粮食水分检测方案及综合分析.doc
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1、粮食水分检测方案及综合分析 摘要:粮食在收购、存储、运输和加工的过程中,水分的检测和控制非常重要,现对目前的粮食水分检测方案进行总结和综合分析,在重点讲述电容式和微波吸收式水分无损检测方法的原理、框图、传感器特性以及实现方案的同时,系统地阐述了国内外现有的各种粮食水分的测量的常用方法、原理及其测量特性。最后,本文给出粮食水分检测方案的综合分析,同时展望了粮食水分检测未来可能的发展趋势。粮食水分检测系统必定是逐渐朝着系统化、通用化、数字化方向发展的。检索工具:书籍、网络关键词:粮食水分;水分检测;总结分析1 引言粮食的水分含量是评价粮食品质的重要指标,是粮食检测的基本项目。正常的粮食都含有适量的
2、水分,并且水分含量通常保持在一定范围之内,这是粮食维持生命及保持其固有良种品质和食用品质所必需的。由于受到收获早晚、成熟度及气候条件的影响,粮食的水分含量是变化的数值。粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。无损检测是指在不破坏待测物原来的状态和化学性质等前提下,通过粮食本身的物理、光学及化学特性来测其含水量1;有损检测则是指在测量的过程中待测物粉碎或发生了化学变化,致使其不能保持原有的形状、结构或组分。在这两类中,无损检测的方法更经济、快捷,发展也最为迅速,是当今世界水分检测的主流。现就粮食水分检测浅谈其常用的测量方案并进行综合分析。2 粮食水分无损检测的主要方法2.1 直
3、接干燥法2.1.1 基本原理直接干燥法是指将待测样品置于烘箱中,根据 ASAE 标准,在 130 的温度下保持 19 h,测量前后的质量差,即为其水分含量。2.1.2 方案分析直接干燥法虽然测量原理简单且技术成熟,但测量周期较长,人为干扰因素多,并且不能进行在线测量.2.2 电容法2.2.1基本原理电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其它成分的介电常数,水分含量的变化势必引起电容量变化的原理,通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可知粮食的水分含量2.代表仪器为 SCY-1A,其测量精度0.3%,测量时间为 5s,测水范围为 10%20%,主要影响因素为温度、品种和紧实度。该法可进行在
4、线测量。2.2.2电容式水分仪传感器的测量原理 电容式水分仪采用圆柱形容器作为传感器,与采用平板式容器作为传感器相比,测量值受边缘效应影响小,操作也较为方便。其结构原理如图1所示3-4。柱型电容器由两个同心金属圆柱面作为电极组成,两电极高为L,内电极半径为r,外电极半径为R。当LR-r时,可忽略圆柱的边缘效应,设电容器两极板各带电荷+q和-q时,电荷均匀分布在内外两圆柱面上,圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为K(K=qL),由于两圆柱面间的电场具有轴对称性,故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为:两极板间的电势差为:由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为:当放入介电常数为的物质时
5、相对介电常数为r为:放入介质后的电容为:把(5),电容的计算公式即为对于水分含量为M的粮食,其对应的相对介电常数为r,当粮食水分含量发生变化为M+M时,其相对介电常数亦相应变化为r+r,由此而引起的电容变化为:所以,电容值相对变化与粮食相对介电常数的相对变化之间呈线性关系。可以通过测量电容值的变化求得粮食介电常数的变化。2.2.3 电容值的检测方法目前微小电容值的检测方法有运算放大电路法、电桥电路法、谐振电路法以及脉冲宽度调制法等,本文采用了直流充/放电检测方法来对微小电容进行检测。该方法不仅有抗杂散电容的能力,而且电路简单,检测电路如图2所示。但是它有一些缺点:(1)模拟电路的后续部分需要对
6、直流信号进行放大,会产生零点漂移:(2)充/放电检测电路中,采用了CMOS电子开关,会产生注入电流,从而影响测量精度;(3)在开关切换的瞬间,相邻两个开关要经历由开到关、由关到开的过渡过程,然后再达到稳定的充电或放电状态,影响不可忽略,有效的方法是让两个开关做到先关后开。在这个电路中,开关S1和S4关闭, S2, S3断开的半个周期是充电周期,电荷为: Q1=VcCx (8)Q1经放大器1冲电到电容上,这个循环过程以频率f重复着,这样得到一个校小的流入放大器的平均电流:I1=fQ1=fVcCx (9)放大器1上得到一个平均输出电压:V1=-I1Rf=-fVcCxRf (10)开关S1和S4断开
7、,S2,S3闭合的半个周期是放电周期,经过放大器2对电容进行放电,得到一个平均的输出电压:V2=fVcCxRf (11)这两个电压信号在差分放大器中相减的到一个输出电压:V3=V2-V1 (12)这个电路中,在保持f, Vc和Rf不变的情况下,可以得出电容变化Cx与输出电压V3的线性对应关系,将电路的灵敏度提高了一倍。放大器1、2在选择时,尽量选择精度高、性能基本一致的器件,最好选用双封装的放大器。检测电路总体设计如图3所示。通过做实验得到不同粮食品种的不同水分含量与所测得的电压之间的关系,以及改变环境温度、粮食重量、紧实度等其他因素引起的所测电压的变化,通过设计的电路装置做大量的实验找出这些
8、因素之间关系。即达到通过所测得的电压值及环境温度值得到某品种粮食的水分含量值,然后送LCD显示。2.2.4 方案分析电容法测粮食水分含量方便简单,可在线快速测量,但因电容法的影响因素较多,在精度和重复性方面较难达到国家规定标准。随着人工智能和数据融合技术的发展,为数据综合处理提供了新的途径,目前也取得了一些可喜的结果。上面所述的电容式水分仪传感器就达到了较高的测量精度和水准。2.3微波吸收法2.3.1 基本原理 微波水分检测是近几年发展起来的一项无损检测新技术,它具有检测精度高、测量范围广、稳定性好、便于动态检测、对环境的敏感性小、可以在相对恶劣环境条件下进行等优点。微波作为一种频率非常高的电
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