基于射頻阻抗法的谷物在線含水量信息檢測

王 哲

(天津現代職業技術學院，天津 300351)

在利用干燥機進行長時間、高降水率谷物干燥過程中，如何進行不同環境條件下、不同谷物含水量的精確在線測量，對于及時和準確地調整干燥機的工作狀態、實現谷物合理干燥和糧食儲藏具有重要意義[1]。谷物水分是谷物中自由水與結合水的總稱，自由水是通過物理吸附作用凝聚在谷物顆粒內部毛細管內和分子間隙中的水分；結合水是通過化學作用吸附在谷物細胞內或谷物分子結構中的水分。自由水具有普通水的一般性質，直接影響谷物的物理和化學特性[2]。就谷物含水量的檢測而言，谷物含水量就是指自由水的含量。一方面，為使谷物在存儲及加工過程中，維持生命和保持谷物所固有的色、氣、味、種用品質及食用品質，對谷物的含水量進行精確檢測就顯得非常重要[3]。另一方面，在谷物干燥過程中，含水量的測量結果直接影響干燥系統的控制精度。因此，研制精度高、響應快的谷物水分在線檢測裝置就非常有必要。現有的檢測裝置離線工作時精度較高，可靠性好，但不宜安裝到工業現場，不能對谷物含水量進行實時測量。目前，我國生產的大部分谷物干燥機還沒有高質量的含水量在線檢測裝置，烘后谷物過干或未達安全含水量的情況相當普遍。國內外對含水量檢測的研究開展較早，主要有直接檢測和間接檢測2種，對于在線測量一般用間接檢測，它包括紅外式、微波式、核磁共振式、中子式、電導式、電容式等[4]。前4種由于結構復雜，造價昂貴，使用維修不方便，多用于大型生產線的在線檢測，而且取得了較滿意的成果，電容式和電導式是常用的方法。電導式存在著測試精度較低、受電解質及被測谷物的溫度影響大等缺點[5]。本試驗在分析電容法原理的基礎上，以谷物含水量測量為核心，研究了基于射頻阻抗法的谷物在線含水量檢測技術，為谷物含水量測量傳感器的高精度、大范圍、自動化、微型化及智能化研發提供科學依據。

1 阻抗法檢測谷物在線含水量的基本原理

阻抗法主要是把水稻種子作為電容器的介質，而夾在2個圓柱形極板間的谷物由于含水量不同，所表現的介電常數也是不同的，在相同頻率信號的激勵下，所呈現的阻抗也不相同。盡管它們之間所對應的函數關系是未知的，但可以通過實驗研究找到它們的對應關系。

1.1 傳感器的理論分析

圖1是谷物在圓柱形極板間流動的模型圖[6]，把流動的谷物分成3個部分：一是谷物間的空氣隙；二是谷物的水分；三是谷物干物質。根據電容的計算公式可得模型總電容Cx：

(1)

式中：C0為谷物間空隙電容，mF；C1為谷物水分電容，mF；C2為谷物干物質電容，mF；H為圓柱形極板的高度，mm；H0表示谷物間的空氣隙的高度，mm；H1表示谷物水分的高度，mm；H2表示谷物干物質的高度，mm；D為圓柱形外極板的直徑，mm；d為圓柱形內極板的直徑，mm；ε0為谷物間的空氣隙電介常數；ε1為谷物的水分電介常數；ε2為谷物干物質電介常數。

設3個部分物質的質量分別為m0、m1、m2。因為谷物間隙的空氣質量可視為0，故3部分總質量m為：

m=m1+m2=πγd(D-d)H2+πγw(D-d)H1。

(2)

式中：γd為谷物干物質的比重，γw為谷物水分的比重，取值為1。

所以待測谷物的含水量為：

(3)

設3個部分體積分別為V0、V1、V2。V表示總體積，兩極板間谷物的空隙比e，即谷物堆積密度，稱為緊實度，可定義為：

(4)

通過式(3)和式(4)變換后，帶式(1)可得總電容Cx與谷物含水量的關系：

(5)

把K0設為常數，則式(5)可以變換為式(6)：

(6)

式(6)表示了圓柱形極板間流動谷物總電容與谷物含水率的關系。當有一定頻率f的信號激勵圓柱形極板時，則其表現的阻抗為Zx，其中常數為K1=2πfK0。

(7)

1.2 傳感器的參數對測量結果的影響

本研究把上面圓柱形極板作為在線谷物水分傳感器，通過式(7)分析可知傳感器的阻抗與谷物濕度之間單值函數的關系，這種關系受到下列幾種因素的影響[7]：(1)傳感的結構參數D、d、H和激勵源的頻率f。對于確定的傳感器和一定的激勵源而言，各參數均為常量。(2)3個部分物質的介電常數ε0、ε1、ε2。在常溫下，糧食干物質的介電常數ε2為2～5，而純水的介電常數ε1約為81。在線測量過程中，由于溫度的變化而引起的介電常數的變化是不可忽視的。經試驗證明，這種影響可以通過溫度補償的方法進行修正。(3)緊實度e的變化。這是影響傳感器測試精度的最主要因素，在式(7)中，每一項都含有e的成分，因此必須克服該因素的影響。以前的研究者大都采用分批采樣及恒定頻率的壓實法等，但都是分批采樣，不是在線測試[8]。有研究者采用在出料口處安裝電磁振蕩排料器，當電磁振蕩排料器均勻振蕩時，傳感器兩極板間流動的谷物緊密度基本保持一致。在此研究的基礎上，利用谷物自重和一定風力對被測谷物進行壓實，使被測谷物的壓實度e基本保持不變，所以減弱了壓實度e對測量結果的影響。

傳感器由上蹺板、圓柱形極板、鐵殼、PVC套管等組成，具有以下優點：(1)圓柱形極板具有較為穩定的電參數。如要增加電容量，則只須增加筒長即可，即改變電容量較為方便。雖然平行板電容器制作較為簡單，但是要對兩極板進行絕緣固定時，這個絕緣體會因為充入電容的谷物含水量過高而引起絕緣性能下降，也就是會引起電容的電參數改變。另外，當要求電容容量較大時，必須增大極板面積，這樣會大大增加傳感器件的體積，這些對試驗和實測都是不利的。(2)當谷物沿著蹺板向上爬行時，利用谷物自重和風力對圓柱形極板間的流動谷物產生壓力，使得在測量時極板間谷物的緊實度保持一致，從而消弱了因緊實度對測量精度的影響。(3)將整個圓柱形極板放置在鐵殼內，由于鐵殼的屏蔽作用，減少了外界靜電的干擾。(4)在圓柱形極板與鐵殼之間加入一PVC套管，削弱了電容場的邊緣效應，提高了測試的精度。

2 測量裝置的設計

本試驗的測量裝置如圖2所示，它是由厚度為1 mm的薄鋁片制作而成的，外圓柱形腔的直徑D為65 mm，內圓柱形腔的直徑d是40 mm，整個圓柱形腔的高度H為100 mm。為了減小彌散效應對測量結果的影響，在圓柱體外套上厚度為3 mm、內徑為65 mm、高度為140 mm的PVC塑料圓筒。信號源經過1 kΩ的電阻與傳感器相聯，示波器通過同軸電纜與傳感器相連接。

本試驗采用南京盛普儀器科技有限公司生產的F40型數字合成函數信號發生器，它是一種精密的測試儀器，具有輸出函數信號、調頻、調幅、頻率掃描等信號的功能。此外，本儀器還具有測頻和計數的功能，主要性能指標如下：(1)主波形為正弦波、方波、TTL波，輸出頻率為1 000 μHz～40 MHz，波形失真度為0.1%，頻率誤差為±5×10-6Hz，頻率穩定度為±1×10-6Hz；(2)脈沖波占空比分辨率高達千分之一；(3)小信號輸出幅度可達1 mV，大信號輸出幅度可達幾十伏；(4)數字調頻分辯率高、準確；(5)猝發模式具有相位連續調節功能；(6)相位調節分辨率達0.1°；(7)頻率掃描輸出可任意設置起點、終點，頻率變化量僅為萬分之一；(8)具有頻率測量和計數功能，計數容量為≤4.29×109，可手動，也可外閘門控制。

示波器是采用江蘇綠揚電子儀器有限公司生產的YB4360型雙蹤四跡示波器，主要性能指標：(1)最大輸入直流電壓為300 V，交流峰峰值電壓為300 V；(2)輸入阻抗為 (1±2%) MΩ，輸入電容為25 pF±3 pF；(3)交流頻帶寬度為 10 Hz～60 MHz，直流0～60 MHz；(4)在室溫下，精度可達±5%；(5)工作電源電壓為交流220(1±10%) V，頻率為 50(1±5%) Hz。

3 試驗材料選擇

本試驗所選用的谷物是水稻早雜品種，稻谷的最初濕度為10.22%～21.3%。為了獲得較高的含水量，將稻谷分成10組，每組為1 kg，分別放置在不同的玻璃器皿內，貼好標簽后，安置在溫度和濕度相對可以控制的環境中。在環境溫度為4 ℃下保存7 d，以達到谷物內外含水量平衡。谷物放到玻璃器皿之前，應在每一組谷物樣品上灑入不同量的蒸餾水，以使樣品的含水量不同且分布廣。測量之前，將每一組樣品放在室溫下24 h，直到谷物表面的水分蒸發完，然后將每一樣品中取出后稱質量mw，用干燥箱進行干燥(本試驗所采用的S.C.101恒溫干燥箱，主要參數為：最高溫度300 ℃，馬達功率40 W，工作室尺寸50 cm×60 cm×75 cm，發熱功率6 kW，電壓220 V，頻率50 Hz，轉速2 800 r/min)，在溫度為135 ℃下干燥24 h，取出測其干燥質量mD，并算出每一樣品的絕對含水量。

4 結果與分析

在每個不同的濕度下測量10次，每次分別用1、3、5、7、10、15、20 MHz信號源去激勵，輸入信號峰峰值電壓為10 V，用示波器測出傳感器上的峰值電壓，將測得的數據取平均值，記錄下來(表1)。

由表1分析可知，當激勵信號的頻率大于5 MHz時，測量的電壓值不能準確反映谷物含水量的變化；而在頻率為 1 MHz 的信號激勵下，濕度差值相同，輸出電壓值差最大，對其進行回歸分析(圖3)得到模型為：y=12.74-23.052x，r2=0.817 3。

為了驗證數據的準確性，在頻率為1 MHz信號源激勵下，將所測得的數據進行變換，利用下述公式將所測電壓值轉化成相應的等效電容值。波形轉換公式(8)和阻抗公式(9)分別如下：

(8)

(9)

表1 谷物水分測量值

式中：U為輸出電壓，V；Ua為電容兩端電壓，V；Cm為傳感器圓形電容，F；Kp為波峰系數，由于輸入的波形為正弦波，所以取Kp=1.414，轉換的結果與Nelson等研究的估算公式[9]一致。

5 谷物在線水分儀的設計與試驗

5.1 谷物在線水分儀的設計

在線水分儀電路由傳感器圓形電容Cm、可調電容Cv、線圈L和石英晶體組成的石英晶體振蕩原理如圖4所示[10]。

當沒有谷物在圓柱形電容的兩極板中時，通過調節電容Cv的值可使LC(諧振電路)并聯諧振回路的固有頻率f0等于石英振蕩頻率f，回路呈現的阻抗最大；當在圓柱形電容的兩極板中加入谷物時，電容Cm的值將會發生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，電容Cm的值隨著谷物濕度的變化而變化。因此，輸出電壓也隨谷物濕度的變化而變化。輸出電壓經放大、檢波后，由指示儀表顯示出濕度的大小。

5.2 谷物在線水分儀的試實驗結果分析

通過調節電路的電容Cv的值，使其諧振頻率分別為1、5、10 MHz。在此基礎上，對15個不同濕度的谷物進行在線檢測，它們的真實濕度由標準烘干法確定，濕度范圍為7%～25%。每種濕度谷物測量10次，求出其算術平均值。在1、5、10 MHz信號的激勵下，測量輸出電壓值基本上都能反映谷物含水量的變化(圖5)。但是，當谷物的含水量發生相同的變化，在1 MHz信號的激勵下，輸出的電壓值變化最大。由于谷物的安全含水量在14%以下和實際谷物的含水量一般不超過22%，因此對1 MHz信號激勵下含水量在13%～22%內的數據進行一元線性回歸分析(圖6)，得到模型為y=21.476-87.288x，r2=0.986 1。

5.3 谷物在線水分儀的試驗結果驗證

將不同濕度的谷物放在傳感器中，在1 MHz信號的激勵下，測量其輸出電壓值，將測量結果代入y=21.476-87.288x(r2=0.986 1)中，推算出對應的谷物含水量。然后將谷物用標準烘干法得到的實際含水量相比較，計算出測量的精度。在含水量為13%～22%的范圍內進行10次測量，由表2可知，使用該谷物在線水分儀測量谷物含水量時，其精度在 ±1.2%，可滿足谷物干燥機控制的要求。

表2 谷物水分測量值

6 結論與展望

在分析阻抗法檢測谷物在線含水量的基本原理的基礎上，主要對谷物在線含水量檢測儀相關技術進行研究，主要得到以下結論：(1)研制了一種谷物含水量傳感器，在不同頻率信號源的激勵下，該傳感器的輸出電壓與相應的含水量基本上成線性關系，而在頻率為1 MHz的信號激勵下，濕度差值相同，輸出電壓值差最大。所以，把1 MHz確定為該傳感器的特征頻率，預測模型為y=12.74-23.052x(r2=0.817 3)。(2)利用圓柱形谷物含水量傳感器設計了一套在線含水量檢測儀，經過試驗得出：在頻率為1 MHz的信號源的激勵下，該在線含水量檢測儀的預測模型為y=21.476-87.288x(r2=0.986 1)。檢測儀的測量精度較高，誤差僅為±1.2%，完全符合小型谷物干燥機的控制要求。(3)為了滿足干燥機控制的需要，谷物在線含水量檢測儀不僅要提高測量精度，也要提高信號采集和處理的速度。(4)還須進一步開發谷物在線檢測的軟件系統，設計出能夠自動記錄谷物含水量的軟件。

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