CN104569082A - 果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置 - Google Patents

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张鹤岭
郭玉明
张建华
李晓斌
段震华
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Abstract

本发明公开一种果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置，包括电容传感器、无线接收器和上位机软件，其中电容传感器包括探针、电容测量单元、温度测量单元、模数转换单元和无线发送单元，无线接收器包括无线接收单元和串口通信单元。在真空冷冻干燥仓内，电容检测单元将插于果蔬中的探针的电容值转化为电压值，通过模数转换单元转换为数字信号，无线发送单元将采集到的数字信号通过射频网络发送到无线接收器，无线接收单元接收数字信号并通过串口发送到上位机，上位机软件读取数据，并由数字信号反算出果蔬的相对介电常数，进而建立果蔬介电常数与果蔬含水率的相关关系模型，以此为基础表达出含水率并在上位机上显示和记录，完成无线实时监测。

Description

果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置
技术领域
本发明属于农产品干燥加工技术领域，涉及一种在果蔬冷冻干燥过程中利用介电常数在线实时监测果蔬含水率的装置及使用方法。
背景技术
真空冷冻干燥技术可最大限度地保持干燥物料的色泽、营养、形态和品质，在农产品干燥加工中已被广泛关注和应用。但是，真空冷冻干燥加工耗时长、能耗大导致加工成本高成为制约该项技术在农产品加工领域发展的主要因素。因此减少冻干时间、优化探索低能耗冻干工艺、降低冻干能耗成为急需解决的关键技术问题，而所有这些问题均与被干燥物料的动态水分含量的在线监测有关。所以，被干燥物料的动态水分含量的在线监测的精确性、稳定性和实用性成为核心问题。
目前生产中冻干加工过程物料水分在线监测方法主要有称重法、湿度传感器法。称重法的重量传感器受温度影响较大，测量精度和稳定性有待解决。湿度传感器法使用三氧化二铝薄膜作为传感器测试含水率，传感器消毒较难且价格昂贵。因此，现有技术有待进一步的改进和提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置，与现有技术的在线监测方法相比本发明具有系统结构简单、无线测取数据、可重复等优点。
本发明采用的技术方案是：
本发明的果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置包括电容传感器、无线接收器和上位机软件。所述的电容传感器包括探针、电容测量单元、温度测量单元、模数转换单元和无线发送单元；所述的无线接收器包括无线接收单元和串口通信单元。在真空冷冻干燥仓内，电容检测单元将插于果蔬中的探针的电容值转化为电压值，通过模数转换单元转换为数字信号，无线发送单元将采集到的数字信号通过射频网络发送到无线接收器；无线接收单元接收数字信号并通过串口发送到上位机；上位机软件读取数据，并由数字信号反算出果蔬的相对介电常数，进而建立果蔬介电常数与果蔬含水率的相关关系模型，以此为基础表达出含水率并在上位机上显示和记录。
所述的无线发送单元为ZigBee终端节点，所述的无线接收单元为ZigBee协调器节点，根据应用需求可以添加ZigBee路由器节点增加传输距离。
所述的探针采用一对相同的不锈钢针组成，探针为电容检测单元的输入电容。
在冻干过程中，通过检测相对介电常数大小，可以根据实验值判别冻干加工是否终结。
本发明具有的效果是：本发明可在实际冻干加工生产的冻干物料仓中，连续在线检测果蔬物料的介电常数，并无线传输介电参数信号，再由此表达果蔬含水率，实现果蔬冻干加工在线无线监测果蔬冻干过程的含水率。本发明基于介电特性参数无线监测冻干过程含水率，与其它在线监测方法相比具有系统结构简单、无线测取数据、可重复等优点。本发明实现无线传输数据，不受有线测试的条件限制，对于果蔬冻干工艺优化，冻干技术节能降耗方法的研发，冻干生产加工过程监控等有重要应用价值。
附图说明
图1是本发明结构框图。
图2是本发明电容检测原理图。
图3是本发明电容检测器电路原理图。
图4是以苹果为例冻干过程中相对介电常数与含水率实验拟合曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括电容传感器、无线接收器和上位机软件。其中电容传感器包括探针、电容测量单元、温度测量单元、模数转换单元、无线发送单元。电容测量单元将探针的电容值转化为与之对应模拟电压，模拟电压经模拟转换单元转化为数字量，无线发送单元读取并发送电压数字量和温度值。本发明的无线接收器包括无线接收单元和串口通信单元。无线接收单元接收电容传感器的测量值，并通过串口通信单元与上位机进行通信。
如图2所示，本发明电容检测原理图，CIN为测量电容，CS1、CS2和CF为内部可调电容，CS1与CS2用于调节测量范围，CF为电荷积分器的积分电容，CS1、CS2、CF和运放器共同组成差分式开关电容电路，该电路将被测电容值转化为与之对应模拟电压，经低通滤波、补偿、放大等环节后输出。
如图3所示，本发明的电容检测器电路原理，所述的无线发送单元采用Chipcon公司推出的CC2530，所述电容测量单元采用美国Irvine传感器公司生产的MS3110，所述的模数转换单元采用ADI公司的高精度工业级A/D转换芯片AD7710，所述的温度检测单元采用美国DALLAS半导体公司推出的一线式数字温度传感器DS18B20。
(1) 电容测量单元  将探针插入果蔬中，幅值相同、相位相反的方波信号作为电路的激励源，实现对电容变化的调制。调制信号通过电荷积分放大电路将其探针的电容值转换为与之对应的电压模拟量，后经低通滤波电路与信号增益电路的优化，得到最终输出电压。采用美国Irvine传感器公司生产的MS3110，该芯片是一款低噪音、高精度的集成电容读取芯片（Universal capacitive readout IC，UCR IC），可以读取低至4.0 aF/Hz1/2的电容变化，适用于高性能要求的电容式传感器。
其理论传输公式为：
式中：GAIN为内部可调增益，本装置配置为GAIN=2V/V；
V2P25为芯片参考电压，理论值为2.25V；
CS1T=CS1，CS2T=CS2+CIN；
CF为电荷放大器的可调积分电容，可编程调整；
VREF可配置为0.5/2.25V，本装置配置为0.5V。
在冻干过程中电容很小，为满足冻干需要的前提下提高精度，配置芯片寄存器使本装置量程为0-7PF。
(2) 模数转换单元  采用ADI公司的高精度工业级A/D转换芯片AD7710，该芯片采用Δ-Σ技术实现24位无失码。芯片数字滤波器的第一槽口由控制寄存器控制，可以调节其截止频率和稳定时间。冻干仓内温度不稳定，但芯片的自校准模式有效消除温漂的影响，继而消除零点和满量程误差。
 模拟电压的范围为0.5–4V (MS3110输出电压的变化范围)，需保证基准电压大于4V。本发明采用精密、微功率电压参考芯片REF194作为AD7710的基准电压输入端，其基准电压为4.5V。该芯片采用专用的温度漂移曲率校正电路、高稳定的激光微调和薄膜电阻等技术，实现了极低温度系数和极高的精准度。
(3) 温度测量单元  冻干初期，冻干物料仓内温度不断升高，果蔬的介电特性受温度的影响较大。本发明目标是在冻干物料仓内温度达到稳定时，利用果蔬介电常数监测其含水率，因此传感器添加了温度检测单元。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一线式温度测量芯片。它仅有一根数据线进行数据读写，温度变化功率也来源于数据总线，总线本身还可以向所挂接的DS18B20供电。本发明具有3.3V的外部供电电压，保障芯片稳定工作。
(4) 无线发送单元和无线接收单元  本发明意在为冻干厂商提供更为方便、快捷的在线检测含水率方案，为此采用具有自组网、低功耗、低成本、短延迟的ZigBee技术。CC2530是用于ZigBee技术应用的一个真正的片上系统解决方案，结合配套的集成开发环境IDE使得ZigBee开发更加快捷。CC2530集成了性能优良的ZigBee收发器，增强型8051CPU，可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。另外，CC2530集成了压控振荡器，应用ZigBee技术只需天线、晶振等少量的外围电路元器件。
(5) 上位机软件 采用面向对象开发软件VB6.0开发上位机软件，实现数据的自动处理、读取、存储和显示。上位机通过USB转串口线读取接收器接收到的数据，并由此数据反算出相应的电容值。
根据电容计算相对介电常数的公式为:
式中：εr为相对介电常数；
Cmeasure为实时测量电容值；
Cno-load为空载电容值。
根据大量实验建立了不同果蔬含水率与相对介电常数数学模型，把测量的相对介电常数导入响应的模型可以准确计算出果蔬含水率。
如图4的所示，是以苹果为例冻干过程中相对介电常数与含水率实验拟合曲线示意图。相关系数达到0.988，说明本发明装置对果蔬冻干加工在线无线监测果蔬冻干过程的含水率准确率非常高。

Claims (3)

1.一种果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置，其特征是该监测装置包括电容传感器、无线接收器和上位机软件；所述的电容传感器包括探针、电容测量单元、温度测量单元、模数转换单元和无线发送单元；所述的无线接收器包括无线接收单元和串口通信单元；在真空冷冻干燥仓内，电容检测单元将插于果蔬中的探针的电容值转化为电压值，通过模数转换单元转换为数字信号，无线发送单元将采集到的数字信号通过射频网络发送到无线接收器；无线接收单元接收数字信号并通过串口发送到上位机；上位机软件读取数据，并由数字信号反算出果蔬的相对介电常数，进而建立果蔬介电常数与果蔬含水率的相关关系模型，以此为基础表达出含水率并在上位机上显示和记录。
2.根据权利要求1所述的果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置，其特征在于，所述的无线发送单元为ZigBee终端节点，所述的无线接收单元为ZigBee协调器节点，根据应用需求可以添加ZigBee路由器节点增加传输距离。
3.根据权利要求1所述的果蔬冻干过程含水率无线实时监测装置，其特征在于，所述的探针采用一对相同的不锈钢针组成，探针为电容检测单元的输入电容。
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