一种连续式变温变湿红茶发酵机及调控方法

1.本发明涉及茶叶加工领域，更具体的说，尤其涉及一种连续式变温变湿红茶发酵机及调控方法。


背景技术：

2.红茶发酵是整个红茶加工过程中的关键工序，传统的红茶发酵是在一定容器内通过人工加温加湿来达到发酵的目的，这种方式操作繁琐、温湿度控制难度大，发酵时间全凭人工经验判断且发酵均匀度难以控制，严重影响了茶叶品质和生产效率。尽管近些年针对性地出现了很多红茶发酵机器，但这些机器大多都只能提供恒温恒湿的发酵环境，很难适用于需要分阶段发酵，各阶段温湿度环境要求各不相同的发酵需求。虽然也出现了一些针对该问题的红茶发酵装置，但是使用上多多少少都存在着些许问题和限制。
3.如授权公告号为cn214327749u的中国发明专利公开的“一种茶加工用发酵装置”，该装置用出水板将发酵室分成上中下三层子发酵室，三层子发酵室可以设置不同的发酵温度和发酵时间，对应不同的发酵阶段。但是发酵需要换阶段时还是需要手动抽出出水板，让茶叶掉落到下层子发酵室，并没有完全实现自动化分阶段发酵，非连续式的设计生产线全自动化困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有的红茶发酵装置自动化程度不高，无法实现完全自动化分阶段发酵的问题，提出了一种连续式变温变湿红茶发酵机及调控方法，能契合红茶发酵各个阶段的发酵需求。
5.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种连续式变温变湿红茶发酵机，包括箱体、聚酯网传送带、加湿管、翅片加热管、分层隔板、循环风扇、挂壁式换气扇和机顶排气扇，所述箱体上方开设有用于投入待发酵茶叶的进茶口，所述分层隔板设置有平行设置的一对，分层隔板从上至下依次为上层分层隔板和下层分层隔板，两块分层隔板设置在箱体内且将箱体分隔成三个相对封闭的发酵室，三个发酵室从上至下依次为上层发酵室、中层发酵室和下层发酵室；
6.每个发酵室内均设置有一条聚酯网传送带，外部电机通过链传动带动动力齿轮转动进而为聚酯网传送带提供动力；所述聚酯网传送带包括设置在上层发酵室内的上层聚酯网传送带、设置在中层发酵室内的中层聚酯网传送带、设置在下层发酵室内的下层聚酯网传送带，所述上层聚酯网传送带的入口端设置在进茶口的正下方，上层聚酯网传送带的出口端正下方的上层分层隔板上开设有与上层聚酯网传送带的出口端位置相对应的茶叶下落口，所述中层聚酯网传送带的入口端设置在上层分层隔板的茶叶下落口的正下方，所述中层聚酯网传送带的出口端正下方的下层分层隔板上开设有与中层聚酯网传送带的出口端位置相对应的茶叶下落口，所述下层聚酯网传送带的入口端设置在下层分层隔板的茶叶下落口的正下方，下层聚酯网传送带的出口端伸出箱体侧壁开设的出料口伸出到箱体外；
7.每个发酵室内设置有一对加湿管，加湿管与聚酯网传送带配套设置且加湿管设置在相应发酵室的聚酯网传送带的上方两侧，加湿管通过管道连接设置在箱体外部的雾化系统，雾化系统产生的雾气通过管道通入加湿管内，所述加湿管上开设有细密的小孔，雾气从小孔中喷出对发酵室内聚酯网传送带上的待发酵茶叶进行加湿；
8.下层发酵室的侧壁上装有四个挂壁式换气扇，上层发酵室上端的箱体的顶板上装有四个机顶排气扇，每个所述分层隔板上均嵌入了可开闭的百叶窗，所述上层分层隔板上设置的百叶窗为第一百叶窗，所述下层分层隔板上设置的百叶窗为第二百叶窗；
9.每个发酵室内设置有一个翅片加热管，翅片加热管设置在发酵室内聚酯网传送带的下方，翅片加热管通过管道连接设置在箱体外部的外部水箱，外部水箱加热过的水通过回水循环泵泵入翅片加热管，通过翅片加热管为发酵室内的待发酵茶叶供热；
10.每个发酵室内设置有两个循环风扇，两个循环风扇对角设置在发酵室内；
11.每个发酵室内均设置有阵列分布的多个温度传感器。
12.进一步的，所述翅片加热管呈回环形，翅片加热管上布有细密的散热小翅片。翅片加热管上布置的细散小翅片增加了换热面积，提高了换热效率。
13.进一步的，发酵室内的阵列分布的温度传感器组包括分布在每个发酵室顶部、中部和底部的三组温度传感器，每组温度传感器沿阵列方向布置有等间距的三个且处于同一水平面上，根据温度传感器的设置位置以同样的方式在每个发酵室内设置湿度传感器。
14.发酵室被分层隔板分成了三个相对封闭的发酵室，每个发酵室可以单独调整其供温供湿量，从而实现上中下层具有不同的温湿度发酵环境，以契合变温变湿的发酵工艺。每一层的发酵室还设有成对的循环风扇促进单层内空气流动，提高了单层温湿度的均匀度。
15.下层发酵室侧壁装有四个挂壁式换气扇，顶部装有四个机顶排气扇，发酵过程中需要换气时，会先开启两个分层隔板上的百叶窗，再开启箱体侧壁上的挂壁式换气扇和箱体顶部的机顶排气扇，待换气结束时，先关闭箱体侧壁上的挂壁式换气扇和箱体顶部的机顶排气扇再关闭分层隔板上的百叶窗。
16.由于将发酵室分成三层的分层隔板上嵌入了可开闭的百叶窗，换气时打开百叶窗就可以提高换气效率，换气完成后关闭百叶窗则可以减少各层级之间不同温湿度环境的相互干扰。
17.一种连续式变温变湿红茶发酵机的调控方法，具体包括如下步骤：
18.步骤一：计算上层聚酯网传送带、中层聚酯网传送带和下层聚酯网传送带的理论带速；
19.假设红茶的分阶段发酵分为三个阶段，从前至后依次为需要经过t1时间的高温高湿、t2 时间的低温高湿和t3时间的低温低湿，t1、t2和t3的单位为h，上层聚酯网传送带的有效运输长度为l1，中层聚酯网传送带的有效运输长度为l2，下层聚酯网传送带的有效运输长度为l3，l1、l2和l3的单位为m，计算出上层聚酯网传送带的理论带速v1、中层聚酯网传送带的理论带速v2和下层聚酯网传送带的的理论带速v3分别为：
[0020][0021]
步骤二：计算出上层聚酯网传送带、中层聚酯网传送带和下层聚酯网传送带的理论带速后，通过调节链传动的传动比来使上层聚酯网传送带、中层聚酯网传送带和下层聚酯网传送带达到理论带速，使待发酵茶叶在上层聚酯网传送带上时处于高温高湿环境中，待发酵茶叶在中层聚酯网传送带上时处于低温高湿环境中，待发酵茶叶在下层聚酯网传送带上时处于低温低湿环境中，从而进行三阶段发酵；
[0022]
步骤三：在发酵室各处设置温度湿度传感器获取发酵室内各处的温度湿度；温度传感器以每层发酵室上中下各布置三个且错位布置，令测点i名称为pi，pi处检测到的温度为ti，温度权值为twi，湿度为hi，湿度权值为hwi；令设定温度为t0，设定湿度为h0，则可计算出温湿度环境的加权平均温度tm和加权平均湿度hm：
[0023][0024]
取发酵室内靠近该发酵室中心且距离待发酵茶叶距离最近的测点作为基准点，各个测点 pi与基准点的距离为pli，权值的取值范围为w
min
到w
max
，其中0《w
min
《w
max
《＝1，各个测点pi与基准点的最大距离为pl
max
，则可计算出各测点pi的温度权值为：
[0025][0026]
其中，w
max
为基准点的权值，基准点的权值为权值的最大值，距离基准点最远的测点的权值为最小值w
min
，根据各测点pi的温度权值以同样的方式计算出各测点的湿度的权值；
[0027]
步骤四：由于温湿度存在耦合性，温度上升湿度会下降，湿度上升温度会下降，采用对角矩阵法对温度和湿度进行解耦，将对角矩阵解耦结构后置到发酵机的模糊pid控制系统中得到温湿度模糊解耦控制系统，将设定温度t0和设定湿度h0作为温湿度模糊解耦控制系统的输入，发酵室实际温湿度作为输出，将测得的发酵室实际温度tm作为负反馈量作用到控制系统的温度输入节点上，将测得的发酵室实际湿度hm作为负反馈量作用到控制系统的湿度输入节点上；通过如上控制方案，保证了单层温湿度较好地在设定温湿度下小幅波动。
[0028]
本发明的有益效果在于：本发明将发酵室用分层隔板分成了相对封闭的区域，每个区域可以单独调整其供温供湿量，从而实现上中下层具有不同的温湿度发酵环境，以契
合变温变湿的发酵工艺。每一层还设有成对的循环风扇促进单层内空气循环，提高了单层温湿度的均匀度。再者，分层隔板上还嵌入了可开闭的百叶窗，换气时打开提高了换气效率，换气完成后关闭，减少了各层级间不同温湿度环境的相互干扰。值得一提的是，本发明属于连续式发酵机，分阶段发酵生产线化相对容易。
附图说明
[0029]
图1是本发明一种连续式变温变湿红茶发酵机的轴测图。
[0030]
图2是本发明一种连续式变温变湿红茶发酵机的主视图。
[0031]
图3是本发明一种连续式变温变湿红茶发酵机另一个角度的轴测图。
[0032]
图4是本发明分层隔板的结构示意图。
[0033]
图5是本发明翅片加热管结构示意图。
[0034]
图6是本发明温度传感器测点示意图。
[0035]
图7是本发明对角矩阵法解耦结构图。
[0036]
图中，1-箱体、2-进茶口、3-上层聚酯网传送带、4-中层聚酯网传送带、5-下层聚酯网传送带、6-加湿管、7-翅片加热管、8-循环风扇、9-动力齿轮、10-第一传动齿轮、11-第二传动齿轮、12-第三传动齿轮、13-第四传动齿轮、14-第五传动齿轮、15-第六传动齿轮、16-第七传动齿轮、17-挂壁式换气扇、18-下层分层隔板、19-第二百叶窗、20-上层分层隔板、21-第一百叶窗、22-机顶排气扇、23-温度传感器组。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0038]
如图1～5所示，一种连续式变温变湿红茶发酵机，其特征在于：包括箱体1、聚酯网传送带、加湿管6、翅片加热管7、分层隔板、循环风扇8、挂壁式换气扇17和机顶排气扇22，所述箱体1上方开设有用于投入待发酵茶叶的进茶口2，所述分层隔板设置有平行设置的一对，分层隔板从上至下依次为上层分层隔板20和下层分层隔板18，两块分层隔板设置在箱体1内且将箱体1分隔成三个相对封闭的发酵室，三个发酵室从上至下依次为上层发酵室、中层发酵室和下层发酵室。
[0039]
每个发酵室内均设置有一条聚酯网传送带，外部电机通过链传动带动动力齿轮9转动进而为聚酯网传送带提供动力；所述聚酯网传送带包括设置在上层发酵室内的上层聚酯网传送带3、设置在中层发酵室内的中层聚酯网传送带4、设置在下层发酵室内的下层聚酯网传送带 5，所述上层聚酯网传送带3的入口端设置在进茶口2的正下方，上层聚酯网传送带3的出口端正下方的上层分层隔板20上开设有与上层聚酯网传送带3的出口端位置相对应的茶叶下落口，所述中层聚酯网传送带4的入口端设置在上层分层隔板20的茶叶下落口的正下方，所述中层聚酯网传送带4的出口端正下方的下层分层隔板18上开设有与中层聚酯网传送带4的出口端位置相对应的茶叶下落口，所述下层聚酯网传送带5的入口端设置在下层分层隔板18的茶叶下落口的正下方，下层聚酯网传送带5的出口端伸出箱体1侧壁开设的出料口伸出到箱体1外。
[0040]
上层聚酯网传送带3、中层聚酯网传送带4和下层聚酯网传送带5均设置有一根驱动轴和一根随动轴；下层聚酯网传送带5的驱动轴上设置有第一传动齿轮10，第一传动齿轮
10 与动力齿轮9通过传动链条连接；上层聚酯网传送带3的随动轴上设置有第四传动齿轮13；第二传动齿轮11与动力齿轮9固定在同一根轴上；上层聚酯网传送带3的驱动轴上设置有第三传动齿轮12，第三传动齿轮12与第二传动齿轮11通过传动链条连接；中层聚酯网传送带 4的驱动轴上设置有第七传动齿轮16；上层聚酯网传送带3下方设置有一根中间轴，中间轴的两端分别设置有第五传动齿轮14和第六传动齿轮15，所述第五传动齿轮14与上层聚酯网传送带3上的第四传动齿轮13相啮合，第六传动齿轮15与中层聚酯网传送带4上的第七传动齿轮16通过链条连接。
[0041]
动力齿轮9工作时，通过传动链条带动第一传动齿轮10运动进而带动下层聚酯网传送带 5的工作，同时带动同一根轴上的第二传动齿轮11进行转动；第二传动齿轮11转动时通过传动链条带动上层聚酯网传送带3上的第三传动齿轮12转动，进而带动上层聚酯网传送带3 的工作；同时上层聚酯网传送带3的随动轴上的第四传动齿轮13也跟着进行转动，第四传动齿轮13带动中间轴上的第五传动齿轮14和第六传动齿轮15共同转动，再利用链条传动带动中层聚酯网传送带4上的第七传动齿轮16进行转动，进而带动中层聚酯网传送带4的工作；由于整个系统依靠传动链进行传动，整个工作过程可以确保上层聚酯网传送带3、中层聚酯网传送带4和下层聚酯网传送带5两两之间传动方向相反，可以实现茶叶从左侧进入上层聚酯网传送带3，从上层聚酯网传送带3的右侧落下到中层聚酯网传送带4上，再从中层聚酯网传送带4的左侧落下到下层聚酯网传送带5上，再从下层聚酯网传送带5右侧的出料口进行出料。
[0042]
每个发酵室内设置有一对加湿管6，加湿管6与聚酯网传送带配套设置且加湿管6设置在相应发酵室的聚酯网传送带的上方两侧，加湿管6通过管道连接设置在箱体1外部的雾化系统，雾化系统产生的雾气通过管道通入加湿管6内，所述加湿管6上开设有细密的小孔，雾气从小孔中喷出对发酵室内聚酯网传送带上的待发酵茶叶进行加湿；
[0043]
下层发酵室的侧壁上装有四个挂壁式换气扇，上层发酵室上端的箱体1的顶板上装有四个机顶排气扇22，每个所述分层隔板上均嵌入了可开闭的百叶窗，所述上层分层隔板20上设置的百叶窗为第一百叶窗21，所述下层分层隔板18上设置的百叶窗为第二百叶窗19；
[0044]
每个发酵室内设置有一个翅片加热管7，翅片加热管7设置在发酵室内聚酯网传送带的下方，翅片加热管7通过管道连接设置在箱体1外部的外部水箱，外部水箱加热过的水通过回水循环泵泵入翅片加热管7，通过翅片加热管7为发酵室内的待发酵茶叶供热；
[0045]
每个发酵室内设置有两个循环风扇8，两个循环风扇8对角设置在发酵室内。
[0046]
发酵室内的阵列分布的温度传感器组23包括分布在每个发酵室顶部、中部和底部的三组温度传感器，每组温度传感器沿阵列方向布置有等间距的三个且处于同一水平面上。发酵室顶部的两个相对的顶角和顶部中心处下方一定距离各设置有一个温度传感器，发酵室空间位置正中和进口、出口位置各设置一个温度传感器，发酵室底部的两个相对的顶角和底部中心处上方一定距离各设置有一个温度传感器，且顶部的一组温度传感器和底部的一组温度传感器不在同一个对角位置，根据温度传感器的设置位置以同样的方式在每个发酵室内设置湿度传感器。
[0047]
发酵室被分层隔板分成了三个相对封闭的发酵室，每个发酵室可以单独调整其供温供湿量，从而实现上中下层具有不同的温湿度发酵环境，以契合变温变湿的发酵工艺。每
一层的发酵室还设有成对的循环风扇促进单层内空气流动，提高了单层温湿度的均匀度。
[0048]
下层发酵室侧壁装有四个挂壁式换气扇17，顶部装有四个机顶排气扇22，发酵过程中需要换气时，会先开启两个分层隔板上的百叶窗，再开启箱体1侧壁上的挂壁式换气扇17和箱体1顶部的机顶排气扇22，待换气结束时，先关闭箱体1侧壁上的挂壁式换气扇17和箱体1 顶部的机顶排气扇22再关闭分层隔板上的百叶窗。
[0049]
由于将发酵室分成三层的分层隔板上嵌入了可开闭的百叶窗，换气时打开百叶窗就可以提高换气效率，换气完成后关闭百叶窗则可以减少各层级之间不同温湿度环境的相互干扰。
[0050]
所述翅片加热管7呈回环形，翅片加热管7上布有细密的散热小翅片。
[0051]
一种连续式变温变湿红茶发酵机的调控方法，具体包括如下步骤：
[0052]
步骤一：计算上层聚酯网传送带3、中层聚酯网传送带4和下层聚酯网传送带5的理论带速；
[0053]
假设红茶的分阶段发酵分为三个阶段，从前至后依次为需要经过t1时间的高温高湿、t2 时间的低温高湿和t3时间的低温低湿，t1、t2和t3的单位为h，上层聚酯网传送带3的有效运输长度为l1，中层聚酯网传送带4的有效运输长度为l2，下层聚酯网传送带5的有效运输长度为l3，l1、l2和l3的单位为m，计算出上层聚酯网传送带3的理论带速v1、中层聚酯网传送带4的理论带速v2和下层聚酯网传送带5的的理论带速v3分别为：
[0054][0055]
步骤二：计算出上层聚酯网传送带3、中层聚酯网传送带4和下层聚酯网传送带5的理论带速后，通过调节链传动的传动比来使上层聚酯网传送带3、中层聚酯网传送带4和下层聚酯网传送带5达到理论带速，使待发酵茶叶在上层聚酯网传送带3上时处于高温高湿环境中，待发酵茶叶在中层聚酯网传送带4上时处于低温高湿环境中，待发酵茶叶在下层聚酯网传送带5上时处于低温低湿环境中，从而进行三阶段发酵；
[0056]
步骤三：在发酵室各处设置温度湿度传感器获取发酵室内各处的温度湿度；温度传感器以每层发酵室上中下各布置三个且错位布置，令测点i名称为pi，pi处检测到的温度为ti，温度权值为twi，湿度为hi，湿度权值为hwi；令设定温度为t0，设定湿度为h0，则可计算出温湿度环境的加权平均温度tm和加权平均湿度hm：
[0057]
[0058]
取发酵室内靠近该发酵室中心且距离待发酵茶叶距离最近的测点作为基准点，各个测点 pi与基准点的距离为pli，权值的取值范围为w
min
到w
max
，其中0《w
min
《w
max
《＝1，各个测点pi与基准点的最大距离为pl
max
，则可计算出各测点pi的温度权值为：
[0059][0060]
其中，w
max
为基准点的权值，基准点的权值为权值的最大值，距离基准点最远的测点的权值为最小值w
min
，根据各测点pi的温度权值以同样的方式计算出各测点的湿度的权值；
[0061]
步骤四：由于温湿度存在耦合性，温度上升湿度会下降，湿度上升温度会下降，采用对角矩阵法对温度和湿度进行解耦，将对角矩阵解耦结构后置到发酵机的模糊pid控制系统中得到温湿度模糊解耦控制系统，将设定温度t0和设定湿度h0作为温湿度模糊解耦控制系统的输入，发酵室实际温湿度作为输出，将测得的发酵室实际温度tm作为负反馈量作用到控制系统的温度输入节点上，将测得的发酵室实际湿度hm作为负反馈量作用到控制系统的湿度输入节点上；通过如上控制方案，保证了单层温湿度较好地在设定温湿度下小幅波动。
[0062]
如图7所示，本发酵机控制系统采用了对角矩阵法对温湿度进行解耦，设温湿度耦合系统的传递函数矩阵为
[0063][0064]
解耦矩阵为
[0065][0066]
采用简化的对角矩阵法，将目标矩阵预设成以[g
p11
(s)g
p22
(s)-g
p12
(s)g
p21
(s)]为正对角线元素的矩阵，得到解耦矩阵为
[0067][0068]
将图6虚线框内解耦结构提取出来置入发酵机控制系统中，得到图7温湿度模糊解耦控制系统。
[0069]
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。