介电法小麦含水率检测试验研究*

刘志壮,朱湘萍,张文昭,宫彦军

介电法小麦含水率检测试验研究*

刘志壮*,朱湘萍,张文昭,宫彦军

小麦从收割、收购到存储、加工都需要快速、准确获取其含水率,为此设计一种外边缘效应圆柱形电容传感器探头及相应测量电路。采用小麦样品对所设计的装置进行标定与温度特性测试。试验结果表明:该传感器具有较高的灵敏度和准确性,含水率在8%～20%之间,误差在0.5%以内;在14 ℃～32 ℃温度范围内,漂移量为0.19%/℃。

电容传感器;含水率;介电法;外边缘效应;小麦

小麦的收购、储存、运输和加工都必须准确了解其含水率,正确的含水率是提高质量的重要保证,也是延长储存期、确保小麦品质的根本所在。检测小麦的含水率是则是保证小麦最佳含水率的主要技术手段。通常谷物含水率测量的方法有直接法和间接法两大类。直接法主要有干燥法和化学法,该法准确性较高,但费时长,且具有破坏性,不适于实时在线和现场测量,通常用于其他方法的参照。间接法是通过检测待测物内与水分相关的物理量(如介电常数)来间接测定其内部的水分,速度一般较快,且易实现实时在线检测[1]。采用间接法测量含水率,由于对测量结果影响的因素较多,因此,传感器的原理及外形设计显得十分重要,(1)需要较大的灵敏度,(2)稳定性较好,(3)输出信号能够有效反映含水量。常用间接检测小麦及其他谷物含水率的主要技术手段有电阻法[2]、电导法[3]、电容法[4-7]、微波法[8-15]、红外法[16]、中子法[17]、射频阻抗法[18]和核磁共振法[19]等,微波法、红外法、中子法、射频阻抗法和核磁共振法所需要的设备比较复杂,价格较高难以普及应用。电阻法和电导法对固体颗粒需要破坏其结构,不适合于谷物含水率快速检测。电容法是水分检测的一种有效方法,它具有成本低、体积小、测量准确度高等优点。文献[1,3]设计了同轴柱形电容传感器,主要问题有谷物需放入传感器中,要求设计的传感器体积须较大,谷物在传感器内紧密度难以确保一致,测量结果的准确性难以保证;另外,对于颗粒物体测量操作不太方便,适于液体含水率测量。文献[20]为稻谷含水率检测设计了一种平面电容探头,为进一步探索一种方便谷物检测的传感器,设计一种新的传感器探头,并以小麦为样本进行标定与温度等试验。

1 传感器的结构

为谷物检测操作方便,本研究对同心圆柱型电容传感器进行改进,设计一种外边缘效应圆柱形电容式传感器,该电容与圆柱形电容一样,电容量与周围介质的介电常数成正比关系,下对其结构与测量电路进行介绍。

1.1 探头结构

根据测量谷物操作的方便性及测量电路的量程,设计如图1所示的外边缘效应圆柱形电容式传感器探头,图1中,1为绝缘圆筒,2为电极Ⅰ,3为电极Ⅱ,4为隔离电极(地电极),5为测量电路板。探头采用PVC塑料圆筒制成,外径为21 mm,内径为14 mm,电极Ⅰ、电极Ⅱ和隔离电极采用铜箔制成,电极Ⅰ、电极Ⅱ为高×宽=50 mm×20 mm的长方形铜箔对称地粘贴在圆筒的外壁,隔离电极长为50 mm,粘贴在圆筒的整个内壁,测量电路的电路板固定在隔离电极的中间。

图2 测量电路原理图

该传感器主要应用电场的外边缘效应,电极Ⅰ和电极Ⅱ为传感器电容电极。为提高传感器的灵敏度,用隔离电极将电极Ⅰ和电极Ⅱ隔离,减小原始电容的容量值,增加外部介质对电容量的相对改变时,即增大传感器探头的灵敏度;另外,隔离电极对电路板起屏蔽作用,隔离外部环境对电路的干扰。电容传感器的基本原理及电容与几何尺寸之间的关系如下。

如图1(a)所示,设隔离电极内外半径为R1、R2;绝缘圆筒内外半径分别为R2、R3,其介电常数为ε1;电极Ⅰ、电极Ⅱ的内外半径分别为R3、R4,其面积为S,被测小麦的介电常数为ε2;则电容与被测小麦的介电常数的关系式为(由于篇幅关系,推导过程这里不详述):

(1)

由式(1)可见,当传感器探头一旦设计出来,其参数R1、R2、R3、R4、ε1、S便确定不变,电容量仅与被测介质的介电常成正比。铜箔的高和宽分别为a和b时,S=ab,b与R4成正比。所以电容量灵敏度系数k与铜箔长a成正比。

1.绝缘圆筒,2.电极Ⅰ,3.电极Ⅱ,4.隔离电极,5.测量电路图1 圆柱形电容式传感器结构

1.2 测量电路

经实际测量该电容传感器的原始电容量约为0.8 pF,当传感器周围充满含水率为30%以下的小麦时,电容量约为8 pF。为便于数字化与微机处理,简化测量电路与提高测量电路稳定性,采用电容数字转换芯片AD7150将传感器的电容量直接转换为数字量,并送单片机进行处理获得传感器的电容量。AD7150芯片为双通道电容模拟-数字转换器,测量范围为0～14 pF,最小分辨率为0.8 fF,转换时间为10 ms,通过IIC接口与单片机进行连接,AD7150采用3.3 V电源供,所以采用STC12LE5204单片机进行匹配。

在图2所示的电路中,AD7150做成小电路板(测量电路板),放置在隔离电极的内部,测量电路板有三根线分别与电极Ⅰ、电极Ⅱ和隔离电极相连接,测量电路板的IIC接口、电源与地线单片机板,单片机板含有单片机STC12LE5204、按键、程序下载接口J1、显示接口J2。显示接口连接LCD1602液晶显示器,采用4 bit数据通信方式。

2 试验准备

2.1 试验装置及材料

所用主要的试验装置有干燥箱(上海跃进医疗仪器厂,ZBY149-83型)、电子秤(日本岛津制作所生,BL-2200H型,2 200 g/0.01 g)、精密温度计(精度0.2 ℃)、铝制干燥盒、圆柱形塑料杯和待标定电容传感器。塑料杯的内直径为18 cm,高为15 cm。

取2 kg小麦分成三份,样品1质量为240.0 g,样品2、3各为880.0 g;样品1用作初始含水率测试,样品2用作传感器标定,样品3用作误差测试。

2.2 样品含水率确定方法

将240 g小麦样品放入恒温干燥箱中,在温度为103 ℃～105 ℃条件下干燥8 h以上,得到小麦干质量207.05 g,即含水量为32.95 g,计算可得小麦样品含水率为13.73%[21]。样品2、3的含水量被认为与样品1相同,利用式(1)可以计算出样品2、3的干质量和含水量。

(2)

式中:Mc为含水率,m为样品含水时质量,m0为样品干质量。

3 试验与数据分析

3.1 标定试验

采用干燥法进行传感器标定试验。在室温为22 ℃的条件下,将小麦样品2(初始质量为880 g,初始含水率13.73%,干质量为759.18 g,含水质量为120.82 g)掺入清水205.0 g并混合均匀,使其含水率达30%以上,待样品均匀渗透后,将其装入塑料杯中,再插入待标定传感器探头进行电容量测试。然后从塑料杯中倒入到干燥盒逐步烘干,每次烘干后测定样品2的质量,计算其含水率;因谷物存储时理想含水率约为13%,所当含水率低于25%时开始测量电容,如此反复进行,直到样品2的含水率低于6%。

试验数据如图3所示。

对试验数据进行最小二乘拟合得出试验公式:

C=0.148 9Mc-0.2846

(3)

式中:C为电容量(pF),Mc为含水率(%)。由式(3)可推导出小麦的含水率与电容量的关系,与理论式相一致。测量出电容量可以直接计算出含水率,这步工作可以交给单片机直接完成含水率计算。

Mc=6.683 6C+1.967 2

(4)

由式(3)还发现该传感器探头的灵敏度比单一平面电容传感器探头灵敏度高出50%以上[20]。

图3 传感器电容与含水率的关系

3.2 试验预测与误差比较

采用与标定试验同样的条件及步骤对样品3进行含水率预测试验,与参考值(干燥法所得结果)对照结果如图4、图5所示。

图4 含水率预测值与参考值对比

图5 误差分析

由图4可知,预测值与参考值基本成线性,比例约为0.93。由图5可知,含水率在5%～25%之间,两端误差较大,超过1%,8%～20%之间,含水率误差在0.5%以内,误差正负随机分布,没有明显规律,符合测量偶然误差的随机性。

3.3 温度试验

在22 ℃时,将样品3的含水率控制在12.78%(谷物存储理想含水率),将样品放在密闭的塑料杯中加热或冷却,保持样品的重量(或含水率)不变,在不同的温度条件下,用传感器探头测量样品电容值。测量结果如图6所示。

图6 温度特性

由图6可知,随温度升高电容值增大,含水率测量值增大,其关系为

C=0.028t+1.035 4

(5)

由式(4)和式(5)可推导出

ΔMc=0.187Δt

(6)

由式(6)可知,当含水率约为12.78%时,在22 ℃左右时,每改变1 ℃,含水率量显示值偏差0.19%,即温漂量为0.19%/℃。温度变化和含水率变化不大的情况下,可以用以下表达式对含水率进行修正。

Mc=12.78+0.187(t-22)

(7)

4 结论

在小麦收割与收购过程中,为快速检测小麦含水率,设计了一种利用外边缘效应圆柱形电容传感器探头与测量电路,对传感器原理进行理论推导,在室温环境进行了标定试验和温度漂移试验。

①理论表达式表明:该圆柱形电容式传感器的电容量与周围介质的介电常数成正比。

②标定试验表明:柱形外边缘效应传感器的灵敏度比单一平面电容的高50%以上。

③预测试验表明:经标定后的传感器测量小麦含水率,当含水率在8%～20%之间,误差0.5%以内。

④温度漂移试验表明,传感器探头受小麦的温度变化影响,在含水率为12.78%时,14 ℃～32 ℃之间,温度漂移量约为0.19%/℃。

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WheatMoistureContentDetectionBasedonDielectricConstant*

LIUZhizhuang*,ZHUXiangping,ZHANGWenzhao,GONGYanjun

(Electric research institute,Hunan University of Science and Engineering,Yongzhou Hu’nan 425199,China)

A column capacitor probe using external fringe effect and its measuring circuit are designed for quickly acquiring grain moisture content in harvest,purchase,storage and procession. The calibration and temperature characteristic test are conducted from taking wheat as sample on the device designed. Experimental results indicate that this column capacitor probe possesses high sensitivity and high precision. From 8%～20%,measurement error is less than 0.5%;the temperature at 14 ℃～32 ℃,temperature drift distance is about 0.19%/℃.

capacitance sensor;moisture content;dielectric constant;external fringe effect;wheat

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.013

项目来源:国家自然科学基金面上项目(30971698);湖南省自然科学基金项目(13JJ6079);湖南科技学院“电路与系统”重点学科项目

2017-04-24修改日期2017-08-02

(湖南科技学院电子研究所,湖南 永州 425199)

TP212.1/S237

A

1004-1699(2017)12-1857-05

刘志壮(1969-),男,湖南蓝山人,博士,教授,主要从事计算机检测与控制技术、农业传感器研究,liuzz168@126.com;

朱湘萍(1975-),女,湖南永州人,硕士,高级实验师,主要从事物理和应用物理学研究,874265929@qq.com;

张文昭(1968-),女,湖南永州人,硕士,教授,主要从事电子技术应用、单片机及嵌入式系统研究,zhyy122122@126.com。