胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微長安電子有限公司，六安 237000)

彌散場電容糧食水分傳感器及其在儲(chǔ)糧中的應(yīng)用

胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微長安電子有限公司，六安 237000)

基于彌散場電容檢測的原理設(shè)計(jì)了一種封裝在柔性電纜中的糧食水分傳感器，可分布安裝在糧倉內(nèi)對(duì)儲(chǔ)藏的糧食進(jìn)行水分在線監(jiān)測。經(jīng)過校正，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧水分±0.5%以內(nèi)的在線檢測精度。

水分傳感器 糧食儲(chǔ)藏 彌散場電容

水分直接關(guān)系糧食品質(zhì)與價(jià)值，糧食水分檢測對(duì)糧食儲(chǔ)藏具有十分重要的意義[1-4]。傳統(tǒng)的糧食水分檢測多是通過干燥或化學(xué)方法直接去除糧食中的水分,檢測出樣品的絕對(duì)含水量。這些方法的檢測精度高,但費(fèi)時(shí)，適用于實(shí)驗(yàn)室檢測。近年來糧食水分快速檢測技術(shù)得到快速發(fā)展，其中比較常見的有電容水分檢測儀和電阻水分檢測儀。傳統(tǒng)的電容水分檢測儀以杯式為主，檢測時(shí)需要將糧食倒入內(nèi)部測量，難以實(shí)現(xiàn)糧倉內(nèi)在線測量。電阻水分檢測儀又主要分插入式和研磨式兩種，插入式較為低端，普遍存在精度不夠的問題，研磨式工作時(shí)候需要把檢測樣品研磨成粉末測量，精度較高，目前在烘干機(jī)中應(yīng)用較多，但是檢測過程復(fù)雜，樣品量小，無法實(shí)現(xiàn)在水分均勻程度較差的糧倉中在線監(jiān)測。

本試驗(yàn)采用彌散場電容的原理測量糧食水分，可以檢測較大體積內(nèi)糧食水分的平均值，而且水分傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與目前糧倉內(nèi)常用的測溫電纜相仿，可在糧倉內(nèi)進(jìn)行分布式安裝，實(shí)現(xiàn)倉內(nèi)多點(diǎn)水分的準(zhǔn)確測量，對(duì)糧食保管具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。

1 測量原理及傳感器設(shè)計(jì)

1.1 測量原理

通過測量糧食電容來估計(jì)糧食水分是目前常見的方法。本研究所述的傳感器的特色在于對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。商用的電容型水分傳感器除了同心圓結(jié)構(gòu)外，其他多為布置在平面或圓柱面上的叉指電極電容器，其尺寸以及電極距離小，因此檢測區(qū)域被限制在叉指電極表面上很薄的一層空間，空間的尺寸與糧粒相當(dāng)，因此在顆粒物測量的應(yīng)用中造成一定的誤差。本研究所述的水分傳感器實(shí)質(zhì)為一個(gè)電容器，正極與負(fù)極均為一個(gè)直徑相同的同軸圓筒。正極位于兩只負(fù)極之間，如圖1所示，電場線垂直于正極表面射出后垂直于負(fù)極表面射入，與平行板和叉指電極電容器相比，電場線能在更深的空間中傳播。這不僅擴(kuò)大了測量空間，還有利于提高傳感器的電容靈敏度。這種結(jié)構(gòu)被稱為彌散場電容。

圖1 彌散場電容器示意圖

糧粒中的水分分布在糧粒的外部和內(nèi)部。低水分糧食的水分主要分布在糧粒內(nèi)部。糧粒內(nèi)部的水分子受到淀粉等周圍其他分子的束縛，自由轉(zhuǎn)動(dòng)受限，偶極矩較小。隨著糧食水分升高，糧食水分逐漸從糧粒內(nèi)部擴(kuò)展到外部。外部水分以多層分子膜的形式存在，隨著水分的增加，分子膜的層數(shù)逐漸增加。外部受到的束縛比內(nèi)部少，因此偶極矩更大，且多層膜高層分子的偶極矩比底層大。由此可知，隨著糧食水分增加，糧食介電常數(shù)(或傳感器電容)單調(diào)增加，且斜率呈增加的趨勢。

本研究設(shè)計(jì)的傳感器電纜采用測溫電纜類似的柔性結(jié)構(gòu)(見圖2)，水分傳感器封裝在PVC外皮內(nèi)，整根電纜外部光滑，無突起物，內(nèi)部用一根鋼絲繩提高受拉強(qiáng)度。電纜內(nèi)供電和通訊采用總線制，最多可封裝15個(gè)傳感器。傳感器內(nèi)置DS18B20溫度傳感器，用于溫度補(bǔ)償。傳感器基于振蕩工作模式，傳感器作為電容連入電路。輸出的方波頻率與傳感器電容值相關(guān)。

圖2 測水電纜示意圖

傳感器的電容C分為只與傳感器外部介質(zhì)相關(guān)的外部敏感電容Cex和不與外部介質(zhì)相關(guān)的內(nèi)部寄生電容Cin，如公式(1)所示：

C=Cex+Cin

(1)

由此可知，不同傳感器Cex是一致的；不同傳感器的Cin存在不同，且隨機(jī)變化，原因有內(nèi)部走線差異等。為解決此問題，通過函數(shù)將頻率值換算成電容值，將糧食中的電容值Ccorn與空氣中的電容值Cair之差(即電容變化量)C來表征水分值MC：

ΔG=Ccorn-Cair

(2)

弛豫振蕩器頻率f的表達(dá)式為：

(3)

式中：C為電容；R為電阻；A為常數(shù)。當(dāng)R值一定時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果為：

(4)

式中：C為電容；a、b為常數(shù)。由于在儲(chǔ)糧水分正常范圍內(nèi)頻率與電容曲線較為平緩，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以近似為線性函數(shù)。若振蕩器之間的頻率f與電容C函數(shù)差異過大，需要逐個(gè)校準(zhǔn)，檢測前逐個(gè)輸入相關(guān)系數(shù)。

溫度對(duì)振蕩電路的元器件影響(不包括對(duì)糧食介電常數(shù)的影響)在0～50 ℃的范圍內(nèi)可通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得，以線性函數(shù)或分段函數(shù)表示。

溫度在不同水分下對(duì)電容(實(shí)質(zhì)為糧食介電常數(shù))的影響可由標(biāo)定試驗(yàn)獲得，以線性函數(shù)或分段函數(shù)表示平行板電容公式為：

(5)

(6)

式中：等式右邊第一項(xiàng)是糧食的電容值，第二項(xiàng)為傳感器內(nèi)部的寄生電容，后者不隨糧食水分變化，可視為常數(shù)。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電容式水分傳感器的2個(gè)負(fù)極(3，4)中間夾著正極(5)。正負(fù)極之間用連接件相連。傳感器驅(qū)動(dòng)電路板(11)和溫度傳感器(12)置于傳感器一端。一根鋼絲繩從傳感器中心穿過，傳感器兩端各有一個(gè)卡箍將傳感器固定在鋼絲繩上。傳感器外徑16 mm，長度220 mm。

圖3 電容式傳感器結(jié)構(gòu)

2 糧倉內(nèi)水分在線監(jiān)管方法和檢測結(jié)果

2.1 安裝方法

使用電動(dòng)扦樣器將扦樣鋼管逐個(gè)打進(jìn)糧食中，直到達(dá)到敖間地面。接下來將電纜插入鋼管中，最后逐個(gè)拔出拆卸鋼管，電纜留在糧食中。一根電纜的安裝時(shí)間大約5 min。

2.2 校正方法

沿用現(xiàn)有糧食水分快速檢測儀的校正方式，直接減去絕對(duì)誤差。傳感器安裝時(shí)，當(dāng)扦樣鋼管打到傳感器安裝深度時(shí)取出部分糧食樣品，用于烘干法檢測作為校正值，但糧庫內(nèi)水分分布不均勻，因此每個(gè)傳感器逐個(gè)校正不現(xiàn)實(shí)，要求傳感器具有較高的一致性。

2.3 實(shí)測結(jié)果

傳感器測試分為實(shí)驗(yàn)室和糧庫現(xiàn)場兩部分。2015年9月進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，糧食品種為安徽省六安市產(chǎn)的秈稻。任選2只傳感器置于2個(gè)相同的容器(直徑1 m，高度1 m的圓筒)中，倒入糧食，用風(fēng)機(jī)從底部向糧食通風(fēng)降低水分。因?yàn)榧Z食較少，所以糧溫與氣溫一致，大約20 ℃。

1號(hào)和2號(hào)傳感器的雙試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示， Ⅰ區(qū)為不間斷吹風(fēng)階段測量的數(shù)據(jù)，Ⅱ區(qū)為吹風(fēng)后靜置36 h以上測量的數(shù)據(jù)。電容變化量與水分呈單調(diào)趨勢，在Ⅰ和Ⅱ各自區(qū)域內(nèi)，電容變化量與水分可以各形成一條直線。在分界線上有2組數(shù)據(jù)點(diǎn)?？v坐標(biāo)位置更低的是Ⅰ區(qū)的(邊吹風(fēng)邊測量)，更高的是Ⅱ區(qū)(停止吹風(fēng)36 h后)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)停止吹風(fēng)后傳感器電容逐漸增大，在12 h后達(dá)到穩(wěn)定，幾乎不變，可認(rèn)為靜置12 h后糧粒內(nèi)外部水分已經(jīng)大致平衡。造成這種差異的原因是，本裝置的風(fēng)量較大，糧粒外部水分蒸發(fā)速度比內(nèi)部水分向外部擴(kuò)散的速度快得多，Ⅰ區(qū)的水分主要集中在內(nèi)部；經(jīng)過靜置后糧粒內(nèi)部的水分得以充分?jǐn)U散到了外部并達(dá)到新的平衡。糧粒外部水分對(duì)傳感器電容的貢獻(xiàn)大于糧粒內(nèi)部，因此雖然水分值不變但傳感器的電容差異明顯。

稻谷含水量17.0%以下是儲(chǔ)糧可能的水分范圍，糧庫對(duì)此有明確的水分測量誤差要求(≤±0.5%)。將圖5中2個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)用二次函數(shù)擬合，電容變化量為自變量，水分值為參變量。分別將2只傳感器的電容變化量帶入該函數(shù)中，得到的水分值減去實(shí)際水分值即為傳感器測量誤差，如表1所示。由此可知傳感器在12.9%～17.0%范圍內(nèi)最大測量誤差為0.32%。

由圖4、圖5、表1的數(shù)據(jù)可以看出，2只傳感器的數(shù)據(jù)一致性較好。應(yīng)指出的是，傳感器輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，輸出信號(hào)的最大噪聲換算成水分值為≤±0.16%。試驗(yàn)過程中，傳感器水分測量值連續(xù)測量跳讀幅度≤±0.1%，反而作為水分真值的測量方法(國標(biāo)法)的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，變化幅度達(dá)到≤±0.5%。其原因是，糧食在靜止?fàn)顟B(tài)下吹風(fēng)，烘干法糧食取樣高度不一致等原因?qū)е录Z粒水分不均勻，而水分傳感器檢測的糧食樣品(直徑15.2 mm，高度200 m的容積內(nèi)的糧食)比國標(biāo)法(十幾克糧食，一小撮)多，都是取平均值，前者波動(dòng)的幅度就更小。

圖4 整個(gè)雙試驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖5 低水分階段的數(shù)據(jù)點(diǎn)

表1 雙試驗(yàn)的結(jié)果/%

2016年12月在重慶銅梁國有糧庫安裝水分傳感器，經(jīng)過數(shù)個(gè)月的運(yùn)行，剛安裝完的傳感器測量數(shù)據(jù)如表2所示，電纜4～5傳感器數(shù)據(jù)與烘干法比較表3所示。電纜1～2傳感器2個(gè)月的數(shù)據(jù)變化如表4所示。

表2 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)/%

表3 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)與烘干法比較/%

表4 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化/%

3 結(jié)論

本試驗(yàn)研究了一種基于彌散場電容檢測的原理的糧食水分傳感器，封裝在柔性電纜中，可分布安裝在糧倉內(nèi)實(shí)現(xiàn)就倉糧食水分在線監(jiān)測。雙試驗(yàn)表明傳感器具有較好的一致性。經(jīng)過校正，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧水分±0.5%以內(nèi)的在線檢測精度。

[1]GB/T 29890-2013 糧油儲(chǔ)藏技術(shù)規(guī)范.

[2]LS/T 1203-2002 l糧情測控系統(tǒng)

[3]王若蘭.糧油倉儲(chǔ)學(xué)[M].中國輕工業(yè)出版社, 2009

[4]楊洲, 羅錫文, 李長友. 稻谷含水率分布及變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(10), 81-84

Yang Z, Luo X W, Li C Y. Distribution and variation of rice kernel moisture content [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2005,36(10):81-84.

Dispersion Field Capacitive Grain Moisture Sensor and Its Application in Storage

Hu Jia Li Zhen Pan Xiaojun

(Anhui Brainware Changan Electrics Co., Ltd. Lu′an 237000)

A grain moisture sensor, integrated into a flexible cable, was designed in this paper, according to the principle of dispersion field capacitance inspection. A number of such sensors could be used to monitor the moisture content of the grain online in the granary. After a calibration process, an error of0.5% of moisture measurement was achieved.

moisture sensor, grain storage, dispersion field capacitance

S379

A

1003-0174(2017)11-0108-04

2017-04-30

胡佳，男，1982年出生，博士，電子科學(xué)與技術(shù)

李臻，男，1977年出生，博士，電子科學(xué)與技術(shù)