CN107247076A - 一种在线水分分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线水分分析仪，包括：谷物干燥模块、取样模块、水分采集模块、温度采集模块、电机控制模块、主控模块；所述谷物干燥模块，用于将谷物进行加热干燥；所述取样模块，用于通过电机从所述谷物干燥模块中的待检测谷物进行取样，得到取样谷物；所述水分采集模块，用于采集所述取样谷的水分值；所述温度采集模块，用于采集所述取样谷物所在环境的温度值；所述电机控制模块，用于控制电机的运行、以及对流经电机的电流值进行采样；所述主控模块，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。应用本发明实施例提供的技术方案，能够进一步提高待检测谷物的目标含水率。

Description

一种在线水分分析仪
技术领域
本发明涉及谷物水分检测技术领域，特别涉及一种在线水分分析仪。
背景技术
谷物含水率是特定谷物中包含的水分与重量的比值，是影响谷物品质的一个重要因素。实际应用中，谷物含水率可以决定了谷物贮藏的安全性，也同样谷物加工工艺与流通过程需要用到。例如在谷物的加工过程需要进行干燥，干燥是要达到减少谷物中水分含量的目的，通常是采用同热风或者直接对谷物进行加热，以降低谷物的含水率，但是干燥到什么程度可以停止，需要由获得的谷物含水率进行决定。从而，在对谷物的加工过程中可以不影响谷物营养成分及品质。
现有的谷物含水率的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，且谷物所处环境对谷物含水率的影响并没有考虑进去，就会导致测量结果不真实、不准确。
可见现有的在线电阻式谷物水分测量装置不能准确的获得谷物的含水率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线水分分析仪，以提高对谷物含水率的测量。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：一种在线水分分析仪，包括：谷物干燥模块、取样模块、水分采集模块、温度采集模块、电机控制模块、主控模块；
所述谷物干燥模块，用于将谷物进行加热干燥；
取样模块，用于通过电机从所述谷物干燥模块中的待检测谷物进行取样，得到取样谷物；
所述水分采集模块，用于采集所述取样谷的水分值；
所述温度采集模块，用于采集所述取样谷物所在环境的温度值；
所述电机控制模块，用于控制电机的运行、以及对流经所述电机的电流值进行采样；
所述主控模块，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。
具体的，所述电机控制模块，包括：继电器电路、电机驱动电路和电流采样电路；
所述继电器电路，用于通过所述主控模块的电机驱动和停止引脚经第一三极管基极输入后，经所述第一三极管的集电极与继电器相连，控制所述继电器的接通方向以驱动电机；
所述电机驱动电路，用于通过所述主控模块motor_clw引脚与第二三极管的基极相连，并通过所述第二三极管的集电极与继电器相连，以驱动电机的启动；
所述电流采样电路，以所述电机的线圈电流为测试点motor_test，所述motor_test输入第一反向放大器的反向输入端，所述第一反向放大器的正向输入端接地；经所述第一反向放大器输出后与第二反向放大器的正向输入端相连，所述第二反向放大器的反向输入端与第一电阻、第二电阻相连并接地，并在所述第二反向放大器的输出端与所述第一电阻和所述第二电阻的节点相连；所述第二反向放大器的输出端与第三反向放大器的正向输入端相连，所述第三反相放大器的反向输入端与所述第三反相放大器的输出端相连，所述第三反相放大器的输出端与所述主控模块相连。
可选的，所述水分采集模块，包括：水分传感器、开关模块和运放模块；
所述水分传感器的一端通过场效应管Q4与三极管Q5的集电极相连，所述三极管Q5的基极与所述主控模块相连，并通过电容与所述水分传感器的另一端相连，所述水分传感器的所述另一端通过电阻与所述开关模块的S1端相连，所述开关模块的S2端通过电阻与5V电压相连，其中，所述开关模块的型号为：DG419DY；
所述开关模块的输出端与所述运放模块相连，所述运放模块的输出端输入至第四反相放大器的正向输入端；所述第四反相放大器的反向输入端与所述第四反相放大器的正向输出端相连，所述第四反相放大器的输出端与所述主控模块相连。
可选的，所述温度采集模块，包括：温度传感器、放大器；
所述温度传感器用于采集所述待检测谷物所在环境的温度，并将所检测到的温度发送至所述放大器进行放大器，并发送至所述主控模块。
可选的，所述主控模块，包括：
根据预先设定的计算规则，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。
与现有技术相比，本发明的一种在线水分分析仪具有以下有益效果：
(1)、本发明的一种在线水分分析仪，可以提高对谷物含水率的测量结果；
(2)、本发明的一种在线水分分析仪，通过自动控制电机的运行，实现对取样谷物的碾压获得流经电机的电流，实现了电机自动控制的同时能获得谷物的电流值；
附图说明
图1是本发明的一种在线水分分析仪结构示意图；
图2a是本发明的在线水分分析仪的第一种电路图；
图2b是本发明的在线水分分析仪的第二种电路图；
图3是本发明的在线水分分析仪的第三电路图；
图4是本发明的在线水分分析仪的第四电路图。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明技术方案进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明技术方案，并不用于限制本发明技术方案的范围。
参见图1，图1是本发明的一种在线水分分析仪结构示意图，包括：谷物干燥模块1、取样模块2、水分采集模块3、温度采集模块4、电机控制模块5、主控模块6；
所述谷物干燥模块1，用于将谷物进行加热干燥；
取样模块2，用于通过电机从所述谷物干燥模块中的待检测谷物进行取样，得到取样谷物；
所述水分采集模块3，用于采集所述取样谷的水分值；
所述温度采集模块4，用于采集所述取样谷物所在环境的温度值；
所述电机控制模块5，用于控制电机的运行、以及对流经所述电机的电流值进行采样；
所述主控模块6，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。
需要说明的是，谷物干燥模块可以为谷物干燥设备，例如谷物烘干机，用于对谷物进行烘干，以减少谷物的含水率。本发明实施例中，谷物烘干机可以是本发明实施例所述的水分分析仪的一部分，也可以是分开的结构。
在本发明的一种实现方式中，谷物干燥模块可以是烘干机，且可以采用烘干机为分析仪的一部分结构，将烘干机通过通信总线与分析仪的主控模块实现通信连接，如，可以通过RS232、RS485等方式实现通信连接。
在本发明的另一种实现方式中，烘干机与分析仪的主体结构是分开的，在本发明的实现过程中，通过取样模块自动获取烘干机中进行烘干过的谷物，具体的获取频率可以是30s、1分钟、2分钟、5分钟等等，本发明实施例在此不对其进行限定。
本发明实施例中，取样模块2从谷物干燥模块1中获得谷物的方式可以为通过电机加皮带传送的方式，也可以通过机械手抓取的形式。
具体的，谷物干燥模块进行谷物干燥的方式可以为多种，例如，通过对谷物吹热风的方式，或者对谷物周围物体增加温度，通过热传导的方式烘干谷物内的温度，本发明实施例对谷物干燥方式不做限定。实际应用中可以根据谷物的不同类型进行选择谷物的干燥方式。
本发明实施例中，还包括获得谷物的水分值，具体的可以通过水分传感器直接测量谷物的水分值，可以理解的是，通过直接获得的方式获得谷物水分值比较片面，因为获得的是局部的水分值，且获得的方式不够准确，所以本发明实施例中，将获得水分值发送至主控模块6，以备进行数值处理；同样，还可以通过温度传感器获得谷物周围的温度值。本发发明实施例中，可以将温度传感器和/或水分传感器安装在水分仪的两个碾压轮之间，以用来碾压待测谷物，并通过该碾压轮在碾压过程中获得的数值，实时对温度和水分的采集，获得采集数据。
可以理解的是，电机的碾压轮在碾压的过程中能够获得实时变化的电流值，另外由物理学知识可以得到，当谷物的电阻值为已知时，即可得到流经谷物的电压值(电压值为电阻值与电流值的乘积)。然后根据主控模块中电压值和水分值的对应关系，既可以得到对应的水分值。需要说明的是，谷物的含水率与导电率的具有一定的计算关系，而导电率与电阻具有一定的计算关系、电阻与电流可以得到电压值、而电压值与水分值又存在预设的计算公式关系，所以可以得到水分值。具体的数学计算本发明实施例在此不对其进行赘述。
本发明基于谷物水分与电阻的关系研究，发现不同的谷物含水量，其电阻也不相同，谷物含水量越大，其电阻值越小，反之，谷物含水量越小，其电阻值越大，因此，本发明通过测量谷物的电阻值来确定谷物的水分值。
为了简单起见，在根据水分传感器计算到电阻值以后，计算谷物的电阻值，由于电流值为已知的测量值，所以可以得到电压值。再根据主控模块中预先存储的的电压和水分值的计算公式，进而可以得到目标水分值。
示例性的，具体的电压值和目标水分值的关系如下：
其中，所述f(z)为所述电压值，pn根据所述待检测谷物的检测环境设定的变量，z为谷物的目标水分值。那么在知道pn的情况下即可得到水分值。
示例性的，得得到的电压值为0.45V，在预设的pn的情况下，得到水分值为12.15％，可以理解的是，本发明实施例还计算出来了谷物的环境温度，还可以根据温度值对目标水分值进行修正，已得到目标含水率。
通过试验研究，电阻与水分的关系受到温度的影响，在常温-10～40℃的条件下，温度每升高1℃对电阻值的影响相当于其水分含量增加0.1％，即0.1％(湿度)/℃，因此本发明采用温度补偿处理实现水分的精准测量。
具体的，可以设定温度阈值，并根据温度阈值与测得的温度值对水分值进行修正。
例如，
M＝M水分值-P1*(T1-T2)
其中，所述M为修正后的目标含水率，M水分值为所述水分值，P1为预设温度值值，T1所述温度值，T2为预设参数值；
如果所述温度值低于预设温度值，则会根据所述温度值和所述预设温度值的所组成的水分修正公式，获得目标水分值；
所述修正公式具体表达为：
M＝M水分值+P1*(T1-T2)
其中，所述M为目标含水率，M水分值为所述水分值，P1为预设的参数值，T1所述温度值，T2为预设温度值。
应用本发明实施例提供的技术方案，通过温度对水分值进行补正，得到目标含水率，能够提高谷物含水率的测量结果。
应用本发明提供的实施例，还能够解决传统的粮食水分检测装置只能单纯的测量和显示，没有形成与粮食烘干设备配套的实时、在线控制系统，无法实现粮食干燥过程中的自动控制，降低烘干效率，造成能源浪费。
在本发明的一种实现方式中，所述电机控制模块，包括：继电器电路(如图2a)、电机驱动电路(如图2b)和电流采样电路(如图3)；
所述继电器电路，用于通过所述主控模块的电机驱动和停止引脚ONOFF经电阻R14后连接第一三极管Q1的基极，经所述三极管Q1的集电极通过二极管D2与24V电压相连，所述继电器与D2进行并联，通过D2上的压降以达到控制所述继电器K1的开关4接通开关5或者开关3，从而达到驱动电机的目的，J4为电机控制的引脚，本发明实施例在此不对其进行赘述。
所述电机驱动电路，用于通过所述主控模块motor_clw引脚与三极管Q3的基极相连，并通过所述三极管Q3的集电极连接的二极管D2与继电器K3相连，以驱动电机的的开关3和4连同或者开关5和6连通。
所述电流采样电路，如图3所示，以所述电机的线圈电流为测试点motor_test(电感T1的3脚)，所述motor_test输入第一反向放大器U1的反向输入端，U1的正向输入端接地；U1输出后与第二反向放大器U2的正向输入端相连，所述第二反向放大器U2的反向输入端与第一电阻R61、第二电阻R61相连并接地，并在所述第二反向放大器的U2输出端与所述第一电阻R61、第二电阻R61连接节点相连；所述第二反向放大器U2的输出端与第三反向放大器U3的正向输入端相连，所述第三反相放大器U3的反向输入端与所述第三反相放大器U3的输出端相连，所述第三反相放大器的输出端与所述主控模块的引脚相连。
应用本发明图2a、图2b和图3能够实现对电机电流的采样以及实现电机的自动控制。
具体的，本发明实施例中的水分采集模块，可以包括：水分传感器、开关模块和运放模块；
所述水分传感器J6(传感器通过J6的connector引脚接入电路)的一端通过场效应管Q4与三极管Q5的集电极相连，所述三极管Q5的基极与所述主控模块相连，并通过电容与所述水分传感器的另一端相连，所述水分传感器的所述另一端通过电阻与所述开关模块中芯片U11的S1端相连，所述开关模块的U11的S2端通过电阻与5V电压相连，其中，所述开关模块的型号为：DG419DY。
经U11的输出为具有一定频率的波形，经过运算放大器U12进行进一步放大后可以在输入反向放大器进行进一步放大处理，以提高获得的波形效果。
另外，所述开关模块的输出端与所述运放模块相连，所述运放模块的输出端输入至第四反相放大器的正向输入端；所述第四反相放大器的反向输入端与所述第四反相放大器的正向输出端相连，所述第四反相放大器的输出端与所述主控模块相连，此部分的电路结果为现有技术，本发明实施例在此不对其进行赘述。
本发明实施例的所述温度采集模块，包括：温度传感器、放大器；
所述温度传感器用于采集所述待检测谷物所在环境的温度，并将所检测到的温度发送至所述放大器进行放大器，并发送至所述主控模块。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种在线水分分析仪，其特征在于，包括：谷物干燥模块、取样模块、水分采集模块、温度采集模块、电机控制模块、主控模块；
所述谷物干燥模块，用于将谷物进行加热干燥；
取样模块，用于通过电机从所述谷物干燥模块中的待检测谷物进行取样，得到取样谷物；
所述水分采集模块，用于采集所述取样谷的水分值；
所述温度采集模块，用于采集所述取样谷物所在环境的温度值；
所述电机控制模块，用于控制电机的运行、以及对流经所述电机的电流值进行采样；
所述主控模块，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。
2.根据权利要求1所述的在线水分分析仪，其特征在于，所述电机控制模块，包括：继电器电路、电机驱动电路和电流采样电路；
所述继电器电路，用于通过所述主控模块的电机驱动和停止引脚经第一三极管基极输入后，经所述第一三极管的集电极与继电器相连，控制所述继电器的接通方向以驱动电机；
所述电机驱动电路，用于通过所述主控模块motor_clw引脚与第二三极管的基极相连，并通过所述第二三极管的集电极与继电器相连，以驱动电机的启动；
所述电流采样电路，以所述电机的线圈电流为测试点motor_test，所述motor_test输入第一反向放大器的反向输入端，所述第一反向放大器的正向输入端接地；经所述第一反向放大器输出后与第二反向放大器的正向输入端相连，所述第二反向放大器的反向输入端与第一电阻、第二电阻相连并接地，并在所述第二反向放大器的输出端与所述第一电阻和所述第二电阻的节点相连；所述第二反向放大器的输出端与第三反向放大器的正向输入端相连，所述第三反相放大器的反向输入端与所述第三反相放大器的输出端相连，所述第三反相放大器的输出端与所述主控模块相连。
3.根据权利要求1或2所述的在线水分分析仪，其特征在于，所述水分采集模块，包括：水分传感器、开关模块和运放模块；
所述水分传感器的一端通过场效应管Q4与三极管Q5的集电极相连，所述三极管Q5的基极与所述主控模块相连，并通过电容与所述水分传感器的另一端相连，所述水分传感器的所述另一端通过电阻与所述开关模块的S1端相连，所述开关模块的S2端通过电阻与5V电压相连，其中，所述开关模块的型号为：DG419DY；
所述开关模块的输出端与所述运放模块相连，所述运放模块的输出端输入至第四反相放大器的正向输入端；所述第四反相放大器的反向输入端与所述第四反相放大器的正向输出端相连，所述第四反相放大器的输出端与所述主控模块相连。
4.根据权利要求1所述的在线水分分析仪，其特征在于，所述温度采集模块，包括：温度传感器、放大器；
所述温度传感器用于采集所述待检测谷物所在环境的温度，并将所检测到的温度发送至所述放大器进行放大器，并发送至所述主控模块。
5.根据权利要求1所述的在线水分分析仪，其特征在于，所述主控模块，包括：
根据预先设定的计算规则，用于根据所述水分值、所述温度值和所述电流值进行融合，并获得所述待检测谷物的目标含水率。
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