专利名称：智能物料水份测量仪的制作方法
技术领域：
一种检测物料中所含水份量值的测量仪表，属于非电量电测仪器范畴，特别适用于粮食收购时对散装、筐装、袋装粮食的含水率作现场、实时、无损检测，也可用于对面粉、奶粉或者煤粉、矿粉等细粒度物料的含水率作现场、实时检测。
现有专利号为98231679.1的物料水份测量仪可以实现上述检测任务，但该测量仪不能实现学习、接受培训，也不能对检测原理的非线性作自动修正，因此，一种仪器只能检测一种或有限种物料的含水率，并因物料的含水率对应的受感原理存在非线性而存在可观的非线性误差。以粮食为例，产自不同地域或产自同地域但因气候条件差异、生态条件差异的同品种粮食就有不同的基本特性而不能用同一台经出厂校准的仪器正确测量；特别是不能修正检测原理相对于被测量值的非线性，从而具有较大的检测误差而难被使用单位接受。
本实用新型的任务是设计一种能自我学习、接受培训、并能自动进行非线性修正的、可对多种物料含水率进行现场、实时、快速、准确无损检测的智能物料水分检测仪。
本实用新型是以如下方式实现的。其工作原理与98231579.1专利相同或相近，基于水具有比粮食、面粉、矿物粉料有更高的介电系数，而电极之间的电容量与电极之间的介质的介电系数成正比，当粮食等物料填充于电极间时，含水率高的粮食等物料比含水率低的粮食等物料具有更高的介电系数，从而使电极间的电容量在填充含水率高的粮食等物料时，比填充含水率低的粮食等物料有更大的电容量，通过一种输出电压与电容量成正比的“虚部法电容测量电路”，将粮食等物料的含水率导至的电极间电容量的变化转换为电压，再用单片计算机程控的“程控调零减法电路”剔除检测全干物料时的固定电压分量，用单片计算机程控的“程控灵敏度调节电路”调整放大系数，用单片机检测经处理后的电压，与所学习掌握的该品种的非线性特征数据库进行比较，用数学模型对非线性进行修正，给出经过校准和非线性修正的物料含水率准确显示数据。
本实用新型由探头、变换器和测量-控制-显示器组成。探头、变换器、测量-控制-显示器用导线或电缆和接线端子，实现它们间相应的电连接。探头是能受感物料含水率不同而致电容CX线性变化的电容性器件；变换器是一种其输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω、和被测电容CX的、关系式为UO=jω·RF·CX·UI的“虚部法电容测量电路”；测量-控制-显示器电路除能向变换器5提供幅度和频率稳定的输入电压信号UI、含有滤波、检波电路6外，其特征在于还含有程控调零电路7、程控灵敏度调节电路8和单片机10及其内置的自我学习、自动控制、自动非线性修正的专家系统、键盘12诸环节的，从而是一种能根据所检测的各种不同的物料，自动进行调零、非线性修正、测量并正确输出被测量值的电路。
本实用新型很好地实现了本发明创造的目的。
以下结合附图作进一步详细说明本实用新型探头实施例沿用98231579.1“物料水分测量仪”专利的探头。它含有由带圆柱和锥头的芯杆1、呈台肩圆筒形的测量极2和手柄极3构成的探针部和手柄4。芯杆、测量极和手柄极同轴线地依次叠套，用高强度绝缘胶充填，绝缘地胶接成一体，并保持测量极2的大端端面与芯杆1的锥头圆柱部端面间，以及手柄极小端端面与测量极台肩端面间有5-10mm的间距。而另一端则依次保持芯杆比测量极、测量极比手柄极沿轴向伸出3-5mm作为电接点以便焊接导线，手柄极3与手柄4联接。变换器电路5设置在手柄4内部的空腔中。探针各电极的电接点经导线与变换器相应连接，其中芯杆1、手柄极3的电接点A1，A3均接地成为电容CX的一电位极。测量极2作为被检测电容CX的另一极经电接点A2接至变换器相应的电连接处。芯杆锥端圆柱面、测量极大端圆柱面和手柄极小端圆柱面的直经相同，为6-10mm，测量极大端圆柱面长度为40-150mm，芯杆锥端圆柱面长度和手柄极小端圆柱面长度为测量极大端圆柱面长度的3/5-2/3。整个探针外部涂敷高强度耐磨材料(参见附
图1)。
图2所示变换器电路结构亦与98231579.1专利相同。变换器5含有运放NOA～NOD、电阻器RF、RO、RO1-RO4、电容器CO2和电容C1。是一种输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω、反馈电阻RF和电容C1与被测电容CX之串联值的“虚部法电容测量电路”。其中，NOA的正输入端INP接来自测量-显示器的激励交流信号UI，其负输入端接其输出端作成跟随器，其输出接运放NOB的正输入端，NOB负输入端通过反馈电阻RF接输出端，NOB的负输入端还接电容器CI，电容CI的另一端经端子A2用硬导线就近接探针的测量极2；NOC的正输入端接NOA的输出端，NOC的负输入端经电阻RO接其输出端作成“相移补偿跟随器”；NOC的输出端经电阻RO1接NOD的负输入端，NOD的负输入端还经电阻RO2接其输出端；NOB的输出端经电阻RO3接NOD的正输入端，NOD的正输入端接电阻RO4，RO4的另一端接电容CO2，CO2的另一端接地；NOD的输出端输出本变换器的变换信号到测量-显示器。电路的地线(GND)用硬导线就近接探针的芯杆1、探针手柄极3的电接点A1、A3，测量极2的电接点A2与电容CI-极连接。
并有RO=RF，以便达到NOB和NOC这两个运放构成的放大器有基本相同的相移。为了使NOD成为一个对NOC和NOB的输出信号的减法器电路，而使RO1=RO2、RO3=RO4，并尽量使RO1=RO2=RO3=RO4。
这样，本电路NOA的输出等于NOA的输入UI。
减法器电路的输出UO，正是NOB的输出UB与NOC的输出UC的差UO=UB×R04R03+R04×(1+R02R01)-UC×R02R01]]>=UB×12×(1+1)-UC×11]]>=UB-UC当NOB对地无被测电容时，亦即等同于NOB的负输入端无电容时，则NOB与NOC的输出信号是同相、同幅的，即UB=UC。减法器NOD的输出为UO=0。
而当NOB的负输入端有对地的被测电容CX(设CI相对于CX为很大的数值，于是有CI串联CX的值近似于CX)时，其输出为UB=UI(1+RF1/jωCX)=UI(1+jω·RF·CX)]]>而NOC的输出则是UC=UI因此，减法器电路NOD的输出是UO=UB-UC=jω·RF·CX·UI从而决定了本变换电路的输出函数是正比于输入电压UI、角频率ω、反馈电阻RF和电容CI与被测电容CX之串联值的线性函数。电路以可靠措施确保ω、RF不变，则测量输出仅与UI、CX有关。
测量-控制-显示器电路，则是针对本实用新型的目的在“物料水分测量仪”专利相应电路的基础上作出相应改进而实现的。
说明书附图3所示的是其电路结构的框图。测量-控制-显示电路含有单片机10、载波信号发生器11、滤波检波器6、程控调零减法器7、程控灵敏度调节器8、放大器9、键盘12和显示器13；单片机10的PWM输出一个等幅度UP和定频率FP的方波到载波发生器电路11，经其变换为一个幅度为UI频率为FO正弦波或准正弦波(三角波)供给前述的变换器电路5，变换器电路5输出的测量信号UO接到经滤波检波器电路6经其处理，输出正比于被测电容信号的直流电压UX，送到程控调零减法器7；经载波信号发生器11检出的正比于载波信号幅度UI的直流电压UP同时送到调零减法器7，调零减法器7还接受单片机10的PO口输出的数字量控制信号，调零减法器自UP中取出相当UX中对应于探头、电路5的固有电容及传感器位于全干的物料中时因干物料存在的固有介电系数所致的电容之和的那一部分与UX信号相减实现调零。调零减法器电路输出的电压UJ送到程控灵敏度调节器8，灵敏度调节器8还接受单片机10PO口输出的数字量的控制，对UJ作放大调节，输出的电压送到放大器9放大，其输出电压US，经AD变换为数字量输入到单片机10；单片机10为识别使用者的操作要求而经PI口与含有“OK”、“MODE”、“+”、“-”键的键盘12连接；单片机10为显示测量结果还将测量所得的数据经非线性修正后送到显示器13，以显示测量修正结果。
说明书附图4A是调零减法器电路的实施方案之一。由数字电位计D1、运放NJ及电阻器RL、RX、RJF组成。正比于传感器输出的、反应所测电容的大小的直流电压UX经电阻器RX输入到运放的负输入端，正比于载波电压的直流电压UP输入到数字电位计D1的UI端，单片计算机的控制信号输入到数字电位计D1的控制端K，数字电位计D1的输出端将UP的一部分经电阻器RL送到运放NJ的负输入端，运放的负输入端还经反馈电阻器RJF接其输出端UJ，运放NJ的正输入端接地。设数字电位计的精度为1/U(即其具有将输入电压分为U等分的输出能力，)控制信号的数值为K。于是，本调零减法器电路的输出UJ是UJ=-(UP×K/U/RL＋UX/RX)×RJF当有UP×K/U/RL=-UX/RX时，UJ=0。
鉴于目前的数字电位计的精度不高，即U值不大，特别是十分昂贵，因此于性能价格比不利。
说明书附图4B是调零减法器电路的实施方案之二。由DA转换器D2、运放NK及电阻器RY、RKF组成。正比于传感器输出的、反应所测电容大小的直流电压UX经电阻器RY输入到运放的负输入端，正比于载波电压的直流电压UP输入到DA转换器D2的VREF端，单片计算机的控制信号输入到DA转换器D2的控制端K，DA转换器D2的输出端将UP的一部分电压转换为电流UP/U×K/RN送到运放NK的负输入端，其中，RN是DA转换器的内阻。运放的负输入端还经反馈电阻器RKF接其输出端UJ，运放NK的正输入端接地。DA转换器的精度为1/U(即其具有将输入电压分为U等分的输出能力)，控制信号的数值为K。于是，本调零减法器电路的输出UJ是UJ=-(UP/U×K/RN+UX/RY)×RKF当有UP/U×K/RN=-UX/RY时，UJ=0。
本方案的优点在于DA转换器的精度等级高，其U值一般在256～4096，而且价格低廉，使电路有着良好的性能价格比。
特别是，有的单片机内带有DA转换器，并在其内部实现了控制连接，对于本电路简化有利。
说明书附图5A是灵敏度调节器8和放大器9的实施方案之一，来自调零减法器7的输出UJ，送到数字电位计D3的输入端UI，来自单片机的控制数字信号接到数字电位计D3的控制端K1，数字电位计D3的输出经过电阻器RLY接到作为放大器9的运放NL的负输入端，该负输入端还经反馈电阻器RJFY接到NL的输出端，NL的正输入端接地。设该数字电位计的精度为1/U，控制信号的数值为K1，则灵敏度调节器8和放大器的最终输出US是US=-(UJ/U×K1)×(RJFY/RLY)说明书附图5B是灵敏度调节器8和放大器9的实施方案之二，来自调零减法器7的输出UJ，送到DA转换器D4的输入端VREF，来自单片机的控制数字信号接到DA转换器D4的控制端K1，DA转换器D4的输出经其内电阻RNY接到作为放大器的运放NM的负输入端，该负输入端还经反馈电阻RKFY接到NM的输出端，NM的正输入端接地。设DA转换器的精度为1/U，控制信号的数值为K1，则灵敏度调节器8和放大器9的最终输出US是US=-(UJ/U×K1)×(RKFY/RNY)特别是，有的单片机内带有DA转换器，并在其内部实现了控制连接，对于本电路简化有利。
本实用新型的专家系统是一个安装在单片机10内部的、操作AD接口对灵敏度调节放大器8和9输出的电压US进行模数转换的、从PO口输出控制信号操作程控调零减法器7和程控零敏度调节器8的、从PI口接受键盘12输入信号的、从PO口向显示器13发送显示信号的、从PWM口向载波信号发生器输出等幅定频方波的、控制仪器接受对新品种物料的标准样品进行学习培训的、对受过培训的品种的被测物料进行测量和非线性修正的、含有检测程序、数学模型和数据库的软件系统。
本专家系统是以如下方式工作的单片机内设有一个品种名称库“PM”，是一个可能需要检测的物料(如粮食)的品种名称库，如籼稻1，籼稻2，籼稻3，梗稻1，梗稻2，梗稻3，油麦1，油麦2，春麦1，春麦2，夏麦1，夏麦2，大麦1，大麦2，玉米1，玉米2，大豆1，大豆2，油菜1，油菜2，等等。
单片机中还设有若干已学习、培训过的品种的校准数据库CU，每学习一个新品种就在校准数据库CU中增加一条记录，某个品种重新培训后，就刷新原有的培训记录。
专家系统控制的培训过程如下开机；仪器提示“测试则请键OK，培训则请键MODE”。
这时，操作者按“MODE”键；仪器提示“请按“+”“-”键，选择培训的品种”。
操作者按“+”或“-”键，显示器逐个显示“PM”库中的品种名称，直至出现所需培训的品种如“玉米1”。
操作者按“OK”键。
仪器提示“请输入1号全干样品的烘干法含水率”。
操作者按“+”或“-”键，直至显示器出现对应的、用国家标准烘干法制备的全干样品的含水率，例如B1=0.0。
操作者按“OK”键，仪器便记住该标准值B1。
仪器提示“请输入2号样品的烘干法含水率”。
操作者按键“+”或“-”键，至显示器出现对应的样品的含水率，如B2=10.0。
操作者按“OK”键，仪器记住该标准值B2。
仪器提示“请输入3号样品的烘干法含水率”。
操作者按“+”或“-”键，至显示器出现对应的样品的含水率，如B3=15.0。
操作者按“OK”键，仪器记住该标准值B3。
仪器提示“请输入4号样品的烘干法含水率”。
操作者按“+”或“-”键，至显示器出现对应的样品的含水率，如B4=20.0操作者按“OK”键，仪器记住该标准值B4。
仪器提示“请输入5号最湿样品的烘干法含水率”。
操作者按“+”或“-”键，至显示器出现对应的最湿样品的含水率，如B5=25.0。
操作者按“OK”键，仪器记住该标准值B5。
仪器提示“请将探针插入全干的一号样品，再键OK”。
操作者将探针插入一号样品，按“OK”键，专家系统自动调节调零数据K，使仪器的测量值Y1等于B1(=0)，并将调零数据Z和测得的量值Y1写入记录。
仪器提示“请将探针插入最湿的五号样品，再键OK”。
操作者将探针插入5号样品，按“OK”键，专家系统自动调节灵敏度数据S，使仪器的测量值Y5等于B5(=25.0)，并将灵敏度数据S及测得的量值Y5写入记录。
仪器提示“请将探针插入2号样品，再键OK”。
操作者将探针插入2号样品，按“OK”键，专家系统测量在调零数据为Z、灵敏度数据为S时的对应测试值Y2，并写入记录。
仪器提示“请将探针插入3号样品，再键OK”。
操作者将探针插入3号样品，按“OK”键，专家系统测量在调零数据为Z、灵敏度数据为S时的对应测试值Y3，并写入记录。
仪器提示“请将探针插入4号样品，再键OK”。
操作者将探针插入4号样品，按“OK”键，专家系统测量在调零数据为Z、灵敏度数据为S时的对应测试值Y4，并写入记录。
仪器显示“学习完成”。
这时，校准数据库中新增的(或刷新的)记录是品种(在品种名称库中的)序号调零数值Z；灵敏度数值S；全干样品的标准值和测试值B1、Y1，2号样品的标准值和测试值B2、Y2，3号样品的标准值和测试值B3、Y3，4号样品的标准值和测试值B4、Y4，最湿样品的标准值和测试值B5、Y5。
专家系统的测试过程开机，仪器提示“测试请键OK，培训请键MODE”。
操作者键OK键。
仪器显示“测量玉米1 (如需更换品种，请键“＋”“-”键，如认可则键“OK”键。)”若更换测试品种，则过程如下操作者键“+”(或“-”)键，仪器显示品种库中下一个(或上一个)的品种，并查阅校准数据库CU，若有此品种的学习-培训记录，则显示“玉米(或大麦2)，如测试，请键OK键。”{若无此品种的学习培训记录，则显示“玉米2(或大麦2)，未学习，若键MODE键则进入学习”。}在键入“OK”后，仪器显示“请将探针插紧于玉米2中”，操作者将探针插入玉米2中，键“OK”键”专家系统立即将对应玉米2的调零值Z和灵敏度值S送到调零减法器和灵敏度调节器。
操作者键OK键。
仪器经测试得到现场值YN，调玉米2的校准数据库，认定YN＞YA并且YN＜=Y(A+1)，则用测试库中的(BA，YA)；(B(A+1)，Y(A+1))确定的一条折线，用数学模型对YN进行非线性校正，得到物料含水率的准确值BN，并显示其含水率BN。
键任意键，重新进入仪器提示“测试，请键OK，培训请键MODE”。
非线性修正的过程见说明书附图6。图中曲线1是“两头对准校准后的测量特性”，而直线2是“非线性修正后的显示特性”；由于培训时，确保物料含水率为0(图6中座标(1，1)点)和物料含水率为最大(图8中座标(5，5))两点的直接测量结果是正确的和不需修正的，但在测量值大于0和小于最大(湿)值之间的值尚未作修正因而是不准确的，需要作非线性修正。专家系统根据测试值YN在曲线1上的找出其对应的座标(BN，YN)，而BN即是经过修正的准确测量值。
权利要求1．一种智能物料水份测量仪，由探头、变换器和测量-控制-显示器组成，探头、变换器、测量-控制-显示器用导线或电缆和接线端子，实现它们间相应的电连接，其探头是能受感物料含水率不同而致电容CX线性变化的电容性器件；变换器是一种其输出电压UO正比于输入电压UI、角频率ω、和被测电容CX的、关系式为UO=jω·RF·CX·UI的“虚部法电容测量电路”；测量-控制-显示器除能向变换器(5)提供幅度频率稳定的输入电压信号UI、含有滤波、检波电路(6)外，其特征在于还含有程控调零电路(7)、程控灵敏度调节电路(8)和单片机(10)，及其内置的自我学习、自动控制、自动非线性修正的专家系统、键盘(12)诸环节的，能根据所检测的各种物料自动进行调零、非线性修正、测量并正确输出被测量值的电路。
2．按权利要求1所述的智能物料水份测量仪，其特征在于测量-控制-显示电路还含有载波信号发生器(11)、放大器(9)和显示器(13)；单片机(10)的PWM输出一个等幅度UP和定频率FP的方波到载波发生器电路(11)，经其变换为一个幅度为UI频率为FO的正弦波或准正弦波(三角波)供给变换器电路(5)，变换器电路(5)输出的测量信号UO接到滤波检波器电路(6)，其输出的直流电压UX，送到程控调零减法器(7)；经载波信号发生器(11)检出的直流电压UP同时送到调零减法器(7)，调零减法器(7)还接单片机(10)的PO口输出的数字量控制信号，经调零减法器处理后的输出电压UJ送到程控灵敏度调节器(8)，灵敏度调节器(8)还接受单片机(10)的PO输出的数字量的控制信号，输出的电压送到放大器(9)、输出电压US经AD变换成为数字量输入单片机(10)；单片机(10)还经PI口与含有“OK”、“MODE”、“+”、“-”键的键盘(12)连接；单片机(10)输出测量结果至显示器(13)。
3．按权利要求2所述的智能物料水份测量仪，其特征在于其程控调零减法器(7)含有数字电位计D1、运放NJ及电阻器RL、RX、RJF；直流电压UX经电阻器RX输入到运放的负输入端，直流电压UP输入到数字电位计D1的UI端，单片计算机的控制信号输入到数字电位计D1的控制端K，数字电位计D1的输出经电阻器RL送到运放NJ的负输入端，运放的负输入端还经反馈电阻器RJF接其输出端UJ，运放NJ的正输入端接地。
4．按权利要求2所述的智能物料水份测量仪，其特征在于程控调零减法器(7)由DA转换器D2、运放NK及电阻器RY、RKF组成；直流电压UX经电阻器RY输入到运放的负输入端，直流电压UP输入到DA转换器D2的VREF端，单片计算机的控制信号输入到DA转换器D2的控制端K，DA转换器D2的输出送到运放NK的负输入端，运放的负输入端还经反馈电阻器RKF接其输出端UJ，运放NK的正输入端接地。
5．按权利要求2所述的智能物料水份测量仪，其特征在于程控灵敏度调节器(8)和放大器(9)含有数字电位计D3、电阻器RLY、RJFY、运放NL；来自调零减法器(7)的输出UJ，送到数字电位计D3的输入端UI，来自单片机的控制数字信号接到数字电位计D3的控制端K1，数字电位计D3的输出经电阻RLY接到运放NL的负输入端，该负输入端还经反馈电阻RJFY接到NL的输出端，NL的正输入端接地。
6．按权利要求2所述的智能物料水份测量仪，其特征在于程控灵敏度调节器(8)和放大器(9)由DA转换器D4、运放NM、电阻器RKFY组成；来自调零减法器(7)的输出UJ，送到DA转换器D4的输入端VREF，来自单片机的控制数字信号接到DA转换器D4的控制端K1，DA转换器D4的输出接到运放NM的负输入端，该负输入端还经反馈电阻RKFY接到NM输出端，NM的正输入端接地。
7．根据权利要求4所述的智能物料水份测量仪，其特征在于程控调零减法器的DA变换器是单片机内部所带的DA变换器。
8．根据权利要求6所述的智能物料水份测量仪，其特征在于程控灵敏度调节器的DA变换器是单片机内部所带的DA变换器。
专利摘要智能物料水份测量仪由探头、变换器和测量－控制－显示器组成。探头是能感受物料因含水率不同而致电容CX变化的器件;变换器是一种其输出电压U0正比于输入电压UI、角频率ω和被测电容CX的虚部法电容测量电路;测量－控制－显示器是能向变换器提供幅度、频率稳定的电压信号UI的,能测量变换器的输出信号UO、进行程控调零和调节灵敏度、对测量结果进行非线性修正及显示修正量值的电路和安装在单片计算机中的软件专家系统。该专家系统能自动操作硬件,接受用标准样品进行的培训,能适应几乎所有物料的测试,用于对散装、袋装、筐装的粮食或其他细物料所含的水分作现场实时、快速准确的无损检测。
文档编号G01N27/22GK2431562SQ9921799
公开日2001年5月23日 申请日期1999年8月17日 优先权日1999年8月17日
发明者唐德尧, 谭维克, 段中海, 王定晓, 杨政明, 宋辛辉 申请人:谭维克, 唐德尧