CN111220662A - 一种在线式谷物水分实时监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线式谷物水分实时监测系统及方法，涉及到谷物干燥技术领域，包括平板型电容传感器、温度传感器、力传感器、测距传感器、信号处理电路、数据处理系统和人机交互界面。主要为了解决谷物烘干机中粮食在线监测困难、监测精度低的问题。其中，平板型电容传感器安装于谷物烘干机螺旋输送器后的谷物流道中，用于检测当前谷物电容值并通过信号处理电路上传至数据处理系统计算谷物当前水分值；使用温度传感器监测当前谷物温度，使用力传感器及测距传感器的检测结果计算当前谷物密实度，对谷物水分检测值进行温度及密实度补偿，可实现谷物水分的精确在线实时监测，本发明可应用于谷物烘干机械谷物水分监测上。

Description

一种在线式谷物水分实时监测系统及方法
技术领域
本发明涉及谷物烘干领域，尤其涉及到一种在线式谷物水分监测系统及方法。
背景技术
谷物干燥是农产品加工的重要环节，具有非线性、大滞后的特点，人工控制无法达到理想的效果，迫切需要发展智能化的粮食干燥模式。谷物烘干智能化控制的基础是对干燥过程中的谷物水分进行实时在线可靠的监测。因而，研究一种在线式谷物水分监测系统及方法具有重要的现实意义。
专利申请号201710400365.7公开了一种电阻式谷物水分检测仪，设计了一种碾压轮间隙精确调节系统以适应不同直径的谷物颗粒，提高了谷物水分的检测精度。专利201710400365.7 提出了一种可调碾压轮间隙的电阻式谷物水分检测仪，但电阻法属于有损检测方式，且传感器结构复杂，容易产生故障。
专利申请号201511030663.9公开了一种谷物水分分析仪、分析方法及谷物干燥系统，通过安装在谷物流道中的截流采样装置，对流道中的谷物进行间歇性采样测量其电容值，并对其进行温度补偿，实现谷物水分的在线检测。专利申请号201810495017.7公开了一种谷物水分传感器及测量谷物水分的方法，采用高频电磁法通过设计的采样装置对谷物进行采样，可实现联合收割机械谷物水分在线瞬态测量。专利201511030663.9和专利201810495017.7在谷物水分在线无损检测方面均提出了一种可靠的方式，但安装在谷物流道中的截流采样装置会对谷物正常流动造成不利影响，水分检测频率受采样装置采样周期制约，且未考虑谷物密实度对谷物水分检测精度的干扰。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中谷物水分在线无损检测困难，检测误差大的技术问题，提出了一种在线式谷物水分监测系统及方法，通过本发明监测系统可以实现在线式谷物密实度监测和谷物水分监测。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种在线式谷物水分监测系统，包括平板型电容传感器和测距传感器a和测距传感器b；所述平板型电容传感器设置在中空平行四边形柱内，且所述平板型电容传感器的两个极板上下平行设置；所述平板型电容传感器的外侧设置有极板绝缘层；
所述中空平行四边形柱置于流道上，且与流道接触的中空平行四边形柱面外侧上设置有力传感器；
所述测距传感器a和测距传感器b分别设置在中空平行四边形柱的出口端和入口端的正上方位置处，且测距传感器a探头和测距传感器b探头的连线与流道底面平行。
进一步的，还包括信号处理电路、数据处理系统和人机交互界面；所述信号处理电路接收平板型电容传感器、力传感器、测距传感器a和测距传感器b传递的信号，并把信号传送到数据处理系统，数据处理系统将信号处理后，并把处理后的结果反映在人机交互界面上。
进一步的，所述平板型电容传感器内部设置有温度传感器；所述温度传感器用于检测流道内籽粒的温度。
进一步的，所述测距传感器a和测距传感器b用来分别检测籽粒高度位置，即测距传感器a竖直下方最上端的籽粒与测距传感器a的距离H1，测距传感器b竖直下方最上端的籽粒与测距传感器b的距离H2。
进一步的，所述平板型电容传感器用来检测籽粒的电容。
一种在线式谷物水分监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在谷物密实度在线监测过程中，使用平板型电容传感器检测谷物电容值、温度传感器检测谷物温度值，力传感器检测谷物的力，从而得到力传感器在流道上的垂直分力，使用测距传感器a和测距传感器b检测监测区域前后两端谷物高度值；
步骤二：使用信号处理电路对平板型电容传感器、温度传感器、力传感器、测距传感器 a和测距传感器b的输出信号进行处理并上传至数据处理系统；
步骤三：数据处理系统使用力传感器检测值及测距传感器a和测距传感器b对谷物高度检测值计算谷物密实度。
进一步的，步骤三)中，数据处理系统根据谷物电容检测值计算当前谷物水分、谷物密实度，并结合谷物温度检测值对当前谷物水分进行密实度及温度补偿，将检测结果传送至人机交互界面进行显示，实现当前时刻谷物水分的在线精确检测。
进一步的，在线谷物水分精确检测公式如下：
Moisture＝f(c,t,ρ)
其中Moisture-谷物含水率；c-检测电容值；t-检测温度值；ρ-谷物密实度。
进一步的，步骤二中，谷物密实度计算公式如下所示：
Figure RE-GDA0002459950450000021
Figure RE-GDA0002459950450000031
Figure RE-GDA0002459950450000032
其中，M0-平板型电容传感器，中空平行四边形柱的质量之和；ρ-谷物密实度；M-谷物质量；V-平板型电容传感器，中空平行四边形柱及其内部和上表面谷物体积之和；V1-平板型电容传感器和中空平行四边形柱本身体积(不含腔内空间体积)之和；N-力传感器检测值； g-重力加速度；α-流道角度；A-中空平行四边形柱的边宽；B-中空平行四边形柱的边长；H- 测距传感器与下方流道的距离；H1-测距传感器a至竖直下方最上端籽粒的距离；H2-测距传感器b至竖直下方最上端的籽粒的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将平板型电容传感器安装至谷物流道中，可在不干扰谷物流动的情况下对谷物水分值进行实时在线检测，且水分检测频率可依据实际需求自由设定。
2.本发明通过对平板型电容传感器信号进行处理获得谷物水分值，并结合温度传感器、力传感器及测距传感器的信号对其进行温度及密实度补偿，从而能在谷物烘干过程中实现谷物水分的在线实时可靠监测。
3.本发明通过力传感器等结构实现在线式谷物密实度的监测。
4.中空平行四边形柱用来固定平板型电容传感器的位置，从而方便对谷物体积的计算和测量。
附图说明
图1为在线式谷物水分监测系统安装结构示意图；
图2为在线式谷物水分监测系统结构示意图；
图3为在线式谷物水分监测系统工作流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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”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”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，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
结合附图1-3，一种在线式谷物水分监测系统，包括平行的平板型电容传感器1、极板绝缘层2、温度传感器3、力传感器4、测距传感器a 5、测距传感器b 6、信号处理电路7、数据处理系统8、人机交互界面9和中空四边形柱10，结合附图3所示，平板型电容传感器1、温度传感器3、力传感器4、测距传感器a 5、测距传感器b 6连接至信号处理电路7；所述信号处理电路7连接至数据处理系统8；所述数据处理系统连接至人机交互界面9。如图1所示，所述平行极板型电容传感器1安装于谷物烘干机螺旋输送器后的谷物流道中，所述温度传感器3安装于平板型电容传感器1内部，所述力传感器4安装于平板型电容传感器1下部，所述平行极板型电容传感器1上方悬挂有测距传感器a 5和测距传感器b 6。
一种在线式谷物水分监测系统，包括平板型电容传感器1和测距传感器a5和测距传感器 b6；所述平板型电容传感器1设置在中空平行四边形柱10内，且所述平板型电容传感器1的两个极板上下平行设置；所述平板型电容传感器1的外侧设置有极板绝缘层2；所述中空平行四边形柱10置于流道上，且与流道接触的中空平行四边形柱10面外侧上设置有力传感器 3；所述测距传感器a5和测距传感器b6分别设置在中空平行四边形柱10的出口端和入口端的正上方位置处，且测距传感器a5探头和测距传感器b6探头的连线与流道底面平行；还包括信号处理电路7、数据处理系统8和人机交互界面9；所述信号处理电路7接收平板型电容传感器1、力传感器4、测距传感器a5和测距传感器b6传递的信号，并把信号传送到数据处理系统8，数据处理系统8将信号处理后，并把处理后的结果反映在人机交互界面9上；所述平板型电容传感器1内部设置有温度传感器3；所述温度传感器3用于检测流道内籽粒的温度。
所述测距传感器a5和测距传感器b6用来分别检测籽粒高度位置，即测距传感器a5竖直下方最上端的籽粒与测距传感器a5的距离H1，测距传感器b6竖直下方最上端的籽粒与测距传感器b6的距离H2；所述平板型电容传感器1用来检测籽粒的电容。
一种在线式谷物水分监测方法，包括以下步骤：
步骤一：在谷物密实度在线监测过程中，使用平板型电容传感器1检测谷物电容值、温度传感器3检测谷物温度值，力传感器4检测谷物的力，从而得到力传感器4在流道上的垂直分力，使用测距传感器a5和测距传感器b6检测监测区域前后两端谷物高度值；
步骤二：使用信号处理电路7对平板型电容传感器1、温度传感器3、力传感器4、测距传感器a5和测距传感器b6的输出信号进行处理并上传至数据处理系统8；
步骤三：数据处理系统8使用力传感器检测值及测距传感器a5和测距传感器b6对谷物高度检测值计算谷物密实度。
其中，步骤三中，数据处理系统8根据谷物电容检测值计算当前谷物水分、谷物密实度，并结合谷物温度检测值对当前谷物水分进行密实度及温度补偿，将检测结果传送至人机交互界面9进行显示，实现当前时刻谷物水分的在线精确检测。
在线谷物水分精确检测公式如下：
Moisture＝f(c,t,ρ)
其中Moisture-谷物含水率；c-检测电容值；t-检测温度值；ρ-谷物密实度。
其中，步骤二中，谷物密实度计算公式如下所示：
Figure RE-GDA0002459950450000051
Figure RE-GDA0002459950450000052
Figure RE-GDA0002459950450000053
M0-中空平行四边形柱，平板型电容传感器的质量之和；ρ-谷物密实度；M-谷物质量； V-平板型电容传感器，中空平行四边形柱及其内部和上表面谷物体积之和；V1-平板型电容传感器和中空平行四边形柱本身体积(不含腔内空间体积)之和；N-力传感器检测值；g-重力加速度；α-流道角度；A-中空平行四边形柱的边宽；B-中空平行四边形柱的边长；H-测距传感器与下方流道的距离；H1-测距传感器a至竖直下方最上端籽粒的距离；H2-测距传感器b 至竖直下方最上端的籽粒的距离。
本发明提供的在线式谷物水分监测系统，在实际烘干机械谷物水分监测过程中，谷物在螺旋输送器推力及重力的作用下流经平板型电容传感器1，平板型电容传感器1检测当前时刻位于传感器检测范围内的谷物电容值，通过信号处理电路7上传至数据处理系统8，数据处理系统8根据谷物电容检测值计算当前谷物水分，使用温度传感器3检测此时刻谷物温度值，通过信号处理电路7上传至数据处理系统8；使用力传感器4检测此时刻谷物及传感器在斜面上的垂直分力，使用测距传感器a5及测距传感器b6检测此时刻监测区域前后两端谷物高度值，通过信号处理电路7上传至数据处理系统8，数据处理系统8依据谷物密实度计算公式计算此时刻谷物密实度。数据处理系统8依据此时刻谷物温度及谷物密实度对谷物水分检测结果进行温度及密实度补偿，实现谷物水分值的精确检测。数据处理系统8依据人机交互界面9上设置的谷物水分检测频率循环执行以上操作，定时传送至人机交互界面，显示当前时刻谷物水分值，实现谷物水分值的实时在线精确监测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种在线式谷物水分监测系统，其特征在于，包括平板型电容传感器(1)和测距传感器a(5)和测距传感器b(6)；平板型电容传感器(1)设置在中空平行四边形柱(10)内，且平板型电容传感器(1)的两个极板上下平行设置；所述平板型电容传感器(1)的外侧设置有极板绝缘层(2)；
所述中空平行四边形柱(10)置于流道上，且与流道接触的中空平行四边形柱(10)面外侧上设置有力传感器(3)；
所述测距传感器a(5)和测距传感器b(6)分别设置在中空平行四边形柱(10)的出口端和入口端的正上方位置处，且测距传感器a(5)探头和测距传感器b(6)探头的连线与流道底面平行。
2.根据权利要求1所述的在线式谷物水分监测系统，其特征在于，还包括信号处理电路(7)、数据处理系统(8)和人机交互界面(9)；所述信号处理电路(7)接收平板型电容传感器(1)、力传感器(4)、测距传感器a(5)和测距传感器b(6)传递的信号，并把信号传送到数据处理系统(8)，数据处理系统(8)将信号处理后，并把处理后的结果反映在人机交互界面(9)上。
3.根据权利要求1所述的在线式谷物水分监测系统，其特征在于，所述平板型电容传感器(1)内部设置有温度传感器(3)；所述温度传感器(3)用于检测流道内籽粒的温度。
4.根据权利要求1所述的在线式谷物水分监测系统，其特征在于，所述测距传感器a(5)和测距传感器b(6)用来分别检测籽粒高度位置，即测距传感器a(5)竖直下方最上端的籽粒与测距传感器a(5)的距离H1，测距传感器b(6)竖直下方最上端的籽粒与测距传感器b(6)的距离H2。
5.根据权利要求1所述的在线式谷物水分监测系统，其特征在于，所述平板型电容传感器(1)用来检测籽粒的电容。
6.一种在线式谷物水分监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在谷物密实度在线监测过程中，使用平板型电容传感器(1)检测谷物电容值、温度传感器(3)检测谷物温度值，力传感器(4)检测谷物的力，从而得到力传感器(4)在流道上的垂直分力，使用测距传感器a(5)和测距传感器b(6)检测监测区域前后两端谷物高度值；
步骤二：使用信号处理电路(7)对平板型电容传感器(1)、温度传感器(3)、力传感器(4)、测距传感器a(5)和测距传感器b(6)的输出信号进行处理并上传至数据处理系统(8)；
步骤三：数据处理系统(8)使用力传感器检测值及测距传感器a(5)和测距传感器b(6)对谷物高度检测值计算谷物密实度。
7.根据权利要求6所述的在线式谷物水分监测方法，其特征在于，步骤三)中，数据处理系统(8)根据谷物电容检测值计算当前谷物水分、谷物密实度，并结合谷物温度检测值对当前谷物水分进行密实度及温度补偿，将检测结果传送至人机交互界面(9)进行显示，实现当前时刻谷物水分的在线精确检测。
8.根据权利要求7所述的在线谷物水分监测方法，其特征在于，在线谷物水分精确检测公式如下：
Moisture＝f(c,t,ρ)
其中Moisture-谷物含水率；c-检测电容值；t-检测温度值；ρ-谷物密实度。
9.根据权利要求6所述的在线式谷物水分监测方法，其特征在于，步骤二中，谷物密实度计算公式如下所示：
Figure FDA0002393488810000021
Figure FDA0002393488810000022
Figure FDA0002393488810000023
其中，M0-平板型电容传感器，中空平行四边形柱的质量之和；ρ-谷物密实度；M-谷物质量；V-平板型电容传感器，中空平行四边形柱及其内部和上表面谷物体积之和；V1-平板型电容传感器和中空平行四边形柱本身体积(不含腔内空间体积)之和；N-力传感器检测值；g-重力加速度；α-流道角度；A-中空平行四边形柱的边宽；B-中空平行四边形柱的边长；H-测距传感器与下方流道的距离；H1-测距传感器a至竖直下方最上端籽粒的距离；H2-测距传感器b至竖直下方最上端的籽粒的距离。
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