CN103808766B - 一种在线电阻式谷物水分测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在线电阻式谷物水分测量的装置，该装置包括：谷物干燥机、取样器以及测量仪。本发明还提供了一种利用该装置进行谷物水分测量的方法，利用该方法和装置，能够实现谷物干燥机智能自动化操作，排除温度和杂物的影响，准确地测量谷物的水分。

Description

一种在线电阻式谷物水分测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种在线电阻式谷物水分测量的装置及方法。

背景技术

谷物水分是影响谷物品质的一个重要因素，谷物含水量多少不但决定了谷物贮藏的安全性，也同样制约着谷物加工工艺与流通过程。谷物水分过高容易引起谷物发热、霉变、生虫等现象。利用谷物干燥机对谷物进行烘干，是目前降低谷物水分最行之有效的方法。干燥过程中，必须对谷物水分进行测量，以避免谷物水分过低，影响谷物营养成分及品质。

测量方法可分为人工取样离线测量方法和在线自动测量方法。在线自动测量方法能够自动取样、测量并显示，具有省时、省工、操作方便、节约人力等优点。常用的在线测量方法基于电阻测量原理，测量时，取样器的两个碾压式电极向内转动，挤压谷物颗粒使其破碎。由于谷物电阻随其含水量变化，因此通过测量两电极之间的电阻，就可以得到谷物水分。

现有的电阻式谷物水分测量装置和方法采用电压法测量谷物电阻，但由于谷物电阻很大，特别在谷物含水量较低时，使得测量信号弱、信噪比低、不利于信号传输。且在线测量时，取样器中不仅有谷物，还含有大量的灰尘、杂草等杂物，导致测量结果不真实、不准确，而现有的在线电阻式谷物水分测量装置不能很好地排除灰尘、杂草等杂物的影响。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种在线电阻式谷物水分测量的装置及方法，能够克服现有在线电阻式谷物水分测量装置的缺陷，能够按照设定的测量间隔自动对干燥机内谷物水分进行在线测量，并消除灰尘、杂草等杂物和温度的影响，得到准确的谷物水分。

（二）技术方案

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种在线电阻式谷物水分测量的装置，该装置包括：谷物干燥机、取样器以及测量仪；

谷物干燥机，用于吹出热风将谷物进行加热干燥；

取样器，安装在谷物干燥机的底部，用于对谷物进行取样，产生电阻信号和温度信号并发送给测量仪；

测量仪，用于接收所述电阻信号并通过阻频转换电路而输出频率信号，并保存频率值；接收所述温度信号，并保存温度值；根据频率信号处理算法，利用保存的频率值得到最终频率信号，并对保存的所有温度值求平均值，得到谷物温度；根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分。

其中，所述取样器包括：两个电极、温度传感器以及电机；

所述电极，用于碾压谷物，从而产生电阻信号；

所述温度传感器，用于产生温度信号；

电机，用于控制两个电极的转动。

其中，所述测量仪包括：开关电路、阻频转换电路、主控制器、显示触摸屏、按键以及存储器；

开关电路，用于选择阻频转换电路；

阻频转换电路，用于将电阻信号转换为频率信号；

主控制器，用于根据频率信号处理算法，得到最终频率信号；对采集的所有温度值求平均值，得到谷物温度；根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分；当连续多次测量的谷物水分不高于目标水分时，发出控制信号以关闭干燥机；

显示触摸屏，用于设置参数、显示谷物水分和显示干燥完成情况；

按键，用于设置参数；

存储器，用于存储所设置的参数。

其中，所述阻频转换电路具体包括：高水分阻频转换电路、中间水分阻频转换电路以及低水分阻频转换电路。

其中，所述测量仪进一步包括定时器，用于限定水分测量的时间间隔。

其中，所述阻频转换电路，将电阻信号R转换为频率信号f的公式为：

f=(a₁+a₂×R)^-1

其中，a₁、a₂为常数。

其中，所述测量仪，根据最终频率信号f和谷物温度T得到谷物水分M，其公式为：

M={n₁+n₂×ln(m₁+m₂×f^-1)}+k×(T₀-T)

其中，n₁、n₂为常数6，表示谷物种类不同；m₁=-a₁/a₂，m₂=1/a₂，表示不同的阻频电路；k为常数，表示温度补偿系数；T₀为常数，表示基准温度。

一种利用上述装置进行在线电阻式谷物水分测量的方法，该方法包括：

S1:设定参数后，开始测量：

S2:主控制器控制电机，使得两个电极向外转动，清除两个电极间积累的谷物；

S3:主控制器控制电机，使得两个电极向内转动开始碾压谷物，从而产生电阻信号；

S4:采集所述电阻信号通过中间水分阻频转换电路后输出的频率信号，并保存频率值，并判断开通哪一路阻频转换电路；

S5:每隔所设定的时间，采集一次温度传感器的信号，并保存温度值；

S6:每隔所设定的时间，停止电机，进行数据处理；

S7:主控制器根据频率信号处理算法，得到最终频率信号，并对采集的所有温度值求平均，得到谷物温度；

S8:主控制器根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分，并将结果显示到显示触摸屏上；

在步骤S8之后，该方法进一步包括：

开启测量仪内部定时器，当定时器达到设定好的时间间隔，重复步骤S2至步骤S8；

当连续多次测量的谷物水分不高于目标水分时，主控制器发出控制信号，关闭干燥机，并在显示触摸屏上显示干燥完成。

其中，所述频率信号处理算法包括：

共采集N次频率信号，且每次频率值为fi（1≤i≤N）；

判断fi是由哪路阻频转换电路输出的，若是高水分阻频转换电路或低水分阻频转换电路输出的频率值，将这些频率值转换成原频率大小；

滤掉其中突变的频率值，剩下M个频率值，每个频率值记为fj（1≤j≤M）；

将M个频率值从小到大一次排序，每个频率值记为fm（1≤m≤M）；

滤去一部分较小值和一部分较大值，剩下K个频率值，每个频率值记为fk（1≤k≤K）；

求K个频率的平均值，则最终频率信号为：

（三）有益效果

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的装置，通过采用阻频转换电路，将两电极之间谷物的电阻转换成频率信号进行测量，能够提升测量信号质量，增强抗干扰能力；定时采集谷物温度，用于进行温度补偿，提高了测量的精度；由于灰尘、杂草等杂物才会使得频率信号突变，则本发明设计了频率信号处理算法，将其中突变的频率值去掉，能够有效地消除灰尘、杂草等杂物的干扰。

本发明的测量仪采用显示触摸屏，界面设计简洁，方便用户查看干燥情况；在间隔时间内，用户可以随时进行手动测量，准确掌握干燥进度；采用触屏和按键两种操作方式，方便用户使用；能够存储参数，不需要用户重复设置。

本发明采用定时自动测量方式，每间隔一定时间测量一次，只有在连续n次的测量结果不高于目标水分时，才关闭干燥机，这样既保证整个干燥箱内的谷物水分基本都在目标水分附近，又可以减少谷物损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

附图1是本发明实施例提供的一种在线电阻式谷物水分测量的装置的安装示意图；

图2是本发明实施例提供的一种在线电阻式谷物水分测量的装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种在线电阻式谷物水分测量的方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的一种频率信号处理算法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供了一种在线电阻式谷物水分测量的装置，该装置包括：谷物干燥机1、取样器3以及测量仪5。

其中，提升机2用于将谷物干燥机1底部的谷物传送至顶部，谷物从顶部自由散落，谷物干燥机1吹出的热风对散落的谷物进行加热干燥，取样器3安装在谷物干燥机1的底部，则自由散落的一部分谷物落到取样器3之上，取样器3就会对谷物进行采样，并产生电阻信号及温度信号。取样器3和测量仪5通过连接线4连接。测量仪5采集取样器3产生的电阻信号，将其转换为频率信号；同时采集取样器3的温度信号，将其求平均，得到谷物温度；最终根据频率信号和谷物温度得到谷物水分。

参见图2，本发明实施例提供了取样器3和测量仪5的内部具体结构。其中，取样器3包括：电极109、电极110、温度传感器111以及电机112；电极109和电极110，用于碾压谷物，从而产生电阻信号；温度传感器111，用于产生温度信号；电机112，用于控制电极109和电极110的转动。

测量仪5包括：开关电路108、阻频转换电路、主控制器104、显示触摸屏101、按键102以及存储器103。其中，开关电路108，用于选择阻频转换电路；阻频转换电路，用于将电阻信号转换为频率信号，包括高水分阻频转换电路105、中间水分阻频转换电路106、低水分阻频转换电路107，当水分很高时，接通高水分阻频转换电路105，降低信号频率；当水分很低时，接通低水分阻频转换电路107，提高信号频率，水分处在中间段时，接通中间水分阻频转换电路106；主控制器104，用于根据频率信号处理算法，得到最终频率信号；对采集的所有温度值求平均值，得到谷物温度；根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分；当连续多次测量的谷物水分不高于目标水分时，发出控制信号，关闭谷物干燥机1；显示触摸屏101，用于设置参数，用于显示谷物水分；显示干燥完成情况；按键102，用于设置参数；存储器103，用于存储各项参数。

本发明提供的装置，通过采用阻频转换电路，将两电极之间谷物的电阻转换成频率信号进行测量，能够提升测量信号质量，增强抗干扰能力；定时采集谷物温度，用于进行温度补偿，提高了测量的精度；由于灰尘、杂草等杂物才会使得频率信号突变，则本发明设计了频率信号处理算法，将其中突变的频率值去掉，能够有效地消除灰尘、杂草等杂物的干扰。

本发明的测量仪采用显示触摸屏，界面设计简洁，方便用户查看干燥情况；在间隔时间内，用户可以随时进行手动测量，准确掌握干燥进度；采用触屏和按键两种操作方式，方便用户使用；能够存储参数，不需要用户重复设置。

参见图3，本发明实施例提供了一种利用上述装置的在线电阻式谷物水分测量的方法，该方法步骤如下：

步骤301：设定参数后，开始测量。

本步骤中，所设定的参数包括：谷物种类、目标水分以及时间间隔等参数。

步骤302：主控制器控制电机，使得两个电极向外转动，清楚两个电极间积累的谷物。

步骤303：主控制器控制电机，使得两个电极向内转动碾压谷物，从而产生电阻信号。

本步骤中，两个电极向内转动，挤压谷物颗粒使其破碎，由于谷物电阻随其含水量变化，因此通过测量两个电极间的电阻，就可以得到谷物水分。

步骤304：所述电阻信号通过阻频转换电路后输出频率信号，保存频率值，并根据其判断开通哪一条阻频转换电路。

本步骤中，阻频转换电路输出的频率信号f与电阻R之间的关系式为：

f=(a₁+a₂×R)^-1（1）

其中，a₁、a₂为常数。

谷物水分M与电阻R之间的关系为：

M=n₁+n₂×lnR（2）

其中，n₁、n₂为常数（n₂为负数），表示谷物种类不同。

初次开始测量时，电阻信号接通中间水分阻频转换电路后输出频率信号，根据其频率信号判断谷物含水量的高低，若水分很高，则接通高水分阻频转换电路，若水分很低，接通低水分阻频转换电路，若水分处在中间段，接通中间水分阻频转换电路。如此，实时地进行阻频转换电路的切换，使得含有不同等级水分的谷物选通不同的测量通道。

步骤305：每隔一定的时间，采集一次温度传感器的信号，并保存温度值。

步骤306：每个一定的时间，停止电机，进行数据处理。

步骤307：主控制器根据频率信号处理算法，得到最终频率信号，并对采集的所有温度值求平均，得到谷物温度。

本步骤中，所说的频率成分信号处理算法，如图4所示，该算法具体为：

步骤401：共有N个频率信号fi（1≤i≤N）；

步骤402：判断fi是由否是由高水分阻频转换电路或低水分阻频转换电路输出的，若是，则转至步骤403，否则，转至步骤404；

步骤403：将频率转换为原始大小；

步骤404：滤去其中的突变的频率，剩下M个频率值fj（1≤j≤M）；

步骤405：将M个频率值从小到大一次排序，每个频率值记为fm（1≤m≤M）；

步骤406：滤去一部分较小值和一部分较大值，剩下K个频率值fk（1≤k≤K）；

步骤407：求K个频率的平均值，则最终频率信号为：

步骤308：主控制器根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分，并将最终结果显示到显示触摸屏上。

本步骤中，综合公式（1）和（2）得到转换电路输出频率信号f与谷物水分M之间的关系为：

M=n₁+n₂×ln(m₁+m₂×f^-1)（3）

其中，m₁、m₂为常数（m₁=-a₁/a₂，m₂=1/a₂），表示不同的阻频电路。

而考虑到温度对谷物水分的影响，进行温度补偿，得到准确的谷物水分为：

M={n₁+n₂×ln(m₁+m₂×f^-1)}+k×(T₀-T)（4）

其中，n1、n2为常数（n2为负数），表示谷物种类不同；m1、m2、a1、a2为常数（m1=-a1/a2，m2=1/a2），表示不同的阻频电路；k为常数，表示温度补偿系数；T0为常数，表示基准温度。

步骤309：根据谷物水分，判断其是否达到目标水分，若是，则转至步骤312，否则，转至步骤310。

步骤310：开启定时器。

步骤311：判断定时器时间是否达到所设定的测量时间间隔，若已达到，则转至步骤302，否则转至步骤311。

步骤312：判断谷物不高于目标水分的次数是否达到所设定的次数，若是，则转至步骤313，否则，转至步骤310。

本步骤中，根据预先设定的次数n，若连续n次测量的谷物水分都不高于目标水分时，才判定谷物水分达到要求。

步骤313：关闭谷物干燥机，并在显示屏上显示干燥完成。

本发明采用定时自动测量方式，每间隔一定时间测量一次，只有在连续n次的测量结果不高于目标水分时，才关闭干燥机，这样既保证整个干燥箱内的谷物水分基本都在目标水分附近，又可以减少谷物损失。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种在线电阻式谷物水分测量的装置，其特征在于，该装置包括：谷物干燥机、取样器以及测量仪；

谷物干燥机，用于吹出热风将谷物进行加热干燥；

取样器，安装在谷物干燥机的底部，用于对谷物进行取样，产生电阻信号和温度信号并发送给测量仪；

测量仪，用于接收所述电阻信号并通过阻频转换电路而输出频率信号，并保存频率值；接收所述温度信号，并保存温度值；根据频率信号处理算法，利用保存的频率值得到最终频率信号，并对保存的所有温度值求平均值，得到谷物温度；根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分；

所述测量仪包括：开关电路、阻频转换电路、主控制器、显示触摸屏、按键以及存储器；

开关电路，用于选择阻频转换电路；

阻频转换电路，用于将电阻信号转换为频率信号；

主控制器，用于根据频率信号处理算法，利用保存的频率信号得到最终频率信号；对保存的所有温度值求平均值，得到谷物温度；根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分；当连续多次测量的谷物水分不高于目标水分时，发出控制信号以关闭干燥机；

显示触摸屏，用于设置参数、显示谷物水分和显示干燥完成情况；

按键，用于设置参数；

存储器，用于存储所设置的参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述取样器包括：两个电极、温度传感器以及电机；

所述电极，用于碾压谷物，从而产生电阻信号；

所述温度传感器，用于产生温度信号；

电机，用于控制两个电极的转动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻频转换电路具体包括：高水分阻频转换电路、中间水分阻频转换电路以及低水分阻频转换电路。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量仪进一步包括定时器，用于限定谷物水分测量的时间间隔。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阻频转换电路，将电阻信号R转换为频率信号f的公式为：

f＝(a₁+a₂×R)^-1

其中，a₁、a₂为常数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述测量仪，根据最终频率信号f和谷物温度T得到谷物水分M，其公式为：

M＝{n₁+n₂×ln(m₁+m₂×f^-1)}+k×(T₀-T)

其中，n₁、n₂为常数，表示谷物种类不同；m₁＝-a₁/a₂，m₂＝1/a₂，表示不同的阻频电路；k为常数，表示温度补偿系数；T₀为常数，表示基准温度。

7.一种利用权利要求3所述的装置进行在线电阻式谷物水分测量的方法，其特征在于，该方法包括：

S1:设定参数后，开始测量；

S2:主控制器控制电机，使得两个电极向外转动，清除两个电极间积累的谷物；

S3:主控制器控制电机，使得两个电极向内转动开始碾压谷物，从而产生电阻信号；

S4:采集所述电阻信号通过中间水分阻频转换电路后输出的频率信号，并保存频率值，并判断开通哪一路阻频转换电路；

S5:每隔所设定的时间，采集一次温度传感器的信号，并保存温度值；

S6:每隔所设定的时间，停止电机，进行数据处理；

S7:主控制器根据频率信号处理算法，得到最终频率信号，并对采集的所有温度值求平均，得到谷物温度；

S8:主控制器根据最终频率信号和谷物温度得到谷物水分，并将结果显示到显示触摸屏上；

所述频率信号处理算法包括：

共采集N次频率信号，且每次频率值为fi(1≤i≤N)；

判断fi是由哪路阻频转换电路输出的，若是高水分阻频转换电路或低水分阻频转换电路输出的频率值，将这些频率值转换成原频率大小；

滤掉其中突变的频率值，剩下M个频率值，每个频率值记为fj(1≤j≤M)；

将M个频率值从小到大一次排序，每个频率值记为fm(1≤m≤M)；

滤去一部分较小值和一部分较大值，剩下K个频率值，每个频率值记为fk(1≤k≤K)；

求K个频率的平均值，则最终频率信号为：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S8之后，该方法进一步包括：

开启测量仪内部定时器，当定时器达到设定好的时间间隔，重复步骤S2至步骤S8；

当连续多次测量的谷物水分不高于目标水分时，主控制器发出控制信号，关闭干燥机，并在显示触摸屏上显示干燥完成。