劉志壯,朱湘萍,張文昭,宮彥軍

介電法小麥含水率檢測試驗研究*

劉志壯*,朱湘萍,張文昭,宮彥軍

小麥從收割、收購到存儲、加工都需要快速、準(zhǔn)確獲取其含水率,為此設(shè)計一種外邊緣效應(yīng)圓柱形電容傳感器探頭及相應(yīng)測量電路。采用小麥樣品對所設(shè)計的裝置進(jìn)行標(biāo)定與溫度特性測試。試驗結(jié)果表明:該傳感器具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性,含水率在8%～20%之間,誤差在0.5%以內(nèi);在14 ℃～32 ℃溫度范圍內(nèi),漂移量為0.19%/℃。

電容傳感器;含水率;介電法;外邊緣效應(yīng);小麥

小麥的收購、儲存、運輸和加工都必須準(zhǔn)確了解其含水率,正確的含水率是提高質(zhì)量的重要保證,也是延長儲存期、確保小麥品質(zhì)的根本所在。檢測小麥的含水率是則是保證小麥最佳含水率的主要技術(shù)手段。通常谷物含水率測量的方法有直接法和間接法兩大類。直接法主要有干燥法和化學(xué)法,該法準(zhǔn)確性較高,但費時長,且具有破壞性,不適于實時在線和現(xiàn)場測量,通常用于其他方法的參照。間接法是通過檢測待測物內(nèi)與水分相關(guān)的物理量(如介電常數(shù))來間接測定其內(nèi)部的水分,速度一般較快,且易實現(xiàn)實時在線檢測[1]。采用間接法測量含水率,由于對測量結(jié)果影響的因素較多,因此,傳感器的原理及外形設(shè)計顯得十分重要,(1)需要較大的靈敏度,(2)穩(wěn)定性較好,(3)輸出信號能夠有效反映含水量。常用間接檢測小麥及其他谷物含水率的主要技術(shù)手段有電阻法[2]、電導(dǎo)法[3]、電容法[4-7]、微波法[8-15]、紅外法[16]、中子法[17]、射頻阻抗法[18]和核磁共振法[19]等,微波法、紅外法、中子法、射頻阻抗法和核磁共振法所需要的設(shè)備比較復(fù)雜,價格較高難以普及應(yīng)用。電阻法和電導(dǎo)法對固體顆粒需要破壞其結(jié)構(gòu),不適合于谷物含水率快速檢測。電容法是水分檢測的一種有效方法,它具有成本低、體積小、測量準(zhǔn)確度高等優(yōu)點。文獻(xiàn)[1,3]設(shè)計了同軸柱形電容傳感器,主要問題有谷物需放入傳感器中,要求設(shè)計的傳感器體積須較大,谷物在傳感器內(nèi)緊密度難以確保一致,測量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證;另外,對于顆粒物體測量操作不太方便,適于液體含水率測量。文獻(xiàn)[20]為稻谷含水率檢測設(shè)計了一種平面電容探頭,為進(jìn)一步探索一種方便谷物檢測的傳感器,設(shè)計一種新的傳感器探頭,并以小麥為樣本進(jìn)行標(biāo)定與溫度等試驗。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)

為谷物檢測操作方便,本研究對同心圓柱型電容傳感器進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計一種外邊緣效應(yīng)圓柱形電容式傳感器,該電容與圓柱形電容一樣,電容量與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)成正比關(guān)系,下對其結(jié)構(gòu)與測量電路進(jìn)行介紹。

1.1 探頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)測量谷物操作的方便性及測量電路的量程,設(shè)計如圖1所示的外邊緣效應(yīng)圓柱形電容式傳感器探頭,圖1中,1為絕緣圓筒,2為電極Ⅰ,3為電極Ⅱ,4為隔離電極(地電極),5為測量電路板。探頭采用PVC塑料圓筒制成,外徑為21 mm,內(nèi)徑為14 mm,電極Ⅰ、電極Ⅱ和隔離電極采用銅箔制成,電極Ⅰ、電極Ⅱ為高×寬=50 mm×20 mm的長方形銅箔對稱地粘貼在圓筒的外壁,隔離電極長為50 mm,粘貼在圓筒的整個內(nèi)壁,測量電路的電路板固定在隔離電極的中間。

圖2 測量電路原理圖

該傳感器主要應(yīng)用電場的外邊緣效應(yīng),電極Ⅰ和電極Ⅱ為傳感器電容電極。為提高傳感器的靈敏度,用隔離電極將電極Ⅰ和電極Ⅱ隔離,減小原始電容的容量值,增加外部介質(zhì)對電容量的相對改變時,即增大傳感器探頭的靈敏度;另外,隔離電極對電路板起屏蔽作用,隔離外部環(huán)境對電路的干擾。電容傳感器的基本原理及電容與幾何尺寸之間的關(guān)系如下。

如圖1(a)所示,設(shè)隔離電極內(nèi)外半徑為R1、R2;絕緣圓筒內(nèi)外半徑分別為R2、R3,其介電常數(shù)為ε1;電極Ⅰ、電極Ⅱ的內(nèi)外半徑分別為R3、R4,其面積為S,被測小麥的介電常數(shù)為ε2;則電容與被測小麥的介電常數(shù)的關(guān)系式為(由于篇幅關(guān)系,推導(dǎo)過程這里不詳述):

(1)

由式(1)可見,當(dāng)傳感器探頭一旦設(shè)計出來,其參數(shù)R1、R2、R3、R4、ε1、S便確定不變,電容量僅與被測介質(zhì)的介電常成正比。銅箔的高和寬分別為a和b時,S=ab,b與R4成正比。所以電容量靈敏度系數(shù)k與銅箔長a成正比。

1.絕緣圓筒,2.電極Ⅰ,3.電極Ⅱ,4.隔離電極,5.測量電路圖1 圓柱形電容式傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 測量電路

經(jīng)實際測量該電容傳感器的原始電容量約為0.8 pF,當(dāng)傳感器周圍充滿含水率為30%以下的小麥時,電容量約為8 pF。為便于數(shù)字化與微機(jī)處理,簡化測量電路與提高測量電路穩(wěn)定性,采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7150將傳感器的電容量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并送單片機(jī)進(jìn)行處理獲得傳感器的電容量。AD7150芯片為雙通道電容模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器,測量范圍為0～14 pF,最小分辨率為0.8 fF,轉(zhuǎn)換時間為10 ms,通過IIC接口與單片機(jī)進(jìn)行連接,AD7150采用3.3 V電源供,所以采用STC12LE5204單片機(jī)進(jìn)行匹配。

在圖2所示的電路中,AD7150做成小電路板(測量電路板),放置在隔離電極的內(nèi)部,測量電路板有三根線分別與電極Ⅰ、電極Ⅱ和隔離電極相連接,測量電路板的IIC接口、電源與地線單片機(jī)板,單片機(jī)板含有單片機(jī)STC12LE5204、按鍵、程序下載接口J1、顯示接口J2。顯示接口連接LCD1602液晶顯示器,采用4 bit數(shù)據(jù)通信方式。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 試驗裝置及材料

所用主要的試驗裝置有干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療儀器廠,ZBY149-83型)、電子秤(日本島津制作所生,BL-2200H型,2 200 g/0.01 g)、精密溫度計(精度0.2 ℃)、鋁制干燥盒、圓柱形塑料杯和待標(biāo)定電容傳感器。塑料杯的內(nèi)直徑為18 cm,高為15 cm。

取2 kg小麥分成三份,樣品1質(zhì)量為240.0 g,樣品2、3各為880.0 g;樣品1用作初始含水率測試,樣品2用作傳感器標(biāo)定,樣品3用作誤差測試。

2.2 樣品含水率確定方法

將240 g小麥樣品放入恒溫干燥箱中,在溫度為103 ℃～105 ℃條件下干燥8 h以上,得到小麥干質(zhì)量207.05 g,即含水量為32.95 g,計算可得小麥樣品含水率為13.73%[21]。樣品2、3的含水量被認(rèn)為與樣品1相同,利用式(1)可以計算出樣品2、3的干質(zhì)量和含水量。

(2)

式中:Mc為含水率,m為樣品含水時質(zhì)量,m0為樣品干質(zhì)量。

3 試驗與數(shù)據(jù)分析

3.1 標(biāo)定試驗

采用干燥法進(jìn)行傳感器標(biāo)定試驗。在室溫為22 ℃的條件下,將小麥樣品2(初始質(zhì)量為880 g,初始含水率13.73%,干質(zhì)量為759.18 g,含水質(zhì)量為120.82 g)摻入清水205.0 g并混合均勻,使其含水率達(dá)30%以上,待樣品均勻滲透后,將其裝入塑料杯中,再插入待標(biāo)定傳感器探頭進(jìn)行電容量測試。然后從塑料杯中倒入到干燥盒逐步烘干,每次烘干后測定樣品2的質(zhì)量,計算其含水率;因谷物存儲時理想含水率約為13%,所當(dāng)含水率低于25%時開始測量電容,如此反復(fù)進(jìn)行,直到樣品2的含水率低于6%。

試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合得出試驗公式:

C=0.148 9Mc-0.2846

(3)

式中:C為電容量(pF),Mc為含水率(%)。由式(3)可推導(dǎo)出小麥的含水率與電容量的關(guān)系,與理論式相一致。測量出電容量可以直接計算出含水率,這步工作可以交給單片機(jī)直接完成含水率計算。

Mc=6.683 6C+1.967 2

(4)

由式(3)還發(fā)現(xiàn)該傳感器探頭的靈敏度比單一平面電容傳感器探頭靈敏度高出50%以上[20]。

圖3 傳感器電容與含水率的關(guān)系

3.2 試驗預(yù)測與誤差比較

采用與標(biāo)定試驗同樣的條件及步驟對樣品3進(jìn)行含水率預(yù)測試驗,與參考值(干燥法所得結(jié)果)對照結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 含水率預(yù)測值與參考值對比

圖5 誤差分析

由圖4可知,預(yù)測值與參考值基本成線性,比例約為0.93。由圖5可知,含水率在5%～25%之間,兩端誤差較大,超過1%,8%～20%之間,含水率誤差在0.5%以內(nèi),誤差正負(fù)隨機(jī)分布,沒有明顯規(guī)律,符合測量偶然誤差的隨機(jī)性。

3.3 溫度試驗

在22 ℃時,將樣品3的含水率控制在12.78%(谷物存儲理想含水率),將樣品放在密閉的塑料杯中加熱或冷卻,保持樣品的重量(或含水率)不變,在不同的溫度條件下,用傳感器探頭測量樣品電容值。測量結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度特性

由圖6可知,隨溫度升高電容值增大,含水率測量值增大,其關(guān)系為

C=0.028t+1.035 4

(5)

由式(4)和式(5)可推導(dǎo)出

ΔMc=0.187Δt

(6)

由式(6)可知,當(dāng)含水率約為12.78%時,在22 ℃左右時,每改變1 ℃,含水率量顯示值偏差0.19%,即溫漂量為0.19%/℃。溫度變化和含水率變化不大的情況下,可以用以下表達(dá)式對含水率進(jìn)行修正。

Mc=12.78+0.187(t-22)

(7)

4 結(jié)論

在小麥?zhǔn)崭钆c收購過程中,為快速檢測小麥含水率,設(shè)計了一種利用外邊緣效應(yīng)圓柱形電容傳感器探頭與測量電路,對傳感器原理進(jìn)行理論推導(dǎo),在室溫環(huán)境進(jìn)行了標(biāo)定試驗和溫度漂移試驗。

①理論表達(dá)式表明:該圓柱形電容式傳感器的電容量與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。

②標(biāo)定試驗表明:柱形外邊緣效應(yīng)傳感器的靈敏度比單一平面電容的高50%以上。

③預(yù)測試驗表明:經(jīng)標(biāo)定后的傳感器測量小麥含水率,當(dāng)含水率在8%～20%之間,誤差0.5%以內(nèi)。

④溫度漂移試驗表明,傳感器探頭受小麥的溫度變化影響,在含水率為12.78%時,14 ℃～32 ℃之間,溫度漂移量約為0.19%/℃。

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WheatMoistureContentDetectionBasedonDielectricConstant*

LIUZhizhuang*,ZHUXiangping,ZHANGWenzhao,GONGYanjun

(Electric research institute,Hunan University of Science and Engineering,Yongzhou Hu’nan 425199,China)

A column capacitor probe using external fringe effect and its measuring circuit are designed for quickly acquiring grain moisture content in harvest,purchase,storage and procession. The calibration and temperature characteristic test are conducted from taking wheat as sample on the device designed. Experimental results indicate that this column capacitor probe possesses high sensitivity and high precision. From 8%～20%,measurement error is less than 0.5%;the temperature at 14 ℃～32 ℃,temperature drift distance is about 0.19%/℃.

capacitance sensor;moisture content;dielectric constant;external fringe effect;wheat

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.013

項目來源:國家自然科學(xué)基金面上項目(30971698);湖南省自然科學(xué)基金項目(13JJ6079);湖南科技學(xué)院“電路與系統(tǒng)”重點學(xué)科項目

2017-04-24修改日期2017-08-02

(湖南科技學(xué)院電子研究所,湖南 永州 425199)

TP212.1/S237

A

1004-1699(2017)12-1857-05

劉志壯(1969-),男,湖南藍(lán)山人,博士,教授,主要從事計算機(jī)檢測與控制技術(shù)、農(nóng)業(yè)傳感器研究,liuzz168@126.com;

朱湘萍(1975-),女,湖南永州人,碩士,高級實驗師,主要從事物理和應(yīng)用物理學(xué)研究,874265929@qq.com;

張文昭(1968-),女,湖南永州人,碩士,教授,主要從事電子技術(shù)應(yīng)用、單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)研究,zhyy122122@126.com。