彌散場電容糧食水分傳感器及其在儲糧中的應用

胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微長安電子有限公司，六安 237000)

彌散場電容糧食水分傳感器及其在儲糧中的應用

胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微長安電子有限公司，六安 237000)

基于彌散場電容檢測的原理設計了一種封裝在柔性電纜中的糧食水分傳感器，可分布安裝在糧倉內(nèi)對儲藏的糧食進行水分在線監(jiān)測。經(jīng)過校正，可以實現(xiàn)儲糧水分±0.5%以內(nèi)的在線檢測精度。

水分傳感器 糧食儲藏 彌散場電容

水分直接關系糧食品質(zhì)與價值，糧食水分檢測對糧食儲藏具有十分重要的意義[1-4]。傳統(tǒng)的糧食水分檢測多是通過干燥或化學方法直接去除糧食中的水分,檢測出樣品的絕對含水量。這些方法的檢測精度高,但費時，適用于實驗室檢測。近年來糧食水分快速檢測技術得到快速發(fā)展，其中比較常見的有電容水分檢測儀和電阻水分檢測儀。傳統(tǒng)的電容水分檢測儀以杯式為主，檢測時需要將糧食倒入內(nèi)部測量，難以實現(xiàn)糧倉內(nèi)在線測量。電阻水分檢測儀又主要分插入式和研磨式兩種，插入式較為低端，普遍存在精度不夠的問題，研磨式工作時候需要把檢測樣品研磨成粉末測量，精度較高，目前在烘干機中應用較多，但是檢測過程復雜，樣品量小，無法實現(xiàn)在水分均勻程度較差的糧倉中在線監(jiān)測。

本試驗采用彌散場電容的原理測量糧食水分，可以檢測較大體積內(nèi)糧食水分的平均值，而且水分傳感器的結構設計與目前糧倉內(nèi)常用的測溫電纜相仿，可在糧倉內(nèi)進行分布式安裝，實現(xiàn)倉內(nèi)多點水分的準確測量，對糧食保管具有很強的參考價值。

1 測量原理及傳感器設計

1.1 測量原理

通過測量糧食電容來估計糧食水分是目前常見的方法。本研究所述的傳感器的特色在于對傳感器結構的設計。商用的電容型水分傳感器除了同心圓結構外，其他多為布置在平面或圓柱面上的叉指電極電容器，其尺寸以及電極距離小，因此檢測區(qū)域被限制在叉指電極表面上很薄的一層空間，空間的尺寸與糧粒相當，因此在顆粒物測量的應用中造成一定的誤差。本研究所述的水分傳感器實質(zhì)為一個電容器，正極與負極均為一個直徑相同的同軸圓筒。正極位于兩只負極之間，如圖1所示，電場線垂直于正極表面射出后垂直于負極表面射入，與平行板和叉指電極電容器相比，電場線能在更深的空間中傳播。這不僅擴大了測量空間，還有利于提高傳感器的電容靈敏度。這種結構被稱為彌散場電容。

圖1 彌散場電容器示意圖

糧粒中的水分分布在糧粒的外部和內(nèi)部。低水分糧食的水分主要分布在糧粒內(nèi)部。糧粒內(nèi)部的水分子受到淀粉等周圍其他分子的束縛，自由轉動受限，偶極矩較小。隨著糧食水分升高，糧食水分逐漸從糧粒內(nèi)部擴展到外部。外部水分以多層分子膜的形式存在，隨著水分的增加，分子膜的層數(shù)逐漸增加。外部受到的束縛比內(nèi)部少，因此偶極矩更大，且多層膜高層分子的偶極矩比底層大。由此可知，隨著糧食水分增加，糧食介電常數(shù)(或傳感器電容)單調(diào)增加，且斜率呈增加的趨勢。

本研究設計的傳感器電纜采用測溫電纜類似的柔性結構(見圖2)，水分傳感器封裝在PVC外皮內(nèi)，整根電纜外部光滑，無突起物，內(nèi)部用一根鋼絲繩提高受拉強度。電纜內(nèi)供電和通訊采用總線制，最多可封裝15個傳感器。傳感器內(nèi)置DS18B20溫度傳感器，用于溫度補償。傳感器基于振蕩工作模式，傳感器作為電容連入電路。輸出的方波頻率與傳感器電容值相關。

圖2 測水電纜示意圖

傳感器的電容C分為只與傳感器外部介質(zhì)相關的外部敏感電容Cex和不與外部介質(zhì)相關的內(nèi)部寄生電容Cin，如公式(1)所示：

C=Cex+Cin

(1)

由此可知，不同傳感器Cex是一致的；不同傳感器的Cin存在不同，且隨機變化，原因有內(nèi)部走線差異等。為解決此問題，通過函數(shù)將頻率值換算成電容值，將糧食中的電容值Ccorn與空氣中的電容值Cair之差(即電容變化量)C來表征水分值MC：

ΔG=Ccorn-Cair

(2)

弛豫振蕩器頻率f的表達式為：

(3)

式中：C為電容；R為電阻；A為常數(shù)。當R值一定時，試驗數(shù)據(jù)擬合的結果為：

(4)

式中：C為電容；a、b為常數(shù)。由于在儲糧水分正常范圍內(nèi)頻率與電容曲線較為平緩，試驗數(shù)據(jù)還可以近似為線性函數(shù)。若振蕩器之間的頻率f與電容C函數(shù)差異過大，需要逐個校準，檢測前逐個輸入相關系數(shù)。

溫度對振蕩電路的元器件影響(不包括對糧食介電常數(shù)的影響)在0～50 ℃的范圍內(nèi)可通過標定試驗獲得，以線性函數(shù)或分段函數(shù)表示。

溫度在不同水分下對電容(實質(zhì)為糧食介電常數(shù))的影響可由標定試驗獲得，以線性函數(shù)或分段函數(shù)表示平行板電容公式為：

(5)

(6)

式中：等式右邊第一項是糧食的電容值，第二項為傳感器內(nèi)部的寄生電容，后者不隨糧食水分變化，可視為常數(shù)。

1.2 傳感器設計

傳感器結構如圖3所示。該電容式水分傳感器的2個負極(3，4)中間夾著正極(5)。正負極之間用連接件相連。傳感器驅(qū)動電路板(11)和溫度傳感器(12)置于傳感器一端。一根鋼絲繩從傳感器中心穿過，傳感器兩端各有一個卡箍將傳感器固定在鋼絲繩上。傳感器外徑16 mm，長度220 mm。

圖3 電容式傳感器結構

2 糧倉內(nèi)水分在線監(jiān)管方法和檢測結果

2.1 安裝方法

使用電動扦樣器將扦樣鋼管逐個打進糧食中，直到達到敖間地面。接下來將電纜插入鋼管中，最后逐個拔出拆卸鋼管，電纜留在糧食中。一根電纜的安裝時間大約5 min。

2.2 校正方法

沿用現(xiàn)有糧食水分快速檢測儀的校正方式，直接減去絕對誤差。傳感器安裝時，當扦樣鋼管打到傳感器安裝深度時取出部分糧食樣品，用于烘干法檢測作為校正值，但糧庫內(nèi)水分分布不均勻，因此每個傳感器逐個校正不現(xiàn)實，要求傳感器具有較高的一致性。

2.3 實測結果

傳感器測試分為實驗室和糧庫現(xiàn)場兩部分。2015年9月進行了一次實驗室試驗，糧食品種為安徽省六安市產(chǎn)的秈稻。任選2只傳感器置于2個相同的容器(直徑1 m，高度1 m的圓筒)中，倒入糧食，用風機從底部向糧食通風降低水分。因為糧食較少，所以糧溫與氣溫一致，大約20 ℃。

1號和2號傳感器的雙試驗數(shù)據(jù)如圖4所示， Ⅰ區(qū)為不間斷吹風階段測量的數(shù)據(jù)，Ⅱ區(qū)為吹風后靜置36 h以上測量的數(shù)據(jù)。電容變化量與水分呈單調(diào)趨勢，在Ⅰ和Ⅱ各自區(qū)域內(nèi)，電容變化量與水分可以各形成一條直線。在分界線上有2組數(shù)據(jù)點。縱坐標位置更低的是Ⅰ區(qū)的(邊吹風邊測量)，更高的是Ⅱ區(qū)(停止吹風36 h后)。試驗發(fā)現(xiàn)停止吹風后傳感器電容逐漸增大，在12 h后達到穩(wěn)定，幾乎不變，可認為靜置12 h后糧粒內(nèi)外部水分已經(jīng)大致平衡。造成這種差異的原因是，本裝置的風量較大，糧粒外部水分蒸發(fā)速度比內(nèi)部水分向外部擴散的速度快得多，Ⅰ區(qū)的水分主要集中在內(nèi)部；經(jīng)過靜置后糧粒內(nèi)部的水分得以充分擴散到了外部并達到新的平衡。糧粒外部水分對傳感器電容的貢獻大于糧粒內(nèi)部，因此雖然水分值不變但傳感器的電容差異明顯。

稻谷含水量17.0%以下是儲糧可能的水分范圍，糧庫對此有明確的水分測量誤差要求(≤±0.5%)。將圖5中2個傳感器的數(shù)據(jù)用二次函數(shù)擬合，電容變化量為自變量，水分值為參變量。分別將2只傳感器的電容變化量帶入該函數(shù)中，得到的水分值減去實際水分值即為傳感器測量誤差，如表1所示。由此可知傳感器在12.9%～17.0%范圍內(nèi)最大測量誤差為0.32%。

由圖4、圖5、表1的數(shù)據(jù)可以看出，2只傳感器的數(shù)據(jù)一致性較好。應指出的是，傳感器輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，輸出信號的最大噪聲換算成水分值為≤±0.16%。試驗過程中，傳感器水分測量值連續(xù)測量跳讀幅度≤±0.1%，反而作為水分真值的測量方法(國標法)的數(shù)據(jù)波動較大，變化幅度達到≤±0.5%。其原因是，糧食在靜止狀態(tài)下吹風，烘干法糧食取樣高度不一致等原因?qū)е录Z粒水分不均勻，而水分傳感器檢測的糧食樣品(直徑15.2 mm，高度200 m的容積內(nèi)的糧食)比國標法(十幾克糧食，一小撮)多，都是取平均值，前者波動的幅度就更小。

圖4 整個雙試驗的數(shù)據(jù)點

圖5 低水分階段的數(shù)據(jù)點

表1 雙試驗的結果/%

2016年12月在重慶銅梁國有糧庫安裝水分傳感器，經(jīng)過數(shù)個月的運行，剛安裝完的傳感器測量數(shù)據(jù)如表2所示，電纜4～5傳感器數(shù)據(jù)與烘干法比較表3所示。電纜1～2傳感器2個月的數(shù)據(jù)變化如表4所示。

表2 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)/%

表3 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)與烘干法比較/%

表4 銅梁庫水分傳感器測量數(shù)據(jù)隨時間的變化/%

3 結論

本試驗研究了一種基于彌散場電容檢測的原理的糧食水分傳感器，封裝在柔性電纜中，可分布安裝在糧倉內(nèi)實現(xiàn)就倉糧食水分在線監(jiān)測。雙試驗表明傳感器具有較好的一致性。經(jīng)過校正，可以實現(xiàn)儲糧水分±0.5%以內(nèi)的在線檢測精度。

[1]GB/T 29890-2013 糧油儲藏技術規(guī)范.

[2]LS/T 1203-2002 l糧情測控系統(tǒng)

[3]王若蘭.糧油倉儲學[M].中國輕工業(yè)出版社, 2009

[4]楊洲, 羅錫文, 李長友. 稻谷含水率分布及變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2005, 36(10), 81-84

Yang Z, Luo X W, Li C Y. Distribution and variation of rice kernel moisture content [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2005,36(10):81-84.

Dispersion Field Capacitive Grain Moisture Sensor and Its Application in Storage

Hu Jia Li Zhen Pan Xiaojun

(Anhui Brainware Changan Electrics Co., Ltd. Lu′an 237000)

A grain moisture sensor, integrated into a flexible cable, was designed in this paper, according to the principle of dispersion field capacitance inspection. A number of such sensors could be used to monitor the moisture content of the grain online in the granary. After a calibration process, an error of0.5% of moisture measurement was achieved.

moisture sensor, grain storage, dispersion field capacitance

S379

A

1003-0174(2017)11-0108-04

2017-04-30

胡佳，男，1982年出生，博士，電子科學與技術

李臻，男，1977年出生，博士，電子科學與技術