趙 勇 武旭瑤 黃文英 胥慧麗 吳中華,2

(1. 天津市科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

中國(guó)是蔬菜和水果生產(chǎn)大國(guó)，2019年蔬菜和水果產(chǎn)量分別為7.2億，2.7億t左右；但是國(guó)內(nèi)果蔬深加工轉(zhuǎn)化率(不足15%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家(60%)，資源和經(jīng)濟(jì)損失較大[1]。近年來(lái)，由于果蔬粉具有保質(zhì)期長(zhǎng)、種類豐富、原料利用率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，更多的果蔬被干燥加工成果蔬粉，作為沖泡食品、保健食品、嬰幼兒食品輔料。含水率是果蔬粉生產(chǎn)加工過(guò)程中的一個(gè)重要指標(biāo)，只有果蔬粉達(dá)到安全含水率(5%～14%)才能長(zhǎng)期保存。因此在果蔬粉生產(chǎn)過(guò)程中，有著快速、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地測(cè)量含水率的實(shí)際需求。

含水率測(cè)量方法有脫水失重法、卡爾費(fèi)休法、近紅外光法、微波法和核磁共振法等[5-6]。脫水失重法和卡爾費(fèi)休法屬于間歇檢測(cè)法，需人工取樣，無(wú)法滿足生產(chǎn)加工過(guò)程的快速、在線檢測(cè)要求。近紅外光法和核磁共振法能快速、準(zhǔn)確和無(wú)損地檢測(cè)水分含量，但是設(shè)備昂貴。微波透射含水率檢測(cè)方法具有檢測(cè)速率快、精度高、價(jià)格適中、材料無(wú)損和可在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因而被國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用[7-9]。Agranovich等[10]設(shè)計(jì)了一套以微波傳感器為核心的水分檢測(cè)裝置，在40 GHz下，以150多份的牛奶樣品進(jìn)行測(cè)量，成功地利用微波功率的衰減來(lái)預(yù)測(cè)牛奶中的水分。Trabelsi等[11]利用微波傳感器制成微波水分儀，用于測(cè)量帶殼花生的含水率，測(cè)量誤差在5%以內(nèi)。張秀艷等[12]設(shè)計(jì)了一套煙包含水率微波透射在線檢測(cè)儀，測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試儀在誤差范圍內(nèi)可測(cè)量0%～30%含水率，最高測(cè)量精度達(dá)0.18%，單次測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100 ms。偉利國(guó)等[13]設(shè)計(jì)了一套糧食水分微波在線檢測(cè)系統(tǒng)，以小麥、玉米、水稻等糧食作物進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明水分檢測(cè)范圍為10%～21%，測(cè)量精度±0.5%，可滿足糧食烘干過(guò)程中含水率在線連續(xù)檢測(cè)的需要。盡管已有前人對(duì)含水率微波檢測(cè)方法和裝置進(jìn)行研究，但研究對(duì)象主要集中于高含水率物料，對(duì)于果蔬粉之類的低含水率物料的在線檢測(cè)還未發(fā)現(xiàn)，不能完全滿足實(shí)際檢測(cè)要求。

試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一套微波含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)利用微波水分檢測(cè)技術(shù)與生產(chǎn)線相結(jié)合，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)進(jìn)行快速檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給生產(chǎn)線，從而調(diào)整優(yōu)化果蔬干燥制粉中的工藝參數(shù)以達(dá)到節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由進(jìn)料模塊、檢測(cè)模塊、卸料模塊、控制顯示模塊組成。進(jìn)料模塊包括漏斗和振動(dòng)器，用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)料量和進(jìn)料速度的調(diào)節(jié)。檢測(cè)模塊包括介質(zhì)振蕩器、隔離器、發(fā)射接收天線、波導(dǎo)同軸、數(shù)控衰減器、檢波器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)等單元，用于檢測(cè)果蔬粉的含水率。卸料模塊包括集成器和風(fēng)機(jī)，用于及時(shí)排出已檢測(cè)的果蔬粉?？刂骑@示模塊為PLC+觸摸屏的一體機(jī)，用于對(duì)整個(gè)檢測(cè)操作過(guò)程的精確控制。

圖1 果蔬粉水分在線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作流程為開(kāi)機(jī)后，進(jìn)料模塊從生產(chǎn)線取出一定量的果蔬粉進(jìn)入檢測(cè)料盒。此時(shí)，由介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生微波信號(hào)，經(jīng)隔離器和喇叭口發(fā)射天線發(fā)出，通過(guò)料盒后被接收天線接收。因?yàn)楣叻壑泻兴?，接收到的信?hào)功率會(huì)發(fā)生衰減。接收天線收到衰減后的信號(hào)，通過(guò)波導(dǎo)同軸傳輸?shù)綌?shù)控衰減器，調(diào)頻后對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理，達(dá)到檢波器檢波出直流電壓。直流電壓經(jīng)運(yùn)算器放大和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，上傳至單片機(jī)。利用單片機(jī)中含水率校正程序得到具體的含水率值，然后被上傳至上位機(jī)進(jìn)行采集和處理。測(cè)量完成后，卸料模塊排出物料，然后開(kāi)始下一個(gè)檢測(cè)流程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 進(jìn)料模塊

進(jìn)料模塊由漏斗和振動(dòng)器組成，振動(dòng)器的作用是防止物料下落阻塞，通過(guò)提供振動(dòng)力使物料順利下落。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于胡蘿卜粉，振動(dòng)器(型號(hào)為R-370，深圳新永泰電機(jī)有限公司)工作電壓為24 V，6 000 r/min可滿足條件。

2.2 檢測(cè)模塊

基于微波透射原理的硬件設(shè)計(jì)中，能產(chǎn)生穩(wěn)定微波信號(hào)的發(fā)射源是較為關(guān)鍵的一個(gè)單元，使用介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生微波，具有功耗小、可靠性高、頻率和功率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)針對(duì)的物料是低含水率果蔬粉，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)選用X波段(8.20×109～1.09×1010Hz)作為微波發(fā)射源較為合適，其輸出功率為80 mW，工作電壓+12 V。數(shù)控衰減器是用來(lái)控制信號(hào)輸出大小，保證傳輸出合適功率的微波信號(hào)，衰減范圍包括0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，16.0 dB，總衰減量為31.5 dB。隔離器只允許微波沿一個(gè)方向通過(guò)，不能反向通過(guò)，反向的微波都被吸收，降低了微波的消耗。該設(shè)計(jì)采用外置BJ100隔離器，工作帶寬一般到20%左右，插入損耗為0.25 dB，隔離度25 dB，駐波比1.12。發(fā)射接收天線采用喇叭口傳輸通道，能減少微波的損耗。檢波器的作用是檢測(cè)到微波信號(hào)并進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)微波頻率的裝換。使用的檢波器是由波導(dǎo)同軸加上微波檢波二極管及調(diào)配螺釘組成，當(dāng)微波輸入信號(hào)是連續(xù)波，整流后輸出為直流，當(dāng)微波信號(hào)為方波調(diào)制，則輸出低頻信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)便于后期處理；該設(shè)計(jì)選用8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，其功耗15 mV，時(shí)鐘頻率范圍為1.00×104～1.28×106Hz。單片機(jī)型號(hào)選用AT89C51，擁有8位中央處理器(CPU)，32個(gè)可編程I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。上位機(jī)使用臺(tái)式計(jì)算機(jī)[Intel(R) Xeon(R) CPU，10 GB RAM]與單片機(jī)通過(guò)串行線USB連接，用于收集數(shù)據(jù)，便于后期分析處理。

2.3 卸料模塊

卸料模塊包括風(fēng)機(jī)和集塵器，風(fēng)機(jī)選用LH-50P型(九葉風(fēng)管道風(fēng)機(jī)工廠)，其風(fēng)壓為570 Pa，功率18 W，噪音58 dB。檢測(cè)物料重量為30 g/次，重力則為0.3 N。該設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)提供的吸力大于檢測(cè)粉末重量，以便果蔬粉順利排出；風(fēng)機(jī)可根據(jù)實(shí)際使用情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，破壞卸料途中可能產(chǎn)生的“拱橋現(xiàn)象”(粉末在下降過(guò)程中由于相互交錯(cuò)咬合易形成拱橋空間，造成粉末流動(dòng)不暢)。集塵器采用自制旋風(fēng)集塵器。

2.4 控制顯示模塊

控制顯示模塊負(fù)責(zé)控制物料的進(jìn)入、含水率檢測(cè)和排出，綜合考慮選用型號(hào)為MC-24MR-4MT-500-FX-A的PLC觸摸屏一體機(jī)(中達(dá)優(yōu)控)，輸出點(diǎn)Y1～Y5分別接振動(dòng)器、第一個(gè)電動(dòng)球閥、介質(zhì)振蕩器、第二個(gè)電動(dòng)球閥和風(fēng)機(jī)。PLC內(nèi)程序控制整個(gè)流程的運(yùn)行，系統(tǒng)執(zhí)行部件選用220 V電動(dòng)球閥。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 含水率與微波信號(hào)關(guān)聯(lián)模型

使用微波透射法檢測(cè)果蔬粉含水率，需建立含水率與微波信號(hào)之間關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型(也稱標(biāo)定曲線模型)。以胡蘿卜粉為物料，通過(guò)試驗(yàn)建立關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型。首先，通過(guò)控制干燥時(shí)間制備不同含水率(5%～14%)胡蘿卜粉；對(duì)某個(gè)含水率胡蘿卜粉樣品，利用微波測(cè)試單元測(cè)量并取得微波電壓值，多次測(cè)量取平均值；然后將含水率與微波電壓值進(jìn)行擬合回歸，得到以下數(shù)學(xué)模型：

X=33.63-5.546×M，

(1)

式中：

X——含水率，%；

M——微波電壓值，V。

該擬合模型中，胡蘿卜粉含水率和微波電壓值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.957。在實(shí)際測(cè)量胡蘿卜粉含水率時(shí)，通過(guò)測(cè)得的微波電壓值，依據(jù)關(guān)聯(lián)模型即可換算成對(duì)應(yīng)的含水率。

微波信號(hào)處理與含水率換算通過(guò)內(nèi)置程序?qū)崿F(xiàn)。該程序采用C++語(yǔ)言編寫，含水率換算流程如圖2所示。對(duì)果蔬粉樣品進(jìn)行含水率測(cè)量，若測(cè)量的含水率(Ci)與標(biāo)定曲線方程中電壓對(duì)應(yīng)的參考含水率(Cref)差值大于1%，則進(jìn)行定標(biāo)曲線的校正，若小于1%，則記讀數(shù)為C1，再次測(cè)量讀數(shù)記為C2，若兩次測(cè)量差值小于0.5%，則最終含水率(C)為兩次讀數(shù)的平均值。若兩次測(cè)量結(jié)果大于0.5%，則重新進(jìn)行定標(biāo)曲線的校正。

圖2 含水率計(jì)算程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)

上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)是為了將所測(cè)量的含水率在電腦上進(jìn)行采集和處理，需要編寫一套上位機(jī)軟件，以STC12系列LE5A56S2為主控芯片，利用STC-ISP軟件，將單片機(jī)插入編程器并與電腦連接進(jìn)行程序編寫，具體過(guò)程：

(1) 選擇單片機(jī)型號(hào)和確定數(shù)據(jù)寫入范圍。

(2) 裝入編譯好的BIN或HEX文件。

(3) 選擇串口，并設(shè)置波特率。

(4) 設(shè)置工作模式與下載條件。

(5) 點(diǎn)擊下載按鈕進(jìn)行下載，然后再接通編程器的電源。

3.3 時(shí)序控制和組態(tài)設(shè)計(jì)

果蔬干燥粉的進(jìn)出和檢測(cè)時(shí)序控制由PLC完成，內(nèi)控程序使用三菱GX Works2進(jìn)行編程，采用梯形圖設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)要求分為手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種運(yùn)行模式，手動(dòng)控制運(yùn)行模式是人為控制果蔬干燥粉的進(jìn)出和含水率的檢測(cè)；自動(dòng)控制模式是按照程序進(jìn)行。觸摸屏是整個(gè)系統(tǒng)的顯示操作界面，分為啟動(dòng)、停止和終止工作狀態(tài)。操作界面包含首頁(yè)、手動(dòng)操作和自動(dòng)操作3個(gè)界面。自動(dòng)操作時(shí)，只需在自動(dòng)操作界面打開(kāi)開(kāi)關(guān)，PLC中的程序會(huì)自動(dòng)控制整體系統(tǒng)運(yùn)行。

4 裝置評(píng)價(jià)

果蔬粉微波快速檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)調(diào)試后，2019年8月委托有檢測(cè)資質(zhì)第三方——中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量檢測(cè)中心，進(jìn)行裝置檢測(cè)性能評(píng)價(jià)。以含水率范圍5%～14%的胡蘿卜粉(山東佐緣食療科技有限公司)為試驗(yàn)物料，分別利用微波水分檢測(cè)方法和按照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》中的第一法，檢測(cè)試驗(yàn)物料含水率。國(guó)標(biāo)法測(cè)量得到的含水率為10.09%，微波水分測(cè)量重復(fù)進(jìn)行20次，結(jié)果如表1所示，并比較檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)準(zhǔn)確度計(jì)算公式為：

(2)

式中：

η——裝置水分檢測(cè)準(zhǔn)確度，%；

A——國(guó)標(biāo)法測(cè)量含水率，%；

B——試驗(yàn)裝置測(cè)量含水率，%。

表1 微波水分檢測(cè)含水率表

裝置評(píng)價(jià)報(bào)告顯示：該裝置檢測(cè)每份樣品的含水率耗時(shí)約7.33 s，樣品水分檢測(cè)準(zhǔn)確度為98.2%，樣品水分檢測(cè)重復(fù)性為0.15%。

5 結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一套果蔬粉含水率在線檢測(cè)系統(tǒng)，由進(jìn)料模塊、檢測(cè)模塊、卸料模塊和控制顯示模塊組成。進(jìn)料模塊通過(guò)振動(dòng)力消除果蔬粉進(jìn)料阻塞現(xiàn)象，使得料粉順利進(jìn)入檢測(cè)料盒；檢測(cè)模塊利用微波透射衰減法快速檢測(cè)出果蔬粉含水率進(jìn)行處理、收集和顯示；卸料模塊通過(guò)風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)力破壞果蔬粉可能產(chǎn)生的“拱橋現(xiàn)象”加速物料排出；控制顯示模塊通過(guò)PLC中的程序自動(dòng)控制整體運(yùn)行。軟件系統(tǒng)包括含水率標(biāo)定程序、上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)、PLC的時(shí)序控制程序和組態(tài)設(shè)計(jì)。以胡蘿卜粉為試驗(yàn)物料，進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)第三方評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：檢測(cè)每份樣品的含水率耗時(shí)約7.33 s，檢測(cè)胡蘿卜粉含水率準(zhǔn)確度為98.2%，重復(fù)性為0.15%，裝置可操作性好，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低含水率的果蔬粉在線、連續(xù)檢測(cè)。