【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的動(dòng)態(tài)過程水分檢測(cè)的方法，無法實(shí)現(xiàn)糧食干燥過程的自動(dòng)控制。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)急需一種適合我國(guó)國(guó)情的“糧食烘干塔溫度水分智能檢測(cè)系統(tǒng) [6]。 課題研究的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書中規(guī)定研究了糧食烘干塔溫度和水分智能檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)研究各種測(cè)量水分的方法，比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，找出最適合本系統(tǒng)的測(cè)量 方法， 射頻法。根據(jù)糧食烘干塔的特性，系統(tǒng)選擇使用插桿式水分傳感器，這樣更加方便測(cè)量。由于系統(tǒng)中還需要對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，因此就必須研究各種檢測(cè)溫度的傳感器了，經(jīng)過選擇本系統(tǒng)選擇使用了DS1621 數(shù)字溫度傳感器。硬件設(shè)計(jì)部分主要就是選擇 87C552 單片機(jī) [8]，這種單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是內(nèi)置 ADC 這樣就省去了外接 ADC 芯片的麻煩，再還有多路溫度傳感器還有插桿式水分傳感器經(jīng)過外部?jī)?chǔ)存器和顯示電路構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)。 軟件部分要從主程序設(shè)計(jì)著手，然后涉及到子程序還有溫度水分測(cè)量中斷服務(wù)程序以及數(shù)據(jù)處理程序和通訊中斷程序。這樣 就構(gòu)成了整個(gè)糧食烘干塔溫度水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 第 2章 水分測(cè)量和插桿式水分傳感器 5 第 2 章 水分測(cè)量 和插桿式水分傳感器 水分測(cè)量的方法 水分物質(zhì)的水分含量即為含水量，它是固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總 質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)。 目前測(cè)量水分的方法主要有以下幾種 。 烘干法 將待測(cè)物質(zhì)烘干前后的重量 m 和 M 測(cè)出，則含水量 Q 為 mmMQ ?? (21) 這種方法簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)電也多，且取樣、稱重、烘干和計(jì)算等測(cè)量工序都由人工操作，所以，試樣的代表 性、稱重的準(zhǔn)確性及干燥溫度和時(shí)間的確定均與人為因素有關(guān)，檢測(cè)的周期長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性較差，而且效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合用于糧食連續(xù)烘干過程中的動(dòng)態(tài)水分測(cè)量 。 電容法 電容法測(cè)量糧食水分是基于干燥糧食的相對(duì)介電系數(shù)遠(yuǎn)小于水而含水糧食的相對(duì)介電系數(shù)介于干燥糧食與水之間這一介電特性進(jìn)行的。干燥糧食的相對(duì)介電系數(shù)在常溫下小于 5，而水在 ℃ 時(shí)，其相對(duì)介電系數(shù)高達(dá)，在其它溫度下也約為 80。糧食水分含量的高低將直接影響糧食介電系數(shù) r? 值變化。若以糧食作為電容器 的極間介質(zhì)，當(dāng)電容器的極板面積 A、極板間的距離 d 保持不變時(shí)，通過測(cè)量此電容器的電容值變化即可測(cè)定糧食的相對(duì)介電系數(shù) r? 值，由此可獲得被測(cè)糧食的含水量。 對(duì)于極板間只有一種介質(zhì)的平板電容器 ， 其電容為 dAC rx ??0? (22) 式 (22)中 1290 1 ????? ??， r? 為極板間的相對(duì)介電系 數(shù)， A為 極板面積， d 為極板距離， xC 為平板電容器的電容。對(duì)于水分含量為 M的糧食，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電系數(shù) 為 r? ，當(dāng)糧食水分含量發(fā)生變化 )( MM ??時(shí)，其相對(duì)介電系數(shù)亦變化為 rr ?? ?? ，由此而引起的電容 變化為 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 )1)(( 0 rrrxx dACC ???? ????? (23) 由此可見，電容值相對(duì)變化 xxCC? 與糧食相對(duì)介電系數(shù)的相對(duì)變化rr??? 之間呈線性關(guān)系。電容器上的電容值是通過測(cè)量容抗 來獲得的，在以糧食為介質(zhì)的電容極板上加以交流電壓，在其間除了容抗外，還存在泄漏電阻，它們分別為 AdX rc??)2 1(0??? (24) AdRX ?? (25) 式 (24)、 (25)中 r? 為水的相對(duì)介電系數(shù)， ? 為水的電阻率。 在電路中它們是并聯(lián)的，由于 XC RX ? ，所以總電阻接近于 XR 。 因此必須克服泄漏電阻引起的測(cè)量誤差。從式 (24)可以看出，容抗是隨電容頻率的升高而降低的，因此必須用提高測(cè)試電壓源頻率的方法來減少泄漏電阻的影響。 電容法是在把糧食作為純糧和純水的理想情況來考慮的，這種情況客觀是不存在的，而且當(dāng)糧食的水分含量稍高時(shí)，電容值的相對(duì)變化XXCC? 與糧食相對(duì)介電系數(shù)的相對(duì)變化rr??? 之間不呈線性關(guān)系。電容法測(cè)量糧食水分含量 時(shí)，非線性影響因素復(fù)雜，有雜質(zhì)的影響，泄漏電阻的影響等 。 電容法的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 成本低 、 易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速測(cè)量。缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高，穩(wěn)定性差。影響電容式水分計(jì)測(cè)量精度和穩(wěn)定性的原因是多方面的，如被測(cè)物料的品種、溫度、緊密度等。根據(jù)電容法研究開發(fā)的水分測(cè)量?jī)x稱為電容式水分儀，目前，國(guó)內(nèi)利用電容法測(cè)定糧食水分的儀器的種類較多，如上海生產(chǎn)的 SSY1B型電腦水分測(cè)定儀、哈爾濱自動(dòng)化儀表研究所研制的 WS工型糧食溫度水分測(cè)試儀等。黑龍江生產(chǎn)的 DLS3A型電腦糧食水分儀，可以測(cè)試玉米、稻谷、小麥、大豆、高粱等 9個(gè)糧 食種類 54個(gè)品種，水分測(cè)量誤差 ? 177。 5％，重現(xiàn)性為 ％ (20％水分以下 )，使用溫度為 5~40℃ 。第 2章 水分測(cè)量和插桿式水分傳感器 7 國(guó)外主要有美國(guó)制造的 FARMEX谷物水分測(cè)定儀，以及美國(guó)“帝強(qiáng)” M3G／ M20P谷物水分測(cè)定儀，法國(guó)特里百特 雷諾 (Tripetteamp。Renaud)公司生產(chǎn)的wile55，日本 KETT研究所生產(chǎn)的 PM5013和 PM888等。 電阻法 糧食的電阻特性為， ①在一定的含水范圍內(nèi)電阻對(duì)數(shù)與含水量關(guān)系近似呈線性；②在糧食的含水范圍內(nèi)，電阻的量值變化很大，根據(jù)水 分含量的不同，電阻值可能在較低的兆歐級(jí)直到高達(dá)幾十兆歐級(jí)之間；③溫度對(duì)糧食電阻的影響十分顯著，性質(zhì)上表現(xiàn)為被測(cè)的等效電阻隨降溫度的升高而減小。電阻法測(cè)定糧食水分即是利用糧食水分含量的不同，其導(dǎo)電率不同，電阻值的變化間接地反映糧食水分含量。電阻式糧食水分儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度小，取樣要求高，不宜于微量水和高含水量的測(cè)定，傳感器與樣品接觸狀態(tài)會(huì)影響測(cè)量精度。 電導(dǎo)法 電導(dǎo)法利用固體物質(zhì)的導(dǎo)電特性實(shí)現(xiàn)水分快速檢測(cè)。被測(cè)物質(zhì)在含水量不同時(shí)，其電導(dǎo)率不同，通過測(cè)量由被測(cè)物質(zhì)所決定的導(dǎo)通電阻， 即可獲得被測(cè)物質(zhì)的水分含量。經(jīng)過推導(dǎo)可得傳感器的數(shù)學(xué)模型為 adlRs?? (26) 式 (26)中 ， ρ為 電阻率， A為 探針半徑 ， D為 探針插入的深度， a兩探針的間距 ， Rs 為由探針參數(shù)決定的被測(cè)物的直流電阻。 電導(dǎo)法在測(cè)量低水分含量樣品時(shí)，由于被測(cè)樣品的電阻大，水分檢測(cè)信號(hào)弱，受干擾因素較大，不適合用于糧食水分的測(cè)量。 射頻法 前面介紹了糧食的介電系數(shù)小于 5，而水的介電系數(shù) 約為 80，兩者之間相差很大，因此它們兩者呈現(xiàn)的射頻阻抗特性不同。當(dāng)射頻信號(hào)傳到以糧食為介質(zhì)的電容式傳感器時(shí)，該射頻阻抗隨著糧食的含水量的變化而變化。如果忽略糧食中所含雜質(zhì)的影響，含水的糧食可近似看作純糧和純水兩種物質(zhì)的混和物，其有效介電常數(shù)可用下式表示 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 ??? )1( MM ??? (27) 式 (27)中 ， ε為 混合介質(zhì)的介電常數(shù) ， Α為 純水的介電常數(shù) ， Β為 純糧的介電常數(shù) ， M為 介質(zhì)水的重量百分率 。 從式 (27)可以看出，糧食這種混合介質(zhì)的介電常數(shù)介于純糧和 純水之間，糧食中含水量的變化將明顯地影響糧食的介電常數(shù)。 當(dāng)電容器的外型尺寸及結(jié)構(gòu)一定時(shí)，電容量為 ???KC (28) 式 (28)中 :ε為 介質(zhì)的介電常數(shù) ， K為 常數(shù)，由電容器的結(jié)構(gòu)及尺寸而定射頻阻抗為 cjRZ s ?1?? (29) 式 (29)中， ? 為 射頻信號(hào)角頻率 ， C為 電容量 Rs 為 等效電阻 。 從式 (27)、(28)、 (29)中 可以看出，糧食的含水量 M不同，則電容器的射頻阻抗 Z不同。通過測(cè)量射頻阻抗 Z可以間接地測(cè)量糧食含水量 M。 射頻法測(cè)量糧食水分也是把糧食作為純糧和純水的混合物來考慮的，這種理想情況在現(xiàn)實(shí)的糧食水分測(cè)量過程中也是不存在的。所以這種方法也不太適合糧食水分含量的測(cè)量。 此外，糧食水分的測(cè)量方法還有 中子測(cè)定法，紅外測(cè)定法，微波和無線電波法，核磁共振法等。 插桿式水分傳感器的水分檢測(cè)原理 對(duì)糧食試料在無線電頻率范圍內(nèi)施加幅值不變的各種頻率信號(hào) ,其 導(dǎo)電能力隨激勵(lì)頻率的變化而變化。圖 22為糧食的阻抗 — 頻率特性 (幅頻特性 ) 曲線 ,試料為小麥、稻谷、大米 、 玉米、大豆、小米等其它糧食均有類似特性 。 由圖 21可見 ,糧食的阻抗 — 頻率關(guān)系有以下特點(diǎn) (1)在外施激勵(lì)信號(hào)的頻率較低段 ,糧食的阻抗隨頻率增加急劇降低 。在某一頻帶 ,阻抗值最小 ,隨頻率的變化極小 。隨著頻率的再升高 ,阻抗值緩慢地增加。在無線電頻率范圍內(nèi) ,糧食的阻抗的幅頻特性呈浴盆曲線狀 ,本文稱之為糧食的導(dǎo)電浴盆效應(yīng)。 第 2章 水分測(cè)量和插桿式水分傳感器 9 1 01 . 01 0 0 2 0 03 0 0f / H zZ / M 稻 谷 小 麥 大 米 圖 21 糧食 — 阻抗的幅頻特性 (2) 糧 食的 品 種不 同 , 浴盆 效 應(yīng) 的邊 沿 頻 率不 同 , 但各 種 糧 食100KHz~250KHz頻率范圍內(nèi)基本呈最小阻抗?fàn)顟B(tài)。施加這一頻帶的激勵(lì)信號(hào) ,糧食水分有最靈敏的反應(yīng)。這一頻帶為糧食水分的敏感頻帶。 (3)糧食的阻抗與籽粒結(jié)構(gòu)有關(guān) ,籽粒有殼體的糧食 ,其阻抗較大。稻谷有纖維素和礦物質(zhì)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、高度木質(zhì)化的谷殼 ,因而阻抗值較大。小麥有纖維素和半纖維素組成的皮層 ,其阻抗值較稻谷小 ,但比大米阻抗要大。 在糧食的導(dǎo)電浴盆效應(yīng)基礎(chǔ)上 提出了一種新的糧食水分快速檢測(cè)方法 :對(duì)被測(cè)糧食施加幅值不變的 100~250kHZ的標(biāo)準(zhǔn)激 勵(lì)信號(hào)，通過測(cè)量 由被測(cè)糧食阻抗所決定的導(dǎo)通電流，間接測(cè)量出糧食的水分含量。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)糧食阻抗與水分含量有以下特性 。 (1)糧食水分的主要含量范圍內(nèi) (稻谷主要為 10%~18%)，阻抗 水分特性基本成對(duì)數(shù)關(guān)系 。 MX baZ ??? log (210) 式 (210)中 ， a、 b 為 常數(shù)， 0b1。 (2)阻抗 — 水分特性受溫度影響較大。同一被測(cè)物，溫度越高，阻抗越小。在常溫范圍內(nèi) (0~40℃ )，溫度每升高 1℃ ，對(duì)糧食阻抗 XZ 的影響相 當(dāng)于糧食的水分增加 %，在將溫度對(duì)阻抗的影響近似作為線性考慮時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 (3) 阻抗 — 水分特性受實(shí)驗(yàn)品種的影響，不同品種在相同水分含量時(shí)，阻抗值不盡相同。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 插桿式水分傳感器的構(gòu)成 依據(jù)糧食的導(dǎo)電浴盆效應(yīng)和阻抗 — 水分特性研制的插桿式水分傳感器如 圖 22 所示。 傳感器由電極、絕緣管、加長(zhǎng)管、錐形頭、手柄、信號(hào)線等組成。傳感器的電極、絕緣管、加長(zhǎng)管都采用 ICr18NigTi 材料制成并拋光，絕緣管材料選用聚四氟乙烯。 圖 22 插桿式水分傳感器結(jié)構(gòu)圖 遵循電極距離不應(yīng)超過水 的 1/4波長(zhǎng)的 10%~20%的原則，傳感器電極 2 的間距可設(shè)計(jì)為 8mm。 圖 22 中，電極 2 接信號(hào)發(fā)生器 ，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，信號(hào)經(jīng)插桿周圍的被測(cè)糧食衰減， 電極 1 得到與被測(cè)糧食水分含量成正比的檢測(cè)信號(hào)，并送放大電路處理。依據(jù)電路理論，可以計(jì)算出電極間的阻抗為 )()]([)()()]([)]([2222222222adassasadasadassassasasCCCRRRRRRRRCCCRRRJCCCRRRRRRRRRRRRRRRRx?????????????????????? (211) 式 (211)中： R 為 被測(cè)糧食的體積電阻 ， Rs ,Ra 分別為 被測(cè)糧食的表面電阻和 吸收電阻， C d ,Ca 分別為 被測(cè)糧食的極化電容和吸收電容 ， R s ,Ra , Cd ,C a 分別為 隨外施電場(chǎng)的頻率變化而變化的變量 。當(dāng)外施電場(chǎng)為正弦交變電場(chǎng)時(shí) 。 ??jEeE?? , 1??j (212) 通過被測(cè)糧食的總電流包括被測(cè)糧食的充電電流 ?I a 、電導(dǎo)電流 ?I R 、吸收電流 ?I d 和表面電流 sI? 。 第 2章 水分測(cè)量和插桿式水分傳感器 11 ?I =?Ia +?I R +?Id + sI? =[(γ +22221 ????? B )KdGs ]Ee tj? +j? (ω ? +221 ?????? ?r)KE e tj? (213) 式 (213)中： γ 為 被測(cè)糧食的離子電導(dǎo)率 ， τ 為 松弛時(shí)間 ， K 為 常數(shù) ， Gs— 含水糧食的表面電導(dǎo) 。 ? ??? )(0 ??? rB (214) 式 (214)中 0? 為 真空介電常數(shù) ，