CN115176582B - 谷物流量测量装置、测量方法、输送设备及收割机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种谷物流量测量装置、测量方法、输送设备及收割机。测量装置包括静电发生器、充电极板、感应电极总成和测量计算装置。充电极板设置于谷物输送机构上；静电发生器通过连接电极与运动的充电极板形成电连接，使接触和靠近充电极板的谷物携带电荷；感应电极总成设置于谷物输送通道上，并位于连接电极的下游，用于测量谷物携带的电荷量；计算测量装置用于处理感应电极总成的测量信号后计算谷物流量。测量方法包括标定、谷物充电、电荷测量和计算步骤并测得谷物流量和流速。谷物输送设备包括上述谷物测量装置，收割机包括该谷物输送设备。本申请信号处理简单、测量准确性好，易于应用。

Description

谷物流量测量装置、测量方法、输送设备及收割机

技术领域

本申请涉及农用机械技术领域，尤其涉及一种谷物流量测量装置、测量方法、输送设备及收割机。

背景技术

联合收割机在收获作业过程中，谷物经螺旋输粮绞龙或刮板式升运器等机构将收获后的谷物输送至粮仓，待粮仓仓满时进行卸粮作业。通过建立相应的联合收割机谷物测产系统获取该作业过程中谷物的产量信息，实现谷物流量的实时检测，可生成相应的产量分布图，用于评估收获作业的质量，并指导下一季作物耕、种、管、收各个环节的精准作业。目前，联合收割机使用的谷物流量传感器主要包括光电式、容积式、γ射线式、冲量式和静电流量测量传感器等，其中冲量式和光电式流量传感器由于结构简单、成本低廉而得到广泛的应用，静电流量测量传感器则多用于封闭管道中气固两相流进行测量。

光电式传感器主要用于刮板式升运器，通过测量每个经过传感器的刮板上堆积粮食的高度，来估算谷堆体积，进而估算谷物流量。由于该方法是通过谷堆高度估算体积，受到谷堆堆积形状随机性的影响，计算误差较大。通过体积估算重量，需要提前知道所收割谷物的容重，所以在收割不同种类、不同品种甚至不同成熟度的作物时都需要重新标定容重，从而得到比较准确的重量值。

冲量式传感器则通过测量升运器出粮口处的粮食对冲量板的冲击力来测量谷物流量，其核心计算公式是Ft=mv，由于公式中冲击力F，时间t，速度v均可以测量得到，即可计算出冲击质量m。该原理衍生出双板式，悬浮板式等测量方式，用来优化振动对测量结果的影响。由于该方法中不是所有的粮食都会冲击在冲量板上，本质上是一种部分采样的测量方式，需要对结果进行标定，此外目前市面上产品化的方案都跟收割机采用刚性连接，导致振动对测量结果有较大影响。

容积式一般通过视觉或雷达方式测量谷物在谷仓中的堆积容积来计算谷仓中的谷物重量，通过计算两个不同时刻的重量差来计算谷物流量。容积式的方式由于只能测量堆积结构的表面形状，所以需要提前对整个谷仓进行三维建模，对于复杂的谷仓结构来说，对后续计算会带来困难。另一方面容积式的测量方式是通过不同时间的总重量差来计算流量，如果时间间隔选取较短则误差较大，时间间隔选取较大则不能反应产量的差异性。

γ射线式传感器通过放置放射源和盖革计数器，在升运器出粮口进行对射式测量，当有粮食穿过时γ射线强度降低，从而计算出谷物流量。由于放射源的取得和管理都比较困难，因此该方法很少用于民用领域，一般仅用于矿产的实时流量测量。

而静电测量流量一般是用于对封闭管道中气固两相流进行测量，该方通常利用管道内粉末相互摩擦所带静电进行流量测量，由于信号微弱，对信号处理要求较高，测量结果的不确定性也比较高。

由此可见，现有的谷物流量测量装置中，存在测量结果准确性不高、信号处理要求较高，或因为需要放射源而不宜广泛应用等技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足之处，本申请的目的在于提供一种信号处理简单、测量准确性高、应用简单的谷物流量测量装置和测量方法，以及基于该谷物流量测量装置的谷物输送设备及收割机。

为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：

一种谷物流量测量装置，包括：至少一个充电极板，用于设置于谷物输送设备的谷物输送机构上，并在谷物输送过程中接触谷物；静电发生器，用于产生静电；至少一个连接电极，连接至所述静电发生器，用于设置于所述充电极板的运动路径上，并在所述充电极板通过时与所述充电极板形成电连接，使接触和靠近所述充电极板的谷物携带电荷；感应电极总成，用于设置于所述谷物输送设备的谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游，用于测量流经所述谷物输送通道的谷物携带的电荷量；测量计算装置，用于处理所述感应电极总成的测量信号后计算所述谷物输送设备的谷物流量。

在一些实施方式中，所述充电极板和所述感应电极总成均包括绝缘结构，所述充电极板和所述感应电极总成均通过各自的所述绝缘结构固定至所述谷物输送设备，使所述充电极板的导电部分、所述感应电极总成的导电部分和所述谷物输送设备的金属结构绝缘；所述感应电极总成的绝缘结构覆盖所述感应电极总成的导电部分朝向谷物的表面。

在一些实施方式中，所述感应电极总成包括第一感应电极和第二感应电极，沿谷物流动方向依次间隔设置，用于同时测量谷物的流量和流速。

在一些实施方式中，所述第一感应电极和所述第二感应电极均呈闭合的环状，并用于包围所述谷物输送通道设置于所述谷物输送设备上；所述第一感应电极和所述第二感应电极的截面轮廓均为平滑的封闭曲线，且具有至少一个和所述截面轮廓的其他部分平滑连接的圆弧段，所述第一感应电极和所述第二感应电极与所述测量计算装置的连接导线从所述圆弧段的外表面引出。

在一些实施方式中，当所述谷物输送设备为螺旋输送器时，所述充电极板用于设置于所述螺旋输送器的输出端的旋转输送机构上，所述连接电极为滑环，用于同轴设置于所述旋转输送机构的侧面；或，当所述谷物输送设备为刮板提升机时，所述充电极板用于设置在所述刮板提升机的刮板上，所述连接电极为弹性电刷，用于设置于所述刮板提升机的谷物输送通道的内壁；或，当所述谷物输送设备为斗式提升机时，所述充电极板用于设置在所述斗式提升机的料斗上，所述连接电极为弹性电刷，用于设置于所述斗式提升机的谷物输送通道的内壁。

在一些实施方式中，所述测量计算装置包括静电测量模块和计算模块，所述静电测量模块用于将所述感应电极总成的测量信号处理后得到数字电压信号，所述计算模块用于通过所述数字电压信号计算所述谷物输送设备的谷物流量。

在一些实施方式中，所述静电发生器和所述连接电极之间设有极性选通模块，用于定时切换所述连接电极的静电充电极性。

本申请还提供了一种谷物流量测量方法，用于测量谷物输送设备的谷物流量，包括步骤：谷物充电步骤，通过静电发生器和设置于所述谷物输送设备的谷物输送机构上的充电极板使谷物携带电荷，所述静电发生器连接至少一个设置于所述充电极板的运动路径上的连接电极，并在所述充电极板通过时与所述充电极板形成电连接，使接触和靠近所述充电极板的谷物携带电荷；电荷测量步骤，通过感应电极总成测量流经所述谷物输送设备的谷物输送通道的谷物携带的电荷量，所述感应电极总成设置于所述谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游；计算步骤，利用所述感应电极总成的测量信号获得所述谷物输送设备的谷物流量；标定步骤，在实际测量之前，用已知流量的谷物对所述计算步骤中的计算参数进行标定。

在一些实施方式中，在所述谷物充电步骤中，所述静电发生器通过极性选通模块定时切换所述连接电极的静电充电极性，以减少所述谷物输送设备中不利电荷的积累和避免所述电荷测量步骤中的测量值的偏置；在所述电荷测量步骤中，所述感应电极总成包括在所述谷物输送通道上沿谷物流动方向依次间隔设置的第一感应电极和第二感应电极；在所述计算步骤中，通过所述第一感应电极的测量信号和所述第二感应电极的测量信号的相位差以及所述第一感应电极和所述第二感应电极的距离计算谷物的流速和流量。

在一些实施方式中，在所述计算步骤中，通过以下公式计算谷物流量：

；

；

其中

为所述第一感应电极和所述第二感应电极的测量信号的相位差，

为所述相位差

内所述感应电极总成中流过的谷物质量，

为采样得到的所述感应电极总成的测量信号经信号处理后得到的电压信号，

为标定系数，

为谷物流量；

在所述标定步骤中，根据以下公式计算标定系数

：

；

；

；

其中

为所述感应电极总成的采样间隔，

为标定开始时谷仓内的谷物质量，

为标定结束时谷仓内的谷物质量，

为标定过程中对应第

个采样周期的谷物流量，

为第

个采样周期采样得到的所述感应电极总成的测量信号经信号处理后得到的电压信号，

为第

个采样周期的所述第一感应电极和所述第二感应电极的测量信号的相位差，

为总的采样次数。

本申请还提供了一种谷物输送设备，设置有谷物输送机构，并具有谷物输送通道，且包括前述的任一种谷物流量测量装置；其中，所述充电极板设置于所述谷物输送机构上，并在谷物输送过程中接触和输送谷物；所述连接电极设置于所述充电极板的运动路径上；所述感应电极总成设置于所述谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游。

本申请还提供了一种收割机，包括谷仓和前述的谷物输送设备；还包括静电释放装置，所述静电释放装置包括拖地带；所述谷仓的仓壁包括金属导体部，所述金属导体部电连接至所述拖地带；或，所述静电释放装置还包括静电释放导体，所述静电释放导体设置于所述谷仓的仓壁上，且电连接至所述拖地带。

本申请的各个实施例具有以下技术效果中的至少一种：

1、使用静电发生器产生固定电压静电，充电极板直接接触谷物，可以使谷物快速达到均匀携带饱和静电荷的状态，使后续感应电极总成的测量信号信噪比高、容易处理、测量准确性好；

2、静电发生器周期性改变静电极性，防止电荷积累和泄露导致感应电极总成的测量值向一个方向偏置，同时极大减少电荷积累导致的放电风险；

3、通过设置两个尺寸相同的感应电极，通过电极之间信号的相位差来准确测量谷物流速，比仅用一个感应电极的信号获取流速数据的方法可以大幅提高测量准确性；并可用两个感应电极的测量信号进行平均计算进一步提高测量精度和构成冗余校核；

4、使用静电流量测量谷物流量，流量采样率高，测量不受振动影响；

5、收割机通过静电拖地带释放静电，谷物接触金属材质的谷仓或谷仓内设置的导体之后迅速通过拖地带释放静电，进一步防止发生意外放电引起火灾；

6、采用环状闭合曲面电极，利用感应电荷在导体上只分布在表面，其内外感应电荷总量相等，且外部电荷分布不受内部电荷分布影响的特性，确保测量结果反映的是环状电极内总电荷情况；

7、感应电极适配谷物输送设备出粮口形状，截面轮廓的长边采用平面、短边采用弧形面，防止静电荷向感应电极的棱边聚集而影响测量精度；

8、通过在充电极板的运动路径上设置弹性电刷或者滑环，可在各种谷物输送设备上设置本申请的谷物流量测量装置；

9、通过简单的静电测量模块和计算模块的设置，使本申请的软硬件成本均较低，且易于应用；

10、测量计算装置仅需标定一个标定系数

，使标定非常简单；通过简单的标定方法，可预先对不同湿度、不同成熟度、不同粒度和不同品种的谷物对测量装置进行标定，获得该标定系数

的预标定数据表，供实际使用时选用。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是实施例一的谷物流量测量装置和实施例四的谷物输送设备示意图；

图2是图1中的感应电极总成侧视图；

图3是图2中的感应电极总成的A-A剖视图；

图4是实施例十的谷物输送设备示意图；

图5是图4的侧面视角示意图；

图6是实施例十一的收割机中设置的谷物流量测量装置等模块的工作流程示意图；

图7是图6中的测量计算装置的具体构成模块示意图；

附图标号说明：

100.谷物流量测量装置，110.充电极板，120.静电发生器，130.连接电极，140.感应电极总成，141.感应电极本体，142.第一感应电极，143.第二感应电极，150.测量计算装置，160.极性选通模块，200.谷物输送设备，210.壳体，220.谷物输送机构，221.螺旋轴，222.旋转输送机构，300.谷物，400.静电释放装置。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本申请的具体实施方式。下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本申请相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本申请的技术方案和技术效果，以下先对本申请涉及的相关的技术进行简要说明。部分现有技术和本申请均利用了被测对象携带的静电，并利用静电感应效应对其进行测量，从而实现被测对象的流量测量。静电是指静电荷,是电荷在静止状态时的称呼，当一个物体带有一定量净的正电荷或净的负电荷时,可以称其带有静电。

静电感应是指，位于静止带电体附近的导体,受电场影响而使导体中不同极性电荷重新分布的现象。导体内部含有大量自由电子,不带电导体在附近带电体电场的作用下,自由电子将发生宏观位移,当到达新的静电平衡后,在靠近带电体一侧表面出现与带电体极性相反的电荷分布,远离带电体的另一侧表面出现与带电体上电荷极性相同的电荷分布,整个导体表面的总电量仍维持原来的数值。

气固两相流中，由于固体颗粒之间的摩擦，固体颗粒表面会携带静电荷，这些静电荷将会产生静电场；当带电体靠近不带电的导体时，导体内部电荷将在外电场的作用下重新分布，异种电荷分布在靠近带电体的导体表面，同种电荷分布在远离带电体的导体表面，从而产生静电感应效应。静电传感器的测量原理就是基于这种静电感应现象，相关科研人员已经开发了多种不同结构的静电传感器用于监测气固两相流中的流动参数，整体上可分为接触式静电传感器和非接触式静电传感器。

非接触式测量原理就现存的静电测量方法而言,其测量原理主要有利用接地屏蔽和电压输入、利用信号自屏蔽和电荷耦合两种。后者在动态性能上存在绝对性的优势,故自1989年我国研究人员提出之后,就迅速发展并逐渐取代了前者。利用信号自屏蔽和电荷耦合的测量原理是根据静电电位测量的特点,利用静电信号高压电极作为传感器的屏蔽电极,屏蔽深度与仪器灵敏度的要求相一致,使灵敏度与抗干扰能力同步提高。

发展非接触式测量系统中的探头是极其关键的部分,它负责对电位信息的获取,换句话说,探头的选取一定程度上决定了静电测量系统的精确度。对于非接触式测量方法来说,探头可以分为直接感应式、旋转叶片式、振动电容式和集电极式四类。其中常用的是振动电容式,由它构成的静电测量仪输入阻抗高、稳定性好,是较先进的静电测试仪表。内置电容耦合式感应电极和杆式探测电极,是近几年来研究人员所提出的一种比较先进的探头。在测量过程中,该探头是直接伸进管道内的,大大降低了周围环境对信号采集的影响,提高了测量精度。内置电容耦合式感应电极由一个同轴圆柱电容构成,通过测量感应电荷所产生的电位信号来反映油品的电荷浓度。

目前现有技术中利用静电测量流量，一般是用于对封闭管道中的气固两相流进行测量，该方法一般使用管道内粉末相互摩擦所带静电进行流量测量，对信号处理要求较高，同时由于摩擦产生的静电荷的电荷量小且很不稳定，也给测量数据的准确性带来了不利影响。以下为本申请的多个优选实施例，具体说明本申请的技术方案和技术效果。

实施例一。如图1所示，本实施例的谷物流量测量装置100用于设置于谷物输送设备200上，在谷物输送设备200的谷物输送机构220输送谷物300时，对谷物300的流量进行测量。谷物输送设备200可以是收割机上的一个组成模块，用于将收割到的谷物300输送到收割机的谷仓或者跟随作业的运粮车上，也可以是谷物调运、处理设施中的组成模块，例如饲料工厂中的谷物输送设备200。

谷物流量测量装置100包括至少一个充电极板110、静电发生器120、至少一个连接电极130、感应电极总成140和测量计算装置150。充电极板110设置于谷物输送设备200的谷物输送机构220上，谷物输送机构220能够在谷物输送过程中接触和输送谷物300，从而使充电极板110在谷物输送过程中接触谷物。图1中的谷物输送设备200为一种刮板提升机，其谷物输送机构220包括设置在谷物输送通道中的循环运转的传动机构和设置在传动机构上的刮板，刮板将谷物300提升至传动机构的顶部后，在转向的时候利用其速度将谷物300抛出，进入下一段谷物输送通道，例如从谷物输送设备200的出粮口抛出后进入谷仓或者进入输送管道。因此将充电极板110设置于刮板上时，可以接触运输中的谷物300。

静电发生器120用于利用高电压在电极上产生静电。静电发生器120连接有至少一个连接电极130，从而使连接电极130带有静电。连接电极130设置于充电极板110的运动路径上，并在充电极板110通过时与充电极板110接触形成电连接，从而使接触充电极板110的谷物300携带电荷，并可以使谷物300快速达到均匀携带饱和静电荷的状态。

感应电极总成140设置于谷物输送设备200的谷物输送通道上，并位于连接电极130的下游，用于测量流经谷物输送通道的谷物300携带的电荷量。在图1中，感应电极总成140设置在刮板提升机的顶部位置，并设置在谷物输送设备200的出粮口处，即刮板将谷物300抛出的路径上，从而可以通过静电感应效应测量谷物300携带的电荷量。测量计算装置150用于处理感应电极总成140的测量信号后计算谷物输送设备200的谷物流量。

静电充电方式一般分为三种：电晕式、接触式和感应式。电晕式的充电方式由于其危险性，不适用于为谷物充电。基于接触式充电方式，充电电流大，接触面积大，充电电压适中的优点，可以使谷物快速充电至饱和状态，因此本发明采用接触式充电方式；在谷物较干时，还包括了感应式充电方式，使充电极板110上方未接触充电极板110的谷物300也携带饱和静电电荷。本实施例通过静电发生器120产生固定电压静电，充电极板110直接接触或靠近谷物300，可以使谷物300快速达到均匀携带饱和静电荷的状态，使后续感应电极总成140的测量信号信噪比高、容易处理、测量准确性好，由于测量计算装置150可采用相对简单的设置，因此本申请的软硬件成本较低，也易于应用；同时使用静电测量谷物流量，流量采样率高，测量不受振动影响，可获得准确、全面的测量数据；通过在充电极板110的运动路径上设置连接电极130，可在各种谷物输送设备200上设置本申请的谷物流量测量装置100，例如除刮板提升机外，还可设置于斗式提升机、螺旋输送器等谷物输送设备200。

实施例二。在实施例一的基础上，本实施例的充电极板110和感应电极总成140均包括绝缘结构，充电极板110和感应电极总成140均通过各自的绝缘结构固定至谷物输送设备200，使充电极板110的导电部分、感应电极总成140的导电部分分别和谷物输送设备200的金属结构绝缘。以图3中的感应电极总成140为例，其感应电极本体141由绝缘材料制成，其导电部分完全被绝缘结构包围，使感应电极总成140可通过该绝缘结构安装至谷物输送设备200的合适部位，而无需对谷物输送设备200的结构进行较大修改。同时绝缘结构还保证感应电极总成140的导电部分和谷物绝缘。因此感应电极总成140的绝缘结构应至少覆盖其导电部分朝向谷物的表面，即和谷物可能接触的表面。

但如果谷物输送设备200本来就包括绝缘结构，例如如果实施例一的刮板提升机的刮板和壳体210包括适合安装充电极板110和感应电极总成140的绝缘结构，则可省去充电极板110和感应电极总成140的至少部分绝缘结构，而将其导电部分直接安装或集成至谷物输送设备200。

实施例三。在以上实施例的基础上，如图1和图3所示，本实施例的感应电极总成140包括感应电极本体141、第一感应电极142和第二感应电极143；第一感应电极142和第二感应电极143沿谷物流动方向依次间隔设置在谷物输送通道上，用于同时测量谷物300的流量和流速。具体地，可将第一感应电极142和第二感应电极143设置成相同的结构和尺寸，由于谷物300依次通过两个电极的时候其带电量和流动状态几乎不变，因此会在第一感应电极142和第二感应电极143上产生几乎完全相同、并具有一个相位差的测量信号，根据该相位差和两个电极的距离，即可准确计算出谷物300的流速。

通过一个电极的信号当然也可计算出谷物300的流速，例如通过充电极板110上的谷物300通过感应电极总成140时产生的信号，并利用这些信号的峰值等特征点，也可计算出谷物流速，但由于这些信号特征点的位置具有一定的随机性，并不十分稳定，例如和不同充电极板110上的谷物300通过感应电极总成140时的形状相关，因此利用同一充电极板110上的谷物300通过两个感应电极时产生的测量信号的相位差来计算流速可显著提高准确性。设置两个或多个感应电极还可通过多个测量信号的平均值来进一步提高测量结果的可靠性，还可相互校核，在某一个感应电极的信号出现异常时提供故障报警功能。

实施例四。在实施例三的基础上，如图2和图3所示，本实施例的第一感应电极142和第二感应电极143均呈闭合的环状，并用于包围谷物输送通道设置于谷物输送设备200上；第一感应电极142和第二感应电极143的截面轮廓均为平滑封闭曲线，并具有至少一个和截面轮廓的其他部分平滑连接的圆弧段，第一感应电极142和第二感应电极143与测量计算装置150的连接导线从该圆弧段的外表面引出。

如图1所示，感应电极总成140通常固定于谷物输送设备200的出粮口位置。感应电极总成140的横截面可根据出粮口大小和形状确定，目的是使两个感应电极可紧密包围出粮口处的谷物输送通道，又不阻挡谷物300的抛出。根据谷物输送设备200的出粮口的形状，本实施例的两个感应电极的截面均呈腰圆形，其长边为平面，短边为半圆曲面，以减少感应电荷在电极折弯处的聚集。感应电极总成140整体分为3层，内层是绝缘层，目的是隔开电极极板和带电谷物的接触，防止电荷泄漏；中层是两个大小相等且平行放置的环状电极，电极沿谷物流动方向间隔一定距离设置，用来对谷物流进行静电感应；外层也是绝缘层，防止极板外层感应电荷泄漏。两个感应电极的信号从短边的半圆曲面外表面顶点通过屏蔽线引出。

采用环状闭合曲面电极，利用感应电荷在导体上只分布在表面，其内外感应电荷总量相等，且外部电荷分布不受内部电荷分布影响的特性，确保测量结果反映的是环状电极内总电荷情况；感应电极适配出粮口形状，截面轮廓的长边采用平面、短边采用弧形面，可防止静电荷向感应电极的棱边聚集而影响测量精度。在谷物输送设备200的出粮口结构合适时，还可将本申请的感应电极总成140集成至出粮口结构中，使局部结构更加紧凑。

实施例五。如图4所示，本实施例的谷物流量测量装置100设置在另一种谷物输送设备200上。本实施例的谷物输送设备200为螺旋输送器，或称绞龙提升机，包括壳体210和谷物输送机构220，谷物输送机构220由螺旋轴221和旋转输送机构222组成，螺旋轴221通过旋转，将谷物提升至其上部后，旋转输送机构222将谷物300从出粮口抛出。充电极板110设置于旋转输送机构222的用于将谷物300抛出的刮板状结构上，形成和实施例一的刮板提升机的上端结构类似的结构。感应电极总成140的设置也和实施例一类似。

实施例一的连接电极130为弹性电刷，因为刮板提升机的提升通道上很少有飞扬的谷物，因此用简单的弹性电刷即可实现连接电极130的功能。但绞龙提升机的出粮口处空间较狭窄，而且容易有飞扬的谷物，因此本实施例的连接电极130为滑环，同轴设置于旋转输送机构222的侧面；滑环的端面上设置有弹簧片，在旋转输送机构222的旋转过程中，随同旋转的充电极板110的导电部分通过弹簧片和连接电极130构成电连接，使充电极板110可在谷物300被抛出前达到均匀携带饱和静电荷的状态。

由于本申请的谷物流量测量装置100设置较简单，谷物输送设备200还可采用斗式提升机等其他形式，充电极板110可设置在斗式提升机的料斗上，连接电极130仍可采用弹性电刷，并设置于斗式提升机的谷物输送通道的内壁。为提高可靠性，连接电极130也可设置多个，并定期更换。

实施例六。在以上实施例的基础上，本实施例提供的测量计算装置150的具体结构如图6所示，测量计算装置150包括静电测量模块和计算模块，静电测量模块用于将感应电极总成140测量得到的信号转化为数字电压信号，计算模块用于通过静电测量模块得到的数字电压信号计算谷物输送设备200的谷物流量。

具体地，如图7所示，第一感应电极142和第二感应电极143的信号通过屏蔽线连接至静电测量模块的信号调理电路，信号调理电路通过输入的电极信号跟接地信号对比，经差分放大和负电压翻转后通过A/D转换器转换为数字电压信号

，发送至包括处理器的计算模块。由于

与两个感应电极的静电位成正比例，设其比例系数为

，而感应电极的静电位又与谷物300携带的电荷量成正比，设其比例系数为

，谷物300携带的电荷量则与谷物重量成正比，设其比例系数为

，因此可以将上述比例系数合并标定为一个标定系数

来表征数字电压信号

和流过感应电极的谷物重量的关系，其中

。依据预先标定的标定系数

，计算模块即可计算流经感应电极总成140的谷物重量；计算模块再根据相邻的两个感应电极对应的信号波形之间的相位差，最后计算出谷物流量。

实际操作过程中，还可以通过采集一段时间的电压数据，并对其进行滤波来提高电压测量精度，同理也可以通过滤波来提高波形之间的相位差的计算精度。

实施例七。在以上各个实施例的基础上，如图6所示，本实施例还包括极性选通模块160，连接于静电发生器120和充电极板110，用于定时切换连接电极130的静电充电极性，从而定时切换充电极板110以及其上的谷物300的静电极性。通过周期性改变谷物300以及相关部件的静电极性，可防止电荷积累和泄露导致感应电极总成140的测量值向一个方向偏置，同时极大减少电荷积累导致的放电风险。

极性选通模块160的工作频率可与谷物输送机构220的运行节奏匹配，以避免在连接电极130和充电极板110接触的时候发生充电极性转换。如图6所示，静电发生器120、极性选通模块160、充电极板110以及连接电极130（图6中未示出）可共同构成一个静电充电装置。

实施例八。本实施例为一种谷物流量测量方法，用于测量如图1所示的谷物输送设备200的谷物流量，包括以下步骤：

谷物充电步骤，通过静电发生器120和设置于谷物输送设备200的谷物输送机构220上的充电极板110使谷物300携带电荷，静电发生器120连接至少一个设置于充电极板110的运动路径上的连接电极130，并在充电极板110通过时与充电极板110形成电连接，使接触和靠近充电极板110的谷物300携带电荷；

电荷测量步骤，通过感应电极总成140测量流经谷物输送设备200的谷物输送通道的谷物300携带的电荷量，感应电极总成140设置于该谷物输送通道上，并位于连接电极130的下游；

计算步骤，利用感应电极总成140的测量信号计算谷物输送设备200的谷物流量；

标定步骤，在实际测量之前，用已知流量的谷物300对上述计算步骤中的计算参数进行标定，得到标定系数

。

上述各步骤中，通常在实际测量之前即完成标定步骤，并可根据需要进行补充标定。其他各步骤在实际应用中同步进行，和谷物输送设备200一同连续作业。具体地，如图6所示，在谷物充电步骤中，静电发生器120还通过极性选通模块160定时切换连接电极130的静电充电极性，以减少谷物输送设备200中不利电荷的积累和避免电荷测量步骤中的测量值的偏置；在电荷测量步骤中，在谷物输送通道上沿谷物流动方向依次间隔设置第一感应电极142和第二感应电极143；在计算步骤中，还通过第一感应电极142的测量信号和第二感应电极143的测量信号的相位差以及第一感应电极142和第二感应电极143的距离计算谷物的流速；在标定步骤中，所用谷物的湿度和流量与谷物输送设备200实际应用时的谷物平均湿度和平均流量匹配。

实施例九。在实施例八的基础上，本实施例提供谷物流量测量方法中的详细计算方法。具体地，在计算步骤中，通过以下公式计算谷物流量

：

；

；

通过以下公式计算谷物流速：

；

其中

为第一感应电极142和第二感应电极143的测量信号的相位差。

为相位差

内感应电极总成140中流过的谷物质量，

为采样得到的感应电极总成140的测量信号经信号处理后得到的数字电压信号，

为标定系数，

为采样点的谷物流量；

为谷物流速，

为第一感应电极142和第二感应电极143之间的距离。数字电压信号

可通过两个感应电极的信号平均后得到。

在标定步骤中，根据以下公式计算标定系数

：

；

；

；

其中

为感应电极总成140的采样间隔，可根据测量计算模块最大采样频率和标定精度的需要选择设置，一般采样间隔越短标定结果精度越高。

为标定开始时谷仓内的谷物质量，

为标定结束时谷仓内的谷物质量，

为标定过程中对应第

个采样周期的谷物流量，

为与第

个采样周期的感应电极总成140的测量信号经信号处理后得到的数字电压信号，

为第

个采样周期的所述第一感应电极和所述第二感应电极的测量信号的相位差，

为总的采样次数

上述算法非常简单，同时，测量计算装置150仅需标定一个标定系数

，使标定过程也非常简单；通过简单的标定方法，可预先用不同湿度、不同成熟度、不同粒度和不同品种的谷物300对谷物流量测量装置100进行标定，获得该标定系数

的预标定数据表，供实际使用时选用。上述算法中，谷仓内的谷物质量差即

可通过测量收割机等谷物流量测量装置100所装备的整机的重量差来测量，仅需要在有地秤或移动式的车辆重量车辆设备即可完成足够准确的重量数据。

标定过程中进行电压信号和相位差数据采集进行连续采样，假设标定过程中采集

组数据。上述公式组是利用数字积分法将谷物流量对时间进行积分得到累计质量的方式来计算标定系数

，公式中

为标定过程中对应第

个采样周期计算的谷物流量，该参数为中间变量，是为了用于说明原理，实际标定结果的计算中可以仅测量的

和

。

以下为一个具体的计算实例。假如开始标定前测的整车质量

，标定完成后测得整车质量

，采样间隔

，完成标定后系统共计完成采样次数

，假设测量的电压信号和时间差都相等（仅为简化的示例，实际标定中替换为实际采样结果即可），

，

。

则有：

利用标定得到的标定系数

即可计算实时流量。假设某次采样电压信号和时间差为

，

，则本次采样对应的流量计算结果为：

。

实施例十。本实施例为一种谷物输送设备200，包括壳体210和谷物输送机构220，并具有谷物输送通道，并设置有前述任一实施例的谷物流量测量装置100。为了方便说明，实施例一至七中的谷物输送设备200并不包括谷物流量测量装置100；为了避免混淆，在此特别说明，本实施例为已经装备了谷物流量测量装置100的谷物输送设备200。

如图1或图4所示，谷物流量测量装置100的充电极板110分别设置于谷物输送机构220上，并在谷物输送过程中接触和输送谷物300；连接电极130设置于充电极板110的运动路径上；感应电极总成140设置于谷物输送通道上，并位于连接电极130的下游。常用的刮板提升机或斗式提升机可在每个刮板或提升斗上设置充电极板110，而螺旋输送器则可在输出端的旋转输送机构上设置至少一个充电极板110。

实施例十一。本实施例为一种收割机，包括谷仓和实施例十中的任一种谷物输送设备200。如图6所示，收割机还包括静电释放装置400，静电释放装置400包括底盘上设置的拖地带和谷仓的仓壁上设置的金属导体部，金属导体部设置在流入的谷物300容易接触到的位置，该金属导体部电连接至拖地带，以迅速释放进入谷仓的谷物300携带的静电。谷仓的整个仓壁也可由金属制成，构成该金属导体部。或者也可在谷仓内另设静电释放导体，且电连接至拖地带。收割机通过静电拖地带释放静电，谷物300接触金属材质的仓壁或谷仓内设置的导体之后迅速通过拖地带释放静电，进一步防止发生意外放电引起火灾。

上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本申请构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点和功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (12)

1.一种谷物流量测量装置，其特征在于，包括：

至少一个充电极板，用于设置于谷物输送设备的谷物输送机构上，并在谷物输送过程中接触谷物；

静电发生器，用于产生静电；

至少一个连接电极，连接至所述静电发生器，用于设置于所述充电极板的运动路径上，并在所述充电极板通过时与所述充电极板形成电连接，使接触和靠近所述充电极板的谷物携带电荷；

感应电极总成，用于设置于所述谷物输送设备的谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游，用于测量流经所述谷物输送通道的谷物携带的电荷量；

测量计算装置，用于处理所述感应电极总成的测量信号后计算所述谷物输送设备的谷物流量。

2.根据权利要求1所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述充电极板和所述感应电极总成均包括绝缘结构，所述充电极板和所述感应电极总成均通过各自的所述绝缘结构固定至所述谷物输送设备，使所述充电极板的导电部分、所述感应电极总成的导电部分和所述谷物输送设备的金属结构绝缘；

所述感应电极总成的绝缘结构覆盖所述感应电极总成的导电部分朝向谷物的表面。

3.根据权利要求1所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述感应电极总成包括第一感应电极和第二感应电极，沿谷物流动方向依次间隔设置，用于同时测量谷物的流量和流速。

4.根据权利要求3所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述第一感应电极和所述第二感应电极均呈闭合的环状，并用于包围所述谷物输送通道设置于所述谷物输送设备上；

所述第一感应电极和所述第二感应电极的截面轮廓均为平滑的封闭曲线，且具有至少一个和所述截面轮廓的其他部分平滑连接的圆弧段，所述第一感应电极和所述第二感应电极与所述测量计算装置的连接导线从所述圆弧段的外表面引出。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

当所述谷物输送设备为螺旋输送器时，所述充电极板用于设置于所述螺旋输送器的输出端的旋转输送机构上，所述连接电极为滑环，用于同轴设置于所述旋转输送机构的侧面；

或，当所述谷物输送设备为刮板提升机时，所述充电极板用于设置在所述刮板提升机的刮板上，所述连接电极为弹性电刷，用于设置于所述刮板提升机的谷物输送通道的内壁；

或，当所述谷物输送设备为斗式提升机时，所述充电极板用于设置在所述斗式提升机的料斗上，所述连接电极为弹性电刷，用于设置于所述斗式提升机的谷物输送通道的内壁。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述测量计算装置包括静电测量模块和计算模块，所述静电测量模块用于将所述感应电极总成的测量信号处理后得到数字电压信号，所述计算模块用于通过所述数字电压信号计算所述谷物输送设备的谷物流量。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的谷物流量测量装置，其特征在于，

所述静电发生器和所述连接电极之间设有极性选通模块，用于定时切换所述连接电极的静电充电极性。

8.一种谷物流量测量方法，用于测量谷物输送设备的谷物流量，其特征在于，包括步骤：

谷物充电步骤，通过静电发生器和设置于所述谷物输送设备的谷物输送机构上的充电极板使谷物携带电荷，所述静电发生器连接至少一个设置于所述充电极板的运动路径上的连接电极，并在所述充电极板通过时与所述充电极板形成电连接，使接触和靠近所述充电极板的谷物携带电荷；

电荷测量步骤，通过感应电极总成测量流经所述谷物输送设备的谷物输送通道的谷物携带的电荷量，所述感应电极总成设置于所述谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游；

计算步骤，利用所述感应电极总成的测量信号获得所述谷物输送设备的谷物流量；

标定步骤，在实际测量之前，用已知流量的谷物对所述计算步骤中的计算参数进行标定。

9.根据权利要求8所述的谷物流量测量方法，其特征在于，

在所述谷物充电步骤中，所述静电发生器通过极性选通模块定时切换所述连接电极的静电充电极性，以减少所述谷物输送设备中不利电荷的积累和避免所述电荷测量步骤中的测量值的偏置；

在所述电荷测量步骤中，所述感应电极总成包括在所述谷物输送通道上沿谷物流动方向依次间隔设置的第一感应电极和第二感应电极；

在所述计算步骤中，通过所述第一感应电极的测量信号和所述第二感应电极的测量信号的相位差以及所述第一感应电极和所述第二感应电极的距离计算谷物的流速和流量。

10.根据权利要求9所述的谷物流量测量方法，其特征在于，

在所述计算步骤中，通过以下公式计算谷物流量：

；

；

其中

为所述第一感应电极和所述第二感应电极的测量信号的相位差，

为所述相位差

内所述感应电极总成中流过的谷物质量，

为采样得到的所述感应电极总成的测量信号经信号处理后得到的电压信号，

为标定系数，

为谷物流量；

在所述标定步骤中，根据以下公式计算标定系数

：

；

；

；

其中

为所述感应电极总成的采样间隔，

为标定开始时谷仓内的谷物质量，

为标定结束时谷仓内的谷物质量，

为标定过程中对应第

个采样周期的谷物流量，

为第

个采样周期采样得到的所述感应电极总成的测量信号经信号处理后得到的电压信号，

为第

个采样周期的所述第一感应电极和所述第二感应电极的测量信号的相位差，

为总的采样次数。

11.一种谷物输送设备，设置有谷物输送机构，并具有谷物输送通道，其特征在于，

包括权利要求1至7中任一项所述的谷物流量测量装置；

其中，所述充电极板设置于所述谷物输送机构上，并在谷物输送过程中接触和输送谷物；

所述连接电极设置于所述充电极板的运动路径上；

所述感应电极总成设置于所述谷物输送通道上，并位于所述连接电极的下游。

12.一种收割机，包括谷仓，其特征在于，

包括权利要求11所述谷物输送设备；

还包括静电释放装置，所述静电释放装置包括拖地带；

所述谷仓的仓壁包括金属导体部，所述金属导体部电连接至所述拖地带；或，所述静电释放装置还包括静电释放导体，所述静电释放导体设置于所述谷仓的仓壁上，且电连接至所述拖地带。

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