果蔬熱風干燥含水率在線測量裝置設計與試驗

李國鵬，謝煥雄，王嘉麟,2，顏建春，魏 海，陳智鍇

(1. 農業部南京農業機械化研究所，南京 210014；2. 南京工程學院，南京 211167)

0 引言

果蔬營養價值豐富，是除谷物以外最重要的農產品。大部分果蔬含水率在75%～90%，常溫下不易儲存[1-2]。果蔬干燥是提高果蔬產品附加值的主要形式之一，也可以延長其保存期，減輕質量、縮小體積、便于運輸[3-5]。隨著生活水平的提高，我國果蔬干燥工業迅速發展，成為提高農業效益的重要行業[6-7]。果蔬干燥過程中的含水率是評價干燥設備運行狀態的一個重要標準，實時監測果蔬干燥過程中的含水率變化對優化控制工藝、把控干燥品質及判斷干燥終點至關重要[8]。熱風干燥是果蔬干燥常用的手段之一，目前可用于果蔬干燥含水率在線測量的技術主要有介電常數法、數學模型法及在線稱重等方法。1945年，Dunlap 和Makower[9-11]就開始探索介電常數與含水率之間的關系方面，研究表明：胡蘿卜的介電常數主要取決于含水率。秦文和張慧等[12]通過研究結果表明：果蔬含水率與介電常數線性相關。已有眾多的國內外學者利用數學模型對果蔬干燥過程進行模擬，預測干燥過程中果蔬的水分變化[13-17]。鄧彩玲、林羨等[18]通過研究龍眼在不同溫度和風速下的熱泵干燥特性，進行回歸分析確立了Midilli模型在不同干燥條件下的擬合方程，方程對龍眼干燥過程中含水率的預測值與試驗測量值在0.01水平下顯著相關。

對于利用數學模型法測量含水率的實際應用，尚未發現與之相關文章。本文以雞腿菇為研究對象，通過熱風干燥試驗，建立果蔬干燥數學模型，并將數學模型法通過編程寫入測量系統，實現基于數學模型法的含水率測量；另外，研究雞腿菇含水率對其介電常數的影響規律，建立雞腿菇介電常數與含水率之間的關系模型；將介電常數法與數學模型法相結合，以IAP15W4K58S4型單片機為主控芯片，研究基于MCU的果蔬熱風干燥含水率在線測量技術。

1 果蔬熱風干燥含水率在線測量裝置設計

1.1 硬件系統總體設計方案

果蔬熱風干燥含水率在線測量裝置硬件系統主要包括供電電路、微處理器、電容信號采集裝置、按鍵輸入電路、液晶顯示器和報警裝置等，如圖1所示。電容傳感器采集電容信號，微處理器將傳遞過來的電容信號進行運算處理，并將最終的含水率結果通過LCD顯示出來。

圖1 硬件系統框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1.2 電容信號采集裝置設計

1.2.1 電容傳感器

本系統中的電容傳感器采用亞德諾半導體公司(ADI公司)的AD7746電容數字轉換器(CDC)，該芯片集成了電容信號轉數字信號的所有電路，分辨率達4aF，測量精度達4fF，通過編程控制DAC寄存器，量程可達0～21pF[19-21]。AD7746芯片具有兩條電容輸入通道，每條通道都具有差分輸入和單端輸入兩種模式，本文以通道1為例進行設計，測量系統框圖如圖2所示。輸入電容與輸出數據之間的關系為[21]

DATA≈CX-CAPDAC(+)-
[CY-CAPDAC(-)]

其中，DATA為AD7746的輸出的二進制電容值；CAPDAC(+)與CAPDAC(-)為可編程配置電容，電容可變范圍為0～17pF；CX與CY為差分輸入電容，CX為待測電容與附件電容之和，CY為附加電容，采用這種輸入方式可以消除外部環境變化帶來的影響。圖2中CIN1(+)、CIN1(-)、EXCA、SDA、SCL和RDY均為AD7746芯片引腳。其中，SDA和SCL是AD7746與MCU之間的雙線IIC串行通信引腳，RDY為電容轉換狀態輸出引腳，下降沿表示電容轉換完成。

圖2 電容測量系統框圖Fig.2 Block diagram of capacitance measure system

1.2.2 傳感器探頭設計

考慮到電容傳感器的測量精度、量程以及使用的方便性和穩定性，設計探針式探頭[22-26]，如圖3所示。探頭由電極、電極和絕緣骨架組成。電極直徑為0.8mm，骨架以下部分長18mm，且進行表面絕緣處理；兩電極之間間距3mm，材質為HSS高速鋼，硬度高耐磨性好，骨架上設有接線端。采用單芯屏蔽線作為探頭與傳感器的鏈接線，屏蔽層接地，以消除導線中寄生電容。利用ANSYS Maxwell16.0建立3D模型，進行仿真分析，求解得出此模型在真空中的理論電容值為0.256pF；后經試驗測量，傳感器電容探針在空氣中的初始電容值為0.261pF。

1.3 微處理器

本系統采用宏晶公司的STC系列IAP15W4K58S4型單片機，芯片內部集成58K字節Flash程序存儲器，4K字節SRAM；內置高精準時鐘，5～30MHz編程時可任意設置，且溫漂小，運行穩定。芯片在資源和性能方面滿足系統設計要求。

1,2.電極 3.絕緣骨架圖3 傳感器探頭Fig.3 Probe of capacitance sensor

1.4 其他硬件

按鍵電路用來進行人機交互，往系統中輸入相關參數；存儲器采用串行接口芯片FM24C04，用來存儲系統實時數據，防止掉電數據丟失；UART串口通信采用CH340T芯片，用來進行程序下載以及數據傳輸；顯示屏選用128×64圖像點陣LCD，用來顯示設置菜單、系統運行狀態以及故障信息等。

1.5 軟件系統設計

軟件系統主要包括系統主程序、電容-含水率計算子程序、數學模型-含水率計算子程序及按鍵和液晶驅動子程序，所有程序均在Keil uVision5開發平臺上用C語言進行編寫及編譯。系統主程序用于完成液晶顯示器與電容傳感器的初始化，開啟系統中斷，根據按鍵輸入調用其他子程序等。電容-含水率計算子程序與數學模型-含水率計算子程序是本軟件系統設計的關鍵：前者將傳感器采集的電容信號傳遞給微處理機，將其轉換為相對介電常數εr后，調用相對介電常數-含水率轉換模型，計算得出含水率；后者根據干燥進行時間t，預測該時刻的水分比MR，根據干燥初始含水率計算得出該時刻的物料含水率。按鍵驅動子程序主要完成按鍵消抖、按鍵識別及子程序調用等功能，液晶驅動用于顯示系統運行過程中的相關參數。系統流程如圖4所示。該系統設有兩種操作模式，使裝置具有更好的適用性，同時通過優化算法可提高測量結果的可靠性。

圖4 程序流程圖Fig.4 The flow chart of grogram

1.6 性能評估

在干燥試驗之前,對裝置電容測量精度進行評估。在室溫下分別使用本裝置與HIOKI IM3536-LCR測試儀對標稱容量為10、15、18pF的瓷片電容進行測量，對比兩者測量結果，如表1所示。從表1數據可以看出：本裝置對電容測量誤差小于1%，能準確測量干燥過程中的物料電容。

表1 電容測量結果對比Table 1 Data of accuracy test

續表1

2 熱風干燥試驗及模型建立

2.1 干燥試驗

2.1.1 試驗原料

以雞腿菇為研究對象，同樣的研究方法亦可以在其他果蔬物料上進行復制。雞腿菇購買于徐州一夜茸農場，選取大小一致且菇體完好的雞腿菇作為試驗原料。

2.1.2 試驗儀器

KETT FD-720紅外水分儀(株式會社kett科學研究所)；HH數顯恒溫水浴鍋；HIOKI LCR測試儀IM3536。

2.1.3 試驗裝置

熱風干燥試驗裝置，由農業部南京農業機械化研究獨立研制，主要由烘干倉、料盤、換向通風裝置、電加熱裝置、風機組、控制及測試系統組成。

2.1.4 試驗方法

將雞腿菇清洗干凈后，沿生長方向切片，放入95℃熱水中漂燙3min進行護色[27]；處理完畢之后，將探針插入電容測量樣本中，測量初始電容后將雞腿菇放入干燥箱進行干燥，試驗方案如表2所示。干燥過程中，每隔30min測量一次電容，并取樣用紅外水分儀測其濕基含水率，轉換為干基含水率后記錄數據。

表2 干燥試驗設計Table 2 Drying experiment design

續表2

2.2 試驗結果分析

2.2.1 薄層干燥數學模型

用數學模型法描述熱風干燥過程，可預測物料薄層干燥過程中的含水率。本文選取7中常用的薄層干燥數學模型對試驗數據進行擬合，如表3所示。在模型方程中，MR為水分比，計算公式簡化為

其中，M為實時干基含水率(%)；M0為初始干基含水率(%)。則實時含水率為

M=MR·M0

用表3中模型對試驗數據進行擬合，選取決定系數R2、卡方 χ2及均方根誤差RMSE評價模型擬合好壞。R2數值越大，χ2與RMSE數值越小，模型擬合效果越好。擬合分析結果如表4所示。從表4數據可知：對于試驗組1～7中的數據，Demir模型均有最佳擬合效果，即有最大的R2值，有最小的χ2與RMSE值。對于第6組試驗中的數據，Diffusion approach模型擬合效果最好，Demir模型擬合效果次之。因此，Demir模型為描述雞腿菇熱風干燥過程的最佳選擇，即

MR=a·exp(-ktn)+b

其中，a、b、k、n均為模型中常量參數；t為干燥進行時間(min)。

表3 常用薄層干燥數學模型Table 3 Commonly used mathematical models for thin-layer drying

表4 擬合分析結果Table 4 Analytical results of the different models

續表4

續表4

進一步研究Demir模型參數a、b、k、n與干燥條件之間的關系，對各組試驗中Demir模型的參數值進行回歸分析，建立參數a、b、k、n與熱風溫度T、熱風風速V、切片厚度H之間的函數關系。在模型R2值大于0.999，χ2值小于3.96×10-6條件下，關系式為

a=4.356265-0.07967T+2.114V-0.732665H+
0.000607T2-1.16625V2+0.064522H2,R2=1

k=0.905331-0.016003T-0.13205V-0.125732H+
0.000138T2+0.0365V2+0.011139H2,R2=1

n=-6.771655+0.267125T-0.491V+0.015833H-
0.002292T2+0.537V2-0.008547H2,R2=1

b=-0.051248+0.00177T+0.0205V+0.008078H-
0.000018T2-0.01V2-0.000963H2,R2=1

根據上式，可得出任意干燥條件下雞腿菇熱風干燥數學模型，通過預測干燥過程中任意時刻的水分比MR，從而間接得出物料熱風干燥過程中的實時含水率M。

2.2.2 介電常數與含水率模型

介電常數法測量含水率是利用物料相對介電常數大小與含水率相關的原理，物料相對介電常數計算公式為

其中，Cm為探針插入物料中測得的電容值(pF)；C0為探針空載時的電容值(pF)，C0=0.261。

在試驗過程中發現：在干燥初期，雞腿菇含水率較高，且干燥過程中存在干燥不均勻現象，無法準確測量物料電容值；當物料濕基含水率下降到30%以下時，物料介電常數與含水率之間存在十分顯著的線性關系。選取60℃熱風溫度條件下測量的數據為分析對象，其他溫度條件下相對介電常數-含水率模型可采用相同方式建立。利用SAS軟件對雞腿菇相對介電常數與含水率之間的線性關系進行擬合，結果如圖5所示。擬合方程為

Mdry=6.0668εr-3.4698

方程決定系數R2=0.991 1，表明利用本裝置可實現基于相對介電常數的雞腿菇熱風干燥含水率快速測量。

3 含水率測量裝置測量結果驗證

在熱風溫度60℃、熱風風速1.5m/s、切片厚度4mm條件下，對本裝置的測量效果進行驗證。干燥初期僅使用數學模型模式進行測量，當含水率下降到30%以下時，開啟相對介電常數測量模式，兩種模式同時運行，增強裝置的抗干擾性能。將裝置測量值與紅外水分儀測量值進行對比，相對誤差小于3%，去除極少數干基含水率大于400%的點，結果如圖6所示。圖6曲線擬合斜率K=0.994 7，表明利用該裝置可以準確測量雞腿菇熱風干燥過程中的實時含水率，將研究方法推廣至其他果蔬即實現果蔬熱風干燥含水率在線測量。

圖5 含水率與相對介電常數擬合曲線Fig.5 The curve of moisture content versus relative dielectric constant

圖6 測量結果對比圖Fig.6 Comparison of measuring results

4 結論

1)設計了探針式電容檢測探頭，結合高集成度電容數字傳感器AD7746，以IAP15W4K58S4型單片機為主控芯片，完成了果蔬熱風干燥含水率在線測量裝置的設計。將數學模型法與介電常數法相結合，使系統具有兩種測量模式：①根據干燥時間t預測該時刻水分比，從而實現含水率測量；②根據物料的實時相對介電常數實現含水率測量，兩種模式提高了裝置的適用性，加強了測量系統的靠干擾能性。

2)以雞腿菇為研究對象，建立了雞腿菇熱風干燥數學模型和相對介電常數-含水率計算模型，利用本裝置成功實現了雞腿菇熱風干燥含水率在線測量，所用研究方法在其他果蔬物料上具有可復制性，本文可提供參考。