CN106066349A - 一种电容式水分传感器组件的水分计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式水分传感器组件的水分计算方法。该组件包括绝缘外皮、多个电容式水分传感器。绝缘外皮将这些电容式水分传感器前后依次包覆在内，以呈直线型。所有电容式水分传感器的驱动电路板通过电源总线供电且通过通讯总线通讯。该水分计算方法包括以下步骤：(1)传感器在粮食中的电容值减去传感器事先在空气中测得的电容值，得到电容相对变化值ΔC；(2)将电容相对变化值ΔC与粮食温度值T代入二元函数中，得到当前水分值MC，二元函数为：本发明能够准确减少粮食水分的测量误差。

Description

一种电容式水分传感器组件的水分计算方法

技术领域

本发明涉及一种传感器组件的水分计算方法，尤其涉及一种电容式水分传感器组件的水分计算方法。

背景技术

粮食水分检测对大规模粮食存储意义重大。水分过高是粮食发热、霉变、生虫等其他生化变化的关键因素，而水分过低则造成粮食减重，影响品质。实时掌握仓储粮食的水分含量，及时发现、定位和消除隐患，保证储粮质量，是现今粮食仓储和烘干的重点。

目前粮食行业水分测量主要依赖人工检测。温度传感器无法检测到距离很近的发热现象。中国第201010250248.5号专利申请公开了一种“粮食粮库内粮食温湿度检测装置”，该专利通过放置在储粮内部的空气湿度来估计粮食水分，而非直接测量粮食水分。

中国专利第200810055014.8公开了一种“在线测量粮库粮食温度、水分的数字传感装置”，采用粮食作为电容传感器的电介质，检测电容值并修正粮食容重与温度的影响，得到粮食水分值。该专利并未给出具体的修正方法。该专利所述的电容传感器结构是，分别套固于硬塑料管两端的两个金属圆筒作为电容器的两个电极。根据ANSYS有限元电磁仿真结果可知，电容正负极间距误差可对传感器电容和灵敏度造成较大的影响。虽然这种影响会随着正负极间距的增加而减小，但代价是灵敏度的下降，因此精确控制正负极间距是器件设计必须考虑的问题。

期刊“仪表技术与传感器”2010年第1期发表的论文“粮食水分在线测量传感器”，文中电容器的正负极电极并排固定在封装管上，但未提及消除传感器电极间距误差和校准的方法。另外电极表面裸露在外，不仅有电容还有电导效应。后者会干扰检测信号。

IEEE Sensors Journal,VoL.8,NO.3,2008发表的“Fringing Field CapacitanceSensor for Measuring the Moisture Content of Agricultural Commodities”公布了一种水分传感器。它将正极套在厚度1-3mm的聚四氟乙烯管内，后者长度比前者长4-6mm，即两端各长出2-3mm。两只负极通过一根穿过正极内部的连杆连接。连杆两端通过螺纹与负极连接，三者旋紧，聚四氟乙烯管顶住负极，形成正负极之间的间隙。该设计的正负极间距仅为2-3mm，由ANSYS仿真可知，在装配加工过程中产生的微小误差(0.1-0.5mm)即可产生较大的电容变化(见图1)，聚四氟乙烯管壁较薄，高精度加工难度大。旋紧固定的方式本来就稳定，很容易在运输和使用过程中松动，造成很大的测量误差。更重要的是，传感器的成本较高，影响推广。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电容式水分传感器组件的水分计算方法，其能够准确减少粮食水分的测量误差。

本发明的解决方案是：一种电容式水分传感器组件的水分计算方法，该电容式水分传感器组件包括绝缘外皮、多个电容式水分传感器；绝缘外皮将这些电容式水分传感器前后依次包覆在内，以呈直线型；所有电容式水分传感器的驱动电路板通过电源总线供电且通过通讯总线通讯；该水分计算方法包括以下步骤：(1)传感器在粮食中的电容值减去传感器事先在空气中测得的电容值，得到电容相对变化值ΔC；(2)将电容相对变化值ΔC与粮食温度值T代入二元函数中，得到当前水分值MC，二元函数为：

作为上述方案的进一步改进，该电容式水分传感器包括绝缘卡箍一、绝缘固定件一、负极一、绝缘连接件一、正极、绝缘连接件二、负极二、绝缘固定件二、绝缘卡箍二、钢丝绳、驱动电路板、温度传感器；其中：正极、负极一、负极二分别与驱动电路板电性连接，负极一的一端安装有固定件一，负极一的另一端通过连接件一连接正极的一端，正极的另一端通过连接件二连接负极二的一端，负极二的另一端安装固定件二；钢丝绳依次穿过负极一、正极、负极二并穿出负极二，且两端分别通过固定件一和固定件二固定；卡箍一和卡箍二分别固定在钢丝绳的两端且位于相应固定件的外侧；驱动电路板固定在固定件一上，温度传感器电性安装在驱动电路板上。

进一步地，固定件一和固定件二将钢丝绳固定在正极、负极一、负极二的中心连接线上。

再进一步地，负极一、正极、负极二采用连接件一和连接件二连接时，通过螺纹连接的方式连接。

优选地，连接件一和连接件二上的螺纹均位于相应连接件的两端，连接件中间位置的直径大于连接件两端的直径以形成台阶；连接件一和连接件二的两端插入在相应的正极、负极一、负极二内。

再优选地，连接件一裸露在负极一与正极之间的长度、连接件二裸露在正极与负极二之间的长度均大于10mm。

进一步地，固定件一、负极一、连接件一、正极、连接件二、负极二、固定件二外径相同。

再进一步地，卡箍一、固定件一、负极一、连接件一、正极连接件二、负极二、固定件二、卡箍二同轴设置；钢丝绳的圆心与整个传感器的圆心的偏心距小于0.1mm。

作为上述方案的进一步改进，传感器事先在空气中测得的电容值是在如下条件下得到的：(1)烘干机应用：将传感器安装好之后，在不装粮的情况下，测量传感器的电容值；(2)粮仓应用：电容式水分传感器的驱动电路板通过电源总线供电且通过通讯总线通讯，将连接传感器的电源总线与通讯总线拉直并与传感器的轴线共线，以传感器为圆心，在垂直传感器的平面上半径1.5m的范围内为空气的情况下，得到的传感器的电容值。

作为上述方案的进一步改进，传感器电容的获得方法是，传感器的驱动电路板先产生与传感器电容相关的电信号，之后以已知的函数将电信号换算成电容值，电信号有电流、电压、频率。

本发明能够准确减少粮食水分的测量误差。

附图说明

图1现有的传感器在装配加工过程中有可能产生的电容变化图。

图2为本发明电容式水分传感器组件的结构框图。

图3为图2中电容式水分传感器的结构示意图。

图4为图3传感器电容变化值与真实水分值的关系图。

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。

请一并参阅图2及图3，本发明的电容式水分传感器组件包括绝缘外皮16、电源总线14、通讯总线15、多个电容式水分传感器(如图3所示)。绝缘外皮16厚度＜2mm，加工的相对误差＜±10％。

电容式水分传感器包括绝缘卡箍一1、绝缘固定件一2、负极一3、绝缘连接件一4、正极5、绝缘连接件二6、负极二7、绝缘固定件二8、绝缘卡箍二9、钢丝绳10、驱动电路板11、温度传感器12。

正极5、负极一3、负极二7均是一个金属圆筒且分别与驱动电路板11电性连接，负极一3的一端安装有固定件一2，负极一3的另一端通过连接件一4连接正极5的一端，正极5的另一端通过连接件二6连接负极二7的一端，负极二7的另一端安装固定件二8。负极一3、正极5、负极二7采用连接件一4和连接件二6连接时，可通过螺纹连接的方式连接。固定件一2、负极一3、连接件一4、正极5、连接件二6、负极二7、固定件二8外径优选尽可能相同。

在本实施方式中，连接件一4和连接件二6上的螺纹均位于相应连接件的两端，连接件中间位置的直径大于连接件两端的直径以形成台阶。连接件一4和连接件二6的两端插入在相应的正极5、负极一3、负极二7内。

连接件一4和连接件二6的螺纹只位于两端，中间位置的直径大于两端，形成台阶。当连接件两端螺纹完全进入正极5、负极一3、负极二7之后，台阶侧面会顶住正极5、负极一3、负极二7的侧面，因此确定了正极5、负极一3、负极二7的距离。台阶宽度的加工误差为＜±0.1mm。

连接件一4裸露在负极一3与正极5之间的长度、连接件二6裸露在正极5与负极二7之间的长度均大于10mm。也就是说，固定件一2和固定件二8部分长度直接插入负极一3、负极二7，其未插入部分的长度＞10mm。

钢丝绳10、电源总线14和通讯总线15以此从固定件一2、负极一3、连接件一4、正极5、连接件二6、负极二7、固定件二8的内部穿过。钢丝绳10的一端依次穿过负极一3、正极5、负极二7并穿出负极二7，固定件一2和固定件二8用于将钢丝绳10固定在正极5、负极一3、负极二7的圆心连接线上。

卡箍一1和卡箍二9分别固定在钢丝绳10的两端且位于相应固定件的外侧。卡箍一1和卡箍二9位于固定件一2和固定件二8的外侧，并固定在钢丝绳10上，以避免传感器沿着钢丝绳10滑动。

卡箍一1、固定件一2、负极一3、连接件一4、正极5、连接件二6、负极二7、固定件二8、卡箍二9同轴设置。钢丝绳10的圆心与整个传感器的圆心的偏心距小于0.1mm。

驱动电路板11固定在固定件一2上面，温度传感器12电性安装在驱动电路板11上。正极、负极一3和负极二7分别通过电容导线(图未示)连接到驱动电路板11上，电容导线一共三根，分别将正极、负极一3和负极二7连接到驱动电路板11上。水分计算方式是，(1)传感器在粮食中的电容值减去传感器事先在空气中测得的电容值，得到电容相对变化值；(2)电容值经环境温度修正后，带入电容-水分计算公式中，得到当前水分值。

绝缘外皮16将这些电容式水分传感器前后依次包覆在内，以呈直线型。所有电容式水分传感器的驱动电路板11通过电源总线14供电且通过通讯总线15通讯。

本发明电容式水分传感器的水分计算方法，包括以下步骤。

(1)传感器在粮食中的电容值减去传感器事先在空气中测得的电容值，得到电容相对变化值。

传感器事先在空气中测得的电容值是在如下条件下得到的：

(1.1)烘干机应用：将传感器安装好之后，在不装粮的情况下，测量传感器的电容值。

(1.2)粮仓应用：电容式水分传感器的驱动电路板11通过电源总线14供电且通过通讯总线15通讯，将连接传感器的电源总线14与通讯总线15拉直并与传感器的轴线共线，以传感器为圆心，在垂直传感器的平面上半径1.5m的范围内为空气的情况下，得到的传感器的电容值。

(2)电容值经环境温度修正后，带入电容-水分计算公式、或者将电容相对变化值与温度值代入二元函数中，得到当前水分值。

传感器电容的获得方法是，传感器的驱动电路板11先产生与传感器电容相关的电信号，之后以已知的函数将电信号换算成电容值，电信号有电流、电压、频率。计算电容的电路可以集成在驱动电路上面，也可以放置在传感器之外。

本发明的传感器，其ANSYS电磁仿真结果(如表1所示)给出了不同间距和绝缘皮厚度下的理论最大测量误差，由此看出该设计是可行的。间距为正负极的间距，即连接件1和2的台阶宽度。间距加工误差±0.1mm，绝缘皮厚度相对误差±10％。

表1ANSYS电磁仿真结果

传感器组件的装配流程如下：

1、将负极一3、连接件一3、正极5、连接件二6、负极二7连接；

2、将电容导线穿过负极一3、连接件一4、正极5、连接件二6、负极二7和固定件一2；

3、将电容导线焊在驱动电路板11上，温度传感器12安装在驱动电路板11上；

4、将电容导线分别焊在负极一3、正极5、负极二7上，并剪掉多余的线；

5、将电源总线14、通讯总线15焊在驱动电路板11上；

6、将驱动电路板11固定在固定件一2上；

7、将连接其他传感器的电源总线14、通讯总线15穿过固定件一2；

8、将钢丝绳10穿过固定件一2；

9、将钢丝绳10和接其他传感器的电源总线14、通讯总线15绳穿过负极一3、连接件一4、正极5、连接件二6、负极二7；

9，将固定件一2固定在负极一3上；

10、将钢丝绳10和接其他传感器的电源总线14、通讯总线15绳穿过固定件二8；

11、将固定件二8固定在负极二7上；

12、将卡箍一1、卡箍二9固定在钢丝绳10上，传感器组件组装完成。

传感器的使用，将#1和#2两只传感器分别置于直径1米的两个圆筒中，各装填水分17％的600公斤稻谷。使用鼓风机对稻谷吹风降水。定期记录传感器的读数和真实水分值。结果如下表2所示，传感器电容变化值与真实水分值的关系如图4所示。

表2传感器的测量结果

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：

该电容式水分传感器组件包括绝缘外皮(16)、多个电容式水分传感器；绝缘外皮(16)将这些电容式水分传感器前后依次包覆在内，以呈直线型；所有电容式水分传感器的驱动电路板(11)通过电源总线(14)供电且通过通讯总线(15)通讯；

该水分计算方法包括以下步骤：(1)传感器在粮食中的电容值减去传感器事先在空气中测得的电容值，得到电容相对变化值ΔC；(2)将电容相对变化值ΔC与粮食温度值T代入二元函数中，得到当前水分值MC，二元函数为：

$MC=-(\frac{3}{15}+\frac{\mathrm{\Δ}C}{30})*T+1.09\mathrm{\Δ}C+7.2---\left(1\right).$

2.如权利要求1所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：该电容式水分传感器包括绝缘卡箍一(1)、绝缘固定件一(2)、负极一(3)、绝缘连接件一(4)、正极(5)、绝缘连接件二(6)、负极二(7)、绝缘固定件二(8)、绝缘卡箍二(9)、钢丝绳(10)、驱动电路板(11)、温度传感器(12)；其中：正极(5)、负极一(3)、负极二(7)分别与驱动电路板(11)电性连接，负极一(3)的一端安装有固定件一(2)，负极一(3)的另一端通过连接件一(4)连接正极(5)的一端，正极(5)的另一端通过连接件二(6)连接负极二(7)的一端，负极二(7)的另一端安装固定件二(8)；钢丝绳(10)依次穿过负极一(3)、正极(5)、负极二(7)并穿出负极二(7)，且两端分别通过固定件一(2)和固定件二(8)固定；卡箍一(1)和卡箍二(9)分别固定在钢丝绳(10)的两端且位于相应固定件的外侧；驱动电路板(11)固定在固定件一(2)上，温度传感器(12)电性安装在驱动电路板(11)上。

3.如权利要求2所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：固定件一(2)和固定件二(8)将钢丝绳(10)固定在正极(5)、负极一(3)、负极二(7)的中心连接线上。

4.如权利要求2所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：负极一(3)、正极(5)、负极二(7)采用连接件一(4)和连接件二(6)连接时，通过螺纹连接的方式连接。

5.如权利要求4所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：连接件一(4)和连接件二(6)上的螺纹均位于相应连接件的两端，连接件中间位置的直径大于连接件两端的直径以形成台阶；连接件一(4)和连接件二(6)的两端插入在相应的正极(5)、负极一(3)、负极二(7)内。

6.如权利要求5所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：连接件一(4)裸露在负极一(3)与正极(5)之间的长度、连接件二(6)裸露在正极(5)与负极二(7)之间的长度均大于10mm。

7.如权利要求2所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：固定件一(2)、负极一(3)、连接件一(4)、正极(5)、连接件二(6)、负极二(7)、固定件二(8)外径相同。

8.如权利要求7所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：卡箍一(1)、固定件一(2)、负极一(3)、连接件一(4)、正极(5)、连接件二(6)、负极二(7)、固定件二(8)、卡箍二(9)同轴设置；钢丝绳(10)的圆心与整个传感器的圆心的偏心距小于0.1mm。

9.如权利要求1所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：传感器事先在空气中测得的电容值是在如下条件下得到的：

(1)烘干机应用：将传感器安装好之后，在不装粮的情况下，测量传感器的电容值；

(2)粮仓应用：电容式水分传感器的驱动电路板(11)通过电源总线(14)供电且通过通讯总线(15)通讯，将连接传感器的电源总线(14)与通讯总线(15)拉直并与传感器的轴线共线，以传感器为圆心，在垂直传感器的平面上半径1.5m的范围内为空气的情况下，得到的传感器的电容值。

10.如权利要求9所述的电容式水分传感器组件的水分计算方法，其特征在于：传感器电容的获得方法是，传感器的驱动电路板(11)先产生与传感器电容相关的电信号，之后以已知的函数将电信号换算成电容值，电信号有电流、电压、频率。