测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的温度差、该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的距离、以及该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压的沿结露方向的压力差计算得到粮堆内部的该测量面的湿平衡时间；还用于根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置。
2.根据权利要求1所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控系统，其特征在于，所述通风控制装置包括开启模块、风机、比较模块和关闭模块，且所述开启模块和所述关闭模块都与所述风机电连接，所述比较模块与所述关闭模块电连接； 所述开启模块用于收到结露位置点和粮堆的最早结露时间后，且在粮堆的最早结露时间之前开启风机； 所述风机用于通过预设在粮仓内的风道向粮堆内部的结露位置点通风； 所述比较模块用于通过比较获得通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值并将其发送给关闭模块； 所述关闭模块用于根据通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值决定是否关闭风机。
3.一种基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，该预警防控方法采用所述权利要求I或2中任一项所述的预警防控系统，其特征在于，该预警防控方法包括如下步骤:利用测温传感器阵列定时测量粮堆内部的所有的实际测量点的温度，获得所有的实际测量点的温度测量值并将其发送给分析预警装置； 根据需要选取粮堆内部的多个测量面，且每一个测量面内有多个实际测量点； 根据需要在每一个测量面内选取多个虚拟测量点； 利用分析预警装置的温度场构建模块通过差分法由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的实际测量点的温度测量值计算得到该测量面内所有的虚拟测量点的温度计算值； 利用分析预警装置的温度场构建模块由需要测量的任意时刻任意测量面内的实际测量点的温度测量值和虚拟测量点的温度计算值获得该时刻粮堆内部的该测量面内的等温线图；重复该步骤获得需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的等温线图； 利用分析预警装置的温度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图确定该时刻粮堆内部的该测量面内的源点和结露方向，且该测量面内的源点为该测量面内的温度最大的点，该测量面内的结露方向为该测量面内的温度梯度最大的方向；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的源点和结露方向； 利用分析预警装置的 温度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的等温线图计算得到该测量面内的沿结露方向的温度梯度值；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值； 利用分析预警装置的湿度场构建模块通过粮食平衡绝对湿度算法计算得到需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的任意位置点的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压值，重复该步骤获得该时刻该测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值； 利用分析预警装置的湿度场构建模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的所有位置点的粮食孔隙内的水蒸气的分压值计算得到该时刻该测量面内的湿度场；重复该步骤得到需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的湿度场； 利用分析预警装置的耦合模块通过多场耦合算法由需要测量的所有时刻的粮堆内部的所有测量面内的沿结露方向的温度梯度值及其湿度场计算得到该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值； 利用分析预警装置的耦合模块由需要测量的任意时刻粮堆内部的任意一个测量面内的沿结露方向的温度梯度值和该时刻粮堆内部的该测量面内的粮食孔隙内的水蒸气的分压的沿结露方向的压力梯度值计算得到粮堆内部的该测量面内的结露位置点并将其发送给通风控制装置； 利用分析预警装置的耦合模块由粮堆内部的任意一个测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的温度差、该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的距离、以及该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压的沿结露方向的压力差计算得到粮堆内部的该测量面的湿平衡时间；利用分析预警装置的耦合模块根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置。
4.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，该预警防控方法还包括如下步骤: 通风控制装置的开启模块收到结露位置点和粮堆的最早结露时间后，且在粮堆的最早结露时间之前开启风机，风机通过预设在粮仓内的风道向粮堆内部的结露位置点通风； 通风控制装置的比较模块通过比较获得通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值并将其发送给关闭模块； 通风控制装置的关闭模块根据通风后粮堆内部的结露位置点与其周围的温度差值和湿度差值决定是否关闭风机。
5.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，所述步骤“利用分析预警装置的耦合模块根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定该时刻粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间并将其发送给通风控制装置”包括如下子步骤: 利用分析预警装置的耦合模块判断粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间是否大于时间阈值；如果是，则粮堆内部的该测量面内不出现结露，结束判断；如果否，则继续后续判断； 根据粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间确定粮堆内部的该测量面内的结露位置点的结露时间，且该测量面内的结露位置点的结露时间小于或等于该测量面的湿平衡时间。
6.根据权利要求5所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，所述时间阈值为150天。
7.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，所述粮食平衡绝对湿度算法的计算公式如下:
8.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间反比于该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的粮食孔隙内的空气中含有的水蒸气的分压的沿结露方向的压力差；粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间正比于该测量面内的结露位置点与该测量面内的源点之间的距离；粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间正比于粮堆的温度不高于该测量面内的结露位置点的温度并且被通过该测量面内的结露位置点的等温面包围的温度为_5°C至10°C的空间区域的体积；粮堆内部的任意一个测量面的湿平衡时间反比于粮堆的温度不低于该测量面内的源点的温度并且被通过该测量面内的源点的等温面包围的温度为11-40°c的空间区域的体积。
9.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，所述结露位置点和所述结露时间的计算公式为:
10.根据权利要求3所述的基于温度湿度场耦合的粮堆结露预警防控方法，其特征在于，所述结露位置点必须符合如下条件: 所述结露位置点位于粮堆的温度为_5°C至10°C的区域； 所述结露位置点位于粮堆表层或粮堆内部； 当所述结露位置点位于粮堆内部时，所述结露位置点与仓壁或仓底之间的距离为0-0.6m ； 所述结露位置点的饱和水汽分压小于参考位置点的粮食平衡绝对湿度，参考位置点位于所述结露位置点与源点的连线上，且参考位置点与所述结露位置点之间的距离为l-3m ； 温度等于或低于所述结露位置点的温度并且被通过所述结露位置点的等温面包围的温度为_5°C至10°C的区域的体积与温度等于或高于参考位置点的温度并且被通过参考位置点的等温面包围的温度为11_40°C的区域的体积之比为0.1-0.01。
【文档编号】G01D21/02GK104007776SQ201410222195
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】吴子丹, 张忠杰, 赵会义, 李福君, 吴晓明, 李兴军, 尹君, 曹阳, 魏雷 申请人:国家粮食局科学研究院