CN87100290A - 插入式水份仪传感器 - Google Patents

Abstract

本水份仪传感器是采用电阻原理对被测颗粒物如稻谷、麦子等的水份作插入采样测量的一种新型设计。它具有与常见结构型水份仪不同的三个特点：1.插入式，插杆端部的采样杯可插入被测物盛器如麻袋、箩框内直接采样测试；2.内装测力传感器，在一定的夹紧力下读取采样杯内被测物的水份值；3.内装测温元件，实现温度测量及温度误差补偿。本传感器工作稳定，可靠性好，测量精度高，采样测试操作简便、省时。

Description

本发明属于测量颗粒物如稻谷、麦子等的水份含量的一种插入式结构型水份仪传感器。

现代种子研究，谷物的收购、保藏，医用药品如药丸、药片和某些化工原料等都需要测量或控制其水份含量（即湿度），常常还需要同时测定其温度。对于水份或湿度测试技术，国内外均相当重视，已有不少公司和厂家生产多种湿度计。现有的水份仪或湿度计在原理上。大致可分为两大类：结构型和物性型。

结构型水份仪是基于待测物的电阻率或电容率随其水份含量变化而变化的原理工作的。用一定结构的采样容器並形成电极，量取或秤取一定量的待测物样品，放入采样容器，把电极间的电阻或电容经电路转换获得电压输出，用百分比含水量或相对湿度的形式进行显示达到测量的目的。典型的结构型电阻法测量的水份仪目前要算是日本“Kett    Electric    Laboratory”生产的“Riceter    Model    L”型，如图7所示。它是小型台式装置，数字显示。用量盘采样，采样量小（约为15颗稻谷），用简单的螺纹夹紧方式将谷物等样品夹紧，谷子常被碾碎，碾碎程度无法控制，又无测力装置，夹紧力大小完全凭操作者的经验而定。由于电阻法测量谷物等的水份受极板间压力大小的影响较大，因而它的测量准确度受人为因素的影响较大，此外它的采样量小也使测试结果的代表性显得不足。

物性型水份仪是利用某些材料如湿敏陶瓷、湿敏电解质或湿敏高分子材料等的物理性质（如电阻率）随其本身含水量变化而变化的特性所制成的湿敏元件，按具体的测试对象和条件构成某种装置进行水份或湿度测试。丹麦农民电子化有限公司（Farmer    Tronic    A/S）的大米自动测量器（Ricematic）和瑞士Novasina公司的Sword    Probe    SS型湿度计是属于这一类的仪器，如图8和图9所示。由于物性型湿敏元件工作时需要经历一个吸湿过程，所以这类仪器的测试时间较长，又因湿敏元件在工作时经常反复去湿（清洗）和吸湿，传感器的使用寿命不如结构型的好，此外仪器的测量精度受湿敏元件长期稳定性不足的限制。

本发明的任务是力图实现一种使用方便、省时、采样量大和测量稳定准确的水份仪传感器。要求它能满足现场测试的工作条件，能够直接对仓库贮藏的、盛在箩框中的、麻袋内的或别的容器里的谷物或其它颗粒状待测物进行方便、快速采样並获得准确测量结果，使它不仅能广泛应用于谷物打晒场、粮食收购站、粮库或其它现场的水份（湿度）检测，也能适用于实验室研究工作的需要。

本发明的中心内容是装有测力传感器和测温元件的杆件结构型插入式水份仪传感器。具有一个尖顶头部，以便插入待测物，在紧靠头部后面有一个采样杯，在采样杯处装有两个电极板，另件（4）与尖顶头部一起可前后伸缩运动而无转动，在插入采样前使另件（4）与采样杯口接合，以阻止插入过程中被测物进入采样杯，当尖顶头部插入被测物並到达所测位置时，使另件（4）前伸，让它与采样杯口间有一定空隙，被测物即可方便地进入采样杯，装满后再使另件（4）后缩，夹紧采样杯内的被测物，其夹紧力大小用弹簧环粘贴上应变片所构成的测力传感器测定，保证各次测量数据是在相同的夹紧力下取得。另件（4）的轴向位置可由手柄（20）上的标尺和拉杆（26）上的指示杆（28）来指示，便于判断被测物在采样杯内的装填情况。另件（4）的前伸和后缩运动以及对采样杯内被测物的夹紧力系通过由手柄（20）、手轮（35）、键（34）、轴套（33）、丝杆（30）和螺母套筒（29）组成的运动施力装置来实现。利用两个极板间电阻的大小与被测物含水水量（湿度）大小的依赖关系，把该电阻经测量电路转换成电量（如电压）输出，进而显示被测物的含水量（湿度值）。

为测定被测物的温度和补偿水份（湿度）测量中的温度误差，在靠近采样杯后面的地方安装一个测温热敏电阻器，通过测量电路获得电量输出以显示被测物所处温度並实现温度误差补偿。

本水份仪传感器的基本特征和优点是：1.插入式，本传感器尖顶头部的采样杯可插入仓库贮藏的、麻袋包装的或盛在箩框等容器内的谷物或其它颗粒物直接采样测试，也可象通常的水份仪那样作定量（秤取或量取）采样测试;2.内装测力传感器，采样杯内谷物所受的夹紧力由测力传感器测定，能保证在一定的夹紧力下读取采样杯内被测物的水份值，故消除了因极板与被测物之间接触力的不确定性引起的测量误差，並且，由于对待测物仅施以轴向夹紧力而无扭转转动力，故被测物（稻谷等）不易压碎，这也提高了测量的准确性;3.内装测温热敏电阻，测量被测物的温度並实现水份测量中的温度误差的自动补偿。所以本水份仪传感器同时又是一个插入式温度计。

本发明的优点是既能避免物性型水份仪所固有的反应速度慢、稳定性差的缺点，又能克服现有结构型电阻式水份仪因夹紧力不均而引起的测量误差以及定量采样费时，采样量小，测试结果较少代表性的缺点，还能进行温度误差补偿。故采用本发明的传感器测量颗粒物的水份能实现测量精度高，工作稳定，可靠性好，插入式采样适于现场测试，操作简便省时，采样量大，测试结果有较好的代表性。

图1，本发明的插入式水份仪传感器结构装配图。比例0.75∶1

图2，图1的A-A剖视图，比例0.75∶1

图3，图1的K向视图，比例0.75∶1

图4，圆柱面电极采样头结构装配图，比例1∶1

图5，图4的B-B剖视图，比例1∶1

图6，水份仪传感器测量电路方框图。

图中：1.传感器，2.选择器，3.跟随器，4.放大器，

5.放大器，6.温度测量电路，7.放大器，8.应变测量电桥，9.放大器，

10.A/D转换及液晶显示器，11.辅助电源。

R_T：与被测物水份有关的水份仪传感器输出电阻值。

R_t：与被测物温度有关的热敏电阻值。

R_F：与被测物夹紧力有关的应变片电阻值。

图7，日本产Riceter    Model    L型水份仪外形图。

图中：1.显示器，2.对被测物的螺纹夹紧装置，3.4.5.为采样盘，其中3.被测物样品（如稻谷）放置均匀一层，恰到好处，满足测量要求，4.被测物没有放满，5.被测物放置太多，6.测试腔，7.操作按键。

图8，丹麦产大米自动测量器（Ricematic）示意图

图9，瑞士产Sword    Probe    SS湿度计示意图，图中：

1.Sword    Probe    SS型湿度计探头，2.测试附件。

图10，传感器输出电阻与稻谷的百分比含水量的关系曲线。

实施例一

本发明方案的一个实施例如图1所示。它由三个部分组成，即采样头，测力传感器和操作手柄及运动施力装置。具体说明如下：

1.采样头。它包括另件（1）至（15）及（43）至（45）。金属另件（4），（7），绝缘衬套（5）及拉杆（14）上的绝缘轴套（6）构成圆环形采样杯及两个平板电极，即静电极极板平面（a）和动电极极板平面（c）。动极板（4）前方的圆锥形尖顶另件（1）是为插入式工作要求设计的，可方便地插入麻袋、箩框等被测物盛放容器内。动极板通过螺母（2），弹簧垫片（3）与拉杆（14）及绝缘轴套（6）连在一起。拉杆（26）和拉杆（14）用绝缘垫套（16）、绝缘垫圈（41）、螺母（42）分别与弹簧环（18）电气绝缘而机械固定，这样通过操作拉杆的轴向前后运动（在后面另作介绍）就带动了动极板作轴向前伸或后缩。拉杆（14）上的凹槽和螺钉（11）是为限制拉杆（14）的转动而设置的，其相互关系可由图2清楚看到。一组引线（43），其中一条经焊接片（15）、拉杆（14）与动极板（4）电气地相连，作为动极板引出线;另一条经螺钉（44）与另件（7）电气连接，为静极板引出线。上述引线方法方便可靠。绝缘套筒（5），绝缘轴套（6）和绝缘轴座（45）是用来电气隔离另件（7）和（4）以及（7）和（14）的，由此也就形成了圆环形采样杯和动、静两个极板平面（c）和（a）。绝缘套筒（8）与绝缘长管另件（10）相压配，另件（7）和（45）相压配，再用两个螺钉把它们固定一起，见图2，另件（10）用工程胶木加工而成，长434^mm。

在插入采样前，操作拉杆，先使动极板后缩，让动极板平面（c）与采样杯口平面（b）接合或进入采样杯内，另件（4）的外径和另件（5）的内径为松动配合，这样在插入过程中，待测物（如谷物等）就不会进入采样杯内。在采样头插入到要求的被测位置时，为要采样，使动极板前伸，让其与采样杯口间有一定空隙，此时再将插杆向前稍稍一推，被测物即刻盛满采样杯内。然后再操作拉杆，使动极板后缩，进而将采样杯内所采样品（被测谷物等）夹紧。该轴向夹紧力的大小由测力传感器测定。在一定的夹紧力下，动、静两极板间的电阻即水份仪传感器的输出电阻的大小就相应地反映了被测物所含水份的多少。电极引线（43）接入测量电路，动、静极板间的电阻便可转换成电量（如电压）输出，测试结果用百分比含水量或相对湿度为单位进行显示。

这种采样头结构也可用作定量采样（用量具取或用天平称取样品）测试。采样杯容积为4.8ml，一次采样可容纳稻谷约150颗。

在采样头中的另件（7）上紧靠静极板平面（a）后面安装着一个测温热敏电阻（9），其径向位置如图2所示。由图可见，实际上有两个可装热敏电阻的深孔，这是为某些电路工作需要两个热敏电阻而设置的。螺钉（12）用以固定热敏电阻的一条或一组引出线（13）。安装热敏电阻是为了在测量水份的同时对被测物作温度测量。谷物等贮藏温度和湿度不适当，就会导至变质，所以测量並控制贮藏谷物等的温度也显得十分重要。测量温度的另一个目的是实现水份测量中的温度误差的补偿，因为谷物等在所含水份相同的情况下，由于所处温度的不同，其电阻值也不同。因此本装置实际上是一个湿度、温度传感器，也可单独作为插入式温度计使用。

2.测力传感器。动、静极板对采样杯内被测物的夹紧力的大小，影响极板与被测物的接触电阻及被测物在采样杯内的松密度，从而影响所测电阻的大小，即直接影响水份测量的精确性。为此，在拉杆（14）和（26）之间设置了由弹簧环（18）和粘贴在它上面的一组应变片（17）组成的测力传感器。前面已经提到，两拉杆与弹簧环是通过绝缘轴套（16），绝缘垫圈（41）及螺母（42）电气绝缘连接固定的。其中（19）是应变片的引出线，它与外部测量电路相连，通过电路转换，弹簧环的受力即动、静极板间的夹紧力的大小就可用输出电压的大小来显示。这样，测量时就能在规定的夹紧力下读数，从而避免了因操作人员施力不均所造成的测量误差。

3.操作手柄及运动施力装置。手柄（20）、另件（31）和手轮（35）是工作时操作手柄的主体。绝缘长管（10）经螺钉（21）和金属衬套（22）固定于它的前端（左侧），衬套（22）仅起加固作用。手柄内设置着为动极板提供前伸后缩运动和为动、静极板对采样杯内被测物提供夹紧力的运动施力装置。其动作原理如下：手轮（35）的旋转通过键（34）带动丝杆（30）和轴套（33）一起旋转。丝杆和轴套用螺钉（36）固定，因为轴套（33）的前后轴向位置被用螺钉（32）固定在一起的手柄（20）和另件（31）所限制，故轴套（33）无法作轴向移动，也即丝杆只能随手轮（35）转动而无轴向移动。

与丝杆相配的螺母套筒（29）的外径与手柄（20）的内径为滑动配合，它的前方（左侧）通过两个螺钉（27）与拉杆（26）固定连接，拉杆（26）与用螺钉（38）固定在手柄内的轴衬套（25）滑动配合。拉杆（26）上的局部平面与用螺钉（23）固定在手柄内的压片（24）的共同作用，使拉杆（26）也即使螺母套筒（29）只能作轴向移动而无转动。

如上所述，丝杆的旋转运动带动了螺母套筒作轴向运动，也即使拉杆作轴向运动。这样就达到用转动手轮来实现动极板的前伸后缩。丝杆和螺母套筒为右旋螺纹，所以手轮（35）顺时针转动时，动极板（4）后缩，反之，手轮逆时针转时，动极板前伸。动极板所处位置可由与螺母套筒及拉杆（26）固定在一起的指示杆（28）和手柄上的标尺来显示，如图3所示。装配时应满足：当指示杆（28）处在标尺“0”位时，动极板平面（c）与采样杯口平面（b）重合。

在用上述方法采样之后，顺时针旋转手轮，动极板后缩，进而，动、静极板对采样杯内的被测物轴向地夹紧，手轮继续顺转，夹紧力逐渐增大。在测力传感器指示的夹紧力达到要求值时，停止顺转手轮，读出被测物的电阻值或相应的含水量数据。由于丝杆和螺母的自锁作用，上述指示的夹紧力是保持不变的。只有当逆时针旋转手轮时，才能释放夹紧力，手轮继续逆转，动极板逐渐前伸，一旦插杆从被测物中拔出，采样杯中的被测物就自动倒出。这样就完成了一次采样测试。

图1中，引出电缆（39）内包含着动、静电极，热敏电阻和应变片的全部引出线。（37）为十芯电缆插头。另件（40）是橡皮垫圈，用以把电缆（39）固定在手柄（20）上。

本水份仪传感器最大外径为35mm，指示杆（28）处在标尺“0”位时的总长度为617mm，电缆长度为3m。

图6为适用于本水份仪传感器的测试电路方框图。用本水份仪传感器对稻谷进行测量，其水份含量与传感器输出电阻的关系如图10所示，可见两者粗略接近对数特性。

实施例二

本发明方案的另一个实施例，见图4，它是实施例一的变型，主要差别是在采样头中不用平极电极而用圆柱面电极。在这一实施例中，用金属另件（49）的内圆柱面（d）和金属圆筒（50）的外圆柱面（e）组成一对电极，两者均固定不动。两电极间的圆环形空间即为采样杯。两条电极引线（46）分别与另件（49）和（50）电气相连。热敏电阻装在另件（49）内靠近采样杯的地方。绝缘套筒（8）和绝缘长管（10）相压配。另件（49）与绝缘另件（47）压配后，用螺钉与另件（10）及（8）固定，如图5所示。螺钉（11）和拉杆（14）上的凹槽是为限制拉杆（14）的转动而设置的。如图所示，此方案中拉杆（14）的左面一段，即拉杆（14）处在采样杯内的一段的直径比实施例一中拉杆的相应一段的直径小2mm，而长度增加15mm。螺钉（12）用来把热敏电阻的引出线（13）机械地固定在另件（47）上。与实施例一样，视电路工作需要，可同时安装两个热敏电阻器。绝缘垫套（48）是用以形成采样杯的底部平面。同时也起到遮盖保护热敏电阻器和电极引出线的作用。金属圆筒（50）与绝缘另件（47）为滑配合，两者用螺钉（51）固定。

在本实施例中，圆锥形尖顶头部的另件（1）、（2）、（3）、（4）的结构形状及尺寸与实施例一完全相同，所不同的是另件（4）改用绝缘材料制成，它不作为电极，而仅作为压板，在拉杆后缩时，它对采样杯内的被测物起压紧作用。

本实施例的其余部分，即测力传感器、操作手柄及运动施力装置的结构、形状和尺寸均与实施例一相同。插入采样等操作过程也与实施例一完全一样。

圆柱面电极及其相应的采样杯结构也适用于电容法测量，构成电容测量法插入式水份仪传感器。

Claims (9)

1、一种插入式水份仪传感器，应用被测物所含水份与其电阻的关系特性，通过电路转换获得电压输出而显示水份值，本发明的特征是在尖顶头部(1至4)后面有一个采样杯，采样杯处装有两个电极板，靠近采样杯后面是热敏电阻器(9)，用以测量被测物的温度及补偿水份测量中的温度误差，本传感器中部为测力传感器(17，18)，另件(4)与头部一起可作轴向前后伸缩运动，当头部插入被测物到达所测位置並完成采样后，被测物盛满了采样杯，此时，使另件(4)后缩夹紧被测物，测力传感器可测定夹紧力大小，以保证测量时被测物在一定的夹紧力下通过电极输出的电参数(如电阻或电容)转换成被测物的水份值，另件(4)与头部的轴向前后伸缩运动及另件(4)后缩时对采样杯内被测物的夹紧力是通过操作安装在操作手柄内的运动施力装置来实现的。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征是两块电极板是由动极板（C）和静极板（a）组成，动极板能沿轴向前后伸缩，使它能与采样杯口（b）分离或接合，当尖顶头部插入被测物並到达所测位置时，动极板前伸，使其与采样杯口有一定空隙，被测物即可盛满采样杯，然后使动极板后缩，夹紧动、静极板之间采样杯内的被测物，使在对被测物作用一定的夹紧力下测定其水份值。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征为两块电极板是由圆柱面（d）和（e）构成，两者均固定不动，另件（4）用绝缘材料制成，不作电极板，仅用作活动压板，它可沿轴向前后伸缩运动，在完成采样后，使压板后缩，压紧采样杯内的被测物，使在对被测物作用一定的夹紧力下测定其水份值。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征是用一组应变片（17）贴在弹簧环（18）上构成测力传感器，把它装在拉杆（14）和拉杆（26）之间並分别与两拉杆固定。

5、根据权利要求1所述的传感器，其特征是运动施力装置中丝杆（30）由手轮（35）通过键（34）带动旋转，丝杆用销钉（36）与轴套（33）固定，因轴套（33）的轴向位置受手柄（20）和另件（31）的限制，故丝杆（30）只能旋转而无轴向移动。

6、根据权利要求1所述的传感器，其特征是螺母套筒（29）与拉杆（26）由螺钉（27）固定，由于拉杆（26）上的局部平面和压片（24）的防转作用，拉杆（26）和螺母套筒（29）只能作轴向移动而无转动。

7、根据权利要求1所述的传感器，其特征是拉杆（14）上的凹槽与螺钉（11）的防转作用，使拉杆（14）只能轴向移动而无转动。

8、根据权利要求1、5、6、7所述的传感器，其特征是通过操作运动施力装置，即通过手轮（35）的旋转带动拉杆使与尖顶头部连在一起的另件（4）能轴向前后移动，另件（4）的外径与采样杯的内径为松动配合，使另件（4）能在采样杯内轴向移动，手轮、丝杆和螺母套筒、拉杆所组成的装置也就是对采样杯内被测物产生夹紧力的施力装置。

9、根据权利要求1和权利要求6所述的传感器，其特征是另件（4）前后移动的位置可由手柄（20）上的标尺和拉杆（26）上的指示杆（28）来指示。

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