烘茧温湿度连续动态测量系统的研制及应用

李富超，陈庆官，孟 凯，张 鑫，魏为柱

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

烘茧温湿度连续动态测量系统的研制及应用

李富超，陈庆官，孟 凯，张 鑫，魏为柱

(苏州大学 纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

针对现行烘茧工艺中温度的定点测量及没有湿度测量的问题，自行研制出了烘茧温湿度连续动态测量系统。利用该系统对CL-100型循环式热风烘茧机内部温湿度进行了实际测量，并分析了烘茧机内温湿度的变化情况。结果表明，该系统完全适合于烘茧机内的温湿度测量，系统的应用将有助于烘茧人员制订合适的烘茧工艺，提高烘茧质量。

烘茧；温湿度；动态测量

烘茧工序的目的是烘杀蚕蛹和寄生蝇蛆，防止出蛆、出蛾，同时去除适量的水分，防止霉烂变质，利于储藏。烘茧过程中的温湿度控制至关重要，温度适当与否，对茧层丝胶变性影响非常显著，与生丝品质、制丝生产及经济效益关系重大。如烘茧温度过高，会使茧层过干，不但丝胶变性加剧，而且会使茧层色泽变黄，解舒恶化，影响丝质。湿度对茧丝成绩的影响与温度、气流等因素综合发生作用，既不能过高，也不能过低。高温多湿，会使丝胶变性，胶着力增大，以致降低丝胶溶解度；高温低湿，由于热力对茧丝的影响，茧的解舒变差；低温低湿，虽有丝胶变性小、解舒好的优点，但要延长烘茧时间，降低烘力[1]。因此，了解烘茧过程中温湿度的连续变化情况，为烘茧温湿度调节和控制提供有利的依据，一直是制丝企业的需求。

然而，在目前的烘茧工艺中，无论是采用煤灶还是烘茧机，都没有涉及湿度的测量，温度的测量也是局限于定点测量。基于此，笔者自行研制了一套烘茧温湿度连续动态测量系统，并利用该系统对CL-100型循环式热风烘茧机内的温湿度进行了实际测量和分析，以验证该系统用于烘茧温湿度测量的可行性和有效性，为系统的推广应用奠定基础。

1 温湿度连续动态测量系统

烘茧温湿度连续动态测量系统可分为硬件和软件两部分。硬件部分主要是进行数据的采集、暂存和传输，软件部分主要是实现相关指令的发送和数据的接收处理。

1.1 硬 件

硬件部分主要是一个圆柱形测量体(结构示意见图1)，它是整个测量系统的核心部件，主要负责温湿度原始数据的采集和暂存。测量体主要由温湿度传感器1、辅助部件2～5、电路板6等几部分组成。

图1 测量体结构示意Fig.1 Schematic diagram of tester's structure

温湿度传感器1采用瑞士Sensirion公司推出的高度集成的温湿度传感器芯片SHT7X系列，它采用CMOSens®技术，确保了产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器将温度传感器、湿度传感器、信号放大器、14位A/D转换器和串行接口电路集成在一个芯片上(传感器内部结构示意见图2[2])，并在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照，输出全标定的数字信号[3]。温湿度传感器采用铜烧结网的防护探头封装，不但具有防水、防尘、耐损和耐压的功能，而且更换极为方便。

图2 SHT7X系列温湿度传感器芯片内部结构框Fig.2 Block diagram of SHT7X series temperature and humidity sensor

电路板6放在中空的布基聚酯纤维筒4中，将聚酯纤维筒底盖5拧紧后，能形成密闭空间，可有效防止内外热对流；聚酯纤维筒外面是真空隔热筒7，在聚酯筒外侧面和隔热筒内表面分别贴一层锡箔纸3，能降低热辐射；将隔热筒盖子2拧紧后，聚酯筒和隔热筒之间所留空隙形成密闭的空气层，能降低热传导。这些措施使电路板上的电子元件能够不受测量体外部高温环境的影响而正常地工作。测量体外壳采用不锈钢材料，整体呈圆柱形，测量时可以随茧网一起滚动，且经得起碰撞，整个测量体完全适合烘茧环境。当测量体测量完毕后，数据通过RS-232串行通信接口，以串行异步半双工的通信方式将暂存在测量体中的数据传输给上位机。

1.2 软 件

烘茧温湿度连续动态测量系统的软件包括两部分，一部分是测量体中单片机的汇编语言程序，用于发送相关指令；另一部分是上位机中用LabVIEW语言编写烘茧系统软件，主要用于对测量数据的接收和处理。

在测量体中，单片机PIC16F628是各电子元件控制中心，24C64作为数据存储芯片负责暂存SHT7X系列温湿度传感器输出的温湿度原始数据。测量体上电后，单片机内部的程序就开始运行(PIC单片机程序流程见图3)，首先检查与24C64写保护引脚相连的单片机引脚电平的高低，如果是高电平，则说明数据存储芯片处于写保护状态，测量体进入数据发送模式；相反，如果是低电平，测量体进入数据测量模式。

图3 PIC单片机程序流程Fig.3 Flow chart of PIC microcontroller

在正式进行测量之前，测量体需要先经过一个预热阶段，单片机向传感器发送写状态寄存器指令，并将传感器状态寄存器bit2置1，启动传感器内部的加热器，使传感器内部的温度逐渐升高至周围环境温度之上，这样能防止水蒸气在传感器芯片内部结露，维持测量体较高的测量精度。在预热阶段，传感器输出的温湿度数据并不被保存，因为它测量的是传感器内部而非周围环境的温湿度，可趁此阶段做些准备工作，将测量体各部件安装好并放置于待测位置。等预定的加热时间过后，单片机向传感器发送软复位指令，关闭传感器内部的加热器，测量体进入正式的测量阶段。

测量阶段，单片机每10 s向温湿度传感器发送一次温度和湿度测量指令，并接受其输出的温湿度原始数据，送至数据存储芯片中暂存。当查询子程序查询到测量时间到时，停止温湿度数据测量。

待取出测量体后，将其通过RS-232串行通讯接口与上位机相连，使其进入数据发送模式。烘茧系统软件所处的PC机作为主机对串行传输总线拥有控制权，测量体作为从机，响应主机的各种指令。首先，主机作为发送器向从机发送数据传输指令，从机作为接收器接受传输指令；其次，从机又作为发送器向串行总线发送数据，主机又作为接收器从串行总线中读取数据。由于接收到的温湿度原始数据，是二进制的形式，而且对传感器的电源电压和测量精度具有一定的依赖性，所以，烘茧系统软件需要经过进一步的修正和转换后才能得到最终的温湿度数据[4]。最终的温湿度数据将以文件的形式存储在上位计算机中，可随时对其进行打印、移动存储等处理。

2 烘茧工艺温湿度测试与分析

在利用CL-100型循环式热风烘茧机对苏北某县春蚕茧进行二次干法烘茧(头烘和二烘)的工艺中，将该测量系统的测量体分别置于烘茧机茧网的左、中、右3个位置，对烘茧机内气体温湿度进行实际的测量，测量结束后，取出测量体，通过串口将数据传送给上位计算机，上位机中的烘茧系统软件接收数据并经过处理后，分别得到头烘和二烘阶段烘茧机茧网左、中、右3个位置的温湿度均值和极差曲线，如图4和图5所示。

图4 头烘温湿度均值极差曲线Fig.4 Curve graph of mean and range of temperature and humidity in fi rst drying

图5 二烘温湿度均值极差曲线Fig.5 Curve graph of mean and range of temperature and humidity in second drying

头烘阶段是蚕茧干燥过程中的预热与等速干燥阶段，一般采用100～110 ℃的温度和8 %～12 %的湿度为宜[5]。CL-100型循环式热风烘茧机有6段，烘茧过程在150 min左右，平均每段在25min左右，段与段的分隔处温度会有突然变化的趋势。从图4可看出，从烘茧机的第1段到第6段，温度呈递减趋势，这是由烘茧机自身机构和热风输送方式所决定的，热风由上向下垂直于铺茧面输送[6]，一方面要受到茧层的阻力，另一方面上段茧层干燥过程中会吸收一部分热量而致使输送到下段的热风的能量有所降低。出现3段温度比2段温度高的现象，是因为内部的隔板将干燥室分成高温区和中低温区两部分(第1、2段处于高温区，第3～6段处于中低温区)，并分别采用独立的热源和送风系统的缘故[7]。根据第1段温度的极差和均值曲线可推知第1段温度有超过125 ℃的现象，这会导致丝胶产生急性变性，降低蚕茧的煮茧抵抗力，不利于保护茧质。5、6段温度在60 ℃以下，温度偏低，降低了蚕茧的干燥速度，不利于蛹体水分的蒸发。根据头烘温度极差曲线可知，高温区温差在20 ℃左右，中低温区的温差在30 ℃左右，这使蚕茧受热不匀，导致蚕茧头烘质量不匀。根据头烘湿度均值、极值变化曲线可知，烘茧机第4～6段平均湿度在20 %～40 %之间，而且湿度差异在30 %左右，在等速干燥阶段，容易导致茧层丝胶分子反复多次吸湿、放湿，引起大分子空间结构改变，加剧丝胶变性，使茧丝间胶着力增大，解舒变劣。

二烘阶段是蚕茧的减速干燥阶段，一般采用80～90 ℃的温度和25 %～35 %的湿度为宜[5]。图5中的二烘温度均值曲线进一步证实了烘茧机内温度是呈逐段递减的趋势。但对比头烘、二烘温度和湿度均值曲线不难发现，烘茧机各段的二烘温度高于头烘温度，二烘湿度低于头烘湿度，这不符合蚕茧的干燥规律，减速干燥阶段使用高温低湿，容易使茧层丝胶变性显著，造成“茧层失水”而影响干茧解舒。从二烘温度和湿度极差曲线可看出，二烘期间烘茧机内温度差和湿度差明显小于头烘，这和二烘温度偏高一致，极可能是由于蚕茧头烘偏嫩而采取增大送风量的措施加以补救造成的。

发现上述问题后，与烘茧技术人员进行了沟通，决定在头烘阶段、高温区稍微降低送风量以避免温度过高而使丝胶产生急性变性，中低温区加大送风量和排风量以增加温度，降低湿度，使蛹体水分充分蒸发，防止蚕茧头烘偏嫩；在二烘阶段，采取适当减少送风量和排风量的措施，降低温度，增加湿度，从而避免茧层失水，有效地保护茧质。根据后续工序相关技术人员的质量检测报告得知，干茧解舒率在68 %以上，生丝清洁度在99分以上，净度在95分以上，有效地证明了烘茧阶段所采取改进措施的合理性。

3 结 语

介绍了一套烘茧温湿度连续动态测量系统，并利用该系统对CL-100型循环式热风烘茧机内的温湿度进行了实际测量和分析。测量结果表明，系统温湿度传感器的选择、隔热性能的设计及外形设计等均满足了高温烘茧环境的使用。另外，使用该系统可获得烘茧机内温湿度的连续变化情况，有助于分析烘茧工艺中存在的问题，为烘茧温湿度的控制和调节提供依据，对提高烘茧质量十分有利。

[1]苏州丝绸工学院，浙江丝绸工学院.制丝学[M]. 北京：纺织工业出版社，1980：46-47.

[2]高葵.基于Sensirion SHT系列传感器的分布式温湿度监测系统[J].计算机工程与设计，2008，29(21)：5476-5478.

[3]盛世瑞恩.数字温湿度传感器SHT1X/SHT 7X[Z].http://www.yesiya.com/sensor/pdf/SHTxx_2.04.pdf.

[4]杨金生，田志宏.基于SHT71的温湿度无限远程监控系统[J].天津科技大学学报，2009，24(2)：51-54.

[5]苏州丝绸工学院，浙江丝绸工学院.制丝学：上册[M].2版.北京：纺织工业出版社，1993：78-79.

[6]李龙友.CL-100型热风烘茧机的研制与应用实验[J].中国蚕业，2002，23(3)：28-30.

[7]张立东，聂昌虎，宋立高.热风烘茧机烘茧应用试验初报[J].四川蚕业，2001(1)：15-17.

Consecutive and dynamic measuring system of cocoon drying temperature and humidity and its practical application

LI Fu-chao, CHEN Qing-guan, MENG Kai, ZHANG Xin, WEI Wei-zhu
(College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215021, China)

In reaction to the problems of fixed point measurement of temperature and no measurement of humidity in current cocoon drying process, a consecutive and dynamic measuring system of cocoon drying temperature and humidity has been developed, with which the temperature and humidity of gas in the CL-100 Hot-air Circulating Cocoon Dryer is measured practically to analyze the changes of temperature and humidity inside the cocoon dryer. The results indicate that the system is completely suitable for the measurement of temperature and humidity in cocoon dryers and its application will help to formulate proper cocoon drying process and improve the cocoon drying quality.

Cocoon drying; Temperature and humidity; Dynamic measurement

TS142

B

1001-7003(2011)04-0021-03

2010-11-12

江苏省农业三项工程项目(sx[2009]91)

李富超(1983－ )，男，硕士研究生，研究方向为纺织数字化技术。通讯作者：陈庆官，教授，博导，qgchen@suda.edu.cn。