果蔬热风干燥含水率在线测量装置设计与试验

李国鹏，谢焕雄，王嘉麟,2，颜建春，魏 海，陈智锴

(1. 农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2. 南京工程学院，南京 211167)

0 引言

果蔬营养价值丰富，是除谷物以外最重要的农产品。大部分果蔬含水率在75%～90%，常温下不易储存[1-2]。果蔬干燥是提高果蔬产品附加值的主要形式之一，也可以延长其保存期，减轻质量、缩小体积、便于运输[3-5]。随着生活水平的提高，我国果蔬干燥工业迅速发展，成为提高农业效益的重要行业[6-7]。果蔬干燥过程中的含水率是评价干燥设备运行状态的一个重要标准，实时监测果蔬干燥过程中的含水率变化对优化控制工艺、把控干燥品质及判断干燥终点至关重要[8]。热风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线测量的技术主要有介电常数法、数学模型法及在线称重等方法。1945年，Dunlap 和Makower[9-11]就开始探索介电常数与含水率之间的关系方面，研究表明：胡萝卜的介电常数主要取决于含水率。秦文和张慧等[12]通过研究结果表明：果蔬含水率与介电常数线性相关。已有众多的国内外学者利用数学模型对果蔬干燥过程进行模拟，预测干燥过程中果蔬的水分变化[13-17]。邓彩玲、林羡等[18]通过研究龙眼在不同温度和风速下的热泵干燥特性，进行回归分析确立了Midilli模型在不同干燥条件下的拟合方程，方程对龙眼干燥过程中含水率的预测值与试验测量值在0.01水平下显著相关。

对于利用数学模型法测量含水率的实际应用，尚未发现与之相关文章。本文以鸡腿菇为研究对象，通过热风干燥试验，建立果蔬干燥数学模型，并将数学模型法通过编程写入测量系统，实现基于数学模型法的含水率测量；另外，研究鸡腿菇含水率对其介电常数的影响规律，建立鸡腿菇介电常数与含水率之间的关系模型；将介电常数法与数学模型法相结合，以IAP15W4K58S4型单片机为主控芯片，研究基于MCU的果蔬热风干燥含水率在线测量技术。

1 果蔬热风干燥含水率在线测量装置设计

1.1 硬件系统总体设计方案

果蔬热风干燥含水率在线测量装置硬件系统主要包括供电电路、微处理器、电容信号采集装置、按键输入电路、液晶显示器和报警装置等，如图1所示。电容传感器采集电容信号，微处理器将传递过来的电容信号进行运算处理，并将最终的含水率结果通过LCD显示出来。

图1 硬件系统框图Fig.1 Block diagram of hardware system

1.2 电容信号采集装置设计

1.2.1 电容传感器

本系统中的电容传感器采用亚德诺半导体公司(ADI公司)的AD7746电容数字转换器(CDC)，该芯片集成了电容信号转数字信号的所有电路，分辨率达4aF，测量精度达4fF，通过编程控制DAC寄存器，量程可达0～21pF[19-21]。AD7746芯片具有两条电容输入通道，每条通道都具有差分输入和单端输入两种模式，本文以通道1为例进行设计，测量系统框图如图2所示。输入电容与输出数据之间的关系为[21]

DATA≈CX-CAPDAC(+)-
[CY-CAPDAC(-)]

其中，DATA为AD7746的输出的二进制电容值；CAPDAC(+)与CAPDAC(-)为可编程配置电容，电容可变范围为0～17pF；CX与CY为差分输入电容，CX为待测电容与附件电容之和，CY为附加电容，采用这种输入方式可以消除外部环境变化带来的影响。图2中CIN1(+)、CIN1(-)、EXCA、SDA、SCL和RDY均为AD7746芯片引脚。其中，SDA和SCL是AD7746与MCU之间的双线IIC串行通信引脚，RDY为电容转换状态输出引脚，下降沿表示电容转换完成。

图2 电容测量系统框图Fig.2 Block diagram of capacitance measure system

1.2.2 传感器探头设计

考虑到电容传感器的测量精度、量程以及使用的方便性和稳定性，设计探针式探头[22-26]，如图3所示。探头由电极、电极和绝缘骨架组成。电极直径为0.8mm，骨架以下部分长18mm，且进行表面绝缘处理；两电极之间间距3mm，材质为HSS高速钢，硬度高耐磨性好，骨架上设有接线端。采用单芯屏蔽线作为探头与传感器的链接线，屏蔽层接地，以消除导线中寄生电容。利用ANSYS Maxwell16.0建立3D模型，进行仿真分析，求解得出此模型在真空中的理论电容值为0.256pF；后经试验测量，传感器电容探针在空气中的初始电容值为0.261pF。

1.3 微处理器

本系统采用宏晶公司的STC系列IAP15W4K58S4型单片机，芯片内部集成58K字节Flash程序存储器，4K字节SRAM；内置高精准时钟，5～30MHz编程时可任意设置，且温漂小，运行稳定。芯片在资源和性能方面满足系统设计要求。

1,2.电极 3.绝缘骨架图3 传感器探头Fig.3 Probe of capacitance sensor

1.4 其他硬件

按键电路用来进行人机交互，往系统中输入相关参数；存储器采用串行接口芯片FM24C04，用来存储系统实时数据，防止掉电数据丢失；UART串口通信采用CH340T芯片，用来进行程序下载以及数据传输；显示屏选用128×64图像点阵LCD，用来显示设置菜单、系统运行状态以及故障信息等。

1.5 软件系统设计

软件系统主要包括系统主程序、电容-含水率计算子程序、数学模型-含水率计算子程序及按键和液晶驱动子程序，所有程序均在Keil uVision5开发平台上用C语言进行编写及编译。系统主程序用于完成液晶显示器与电容传感器的初始化，开启系统中断，根据按键输入调用其他子程序等。电容-含水率计算子程序与数学模型-含水率计算子程序是本软件系统设计的关键：前者将传感器采集的电容信号传递给微处理机，将其转换为相对介电常数εr后，调用相对介电常数-含水率转换模型，计算得出含水率；后者根据干燥进行时间t，预测该时刻的水分比MR，根据干燥初始含水率计算得出该时刻的物料含水率。按键驱动子程序主要完成按键消抖、按键识别及子程序调用等功能，液晶驱动用于显示系统运行过程中的相关参数。系统流程如图4所示。该系统设有两种操作模式，使装置具有更好的适用性，同时通过优化算法可提高测量结果的可靠性。

图4 程序流程图Fig.4 The flow chart of grogram

1.6 性能评估

在干燥试验之前,对装置电容测量精度进行评估。在室温下分别使用本装置与HIOKI IM3536-LCR测试仪对标称容量为10、15、18pF的瓷片电容进行测量，对比两者测量结果，如表1所示。从表1数据可以看出：本装置对电容测量误差小于1%，能准确测量干燥过程中的物料电容。

表1 电容测量结果对比Table 1 Data of accuracy test

续表1

2 热风干燥试验及模型建立

2.1 干燥试验

2.1.1 试验原料

以鸡腿菇为研究对象，同样的研究方法亦可以在其他果蔬物料上进行复制。鸡腿菇购买于徐州一夜茸农场，选取大小一致且菇体完好的鸡腿菇作为试验原料。

2.1.2 试验仪器

KETT FD-720红外水分仪(株式会社kett科学研究所)；HH数显恒温水浴锅；HIOKI LCR测试仪IM3536。

2.1.3 试验装置

热风干燥试验装置，由农业部南京农业机械化研究独立研制，主要由烘干仓、料盘、换向通风装置、电加热装置、风机组、控制及测试系统组成。

2.1.4 试验方法

将鸡腿菇清洗干净后，沿生长方向切片，放入95℃热水中漂烫3min进行护色[27]；处理完毕之后，将探针插入电容测量样本中，测量初始电容后将鸡腿菇放入干燥箱进行干燥，试验方案如表2所示。干燥过程中，每隔30min测量一次电容，并取样用红外水分仪测其湿基含水率，转换为干基含水率后记录数据。

表2 干燥试验设计Table 2 Drying experiment design

续表2

2.2 试验结果分析

2.2.1 薄层干燥数学模型

用数学模型法描述热风干燥过程，可预测物料薄层干燥过程中的含水率。本文选取7中常用的薄层干燥数学模型对试验数据进行拟合，如表3所示。在模型方程中，MR为水分比，计算公式简化为

其中，M为实时干基含水率(%)；M0为初始干基含水率(%)。则实时含水率为

M=MR·M0

用表3中模型对试验数据进行拟合，选取决定系数R2、卡方 χ2及均方根误差RMSE评价模型拟合好坏。R2数值越大，χ2与RMSE数值越小，模型拟合效果越好。拟合分析结果如表4所示。从表4数据可知：对于试验组1～7中的数据，Demir模型均有最佳拟合效果，即有最大的R2值，有最小的χ2与RMSE值。对于第6组试验中的数据，Diffusion approach模型拟合效果最好，Demir模型拟合效果次之。因此，Demir模型为描述鸡腿菇热风干燥过程的最佳选择，即

MR=a·exp(-ktn)+b

其中，a、b、k、n均为模型中常量参数；t为干燥进行时间(min)。

表3 常用薄层干燥数学模型Table 3 Commonly used mathematical models for thin-layer drying

表4 拟合分析结果Table 4 Analytical results of the different models

续表4

续表4

进一步研究Demir模型参数a、b、k、n与干燥条件之间的关系，对各组试验中Demir模型的参数值进行回归分析，建立参数a、b、k、n与热风温度T、热风风速V、切片厚度H之间的函数关系。在模型R2值大于0.999，χ2值小于3.96×10-6条件下，关系式为

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

根据上式，可得出任意干燥条件下鸡腿菇热风干燥数学模型，通过预测干燥过程中任意时刻的水分比MR，从而间接得出物料热风干燥过程中的实时含水率M。

2.2.2 介电常数与含水率模型

介电常数法测量含水率是利用物料相对介电常数大小与含水率相关的原理，物料相对介电常数计算公式为

其中，Cm为探针插入物料中测得的电容值(pF)；C0为探针空载时的电容值(pF)，C0=0.261。

在试验过程中发现：在干燥初期，鸡腿菇含水率较高，且干燥过程中存在干燥不均匀现象，无法准确测量物料电容值；当物料湿基含水率下降到30%以下时，物料介电常数与含水率之间存在十分显著的线性关系。选取60℃热风温度条件下测量的数据为分析对象，其他温度条件下相对介电常数-含水率模型可采用相同方式建立。利用SAS软件对鸡腿菇相对介电常数与含水率之间的线性关系进行拟合，结果如图5所示。拟合方程为

Mdry=6.0668εr-3.4698

方程决定系数R2=0.991 1，表明利用本装置可实现基于相对介电常数的鸡腿菇热风干燥含水率快速测量。

3 含水率测量装置测量结果验证

在热风温度60℃、热风风速1.5m/s、切片厚度4mm条件下，对本装置的测量效果进行验证。干燥初期仅使用数学模型模式进行测量，当含水率下降到30%以下时，开启相对介电常数测量模式，两种模式同时运行，增强装置的抗干扰性能。将装置测量值与红外水分仪测量值进行对比，相对误差小于3%，去除极少数干基含水率大于400%的点，结果如图6所示。图6曲线拟合斜率K=0.994 7，表明利用该装置可以准确测量鸡腿菇热风干燥过程中的实时含水率，将研究方法推广至其他果蔬即实现果蔬热风干燥含水率在线测量。

图5 含水率与相对介电常数拟合曲线Fig.5 The curve of moisture content versus relative dielectric constant

图6 测量结果对比图Fig.6 Comparison of measuring results

4 结论

1)设计了探针式电容检测探头，结合高集成度电容数字传感器AD7746，以IAP15W4K58S4型单片机为主控芯片，完成了果蔬热风干燥含水率在线测量装置的设计。将数学模型法与介电常数法相结合，使系统具有两种测量模式：①根据干燥时间t预测该时刻水分比，从而实现含水率测量；②根据物料的实时相对介电常数实现含水率测量，两种模式提高了装置的适用性，加强了测量系统的靠干扰能性。

2)以鸡腿菇为研究对象，建立了鸡腿菇热风干燥数学模型和相对介电常数-含水率计算模型，利用本装置成功实现了鸡腿菇热风干燥含水率在线测量，所用研究方法在其他果蔬物料上具有可复制性，本文可提供参考。