基于射频阻抗法的谷物在线含水量信息检测

王 哲

(天津现代职业技术学院，天津 300351)

在利用干燥机进行长时间、高降水率谷物干燥过程中，如何进行不同环境条件下、不同谷物含水量的精确在线测量，对于及时和准确地调整干燥机的工作状态、实现谷物合理干燥和粮食储藏具有重要意义[1]。谷物水分是谷物中自由水与结合水的总称，自由水是通过物理吸附作用凝聚在谷物颗粒内部毛细管内和分子间隙中的水分；结合水是通过化学作用吸附在谷物细胞内或谷物分子结构中的水分。自由水具有普通水的一般性质，直接影响谷物的物理和化学特性[2]。就谷物含水量的检测而言，谷物含水量就是指自由水的含量。一方面，为使谷物在存储及加工过程中，维持生命和保持谷物所固有的色、气、味、种用品质及食用品质，对谷物的含水量进行精确检测就显得非常重要[3]。另一方面，在谷物干燥过程中，含水量的测量结果直接影响干燥系统的控制精度。因此，研制精度高、响应快的谷物水分在线检测装置就非常有必要。现有的检测装置离线工作时精度较高，可靠性好，但不宜安装到工业现场，不能对谷物含水量进行实时测量。目前，我国生产的大部分谷物干燥机还没有高质量的含水量在线检测装置，烘后谷物过干或未达安全含水量的情况相当普遍。国内外对含水量检测的研究开展较早，主要有直接检测和间接检测2种，对于在线测量一般用间接检测，它包括红外式、微波式、核磁共振式、中子式、电导式、电容式等[4]。前4种由于结构复杂，造价昂贵，使用维修不方便，多用于大型生产线的在线检测，而且取得了较满意的成果，电容式和电导式是常用的方法。电导式存在着测试精度较低、受电解质及被测谷物的温度影响大等缺点[5]。本试验在分析电容法原理的基础上，以谷物含水量测量为核心，研究了基于射频阻抗法的谷物在线含水量检测技术，为谷物含水量测量传感器的高精度、大范围、自动化、微型化及智能化研发提供科学依据。

1 阻抗法检测谷物在线含水量的基本原理

阻抗法主要是把水稻种子作为电容器的介质，而夹在2个圆柱形极板间的谷物由于含水量不同，所表现的介电常数也是不同的，在相同频率信号的激励下，所呈现的阻抗也不相同。尽管它们之间所对应的函数关系是未知的，但可以通过实验研究找到它们的对应关系。

1.1 传感器的理论分析

图1是谷物在圆柱形极板间流动的模型图[6]，把流动的谷物分成3个部分：一是谷物间的空气隙；二是谷物的水分；三是谷物干物质。根据电容的计算公式可得模型总电容Cx：

(1)

式中：C0为谷物间空隙电容，mF；C1为谷物水分电容，mF；C2为谷物干物质电容，mF；H为圆柱形极板的高度，mm；H0表示谷物间的空气隙的高度，mm；H1表示谷物水分的高度，mm；H2表示谷物干物质的高度，mm；D为圆柱形外极板的直径，mm；d为圆柱形内极板的直径，mm；ε0为谷物间的空气隙电介常数；ε1为谷物的水分电介常数；ε2为谷物干物质电介常数。

设3个部分物质的质量分别为m0、m1、m2。因为谷物间隙的空气质量可视为0，故3部分总质量m为：

m=m1+m2=πγd(D-d)H2+πγw(D-d)H1。

(2)

式中：γd为谷物干物质的比重，γw为谷物水分的比重，取值为1。

所以待测谷物的含水量为：

(3)

设3个部分体积分别为V0、V1、V2。V表示总体积，两极板间谷物的空隙比e，即谷物堆积密度，称为紧实度，可定义为：

(4)

通过式(3)和式(4)变换后，带式(1)可得总电容Cx与谷物含水量的关系：

(5)

把K0设为常数，则式(5)可以变换为式(6)：

(6)

式(6)表示了圆柱形极板间流动谷物总电容与谷物含水率的关系。当有一定频率f的信号激励圆柱形极板时，则其表现的阻抗为Zx，其中常数为K1=2πfK0。

(7)

1.2 传感器的参数对测量结果的影响

本研究把上面圆柱形极板作为在线谷物水分传感器，通过式(7)分析可知传感器的阻抗与谷物湿度之间单值函数的关系，这种关系受到下列几种因素的影响[7]：(1)传感的结构参数D、d、H和激励源的频率f。对于确定的传感器和一定的激励源而言，各参数均为常量。(2)3个部分物质的介电常数ε0、ε1、ε2。在常温下，粮食干物质的介电常数ε2为2～5，而纯水的介电常数ε1约为81。在线测量过程中，由于温度的变化而引起的介电常数的变化是不可忽视的。经试验证明，这种影响可以通过温度补偿的方法进行修正。(3)紧实度e的变化。这是影响传感器测试精度的最主要因素，在式(7)中，每一项都含有e的成分，因此必须克服该因素的影响。以前的研究者大都采用分批采样及恒定频率的压实法等，但都是分批采样，不是在线测试[8]。有研究者采用在出料口处安装电磁振荡排料器，当电磁振荡排料器均匀振荡时，传感器两极板间流动的谷物紧密度基本保持一致。在此研究的基础上，利用谷物自重和一定风力对被测谷物进行压实，使被测谷物的压实度e基本保持不变，所以减弱了压实度e对测量结果的影响。

传感器由上跷板、圆柱形极板、铁壳、PVC套管等组成，具有以下优点：(1)圆柱形极板具有较为稳定的电参数。如要增加电容量，则只须增加筒长即可，即改变电容量较为方便。虽然平行板电容器制作较为简单，但是要对两极板进行绝缘固定时，这个绝缘体会因为充入电容的谷物含水量过高而引起绝缘性能下降，也就是会引起电容的电参数改变。另外，当要求电容容量较大时，必须增大极板面积，这样会大大增加传感器件的体积，这些对试验和实测都是不利的。(2)当谷物沿着跷板向上爬行时，利用谷物自重和风力对圆柱形极板间的流动谷物产生压力，使得在测量时极板间谷物的紧实度保持一致，从而消弱了因紧实度对测量精度的影响。(3)将整个圆柱形极板放置在铁壳内，由于铁壳的屏蔽作用，减少了外界静电的干扰。(4)在圆柱形极板与铁壳之间加入一PVC套管，削弱了电容场的边缘效应，提高了测试的精度。

2 测量装置的设计

本试验的测量装置如图2所示，它是由厚度为1 mm的薄铝片制作而成的，外圆柱形腔的直径D为65 mm，内圆柱形腔的直径d是40 mm，整个圆柱形腔的高度H为100 mm。为了减小弥散效应对测量结果的影响，在圆柱体外套上厚度为3 mm、内径为65 mm、高度为140 mm的PVC塑料圆筒。信号源经过1 kΩ的电阻与传感器相联，示波器通过同轴电缆与传感器相连接。

本试验采用南京盛普仪器科技有限公司生产的F40型数字合成函数信号发生器，它是一种精密的测试仪器，具有输出函数信号、调频、调幅、频率扫描等信号的功能。此外，本仪器还具有测频和计数的功能，主要性能指标如下：(1)主波形为正弦波、方波、TTL波，输出频率为1 000 μHz～40 MHz，波形失真度为0.1%，频率误差为±5×10-6Hz，频率稳定度为±1×10-6Hz；(2)脉冲波占空比分辨率高达千分之一；(3)小信号输出幅度可达1 mV，大信号输出幅度可达几十伏；(4)数字调频分辩率高、准确；(5)猝发模式具有相位连续调节功能；(6)相位调节分辨率达0.1°；(7)频率扫描输出可任意设置起点、终点，频率变化量仅为万分之一；(8)具有频率测量和计数功能，计数容量为≤4.29×109，可手动，也可外闸门控制。

示波器是采用江苏绿扬电子仪器有限公司生产的YB4360型双踪四迹示波器，主要性能指标：(1)最大输入直流电压为300 V，交流峰峰值电压为300 V；(2)输入阻抗为 (1±2%) MΩ，输入电容为25 pF±3 pF；(3)交流频带宽度为 10 Hz～60 MHz，直流0～60 MHz；(4)在室温下，精度可达±5%；(5)工作电源电压为交流220(1±10%) V，频率为 50(1±5%) Hz。

3 试验材料选择

本试验所选用的谷物是水稻早杂品种，稻谷的最初湿度为10.22%～21.3%。为了获得较高的含水量，将稻谷分成10组，每组为1 kg，分别放置在不同的玻璃器皿内，贴好标签后，安置在温度和湿度相对可以控制的环境中。在环境温度为4 ℃下保存7 d，以达到谷物内外含水量平衡。谷物放到玻璃器皿之前，应在每一组谷物样品上洒入不同量的蒸馏水，以使样品的含水量不同且分布广。测量之前，将每一组样品放在室温下24 h，直到谷物表面的水分蒸发完，然后将每一样品中取出后称质量mw，用干燥箱进行干燥(本试验所采用的S.C.101恒温干燥箱，主要参数为：最高温度300 ℃，马达功率40 W，工作室尺寸50 cm×60 cm×75 cm，发热功率6 kW，电压220 V，频率50 Hz，转速2 800 r/min)，在温度为135 ℃下干燥24 h，取出测其干燥质量mD，并算出每一样品的绝对含水量。

4 结果与分析

在每个不同的湿度下测量10次，每次分别用1、3、5、7、10、15、20 MHz信号源去激励，输入信号峰峰值电压为10 V，用示波器测出传感器上的峰值电压，将测得的数据取平均值，记录下来(表1)。

由表1分析可知，当激励信号的频率大于5 MHz时，测量的电压值不能准确反映谷物含水量的变化；而在频率为 1 MHz 的信号激励下，湿度差值相同，输出电压值差最大，对其进行回归分析(图3)得到模型为：y=12.74-23.052x，r2=0.817 3。

为了验证数据的准确性，在频率为1 MHz信号源激励下，将所测得的数据进行变换，利用下述公式将所测电压值转化成相应的等效电容值。波形转换公式(8)和阻抗公式(9)分别如下：

(8)

(9)

表1 谷物水分测量值

式中：U为输出电压，V；Ua为电容两端电压，V；Cm为传感器圆形电容，F；Kp为波峰系数，由于输入的波形为正弦波，所以取Kp=1.414，转换的结果与Nelson等研究的估算公式[9]一致。

5 谷物在线水分仪的设计与试验

5.1 谷物在线水分仪的设计

在线水分仪电路由传感器圆形电容Cm、可调电容Cv、线圈L和石英晶体组成的石英晶体振荡原理如图4所示[10]。

当没有谷物在圆柱形电容的两极板中时，通过调节电容Cv的值可使LC(谐振电路)并联谐振回路的固有频率f0等于石英振荡频率f，回路呈现的阻抗最大；当在圆柱形电容的两极板中加入谷物时，电容Cm的值将会发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，电容Cm的值随着谷物湿度的变化而变化。因此，输出电压也随谷物湿度的变化而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表显示出湿度的大小。

5.2 谷物在线水分仪的试实验结果分析

通过调节电路的电容Cv的值，使其谐振频率分别为1、5、10 MHz。在此基础上，对15个不同湿度的谷物进行在线检测，它们的真实湿度由标准烘干法确定，湿度范围为7%～25%。每种湿度谷物测量10次，求出其算术平均值。在1、5、10 MHz信号的激励下，测量输出电压值基本上都能反映谷物含水量的变化(图5)。但是，当谷物的含水量发生相同的变化，在1 MHz信号的激励下，输出的电压值变化最大。由于谷物的安全含水量在14%以下和实际谷物的含水量一般不超过22%，因此对1 MHz信号激励下含水量在13%～22%内的数据进行一元线性回归分析(图6)，得到模型为y=21.476-87.288x，r2=0.986 1。

5.3 谷物在线水分仪的试验结果验证

将不同湿度的谷物放在传感器中，在1 MHz信号的激励下，测量其输出电压值，将测量结果代入y=21.476-87.288x(r2=0.986 1)中，推算出对应的谷物含水量。然后将谷物用标准烘干法得到的实际含水量相比较，计算出测量的精度。在含水量为13%～22%的范围内进行10次测量，由表2可知，使用该谷物在线水分仪测量谷物含水量时，其精度在 ±1.2%，可满足谷物干燥机控制的要求。

表2 谷物水分测量值

6 结论与展望

在分析阻抗法检测谷物在线含水量的基本原理的基础上，主要对谷物在线含水量检测仪相关技术进行研究，主要得到以下结论：(1)研制了一种谷物含水量传感器，在不同频率信号源的激励下，该传感器的输出电压与相应的含水量基本上成线性关系，而在频率为1 MHz的信号激励下，湿度差值相同，输出电压值差最大。所以，把1 MHz确定为该传感器的特征频率，预测模型为y=12.74-23.052x(r2=0.817 3)。(2)利用圆柱形谷物含水量传感器设计了一套在线含水量检测仪，经过试验得出：在频率为1 MHz的信号源的激励下，该在线含水量检测仪的预测模型为y=21.476-87.288x(r2=0.986 1)。检测仪的测量精度较高，误差仅为±1.2%，完全符合小型谷物干燥机的控制要求。(3)为了满足干燥机控制的需要，谷物在线含水量检测仪不仅要提高测量精度，也要提高信号采集和处理的速度。(4)还须进一步开发谷物在线检测的软件系统，设计出能够自动记录谷物含水量的软件。

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