CN111345360B - 一种含水量可控的茶叶杀青设备及其杀青方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含水量可控的茶叶杀青设备及其杀青方法。传统工艺杀青后茶叶的含水率没有严格的监控，从而波动较大，对后续茶叶成型产生一定的影响。本发明一种含水量可控的茶叶杀青设备，包括进料装置、茶叶加热输送装置、出料机构和水汽脱出装置。进料装置、出料机构分别设置的茶叶加热输送装置输入口、输出口且，均能够称重。进料装置和出料机构检测到的重量差即为茶叶失水重量。水汽脱出装置包括扩散罩、收集罩和氮源。收集罩分别安装在茶叶加热输送装置内的加热箱体的顶部、底部。本发明根据检测到的杀青后茶叶含水率，基于PID自动控制，调整茶叶的加热时长，使得杀青后茶叶的含水率稳定在预设范围内。

Description

一种含水量可控的茶叶杀青设备及其杀青方法

技术领域

本发明属于茶叶加工技技术领域，具体涉及一种含水量可控的茶叶杀青设备及茶叶含水率的PID控制方法。

背景技术

杀青是中国茶叶加工过程中的重要工序。杀青主要是通过加热使鲜叶迅速升温，从而破坏多酚氧化酶和过氧化物酶的活性，阻止多酚类物质的酶促氧化，同时蒸发部分水分，使叶质***，便于揉捻造型。

茶叶加工过程形态的变化主要与含水量变化以及受力情况有关。因此杀青阶段茶叶含水率直接影响后续茶叶揉捻成型工序。含水率 34%~62%范围内，尤其是 40%~55%范围，柔软性和塑性最好，弹性最差，为叶片变形成条的最佳时期。鲜叶含水率在 75%左右，杀青后茶叶水分显著下降，降至 60%左右，因此杀青过程中茶叶的含水率控制非常重要。但是在目前的茶叶生产过程中，杀青的工艺参数都是基于经验制定，比如设计鲜叶的投入量，设定加热温度，设定加热时间。因此杀青后茶叶的含水率没有严格的监控，从而波动较大，对后续茶叶成型产生一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中杀青后茶叶的含水率没有严格监控的缺陷，提供一种含水量可控的茶叶杀青设备及茶叶含水率的PID控制方法。

本发明一种含水量可控的茶叶杀青设备，包括进料装置、茶叶加热输送装置、出料机构和水汽脱出装置。进料装置、出料机构分别设置在茶叶加热输送装置输入口、输出口，且均能够称重。进料装置和出料机构检测到的重量差即为茶叶失水重量。所述的水汽脱出装置包括扩散罩、收集罩和氮源。扩散罩和收集罩均呈喇叭型。扩散罩安装在茶叶加热输送装置内的加热箱体的底部。收集罩安装在茶叶加热输送装置内的加热箱体的顶部。茶叶加热输送装置内的加热箱体上连接扩散罩、收集罩的位置均开设有气体流通缺口，使得加热箱体的内腔与扩散罩、收集罩的内腔连通。扩散罩的底端端部设置出水口；扩散罩的侧面底部设置有进气口。扩散罩的进气口高于出水口。收集罩的顶部设置有出气口。扩散罩的进气口与氮源的氮气输出口连接。

作为优选，所述的进料装置采用失重秤。出料机构包括皮带秤和出料斗。失重秤的输出口设置在茶叶加热输送装置作为输入口的进料漏斗的正上方；皮带秤设置在茶叶加热输送装置的输出口下方；倾斜的出料斗设置在皮带秤输出端的下方。

作为优选，氮源包括汽水分离器和制氮机。制氮机的氮气输出口与扩散罩的进气口连接；两个收集罩上的出气口与汽水分离器的进气口连接。汽水分离器的出气口与制氮机的原料气体输入口通过三通接头的其中两个接口连接。三通接头的第三个接口与外界环境连接。

作为优选，所述扩散罩的出水口处设置有球阀。

作为优选，所述的茶叶加热输送装置包括三段式送料螺杆、进料漏斗、进料抑制筒、出料抑制筒、双螺杆驱动组件、加热箱体、微波源和微波通料筒。加热箱体固定在机架上，采用金属材料，内部形成微波谐振腔。一个或多个微波源安装在加热箱体上。加热箱体的两端分别开设有进料口和出料口。微波通料筒为非金属材料，且为双螺杆机筒。微波通料筒固定在加热箱体内，且两端与加热箱体的进料口、出料口分别对接并固定。加热箱体及微波通料筒的侧壁上开设有多个水汽溢出孔。微波无法从加热箱体上的水汽溢出孔中溢出。进料抑制筒及出料抑制筒均为金属材料，且为双螺杆机筒。进料抑制筒、出料抑制筒的内端与加热箱体的进料口、出料口分别对接并固定。进料抑制筒、出料抑制筒及微波通料筒的内腔截面形状相同。进料抑制筒外端的顶部开设有送料口。进料漏斗的底部安装在进料抑制筒的送料口上。相互平行的两根三段式送料螺杆支承在机架上，且均穿过进料抑制筒、微波通料筒、出料抑制筒上对应的圆柱部。两根三段式送料螺杆由双螺杆驱动组件等速同向驱动。三段式送料螺杆由依次排列相邻的进料金属螺杆段、杀青非金属螺杆段和出料金属螺杆段组成。杀青非金属螺杆段位于微波通料筒内。进料金属螺杆段位于进料抑制筒内。出料金属螺杆段位于出料抑制筒内。三段式送料螺杆的大径小于或等于微波通料筒的内径。

作为优选，所述的双螺杆驱动组件包括送料电机、链条和两个链轮。送料电机固定在机架上，且输出轴与其中一根三段式送料螺杆的一端固定。两个链轮与两根三段式送料螺杆的同一端分别固定，且通过链条连接。

作为优选，所述的微波通料筒由拼合在一起的两个双半圆筒组成。

该含水量可控的茶叶杀青设备的杀青方法具体如下：

步骤一、以茶叶加热输送装置内输送茶叶的动力元件的转速为输出信号，茶叶含水量误差作为输入信号，整定PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d，得到用于控制茶叶含水率的PID控制器。

步骤二、工作人员向进料装置的输入口装入茶叶；氮源经扩散罩向茶叶加热输送装置的加热箱体内持续输送氮气中，氮气带走加热箱体中杀青释放的水汽。进料装置将茶叶送入茶叶加热输送装置的进料漏斗；进料装置持续检测每分钟送入茶叶加热输送装置的茶叶重量m₁；茶叶加热输送装置对茶叶进行杀青，并将杀青后的茶叶输出到出料机构。出料机构续检测每分钟接收到茶叶重量m₂。

持续计算杀青后茶叶的含水量

；其中/>

为待杀青茶叶的含水率；计算含水量误差/>

。将含水量e输入步骤一得到的PID控制器，从而持续调节茶叶加热输送装置内输送茶叶的动力元件的转速；并对应调整进料装置的进料速度。

作为优选，步骤一中整定过程如下：输料电机以不同的转速分别进行茶叶含水率试验；试验中t时刻的茶叶含水率误差e(t)=U-u(t)；其中，U为目标含水量；u(t)为t时刻的茶叶含水率。试验中误差变化率ec=(e(t₁)- e(t₂)) / (t₁-t₂)；其中，e(t₁)、e(t₂)分别是t₁时刻、t₂时刻的误差；t₁时刻、t₂时刻为相邻的两个采样时刻。(t₁-t₂)为t₁时刻至t₂时刻的时长。根据不同时刻的茶叶含水率误差e(t)和误差变化率ec对比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过失重秤检测新鲜茶叶的重量，通过电子皮带秤检测杀青后茶叶的重量，两者质量之差就是茶叶失水重量，在测定新鲜茶叶的含水率后就可以计算出杀青后茶叶的含水率。在此基础上，本发明根据检测到的杀青后茶叶含水率，基于PID自动控制，调整茶叶在茶叶加热输送装置内的加热时长，使得杀青后茶叶的含水率稳定在预设范围内，提高了杀青后茶叶的品质。

2.本发明采用双螺杆挤出的方式输送茶叶，茶叶在输送过程中既在前进方向运动，又在上下运动，并且可以在两螺杆所在的圆柱体内交叉运动，有效增加了茶叶的运动范围，从而使得茶叶在微波不完全均匀的微波谐振腔内实现均匀干燥。

3.现有的隧道式微波设备，为了防止微波泄漏，入料端和出料端要安装长度大且内部结构复杂的抑制器。抑制器的原理就是使得原本将要泄漏的微波在抑制器内部结构中来回折射，从而被抑制器及抑制器内的物料消耗掉。本发明的入料端和出料端采用双金属螺杆以及相应的金属套筒组成的微波抑制器，使得微波在抑制器内的折射范围更广，路径更复杂，因此相比于采用履带式或单螺杆传输的隧道式微波设备，本发明可以缩短抑制器长度，从而减小了设备占地面积，降低了设备加工成本。

4.本发明通过向微波谐振腔中持续通入氮气，使得茶叶在杀青过程中隔绝氧气，从而可以避免茶多酚、氨基酸、维生素等茶叶营养物质发生非酶促氧化，同时大幅度减少有机自由基的产生；保留了鲜叶内的营养物质，同时以低自由基为内在特质的茶叶成品保质期更长，陈化速度大大降低。此外自下而上运动的氮气将杀青出的水蒸气带离微波谐振腔，省去了抽湿设备，降低了设备生产成本。

5.本发明的氮气通过喇叭型扩散罩进入微波谐振腔，可以使得氮气作用在茶叶上。扩散罩的最低处设置有球阀，方便冷凝水汇集此处并方便排除。另外，在清洗微波加热腔时，本发明可以用高压水直接冲洗，污水会自动汇集到扩散罩并通过球阀排出。

6.本发明中扩散罩的进气口高于出水口，这样设计的好处是当设备使用一定时间后，扩散罩内会汇聚一定的冷凝水，当高压氮气通过进气管进入时不会将冷凝水吹起，否则吹起的冷凝水会通过微波加热箱下壁的小孔进入加热箱内，从而吸收微波产生大量水蒸气，因此导致微波能量的浪费。

7.本发明采用制氮机现场制氮，制氮机输出的氮气通过扩散罩进入微波谐振腔，收集罩再将加热过程的水蒸气以及氮气进行汇集，输送给汽水分离器。汽水分离器将水蒸气和氮气分离，再将分离后的氮气输送到制氮机里。由于提高了制氮机进气口中氮气的浓度，因此提高了制氮机生产氮气的效率，降低了制氮机的功耗。

8.相对于购买瓶装氮气而言，本发明采用制氮机从空气中获取原料进行连续制氮，降低了生产成本。另一方面，采用瓶装氮气时当用完一瓶氮气后要进行更换，非常不方便。本发明在生产过程中无需中断生产来给设备换气，从而可以实现连续生产，使得茶叶杀青效果稳定可靠。

9.本发明通过双螺杆挤出的方式增大了进料口的截面大小，避免了茶叶在进料口堵塞，导致茶叶无法自动下落的情况出现。实际生产中为了解决堵塞的问题，往往在入料口用人工捣压茶叶。可见，本发明则通过采用双螺杆挤出的方式省去了人工捣压茶叶的过程，从而减少了人工成本的投入。此外，双螺杆供料***的传输效率比单螺杆高，有效提高了设备生产效率。在达到同样生产效率的情况下，采用双螺杆供料***的杀青设备能够降低占地面积。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的侧面示意图；

图3为本发明中茶叶加热输送装置的立体示意图；

图4为本发明中茶叶加热输送装置的剖面示意图。

实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种含水量可控的茶叶杀青设备，包括进料装置、茶叶加热输送装置、出料机构、水汽脱出装置和控制器。进料装置采用失重秤1。出料机构包括皮带秤2和出料斗3。失重秤1的输出口设置在进料漏斗10的正上方，进料斗10安装在茶叶加热输送装置的输入口。皮带秤2设置茶叶加热输送装置的输出口下方；倾斜的出料斗3设置在皮带秤2输出端的下方，用于将脱水后茶叶倒入后续收集装置（可以采用收集袋）中。失重秤1将茶叶持续送入茶叶加热输送装置，且记录送入茶叶加热输送装置的茶叶重量并传输给控制器；茶叶加热输送装置将加热脱水后的茶叶输送至皮带秤2。皮带秤2记录加热脱水后茶叶的重量并传输给控制器。失重秤1控制每分钟往微波谐振腔内供应指定重量的新鲜茶叶，电子皮带秤2测量每分钟杀青了多少重量的茶叶，两者质量之差就是茶叶每分钟的失水重量，在测定新鲜茶叶的含水率后就可以计算出自动杀青后茶叶的含水率。

如图1和2所示，水汽脱出装置包括扩散罩4、球阀5、收集罩6、汽水分离器7和制氮机8。扩散罩4和收集罩6均呈喇叭型。两个扩散罩4均固定在茶叶加热输送装置内的加热箱体的底部，且沿着茶叶加热输送装置内茶叶的输送方向排列。两个收集罩6均固定在茶叶加热输送装置内的加热箱体的顶部，且沿着茶叶加热输送装置内茶叶的输送方向排列。茶叶加热输送装置内的加热箱体上连接扩散罩4、收集罩6的位置开设有气体流通缺口，使得加热箱体的内腔与扩散罩4、收集罩6的内腔连通。

扩散罩4的底端端部设置出水口；出水口处设置有球阀5。扩散罩4的侧面底部设置有进气口。扩散罩4的进气口高于出水口，能够避免扩散罩4底部汇集的冷凝水阻挡扩散罩4进气，产生不必要的能量浪费。收集罩6的顶部设置有出气口。制氮机8的氮气输出口与两个扩散罩4的进气口通过管道连接；两个收集罩6上的出气口与汽水分离器7的进气口连接。汽水分离器7的出气口与制氮机8的原料气体输入口通过三通接头的其中两个接口连接。三通接头的第三个接口与外界环境连接。

扩散罩4的大口朝上；输入的氮气通过向上逐渐扩大的扩散罩4均匀作用在茶叶上，带走微波加热蒸出的水汽。收集罩6的大口朝下，使得输出的氮气通过向上逐渐缩小的扩散罩4逐渐收束到管道中，避免截面积骤变导致的湍流。扩散罩4底端的出水口用于排除加热箱体内凝结的水汽。此外，由于出水口的存在，本发明在清洗加热箱体的微波加热腔时，可以用高压水直接冲洗，污水会自动汇集到扩散罩的底部通过出水口排出。

茶叶加热输送装置包括三段式送料螺杆9、进料漏斗10、进料抑制筒11、出料抑制筒12、双螺杆驱动组件13、加热箱体14、微波源15和微波通料筒16。加热箱体14固定在机架上，采用金属材料，内部形成微波谐振腔。一个或多个微波源15安装在加热箱体14上，用于向加热箱体14内释放微波。加热箱体14呈长方体状，两端分别开设有进料口和出料口。微波通料筒16，采用非金属材料，且为双螺杆机筒（内腔截面为两个相交的圆形）。微波通料筒16固定在加热箱体14内，且两端与加热箱体14的进料口、出料口分别对接并固定。微波通料筒16由拼合在一起的两个双半圆筒组成。加热箱体及微波通料筒16的侧壁上开设有多个水汽溢出孔。微波无法从加热箱体上的水汽溢出孔中溢出。

进料抑制筒11及出料抑制筒12均采用金属材料，且为双螺杆机筒。进料抑制筒11、出料抑制筒12的内端与加热箱体14的进料口、出料口分别对接并固定。进料抑制筒11、出料抑制筒12及微波通料筒16的内腔截面形状相同。进料抑制筒11外端的顶部开设有送料口。进料漏斗10的底部安装在进料抑制筒11的送料口上。由于进料抑制筒11为双螺杆机筒宽度较大，故进料抑制筒11的送料口及进料漏斗10的底部均呈长方形，相比于料口呈正方形的单螺杆挤出机，出料口截面积增大了一倍，能够有效避免茶叶尽量堵塞的情况出现。

相互平行两根三段式送料螺杆9支承在机架上，且均穿过进料抑制筒11、微波通料筒16、出料抑制筒12上对应的圆柱部，形成双螺杆挤出机。三段式送料螺杆9由进料金属螺杆段9-1、杀青非金属螺杆段9-2和出料金属螺杆段9-3组成。进料金属螺杆段9-1、出料金属螺杆段9-3的内端与杀青非金属螺杆段9-2的两端分别固定。杀青非金属螺杆段9-2位于微波通料筒16内。进料金属螺杆段9-1位于进料抑制筒11内。出料金属螺杆段9-3位于出料抑制筒12内。三段式送料螺杆9的大径小于或等于微波通料筒16的内径。进料金属螺杆段9-1能够阻挡微波沿着进料抑制筒11外溢；出料金属螺杆段9-3能够阻挡微波沿着出料抑制筒12外溢；因此，进料金属螺杆段9-1及进料抑制筒11构成了加热箱体14进料口的抑制器；出料金属螺杆段9-3及出料抑制筒12构成了加热箱体14出料口的抑制器；微波在装有双螺杆的进料抑制筒11、出料抑制筒12内反射路径十分复杂，大大增加了微波在单位长度抑制器内的反射路径长度，起到良好的微波抑制效果。可见，相比于现有的隧道式微波设备，本发明中的抑制器长度较短且结构简单，具有显著的优势。

双螺杆驱动组件13包括送料电机、链条和两个链轮。送料电机固定在机架上，且输出轴与其中一根三段式送料螺杆9的一端固定。两个链轮与两根三段式送料螺杆9的同一端分别固定，且通过链条连接，实现两根三段式送料螺杆9的同向等速驱动。

该含水量可控的茶叶杀青设备的杀青方法具体如下：

步骤一、以输料电机的转速为输出信号，茶叶含水量误差e(t)作为输入信号，整定PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d，得到用于控制茶叶含水率的PID控制器。

整定过程如下：输料电机以不同的转速分别进行茶叶含水率试验；试验中t时刻的茶叶含水率误差e(t)=U-u(t)；其中，U为目标含水量；u(t)为t时刻的茶叶含水率。试验中误差变化率ec=(e(t₁)- e(t₂)) / (t₁-t₂)；其中，e(t₁)、e(t₂)分别是t₁时刻、t₂时刻的误差；t₁时刻、t₂时刻为相邻的两个采样时刻。(t₁-t₂)为t₁时刻至t₂时刻的时长。根据不同时刻的茶叶含水率误差e(t)和误差变化率ec对比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d进行整定。

步骤二、进行正式茶叶杀青操作；工作人员向进料装置的输入口装入茶叶；制氮机8启动，从空气中分离出氮气并经扩散罩4输送到加热箱体中，氮气带走加热箱体中杀青释放的水汽；汽水分离器将随氮气输出加热箱体的水汽吸收，并将氮气重新注入制氮机，从而实现了氮气的重复利用，降低了制氮机的功耗。

进料装置将茶叶送入茶叶加热输送装置的进料漏斗10；进料装置持续检测每分钟送入茶叶加热输送装置的茶叶重量m₁并传输给控制器；茶叶加热输送装置对茶叶进行杀青，并将杀青后的茶叶输出到出料机构。出料机构续检测每分钟接收到茶叶重量m₂并传输给控制器。

控制器持续计算杀青后茶叶的含水量

；其中/>

为待杀青茶叶（即失重秤输出的茶叶）的含水率；并计算含水量误差/>

。将含水量e输入步骤一得到的PID控制器，从而持续调节输料电机的转速。

茶叶加热输送装置进行杀青的过程如下：

各微波源15启动，输料电机转动，进料抑制筒11中的茶叶在两根三段式送料螺杆9带动下被输送到微波通料筒16中。微波箱体内的微波对微波通料筒16内的茶叶进行加热；由于茶叶是在两根三段式送料螺杆9的驱动下输送，故茶叶的运动位移既有沿着微波通料筒16轴向的分量，也有垂直微波通料筒16轴向的分量，运动轨迹相比于现有的输送带式上料更为复杂，能够在微波箱体内经过微波强度各不相同的各个位置，从而更加均匀的加热；因此，相对于常规微波加热中所应用的输送带式送料，本发明的双螺杆挤出式送料能够提高茶叶加热的均匀程度，提高茶叶杀青的质量。

Claims (6)

1.一种含水量可控的茶叶杀青设备，包括进料装置、茶叶加热输送装置、出料机构和水汽脱出装置；其特征在于：所述的进料装置、出料机构分别设置在茶叶加热输送装置输入口、输出口，且均能够称重；进料装置和出料机构检测到的重量差即为茶叶失水重量；所述的水汽脱出装置包括扩散罩、收集罩和氮源；扩散罩和收集罩均呈喇叭型；扩散罩安装在茶叶加热输送装置内的加热箱体的底部；收集罩安装在茶叶加热输送装置内的加热箱体的顶部；茶叶加热输送装置内的加热箱体上连接扩散罩、收集罩的位置开设有气体流通缺口，使得加热箱体的内腔与扩散罩、收集罩的内腔连通；扩散罩的底端端部设置出水口；扩散罩的侧面底部设置有进气口；扩散罩的进气口高于出水口；收集罩的顶部设置有出气口；扩散罩的进气口与氮源的氮气输出口连接；

所述的茶叶加热输送装置包括三段式送料螺杆、进料漏斗、进料抑制筒、出料抑制筒、双螺杆驱动组件、加热箱体、微波源和微波通料筒；加热箱体固定在机架上，采用金属材料，内部形成微波谐振腔；一个或多个微波源安装在加热箱体上；加热箱体的两端分别开设有进料口和出料口；微波通料筒为非金属材料，且为双螺杆机筒；微波通料筒固定在加热箱体内，且两端与加热箱体的进料口、出料口分别对接并固定；加热箱体及微波通料筒的侧壁上开设有多个水汽溢出孔；微波无法从加热箱体上的水汽溢出孔中溢出；进料抑制筒及出料抑制筒均为金属材料，且为双螺杆机筒；进料抑制筒、出料抑制筒的内端与加热箱体的进料口、出料口分别对接并固定；进料抑制筒、出料抑制筒及微波通料筒的内腔截面形状相同；进料抑制筒外端的顶部开设有送料口；进料漏斗的底部安装在进料抑制筒的送料口上；相互平行的两根三段式送料螺杆支承在机架上，且均穿过进料抑制筒、微波通料筒、出料抑制筒上对应的圆柱部；两根三段式送料螺杆由双螺杆驱动组件等速同向驱动；三段式送料螺杆由依次排列相邻的进料金属螺杆段、杀青非金属螺杆段和出料金属螺杆段组成；杀青非金属螺杆段位于微波通料筒内；进料金属螺杆段位于进料抑制筒内；出料金属螺杆段位于出料抑制筒内；三段式送料螺杆的大径小于或等于微波通料筒的内径。

2.根据权利要求1所述的一种含水量可控的茶叶杀青设备，其特征在于：所述的进料装置采用失重秤；出料机构包括皮带秤和出料斗；失重秤的输出口设置在茶叶加热输送装置作为输入口的进料漏斗的正上方；皮带秤设置在茶叶加热输送装置的输出口下方；倾斜的出料斗设置在皮带秤输出端的下方。

3.根据权利要求1所述的一种含水量可控的茶叶杀青设备，其特征在于：所述的氮源包括汽水分离器和制氮机；制氮机的氮气输出口与扩散罩的进气口连接；两个收集罩上的出气口与汽水分离器的进气口连接；汽水分离器的出气口与制氮机的原料气体输入口通过三通接头的其中两个接口连接；三通接头的第三个接口与外界环境连接。

4.根据权利要求1所述的一种含水量可控的茶叶杀青设备，其特征在于：所述扩散罩的出水口处设置有球阀。

5.根据权利要求1所述的一种含水量可控的茶叶杀青设备，其特征在于：所述的双螺杆驱动组件包括送料电机、链条和两个链轮；送料电机固定在机架上，且输出轴与其中一根三段式送料螺杆的一端固定；两个链轮与两根三段式送料螺杆的同一端分别固定，且通过链条连接。

6.根据权利要求1所述的一种含水量可控的茶叶杀青设备，其特征在于：所述的微波通料筒由拼合在一起的两个双半圆筒组成。

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