CN108279261A - 一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置及方法，装置包括信号发生器，信号发生器的输出端通过传输线连接测量装置的一端，测量装置包括铝壳，铝壳内形成圆柱形腔体，圆柱形腔体中间设有内圆柱述内圆柱通过支撑杆连接到铝壳内侧，内圆柱与圆柱形腔体之间形成谷物流动空间，铝壳一侧上下均设有跷板，谷物通过跷板流入圆柱形腔体内，利用内圆柱将谷物分开，谷物与铝壳形成电极板，测量装置的另一端通过同轴电缆连接示波器的输入端。在电容法原理的基础上，以谷物含水量测量为核心，研究了基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测技术，为谷物含水量测量传感器的高精度、大范围、自动化、微型化及智能化研发提供科学依据。

Description

一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置及方法

技术领域

本发明属于谷物水分检测技术领域，尤其是涉及一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置及方法。

背景技术

在利用干燥机进行长时间、高降水率谷物干燥过程中，如何进行不同环境条件下、不同谷物含水率的精确在线测量，对于及时和准确地调整干燥机的工作状态、实现谷物合理干燥和粮食储藏具有重要意义。谷物水分是谷物中自由水与结合水的总称，自由水是通过物理吸附作用凝聚在谷物颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；结合水是通过化学作用吸附在谷物细胞内或谷物分子结构中的水分。自由水具有普通水的一般性质，直接影响谷物的物理和化学特性。就谷物含水量的检测而言，谷物水分含量就是指自由水的含量。一方面，为使谷物在存储及加工过程中，维持生命和保持谷物所固有的色、气、味、种用品质及食用品质，对谷物的含水量进行精确检测就显得非常重要。另一方面，在谷物干燥中，含水量的测量结果直接影响干燥系统的控制精度。因此，研制精度高、响应快的谷物水分在线检测装置就非常必要。现有的检测装置离线工作时精度较高，可靠性好，但不宜安装到工业现场，不能对谷物水分进行实时测量。目前，我国生产的大部分谷物干燥机还没有高质量的水分在线检测装置，烘后谷物过干或未达安全水分的情况相当普遍。国内外对水分检测的研究开展较早，主要有直接检测和间接检测两种，对于在线测量一般用间接检测，它包括红外式、微波式、核磁共振式、中子式、电导式、电容式等。前4种由于结构复杂，造价昂贵，使用维修不方便，多用于大型生产线的在线检测，而且取得了较满意的成果。电容式和电导式是常用的方法。电导式存在着测试精度较低，且受电解质及被测谷物的温度影响大等缺点。本文在分析电容法原理的基础上，以谷物含水量测量为核心，研究了基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测技术，为谷物含水量测量传感器的高精度、大范围、自动化、微型化及智能化研发提供科学依据。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，在电容法原理的基础上，以谷物含水量测量为核心，研究了基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测技术，为谷物含水量测量传感器的高精度、大范围、自动化、微型化及智能化研发提供科学依据。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，包括信号发生器，所述信号发生器的输出端通过传输线连接测量装置的一端，所述测量装置包括铝壳，所述铝壳内形成圆柱形腔体，所述圆柱形腔体中间设有内圆柱，所述内圆柱通过支撑杆连接到铝壳内侧，所述内圆柱与圆柱形腔体之间形成谷物流动空间，所述铝壳一侧上下均设有跷板，谷物通过跷板流入圆柱形腔体内，利用内圆柱将谷物分开，谷物与铝壳形成电极板，所述测量装置的另一端通过同轴电缆连接示波器的输入端；

所述铝壳与谷物表面接触，用于接收信号发生器产生的激励信号，并根据谷物的水分含量输出对应的电压值；

所述信号发生器用于产生激励信号，并将所产生的激励信号通过传输线传输到测量装置的铝壳上。

进一步的，所述圆柱形腔体的直径为65mm，内圆柱的直径为40mm，圆柱形腔体的高度为100mm。

进一步的，所述铝壳内还设有PVC塑料圆筒。

进一步的，所述信号发生器发出的信号源为1MHZ。

进一步的，所述信号发生器的信号源通过1KΩ的电阻与测量装置连接。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置具有以下优势：

(1)本发明所述的圆柱形极板具有较为稳定的电参数，如要增加电容量，则只需增加筒长即可，即改变电容量较为方便；

(2)当谷物沿着跷板向上爬行时，利用谷物自重和风力对圆柱形极板间的流动谷物产生压力，使得在测量时极板间谷物的紧实度保持一致，从而消弱了因紧实度对测量精度的影响；

(3)将整个圆柱形极板放置在铁壳内，由于铁壳的屏蔽作用，减少了外界静电的干扰；

(4)在圆柱形极板与铝壳之间加入一PVC套管，削弱了电容场的边缘效应，提高了测试的精度。

本发明的另一目的在于提出一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测方法，在电容法原理的基础上，以谷物含水量测量为核心，研究了基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测技术，为谷物含水量测量传感器的高精度、大范围、自动化、微型化及智能化研发提供科学依据。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测方法，具体包括如下步骤：

(1)将谷物注入检测装置中，利用信号发生器产生激励信号给测量装置；

(2)测量装置根据谷物的含水量输出对应的输出电压给示波器；

(3)示波器根据谷物的含水率与电压的函数关系得出谷物的含水量。

进一步的，所述步骤(3)中谷物的含水率与电压的函数关系的具体计算过程如下：

(31)将流动的谷物分为谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质三部分，设谷物的总电容为C_x，将谷物的总电容C_x分为谷物间空隙电容C₀、谷物水分电容C₁、谷物干物质电容C₂，且满足公式(1)所示：

其中，H——圆柱形腔体的高度，D——圆柱形腔体的直径，d——内圆柱的直径，ε₀——谷物间的空气隙电介常数，ε₁——谷物的水分电介常数，ε₂——谷物干物质电介常数，均为定值；

(32)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的重量分别为G₀、G₁、G₂，谷物间隙的空气重量可视为零，故三部分总重量G如公式2所示：：

G＝G₁+G₂＝πγ_d(D-d)H₂+πγ_w(D-d)H₁ (公式2)

其中：γ_d——谷物干物质的比重，γ_w——谷物水分的比重，取值为1，

所以待测谷物的含水率如公式3所示：

(33)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的体积分别为V₀、V₁、V₂，总体积为V，两极板间谷物的空隙比e，即谷物堆积密度，称为紧实度，定义如下：

(34)将公式3和公式4进行变换，带入公式1得到总电容C_x与谷物含水率的关系如公式5所示：

把K₀设为常数，则公式5可以变换为公式6：

由波形转换公式(公式7)(公式8)

其中U_a为实际测量电压值，K_p为波峰系数，由于输入的波形为正弦波，所以取K_p＝1.414，

得到含水率W与实际测量电压值U_a的关系式为

本发明所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测方法与上述一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种谷物在线含水量检测装置的立体图意图；

图3为本发明实施例所述的一种谷物在线含水量检测装置的侧视图。

图4为本发明实施例所述的圆柱形极板模型的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的谷物含水率和输出电压的关系模型。

附图标记说明：

1-信号发生器；2-内圆柱；3-支撑杆；4-翘板；5-示波器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1、2所示，一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，包括信号发生器1，所述信号发生器1的输出端通过传输线连接测量装置的一端，所述测量装置包括铝壳，所述铝壳内形成圆柱形腔体，所述圆柱形腔体中间设有内圆柱2，所述内圆柱2通过支撑杆3连接到铝壳内侧，所述内圆柱2与圆柱形腔体之间形成谷物流动空间，所述铝壳一侧上下均设有跷板4，谷物通过跷板4流入圆柱形腔体内，利用内圆柱2将谷物分开，谷物与铝壳形成电极板，所述测量装置的另一端通过同轴电缆连接示波器5的输入端；所述铝壳与谷物表面接触，用于接收信号发生器1产生的激励信号，并根据谷物的水分含量输出对应的电压值；所述信号发生器1用于产生激励信号，并将所产生的激励信号通过传输线传输到测量装置的铝壳上。

本发明的测量装置是由厚度为1mm的薄铝片制作而成的，圆柱形腔体的直径D为65mm，内圆柱2的直径d是40mm，圆柱形腔体的高度H为100mm。为了减小弥散效应对测量结果的影响，在圆柱形腔体外套上厚度为3mm、内径为65mm、高度为140mm的PVC塑料圆筒。信号源经过1KΩ的电阻与测量装置相联，示波器5通过同轴电缆与测量装置相连接。

本实验采用南京盛普仪器科技有限公司生产的F40型数字合成函数信号发生器，它是一种精密的测试仪器，具有输出函数信号、调频、调幅、频率扫描等信号的功能。此外，本仪器还具有测频和计数的功能。主要性能指标：(1)主波形为正弦波、方波、TTL波，输出频率为1000uHz～40MHz，波形失真度为0.1％，频率误差为±5×10^-6，频率稳定度为±1×10^-6。(2)脉冲波占空比分辨率高达千分之一。(3)小信号输出幅度可达1mV，大信号输出幅度可达几十伏。(4)数字调频分辩率高、准确。(5)猝发模式具有相位连续调节功能。(6)相位调节分辨率达0.1度。(7)频率扫描输出可任意设置起点、终点；频率变化量仅为万分之一。(8)具有频率测量和计数功能，计数容量为≤4.29×10⁹，可手动，也可外闸门控制。

示波器5是采用江苏绿扬电子仪器有限公司生产的YB4360型双踪四迹示波器，主要性能指标：(1)最大输入直流电压为300V，交流峰峰值电压为300V。(2)输入阻抗为1MΩ±2％，输入电容为25pF±3pF。

(3)频带宽度为：交流10Hz～60MHz，直流0～60MHz。(4)在室温下，精度可达±5％。(5)工作电源电压为交流220V±10％，频率为50Hz±5％。

利用上述测量装置进行测量的方法，具体包括如下步骤：

(1)将谷物注入检测装置中，利用信号发生器产生激励信号给测量装置；

(2)测量装置根据谷物的含水量输出对应的输出电压给示波器；

(3)示波器根据谷物的含水率与电压的函数关系得出谷物的含水量。

所述步骤(3)中谷物的含水率与电压的函数关系的具体计算过程如下：

(31)将流动的谷物分为谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质三部分，设谷物的总电容为C_x，将谷物的总电容C_x分为谷物间空隙电容C₀、谷物水分电容C₁、谷物干物质电容C₂，且满足公式(1)所示：

其中，H——圆柱形腔体的高度，D——圆柱形腔体的直径，d——内圆柱的直径，ε₀——谷物间的空气隙电介常数，ε₁——谷物的水分电介常数，ε₂——谷物干物质电介常数，均为定值；

(32)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的重量分别为G₀、G₁、G₂，谷物间隙的空气重量可视为零，故三部分总重量G如公式2所示：：

G＝G₁+G₂＝πγ_d(D-d)H₂+πγ_w(D-d)H₁ (公式2)

其中：γ_d——谷物干物质的比重，γ_w——谷物水分的比重，取值为1，

所以待测谷物的含水率如公式3所示：

(33)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的体积分别为V₀、V₁、V₂，总体积为V，两极板间谷物的空隙比e，即谷物堆积密度，称为紧实度，定义如下：

(34)将公式3和公式4进行变换，带入公式1得到总电容C_x与谷物含水率的关系如公式5所示：

把K₀设为常数，则公式5可以变换为公式6：

由波形转换公式(公式7)(公式8)

其中U_a为实际测量电压值，K_p为波峰系数，由于输入的波形为正弦波，所以取K_p＝1.414，

得到含水率W与实际测量电压值U_a的关系式为

本申请把上面圆柱形极板作为在线谷物水分传感器，通过上式分析可知传感器的阻抗与谷物湿度之间单值函数的关系，这种关系受到下列几种因素的影响：第一，传感的结构参数D、d、H和激励源的频率f，对于确定的传感器和一定的激励源，则各参数均为常量。第二，三部分物质的介电常数ε₀、ε₁、ε₂，在常温下，粮食干物质的介电常数ε₂为2～5，而纯水的介电常数ε₁约为81。在线测量过程中，由于温度的变化而引起的介电常数的变化是不可勿视的。经实验证明，这种影响可以通过温度补偿的方法进行修正。第三，紧实度e的变化是影响传感器测试精度的最主要因素，在公式7中，每一项都含有e的成分，因此必须克服该因素的影响。以前的研究者大都采用分批采样及恒定频率的压实法等，但都是分批采样，不是在线测试。有研究者采用在出料口处安装电磁振荡排料器，当电磁振荡排料器均匀振荡时，传感器两极板间流动的谷物紧密度基本保持一致。在此研究的基础上，利用谷物自重和一定风力对被测谷物进行压实，使被测谷物的压实度e基本保持不变，所以减弱了压实度e对测量结果的影响。

在测量过程中本实验所选用的谷物是水稻早杂品种，稻谷的最初湿度为10.22％～21.3％。为了获得较高的含水率，将稻谷分成10组，每一组为1kg，分别放置在不同的玻璃器皿。贴好标签后，安置在温度和湿度相对可以控制的环境中。在环境温度为4℃下保存7d，以达到谷物内外水分含量平衡。谷物放到玻璃器皿之前，应在每一种谷物样品上洒入不同量的蒸馏水，以使样品的水分含量不同而且分布大。测量之前，将每一种样品放在室温下24h，直到谷物表面的水分蒸发完，然后在每一样品中取出重量为M_W，用干燥箱进行干燥(本实验所采用的S.C.101恒温干燥箱主要参数：最高温度300℃，马达功率40w，工作室尺寸50*60*75cm，发热功率6Kw,电压220V，频率50Hz，转速2800r/min)，在温度为135℃下干燥24h后，取出测其干燥重量M_D，并算出每一样品的绝对含水量。

实验结果分析与验证

在每个不同的湿度上，测量10次，每次分别用1MHz、3MHz、5MHz、7MHz、10MHz、15MHz、20MHz信号源去激励，输入信号峰峰值电压为10V，用示波器测出峰值电压，将测得的数据取平均值，记录下来(见表1)。

表1谷物水分测量值

从表1分析可知：当激励信号的频率大于5MHz时，测量的电压值不能准确反映谷物含水率的变化；而在频率为1MHz的信号激励下，湿度差值相同，输出电压值差最大，对其进行回归分析，如图3所示，得到模型为：y＝12.74-23.052x，R²＝0.8173，用于验证数据的准确性。

将不同湿度的谷物放在测量装置中，在1MHz信号的激励下，测量其输出电压值，将测量结果代入y＝21.476-87.288x(R²＝0.9861)中，推算出对应的谷物含水率。然后将谷物用标准烘干法得到的实际含水率相比较，计算出测量的精度。在含水率在约为13％～22％的范围内进行10次测量，由表2可知，使用该谷物在线水分仪测量谷物水分时，其精度在±1.2％，可满足谷物干燥机控制的要求。

表2谷物水分测量值

本发明研制了谷物水分测量装置，在不同频率信号源的激励下，该处理装置的输出电压与相应的水分基本上成线性关系，而在频率为1MHz的信号激励下，湿度差值相同，输出电压值差最大。所以把1MHz确定为该处理装置的特征频率，预测模型为：y＝12.74-23.052x(R²＝0.8173)。

经过实验得出：在频率为1MHz的信号源的激励下，该在线含水量检测装置的预测模型为：y＝21.476-87.288x(R²＝0.9861)。检测装置的测量精度较高，误差仅为±1.2％，完全符合小型谷物干燥机的控制要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，其特征在于：包括信号发生器，所述信号发生器的输出端通过传输线连接测量装置的一端，所述测量装置包括铝壳，所述铝壳内形成圆柱形腔体，所述圆柱形腔体中间设有内圆柱，所述内圆柱通过支撑杆连接到铝壳内侧，所述内圆柱与圆柱形腔体之间形成谷物流动空间，所述铝壳一侧上下均设有跷板，谷物通过跷板流入圆柱形腔体内，利用内圆柱将谷物分开，谷物与铝壳形成电极板，所述测量装置的另一端通过同轴电缆连接示波器的输入端；

所述铝壳与谷物表面接触，用于接收信号发生器产生的激励信号，并根据谷物的水分含量输出对应的电压值；

所述信号发生器用于产生激励信号，并将所产生的激励信号通过传输线传输到测量装置的铝壳上。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，其特征在于：所述圆柱形腔体的直径为65mm，内圆柱的直径为40mm，圆柱形腔体的高度为100mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，其特征在于：所述铝壳内还设有PVC塑料圆筒。

4.根据权利要求1所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，其特征在于：所述信号发生器发出的信号源为1MHZ。

5.根据权利要求1所述的一种基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置，其特征在于：所述信号发生器的信号源通过1KΩ的电阻与测量装置连接。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的基于射频抗阻法的谷物在线含水量检测装置的谷物在线含水量检测方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)将谷物注入检测装置中，利用信号发生器产生激励信号给测量装置；

(2)测量装置根据谷物的含水量输出对应的输出电压给示波器；

(3)示波器根据谷物的含水率与电压的函数关系得出谷物的含水量。

7.根据权利要求6所述的在线含水量检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中谷物的含水率与电压的函数关系的具体计算过程如下：

(31)将流动的谷物分为谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质三部分，设谷物的总电容为C_x，将谷物的总电容C_x分为谷物间空隙电容C₀、谷物水分电容C₁、谷物干物质电容C₂，且满足公式(1)所示：

其中，H——圆柱形腔体的高度，D——圆柱形腔体的直径，d——内圆柱的直径，ε₀——谷物间的空气隙电介常数，ε₁——谷物的水分电介常数，ε₂——谷物干物质电介常数，均为定值；

(32)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的重量分别为G₀、G₁、G₂，谷物间隙的空气重量可视为零，故三部分总重量G如公式2所示：：

G＝G₁+G₂＝πγ_d ⁽D-d)H₂+πγ_w(D-d)H₁ (公式2)

其中：γ_d——谷物干物质的比重，γ_w——谷物水分的比重，取值为1，所以待测谷物的含水率如公式3所示：

(33)设谷物间空隙、谷物间水分以及谷物干物质的体积分别为V₀、V₁、V₂，总体积为V，两极板间谷物的空隙比e，即谷物堆积密度，称为紧实度，定义如下：

(34)将公式3和公式4进行变换，带入公式1得到总电容C_x与谷物含水率的关系如公式5所示：

把K₀设为常数，则公式5可以变换为公式6：

由波形转换公式

其中U_a为实际测量电压值，K_p为波峰系数，由于输入的波形为正弦波，所以取K_p＝1.414，

得到含水率W与实际测量电压值U_a的关系式为