Development of model based sensors for the supervision of a solar dryer

Solar dryers are increasingly used in developing countries as an alternative to drying in open air, however the inherent variability of the drying conditions during day and along year drive the need for achieving low cost sensors that would enable to characterize the drying process and to react accordingly. This paper provides three different and complementary approaches for model based sensors that make use of the psychrometric properties of the air inside the drying chamber and the temperature oscillations of the wood along day. The simplest smart sensor, Smart-1, using only two Sensirion sensors, allows to estimate the accumulated water extracted from wood along a complete drying cycle with a correlation coefficient of 0.97. Smart-2 is a model based sensor that relays on the diffusion kinetics by means of assesing temperature and relative humidity of the air inside the kiln. Smart-2 model allows to determine the diffusivity, being the average value of D for the drying cycle studied equal to 5.14 × 10−10 m2 s−1 and equal to 5.12 × 10−10 m2 s−1 for two experiments respectively. The multidistributed supervision of the dryer shows up the lack of uniformity in drying conditions supported by the wood planks located in the inner or center of the drying chamber where constant drying rate kinetics predominate. Finally, Smart-3 indicates a decreasing efficiency along the drying process from 0.9 to 0.

Caracterización Avanzada de Tanques de Fermentación de Café mediante una Red Multidistribuida de Sensores RFID

La fermentación de las bayas de café se considera una et apa crítica en el procesado del café debido a su impacto en la calidad final del producto. La temperatura es una de las principales variables de control que puede ser utilizada para predecir el final del proceso, teniendo en cuenta que varios autores indican que el control de esta etapa es fundamental para evitar la mala calidad de la be bida final. En la práctica, la fermentación es el paso \ud menos controlado del proceso, haciendo que los beneficiaderos operen lejos de sus condiciones óptimas en términos de costes de operación (es decir, elevados consumos de energía y agua) y de calidad del producto final. El objetivo de este trabajo es caracterizar los gradientes de temperatura que se dan en los tanques de fermentación mediante una red multi-distribuida de sensores autónomos, inalámbricos y de bajo coste (registradores de temperatura del tipo RFID, identificadores de radiofrecuencia semipasivos modelo TurboTag®).Para ello se utilizan dos metodologías: la interpolación espacial en coordenadas polares y los diagramas de espacio de fase. Se supervisaron dos fermentaciones reales de café, en El Cauca (Colombia), mediante sensores sumergidos directamente en la masa en fermentación. Los fermentadores eran tanques de plástico cubiertos, uno de ellos colocado en el interior de un almacén, permaneciendo el otro a la intemperie. El rango de variación máximo de temperatura en los tanques fue de 4,5ºC. La interpolación espacial mostró, incluso en el fermentador bajo las condiciones menos desfavorables en el interior del almacén, un gradiente radial de temperatura instantáneo de 0,1 °C/cm desde el centro hasta el perímetro del tanque y un gradiente vertical de temperatura de 0,25 °C/cm para sensores con coordenadas polares iguales. La combinación de ambas metodologías permitió la identificación consistente de los puntos calientes y fríos de ambas fermentaciones

Empleo de metodos numericos para el ajuste de los coeficientes de difusividad (D) y convectivo de transferencia de masa (hm) en el secado de alimentos

Los modelos matemáticos de transferencia de humedad desde el alimento al medio circundante durante el proceso de secado dependen de dos parámetros: coeficiente de difusividad efectiva D y coeficiente convectivo de transferencia de masa hm, cuya determinación experimental se basa en la consideración de un sistema difusivo sencillo de solución analítica bien conocida. Para el caso, que aquí nos ocupa, de difusión monodimensional en una lámina infinita de grosor 2l, la solución analítica de la ley de Fick se puede expresar en términos de una serie infinita función de, entre otros parámetros, n que representa las raíces positivas de la ecuación n tan n hm l / D . La evaluación de dicha serie infinita exige determinar el valor de las raíces n. Frente a procedimientos obsoletos, que sin embargo se siguen empleando en la actualidad, basados en aproximaciones que fueron útiles cuando no se poseía capacidad computacional para el cálculo numérico de raíces de ecuaciones trascendentes, este trabajo propone el cálculo directo de estas raíces empleando técnicas estándar del Análisis Numérico. Se establece así mismo el procedimiento matemáticamente más adecuado para el cálculo directo de D y hm realizando un ajuste por mínimos cuadrados a la aproximación lineal de la solución analítica (primer término de la serie infinita

Smart Sensing Applications in the Agriculture and Food Industry

This chapter is structured in three main sections: an introduction to the smart concept and smart quality control, a review of the state of the art in integrated sensors, embedded systems, and the third one which is dedicated to a review of three case studies. The case studies refer to three results lines that are under taken by the LPF-TAGRALIA in the field of smart sensing. It provides examples of how to develop smart capabilities within standard low cost sensors. A variety of smart capabilities have been selected such as dynamic analysis of physical magnitudes, transmission diagnosis and such reliability and a full range of examples of analytical models of wood drying that can be incorporated to sensor chips to enhance sensor performs and to enable the term smart sensor. Each of the three sections of the chapter is independent and so the reader can decide where to start from according to their particular expertise. For unfamiliar readers with smart technologies, all of them might be of interest, while for experienced readers in the subject the case studies directly are probably the most relevant issue

Control of a solar dryer through using a fuzzy logic and low-cost model-based sensor

Solar drying is one of the important processes used for extending the shelf life of agricultural products. Regarding consumer requirements, solar drying should be more suitable in terms of curtailing total drying time and preserving product quality. Therefore, the objective of this study was to develop a fuzzy logic-based control system, which performs a ?human-operator-like? control approach through using the previously developed low-cost model-based sensors. Fuzzy logic toolbox of MatLab and Borland C++ Builder tool were utilized to develop a required control system. An experimental solar dryer, constructed by CONA SOLAR (Austria) was used during the development of the control system. Sensirion sensors were used to characterize the drying air at different positions in the dryer, and also the smart sensor SMART-1 was applied to be able to include the rate of wood water extraction into the control system (the difference of absolute humidity of the air between the outlet and the inlet of solar dryer is considered by SMART-1 to be the extracted water). A comprehensive test over a 3 week period for different fuzzy control models has been performed, and data, obtained from these experiments, were analyzed. Findings from this study would suggest that the developed fuzzy logic-based control system is able to tackle difficulties, related to the control of solar dryer process

Development of smart sensors for the supervision of a solar dryer: agro-products dehydration application

Solar dryers are increasingly used in developing countries as an alternative to drying in open air, however the inherent variability of the drying conditions during day and along year drive the need for achieving low cost sensors that would enable to characterize the drying process and to react accordingly. This paper provides an approach for smart sensors that make use of the psychrometric properties of the air inside the drying chamber along day. The proposed model shows a high agreement with bibliographic dat

Advanced Characterisation of a Coffee Fermenting Tank by Multi-distributed Wireless Sensors: Spatial Interpolation and Phase Space Graphs

The fermentation stage is considered to be one of the critical steps in coffee processing due to its impact on the final quality of the product. The objective of this work is to characterise the temperature gradients in a fermentation tank by multi-distributed, low-cost and autonomous wireless sensors (23 semi-passive TurboTag® radio-frequency identifier (RFID) temperature loggers). Spatial interpolation in polar coordinates and an innovative methodology based on phase space diagrams are used. A real coffee fermentation process was supervised in the Cauca region (Colombia) with sensors submerged directly in the fermenting mass, leading to a 4.6 °C temperature range within the fermentation process. Spatial interpolation shows a maximum instant radial temperature gradient of 0.1 °C/cm from the centre to the perimeter of the tank and a vertical temperature gradient of 0.25 °C/cm for sensors with equal polar coordinates. The combination of spatial interpolation and phase space graphs consistently enables the identification of five local behaviours during fermentation (hot and cold spots)

Multi-distributed wireless sensors for monitoring a long distance transport in a reefer container

The study of the temperature gradients in cold stores and containers is a critical issue in the food industry for the quality assurance of products during transport and for minimising losses. This work presents an analysis of the temperatures during the refrigerated transport of 4,320 kg of blueberries in a reefer (set point temperature at ?1ºC) on a container ship from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). The monitoring was performed by using semi-passive RFID loggers (TurboTag cards). The objective was to carry out a multi-distributed supervision using low-cost, wireless and autonomous sensors for the characterisation of the distribution and spatial gradients of temperatures during a long distance transport. Data analysis shows spatial (phase space) and temporal sequencing diagrams and reveals a significant heterogeneity of temperature at different locations in the container, which highlights the ineffectiveness of a temperature control system based on a single sensor, as is usually done

Supervisión multidistribuida de transportes refrigerados mediante tecnología inalámbrica: diagrama de fases una nueva metodología de análisis.

El estudio de los gradientes de temperatura en cámaras frigoríficas y contenedores es un problema crítico en la industria alimentaria para el aseguramiento de la calidad de los productos durante el transporte, así como para minimizar las pérdidas. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una nueva metodología de análisis de datos basada en la reconstrucción del espacio de fases de la serie temporal de temperaturas, registradas por una red multidistribuida de sensores inalámbricos autónomos y de bajo coste. Se monitorizó un transporte transoceánico en barco de limones en un contenedor multimodal refrigerado, desde Montevideo (Uruguay) a Cartagena (España), utilizando una red de 39 tarjetas RFID semi-pasivas TurboTag ®. El viaje completo incluyó el transporte transoceánico de larga distancia, un cambio de buque para un segundo transporte en barco de corta distancia y finalmente un viaje en camión hasta la central. El análisis de datos se basó en un estudio cualitativo de las series temporales mediante la representación de diagramas de fases calculados sobre la teoría de reconstrucción de atractores de Takens-Ruelle. El estrés de la fruta se cuantificó en términos del área que sobre el diagrama de fases ocupó el ciclo o atractor de la temperatura. Esta nueva metodología para el análisis de los datos pone de relieve la significativa heterogeneidad de las condiciones térmicas en diferentes puntos del contenedor

Supervisión multidistribuida de transportes refrigerados mediante redes de sensores: diagramas de fases, una nueva metodología de análisis

El estudio de la variabilidad de la temperatura en cámaras frigoríficas y contenedores es un problema crítico en la industria alimentaria para el aseguramiento de la calidad de los productos durante el transporte, así como para minimizar las pérdidas. El objetivo de este trabajo es el desarrollo de una nueva metodología de análisis de datos basada en la reconstrucción del espacio de fases de la serie temporal de temperaturas, registradas por una red multidistribuida de sensores inalámbricos autónomos y de bajo coste