本發(fā)明涉及一種檢測裝置，尤其涉及一種浮地式糧食水分在線檢測裝置。

背景技術：

水我國在糧食干燥模型解析理論及控制技術領域的研究，揭示了糧食水分結合能及干燥系統(tǒng)熱能構，指明了利用客觀干燥勢實現(xiàn)高效節(jié)能的技術途徑，開發(fā)了糧食干燥自適應控制系統(tǒng)，但可靠的水分在線檢測仍是實現(xiàn)技術應用的難點之一。水分含量關系到糧食的物理與化學性質(zhì)，是評價產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標，也是實現(xiàn)干燥過程調(diào)控，節(jié)能降耗工藝設計必不可少的關鍵參數(shù)之一，但目前仍然缺少準確度高、穩(wěn)定性好的在線水分檢測裝置和技術。

圍繞微波法、紅外法、電學法、壓力法等開發(fā)在線檢測儀已進行大量的嘗試。微波、紅外和電容法共同的缺點是受糧食的形狀、厚度、密度以及粒體內(nèi)部的水分分布影響較大，在高粉塵環(huán)境及谷物水分波動較大時的檢測精度較低，中子法測量的最大的問題是氫的散射特性不穩(wěn)，中子計數(shù)比與谷物容積含水率關系的變化規(guī)律因糧食的品種而異，不同時期、不同品種的糧食也不相同。采用中子法測量糧食含水率時必須對每一批物料作相應的預處理工作，技術尚不成熟?；陔娮璺ㄩ_發(fā)了高精度的糧食含水率單粒在線檢測儀，但可靠的在線采樣問題困擾著技術的應用。糧食干燥系統(tǒng)存在諸多不確定因素，高溫、高濕、高粉塵、流態(tài)波動、含雜率變動都給檢測精度及可靠性造成很大困難。針對電容方式在線測量特定的技術問題，如建立定流量條件下傳感器震蕩頻率，探索介電損耗因數(shù)，改進極板結構，檢測與控制進行了系統(tǒng)的研究，至今作為可靠技術產(chǎn)品在線應用的范例極缺，檢測精度及可靠性受糧食流態(tài)波動影響極大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決糧食水分檢測精度及可靠性易受糧食流態(tài)波動影響的問題，設計了一種浮地式糧食水分在線檢測裝置。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

浮地式糧食水分在線檢測裝置由電容傳感器、定位充料器、排糧機構、微電容測量電路、無線通訊網(wǎng)絡等部分構成。定位充料器安裝在干燥機出糧口附近，出糧口的一部分糧食會落入并填滿定位充料器，定位充器的排料滾輪把糧食勻速穩(wěn)定地送進電容傳感器，保證傳感器內(nèi)糧食在同一含水率下的空隙率保持一致。電容傳感器頂部有電容式接近開關，當糧食裝滿傳感器后，接近開關向單片機( MCU) 輸出信號，此時MCU 通過電容數(shù)字轉換電路(CDC) 和溫度數(shù)字轉換電路( TDC) 記錄被測糧食的電容值和溫度值并計算出對應的含水率。測量結束后MCU啟動排糧電磁鐵，打開排糧側板，把已測糧食排出傳感器，系統(tǒng)進入下一次測量。測量過程中傳感器測量結果通過無線模塊實時發(fā)送至計算機，實現(xiàn)用戶遠程監(jiān)控。

所述的電容傳感器結構采用薄板結構的非接觸式平行極板浮地電容測量法，測量過程糧食與極板不接觸，可避免電極受電化學腐蝕，同時也提高了高水分下糧食電容的測量精度。測量區(qū)域周圍包裹屏蔽層隔絕外界電磁場干擾。電容極板為1.6mm厚雙面覆銅板，兩塊極板面積和形狀相同，極板內(nèi)側面為電容測量電極，反面接地。傳感器外保護板和測量容腔材料均為亞克力板。兩電容極板安裝在測量容腔外表面，容腔內(nèi)被測糧食與電容極板絕緣。電容極板接地面粘貼一層雙面導電鋁箔以隔絕外部電磁場的干擾，屏蔽層的面積略大于極板面積，多出的部分具有等位環(huán)，減少了邊緣效應傳感器測量容腔外安裝外保護板，保護電容極板和屏蔽層，實現(xiàn)防水防塵功能。

所述的定位充料器安裝在傳感器容腔上方，電動機帶動排料滾輪旋轉把集料斗中的谷物以線狀方式均勻灑落，以谷物干燥在線檢測玉米為例，其灑落平均速度約為15g/s。

所述的排糧機構設計成側向打開在靜止狀態(tài)下，彈簧有一定的預拉力，保證排料門不會被糧食的側向作用力推開；排糧時，電磁鐵通電，推動轉臂克服彈簧拉力打開排料門；4 s后糧食排清，電磁鐵自動斷電，排料門在彈簧的回彈下復位。

所述的測量容腔空載時的電容為0.2pF，當容腔裝滿糧食時電容為5～35pF，為了得到較高精度的含水率數(shù)據(jù)，測量電路分辨率需小于0.1pF，該精度采用傳統(tǒng)的阻抗法和諧振法均難實現(xiàn)。采用AD7745及其擴展電路與單片機共同搭建糧食電容式在線檢測微小電容測量電路，AD7745的電容測量范圍為0～21pF，采用電容比例法，可把電容檢測范圍擴大至0～120pF。

所述的無線通信網(wǎng)絡是為保證水分在線裝置與電腦間通信實時、準確、穩(wěn)定，避免干燥現(xiàn)場惡劣環(huán)境對數(shù)據(jù)通信的影響，降低設備安裝周期和成本，本文設計了適合水分在線裝置的無線通信網(wǎng)絡。傳感器端采用JZ873無線數(shù)傳模塊，該模塊采用透明傳輸方式通過串口與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)； 電腦端采用JZ874USB無線數(shù)傳模塊。兩模塊間的傳輸頻率為433MHz，波特率為9600bps，采用3.5db吸盤天線，無線傳輸距離不少于2000m，滿足糧食干燥數(shù)據(jù)傳輸距離要求。糧食水分在線檢測裝置與電腦無線通信采用ModbusASCII通信協(xié)議。該協(xié)議包括地址碼，功能代碼，數(shù)據(jù)區(qū)間和LＲC校驗，能夠實現(xiàn)多設備間的通信。

所述的糧食干燥設備運行過程中會排出大量的水蒸氣。干燥過程中糧食間相互摩擦，在風機和提升機的作用下產(chǎn)生大量的粉塵。因此參照GB4028—2008對傳感器的電源、控制電路和執(zhí)行機構作防水防塵處理，達到IP64CM級別。傳感器在檢測過程中不斷地受到糧食沖刷，在沒有防護的情況下，傳感器短時間內(nèi)就會被嚴重磨損，因此必須在糧食水分在線檢測裝置外表面和電容測量容腔內(nèi)壁粘貼厚度為1mm的玻璃。

本發(fā)明的有益效果是：

采用非接觸式平行浮地電容法測量糧食電容，糧食按批次進行測量，測量過程糧食處于穩(wěn)態(tài)，因此電容具有較高的穩(wěn)定性；定位充料器保證了糧食定位充填的均勻性，提高了傳感器測量的準確性與重復性；采用無線通信，實現(xiàn)了在線檢測裝置與控制器間通信，避免了線損等不確定因素對檢測可靠性的影響；采用定位充料，批次穩(wěn)態(tài)測量，無線通訊保證了在線檢測的精度和可靠性，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%。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是系統(tǒng)構成。

圖2是微電容測量電路硬件原理。

具體實施方式

如圖1所示，浮地式糧食水分在線檢測裝置由電容傳感器、定位充料器、排糧機構、微電容測量電路、無線通訊網(wǎng)絡等部分構成。定位充料器安裝在干燥機出糧口附近，出糧口的一部分糧食會落入并填滿定位充料器，定位充器的排料滾輪把糧食勻速穩(wěn)定地送進電容傳感器，保證傳感器內(nèi)糧食在同一含水率下的空隙率保持一致。電容傳感器頂部有電容式接近開關，當糧食裝滿傳感器后，接近開關向單片機( MCU) 輸出信號，此時MCU 通過電容數(shù)字轉換電路( CDC) 和溫度數(shù)字轉換電路( TDC) 記錄被測糧食的電容值和溫度值并計算出對應的含水率。測量結束后MCU 啟動排糧電磁鐵，打開排糧側板，把已測糧食排出傳感器，系統(tǒng)進入下一次測量。測量過程中傳感器測量結果通過無線模塊實時發(fā)送至計算機，實現(xiàn)用戶遠程監(jiān)控。

在電場形式確定后，影響測量電容的主要因素是被測糧食的介電常數(shù)，介電常數(shù)是被測糧食分子在電場中發(fā)生極化現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)。假設電容的測量容腔內(nèi)均勻裝滿糧食，容腔內(nèi)電場線均勻分布，則可以把電容測量容腔內(nèi)的糧食視為干空氣、水、碳水化合物3種物質(zhì)的混合物。空氣和碳水化合物為低損耗介質(zhì)，其介電常數(shù)隨溫度變化很小，在50kHz頻率下分別約為1和3～5；水為高損耗介質(zhì)，其介電常數(shù)隨溫度變化而變化，在50kHz 頻率下，0～100℃的水介電常數(shù)為55.88～78.9。因水的介電常數(shù)遠大于其他2種物質(zhì)，因此被測糧食的介電常數(shù)與其含水率直接相關，含水率越高，介電常數(shù)越大。為了獲得均勻穩(wěn)定的測量電場并減少邊緣效應，本文采用薄板結構的非接觸式平行極板浮地電容測量法，測量過程糧食與極板不接觸，可避免電極受電化學腐蝕，同時也提高了高水分下糧食電容的測量精度。測量區(qū)域周圍包裹屏蔽層隔絕外界電磁場干擾。圖2 所示為電容式糧食在線檢測傳感器結構。電容極板為1.6mm厚雙面覆銅板，兩塊極板面積和形狀相同，極板內(nèi)側面為電容測量電極，反面接地。傳感器外保護板和測量容腔材料均為亞克力板。兩電容極板安裝在測量容腔外表面，容腔內(nèi)被測糧食與電容極板絕緣，電容極板接地面粘貼一層雙面導電鋁箔以隔絕外部電磁場的干擾，屏蔽層的面積略大于極板面積，多出的部分具有等位環(huán)，減少了邊緣效應，傳感器測量容腔外安裝外保護板，保護電容極板和屏蔽層，實現(xiàn)防水防塵功能。料位傳感器裝于傳感器頂部，用于檢測糧食是否裝滿傳感器容腔。傳感器下側裝有數(shù)字溫度傳感器，用于測量糧食溫度，修正溫度對電容測量的影響。

糧食電容除受溫度和含水率影響外，其堆積的空隙率也顯著影響測量電容。相同含水率的糧食以不同方式落入測量容腔時，容腔內(nèi)糧食的空隙率亦會改變，從而影響測量結果。因松散物料的空隙率難以在線測量，因此需要探討不同落入方式對其堆積空隙率的影響及其重復性。試驗設定3類具有代表性的糧食在線落入方式，第1類為定點灑落，第2類為線型灑落，第 類為整個截面均勻灑落，其中定點灑落方式設計了3個灑落位置，分別是1～3； 線型灑落方式設計了4個灑落位置，分別是4～7； 均勻灑落方式標記為8，每種灑落方式分3種灑落速度，其中定點灑落方式的落入速度分別為5、10和20g/s； 線型灑落方式的落入速度分別為10、20和30g /s； 均勻灑落方式的灑落速度分別為25、35和50g/s。玉米樣品含水率分別為13.3%、15.1%和17.6%，每次試驗重復20次。

含水率為13.3%的玉米在8種灑落方式下，其測量電容從8.8pF變化到13.2pF，灑落面積越大，測量電容越高。含水率為15.1%和17.6%的玉米也具有相同的特性，而且灑落面積越大，玉米含水率變化對測量電容的影響也越明顯。因此，灑落方式對測量電容有顯著影響。對比相同灑落方式下不同灑落速度最終測得的玉米電容可看出，在試驗設定的灑落速度范圍內(nèi)，灑落速度變化對測量電容影響不大。通過分析相同灑落方式下不同灑落位置最終測得的玉米電容可得，灑落位置變化對測量電容的影響不明顯。由此可知，灑落方式顯著影響測量電容，而灑落位置和灑落速度的變化對其測量電容的影響不大。因此，合理控制糧食進入測量容腔時的灑落方式，能避免在線檢測過程中谷物隨機灑落對測量精度的影響，為此設計線型灑落定位充料器。定位充料器安裝在傳感器容腔上方，電動機帶動排料滾輪旋轉把集料斗中的谷物以線狀方式均勻灑落，以谷物干燥在線檢測玉米為例，其灑落平均速度約為15g/s。

在線測試過程中，為獲得穩(wěn)定、準確及高重復性電容，測量容腔內(nèi)的糧食以批次穩(wěn)態(tài)方式采集并測量，傳感器每次測量承裝約800g糧食，一次測量總用時約為1.5min，與6～7 h的糧食干燥過程相比，可以看作實時測量，不存在測量滯后性，測量結束后，迅速排清已測糧食，以保證每次新測量糧食與已測糧食不會相互混合，因此，需合理設計排糧機構，使得機構能高效、穩(wěn)定、可靠運行。運用相似理論，測量容腔可以類比成深倉，從Janssen提出的糧倉效應理論可知糧倉底部所受的正壓和側壓不會隨著填充高度線性增加，而是隨高度的增加而幅度逐步放緩，糧食高度到達一定以后，糧倉底部壓力會趨于一個飽和值，整個過程中，側壓力都遠小于正壓力?；谏鲜鲈?，為確保排糧機構動作靈活，必須減少測量過程中糧食對排糧機構的壓力，因此排糧機構設計成側向打開。在靜止狀態(tài)下，彈簧有一定的預拉力，保證排料門不會被糧食的側向作用力推開，排糧時，電磁鐵通電，推動轉臂克服彈簧拉力打開排料門，4s后糧食排清，電磁鐵自動斷電，排料門在彈簧的回彈下復位。

如圖2所示，測量容腔空載時的電容為0.2pF，當容腔裝滿糧食時電容為5～35pF，為了得到較高精度的含水率數(shù)據(jù)，測量電路分辨率需小于0.1pF，該精度采用傳統(tǒng)的阻抗法和諧振法均難實現(xiàn)。AD7745電容數(shù)字轉換芯片作為一種微電容檢測元件正逐步得到廣泛應用。AD7745 的電容測量范圍為0～21pF，采用電容比例法，可把電容檢測范圍擴大至0～120pF。本文采用AD7745及其擴展電路與單片機共同搭建糧食電容式在線檢測微小電容測量電路。測量電路控制器采用增強型51單片機STC12C5620AD，外部晶振為22.1148MHz，具有較高的運算速度和穩(wěn)定性，單片機與AD7745之間通過IIC 接口通信。電路測量原理采用浮地法，以減少傳感器極板對地的寄生電容以及對地的漏電。兩電容極板引線使用SYV-75-2-1同軸電纜，電纜的屏蔽層和傳感器屏蔽層相連并接地，以進一步消除寄生電容及引線間的耦合電容。測量電路性能檢測參考GB/T13978—2008 標準，結合空變電容和同惠TH2821BLCＲ數(shù)字電橋，對電路進行標定，標定結果顯示該電路的分辨率為0.01pF，精度為±0.1pF，可測量范圍為0～85pF，滿足測量要求。