管 超，商曉東，馬寶臨，張 帆，李興軍，陳紅娟

（1.國(guó)貿(mào)工程設(shè)計(jì)院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲(chǔ)庫(kù)，北京 101103；3.國(guó)家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

糧情微波水分傳感器研制及應(yīng)用

管 超1，商曉東1，馬寶臨1，張 帆2，李興軍3，陳紅娟3

（1.國(guó)貿(mào)工程設(shè)計(jì)院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲(chǔ)庫(kù)，北京 101103；3.國(guó)家糧食局科學(xué)研究院，北京 100037）

介紹了糧情微波諧振腔水分傳感器工作原理和糧堆水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，及其在糧食倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)中的相關(guān)應(yīng)用情況。系統(tǒng)的研制，為糧食行業(yè)糧堆水分在線監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段，對(duì)行業(yè)糧情測(cè)控技術(shù)進(jìn)步起到積極意義。

糧食水分；微波諧振腔水分傳感器；糧堆水分在線監(jiān)測(cè)

糧食水分是儲(chǔ)糧過(guò)程的重點(diǎn)檢測(cè)指標(biāo)之一，糧庫(kù)目前主要采用人工抽樣方法進(jìn)行檢測(cè)。在糧食儲(chǔ)藏和通風(fēng)、干燥水分遷移的變化趨勢(shì)研究中，快速和連續(xù)的糧堆水分監(jiān)測(cè)方式需求強(qiáng)烈。

微波水分檢測(cè)技術(shù)中的諧振腔式水分傳感器產(chǎn)品性能優(yōu)良，檢測(cè)范圍寬（0～60%），精度高（優(yōu)于0.5%），重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，具有非接觸測(cè)量特點(diǎn)，可以滿足糧情水分在線檢測(cè)的要求。國(guó)內(nèi)基于微波原理的研究報(bào)告多年前已出現(xiàn)，但至今沒(méi)有量產(chǎn)產(chǎn)品推出，市場(chǎng)上目前主要為價(jià)格很高的國(guó)外產(chǎn)品。

針對(duì)上述狀況，結(jié)合儲(chǔ)糧作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)微波諧振腔水分傳感器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 微波水分傳感器研制

1.1 微波水分檢測(cè)機(jī)理

微波水分檢測(cè)機(jī)理，是基于測(cè)量被測(cè)材料（介質(zhì)）的相對(duì)介電常數(shù)εγ＝ε’（1－jtgδ）。在微波頻率范圍內(nèi)，水的介電常數(shù)為60～80左右，損耗角正切tgδ＝0.3～1.1；而其他大多數(shù)材料的介電常數(shù)為2～5，tgδ＝1x10－4～10－2，其介電常數(shù)和損耗角正切主要由其水分含量決定。［1］

微波諧振腔微擾水分檢測(cè)是微波水分測(cè)量技術(shù)中的一種，其傳感器的具體實(shí)現(xiàn)是，設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)口的諧振腔體（本傳感器空載諧振點(diǎn)在2GHz左右），置于腔體窗口外的被測(cè)物料將對(duì)腔內(nèi)電磁場(chǎng)產(chǎn)生微擾而使諧振點(diǎn)發(fā)生頻率偏移，其相對(duì)空載諧振點(diǎn)的頻差主要隨腔外材料的含水量（介電常數(shù)）大小而變化，分別測(cè)量腔體空載（無(wú)外接微擾時(shí)f0）、以及放置不同含水量材料時(shí)的各諧振頻率（f1...fn），計(jì)算其相對(duì)空載時(shí)的差值，即可得到被測(cè)材料含水量變化的大小，將測(cè)試材料的實(shí)際含水量（水分）與對(duì)應(yīng)頻偏值進(jìn)行擬合，可得到諧振點(diǎn)頻率偏差與被測(cè)材料所含水分的計(jì)算方程，將方程直入測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)得的諧振頻率可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的物料水分值。［2］

基于測(cè)量原理，設(shè)計(jì)的傳感器相關(guān)檢測(cè)電路框如圖1：

圖1 微波水分傳感器電路原理圖

圖1中單片機(jī)控制系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行大步幅的掃頻工作，確定諧振點(diǎn)大概位置后，轉(zhuǎn)向圍繞諧振點(diǎn)附近的小步幅掃頻工作，記錄下若干個(gè)頻率—功率數(shù)據(jù)，處理后找到諧振點(diǎn)，與溫度數(shù)據(jù)（用于補(bǔ)償溫度偏移產(chǎn)生的測(cè)量偏差）一起發(fā)送給上位計(jì)算裝置。上述檢測(cè)過(guò)程循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了微波諧振腔式糧情水分的連續(xù)快速檢測(cè)。［3］

1.2 測(cè)量方程擬合

試驗(yàn)結(jié)果表明，在0～40%測(cè)量范圍內(nèi)，計(jì)算模型可擬合為一階線性方程：M%＝a×（Xo－Xn＋（To－Tn）Kt）＋b。其中M%為水分值，Xo，To為空載時(shí)的諧振頻率值和內(nèi)部溫度，Xn，Tn為不同水分各點(diǎn)相應(yīng)的諧振值和溫度，Kt為溫度補(bǔ)償系數(shù)，a和b為方程系數(shù)。

實(shí)際使用中，檢測(cè)系統(tǒng)將Kt和方程系數(shù)a，b設(shè)計(jì)為可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的參數(shù)，結(jié)合對(duì)應(yīng)物料實(shí)際檢測(cè)水分值，可方便對(duì)傳感器計(jì)算方程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)操作。參數(shù)設(shè)置界面如圖2：

圖2 水分計(jì)算方程參數(shù)設(shè)置界面

系統(tǒng)將各傳感器空載諧振頻率值保存為初值，根據(jù)擬合方程設(shè)置相應(yīng)溫度補(bǔ)償系數(shù)、系數(shù)a（斜率）和b（截距），通過(guò)傳感器檢測(cè)到的不同諧振頻率值，即可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)水分值。

圖3 稻谷、小麥和玉米部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)擬合方程

圖3a、3b、3c為以空載值與測(cè)量值差值為變量的曲線方程，圖3d、3e、3f為以測(cè)量值為變量的曲線方程。

1.3 配套接口裝置

糧情微波水分傳感器數(shù)據(jù)輸出接口設(shè)計(jì)為RS232，其特點(diǎn)是完成了信息采集數(shù)字化，使用方便，其對(duì)外為一對(duì)一形式，因此需要研制配套通訊轉(zhuǎn)換裝置，以RS485串口形式傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化采集應(yīng)用。

具體使用中設(shè)計(jì)了帶有地址編碼的專(zhuān)用模塊，其功能為自動(dòng)采集傳感器發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)，接收上位系統(tǒng)指定地址的數(shù)據(jù)上傳指令，匹配完成后，轉(zhuǎn)發(fā)所采集的糧情水分?jǐn)?shù)據(jù)和溫度信息。

目前模塊設(shè)計(jì)有8位地址編碼，可實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)64點(diǎn)糧情水分聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能，如需擴(kuò)容，可通過(guò)多子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)m×64點(diǎn)水分網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖4。

圖4 糧情微波水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.4 對(duì)外接口及協(xié)議

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了采集分機(jī)＋通訊轉(zhuǎn)換模塊＋糧情微波水分傳感器部署形式，傳感器負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)采集和輸出，通訊轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，水分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算、校準(zhǔn)和對(duì)外數(shù)據(jù)互聯(lián)在采集分機(jī)側(cè)完成。為方便微波水分傳感采集系統(tǒng)今后更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用，系統(tǒng)對(duì)外數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)串口通訊或以太網(wǎng)口，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用了廣泛應(yīng)用的MODBUS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，系統(tǒng)可作為標(biāo)準(zhǔn)儀表，方便地集成于各類(lèi)通用的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)中，當(dāng)然也包含行業(yè)廣泛推廣的儲(chǔ)備糧信息管理系統(tǒng)。

2 糧食水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

水分傳感器尺寸直徑49（mm）×高62（mm），防護(hù)等級(jí)IP55。糧食水分檢測(cè)范圍0～40%，檢測(cè)周期小于1s，檢測(cè)分辨率0.1%，校準(zhǔn)后測(cè)量精度優(yōu)于±0.6%，長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，可滿足靜態(tài)和低速流動(dòng)儲(chǔ)糧水分在線檢測(cè)使用要求。目前實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小批量試制，成本較國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)大幅下降，系統(tǒng)在多個(gè)糧庫(kù)使用一年多，穩(wěn)定性?xún)?yōu)良。

考慮到應(yīng)用成本，目前示范應(yīng)用中每個(gè)廒間配置3～6只傳感器，采用傳感器組糧堆直埋方式；將來(lái)考慮再提供一種便攜移動(dòng)傳感器插桿應(yīng)用形式，可以根據(jù)需要部署觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行臨時(shí)或定期糧堆水分監(jiān)測(cè)。

采集分機(jī)為彩色人機(jī)界面，可實(shí)時(shí)顯示和定時(shí)記錄物料水分檢測(cè)數(shù)據(jù)，并以曲線和記錄表形式展現(xiàn)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可保存于外置U盤(pán)，或以通訊形式對(duì)外傳輸。

系統(tǒng)已成功應(yīng)用于糧庫(kù)上層信息系統(tǒng)對(duì)接和通風(fēng)作業(yè)控制，實(shí)現(xiàn)了糧情水分實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及糧堆水分變化趨勢(shì)記錄和展示。

本系統(tǒng)在某糧庫(kù)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)玉米通風(fēng)過(guò)程糧堆上層水分的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，由于通風(fēng)采用了精準(zhǔn)的大氣窗口邊界條件自動(dòng)控制技術(shù)，風(fēng)機(jī)使用安裝在倉(cāng)房?jī)蓚?cè)的軸流風(fēng)機(jī)，使通風(fēng)過(guò)程中糧堆水分下降減緩，達(dá)到了降溫保水通風(fēng)的良好效果。在未來(lái)的糧食通風(fēng)作業(yè)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)大氣溫濕度，結(jié)合糧堆水分解析吸附方程研究成果和本系統(tǒng)的使用，可根據(jù)相應(yīng)通風(fēng)策略（降溫保水、降溫降水、降溫增濕）實(shí)時(shí)計(jì)算糧堆通風(fēng)窗口邊界條件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的儲(chǔ)糧智能精準(zhǔn)通風(fēng)控制。

3 有待改進(jìn)的問(wèn)題

通過(guò)近一年的糧食實(shí)倉(cāng)應(yīng)用，糧情微波水分傳感器還有待進(jìn)一步改進(jìn)，主要為：（1）降低自身溫升（目前有5～10度內(nèi)部溫升，鋁制機(jī)殼對(duì)外溫升約1～2度）以獲得更高測(cè)量精度；（2）進(jìn)一步縮小體積，以利于糧堆中的深層敷設(shè)；（3）擴(kuò)大傳感器檢測(cè)范圍，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；（4）目前傳感器諧振點(diǎn)測(cè)量穩(wěn)定，但對(duì)測(cè)試物料形態(tài)穩(wěn)定性亦要求嚴(yán)格，形態(tài)改變會(huì)引起測(cè)量偏移，這需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)或引入諧振點(diǎn)波束寬度加以改良。

糧情微波水分傳感器及糧堆水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制，為國(guó)內(nèi)糧食行業(yè)增添了新的糧堆水分在線連續(xù)監(jiān)測(cè)和糧食水分抽樣檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)手段，在糧食儲(chǔ)藏、干燥等儲(chǔ)糧作業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用前景廣闊。

［1］傅尤章.新編傳感器技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［2］姜宇，王琢.微波諧振腔物料水分測(cè)量技術(shù)［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［3］張旭峰，劉宇，張婷.微波諧振腔諧振頻率實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（10）：1451.

S 379.3

B

1007－7561（2017）01－0092－03

2016－08－29

2013年糧食公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201313008－3）

管超，1962年出生，男，教授級(jí)高級(jí)工程師.