谷物在线水分传感器的研究

杨 彬，车 刚，万 霖，温海江

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省农副产品加工机械化研究所，黑龙江 佳木斯 154004)



谷物在线水分传感器的研究

杨 彬1，车 刚1，万 霖1，温海江2

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省农副产品加工机械化研究所，黑龙江 佳木斯 154004)

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、不同谷物含水率的精确在线测量，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。为此，以谷物含水率测量为核心，对常用的含水率测量原理和方法进行归纳和总结，并结合我国谷物干燥条件和传感器的发展趋势，指出我国谷物含水率测量传感器未来应向高精度、大测量范围、自动化、微型化、多功能化及智能化方向发展。

谷物；干燥；在线；含水率；测量

0 引言

在粮食干燥行业，谷物含水率对谷物储藏、运输、加工都有重要影响。传统的谷物水分检测方法是烘箱法。该方法虽然能够精确测量谷物含水率，但最大的缺点是离线分析，从采样到计算出谷物含水率整个过程时间太长，不适合在线测量谷物含水率。随着自动控制技术和机电一体化技术的发展，传统的离线水分检测方法已不能适应现代化生产的要求，研究在线水分检测技术对于实时检测谷物水分具有重要的应用价值[1]。

1 谷物水分测量技术的发展

目前，正处于研究阶段和已经应用的谷物水分在线测量法中应用效果较好的方法有电容法、电阻法和微波法[2-6]。

电容法把谷物作为电介质，依据水的介电常数远大于干燥谷物的特点，通过测定谷物的介电常数测得谷物含水率。

电阻法是利用谷物导电性能与谷物含水率有关的特性间接测量含水率的方法。

微波法通过空间辐射的方式穿过谷物，检测受谷物作用后微波信号的幅度、相位、频率变化来确定谷物含水率。电容法和电阻法由于结构简单、价格便宜，较微波法更为普及。微波法不仅可以测量谷物表面水分，也可以测量谷物内部水分，具有非接触无损实时检测、仪器无辐射的危险、操作和使用安全等诸多优点。

2 谷物水分在线传感器

2.1 电容法

常温下，水的相对介电常数高达80左右，而干燥粮食的相对介电常数小于5，因为水分相对介电常数远大于干燥粮食的相对介电常数，所以可以通过测量粮食的相对介电常数来确定粮食的含水率。相对介电常数作为影响电容器电容值的参数之一，在确保其他影响参数不变的情况下，通过测量电容值的大小即可求出相应粮食的相对介电常数。最终，粮食的含水率则由已经求出的相对介电常数与已标定的相应谷物含水率与相对介电常数数值关系得出。

电容式谷物水分传感器按其电容的电极结构不同，主要可划分为圆筒式、平行极板式及平面极板式等结构。

2.1.1 圆筒式

圆筒式(见图1)即电容式水分仪采用圆筒形容器作为传感器。采用两个同心圆柱筒作为电极，谷物从两圆筒间流过，内电极被外电极包络，可以有效地抑制外界干扰。

当L≫R-r时，可以忽略圆柱的边缘效应。

电容的计算公式为

式中C—两圆筒间电容值；

εr—相对介电常数；

L—金属圆筒高度；

R—金属圆筒外电极半径；

r—金属圆筒内电极半径。

由以上公式可知：电容值C与相对介电常数εr值成正比关系，因此可通过测量所得电容值大小。

图1 圆筒式电容水分传感器结构图

2000年，程卫东通过分析圆筒式电容水分检测仪这一模型，从待测谷物干重质量和水分质量角度分析了总电容与待测谷物含水率之间的关系，并借助多谐振荡器将电容量的变化转化为频率变化，以便于测试。采用溢流通道式结构，稳定了传感器中谷物的流量，使传感器中谷物流量为恒量，克服了谷物体密度的变化，提高了测量的稳定性；同时又采用温度补偿技术，稳定了谷物的介电常数在不同温度下变化的不利因素，进一步提高了最终测得谷物含水率的精确度。在GZQ3×3振动流化干燥机、5HG-3型粮食干燥机和5HZ-2型种子干燥机上进行试验，并与标准烘箱法所得数据进行比较，结果表明：该水分检测仪器的最大偏差小于0.5%，可作为生产率大于1.8t/h的谷物干燥机的水分检测仪器[7]。

2003年，杨荣辉通过对传统电容传感器检测电路优缺点的分析，在谐振电路的基础上，采用差频式检测电路，将谐振电路和差频式检测电路相结合，在一定程度上提高了电路系统对杂散电容的抗干扰能力，使得检测结果更加准确、可靠。在0～30℃条件下，与日本KETT公司生产的PM-888型水分仪进行多次重复对比，可以达到系统误差在1%范围内的要求[8]。

2003年，丁英丽进行了粮食阻抗-频率特性的研究：特定频率下，在圆筒式电容传感器的电容两端并联一个电导成分，由于被测谷物含水率变化而引起相对介电常数和电容值变化，同时在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，在其输出端则会产生一个同频的衰减响应，所以电容的变化可由电容(C)与电导(G)的比值来反映。因此，可以通过测量与此比值有确定函数关系的相角来测量谷物含水率。经过对含水率在13%～16%谷物样品的测试试验，结果表明：其误差范围在±0.5%以内[9]。

2.1.2 平行极板式

平行极板式是采用两块金属电极作为电容正负极板，谷物从正负极板间流过。平行极板式电容水分检测仪具有结构简单的特点，如图2所示。

图2 平行极板式电容水分传感器结构图

电容的计算公式为

式中A—极板面积；

D—两极板间距离；

ε0—真空介电常数；

εr—相对介电常数。

2004年，张赤军利用平行极板式测量谷物水分原理，将平行极板、温度传感器、单片机及时钟芯片等器件结合，通过转换器将所测的介电常数ε、温度值转换成方波信号，经单片机对该信号进行处理，得出修正后的测试水分值。该水分检测仪测试误差小于±0.5%，通过连接外设可以随时记录水分值与温度值，具有高效性和实用性[10]。

2013年，邱禹通过对平行极板式电容水分传感器添加边缘效应消除装置和玻璃槽，消除了极板边缘存在的发散电场和边缘效应消除装置的电阻效应，提高了检测精度。经稻谷样品试验，与105℃恒重法标定出的谷物含水率做对比，在室温(22℃)条件下，稻谷实际含水率与试验检测所得电容值之间线性拟合的相关系数为0.991，表明该仪器具备较高的水分测量精度[11]。

2014年，麦智炜在平面极板结构的基础上，在两极板间添加一个测量容器，保护极板不受电化学腐蚀，在极板外围添加屏蔽层以及保护板，保证在测量过程中不受外界电磁场的干扰和保护电极板和屏蔽层。试验结果表明：在温度15～50℃、相对湿度在80%～100%、玉米含水率范围在14%～21%动态变化的条件下，在线检测的最大偏差小于±0.4%[12]。

2.1.3 平面极板式

平面极板式结构是采用将正负电极板同时放置于同一侧的结构，由平面极板式结构演变而来，具备安装方便、节省空间的特点，如图3、图4所示。

图3 平行极板式向平面极板式演变结构图

图4 平面极板式电容水分传感器结构图

电容的计算公式为

式中C—电容值；

U—导体间的电势差；

We—电场总的贮能。

2010年，杨柳在对圆筒式水分传感器探头占有较大高度空间、增加设备投资和平行极板式水分传感器安装难度大、测量精度低这两个问题进行研究后，提出了平面极板式探头结构模型。其利用有限元分析法，结合平面极板探头的电场强度和电场能量的分布规律，通过试验分析，设计出最优尺寸；利用所设计传感器探头，采用小麦、玉米、水稻为试验样本，经多次重复试验，得出该传感器测量含水率的误差范围为±1.5%[13]。

虽然平面极板结构的电容传感器具有安装方便的优势，但在测量高含水率及周围环境变化对测量结果有较明显的影响。同年，杨柳通过对平面极板式结构电力线的研究，采用主动屏蔽极板，将平面极板背侧电场向测量粮食一侧挤压，减小了杂散电容对平面极板的影响，使得测量结果不受外界环境的影响。其采用主动屏蔽极板，配合温度补偿，经多次重复试验得出，改进后水分检测传感器试验误差范围为±1%，测水范围达到6%～36%[14]。

2.2 电阻法

电阻法是最早应用于粮食干燥的工业化非电测方法。研究表明，不同含水率的粮食其导电率不同。具体表现为：粮食的含水率越高，则其导电率越高；粮食含水率越低，则其电阻阻值越低；含水率在9%～20%的范围内，电阻的对数与含水率近似呈线性。

电阻法粮食水分测量模型为[15]

M=K1+K2lnRx

式中Rx—测量电阻值；

M—粮食所含水分；

K1、K2—常数。

电阻式谷物水分检测仪按其测量方式不同可分为高频阻抗法、时序曲线法和测频测周法。

2.2.1 高频阻抗法

1999年，滕召胜通过对粮食的交流导电理论进行分析，发现粮食在正弦交变电场激励下，通过粮食的总电流I为

式中Kc—常数；

B—ε0；

ε0—真空介电常数；

τ—松弛时间；

Eejωt—电极间施加正弦交变激励电场；

γ—粮食的离子电导率；

d—两电极间距；

Gs—粮食的表面电导；

ω—正弦交变激励电场的交变频率。

由上式可知：通过粮食总电流有两个分量，实数部分分量和虚数部分分量。其中，实部分量与外施电场同相，虚部分量超前外施电场90°；在一定频率范围内，通过粮食的总电流与ω有关。通过试验得出：在100～250kHz频率范围内，各种粮食基本呈现最小阻抗状态(通过粮食的总电流最大)，即在粮食对应的敏感频带施加激励信号可获得较大的测量信号。

根据以上特性，设计出了电阻式水分检测仪。经多次试验表明，该仪器可满足粮油行业的水分快速检测要求[16]。

2.2.2 时序曲线法

2008年，李长友设计出采用压辊传感器测量稻谷水分的水分检测仪。两压辊分别与数据处理装置连接，当稻谷通过压辊时，稻谷将被压辊按一定厚度挤压、延展，并满足两压辊之间电流的导通，如图5所示。此时，两压辊之间的电势差为

式中Ri—第i路比例电阻；

Rx—被测稻谷的电阻；

E—标准电压。

1.传感器 2.数据处理装置 3.稻谷

数据处理装置通过对两压辊之间电势差的收集和处理，得到等效电压时序曲线图。通过对等效电压时序图的分析得出：可以采用时序曲线的峰高表征稻谷含水率在23.5%以下的稻谷含水率；采用时序曲线与时间坐标包围的面积表征含水率在23.5%以上时的稻谷含水率。经多次试验表明：该仪器可在-25～45℃环境温度下，测量含水率在10.6%～33.7%范围内的谷物，并达到±0.5%的测试精度要求，解决了高湿稻谷含水率的精确测量问题[17]。

2.2.3 测频测周法

2014年，刘宏亮针对粮食试料电阻与水分之间的非线性关系难以准确确定这一问题，设计出的水分检测仪在其测定碎粮电阻后，选用555定时器构成的振荡电路将电阻信号转换为频率信号，采用测频测周的方法来测量粮食含水率。经在湖北黄石、孝感等粮库中应用后，取得企业用户的好评[18]。

2.3 微波法

微波是频率在300～300GHz之间的电磁波，微波检测水分的原理是利用微波作用于粮食，由于粮食对微波的吸收、反射作用，使其微波发生功率变化、幅度变化、相位变化或频率改变，根据这些信息的变化去推算粮食的含水率。

微波法粮食水分测量模型为[19]

式中ε'—相对介电常数；

ε″—损耗因素；

λ0—自由空间的波长(m)；

ΔΦ—相移量(°)；

ΔΑ—衰减量(dB)；

t—物料厚度(m)。

由上式可得

微波式谷物水分检测仪按其测量方式不同可分为空间波法、传输线法及谐振腔法。其中，空间波法又分为微波透射法和微波反射法。空间波法由于可以不与被测物料接触，具有较好的检测条件，应用范围广，所以微波式水分测定仪主要采用此方法测量谷物含水率[20]。

空间波法基本类型如图6所示。

图6 空间波法基本类型

微波透射法是测定经透射谷物后的能量，反射法是测定反射后的能量。在结构上，反射法较简单，容易安装，但由于存在分辨力相对透射法低的缺点，不适合用于谷物含水率的测量，因此文中所述均采用透射原理测量谷物含水率[21]。

1973年，T.OKABE首次采用微波原理测量谷物含水率，证明了采用微波法测量谷物水分的可行性；同时，在20℃条件下，采用9.4GHz的微波分别对含水率测量范围在10%～30%的大米和小麦进行测量。测量结果表明：其所设计微波式水分检测仪的误差范围小于±0.5%[22]。

1993年，B.D.Mclendond设计出能测量微波衰减和相移来测定谷物的微波水分测定仪，采用9.6GHz的微波对密度范围在0.72～0.81g/cm的谷物分别进行了静止状态和流动状态下的谷物水分测量。试验结果表明：其对静止和流动小麦含水率的测量误差分别为±0.7%和±1.2%[23]。

2007年，SamirTrabelsi和StuartONelson利用设计出的微波水分测定仪在室温为23℃的条件下，用频率为7GHz的微波透射大豆、玉米高粱等作物后，测量微波的衰减和相移，从而对谷物含水率进行测量。试验结果表明：测得谷物含水率误差为±0.8%[24]。

2008年，S.Trabelsi和S.O.Nelson、M.Lewis研制出以5.8GHz为工作频率的微波水分检测仪，通过对微波的衰减和相移计算出谷物的介电常数和接电损耗因子，最终由介电常数和接电损耗因子计算出谷物的含水率。这种测量方式在测量时被测量物料的体密度及物料本身不会对测量结果产生影响，其误差范围在±0.5%[25]。

3 我国谷物水分传感器发展趋势

3.1 存在的问题

1)根据不同区域、不同谷物，谷物水分测量传感器仍不能在通用能力上达到多种谷物含水率的测量。

2)在我国东北，由于环境温度条件的限制，上述传感器普遍不能够满足在低温条件下进行谷物含水率的准确测量。

3)电容式、电阻式水分传感器具有成本低的特点，适合大范围推广使用，但由于电阻式在无损检测方面存在一定缺陷，故应该着重展电容式传感器。微波式水分传感器作为新型测量传感器正处于起步阶段，目前国内研究较少，设备较昂贵，不适合大范围推广使用，所以未来也应在此方面做一些探索研究。

3.2 发展趋势

3.2.1 谷物水分传感器的精度

在以上所述水分检测的方法中，其原理基本都与水和谷物的介电常数有关，影响粮食介电特性的因素包括粮食的含水率、环境空气湿度、外加电场的测试频率、温度及容重[26-30]。

我国幅员辽阔，自北向南有寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带等温度带，各地的热量条件差异很大，因此造就了我国谷物收获时节、温度、气候的差异性。东北地区谷物收获时气温比较低、昼夜温差大、空气比较干燥；相对来说，南方地区则气温比较高、昼夜温差小、空气比较潮湿。

因此，一款适合全国范围内使用的高精度水分传感器将必须考虑以下因素[31-32]：

1)环境温湿度。我国南北方谷物收获时节气候不同，东北呈现干冷状况，而在南方呈现湿热情况，造成环境温湿度不同；在干燥过程中，粮食内部自由水分的排出将会造成粮食周围空气湿度的加大。

2)谷物容重。不同种类、不同品种间谷物存在颗粒大小的不同，这将会造成不同谷物间存在容重的差异性。

3)外加电场的测试频率。作为可控因素，应根据设计频率要求，人为设定在固定频率，以满足系统的稳定性要求。

3.2.2 谷物水分传感器的测量范围

我国主要种植粮食作物为水稻、小麦、玉米等，由于存在生长条件及收获季节的差异，其收获时含水率在18%～35%之间，而正常干燥谷物含水率一般在14%左右，所以水分传感器正常应该至少满足以上含水率谷物的测量。

3.2.3 谷物水分传感器与干燥自动化控制

随着我国干燥设备向自动化控制方向发展，谷物含水率作为干燥自动化控制的一个影响因素，对最终干燥后谷物的品质有着至关重要的作用。所以，水分检测仪的发展也将制约着自动化控制的发展。因此，水分检测仪应具备测量、采集、收集及传输的功能，实现与自动化控制信息的交互，完成信息的反馈，达到自动控制的目的[33-36]。

3.2.4 谷物水分传感器的微型化

由于干燥设备内部空间限制，为使干燥设备发挥最大干燥能力，安装在干燥设备内的水分传感器应满足在占用最小空间的条件下，完成水分传感器的正常安装。所以，未来谷物水分传感器还应具备体积小巧、质量轻、安装方便的特征[37-38]。

3.2.5 谷物水分传感器的多功能化

多功能化是指用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能，形成一个具备多信息采集的传感器系统。相比具有单一功能的传感器，其可以获取更多周围环境的信息，如温度、湿度及声音等信息[39]。

3.2.6 谷物水分传感器的智能化

智能化主要是能够独立完成信息处理的功能，可以自动采集、处理、存储信息，并具备自诊断、自动校准等功能，极大地提高传感器的准确度、稳定性和可靠性[40-42]。

4 结论

精确测量谷物含水率对于谷物的干燥具有重要意义，尽管现在已探索开发了多种谷物含水率测量的传感器，但由于不同谷物在不同区域生长、收获条件不同，没有一种谷物含水率测量传感器能够充分准确测量谷物的含水率。本文以谷物水分在线测量为论述主线，搜索目前国内外学者研究的水分测量传感器，对应用较广的传感器进行了系统总结，按原理将传感器进行归纳。首先按工作原理分类为3种，并依据传感器结构进行详细描述；然后对其在测量精度、适应性及未来发展趋势进行区别分析，指出我国谷物水分传感器需重点解决的3个问题；同时，结合我国谷物收获条件以及未来传感器发展趋势，提出我国谷物水分传感器未来发展的5个趋势。

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Keywords：grain;dehydration;on-line;moisture;monitoring

TheStudyofOnlineDetectingMeasurementonGrainMoistureContent

YangBin1,CheGang1,WanLin1,WenHaijiang2

(1.HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity，Daqing163319,China; 2.HeilongjiangProvinceInstituteofAgriculturalandSidelineProductsProcessingMechanization，Jiamusi154004,China)

Inthedryingprocessofgraindehydration,wherepreciseandcontinuouslymeasurementsofthemoisturecontentofgrainsplayanimportantrole.On-linemoisturemonitoringinstrumentisapromisingmeansforgraindehydrationmonitoringinhighdecreasemoisturecontentandcancontinuouslyobtainlong-termtimeseriesofgrainmoisturecontentinformation.Currently,quiteafewmoisturemonitoringinstrumentbasedondielectricpropertieshavebeendevelopedfromdifferentperspectives.However,differentmoisturemonitoringinstrumentderivedfromdielectricpropertieshaveobviouslydifferentenvironmentandmoisture’sadaptability.Selectingtheappropriatemoisturemonitoringinstrumentbasedondifferentregionsandmoistureisvitalfortimelyandaccuratelyadjustthedryermachineworkingconditionstogettheappropriatedehydration.Thispaperfocusedongrainmoisturemonitoringbasedondielectricproperties,andsystematicallysummarizedgrainmoisturemonitoringtheoriesandmethods.Accordingtothegraindehydrationconditionandthetrendsofdevelopmentofourcountry,pointoutthatthegrainmoisturemonitoringinstrumentshouldtendtohighprecision,highmonitoringrange,automation,micromation,multifunctionandintelligentializeinthefuture.

2016-04-22

黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目(GA15B402)

杨 彬(1992-)，男，陕西富平人，硕士研究生，(E-mail)notoplay@163.com。

车 刚(1972-)，男，山东平度人，教授，博士，(E-mail)chegang180@126.com。

S

A

1003-188X(2017)04-0256-07