电容式谷物水分传感器测量的影响因素研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.28M 资料格式：pdf 举报版权申诉

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第1页.png

第1页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第2页.png

第2页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第3页.png

第3页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第4页.png

第4页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第5页.png

第5页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第6页.png

第6页 / 共7页

weixin_38548817-12206028-16359647843637546511.pdf-第7页.png

第7页 / 共7页

文本预览

http://www.paper.edu.cn 电容式谷物水分传感器测量的影响因素研究刘嫣红毛志怀杨柳中国农业大学工学院（100083） email: liuyanhong@cau.edu.cn 摘要：本文对于影响电容式谷物水分传感器测量结果的因素--谷物孔隙率、温度、谷物品种、谷物含水率等分别进行分析和试验研究，得出了消除这些因素的方法。将这些方法运用于所研制的电容式谷物水分传感器，经过试验验证，低水分段时测量结果波动很小,可以满足干燥生产的要求。关键词：电容式水分传感器，影响因素，电容值，谷物含水率 1. 引言谷物收获时一般含水率较高，容易造成谷物发热、发酵、变质和发芽率下降。为了确保谷物安全贮存，必须将收获后的谷物及时干燥，将谷物水分降至安全贮藏标准[1-2]。可安全储存谷物的介电常数一般为 2～3，水的介电常数为 80.37（20℃）。电容式谷物水分传感器以谷物为介质，利用水的介电常数远高于谷物介电常数的特性来测定谷物含水率，可实现快速检测[3-7]。但电容传感器所测电容值与谷物含水率之间并不是单值函数关系，其结果还受一系列其它因素的影响，本文对影响传感器测量结果的各个因素进行分析研究。 2. 影响因素分析当传感器中充满流动谷物时，传感器所测电容 C 与谷物含水率 M 之间的关系式[8-9]为： eKC 0 = ε 3 + K 1( 0 − e ) ε 1 + K 1( γ d 0 1 + − M e )( ) εε 2 1 ( − γ d − )1 M （1）式中，K0= LH0ε D 。其中，C—传感器所测电容值； 0ε —真空介电常数； M—谷物含水率； 1ε —谷物中干物质的介电常数； 2ε —谷物中水分的介电常数； 3ε —谷粒孔隙中空气的介电常数； D—极板间距； A—极板面积，A=H×L； dγ —谷物干物质的容重；e—谷物孔隙率。由式(1)可知，传感器所测电容值与下列因素有关： ①谷物含水率 M。电容值 C 的变化与含水率Ｍ的关系为非线性关系，对于某一种物质，其 C-Ｍ曲线很难用一个简单的函数来描述。因此，电容法水分检测的非线性补偿十分重要。 ②传感器的结构参数 H、L、D。对于确定的传感器，各参数均为常量，对于测量结果没 - 1 -

有影响。 http://www.paper.edu.cn ③三相物质的介电常数。不同的谷物品种有不同的介电常数 1ε ，需对不同的谷物分别进行研究。另外，温度及电容器所加交流电场的频率也是影响这些介电常数的主 εεε 、、 1 3 2 要因素，对于确定的传感器，电容器所加交流电场的频率是恒定的，可不考虑该因素的影响，而温度变化引起的介电常数的变化必须要加以消除。 ④谷物孔隙率 e 的变化，即谷物堆积密度的变化，是影响电容传感器测量精度的主要因素，必须设法克服。 3. 影响因素的消除方法研究 3.1 谷物孔隙率为消除谷物孔隙率变化对传感器测量结果的影响，传统的电容传感器多采用分批采样以及恒定频率压实法，这种方法可以消除谷物孔隙率变化对传感器测量结果的影响，但不能满足在线测试的需要。为满足在线测试的需要，设计了一个分流式取样装置，下端安装排粮轮，通过排粮轮均匀排粮，保证恒定的孔隙率。取样装置嵌入出粮通道中，对干燥机出粮口的谷物进行分流，分流后的谷物一部分流入取样装置，与安装在取样装置上的传感 4 5 1 2 3 器的测试表面直接接触，从而直接测出谷物的电容值。实验装置如图 1 所示。图 1 实验装置图其中，1 为取样装置；2 为二次侧系统；3 为电容式水分传感器；4 为无级变速器；5 为单相电机。在一定的温度下，谷物流速分别取为 0.5m/h、1 m/h、2 m/h、3 m/h、4 m/h、5 m/h 及 6m/h 时（该流速范围可以满足大多数粮食干燥机的流速要求），试验中观察发现：同一含水率水平下，传感器所测电容值基本恒定，不受谷物流动过程及流动速度变化的影响。因此，我们可以认为：采用图 1 所示取样装置，可以消除谷物孔隙率变化的影响。并且，采用上述形式的传感器安装方式，可将传感器测试表面屏蔽起来，基本上不受外界环境的干扰。 3.2 温度资料分析[10]表明，电容传感器测得电容值 C 受温度Ｔ变化的影响很大，Ｔ升高，C 变大，并且，不同温度下，C-M 曲线的上升速率不同，不能平移重合。因此，对于同一含水率的谷物，我们必须在不同温度下测量传感器电容值，以求得不同温度下谷物含水率与传感器所测电容值之间的关系曲线 C-M，从而进行温度补偿。温度补偿的具体方法是：首先判断谷物温度范围，设为 T0~T1（比如 15℃~20℃、20℃ ~25℃、25℃~30℃、30℃~40℃或 40℃~50℃），然后根据 T0、T1 温度下的 C-M 关系曲线 - 2 -

可求得水分值 M0、M1，则谷物水分可由式（2）求得： http://www.paper.edu.cn M = 0M + TT − 0 ( T T − 1 0 3.3 谷物品种 MM − 1 ) （2） 0 电容式谷物水分传感器测得电容值与谷物品种和谷物粒型[11]有关。被测样品的品种繁多，有些品种还受气候、土壤等自然条件的影响，因此品种的影响非常复杂，需对不同品种的谷物分别进行测试，以求得不同品种谷物的 C-M 曲线。本文选用水稻、玉米、小麦分别进行测试。因地点及季节的原因，不容易得到不同水分的谷物，特别是刚收获的高水分谷物，所以，试验中通过加水浸泡来提高谷物水分。浸泡方法：在环境温度下，将玉米浸泡约 24 小时，水稻及小麦浸泡约 12 小时，浸泡期间注意搅拌均匀。取一粒谷物用小刀从中间剖开，观察到剖面处完全浸湿即可。之后捞出在室内地面上摊开，要不停地搅拌翻动，保证其均匀自然干燥。电容式水分传感器测得的水分包括游离水和结合水，试样中水分分布不均匀，对测量结果有较大影响。因此每个样品要在一定的环境下放置约 24 小时，以保证谷物样品水分均匀。但在样品的制备过程中发现：放置后，水稻样品的测量结果有很大的变动；而玉米和小麦则无此现象发生。这与谷物的平衡含水率有关。谷物的平衡含水率指谷物放置在空气中，既不吸收水分也不放出水分时的含水率。温度与相对湿度一定的情况下，玉米和小麦整粒的平衡含水率值是一定的，而水稻的稻壳与稻米则具有不同的平衡含水率值，放置时，稻壳与稻米之间会发生水分的相对转移，故放置后水稻样品的测量结果会有很大的变动。不同温度和不同相对湿度下谷物的平衡含水率值如表 1 所示。表 1 不同温度和不同相对湿度下谷物的平衡含水率表[12] 谷物温度（℃）稻谷稻米玉米小麦稻谷稻米玉米小麦 20 20 20 20 30 30 30 30 20 7.5 8.0 8.2 7.8 7.1 7.6 7.9 7.4 空气相对湿度（%） 40 10.4 10.9 10.7 10.7 10.0 10.6 10.1 10.2 50 11.4 12.0 11.9 11.8 10.9 11.6 11.2 11.4 60 12.5 13.0 13.2 13.1 11.9 12.5 12.4 12.5 70 13.7 14.6 14.7 14.3 13.1 13.9 13.9 14.0 30 9.1 9.6 9.4 9.2 8.5 9.2 9.0 8.8 80 15.2 16.0 16.9 16.0 14.7 15.4 15.9 15.7 90 17.6 18.7 19.2 20.0 17.1 17.7 18.3 19.3 鉴于上述原因，考虑到实际干燥过程在线测试的特点，我们对水稻样品的处理方法是：样品制备完成后不经放置马上便进行试验。 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 3.4 谷物含水率电容传感器的输出结果为电容值，为了用所研制的电容式谷物水分传感器测量谷物的含水率，必须首先建立谷物含水率与传感器所测电容值之间的对应关系。试验过程中，取不同含水率水平的玉米、小麦和水稻，通过自制的传感器，测得传感器的电容值 C，多次测量求平均值。然后取一定量的谷物样品，用 105℃标准烘箱法测得样品的含水率 M。但在试验过程中发现：当谷物含水率超过 19％时，传感器无法正常工作，测不出所需电容值。其原因还要从电容传感器及谷物的电特性本身来找。电容式水分传感器可用图 2 的平板电容器[13-14]来表示，它的电路模型如图 3 所示。图 2 平板电容器图 3 传感器的电路模型其中 xC 为一个与谷物含水率有关的电容，其值随含水率的增大而增大。 xR 为一个随含水率变化的电阻，谷物含水率增高，导电离子浓度变大， xR 值变小；反之， xR 值变大。测量线路能否测量出变换器的真正电容值，从原理上看，要取决于振荡回路中变换器带来的损耗大小。振荡回路中，当谷物在变换器的电路中呈现很大的电导时，自激振荡就遭破坏，测量线路就不能工作。为避免导电电流的影响，提高测量精度，可采用 LC 高频振荡电路，从而可使电容容抗远小于电阻阻抗；而另一方面，由于分布电容的影响，振荡频率ω也不能太高，一般为 1~30MHZ。振荡器的选频回路如图 4 所示。图 4 振荡器选频回路在谷物含水率较低时， xR 很大，可达兆欧， xC 一般有十几皮法，则电路品质因数 = 当谷物含水率很高（一般为 20≥ ％）时， xR 急剧减小，只有千欧左右，电路品质因数 = ，电路难以起振，测量线路工作困难。因此，为使传感器正常工作，我，电路的自激振荡非常容易。 Q ω RC 1> x x x x x X 1<< RC Q ω 们要设法提高电路的品质因数，即增大 xR 或 xC 。 4. 试验验证：提升传感器电路的品质因数，将所研制的传感器安装于图 1 所示的实验装置，在 15℃ 时，取不同含水率水平的玉米、小麦和水稻，流过自制的传感器，测得传感器的电容值 C, 然后取一定量的谷物样品，用 105℃标准烘箱法测得样品含水率 M，从而建立不同谷物含水率与传感器所测电容值之间的对应关系。试验结果如表 2～表 4 所示。 - 4 -

表 2 15℃时玉米含水率与传感器输出频率的试验结果电容值 C 玉米含水率 M 电容值 C 玉米含水率 M http://www.paper.edu.cn （F） 1475±1 1486±1 1488±1 1496±1 1505±1 1518±1 1533±1 1543±2 1548±2 1550±2 1568±2 1586±2 1604±3 1619±3 1626±3 1639±3 1648±3 1656±4 1696±4 （%）序号 9.5 10 10.1 10.4 11.6 12 12.4 14.3 15 15.7 16.1 16.8 18.3 18.5 19.1 19.5 20.6 20.9 21.3 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 （F） 1703±4 1710±4 1721±5 1725±5 1730±5 1726±6 1739±7 1769±7 1777±9 1820±13 1841±12 1830±11 1863±15 1886±16 1895±20 1917±23 1932±26 2080±30 2198±32 （%） 21.5 21.8 22.2 22.9 23.4 23.6 24.1 24.2 25.4 27 28.1 28.9 30.1 30.8 31 31.9 32 32.8 33.2 表 3 15℃时小麦含水率与传感器输出频率的试验结果电容值 C 小麦含水率 M （F） 1557±1 1572±1 1576±1 1594±1 1596±1 1613±2 1623±2 1629±2 1639±2 1656±3 1673±3 1692±3 1719±3 1746±4 （%） 8.7 11.6 11.7 13.6 13.8 14.5 15.1 16 16.6 17.7 18.3 19.3 21 22.3 序号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 电容值 C 小麦含水率 M （F） 1760±4 1783±4 1794±5 1817±7 1839±13 1849±12 1872±15 1889±15 1854±16 1903±16 1924±17 1947±19 2032±29 2184±38 （%） 23.1 25.9 28 28.6 30.4 30.7 32.4 32.8 33 34 35.8 36.7 37.7 38.1 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 - 5 -

表 4 15℃时水稻含水率与传感器输出频率的试验结果 http://www.paper.edu.cn 电容值 C 水稻含水率 M （F） 1439±1 1462±1 1465±1 1478±1 1470±2 1487±2 1488±2 1509±2 1517±3 1533±3 1538±3 1548±4 1555±4 1559±5 （%） 10 11.2 12.2 13.3 13.9 15 16.1 17.4 18.2 18.8 19.2 20.1 20.9 21.5 序号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 电容值 C 水稻含水率 M （F） 1561±4 1565±5 1564±5 1583±7 1594±9 1608±8 1628±8 1633±10 1646±12 1660±16 1724±11 1738±15 1786±15 1816±21 （%） 22.1 22.3 22.5 23.5 24.4 25.6 27 28 28.7 29.4 30 30 30.9 32.6 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 注：表 2～表 4 中电容值表示的意义，例如“1439 ± 1” 中，“1439”表示电容值多次测量的平均值，“ ± 1” 则表示各测量值相对平均值的最大波动值。分析表 2、表 3 和表 4 可发现，当含水率较低时，测试结果非常稳定，而当谷物含水率较高（一般为 24≥ ％）时，传感器测得电容值的波动仍然很大，这是因为我们提高电路品质因数的过程中引入了新的干扰因素，因此对高水分谷物电容的测量产生干扰，使测量结果出现波动大、不稳定的现象。具体来讲，玉米含水率低于 24%、小麦含水率低于 28%、水稻含水率低于 23%时，测试结果波动很小，可以满足干燥生产的要求。 5. 结论 1) 本文研制的分流式取样装置，通过排粮轮均匀排粮，可以消除谷物孔隙率变化对传感器测量结果的影响，并且，传感器测量结果不受排粮轮转速变化的影响； 2) 温度变化会引起谷物介电常数的变化，从而影响传感器的测量结果，因此需求得不同温度下传感器所测电容值与谷物含水率之间的关系曲线，从而进行温度的软件补偿； 3) 谷物品种不同，其介电常数也不同，因此传感器测量结果受谷物品种的影响很大，需对不同品种的谷物分别进行测试，以求得不同品种谷物的 C-M 曲线； 4) 谷物含水率较低时，所研制传感器的测量结果非常稳定；而对于高水分谷物，测量结果波动较大，测量精度偏低。具体来讲，玉米含水率低于 24%、小麦含水率低于 28%、水稻含水率低于 23%时，测试结果波动很小，可以满足干燥生产的要求。 - 6 -

参考文献 http://www.paper.edu.cn [1] 谷物储藏编写组，谷物储藏．北京：中国财政经济出版社 [2] 国家科委科研成果管理办公室，谷物储藏和加工技术．北京：科学技术文献出版社 [3] Lawrence K.C, Nelson S. O. Radio-Frequency Density-Independent Determination in Wheat. Transaction of the ASAE, 1993, 38(3), 477-483 [4] 汪延祥．介质变化型电容谷物水分测量仪的数学模型．仪器仪表学报，1992，13(2)，191-196 [5] Kandala C.V. K. Capacitance Sensors for Measuring Single Kernel Moisture Content in Corn. Am. Soc. Agri. Eng. 86-88 [6] 中国农业机械化科学研究院谷物干燥机械编写组．谷物干燥机．北京：中国农业机械出版社 [7] 颜华．谷物水分在线测试系统的研究．北京：中国农业大学学位论文，1998 [8] 李庆中，高玉根，张道林，等．谷物含水率在线测试系统的研究[J]．农业机械学报，1995，26(3)： 80-84 [9] 张赤军,张劲南．用电容作传感器的谷物水分在线测试仪[J]．长春理工大学学报，2004,27(1)：19-21 [10]滕召胜，周光俊．粮食水分快速检测中的几个关键问题．计算机工程与运用，2000.1：158-160 [11]滕召胜，周光俊．谷物品种因素对水分快速检测的影响与改善方法．中国仪器仪表，1998(1)：15-17 [12]山东省农业机械管理局．实用农机技术手册．山东：山东科学技术出版社，1992，551 [13]谢自美．电子线路设计、试验、测试．武汉：华中理工大学出版社 [14]康华光．电子技术基础．北京：高等教育出版社 ANALYSIS AND STUDY ON FACTORS INFLUENCING GRAIN CAPACITIVE MOISTURE SENSOR Liu Yanhong Mao Zhihuai Yang Liu College of Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100083 Abstract：Factors such as pore-solids ratio、temperature、grain varieties and grain moisture content that influence grain capacitive moisture sensor were analyzed and methods that can avoid these factors were worked out. These methods were applied to the self-developed sensor and experimental results show that it can meet the demand of drying process. Keywords: Capacitive moisture sensor, influencing factor, capacitance, grain moisture content - 7 -

分享到：

赞收藏

资料库

电容式谷物水分传感器测量的影响因素研究.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料