CN104155350A - 一种频率测量法测粮食水分含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了粮食水分含量测量领域的一种频率测量法测粮食水分含量的装置，用以解决目前测量粮食水分含量技术研究存在的问题。该方法具体包括：首先，由杯体电容中的待测粮食充当介质，和杯体容器共同组成杯体电容C_x，且其介电常数ε_x与粮食水分含量之间存在非线性函数关系；其次，将杯体电容和LC振荡电路组成振荡电路模块，产生高频振荡信号，且信号频率与杯体电容介电常数之间存在非线性函数关系；最后，根据信号频率和粮食水分含量之间存在的非线性函数关系，通过测量得到的信号频率计算得出待测粮食的水分含量。本发明有效实现了一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其的有益效果为测量操作简单、快速、便携，测量结果稳定、灵敏度高。

Description

一种频率测量法测粮食水分含量的方法

技术领域

本发明涉及粮食水分含量测量领域，特别涉及一种频率测量法测粮食水分含量的方法。

背景技术

粮食水分检测对粮食的收购、运输、储存、加工、贸易都具有十分重要的意义。水分过高浪费运力和仓容，促使粮油生命活动旺盛，容易引起粮食发热、霉变、生虫及其他生化变化。在我国，由于水分检测的技术不完善，每年有数百亿斤的粮食因水分含量过高在运输和存储过程中出现霉烂变质，造成了巨大的损失。而粮食水分含量过低，减少了粮食重量，影响了粮食品质。因此，水分一直是粮食收购、运输、储存和加工过程中的一项重要质量指标。采用快速的水分检测方法，对粮食水分做出准确的度量是十分必要的。

粮食水分含量影响粮食物理、化学和生物特性，是粮食质量的关键指标。目前国家标准为是：GB/T5497-1985。其中有105℃恒重法、定温定时烘干法、隧道式烘箱法和两次烘干法。玉米含水量测定按照GB/T10362-1995执行。烘干测重法，测量时间长，实时性差，多适用于实验室精确测量场合，不适用于大规模现场测量。

因此，许多方法被提出来测量粮食水分，比如电阻法、电容法、平衡相对湿度法、核磁共振法、微波法、红外法、中子法和卡尔菲休法等，其中常用的测量方法是电阻法和电容法，这些方法各有其优缺点，但是它们一般代价都比较昂贵，且实时性差。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种频率测量法测粮食水分含量的方法，用以解决目前测量粮食水分含量技术研究存在的问题。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在测试之前，对部分常见粮食做过仪器使用的标定实验，并已确定其拟合公式及系数常量，对于待测粮食，若其为已进行过标定实验的部分常见粮食中的一种，则进入步骤7；否则，准备好多组不同水分含量梯度的粮食样本；

步骤2：将杯体电容中充满粮食，打开电源；

步骤3：杯体电容中的粮食充当电容介质，和杯体容器共同组成杯体电容C_x，且其介电常数ε_x随粮食水分含量的不同而变化；

步骤4：杯体电容C_x、振荡电路中的电感L，电容C₀共同构成LC振荡电路模块的主要部分，其中电感L，电容C₀为固定常数，LC振荡电路模块产生振荡信号s(t)，其中，t表示时间；

步骤5：通过分频电路模块和计数电路模块测量出振荡信号s(t)的频率f，先测量第一次信号频率f1，然后关闭电源，重新启动，分别测重启之后30秒的频率f2，重启之后1分钟的频率f3，重启后10分钟的频率f4，最后求得频率平均值f；

步骤6：根据得到的多组频率平均值f和含水量y的数据，得到拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D，并确定其中的系数常量A、B、C和D，其中x代表频率f；

步骤7：准备好待测粮食，执行步骤2到步骤5，获得频率平均值f，令x＝f，并将其代入拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D中，求得粮食水分含量y。

所述粮食为颗粒状或粉状粮食。

所述频率测量法测粮食水分含量的装置由杯体电容、LC振荡电路、分频电路、计数电路、频率水分含量转换模块、显示电路组成；

其中，所述杯体电容、LC振荡电路相连，构成振荡电路模块，用于产生振荡信号；

所述振荡电路模块、分频电路、计数电路、频率水分含量转换模块、显示电路依次串联，用于测量高频正弦信号的频率，并将其转换为粮食水分含量。

所述杯体电容采用杯体容器式结构，为圆柱体，包括圆柱侧面、底面和盖板，且容器中有中心圆柱棒、第一圆柱棒、第二圆柱棒、第三圆柱棒、第四圆柱棒，用于构成杯体电容C_x；

所述中心圆柱棒作为杯体电容的一极，固定于所述杯体电容轴心，与所述LC振荡电路相连；

所述第一圆柱棒、第二圆柱棒、第三圆柱棒、第四圆柱棒分别平均分布，固定在所述中心圆柱棒四周。

本发明实现了一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其有益点如下：

1适合散装粮食的快速测量，测量操作简单、快速、便携。

2本发明采取温度补偿措施，且LC振荡回路采用温度系数低的材料制成，因此测量结果稳定。

3本发明测量精度高，由于采用测量频率的方法，电容值的变化与频率的变化非常灵敏，所以微小的水分变化都可以测出来。

附图说明

图1是一种频率测量法测粮食水分含量的结构框架图。

图2是振荡电路模块电路图。图中，(a)是三点式晶体振荡电路；(b)是杯体电容和振荡电路构成的电路图。

图3是杯体电容的正视机械图。

图4是杯体电容的俯视机械图。

图中，1-第一圆柱棒；2-第二圆柱棒；3-第三圆柱棒；4-第四圆柱棒；5-中心圆柱棒。

图5是以大米为试验粮食，采用频率测量法测粮食水分含量的方法得到的频率和水分含量的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明解决问题的思路是：由于振荡电路模块中杯体电容介电常数和频率之间具有确定的非线性的函数关系，并且待测粮食充当杯体电容介质，则杯体电容介电常数和粮食水分含量之间也存在确定的非线性的函数关系，因此可以通过频率测量法测粮食水分含量。

根据LC振荡电路工作原理输出的是频率信号，且频率大小与回路中的电感值大小有关，在设计时让电感值L固定为常量,回路中的电容值C₀为常量，电路外接杯体电容C_x，则总电容C＝C₀//C_x，其中，//表示并联。当容器四周为金属极板时，含水的粮食作为介质填充在两极间就构成了电容器C_x，C_x＝ε_xS/d，其中，ε_x是待测粮食的介电常数，S是两极板的面积，d是两极板间距离，水分含量变化时C_x变化，C也随之变化，从而导致输出信号频率变化，因此如果能检测到信号频率值，C_x就能确定，粮食水分含量也可以被确定。

本发明提出的方法，无论对于何种待测粮食，它都会存在频率和粮食水分含量之间的拟合曲线以及拟合公式。只是对于不同的待测粮食，拟合曲线有所不同。因此，虽然本发明的实施例中只以大米为例，获得其频率和水分含量之间的拟合关系，并测量待测大米的水分含量，但是，本发明的方法对于所有粮食有适用。因此本发明中的粮食为颗粒状、粉末状粮食，比如小麦、玉米、稻谷、高粱等及加工脱壳后的粮食，但是不包括瓜果蔬菜类。

本发明为部分常见粮食做过仪器使用前的标定实验，并已确定其拟合公式及系数常量。一般，本发明传感器在投入使用前会将已经做过的粮食的拟合关系系数存入发明装置中的存储器里。测量时，如果待测粮食与本发明标定实验测定过的粮食种类一致则直接测量频率，并通过拟合关系获得粮食水分含量；若不是本发明标定过的粮食种类，则需要先进行标定实验，确定拟合关系，再测量待测粮食的水分含量。

图1是本发明的一种频率测量法测粮食水分含量的结构框架图。图中的频率测量法测粮食水分含量的装置由杯体电容、LC振荡电路，分频电路，计数电路，频率水分含量转换模块，显示电路组成。其中杯体电容和LC振荡电路相连，构成振荡电路模块，用于产生振荡信号。振荡电路模块，分频电路，计数电路，频率水分含量转换模块，显示电路依次串联，用于测量高频振荡信号的频率，并通过频率值计算出待测粮食水分含量。

图2是振荡电路模块电路图。

图2(a)是LC振荡电路图。图中采用常见的电容三点式振荡电路实现LC振荡，该电路简单易行，变容二极管电容作为组成LC振荡电路的一部分，电容值会随加在其两端的电压的变化而变化，从而达到变频的目的。

图中，Rc，Re，RB1，RB2设置LC振荡电路的静态工作点，L1，C1构成LC振荡电路，Cc，Dc接入LC振荡电路改变振荡频率，构成调频电路。R1、R2、R3提供变容二极管工作所需的直流偏置。信号V_Ω从C5接入，电感L2是一低通线圈，可以过滤掉信号的高频部分。变容二极管的接入方式为部分接入，如果去掉与之串联的Cc则为全部接入。

图2(b)是杯体电容和振荡电路构成的调频电路等效电路图。

图中采用杯体电容替换变容二极管。

图3是杯体电容的正视机械图。

图4是杯体电容的俯视机械图。

杯体电容采用杯体容器式结构，为圆柱体，包括圆柱侧面、底面和盖板，且容器中有中心圆柱棒5、第一圆柱棒1、第二圆柱棒2、第三圆柱棒3、第四圆柱棒4，用于构成杯体电容C_x；

中心圆柱棒5作为杯体电容的一极，固定于所述杯体电容轴心，与所述LC振荡电路相连；

第一圆柱棒1、第二圆柱棒2、第三圆柱棒3、第四圆柱棒4分别平均分布，固定在所述中心圆柱棒四周。

另外，本发明装置还采取一些增加测量稳定度的措施：

1 LC振荡回路采用高可靠性、不易发生机械变形的元器件，此外LC器件采用温度系数低的材料制成。其中，不同的元件的温度系数范围是不相同的，因此，在实际电路连接中，对每一种元件，都要选取温度系数较低的那种，使得测量效果更加稳定。

2温度补偿措施

使L与C的变化量与ΔL与ΔC的变化量相互抵消以维持恒定的振荡频率，其回路的损耗电阻r很小，即Q值很高，则振荡频率可以近似的用回路的固有频率f₀来表示。

$f\≈f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

由于外界因素的影响，使LC产生微小的变量ΔL、ΔC，因而引起振荡频率的变化为

$\mathrm{\Δf}=\frac{\∂f_0}{\∂L}\mathrm{\ΔL}+\frac{\∂f_0}{\∂C}\mathrm{\ΔC}\≈-\frac{1}{2}{f}_0(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}+\frac{\mathrm{\ΔC}}{C})$

若选用合适的负温度系数的电容器(电感线圈的温度系数恒为正值)，使得ΔC/C与ΔL/L互相抵消，则Δf可减为零，这就是温度补偿法。

由于温度补偿法使得在实际应用中频率f不会出现偏差，而频率f又和粮食水分含量之间存在确定的非线性函数关系，因此，温度补偿法使得粮食水分含量的测量更加精确。

下面结合附图说明本发明的具体实现方式。

步骤1：对于待测粮食，若已确定待测粮食的拟合公式及系数常量，则进入步骤7；否则，准备好多组不同水分含量梯度的粮食样本。

步骤2：将杯体电容容器中充满粮食，打开电源。

步骤3：杯体电容中的粮食充当电容介质，和杯体容器共同组成杯体电容C_x，且其介电常数ε_x随粮食水分含量的不同而变化。

将被测量粮食放入传感器两极板间的介质空间腔。由于粮食含水量的不同，从而使电容器介质相对介电常数发生变化，即引起电容值变化。在设计中，极板厚度要充分小，以削弱边缘效应，还可以在极板外加装金属屏蔽罩。以减少外部生电压的干扰。

步骤4：杯体电容C_x、振荡电路中的电感L，电容C₀共同构成LC振荡电路模块的主要部分，其中电感L，电容C₀为固定常数，LC振荡电路模块产生振荡信号s(t)。

频率测量法主要采用FM调频原理，是由变容二极管进行调频，变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移。这样水分含量测量的范围就可以足够大。

根据振荡电路模块的电路图和公式可求出振荡频率的理论值。

由步骤3可得传感器电容C_x＝ε_xS/d，则振荡电路模块中的电容C＝C₀//C_x，那么结合公式可得振荡电路模块的频率理论值f，

其中，L为电感，且为固定常量，C为电容，C₀为回路中的电容值，为固定常量，C_x为传感器的电容，ε_x是待测粮食的介电常数，S是两极板的面积，d是传感器电容两极板间的距离。

步骤5：通过分频电路和计数电路统计出振荡信号s(t)的频率f，先测量第一次信号频率f1，然后关闭电源，重新启动，分别测重启之后30秒的频率f2，重启之后1分钟的频率f3，重启后10分钟的频率f4，最后求得频率平均值f。

步骤6：根据得到的多组频率平均值f和含水量y的数据，得到拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D，并确定其中的系数常量。

步骤7：准备好待测粮食，执行步骤2到步骤5，获得频率平均值f，令x＝f，并将其代入拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D中，求得粮食水分含量y。

实施例：

以大米为例，按照本发明提出的一种频率测量法测粮食水分含量的方法，测量大米中的水分含量。

首先，进行对一种频率测量法测粮食水分含量装置进行标定实验。按照国家标准GBT 21305-2007(谷物及谷物制品水分的测定)用烘干法制作了下面标定实验用的样本S₁～S₈八组样本。

其次，执行步骤2到步骤5，得到不同粮食水分含量对应的频率值，根据步骤6得到它们的拟合公式和拟合曲线。

表1本发明方法得到的频率-大米水分含量的对应关系

表1是本发明方法得到的频率-大米水分含量的对应关系。根据表1，得到图5中的拟合曲线，即，以大米为试验粮食，采用频率测量法测粮食水分含量的方法得到的频率和水分含量的拟合曲线。采用最小二乘法对测得的不同含水量和输出信号频率之间的关系进行回归分析，拟合成四次多项式，可得它对应的拟合公式为

y＝8E-05x⁴-0.026x³+3.254x²-178.4x+3670.

R²＝0.991，

其中x表示频率，y表示粮食含水量。

对于回归分析得到的数学模型，拟合曲线预测值与实际测量值间的互相关系数为

$R^2=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}})}^2}=0.991$

$\begin{array}{c}\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_i)}^2}\\ =0.024493\end{array}$

用上述拟合回归多项式计算的粮食样本预测值与测量值之间的标准误差RMSE约为2.45％，其中，n是用于回归分析的测量样点数，本次试验测量样点数为7；θ_i是在第i个样点测得的粮食含水量；是所有样点测量值的平均；是根据回归方程由在第i个样点测得的输出信号频率计算得到的含水量预测值；是所有样点预测值的平均。

本实验R²＝0.991说明回归方程与测量数据之间的相关性非常好。

最后，对于待测大米，执行步骤2到步骤5，得到频率值f，并令x＝f，将其代入拟合公式，求得其水分含量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1：在测试之前，对部分常见粮食做过仪器使用的标定实验，并已确定其拟合公式及系数常量，对于待测粮食，若其为已进行过标定实验的部分常见粮食中的一种，则进入步骤7；否则，准备好多组不同水分含量梯度的粮食样本；

步骤2：将杯体电容中充满粮食，打开电源；

步骤3：杯体电容中的粮食充当电容介质，和杯体容器共同组成杯体电容C_x，且其介电常数ε_x随粮食水分含量的不同而变化；

步骤4：杯体电容C_x、振荡电路中的电感L，电容C₀共同构成LC振荡电路模块的主要部分，其中电感L，电容C₀为固定常数，LC振荡电路模块产生振荡信号s(t)，其中，t表示时间；

步骤5：通过分频电路模块和计数电路模块测量出振荡信号s(t)的频率f，先测量第一次信号频率f1，然后关闭电源，重新启动，分别测重启之后30秒的频率f2，重启之后1分钟的频率f3，重启后10分钟的频率f4，最后求得频率平均值f；

步骤6：根据得到的多组频率平均值f和含水量y的数据，得到拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D，并确定其中的系数常量A、B、C和D，其中x代表频率f；

步骤7：准备好待测粮食，执行步骤2到步骤5，获得频率平均值f，令x＝f，并将其代入拟合公式y＝Ax³+Bx²+Cx+D中，求得粮食水分含量y。

2.根据权利要求1所述的一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其特征在于，所述粮食为颗粒状或粉状粮食。

3.根据权利要求1所述的一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其特征在于，所述频率测量法测粮食水分含量的装置由杯体电容、LC振荡电路、分频电路、计数电路、频率水分含量转换模块、显示电路组成；

所述杯体电容、LC振荡电路相连，构成振荡电路模块，用于产生振荡信号；

所述振荡电路模块、分频电路、计数电路、频率水分含量转换模块、显示电路依次串联，用于测量高频正弦信号的频率，并将其转换为粮食水分含量。

4.根据权利要求1或3所述的一种频率测量法测粮食水分含量的方法，其特征在于，所述杯体电容采用杯体容器式结构，为圆柱体，包括圆柱侧面、底面和盖板，且容器中有中心圆柱棒、第一圆柱棒、第二圆柱棒、第三圆柱棒、第四圆柱棒，用于构成杯体电容C_x；

所述中心圆柱棒作为杯体电容的一极，固定于所述杯体电容轴心，与所述LC振荡电路相连；

所述第一圆柱棒、第二圆柱棒、第三圆柱棒、第四圆柱棒分别平均分布，固定在所述中心圆柱棒四周。