一种浮地式粮食水分在线检测装置的制作方法

本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种浮地式粮食水分在线检测装置。

背景技术：

水我国在粮食干燥模型解析理论及控制技术领域的研究，揭示了粮食水分结合能及干燥系统热能构，指明了利用客观干燥势实现高效节能的技术途径，开发了粮食干燥自适应控制系统，但可靠的水分在线检测仍是实现技术应用的难点之一。水分含量关系到粮食的物理与化学性质，是评价产品质量的一个重要指标，也是实现干燥过程调控，节能降耗工艺设计必不可少的关键参数之一，但目前仍然缺少准确度高、稳定性好的在线水分检测装置和技术。

围绕微波法、红外法、电学法、压力法等开发在线检测仪已进行大量的尝试。微波、红外和电容法共同的缺点是受粮食的形状、厚度、密度以及粒体内部的水分分布影响较大，在高粉尘环境及谷物水分波动较大时的检测精度较低，中子法测量的最大的问题是氢的散射特性不稳，中子计数比与谷物容积含水率关系的变化规律因粮食的品种而异，不同时期、不同品种的粮食也不相同。采用中子法测量粮食含水率时必须对每一批物料作相应的预处理工作，技术尚不成熟。基于电阻法开发了高精度的粮食含水率单粒在线检测仪，但可靠的在线采样问题困扰着技术的应用。粮食干燥系统存在诸多不确定因素，高温、高湿、高粉尘、流态波动、含杂率变动都给检测精度及可靠性造成很大困难。针对电容方式在线测量特定的技术问题，如建立定流量条件下传感器震荡频率，探索介电损耗因数，改进极板结构，检测与控制进行了系统的研究，至今作为可靠技术产品在线应用的范例极缺，检测精度及可靠性受粮食流态波动影响极大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决粮食水分检测精度及可靠性易受粮食流态波动影响的问题，设计了一种浮地式粮食水分在线检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

浮地式粮食水分在线检测装置由电容传感器、定位充料器、排粮机构、微电容测量电路、无线通讯网络等部分构成。定位充料器安装在干燥机出粮口附近，出粮口的一部分粮食会落入并填满定位充料器，定位充器的排料滚轮把粮食匀速稳定地送进电容传感器，保证传感器内粮食在同一含水率下的空隙率保持一致。电容传感器顶部有电容式接近开关，当粮食装满传感器后，接近开关向单片机( MCU) 输出信号，此时MCU 通过电容数字转换电路(CDC) 和温度数字转换电路( TDC) 记录被测粮食的电容值和温度值并计算出对应的含水率。测量结束后MCU启动排粮电磁铁，打开排粮侧板，把已测粮食排出传感器，系统进入下一次测量。测量过程中传感器测量结果通过无线模块实时发送至计算机，实现用户远程监控。

所述的电容传感器结构采用薄板结构的非接触式平行极板浮地电容测量法，测量过程粮食与极板不接触，可避免电极受电化学腐蚀，同时也提高了高水分下粮食电容的测量精度。测量区域周围包裹屏蔽层隔绝外界电磁场干扰。电容极板为1.6mm厚双面覆铜板，两块极板面积和形状相同，极板内侧面为电容测量电极，反面接地。传感器外保护板和测量容腔材料均为亚克力板。两电容极板安装在测量容腔外表面，容腔内被测粮食与电容极板绝缘。电容极板接地面粘贴一层双面导电铝箔以隔绝外部电磁场的干扰，屏蔽层的面积略大于极板面积，多出的部分具有等位环，减少了边缘效应传感器测量容腔外安装外保护板，保护电容极板和屏蔽层，实现防水防尘功能。

所述的定位充料器安装在传感器容腔上方，电动机带动排料滚轮旋转把集料斗中的谷物以线状方式均匀洒落，以谷物干燥在线检测玉米为例，其洒落平均速度约为15g/s。

所述的排粮机构设计成侧向打开在静止状态下，弹簧有一定的预拉力，保证排料门不会被粮食的侧向作用力推开；排粮时，电磁铁通电，推动转臂克服弹簧拉力打开排料门；4 s后粮食排清，电磁铁自动断电，排料门在弹簧的回弹下复位。

所述的测量容腔空载时的电容为0.2pF，当容腔装满粮食时电容为5～35pF，为了得到较高精度的含水率数据，测量电路分辨率需小于0.1pF，该精度采用传统的阻抗法和谐振法均难实现。采用AD7745及其扩展电路与单片机共同搭建粮食电容式在线检测微小电容测量电路，AD7745的电容测量范围为0～21pF，采用电容比例法，可把电容检测范围扩大至0～120pF。

所述的无线通信网络是为保证水分在线装置与电脑间通信实时、准确、稳定，避免干燥现场恶劣环境对数据通信的影响，降低设备安装周期和成本，本文设计了适合水分在线装置的无线通信网络。传感器端采用JZ873无线数传模块，该模块采用透明传输方式通过串口与单片机实现数据收发； 电脑端采用JZ874USB无线数传模块。两模块间的传输频率为433MHz，波特率为9600bps，采用3.5db吸盘天线，无线传输距离不少于2000m，满足粮食干燥数据传输距离要求。粮食水分在线检测装置与电脑无线通信采用ModbusASCII通信协议。该协议包括地址码，功能代码，数据区间和LＲC校验，能够实现多设备间的通信。

所述的粮食干燥设备运行过程中会排出大量的水蒸气。干燥过程中粮食间相互摩擦，在风机和提升机的作用下产生大量的粉尘。因此参照GB4028—2008对传感器的电源、控制电路和执行机构作防水防尘处理，达到IP64CM级别。传感器在检测过程中不断地受到粮食冲刷，在没有防护的情况下，传感器短时间内就会被严重磨损，因此必须在粮食水分在线检测装置外表面和电容测量容腔内壁粘贴厚度为1mm的玻璃。

本发明的有益效果是：

采用非接触式平行浮地电容法测量粮食电容，粮食按批次进行测量，测量过程粮食处于稳态，因此电容具有较高的稳定性；定位充料器保证了粮食定位充填的均匀性，提高了传感器测量的准确性与重复性；采用无线通信，实现了在线检测装置与控制器间通信，避免了线损等不确定因素对检测可靠性的影响；采用定位充料，批次稳态测量，无线通讯保证了在线检测的精度和可靠性，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%。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是系统构成。

图2是微电容测量电路硬件原理。

具体实施方式

如图1所示，浮地式粮食水分在线检测装置由电容传感器、定位充料器、排粮机构、微电容测量电路、无线通讯网络等部分构成。定位充料器安装在干燥机出粮口附近，出粮口的一部分粮食会落入并填满定位充料器，定位充器的排料滚轮把粮食匀速稳定地送进电容传感器，保证传感器内粮食在同一含水率下的空隙率保持一致。电容传感器顶部有电容式接近开关，当粮食装满传感器后，接近开关向单片机( MCU) 输出信号，此时MCU 通过电容数字转换电路( CDC) 和温度数字转换电路( TDC) 记录被测粮食的电容值和温度值并计算出对应的含水率。测量结束后MCU 启动排粮电磁铁，打开排粮侧板，把已测粮食排出传感器，系统进入下一次测量。测量过程中传感器测量结果通过无线模块实时发送至计算机，实现用户远程监控。

在电场形式确定后，影响测量电容的主要因素是被测粮食的介电常数，介电常数是被测粮食分子在电场中发生极化现象的宏观表现。假设电容的测量容腔内均匀装满粮食，容腔内电场线均匀分布，则可以把电容测量容腔内的粮食视为干空气、水、碳水化合物3种物质的混合物。空气和碳水化合物为低损耗介质，其介电常数随温度变化很小，在50kHz频率下分别约为1和3～5；水为高损耗介质，其介电常数随温度变化而变化，在50kHz 频率下，0～100℃的水介电常数为55.88～78.9。因水的介电常数远大于其他2种物质，因此被测粮食的介电常数与其含水率直接相关，含水率越高，介电常数越大。为了获得均匀稳定的测量电场并减少边缘效应，本文采用薄板结构的非接触式平行极板浮地电容测量法，测量过程粮食与极板不接触，可避免电极受电化学腐蚀，同时也提高了高水分下粮食电容的测量精度。测量区域周围包裹屏蔽层隔绝外界电磁场干扰。图2 所示为电容式粮食在线检测传感器结构。电容极板为1.6mm厚双面覆铜板，两块极板面积和形状相同，极板内侧面为电容测量电极，反面接地。传感器外保护板和测量容腔材料均为亚克力板。两电容极板安装在测量容腔外表面，容腔内被测粮食与电容极板绝缘，电容极板接地面粘贴一层双面导电铝箔以隔绝外部电磁场的干扰，屏蔽层的面积略大于极板面积，多出的部分具有等位环，减少了边缘效应，传感器测量容腔外安装外保护板，保护电容极板和屏蔽层，实现防水防尘功能。料位传感器装于传感器顶部，用于检测粮食是否装满传感器容腔。传感器下侧装有数字温度传感器，用于测量粮食温度，修正温度对电容测量的影响。

粮食电容除受温度和含水率影响外，其堆积的空隙率也显著影响测量电容。相同含水率的粮食以不同方式落入测量容腔时，容腔内粮食的空隙率亦会改变，从而影响测量结果。因松散物料的空隙率难以在线测量，因此需要探讨不同落入方式对其堆积空隙率的影响及其重复性。试验设定3类具有代表性的粮食在线落入方式，第1类为定点洒落，第2类为线型洒落，第 类为整个截面均匀洒落，其中定点洒落方式设计了3个洒落位置，分别是1～3； 线型洒落方式设计了4个洒落位置，分别是4～7； 均匀洒落方式标记为8，每种洒落方式分3种洒落速度，其中定点洒落方式的落入速度分别为5、10和20g/s； 线型洒落方式的落入速度分别为10、20和30g /s； 均匀洒落方式的洒落速度分别为25、35和50g/s。玉米样品含水率分别为13.3%、15.1%和17.6%，每次试验重复20次。

含水率为13.3%的玉米在8种洒落方式下，其测量电容从8.8pF变化到13.2pF，洒落面积越大，测量电容越高。含水率为15.1%和17.6%的玉米也具有相同的特性，而且洒落面积越大，玉米含水率变化对测量电容的影响也越明显。因此，洒落方式对测量电容有显著影响。对比相同洒落方式下不同洒落速度最终测得的玉米电容可看出，在试验设定的洒落速度范围内，洒落速度变化对测量电容影响不大。通过分析相同洒落方式下不同洒落位置最终测得的玉米电容可得，洒落位置变化对测量电容的影响不明显。由此可知，洒落方式显著影响测量电容，而洒落位置和洒落速度的变化对其测量电容的影响不大。因此，合理控制粮食进入测量容腔时的洒落方式，能避免在线检测过程中谷物随机洒落对测量精度的影响，为此设计线型洒落定位充料器。定位充料器安装在传感器容腔上方，电动机带动排料滚轮旋转把集料斗中的谷物以线状方式均匀洒落，以谷物干燥在线检测玉米为例，其洒落平均速度约为15g/s。

在线测试过程中，为获得稳定、准确及高重复性电容，测量容腔内的粮食以批次稳态方式采集并测量，传感器每次测量承装约800g粮食，一次测量总用时约为1.5min，与6～7 h的粮食干燥过程相比，可以看作实时测量，不存在测量滞后性，测量结束后，迅速排清已测粮食，以保证每次新测量粮食与已测粮食不会相互混合，因此，需合理设计排粮机构，使得机构能高效、稳定、可靠运行。运用相似理论，测量容腔可以类比成深仓，从Janssen提出的粮仓效应理论可知粮仓底部所受的正压和侧压不会随着填充高度线性增加，而是随高度的增加而幅度逐步放缓，粮食高度到达一定以后，粮仓底部压力会趋于一个饱和值，整个过程中，侧压力都远小于正压力。基于上述原理，为确保排粮机构动作灵活，必须减少测量过程中粮食对排粮机构的压力，因此排粮机构设计成侧向打开。在静止状态下，弹簧有一定的预拉力，保证排料门不会被粮食的侧向作用力推开，排粮时，电磁铁通电，推动转臂克服弹簧拉力打开排料门，4s后粮食排清，电磁铁自动断电，排料门在弹簧的回弹下复位。

如图2所示，测量容腔空载时的电容为0.2pF，当容腔装满粮食时电容为5～35pF，为了得到较高精度的含水率数据，测量电路分辨率需小于0.1pF，该精度采用传统的阻抗法和谐振法均难实现。AD7745电容数字转换芯片作为一种微电容检测元件正逐步得到广泛应用。AD7745 的电容测量范围为0～21pF，采用电容比例法，可把电容检测范围扩大至0～120pF。本文采用AD7745及其扩展电路与单片机共同搭建粮食电容式在线检测微小电容测量电路。测量电路控制器采用增强型51单片机STC12C5620AD，外部晶振为22.1148MHz，具有较高的运算速度和稳定性，单片机与AD7745之间通过IIC 接口通信。电路测量原理采用浮地法，以减少传感器极板对地的寄生电容以及对地的漏电。两电容极板引线使用SYV-75-2-1同轴电缆，电缆的屏蔽层和传感器屏蔽层相连并接地，以进一步消除寄生电容及引线间的耦合电容。测量电路性能检测参考GB/T13978—2008 标准，结合空变电容和同惠TH2821BLCＲ数字电桥，对电路进行标定，标定结果显示该电路的分辨率为0.01pF，精度为±0.1pF，可测量范围为0～85pF，满足测量要求。