糧情微波水分傳感器研制及應用

管 超，商曉東，馬寶臨，張 帆，李興軍，陳紅娟

（1.國貿工程設計院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲庫，北京 101103；3.國家糧食局科學研究院，北京 100037）

糧情微波水分傳感器研制及應用

管 超1，商曉東1，馬寶臨1，張 帆2，李興軍3，陳紅娟3

（1.國貿工程設計院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲庫，北京 101103；3.國家糧食局科學研究院，北京 100037）

介紹了糧情微波諧振腔水分傳感器工作原理和糧堆水分在線監測系統的組成，及其在糧食倉儲作業中的相關應用情況。系統的研制，為糧食行業糧堆水分在線監測提供了新的技術手段，對行業糧情測控技術進步起到積極意義。

糧食水分；微波諧振腔水分傳感器；糧堆水分在線監測

糧食水分是儲糧過程的重點檢測指標之一，糧庫目前主要采用人工抽樣方法進行檢測。在糧食儲藏和通風、干燥水分遷移的變化趨勢研究中，快速和連續的糧堆水分監測方式需求強烈。

微波水分檢測技術中的諧振腔式水分傳感器產品性能優良，檢測范圍寬（0～60%），精度高（優于0.5%），重復性和長期穩定性好，具有非接觸測量特點，可以滿足糧情水分在線檢測的要求。國內基于微波原理的研究報告多年前已出現，但至今沒有量產產品推出，市場上目前主要為價格很高的國外產品。

針對上述狀況，結合儲糧作業特點，對微波諧振腔水分傳感器進行了開發和應用。

1 微波水分傳感器研制

1.1 微波水分檢測機理

微波水分檢測機理，是基于測量被測材料（介質）的相對介電常數εγ＝ε’（1－jtgδ）。在微波頻率范圍內，水的介電常數為60～80左右，損耗角正切tgδ＝0.3～1.1；而其他大多數材料的介電常數為2～5，tgδ＝1x10－4～10－2，其介電常數和損耗角正切主要由其水分含量決定。［1］

微波諧振腔微擾水分檢測是微波水分測量技術中的一種，其傳感器的具體實現是，設計一個開口的諧振腔體（本傳感器空載諧振點在2GHz左右），置于腔體窗口外的被測物料將對腔內電磁場產生微擾而使諧振點發生頻率偏移，其相對空載諧振點的頻差主要隨腔外材料的含水量（介電常數）大小而變化，分別測量腔體空載（無外接微擾時f0）、以及放置不同含水量材料時的各諧振頻率（f1...fn），計算其相對空載時的差值，即可得到被測材料含水量變化的大小，將測試材料的實際含水量（水分）與對應頻偏值進行擬合，可得到諧振點頻率偏差與被測材料所含水分的計算方程，將方程直入測量系統，根據測得的諧振頻率可計算得到對應的物料水分值。［2］

基于測量原理，設計的傳感器相關檢測電路框如圖1：

圖1 微波水分傳感器電路原理圖

圖1中單片機控制系統各功能模塊進行大步幅的掃頻工作，確定諧振點大概位置后，轉向圍繞諧振點附近的小步幅掃頻工作，記錄下若干個頻率—功率數據，處理后找到諧振點，與溫度數據（用于補償溫度偏移產生的測量偏差）一起發送給上位計算裝置。上述檢測過程循環往復，實現了微波諧振腔式糧情水分的連續快速檢測。［3］

1.2 測量方程擬合

試驗結果表明，在0～40%測量范圍內，計算模型可擬合為一階線性方程：M%＝a×（Xo－Xn＋（To－Tn）Kt）＋b。其中M%為水分值，Xo，To為空載時的諧振頻率值和內部溫度，Xn，Tn為不同水分各點相應的諧振值和溫度，Kt為溫度補償系數，a和b為方程系數。

實際使用中，檢測系統將Kt和方程系數a，b設計為可現場設置的參數，結合對應物料實際檢測水分值，可方便對傳感器計算方程進行現場校準操作。參數設置界面如圖2：

圖2 水分計算方程參數設置界面

系統將各傳感器空載諧振頻率值保存為初值，根據擬合方程設置相應溫度補償系數、系數a（斜率）和b（截距），通過傳感器檢測到的不同諧振頻率值，即可計算得到對應水分值。

圖3 稻谷、小麥和玉米部分實驗結果及相應擬合方程

圖3a、3b、3c為以空載值與測量值差值為變量的曲線方程，圖3d、3e、3f為以測量值為變量的曲線方程。

1.3 配套接口裝置

糧情微波水分傳感器數據輸出接口設計為RS232，其特點是完成了信息采集數字化，使用方便，其對外為一對一形式，因此需要研制配套通訊轉換裝置，以RS485串口形式傳輸，實現網絡化采集應用。

具體使用中設計了帶有地址編碼的專用模塊，其功能為自動采集傳感器發送的測量數據，接收上位系統指定地址的數據上傳指令，匹配完成后，轉發所采集的糧情水分數據和溫度信息。

目前模塊設計有8位地址編碼，可實現子系統內64點糧情水分聯網監測功能，如需擴容，可通過多子系統設計，實現m×64點水分網絡化監測。系統組成示意見圖4。

圖4 糧情微波水分在線監測系統組成

1.4 對外接口及協議

系統設計了采集分機＋通訊轉換模塊＋糧情微波水分傳感器部署形式，傳感器負責原始數據采集和輸出，通訊轉換模塊負責原始數據采集和聯網轉發，水分數據計算、校準和對外數據互聯在采集分機側完成。為方便微波水分傳感采集系統今后更廣泛領域的應用，系統對外數據接口設計為標準串口通訊或以太網口，數據傳輸協議采用了廣泛應用的MODBUS標準數據通訊協議。

這種設計的優勢在于，系統可作為標準儀表，方便地集成于各類通用的工業控制監控系統中，當然也包含行業廣泛推廣的儲備糧信息管理系統。

2 糧食水分在線監測系統應用

水分傳感器尺寸直徑49（mm）×高62（mm），防護等級IP55。糧食水分檢測范圍0～40%，檢測周期小于1s，檢測分辨率0.1%，校準后測量精度優于±0.6%，長期測量穩定性優良，可滿足靜態和低速流動儲糧水分在線檢測使用要求。目前實現了產品小批量試制，成本較國外同類產品也實現大幅下降，系統在多個糧庫使用一年多，穩定性優良。

考慮到應用成本，目前示范應用中每個廒間配置3～6只傳感器，采用傳感器組糧堆直埋方式；將來考慮再提供一種便攜移動傳感器插桿應用形式，可以根據需要部署觀測點，進行臨時或定期糧堆水分監測。

采集分機為彩色人機界面，可實時顯示和定時記錄物料水分檢測數據，并以曲線和記錄表形式展現。檢測數據可保存于外置U盤，或以通訊形式對外傳輸。

系統已成功應用于糧庫上層信息系統對接和通風作業控制，實現了糧情水分實時在線監測及糧堆水分變化趨勢記錄和展示。

本系統在某糧庫對倉儲玉米通風過程糧堆上層水分的變化進行了監測，由于通風采用了精準的大氣窗口邊界條件自動控制技術，風機使用安裝在倉房兩側的軸流風機，使通風過程中糧堆水分下降減緩，達到了降溫保水通風的良好效果。在未來的糧食通風作業中，通過監測大氣溫濕度，結合糧堆水分解析吸附方程研究成果和本系統的使用，可根據相應通風策略（降溫保水、降溫降水、降溫增濕）實時計算糧堆通風窗口邊界條件，實現真正意義上的儲糧智能精準通風控制。

3 有待改進的問題

通過近一年的糧食實倉應用，糧情微波水分傳感器還有待進一步改進，主要為：（1）降低自身溫升（目前有5～10度內部溫升，鋁制機殼對外溫升約1～2度）以獲得更高測量精度；（2）進一步縮小體積，以利于糧堆中的深層敷設；（3）擴大傳感器檢測范圍，以適應更廣泛的應用領域；（4）目前傳感器諧振點測量穩定，但對測試物料形態穩定性亦要求嚴格，形態改變會引起測量偏移，這需要通過現場校準或引入諧振點波束寬度加以改良。

糧情微波水分傳感器及糧堆水分在線監測系統的研制，為國內糧食行業增添了新的糧堆水分在線連續監測和糧食水分抽樣檢測先進技術手段，在糧食儲藏、干燥等儲糧作業領域推廣應用前景廣闊。

［1］傅尤章.新編傳感器技術手冊［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［2］姜宇，王琢.微波諧振腔物料水分測量技術［M］.哈爾濱：東北林業大學出版社，2007.

［3］張旭峰，劉宇，張婷.微波諧振腔諧振頻率實時測量系統的實現［J］.傳感技術學報，2009，22（10）：1451.

S 379.3

B

1007－7561（2017）01－0092－03

2016－08－29

2013年糧食公益性行業科研專項（201313008－3）

管超，1962年出生，男，教授級高級工程師.