一种红外在线控制式炒制机.pdf

一种红外在线控制式炒制机，涉及一种用来炒制物料的装置，尤其适用于炒制中药材、农产品、食品等。它至少采用2个红外测温仪测量炒制机炒制物料的温度，其中一个红外测温仪测定与热源接触一侧的炒制机炒筒的筒壁温度，另一个红外测温仪测定炒制机炒筒内物料温度，根据测定的筒壁温度与物料温度来控制炒制机的热源、炒筒转速、投料和出料。该发明将在线红外测温技术与炒制机整合，可以改进现有炒制机传统接触式测温的不足，对其准确在线测控温方面有积极意义，能够满足大生产炒制的实际需求，具有广泛的应用与良好的推广价值。

1、  一种红外在线控制式炒制机，包括红外测温仪、炒制机(19)、计算机(15)等，其特征是至少采用2个红外测温仪测量炒制机炒制温度，其中一个红外测温仪a(7)测定与热源接触一侧的炒制机(19)炒筒(9)的筒壁温度，另一个红外测温仪b(12)测定炒制机(19)炒筒(9)内的物料温度，根据测定的筒壁温度与物料温度来控制炒制机(19)的热源(4)、炒筒(9)转速、投料和出料。

2、  根据权利要求1所述的一种红外在线控制式炒制机，其特征是所述的测量炒制机(19)的筒壁温度可以测量炒筒(9)圆周的温度，也可以测量炒筒(9)尾部端面的温度。

3、  根据权利要求1或2所述的一种红外在线控制式炒制机，其特征是测量炒筒(9)温度的红外测温仪a(7)可以设置一个保护套管(6)，该保护套管(6)穿过机体保温层(2)。

4、  根据权利要求1、2或3所述的一种红外在线控制式炒制机，其特征是测量炒筒(9)温度的红外测温仪a(7)的保护套管(6)还装置了一个冷风装置(8)，以保护红外测温仪a(7)。

5、  根据权利要求1所述的一种红外在线控制式炒制机，其特征是所述的测定物料温度的红外测温仪b(12)可以安装在炒制机(19)前端顶部，对准筒内被炒物料，探头用可调整支架(11)固定，可以任意调整角度和距离，便于对准被炒物料，测量物料表面温度；可调整支架(11)也可以以分体式安置在炒制机(19)外部。

6、  根据权利要求1所述的一种红外在线控制式炒制机，其特征是炒制机(19)前端可以连接加料斗(17)、输送装置(18)和定量桶(16)，可实现人工或自动定量加料。

一种红外在线控制式炒制机
技术领域：
本发明涉及一种红外在线控制式炒制机装置，本发明尤其适用于炒制中药药物。
背景技术：
中药炮制作为对中药材所实施的一套加工制作技术，是中药传统技艺的集中体现和核心所在。而炒制又是中药饮片炮制中的重要一环和重要生产中最为薄弱的环节，我国目前大约有30％的中药饮片需要经过这一炒制程序。
而中药炒制这一程序都可以看成是由热源、受热体组成的二元炮制热力系统。其中：受热体还包括装载容器、药物(包括药材和炮制辅料)等。热源通过装载容器将热能传递给药材，使药材发生性状变化。中药的炒制关键技术之一就是控制好火力，即火的大小，通常用文火、中火及武火表述。火的大小，可用温度高低以及升温快慢反映。因此炒制时要控制火力，掌握加热时间，温度控制是非常关键的控制手段。
千百年来，中药加工炒制一直是沿用简单落后的手工生产方式，“火力”的判定都靠经验的传授，判定方法主要有手感法、试锅法、埋入白光纸法、投入火柴法看颜色等，实际运用中必然出现偏颇，并且重现性差，同时随着富有经验的老药工人数的逐渐减少，这种传统经验方法判定有着失传的倾向。
随着中药的供应量与日俱增，手工炒制的生产方式逐渐发展以炒药机生产为主。但最初的炒药机均没有采用温控装置，在炒制过程中难以掌控加热温度和药材温度。如实用新型CN88204601U公开的内热滚筒式炒药机、专利号ZL01250130.1所公开的炒药机、专利号ZL200320120980.6所公开的简易电热炒药机、专利号ZL200620091785.9所公开的炒制机和专利号ZL200720133678.2所公开的一种滚筒式电炒药机以及专利号ZL200720169569.6所公开的自动炒制机，只注重于热源的选择、搅拌功能和除尘装置，对温度控制仍采取传统人工手段。
随着科学技术的进步，相关学科的发展，中药炒制控温方面也有了许多改进。就测温而言，目前炒药机厂家都采用接触式的测温探头，如插杆热电偶，一般安装于炉膛、滚筒内部、机体夹层之间、烟道等，用于测量炒制品或者滚筒附近空气的温度。测温的目标不是与炒制品直接接触的锅体的温度或者炒制品自身的温度，温度不能客观真实反映炒制品自身的变化。于是炒制过程很大程度上还是靠操作人员凭经验控制，比如热锅根据麦麸冒烟来判断，炒制程度靠人工判断。
如专利号ZL 97206983.6提供连续式烘炒机，在滚筒外壳上保温层的两端处设有测温孔，供放置测温计用，测量的仅仅是滚筒的排气口温度和进、出料口的温度。专利号ZL96224403.1公开的温控式煅药炉，是在炉体内设热电偶，测定炉内的空气温度。专利号99251170.4提供的一种针、扁茶两用炒制机炭热控温装置，在机架一端的控制屏内装有温控仪，炉膛内侧装有热电偶，用来设定茶叶加工所需温度和控制炉膛内的温度，其测量的是炉膛空气温度。专利号ZL 200320108459.0提供的一种白控温炒药机，在炒筒内设置温控元件，与温控仪相连，在实践中其温控元件仍是采用接触式测温元件，测定是炒筒内的空气温度，不能准确对药物温度和筒壁温度进行测定和控制。申请号90200031.4公布的中药微机程控炒制机，是在炒药锅内的后侧装有一组热电偶，随时监测锅内的烘烤温度、药物温度和底筒壁温度，没有专一性，不能动态测定锅壁和药物的温度。既难以准确地测定药物实际炒制温度，又无法及时地调节控制药物炒制温度。
食品粮油机械中相类似的设备，如专利号ZL98235239.5提供的电加热自动控温转筒烘炒机，在转筒与电加热器之间装有温度传感器，当烘炒某一物料时，在温控仪上设置一个特定的温度值，温度传感器将自动检测到的温度信号反馈到温控仪，当烘炒温度过高或过低时，温控仪能自动关闭或开启一组或多组电热器，从而实现了整个烘炒过程中的自动温度控制。但测定的仍然是炉膛空气温度。
专利号ZL200420065139.6所公开的环保节能自动控温转筒式烘炒机，是在外筒体内设有温度传感器，温度传感器的输出端连接一温控仪，助燃风机和调温风机分别由温控仪控制，以控制烘炒温度。专利号ZL200620099873.3提供的粒状食品连续炒制机，可在滚筒入口端、出口端及中部各安装一个感温仪，这样可测出入口端、出口端及中部各自的温度，从而根据需要进一步调节各处温度。
这一类接触式测温仪表比较简单、可靠，易于使用，测量温度相对准确，可靠稳定，在一定程度上弥补了传统判断“火力”方法的不足；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，容易受到背景温度的干扰，难以直接测量容器和药物的温度。
红外测温仪不需要接触被测物体，测温范围宽，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度相对于接触式测温仪表比较快。目前也有人将非接触式红外仪表应用在炒药机上。如专利号ZL 200520200614.0提供的带温度测量装置的炒药机，在炒药筒盖板的前面设有1个以上的红外线测温仪，对炒药机内部各个位置温度的精确测量。申请号200510200495.3公布的计算机控制智能炒药机，也是在炒药筒外部安置1个以上红外测温仪，还在炒药机与加热器之间设有温度传感器，当温度过高的时候可及时关闭加热器。
小结：
1、炒制是个动态的过程，目前炒制机的所有生产厂家都采用接触式的测温探头，测温具有惯性和滞后性，只能测量炒筒附近空气温度，不能测量与区分筒壁温度和药物温度，不能及时真实地反映炒制过程动态温度的变化；测温点的温度与药材、滚筒实际温度存在较大的差异，导致温度控制不准确，造成了炒药机控温功能不实用的结果。操作者不容易把握，也无法精确控制，导致升温过快或者过慢，容易导致批次之间的出锅时间有差异。如用热电偶引入到炒筒的中心空间中，由于筒内药材不断翻滚，加上排气系统抽废气，使炒筒空间内温度场分布很不均匀。有时药材也会落附在热电偶结点处，造成测出的温度并非药材、炒筒或空气的温度。目前炒药机的另一种测温方法是把热电偶测温结点置于加热装置与炒筒体之间，显然这样测得的温度是加热装置发出热量的温度(且不均匀)，而非炒筒温度，更非被炒药材的温度。
2、非接触式在线式红外测温技术可以量化和研究与“火力火候”的相关的传统炮制术语，能够准确测定动态、瞬时的药物和滚筒温度及变化，协助判定炒制品的“火候”，也能够追溯还原炒制品的生产操作过程，用于规范炒制。将红外测温技术与炒药机整合，可以改进现有炒药机传统接触式测温的不足，对其精确测控温方面有积极的意义，能够满足大生产炒制的实际要求。所以，在线红外式测温在中药炒制中具有广泛的应用与良好的推广价值。但目前炒药机上红外测温技术的应用，是利用红外测温仪探头测定炒筒内壁温度作为炒筒温度的方法，这一测量方法在实践使用中存在不足。首先，炒筒内壁长期受药材摩擦、结垢或清洗等影响，使筒壁表面粗糙度和折射率发生变化，这是红外测温的大忌，无法准确测得筒体温度。其次，在炒制过程中，热能通过炒筒传递给药物，而实际需要根据被炒物料的温度或颜色等变化来控制热源的大小，而炒筒在热源与物料之间的热阻效应，使得难以实现通过控制热源而满足物料实际需要的温度。
发明内容：
本发明的目的是克服已有技术的不足，改进了温度的测量和控制手段，使得能够通过控制热源的大小，准确控制炒制过程实际需要的实时温度，从而实现不同批次炒制品炒制过程的一致性，确保炒制品的质量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种红外在线控制式炒制机，包括红外测温仪、炒制机、计算机等，还包括至少采用2个红外测温仪测量炒制机炒制温度，其中一个红外测温仪测定与热源接触一侧的炒制机炒筒的筒壁温度，另一个红外测温仪测定炒制机炒筒内的物料温度，根据测定的筒壁温度与物料温度来控制炒制机的热源、炒筒转速、投料和出料。炒制前，实测的筒壁温度达到炒制要求的筒壁温度时开始投料炒制。在炒制过程中，若实测的物料温度低于物料炒制要求的温度，当筒壁实测温度高于要求温度时，可降低或关闭热源供给，当筒壁实测温度低于要求温度时，可增加或打开热源供给；若实测的物料温度高于物料炒制要求的温度，当筒壁实测温度高于要求温度时，可关闭热源供给，提高炒筒转速，当筒壁实测温度低于要求温度，可增加热源供给，降低炒筒转速。炒制结束时，依据炒制过程控制物料的实际温度，炒制时间达到炒制要求的时间时，关闭热源供给，控制炒筒快速反转出料。所述的物料炒制要求温度、筒壁要求温度是以前同种物料炒制过程记录的实时温度，所述的炒制要求时间是该炒制过程的总时间，该炒制过程的炒制品被确认为合格的炒制品。所述的计算机包括工业控制计算机、单片机或可编程控制器。
一种红外在线控制式炒制机，所述的测量炒制机的筒壁温度可以测量炒筒圆周的温度，也可以测量炒筒尾部端面的温度。在炒制过程中，热能通过炒筒传递给物料，炒筒起到传递介质的作用，测量炒筒的温度能够及时获得热源传热的变化信息。测温点应选择热响应最快的点，或是温度变化最快的点，或是最高温度的点。
一种红外在线控制式炒制机，所述的测量炒制机筒壁温度的红外测温仪安装在穿过机体保温层的保护套管内，该保护套管还装置了一个冷风装置，以保护红外测温仪。红外测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。测量炒制机筒壁温度的红外测温仪的测温点在炒制过程中，尤其是炒制大批量的物料时，散发的热量会使环境温度急剧升高，产生大量灰尘、烟雾、蒸汽等，会对红外测温仪的透镜与窗口可能造成一定的影响，尤其筒壁温度相对比较高，因此在其探头外设置一个保护套管和冷风装置，起到除尘和冷却的作用。
一种红外在线控制式炒制机，所述的测定物料温度的红外测温仪可以安装在炒制机前端顶部，对准筒内被炒物料，为了方便操作，探头用可调整支架固定，可以任意调整角度和距离，便于对准被炒物料，测量物料表面温度；可调整支架也可以以分体式安置在炒制机外部。
此外，本发明还可在炒制机前端配置进料系统，进料系统与炒制机连接，用于将物料输送到炒制机。
作为一个特例，进料系统设置有加料斗、输送装置和定量桶，将经过定量桶定量的物料加入至加料斗中，通过输送装置从炒制机进料斗进入至炒筒中，从而实现人工或自动定量加料。
本发明的有益效果在于：
(1)摒弃了传统的利用通用量具进行静态接触式测量的方法，采用非接触式红外测温技术，其具有传统测温方式不可比拟的优点，实现动态连续非接触式测量，实现了以下目标：①不会破坏被测物体的温度场，反应速度相对于接触式测温仪表比较快，客观真实地反映了炮制品自身与锅内温度的变化，解决中药炮制“火力”测量的共性问题，为精确控温奠定了基础。②炒制机内设有两个红外测温仪，在显示器上在线显示与保存每一批炒制过程的物料、锅壁的两条时间坐标曲线数据，可批量导出数据到电脑中对曲线分析统计，制定每种物料的工艺参数。③通过温度-时间曲线数据，可以追溯还原物料的生产操作过程，实现规范生产或国家管理部门监督企业的生产操作。
(2)与热源接触一侧的锅壁，较之与物料接触一侧的锅壁，其锅壁的材料性质和表面状态基本不会随炮制过程的进行而改变，其发射率也相对稳定，因此测量物料装载容器与热源接触一侧的温度更能真实地反映锅壁的温度。可调整支架对探头进行位置和角度的上下、左右移动，能够即时准确地测量物料装载容器内各个位置物料的温度。
(3)基于同一时间坐标分别测量和显示的物料装载容器的锅壁温度和物料温度，所得的温度才有可比性。而计算变化率并显示时间坐标曲线，就能更直观地了解锅壁温度和物料温度的变化，进而对炒制的温度和时间及时地做出调整。
(4)在线红外测温技术可以监控炒制过程物料和筒壁温度各时间的温度变化，尤其是有明显温度变化的特征性操作，及时规范炒制过程。
(5)不再简单的使用文火、武火，以及炒黄、炒焦、炒炭等含糊、定义不够精确的词语来管理、描述中药的炒制工艺，可以将炒制工艺具体控制在某一温度下，炒制某一段时间，然后升高或降低多少温度，调整炒药机功率，继续炒制，直到整个炒制过程的完成，自动实现对炒药机的在线控制，提高了药品的质量，并且实现了中药药品生产的规模化、现代化的生产。
(6)非接触式在线式红外测温技术可以量化与研究与“火力火候”相关的传统炮制术语，能够准确测定动态、瞬时的物料和筒壁温度变化，协助判定炒制品的“火候”，也能追溯还原炒制品的生产操作过程，用于规范炒制。将在线红外测温技术与炒药机整合，可以改进现有炒制机传统接触式测温的不足，对其精确测控温方面有积极意义，能够满足大生产炒制的实际需求。所以，在线红外测温在中药炒制中具有广泛的应用与良好的推广价值。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图
图2是本发明的成套设备示意图
图中：1——机架，2——保温层，3——炉膛，4——热源，5——电机，6——保温套管，7——红外测温仪a，8——冷风装置，9——炒筒，10——吸风装置，11——可调整支架，12——红外测温仪b，13——进料斗，14——出料斗，15——计算机，16——定量桶，17——加料斗，18——输送装置，19——炒制机。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。
下面以炒制苍耳子为例。如图所示，本发明实施例最基本的配置包括机架(1)、炉膛(3)、炒筒(9)、热源(4)、电机(5)和红外测温仪。炉膛(3)安装在机架(1)上，炉膛(3)后端安装有热源(4)，可以采用煤、油、电、蒸汽加热，采用煤加热时，需要利用鼓风机对其火力进行控制。炉膛(3)内设有可翻转的炒筒(9)，在炒筒(9)的前端有进料斗(13)和出料斗(14)，进料斗(14)连接有进料系统。进料系统包括加料斗(16)、输送装置(17)和定量桶(15)，苍耳子经过定量桶(15)定量，再装入加料斗(16)中，通过输送装置(17)，从进料斗(13)将苍耳子提升从进料斗(13)输送至炒筒(9)中，实现自动定量加料。炒制机的前部安装有吸风装置(10)，起到排烟除尘作用。炒药机的后端还安装有驱动炒筒(9)转动的电机(5)。
在炒制过程中，药材由一个状态变化到另一个不同于原始的状态，药材组成发生了变化，这种变化的结果表现为炒制要达到的药材状态(或性能)。在药材的状态变化过程中，温度是指示剂，不同温度进行了不同的反应，提供的热能与热能作用时间决定了反应所进行的程度，温度与热能的协同作用，使药材由一个状态变化到另一个状态。因此本发明实施例在炒药机炉盖的前端安装一个远程测温的红外测温仪b(12)，测定苍耳子的温度，监视苍耳子的温度变化，规范苍耳子的炒制过程。为了方便操作，红外测温仪b(12)的探头用可调整支架(11)固定，可以上下、左右移动，角度也可以在180度范围内上下、左右调整，对准炒药筒内药物，测量药物表面温度。
此外炒制品温度与筒壁温度的高低直接体现“火力”的大小，“火力”的本质是反映炒药过程中炒制品温度以及与炒制品密切接触锅的温度。所以，应同时注重炒制品与锅的温度。因此再配置一个红外测温仪a(7)，安装在穿过机体保温层(2)的保护套管(6)内，该保护套管还装置了一个冷风装置(8)，起到除尘和冷却的作用，以保护该红外测温仪a(7)，该红外测温仪测定的是炒筒(9)与热源(4)接触一侧的筒壁温度，进一步控制与规范药物的炒制过程，便于及时调整与纠正。
两个红外测温仪连接在一个用于显示温度、时间和控制各个装置的计算机(15)上，该计算机(15)可以包括工业控制计算机、单片机或可编程控制器实现在线控制，具有数据采集与编程功能，不仅能够采集红外测温仪探头所监测到的数据，还能对这些数据进行编程处理并以温度和时间的坐标曲线的形式显示出来。根据红外测温仪发出的信号，基于同一时间坐标显示器上得到物料温度-时间曲线和筒壁温度-时间曲线。
物料温度-时间曲线从物料的温度——时间曲线可以看出热筒壁温度、药物末温、麸炒的“麦麸冒烟”、炒炭的“加水灭火星”、砂炒的“河砂滑利状”等有明显温度变化的特征性操作。从温度的变化值可以判断这些操作是否规范，是否符合要求，温度是否偏离规范以及时纠正。
筒壁温度-时间曲线只从药物的温度——时间曲线不能准确地判断筒壁温度的情况，通过滚筒的温度——时间曲线可以发现筒壁温度是否平稳、温度是否太高等影响炒制结果的因素。
炒制前，实测的筒壁温度达到炒制要求的筒壁温度时，将苍耳子通过进料系统投料至炒筒(9)中进行炒制。在炒制过程中，若实测的药物温度低于药物炒制要求的温度(参照物料温度-时间标准曲线)，当筒壁实测温度高于要求温度(参照筒壁温度-时间标准曲线)时，可降低或关闭热源(4)供给，当筒壁实测温度低于要求温度时，可增加或打开热源(4)供给；若实测的药物温度高于药物炒制要求的温度，当筒壁实测温度高于要求温度时，可关闭热源(4)供给，提高炒筒(9)转速，当筒壁实测温度低于要求温度，可增加热源(4)供给，降低炒筒(9)转速。炒制结束时，依据炒制过程控制药物的实际温度，炒制时间达到炒制要求的时间时，关闭热源供给，控制炒筒(9)快速反转从出料斗(14)出料。该炒制过程的炒制品——苍耳子被确认为合格的炒制品。