基于射頻阻抗法的谷物在線含水量信息檢測

王 哲

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300351)

在利用干燥機(jī)進(jìn)行長時間、高降水率谷物干燥過程中，如何進(jìn)行不同環(huán)境條件下、不同谷物含水量的精確在線測量，對于及時和準(zhǔn)確地調(diào)整干燥機(jī)的工作狀態(tài)、實現(xiàn)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(jié)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(nèi)部毛細(xì)管內(nèi)和分子間隙中的水分；結(jié)合水是通過化學(xué)作用吸附在谷物細(xì)胞內(nèi)或谷物分子結(jié)構(gòu)中的水分。自由水具有普通水的一般性質(zhì)，直接影響谷物的物理和化學(xué)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(zhì)及食用品質(zhì)，對谷物的含水量進(jìn)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(jié)果直接影響干燥系統(tǒng)的控制精度。因此，研制精度高、響應(yīng)快的谷物水分在線檢測裝置就非常有必要。現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場，不能對谷物含水量進(jìn)行實時測量。目前，我國生產(chǎn)的大部分谷物干燥機(jī)還沒有高質(zhì)量的含水量在線檢測裝置，烘后谷物過干或未達(dá)安全含水量的情況相當(dāng)普遍。國內(nèi)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(dǎo)式、電容式等[4]。前4種由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，使用維修不方便，多用于大型生產(chǎn)線的在線檢測，而且取得了較滿意的成果，電容式和電導(dǎo)式是常用的方法。電導(dǎo)式存在著測試精度較低、受電解質(zhì)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(chǔ)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(shù)，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(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

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(zhì)，而夾在2個圓柱形極板間的谷物由于含水量不同，所表現(xiàn)的介電常數(shù)也是不同的，在相同頻率信號的激勵下，所呈現(xiàn)的阻抗也不相同。盡管它們之間所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系是未知的，但可以通過實驗研究找到它們的對應(yīng)關(guān)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(zhì)。根據(jù)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(zhì)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(zhì)的高度，mm；D為圓柱形外極板的直徑，mm；d為圓柱形內(nèi)極板的直徑，mm；ε0為谷物間的空氣隙電介常數(shù)；ε1為谷物的水分電介常數(shù)；ε2為谷物干物質(zhì)電介常數(shù)。

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

m=m1+m2=πγd(D-d)H2+πγw(D-d)H1。

(2)

式中：γd為谷物干物質(zhì)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(shè)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(guān)系：

(5)

把K0設(shè)為常數(shù)，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(guān)系。當(dāng)有一定頻率f的信號激勵圓柱形極板時，則其表現(xiàn)的阻抗為Zx，其中常數(shù)為K1=2πfK0。

(7)

1.2 傳感器的參數(shù)對測量結(jié)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(shù)的關(guān)系，這種關(guān)系受到下列幾種因素的影響[7]：(1)傳感的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)均為常量。(2)3個部分物質(zhì)的介電常數(shù)ε0、ε1、ε2。在常溫下，糧食干物質(zhì)的介電常數(shù)ε2為2～5，而純水的介電常數(shù)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(shù)的變化是不可忽視的。經(jīng)試驗證明，這種影響可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)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(dāng)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(chǔ)上，利用谷物自重和一定風(fēng)力對被測谷物進(jìn)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(jié)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(yōu)點：(1)圓柱形極板具有較為穩(wěn)定的電參數(shù)。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(jìn)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(shù)改變。另外，當(dāng)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(dāng)谷物沿著蹺板向上爬行時，利用谷物自重和風(fēng)力對圓柱形極板間的流動谷物產(chǎn)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(nèi)，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(yīng)，提高了測試的精度。

2 測量裝置的設(shè)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(nèi)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(yīng)對測量結(jié)果的影響，在圓柱體外套上厚度為3 mm、內(nèi)徑為65 mm、高度為140 mm的PVC塑料圓筒。信號源經(jīng)過1 kΩ的電阻與傳感器相聯(lián)，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(chǎn)的F40型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器，它是一種精密的測試儀器，具有輸出函數(shù)信號、調(diào)頻、調(diào)幅、頻率掃描等信號的功能。此外，本儀器還具有測頻和計數(shù)的功能，主要性能指標(biāo)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(wěn)定度為±1×10-6Hz；(2)脈沖波占空比分辨率高達(dá)千分之一；(3)小信號輸出幅度可達(dá)1 mV，大信號輸出幅度可達(dá)幾十伏；(4)數(shù)字調(diào)頻分辯率高、準(zhǔn)確；(5)猝發(fā)模式具有相位連續(xù)調(diào)節(jié)功能；(6)相位調(diào)節(jié)分辨率達(dá)0.1°；(7)頻率掃描輸出可任意設(shè)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(shù)功能，計數(shù)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(chǎn)的YB4360型雙蹤四跡示波器，主要性能指標(biāo)：(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(dá)±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(nèi)，貼好標(biāo)簽后，安置在溫度和濕度相對可以控制的環(huán)境中。在環(huán)境溫度為4 ℃下保存7 d，以達(dá)到谷物內(nèi)外含水量平衡。谷物放到玻璃器皿之前，應(yīng)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(fā)完，然后將每一樣品中取出后稱質(zhì)量mw，用干燥箱進(jìn)行干燥(本試驗所采用的S.C.101恒溫干燥箱，主要參數(shù)為：最高溫度300 ℃，馬達(dá)功率40 W，工作室尺寸50 cm×60 cm×75 cm，發(fā)熱功率6 kW，電壓220 V，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速2 800 r/min)，在溫度為135 ℃下干燥24 h，取出測其干燥質(zhì)量mD，并算出每一樣品的絕對含水量。

4 結(jié)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(shù)據(jù)取平均值，記錄下來(表1)。

由表1分析可知，當(dāng)激勵信號的頻率大于5 MHz時，測量的電壓值不能準(zhǔn)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(jìn)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在頻率為1 MHz信號源激勵下，將所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，利用下述公式將所測電壓值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的等效電容值。波形轉(zhuǎn)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(xiàn)；Kp為波峰系數(shù)，由于輸入的波形為正弦波，所以取Kp=1.414，轉(zhuǎn)換的結(jié)果與Nelson等研究的估算公式[9]一致。

5 谷物在線水分儀的設(shè)計與試驗

5.1 谷物在線水分儀的設(shè)計

在線水分儀電路由傳感器圓形電容Cm、可調(diào)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(dāng)沒有谷物在圓柱形電容的兩極板中時，通過調(diào)節(jié)電容Cv的值可使LC(諧振電路)并聯(lián)諧振回路的固有頻率f0等于石英振蕩頻率f，回路呈現(xiàn)的阻抗最大；當(dāng)在圓柱形電容的兩極板中加入谷物時，電容Cm的值將會發(fā)生變化，導(dǎo)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(jīng)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(jié)果分析

通過調(diào)節(jié)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(chǔ)上，對15個不同濕度的谷物進(jìn)行在線檢測，它們的真實濕度由標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(dāng)谷物的含水量發(fā)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(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)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(jié)果代入y=21.476-87.288x(r2=0.986 1)中，推算出對應(yīng)的谷物含水量。然后將谷物用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)進(jìn)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(jī)控制的要求。

表2 谷物水分測量值

6 結(jié)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(chǔ)上，主要對谷物在線含水量檢測儀相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)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(yīng)的含水量基本上成線性關(guān)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(yù)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(shè)計了一套在線含水量檢測儀，經(jīng)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(yù)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(jī)的控制要求。(3)為了滿足干燥機(jī)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(jìn)一步開發(fā)谷物在線檢測的軟件系統(tǒng)，設(shè)計出能夠自動記錄谷物含水量的軟件。

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