楊 彬，車 剛，萬 霖，溫海江

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農副產品加工機械化研究所，黑龍江 佳木斯 154004)

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谷物在線水分傳感器的研究

楊 彬1，車 剛1，萬 霖1，溫海江2

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省農副產品加工機械化研究所，黑龍江 佳木斯 154004)

在利用干燥機進行長時間、高降水率谷物干燥過程中，如何進行不同環(huán)境條件下、不同谷物含水率的精確在線測量，對于及時和準確地調整干燥機的工作狀態(tài)、實現(xiàn)谷物合理干燥和糧食儲藏具有重要意義。為此，以谷物含水率測量為核心，對常用的含水率測量原理和方法進行歸納和總結，并結合我國谷物干燥條件和傳感器的發(fā)展趨勢，指出我國谷物含水率測量傳感器未來應向高精度、大測量范圍、自動化、微型化、多功能化及智能化方向發(fā)展。

谷物；干燥；在線；含水率；測量

0 引言

在糧食干燥行業(yè)，谷物含水率對谷物儲藏、運輸、加工都有重要影響。傳統(tǒng)的谷物水分檢測方法是烘箱法。該方法雖然能夠精確測量谷物含水率，但最大的缺點是離線分析，從采樣到計算出谷物含水率整個過程時間太長，不適合在線測量谷物含水率。隨著自動控制技術和機電一體化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的離線水分檢測方法已不能適應現(xiàn)代化生產的要求，研究在線水分檢測技術對于實時檢測谷物水分具有重要的應用價值[1]。

1 谷物水分測量技術的發(fā)展

目前，正處于研究階段和已經應用的谷物水分在線測量法中應用效果較好的方法有電容法、電阻法和微波法[2-6]。

電容法把谷物作為電介質，依據(jù)水的介電常數(shù)遠大于干燥谷物的特點，通過測定谷物的介電常數(shù)測得谷物含水率。

電阻法是利用谷物導電性能與谷物含水率有關的特性間接測量含水率的方法。

微波法通過空間輻射的方式穿過谷物，檢測受谷物作用后微波信號的幅度、相位、頻率變化來確定谷物含水率。電容法和電阻法由于結構簡單、價格便宜，較微波法更為普及。微波法不僅可以測量谷物表面水分，也可以測量谷物內部水分，具有非接觸無損實時檢測、儀器無輻射的危險、操作和使用安全等諸多優(yōu)點。

2 谷物水分在線傳感器

2.1 電容法

常溫下，水的相對介電常數(shù)高達80左右，而干燥糧食的相對介電常數(shù)小于5，因為水分相對介電常數(shù)遠大于干燥糧食的相對介電常數(shù)，所以可以通過測量糧食的相對介電常數(shù)來確定糧食的含水率。相對介電常數(shù)作為影響電容器電容值的參數(shù)之一，在確保其他影響參數(shù)不變的情況下，通過測量電容值的大小即可求出相應糧食的相對介電常數(shù)。最終，糧食的含水率則由已經求出的相對介電常數(shù)與已標定的相應谷物含水率與相對介電常數(shù)數(shù)值關系得出。

電容式谷物水分傳感器按其電容的電極結構不同，主要可劃分為圓筒式、平行極板式及平面極板式等結構。

2.1.1 圓筒式

圓筒式(見圖1)即電容式水分儀采用圓筒形容器作為傳感器。采用兩個同心圓柱筒作為電極，谷物從兩圓筒間流過，內電極被外電極包絡，可以有效地抑制外界干擾。

當L?R-r時，可以忽略圓柱的邊緣效應。

電容的計算公式為

式中C—兩圓筒間電容值；

εr—相對介電常數(shù)；

L—金屬圓筒高度；

R—金屬圓筒外電極半徑；

r—金屬圓筒內電極半徑。

由以上公式可知：電容值C與相對介電常數(shù)εr值成正比關系，因此可通過測量所得電容值大小。

圖1 圓筒式電容水分傳感器結構圖

2000年，程衛(wèi)東通過分析圓筒式電容水分檢測儀這一模型，從待測谷物干重質量和水分質量角度分析了總電容與待測谷物含水率之間的關系，并借助多諧振蕩器將電容量的變化轉化為頻率變化，以便于測試。采用溢流通道式結構，穩(wěn)定了傳感器中谷物的流量，使傳感器中谷物流量為恒量，克服了谷物體密度的變化，提高了測量的穩(wěn)定性；同時又采用溫度補償技術，穩(wěn)定了谷物的介電常數(shù)在不同溫度下變化的不利因素，進一步提高了最終測得谷物含水率的精確度。在GZQ3×3振動流化干燥機、5HG-3型糧食干燥機和5HZ-2型種子干燥機上進行試驗，并與標準烘箱法所得數(shù)據(jù)進行比較，結果表明：該水分檢測儀器的最大偏差小于0.5%，可作為生產率大于1.8t/h的谷物干燥機的水分檢測儀器[7]。

2003年，楊榮輝通過對傳統(tǒng)電容傳感器檢測電路優(yōu)缺點的分析，在諧振電路的基礎上，采用差頻式檢測電路，將諧振電路和差頻式檢測電路相結合，在一定程度上提高了電路系統(tǒng)對雜散電容的抗干擾能力，使得檢測結果更加準確、可靠。在0～30℃條件下，與日本KETT公司生產的PM-888型水分儀進行多次重復對比，可以達到系統(tǒng)誤差在1%范圍內的要求[8]。

2003年，丁英麗進行了糧食阻抗-頻率特性的研究：特定頻率下，在圓筒式電容傳感器的電容兩端并聯(lián)一個電導成分，由于被測谷物含水率變化而引起相對介電常數(shù)和電容值變化，同時在電容式傳感器一端施加一個正弦高頻激勵信號，在其輸出端則會產生一個同頻的衰減響應，所以電容的變化可由電容(C)與電導(G)的比值來反映。因此，可以通過測量與此比值有確定函數(shù)關系的相角來測量谷物含水率。經過對含水率在13%～16%谷物樣品的測試試驗，結果表明：其誤差范圍在±0.5%以內[9]。

2.1.2 平行極板式

平行極板式是采用兩塊金屬電極作為電容正負極板，谷物從正負極板間流過。平行極板式電容水分檢測儀具有結構簡單的特點，如圖2所示。

圖2 平行極板式電容水分傳感器結構圖

電容的計算公式為

式中A—極板面積；

D—兩極板間距離；

ε0—真空介電常數(shù)；

εr—相對介電常數(shù)。

2004年，張赤軍利用平行極板式測量谷物水分原理，將平行極板、溫度傳感器、單片機及時鐘芯片等器件結合，通過轉換器將所測的介電常數(shù)ε、溫度值轉換成方波信號，經單片機對該信號進行處理，得出修正后的測試水分值。該水分檢測儀測試誤差小于±0.5%，通過連接外設可以隨時記錄水分值與溫度值，具有高效性和實用性[10]。

2013年，邱禹通過對平行極板式電容水分傳感器添加邊緣效應消除裝置和玻璃槽，消除了極板邊緣存在的發(fā)散電場和邊緣效應消除裝置的電阻效應，提高了檢測精度。經稻谷樣品試驗，與105℃恒重法標定出的谷物含水率做對比，在室溫(22℃)條件下，稻谷實際含水率與試驗檢測所得電容值之間線性擬合的相關系數(shù)為0.991，表明該儀器具備較高的水分測量精度[11]。

2014年，麥智煒在平面極板結構的基礎上，在兩極板間添加一個測量容器，保護極板不受電化學腐蝕，在極板外圍添加屏蔽層以及保護板，保證在測量過程中不受外界電磁場的干擾和保護電極板和屏蔽層。試驗結果表明：在溫度15～50℃、相對濕度在80%～100%、玉米含水率范圍在14%～21%動態(tài)變化的條件下，在線檢測的最大偏差小于±0.4%[12]。

2.1.3 平面極板式

平面極板式結構是采用將正負電極板同時放置于同一側的結構，由平面極板式結構演變而來，具備安裝方便、節(jié)省空間的特點，如圖3、圖4所示。

圖3 平行極板式向平面極板式演變結構圖

圖4 平面極板式電容水分傳感器結構圖

電容的計算公式為

式中C—電容值；

U—導體間的電勢差；

We—電場總的貯能。

2010年，楊柳在對圓筒式水分傳感器探頭占有較大高度空間、增加設備投資和平行極板式水分傳感器安裝難度大、測量精度低這兩個問題進行研究后，提出了平面極板式探頭結構模型。其利用有限元分析法，結合平面極板探頭的電場強度和電場能量的分布規(guī)律，通過試驗分析，設計出最優(yōu)尺寸；利用所設計傳感器探頭，采用小麥、玉米、水稻為試驗樣本，經多次重復試驗，得出該傳感器測量含水率的誤差范圍為±1.5%[13]。

雖然平面極板結構的電容傳感器具有安裝方便的優(yōu)勢，但在測量高含水率及周圍環(huán)境變化對測量結果有較明顯的影響。同年，楊柳通過對平面極板式結構電力線的研究，采用主動屏蔽極板，將平面極板背側電場向測量糧食一側擠壓，減小了雜散電容對平面極板的影響，使得測量結果不受外界環(huán)境的影響。其采用主動屏蔽極板，配合溫度補償，經多次重復試驗得出，改進后水分檢測傳感器試驗誤差范圍為±1%，測水范圍達到6%～36%[14]。

2.2 電阻法

電阻法是最早應用于糧食干燥的工業(yè)化非電測方法。研究表明，不同含水率的糧食其導電率不同。具體表現(xiàn)為：糧食的含水率越高，則其導電率越高；糧食含水率越低，則其電阻阻值越低；含水率在9%～20%的范圍內，電阻的對數(shù)與含水率近似呈線性。

電阻法糧食水分測量模型為[15]

M=K1+K2lnRx

式中Rx—測量電阻值；

M—糧食所含水分；

K1、K2—常數(shù)。

電阻式谷物水分檢測儀按其測量方式不同可分為高頻阻抗法、時序曲線法和測頻測周法。

2.2.1 高頻阻抗法

1999年，滕召勝通過對糧食的交流導電理論進行分析，發(fā)現(xiàn)糧食在正弦交變電場激勵下，通過糧食的總電流I為

式中Kc—常數(shù)；

B—ε0；

ε0—真空介電常數(shù)；

τ—松弛時間；

Eejωt—電極間施加正弦交變激勵電場；

γ—糧食的離子電導率；

d—兩電極間距；

Gs—糧食的表面電導；

ω—正弦交變激勵電場的交變頻率。

由上式可知：通過糧食總電流有兩個分量，實數(shù)部分分量和虛數(shù)部分分量。其中，實部分量與外施電場同相，虛部分量超前外施電場90°；在一定頻率范圍內，通過糧食的總電流與ω有關。通過試驗得出：在100～250kHz頻率范圍內，各種糧食基本呈現(xiàn)最小阻抗狀態(tài)(通過糧食的總電流最大)，即在糧食對應的敏感頻帶施加激勵信號可獲得較大的測量信號。

根據(jù)以上特性，設計出了電阻式水分檢測儀。經多次試驗表明，該儀器可滿足糧油行業(yè)的水分快速檢測要求[16]。

2.2.2 時序曲線法

2008年，李長友設計出采用壓輥傳感器測量稻谷水分的水分檢測儀。兩壓輥分別與數(shù)據(jù)處理裝置連接，當?shù)竟韧ㄟ^壓輥時，稻谷將被壓輥按一定厚度擠壓、延展，并滿足兩壓輥之間電流的導通，如圖5所示。此時，兩壓輥之間的電勢差為

式中Ri—第i路比例電阻；

Rx—被測稻谷的電阻；

E—標準電壓。

1.傳感器 2.數(shù)據(jù)處理裝置 3.稻谷

數(shù)據(jù)處理裝置通過對兩壓輥之間電勢差的收集和處理，得到等效電壓時序曲線圖。通過對等效電壓時序圖的分析得出：可以采用時序曲線的峰高表征稻谷含水率在23.5%以下的稻谷含水率；采用時序曲線與時間坐標包圍的面積表征含水率在23.5%以上時的稻谷含水率。經多次試驗表明：該儀器可在-25～45℃環(huán)境溫度下，測量含水率在10.6%～33.7%范圍內的谷物，并達到±0.5%的測試精度要求，解決了高濕稻谷含水率的精確測量問題[17]。

2.2.3 測頻測周法

2014年，劉宏亮針對糧食試料電阻與水分之間的非線性關系難以準確確定這一問題，設計出的水分檢測儀在其測定碎糧電阻后，選用555定時器構成的振蕩電路將電阻信號轉換為頻率信號，采用測頻測周的方法來測量糧食含水率。經在湖北黃石、孝感等糧庫中應用后，取得企業(yè)用戶的好評[18]。

2.3 微波法

微波是頻率在300～300GHz之間的電磁波，微波檢測水分的原理是利用微波作用于糧食，由于糧食對微波的吸收、反射作用，使其微波發(fā)生功率變化、幅度變化、相位變化或頻率改變，根據(jù)這些信息的變化去推算糧食的含水率。

微波法糧食水分測量模型為[19]

式中ε'—相對介電常數(shù)；

ε″—損耗因素；

λ0—自由空間的波長(m)；

ΔΦ—相移量(°)；

ΔΑ—衰減量(dB)；

t—物料厚度(m)。

由上式可得

微波式谷物水分檢測儀按其測量方式不同可分為空間波法、傳輸線法及諧振腔法。其中，空間波法又分為微波透射法和微波反射法?？臻g波法由于可以不與被測物料接觸，具有較好的檢測條件，應用范圍廣，所以微波式水分測定儀主要采用此方法測量谷物含水率[20]。

空間波法基本類型如圖6所示。

圖6 空間波法基本類型

微波透射法是測定經透射谷物后的能量，反射法是測定反射后的能量。在結構上，反射法較簡單，容易安裝，但由于存在分辨力相對透射法低的缺點，不適合用于谷物含水率的測量，因此文中所述均采用透射原理測量谷物含水率[21]。

1973年，T.OKABE首次采用微波原理測量谷物含水率，證明了采用微波法測量谷物水分的可行性；同時，在20℃條件下，采用9.4GHz的微波分別對含水率測量范圍在10%～30%的大米和小麥進行測量。測量結果表明：其所設計微波式水分檢測儀的誤差范圍小于±0.5%[22]。

1993年，B.D.Mclendond設計出能測量微波衰減和相移來測定谷物的微波水分測定儀，采用9.6GHz的微波對密度范圍在0.72～0.81g/cm的谷物分別進行了靜止狀態(tài)和流動狀態(tài)下的谷物水分測量。試驗結果表明：其對靜止和流動小麥含水率的測量誤差分別為±0.7%和±1.2%[23]。

2007年，SamirTrabelsi和StuartONelson利用設計出的微波水分測定儀在室溫為23℃的條件下，用頻率為7GHz的微波透射大豆、玉米高粱等作物后，測量微波的衰減和相移，從而對谷物含水率進行測量。試驗結果表明：測得谷物含水率誤差為±0.8%[24]。

2008年，S.Trabelsi和S.O.Nelson、M.Lewis研制出以5.8GHz為工作頻率的微波水分檢測儀，通過對微波的衰減和相移計算出谷物的介電常數(shù)和接電損耗因子，最終由介電常數(shù)和接電損耗因子計算出谷物的含水率。這種測量方式在測量時被測量物料的體密度及物料本身不會對測量結果產生影響，其誤差范圍在±0.5%[25]。

3 我國谷物水分傳感器發(fā)展趨勢

3.1 存在的問題

1)根據(jù)不同區(qū)域、不同谷物，谷物水分測量傳感器仍不能在通用能力上達到多種谷物含水率的測量。

2)在我國東北，由于環(huán)境溫度條件的限制，上述傳感器普遍不能夠滿足在低溫條件下進行谷物含水率的準確測量。

3)電容式、電阻式水分傳感器具有成本低的特點，適合大范圍推廣使用，但由于電阻式在無損檢測方面存在一定缺陷，故應該著重展電容式傳感器。微波式水分傳感器作為新型測量傳感器正處于起步階段，目前國內研究較少，設備較昂貴，不適合大范圍推廣使用，所以未來也應在此方面做一些探索研究。

3.2 發(fā)展趨勢

3.2.1 谷物水分傳感器的精度

在以上所述水分檢測的方法中，其原理基本都與水和谷物的介電常數(shù)有關，影響糧食介電特性的因素包括糧食的含水率、環(huán)境空氣濕度、外加電場的測試頻率、溫度及容重[26-30]。

我國幅員遼闊，自北向南有寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等溫度帶，各地的熱量條件差異很大，因此造就了我國谷物收獲時節(jié)、溫度、氣候的差異性。東北地區(qū)谷物收獲時氣溫比較低、晝夜溫差大、空氣比較干燥；相對來說，南方地區(qū)則氣溫比較高、晝夜溫差小、空氣比較潮濕。

因此，一款適合全國范圍內使用的高精度水分傳感器將必須考慮以下因素[31-32]：

1)環(huán)境溫濕度。我國南北方谷物收獲時節(jié)氣候不同，東北呈現(xiàn)干冷狀況，而在南方呈現(xiàn)濕熱情況，造成環(huán)境溫濕度不同；在干燥過程中，糧食內部自由水分的排出將會造成糧食周圍空氣濕度的加大。

2)谷物容重。不同種類、不同品種間谷物存在顆粒大小的不同，這將會造成不同谷物間存在容重的差異性。

3)外加電場的測試頻率。作為可控因素，應根據(jù)設計頻率要求，人為設定在固定頻率，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

3.2.2 谷物水分傳感器的測量范圍

我國主要種植糧食作物為水稻、小麥、玉米等，由于存在生長條件及收獲季節(jié)的差異，其收獲時含水率在18%～35%之間，而正常干燥谷物含水率一般在14%左右，所以水分傳感器正常應該至少滿足以上含水率谷物的測量。

3.2.3 谷物水分傳感器與干燥自動化控制

隨著我國干燥設備向自動化控制方向發(fā)展，谷物含水率作為干燥自動化控制的一個影響因素，對最終干燥后谷物的品質有著至關重要的作用。所以，水分檢測儀的發(fā)展也將制約著自動化控制的發(fā)展。因此，水分檢測儀應具備測量、采集、收集及傳輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)與自動化控制信息的交互，完成信息的反饋，達到自動控制的目的[33-36]。

3.2.4 谷物水分傳感器的微型化

由于干燥設備內部空間限制，為使干燥設備發(fā)揮最大干燥能力，安裝在干燥設備內的水分傳感器應滿足在占用最小空間的條件下，完成水分傳感器的正常安裝。所以，未來谷物水分傳感器還應具備體積小巧、質量輕、安裝方便的特征[37-38]。

3.2.5 谷物水分傳感器的多功能化

多功能化是指用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能，形成一個具備多信息采集的傳感器系統(tǒng)。相比具有單一功能的傳感器，其可以獲取更多周圍環(huán)境的信息，如溫度、濕度及聲音等信息[39]。

3.2.6 谷物水分傳感器的智能化

智能化主要是能夠獨立完成信息處理的功能，可以自動采集、處理、存儲信息，并具備自診斷、自動校準等功能，極大地提高傳感器的準確度、穩(wěn)定性和可靠性[40-42]。

4 結論

精確測量谷物含水率對于谷物的干燥具有重要意義，盡管現(xiàn)在已探索開發(fā)了多種谷物含水率測量的傳感器，但由于不同谷物在不同區(qū)域生長、收獲條件不同，沒有一種谷物含水率測量傳感器能夠充分準確測量谷物的含水率。本文以谷物水分在線測量為論述主線，搜索目前國內外學者研究的水分測量傳感器，對應用較廣的傳感器進行了系統(tǒng)總結，按原理將傳感器進行歸納。首先按工作原理分類為3種，并依據(jù)傳感器結構進行詳細描述；然后對其在測量精度、適應性及未來發(fā)展趨勢進行區(qū)別分析，指出我國谷物水分傳感器需重點解決的3個問題；同時，結合我國谷物收獲條件以及未來傳感器發(fā)展趨勢，提出我國谷物水分傳感器未來發(fā)展的5個趨勢。

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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

黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃重大項目(GA15B402)

楊 彬(1992-)，男，陜西富平人，碩士研究生，(E-mail)notoplay@163.com。

車 剛(1972-)，男，山東平度人，教授，博士，(E-mail)chegang180@126.com。

S

A

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