粮食收购运输过程中温湿水在线检测仪的研究

张亚秋，徐 岩，刘 哲，牛立坤，吴文福

（吉林大学生物与农业工程学院，吉林 长春 130022）

0 引言

粮食作为人们生存的必需品，是国家经济发展的支柱和基础。2019 年，全国粮食总产量 66384 万t，再创历史新高，截至 2020 年 11 月，我国粮食产量连续 6 年稳定在65000 万t 以上。粮食产量逐年增长，对粮食的物流也提出了更高的要求。粮食已经成为继煤炭和矿石之后的第三大散货货种[1]。粮食运输是粮食物流体系的重要环节，直接影响着整个物流系统的效率和经济效益。

我国虽是农业大国，但粮食的生产分布具有非均衡性[2]，粮食供应不平衡，为促进粮食的区域平衡，粮食运输显得至关重要。在我国，粮食的主要运输途径为公路、水路、铁路，此外还有小部分航运。目前，我国集装箱粮食运输仍处于初级阶段[3]，但随着集装箱运输优势的凸显，集装箱运粮的比例也在逐年上升。

粮食运输是粮食流通中必不可少的一个环节[4]，粮食在长时间的运输过程中，由于外部空气的温湿度变化，导致运粮车箱内部环境会发生高温、高湿的现象，如果没有及时发现并采取防控措施，粮食发生霉变机率就会大大增加，甚至会引发粮食安全等严重问题[5]。因此，本文研制一种基于射频原理的集温湿水检测于一体的检测仪，可解决粮食运输过程中的全程监控问题。

1 检测原理

该检测仪基于射频原理，等效原理如图1 所示。

图1 射频式电路原理

由图1 可知，不同的探测物体反馈信号不同，把粮食的水分作为介质，不同的水分反馈信号不同。依据射频法测量水分的研究方法[6,7]，取100 MHz 正弦波。数学表达式为

式中α为检波系数；ZL为遇到介质产生的阻抗，Ω；Z0为特性阻抗，Ω。

根据SKAAR C[8]的研究，当温度和测试信号频率一定时，介电常数和含水率间存在一定的线性相关性。

根据试验可知，温度等因素对水分测量有较大影响，一般的检测方法都需要做温度补偿，因此本文采用两个检测单元进行差分可以消除温度的干扰。检测单元1 距离粮食距离为D1，检测单元2 距离粮食距离为D2，D2＞D1，如图2 所示，其信号经过相位检波过滤后差分，就能够得到稳定的电压值。

信号源选取100 MHz 高频信号，一路信号返回信号HF1，另一路信号返回信号HF2，经过相位检波将信号HF1 与HF2 转换为模拟量HINA、HINB。经过单片机STM32F103RCT6 处理，对HF1 与HF2 进行差分得到信号VHPS。

式中 VHPS为经过差分后的模拟信号，V；RφIP为比例系数，30 mV/dB；HINA为检测单元1模拟量，0≤HINA≤1.8V；HINB为检测单元2模拟量，0≤HINB≤1.8V。

2 系统组成

系统主要由检测仪单元（主要包括水分检测仪，温度、湿度检测仪）、主控器单元、人机交互单元3 部分组成，如图3 所示。检测单元主要把采集到的信号通过控制单元传给上位机，上位机软件程序可保存数据，方便日后处理；也可显示实时采集数据，方便在线查看粮情。

图3 系统组成

2.1 检测电路设计

检测电路如图4 所示。主要由信号源通过信号功分器把信号分为两个检测单元，再通过差分相位检波电路进行差分，最后通过放大电路把信号放大。主控制器单元不仅包含水分检测单元，还包括温湿度检测模块，最后通过串口通信电路把信号传到上位机。

图4 检测电路工作流程

2.2 检测仪设计

该检测仪采用即插式，方便检测，有3 个隐蔽探针，两侧探针有屏蔽作用，形成差分，可以使传输信号免受干扰。

1）探针长度。据经验，探针越短，误差越大，HEIMOVAARA 给出了三针式探头含水量测试误差[9]。

式中θ为按体积计算的含水量，%；c为电磁波传播速度，m/s；L为探针长度，cm；Δtδ为时间分辨率。

通过求取

由式（3）与（4）可得质量含水率测试误差

式中ρw/ρd为介质的特性阻抗系数，取0.5～0.7。

通过理论计算并结合实际经验最终确定探针长度为11 cm。

2）探针宽度和间距。陈伟[9]认为探针表面存在“趋服效应”，建议间距与宽度比值小于10；同时KNIGHT 建议宽度与间距比值大于0.1 可以减小探针周围的能量集中。因此，参考上述意见并结合实际情况选取探针宽度为3 mm，探针间距为15 mm。

在此基础上得到的电路结构如图5 所示。把此硬件电路结构加上外壳，做成梭形，便于往粮堆插入，用树脂材料便于加工且不易腐蚀损坏，如图6 所示。

图5 电路硬件结构图

图6 检测仪外壳

3 系统软件设计

下位机程序用KELL5 软件编写，程序模块设计如图7 所示，主要包括系统主程序、时钟子程序、电压采集子程序（采集水分）、温湿度子程序及串口通讯子程序。

图7 下位机程序设计结构框图

4 标定实验设计

本次标定实验选用玉米，按照GB/T 5497-1985《粮食、油料检验水分测定法》制备成不同含水率，然后测量不同含水率对应的电压值，建立含水率—电压关系曲线。

4.1 材料的选取

选用先玉335 玉米，经去杂、优选后制备成不同含水率的样品备用。

4.2 数据处理

共制备了5 个水分梯度的样品[10]，取样间隔为2 min/次，共取200次，如表1。不同含水率对应的电压值曲线如图8、9、10、11、12所示。

表1 标定实验数据采集

图8 含水率12.23%对应的电压值

图9 含水率13.58%对应的电压值

图10 含水率14.60%对应的电压值

图11 含水率15.92%对应的电压值

图12 含水率16.83%对应的电压值

取电压平均值作为标定电压，含水率与电压对应关系如图13 所示。含水率和电压关系曲线存在一定的偏差，为了减小偏差，提高精度，需要对回归方程进行处理。

图13 含水率-电压关系曲线

用最小二乘法得出含水率与电压值的线性回归方程，偏差为

在实验过程中保持含水率基本不变，所以Δxi2可以忽略，因此偏差由电压测量值yi产生，所以

为了确定回归方程系数，使总的偏差最小。首先求偏差平方和

用二元函数求极值法，把上式对a 和b 分别求偏导，得到式（9）、（10）

令式（9）、（10）等于0 解得

用最小二乘法求出a、b 值，从而得到线性回归方程。为了验证回归方程的准确性，求取标准差σs

最终计算结果如表2 所示。

表2 相关系数值

由表2 可以看出R2=0.9904，达到要求。最后得到线性回归方程为y=-4.876x+2.628。其中x为含水率，y 为电压值。其转换后得

式中 M为所测量粮食的水分，%；U为测量电压，V。

式（14）可以作为粮食含水量测量的模型使用。

5 结语

将检测仪插到运粮车内进行测试，运输过程中在线检测了玉米温度、湿度和水分，将实际水分与检测水分进行了对比，结果表明，测定值最大绝对误差在±0.5%以内，检测精度符合国标规定。因此，开发的温湿水检测仪可以检测粮食在长途运输过程中温度、湿度、水分等指标，而且可以多点布置检测仪，做到全面防范无死角，实时掌握粮食的安全状况，防患于未然。