電容式谷物水分傳感器的研制

電容式谷物水分傳感器的研制

谷物收獲通常含有高含量，容易引起發(fā)熱和發(fā)酵，導(dǎo)致變質(zhì)和發(fā)芽率降低。為了確保安全貯存,必須將收獲后的谷物及時(shí)干燥,將水分降至安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)。為避免“欠干燥”及“過干燥”問題,干燥過程中需進(jìn)行水分在線測試。本文利用自行研制的電容式谷物水分傳感器對(duì)在線測量時(shí)的外界因素包括谷物緊實(shí)度、溫度、谷物品種等進(jìn)行試驗(yàn)研究,建立谷物水分測量影響因素和傳感器輸出頻率之間的關(guān)系模型,以實(shí)現(xiàn)谷物水分檢測的精準(zhǔn)。1試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法1.1干燥機(jī)谷物分流+檢測為確保測量時(shí)谷物孔隙率的穩(wěn)定,設(shè)計(jì)了一個(gè)分流式取樣裝置,下端安裝排糧輪,通過排糧輪均勻排糧,保證恒定的孔隙率。取樣裝置嵌入出糧通道中,對(duì)干燥機(jī)出糧口的谷物進(jìn)行分流,分流后的谷物一部分流入取樣裝置,與安裝在取樣裝置上的傳感器的測試表面直接接觸,從而直接測出谷物的電容值。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn):谷物流動(dòng)過程中沒有死角,并且靠近傳感器部分谷物流動(dòng)波動(dòng)不明顯,因此對(duì)傳感器的測量結(jié)果不產(chǎn)生影響。采用上述形式的傳感器安裝方式,可將傳感器測試表面屏蔽起來,基本上不受外界環(huán)境的干擾。1.2表面活性劑當(dāng)傳感器中充滿流動(dòng)谷物時(shí),傳感器所測電容C與谷物含水率M之間的關(guān)系式為:其中,C—傳感器所測電容值;ε0—真空介電常數(shù);M—谷物含水率;ε1—谷物中干物質(zhì)的介電常數(shù);ε2—谷物中水分的介電常數(shù);ε3—谷粒孔隙中空氣的介電常數(shù);D—極板間距;A—極板面積,A=H×L;γd—谷物干物質(zhì)的容重;e—谷物孔隙率。由式(1)可知,傳感器所測電容除與谷物水分M成單值函數(shù)關(guān)系外,還受谷物的干物質(zhì)、谷物的水分及谷粒孔隙中的空氣這三者的介電常數(shù)的影響。試驗(yàn)方法為:制備不同水分的谷物樣品,取小樣用105℃標(biāo)準(zhǔn)烘箱法測定谷物水分。其余樣品送入圖1所示試驗(yàn)裝置,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立起傳感器輸出頻率與谷物水分的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。進(jìn)行不同溫度下測定谷物水分的試驗(yàn)研究,另外對(duì)谷物不同含雜率和流速也要做一下定量的試驗(yàn)研究。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1系曲線的繪制取不同含雜率的玉米進(jìn)行試驗(yàn),其含水率M與傳感器輸出頻率f(多次測量求平均值)之間的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知,常溫(15℃)下不同含雜率玉米含水率M與輸出頻率f之間均有較好的線性關(guān)系,三條曲線非常接近,并且其回歸方程的斜率近似相等,因此可知含雜率對(duì)測試結(jié)果的影響很小,測試中,具體可通過鍵標(biāo)定來消除,故含雜率的影響在本研究中不做定量分析。2.2溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)時(shí),取同一含水率水平的玉米,通過調(diào)節(jié)排糧輪轉(zhuǎn)速來改變谷物流速(1～5m/h),并記錄傳感器的輸出頻率。試驗(yàn)過程中,保持谷物溫度基本恒定。試驗(yàn)結(jié)果表明:在上述流速變化范圍(可以滿足大多數(shù)谷物干燥機(jī)的流速要求)內(nèi),同一含水率水平下,所測頻率的波動(dòng)很小,基本上不受谷物流動(dòng)速度變化的影響,并且試驗(yàn)過程中不存在堵塞及架空問題。本研究試驗(yàn)過程中采用3m/h。2.3玉米含水率的測量溫度變化會(huì)引起谷物介電常數(shù)的變化,從而影響測試結(jié)果,因此要進(jìn)行溫度的軟件補(bǔ)償。具體方法是:首先判斷谷物溫度范圍,設(shè)為T0～T1(比如15℃～20℃),然后根據(jù)T0、T1溫度下的C-M關(guān)系曲線可求得水分值M0、M1,則谷物水分可由式(2)求得:利用烘箱對(duì)玉米進(jìn)行加熱,排出后攪拌冷卻,在20℃～50℃五種不同溫度下,玉米含水率與傳感器輸出頻率之間的關(guān)系曲線如圖3所示。由此可知,在20～50℃時(shí)玉米含水率M與輸出頻率f之間有較好的線性關(guān)系。溫度越高,對(duì)應(yīng)的M-f方程的斜率越小;同一含水率水平下,溫度越高,對(duì)應(yīng)的傳感器輸出頻率值越大,溫度對(duì)傳感器輸出頻率的影響也越大。3系統(tǒng)測量誤差分析在常溫(15℃)下,運(yùn)用該自制電容傳感器對(duì)不同含水率的玉米、小麥樣品各10份進(jìn)行測量,水分并用烘箱法進(jìn)行標(biāo)定。表1中,M是用電容傳感器測得的數(shù)據(jù),N是用標(biāo)準(zhǔn)烘箱法測得的數(shù)據(jù)。由表1可以得出:當(dāng)谷物含水率低于16.4%(安全貯存水分附近)時(shí),系統(tǒng)的測量誤差在±0.3%范圍內(nèi);當(dāng)谷物含水率為16.4%～21.1%時(shí),系統(tǒng)的測量誤差在±0.4%范圍內(nèi);而當(dāng)谷物含水率高于21%(可暫時(shí)貯藏水分),即處于高水分段時(shí),系統(tǒng)的測量誤差在±1%范圍內(nèi)。4傳感器輸出頻率的測試4.1傳感器輸出頻率基本不受谷物流速影響,因此可以通過調(diào)節(jié)排糧輪轉(zhuǎn)速,使取樣裝置分流谷物的流速與干燥機(jī)的排料速度保持一致,從而實(shí)現(xiàn)在線測試;4.2溫度一定的情況下,谷物含雜率與傳感器輸出頻率之間有較好的線性關(guān)系;4.3谷物含水率一定的情況下,谷物溫度越高,對(duì)應(yīng)的傳感器輸出頻率值越大,溫度對(duì)傳感器輸出頻率的影響也越