果蔬粉含水率在線檢測系統設計

趙 勇 武旭瑤 黃文英 胥慧麗 吳中華,2

(1. 天津市科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津 300222)

中國是蔬菜和水果生產大國，2019年蔬菜和水果產量分別為7.2億，2.7億t左右；但是國內果蔬深加工轉化率(不足15%)遠遠低于發達國家(60%)，資源和經濟損失較大[1]。近年來，由于果蔬粉具有保質期長、種類豐富、原料利用率和營養價值高等優點[2-4]，更多的果蔬被干燥加工成果蔬粉，作為沖泡食品、保健食品、嬰幼兒食品輔料。含水率是果蔬粉生產加工過程中的一個重要指標，只有果蔬粉達到安全含水率(5%～14%)才能長期保存。因此在果蔬粉生產過程中，有著快速、準確和實時地測量含水率的實際需求。

含水率測量方法有脫水失重法、卡爾費休法、近紅外光法、微波法和核磁共振法等[5-6]。脫水失重法和卡爾費休法屬于間歇檢測法，需人工取樣，無法滿足生產加工過程的快速、在線檢測要求。近紅外光法和核磁共振法能快速、準確和無損地檢測水分含量，但是設備昂貴。微波透射含水率檢測方法具有檢測速率快、精度高、價格適中、材料無損和可在線檢測等優點，因而被國內外眾多學者采用[7-9]。Agranovich等[10]設計了一套以微波傳感器為核心的水分檢測裝置，在40 GHz下，以150多份的牛奶樣品進行測量，成功地利用微波功率的衰減來預測牛奶中的水分。Trabelsi等[11]利用微波傳感器制成微波水分儀，用于測量帶殼花生的含水率，測量誤差在5%以內。張秀艷等[12]設計了一套煙包含水率微波透射在線檢測儀，測試結果表明，該測試儀在誤差范圍內可測量0%～30%含水率，最高測量精度達0.18%，單次測量轉換時間小于100 ms。偉利國等[13]設計了一套糧食水分微波在線檢測系統，以小麥、玉米、水稻等糧食作物進行試驗，結果表明水分檢測范圍為10%～21%，測量精度±0.5%，可滿足糧食烘干過程中含水率在線連續檢測的需要。盡管已有前人對含水率微波檢測方法和裝置進行研究，但研究對象主要集中于高含水率物料，對于果蔬粉之類的低含水率物料的在線檢測還未發現，不能完全滿足實際檢測要求。

試驗擬設計一套微波含水率在線檢測系統，該系統通過利用微波水分檢測技術與生產線相結合，在保證檢測精度的同時進行快速檢測，將檢測數據實時反饋給生產線，從而調整優化果蔬干燥制粉中的工藝參數以達到節約能源、提高生產效率的目的。

1 總體方案設計

系統整體結構設計如圖1所示，主要由進料模塊、檢測模塊、卸料模塊、控制顯示模塊組成。進料模塊包括漏斗和振動器，用于實現進料量和進料速度的調節。檢測模塊包括介質振蕩器、隔離器、發射接收天線、波導同軸、數控衰減器、檢波器、信號放大器、A/D轉換器和單片機等單元，用于檢測果蔬粉的含水率。卸料模塊包括集成器和風機，用于及時排出已檢測的果蔬粉?？刂骑@示模塊為PLC+觸摸屏的一體機，用于對整個檢測操作過程的精確控制。

圖1 果蔬粉水分在線檢測裝置結構示意圖

系統工作流程為開機后，進料模塊從生產線取出一定量的果蔬粉進入檢測料盒。此時，由介質振蕩器產生微波信號，經隔離器和喇叭口發射天線發出，通過料盒后被接收天線接收。因為果蔬粉中含有水分，接收到的信號功率會發生衰減。接收天線收到衰減后的信號，通過波導同軸傳輸到數控衰減器，調頻后對信號進行隔離處理，達到檢波器檢波出直流電壓。直流電壓經運算器放大和A/D轉換器轉換為數字信號后，上傳至單片機。利用單片機中含水率校正程序得到具體的含水率值，然后被上傳至上位機進行采集和處理。測量完成后，卸料模塊排出物料，然后開始下一個檢測流程。

2 系統硬件設計

2.1 進料模塊

進料模塊由漏斗和振動器組成，振動器的作用是防止物料下落阻塞，通過提供振動力使物料順利下落。通過試驗發現對于胡蘿卜粉，振動器(型號為R-370，深圳新永泰電機有限公司)工作電壓為24 V，6 000 r/min可滿足條件。

2.2 檢測模塊

基于微波透射原理的硬件設計中，能產生穩定微波信號的發射源是較為關鍵的一個單元，使用介質振蕩器產生微波，具有功耗小、可靠性高、頻率和功率穩定等優點，試驗設計針對的物料是低含水率果蔬粉，經過前期試驗，發現選用X波段(8.20×109～1.09×1010Hz)作為微波發射源較為合適，其輸出功率為80 mW，工作電壓+12 V。數控衰減器是用來控制信號輸出大小，保證傳輸出合適功率的微波信號，衰減范圍包括0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，16.0 dB，總衰減量為31.5 dB。隔離器只允許微波沿一個方向通過，不能反向通過，反向的微波都被吸收，降低了微波的消耗。該設計采用外置BJ100隔離器，工作帶寬一般到20%左右，插入損耗為0.25 dB，隔離度25 dB，駐波比1.12。發射接收天線采用喇叭口傳輸通道，能減少微波的損耗。檢波器的作用是檢測到微波信號并進行調節，實現微波頻率的裝換。使用的檢波器是由波導同軸加上微波檢波二極管及調配螺釘組成，當微波輸入信號是連續波，整流后輸出為直流，當微波信號為方波調制，則輸出低頻信號。

A/D轉換器的作用是將電信號轉換為數字信號便于后期處理；該設計選用8位逐次逼近式A/D轉換器ADC0809，其功耗15 mV，時鐘頻率范圍為1.00×104～1.28×106Hz。單片機型號選用AT89C51，擁有8位中央處理器(CPU)，32個可編程I/O口線，2個16位定時/計數器。上位機使用臺式計算機[Intel(R) Xeon(R) CPU，10 GB RAM]與單片機通過串行線USB連接，用于收集數據，便于后期分析處理。

2.3 卸料模塊

卸料模塊包括風機和集塵器，風機選用LH-50P型(九葉風管道風機工廠)，其風壓為570 Pa，功率18 W，噪音58 dB。檢測物料重量為30 g/次，重力則為0.3 N。該設計中，風機提供的吸力大于檢測粉末重量，以便果蔬粉順利排出；風機可根據實際使用情況調節轉速，破壞卸料途中可能產生的“拱橋現象”(粉末在下降過程中由于相互交錯咬合易形成拱橋空間，造成粉末流動不暢)。集塵器采用自制旋風集塵器。

2.4 控制顯示模塊

控制顯示模塊負責控制物料的進入、含水率檢測和排出，綜合考慮選用型號為MC-24MR-4MT-500-FX-A的PLC觸摸屏一體機(中達優控)，輸出點Y1～Y5分別接振動器、第一個電動球閥、介質振蕩器、第二個電動球閥和風機。PLC內程序控制整個流程的運行，系統執行部件選用220 V電動球閥。

3 系統軟件設計

3.1 含水率與微波信號關聯模型

使用微波透射法檢測果蔬粉含水率，需建立含水率與微波信號之間關聯數學模型(也稱標定曲線模型)。以胡蘿卜粉為物料，通過試驗建立關聯數學模型。首先，通過控制干燥時間制備不同含水率(5%～14%)胡蘿卜粉；對某個含水率胡蘿卜粉樣品，利用微波測試單元測量并取得微波電壓值，多次測量取平均值；然后將含水率與微波電壓值進行擬合回歸，得到以下數學模型：

X=33.63-5.546×M，

(1)

式中：

X——含水率，%；

M——微波電壓值，V。

該擬合模型中，胡蘿卜粉含水率和微波電壓值呈線性關系，相關系數(R2)為0.957。在實際測量胡蘿卜粉含水率時，通過測得的微波電壓值，依據關聯模型即可換算成對應的含水率。

微波信號處理與含水率換算通過內置程序實現。該程序采用C++語言編寫，含水率換算流程如圖2所示。對果蔬粉樣品進行含水率測量，若測量的含水率(Ci)與標定曲線方程中電壓對應的參考含水率(Cref)差值大于1%，則進行定標曲線的校正，若小于1%，則記讀數為C1，再次測量讀數記為C2，若兩次測量差值小于0.5%，則最終含水率(C)為兩次讀數的平均值。若兩次測量結果大于0.5%，則重新進行定標曲線的校正。

圖2 含水率計算程序流程圖

3.2 上位機軟件的開發

上位機軟件的開發是為了將所測量的含水率在電腦上進行采集和處理，需要編寫一套上位機軟件，以STC12系列LE5A56S2為主控芯片，利用STC-ISP軟件，將單片機插入編程器并與電腦連接進行程序編寫，具體過程：

(1) 選擇單片機型號和確定數據寫入范圍。

(2) 裝入編譯好的BIN或HEX文件。

(3) 選擇串口，并設置波特率。

(4) 設置工作模式與下載條件。

(5) 點擊下載按鈕進行下載，然后再接通編程器的電源。

3.3 時序控制和組態設計

果蔬干燥粉的進出和檢測時序控制由PLC完成，內控程序使用三菱GX Works2進行編程，采用梯形圖設計，根據系統要求分為手動和自動控制兩種運行模式，手動控制運行模式是人為控制果蔬干燥粉的進出和含水率的檢測；自動控制模式是按照程序進行。觸摸屏是整個系統的顯示操作界面，分為啟動、停止和終止工作狀態。操作界面包含首頁、手動操作和自動操作3個界面。自動操作時，只需在自動操作界面打開開關，PLC中的程序會自動控制整體系統運行。

4 裝置評價

果蔬粉微波快速檢測裝置開發調試后，2019年8月委托有檢測資質第三方——中國農業機械化科學研究院標準與質量檢測中心，進行裝置檢測性能評價。以含水率范圍5%～14%的胡蘿卜粉(山東佐緣食療科技有限公司)為試驗物料，分別利用微波水分檢測方法和按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中的第一法，檢測試驗物料含水率。國標法測量得到的含水率為10.09%，微波水分測量重復進行20次，結果如表1所示，并比較檢測數據，檢測準確度計算公式為：

(2)

式中：

η——裝置水分檢測準確度，%；

A——國標法測量含水率，%；

B——試驗裝置測量含水率，%。

表1 微波水分檢測含水率表

裝置評價報告顯示：該裝置檢測每份樣品的含水率耗時約7.33 s，樣品水分檢測準確度為98.2%，樣品水分檢測重復性為0.15%。

5 結論

研究設計了一套果蔬粉含水率在線檢測系統，由進料模塊、檢測模塊、卸料模塊和控制顯示模塊組成。進料模塊通過振動力消除果蔬粉進料阻塞現象，使得料粉順利進入檢測料盒；檢測模塊利用微波透射衰減法快速檢測出果蔬粉含水率進行處理、收集和顯示；卸料模塊通過風機提供的風力破壞果蔬粉可能產生的“拱橋現象”加速物料排出；控制顯示模塊通過PLC中的程序自動控制整體運行。軟件系統包括含水率標定程序、上位機軟件開發、PLC的時序控制程序和組態設計。以胡蘿卜粉為試驗物料，進行檢測系統第三方評價，結果顯示：檢測每份樣品的含水率耗時約7.33 s，檢測胡蘿卜粉含水率準確度為98.2%，重復性為0.15%，裝置可操作性好，可實現對低含水率的果蔬粉在線、連續檢測。