CN208125662U - 一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置，属于果蔬检测技术领域。该装置含有电容信号采集装置、按键输入电路、微处理器以及显示输出装置，电容信号采集装置的信号输出端接微处理器，用以将介电常数检测信号传入微处理器；按键输入电路的输出端接微处理器的参数输入端，用以将包括干燥条件在内的设定参数输入微处理器；微处理器的输出端接显示输出装置，用以将计算处理结果显示输出。与现有技术相比，本实用新型具有测量结果准确可靠、简单方便、适用范围广等显著优点，因此易于推广应用。

Description

一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量装置，尤其是一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置，属于果蔬检测技术领域。

背景技术

果蔬营养价值丰富，是除谷物以外最重要的农产品。然而大部分果蔬含水率在75%-90%，常温下不易储存。干燥是提高果蔬产品附加值的主要形式之一，同时也可以延长其保存期，减轻重量、缩小体积、便于运输。果蔬干燥过程中的含水率是评价干燥设备运行状态的重要标准，实时监测果蔬干燥过程中的含水率变化对优化控制工艺、把控干燥品质、判断干燥终点至关重要。

热风干燥是果蔬干燥常用的手段之一，目前用于果蔬热风干燥含水率的标准方法是取样称重，此法虽然准确，但无法实现在线测量，多有不便。湿度传感器等在线测量方法则存在温度对测量精度合稳定性影响较大、消毒困难且价格昂贵等问题，难以推广应用。

发明内容

本实用新型的目的在于:针对现有技术存在的缺陷，提供一种测量结果准确可靠、适用范围广的果蔬热风干燥含水率在线测量装置及测量方法。

理论研究表明，果蔬热风干燥过程中的含水率与特定条件下的干燥时间存在一定函数关系，并且与其介电常数也存在特定关系。因此，理论上只要得出相应的计算公式，就可以较为方便地根据干燥时间或实测的介电常数间接求得含水率。申请人经过深入研究和反复实验，总结出以下存储时间含水率模型和介电含水率模型通式：

干燥时间与物料水分比的模型通式（可求出实时含水率，参数待定）

MR=a×exp（-ktⁿ）+b

式中：MR——物料水分比、即物料实时含水率M与其初始含水率M₀之比，a、k、t、n、b分别为与热风温度T、热风速度V、物料切片厚度H有关的参数，这些参数不难通过有限次试验，借助MSE、RMSE、MAE、R-Squared等评价指标进行回归分析确定。

介电常数与实时含水率的模型通式

Mdry=cε-d

式中：Mdry——物料含水率，c、d分别为仅与烘干温度有关的参数，不难通过有限次试验，借助MSE、RMSE、MAE、R-Squared等评价指标进行回归分析确定， ε为相对介电常数、即物料中的实时电容值Cm与其空载（即填充物质为空气）时的电容值C₀之比。

为了对比此两种测量计算的准确性和可靠性，申请人进行了大量试验，将其分别与标准的取样称重测量数据进行对比，结果发现：干燥时间与介电常数测量计算的含水率分别在物料含水率较高和较低时具有足够的精确度，并且呈随含水率较小测量误差分别逐渐变大和变小的规律。因此只要将这两种方法在理想的切换节点替换接合，便可获得干燥全过程的含水率精确测量结果。

在反复试验、深入研究基础上，申请人逐步摸索出本实用新型的技术方案为：

一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置，含有电容信号采集装置、按键输入电路、微处理器以及显示输出装置，所述电容信号采集装置的信号输出端接微处理器，用以将介电常数检测信号传入微处理器；所述按键输入电路的输出端接所述微处理器的参数输入端，用以将包括干燥条件在内的设定参数输入微处理器；所述微处理器的输出端接显示输出装置，用以将计算处理结果显示输出。

所述微处理器含有：

存储单元——用以存储各种物料在标准干燥条件下以预定测量时间间隔取样称重的一组标准含水率测量数据、各种物料时间含水率模型通式和介电含水率模型通式，以及在标准干燥条件下的各种物料时间含水率模型算式和介电含水率模型算式；接收单元——用以在标准干燥条件下以预定测量时间间隔接收电容信号采集装置传入的介电常数检测信号；

计算单元——用以根据物料的时间含水率模型算式和介电含水率模型算式，分别计算出预定时间间隔物料干燥的一组时间含水率测算数据以及介电含水率测算数据；

比较单元——用以将预定时间间隔各时刻的时间含水率测算数据和介电含水率测算数据分别与对应的标准含水率测量数据逐一进行比较，得到一组时间含水率测算误差和一组介电含水率测算误差，找到其中时间含水率测算误差和介电含水率测算误差之差最小值所对应的时刻作为切换节点；

调控单元——用以开始烘干实测时，调取根据目前干燥条件确定的待测物料对应的时间含水率模型算式，根据烘干时间求得实时的时间含水率测算数据作为测量结果数据输出显示；当到达切换节点时，调取根据目前干燥条件确定的待测物料对应的介电含水率模型算式，并调取接收到的实时电容信号求得介电含水率测算数据作为测量结果数据输出显示。

相应的测量方法为所述微处理器运行以下步骤：

存储步骤——存储各种物料在标准干燥条件下以预定测量时间间隔取样称重的一组标准含水率测量数据、各种物料时间含水率模型通式和介电含水率模型通式，以及在标准干燥条件下的各种物料时间含水率模型算式和介电含水率模型算式；接收步骤——在标准干燥条件下以预定测量时间间隔接收电容信号采集装置传入的介电常数检测信号；

计算步骤——根据物料的时间含水率模型算式和介电含水率模型算式，分别计算出预定时间间隔物料干燥的一组时间含水率测算数据以及介电含水率测算数据；

比较步骤——将预定时间间隔各时刻的时间含水率测算数据和介电含水率测算数据分别与对应的标准含水率测量数据逐一进行比较，得到一组时间含水率测算误差和一组介电含水率测算误差，找到其中时间含水率测算误差和介电含水率测算误差临界变换点所对应的时刻作为切换节点；

调控步骤——开始烘干实测时，调取根据目前干燥条件确定的待测物料对应的时间含水率模型算式，根据烘干时间求得实时的时间含水率测算数据作为测量结果数据输出显示；当到达切换节点时，调取根据目前干燥条件确定的待测物料对应的介电含水率模型算式，并调取接收到的实时电容信号求得介电含水率测算数据作为测量结果数据输出显示。

以上过程可以完成整个干燥过程的物料含水率在线测量。与现有技术相比，本实用新型具有测量结果准确可靠、简单方便、适用范围广等显著优点，因此易于推广应用。

本实用新型进一步的完善是，所述电容信号采集装置为探针式电容传感器，由支撑于绝缘骨架的第一电极和第二电极组成。

本实用新型再进一步的完善是，所述电容传感器的信号采集端由并联的待测电容与附件电容之和以及附加电容构成差分输入，通过内部的正、负可编程配置电容并经数字转换单元后输出，与所述微处理器的相应信号输入端连接。

本实用新型更进一步的完善是，所述显示输出装置包括液晶显示器、通讯接口、状态指示和报警装置。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的硬件结构示意图。

图2为图1实施例的电容测量示意图。

图3为图1实施例的电容传感器结构示意图。

图4为图1实施例单独采用时间含水率模型算式的实际测算结果数据与标准称重测量结果数据对比图。

图5为图1实施例单独采用介电含水率模型算式的实际测算结果数据与标准称重测量结果数据对比图。

图6为图1实施例实测结果数据与标准称重测量结果数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本实用新型。

图1所示的果蔬热风干燥含水率在线测量装置含有用于安置在待测物料中作为电容信号采集装置的电容传感器、作为按键输入电路的操控键盘、作为核心的微处理器（STC系列IAP15W4K58S4）、串行接口芯片FM24C04作为存储器、采用CH340T芯片作为上传数据的通讯接口、LCD液晶显示器、LED状态指示以及作为报警装置的蜂鸣器。

其中作为电容信号采集装置的电容传感器如图2所示，信号采集端由并联的待测电容与附件电容之和以及附加电容构成差分输入，通过内部的正、负可编程配置电容并经数字转换单元后输出，与微处理器的相应信号输入端连接。考虑到电容传感器的测量精度、量程以及使用的方便性和稳定性，本实施例设计成图3所示的探针式，由支撑于绝缘骨架3的第一电极1和第二电极2构成，骨架3上设有接线端，采用单芯屏蔽线作为连接线，屏蔽层接地，以消除导线中寄生电容。

本实施例实际采用了亚德诺半导体（ADI）公司的AD7746电容数字转换器（CDC）芯片，该芯片具有两条电容输入通道，每条通道都具有差分输入和单端输入两种模式，其输入电容与输出数据之间的关系为：DATA=((Cx-CAPADA(+)-(Cy- CAPADA(-))，

式中Cx——待测电容与附件电容之和

Cy——附件电容

CAPADA(+)——正可编程配置电容

CAPADA(-)——负可编程配置电容

采用这种输入方式可以消除外部环境变化带来的影响。图2中CIN1(+)、CIN1(-)、EXCA、SDA、SCL和RDY分别为AD7746芯片引脚，其中SDA和SCL是AD7746与MCU之间的双线IIC串行通信引脚，RDY为电容转换状态输出引脚，下降沿表示电容转换完成。

除了电容信号采集装置的信号输出端接微处理器、用以将介电常数检测信号传入微处理器之外，按键输入电路的输出端接微处理器的参数输入端，用以将包括干燥条件在内的设定参数输入微处理器；微处理器的输出端接显示输出装置，用以将计算处理结果显示输出。

该微处理器含有：

存储单元——用以存储各种物料在标准干燥条件（预定热风温度T=60℃、热风速度V=1.3m/s、鸡腿菇物料切片厚度H=4mm）下以预定测量时间间隔5s取样称重的一组标准含水率测量数据、各种物料时间含水率模型通式和介电含水率模型通式（参数待定），以及在标准干燥条件下的各种物料时间含水率模型算式和介电含水率模型算式（参数确定）；

例如存储鸡腿菇在预定热风温度T=60℃、热风速度V=1.3m/s、鸡腿菇切片厚度H=4mm标准干燥条件下每隔5s隔取样称重的一组标准含水率测量数据；

存储包括鸡腿菇在内的物料时间含水率模型通式（即干燥时间与物料水分比的模型通式）和介电常数与实时含水率的如下通用模型通式：

MR=a×exp（-ktⁿ）+b

Mdry=cε-d

式中：MR——物料水分比、即物料实时含水率M与其初始含水率M₀之比，a、k、t、n、b分别为与热风温度T、热风速度V、物料切片厚度H有关的参数；Mdry——物料含水率，ε为相对介电常数、即物料中的实时电容值Cm与其空载时的电容值C₀之比，c、d分别为与烘干温度有关的参数。

以上参数通过有限次试验，借助RMSE评价指标进行回归分析确定（有关教科书有详细介绍，对试验数据进行回归分析，选取决定系数R²、卡方χ² 均方根误差RMSE评价模型拟合好坏，R2数值越大，χ2与RMSE数值越小，模型拟合效果越好），从而确定最佳模型参数，得到存储于存储单元的如下鸡腿菇时间含水率模型算式和介电含水率模型算式：

MR=a×exp（-ktⁿ）+b

a=4.356265-0.07967T+2.114V-0.732665H+0.000607T2-1.16625V²+0.064522H²

k=0.905331-0.016003T-0.13205V-0.125732H+0.000138T²+0.0365V²+0.011139H²

n=-6.771655+0.267125T-0.491V+0.015833H-0.002292T²+0.537V²-0.008547H²

b=-0.051248+0.00177T+0.0205V+0.008078H-0.000018T²-0.01V²-0.000963H²

T=60（℃）、V=1.3（m/s）、H=（4mm）

Mdry=6.0668ε-3.4698。

接收单元——用以在标准干燥条件下以预定测量时间间隔接收电容信号采集装置传入的介电常数检测信号；

计算单元——用以根据物料的时间含水率模型算式和介电含水率模型算式，分别计算出预定时间间隔5s鸡腿菇物料干燥的一组时间含水率测算数据以及介电含水率测算数据；

比较单元——将预定时间间隔各时刻的时间含水率测算数据和介电含水率测算数据分别与对应的标准含水率测量数据逐一进行比较，得到一组时间含水率测算误差和一组介电含水率测算误差，找到其中时间含水率测算误差和介电含水率测算误差临界变换点对应的时刻——即对应标准含水率测量数据为30%的时刻作为切换节点，在此切换节点左侧有尽可能小的时间含水率测量误差，右侧有尽可能小的介电含水率测量误差；

调控单元——之后开始烘干实测时，调取根据键盘输入的目前实际干燥条件（热风温度T、热风速度V、鸡腿菇物料切片厚度H）确定的待测物料对应算得的时间含水率模型算式，根据烘干时间求得实时的时间含水率测算数据作为测量结果数据输出显示；当烘干时间到达切换节点——即对应标准含水率测量数据为30%的时刻时，调取根据设定干燥条件确定的待测物料对应的介电含水率模型算式，并调取接收到的实时电容信号求得介电含水率测算数据作为测量结果数据输出显示。

为了验证切换节点以及结果数据的准确性，本实施例还单独采用时间含水率模型算式、单独采用介电含水率模型算式得到实际测算结果数据，并与标准称重测量结果数据对比，由图4和图5可以看出前者鸡腿菇湿基含水率低于30%时，测量结果存在较大波动，后者当鸡腿菇湿基含水率高于30%时，测量结果存在较大波动，因此本实施例微处理器得到的对应标准含水率测量数据为30%的时刻作为切换节点相当准确，而在此基础上将两种测算方法结合起来，实现了其优势互补，可以在整个烘干过程都得到与离线称重测量十分接近的准确含水率在线数据（参见图6），并且测量过程简单方便、适用范围广等显著优点，易于推广应用。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡等同替换或进一步的完善均落在本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种果蔬热风干燥含水率在线测量装置，含有电容信号采集装置、按键输入电路、微处理器以及显示输出装置，所述电容信号采集装置的信号输出端接微处理器，用以将介电常数检测信号传入微处理器；所述按键输入电路的输出端接所述微处理器的参数输入端，用以将包括干燥条件在内的设定参数输入微处理器；所述微处理器的输出端接显示输出装置，用以将计算处理结果显示输出。

2.根据权利要求1所述的果蔬热风干燥含水率在线测量装置，其特征在于：所述电容信号采集装置为探针式电容传感器，由支撑于绝缘骨架的第一电极和第二电极组成。

3.根据权利要求2所述的果蔬热风干燥含水率在线测量装置，其特征在于：所述电容传感器的信号采集端由并联的待测电容与附件电容之和以及附加电容构成差分输入，通过内部的正、负可编程配置电容并经数字转换单元后输出，与所述微处理器的相应信号输入端连接。

4.根据权利要求3所述的果蔬热风干燥含水率在线测量装置，其特征在于：所述显示输出装置包括液晶显示器、通讯接口、状态指示和报警装置。