谷物水分测量

谷物水分含量测量装置的设计摘要：通过比较市场上几种常用湿度传感器的优缺点，对谷物介电特性进行了分析，设计出一种谷物湿度传感器一电容式传感器，提出了利用单片机技术设计谷物含水量测量装置的具体设计方法，论述了谷物湿度测量系统的组成及工作原理。关键字：电容式传感器电阻式传感器单片机谷物湿度设计意义粮食水分的高低对粮食的存储及加工起着非常重要的作用。谷物收获时一般含水率较高，容易发热、发酵并导致变质和发芽率下降。为了确保安全贮存，必须将收获后的谷物及时干燥，将水分降至安全贮藏标准。目前我国生产的谷物干燥机大多缺乏高质量的水分在线检测装置，烘后谷物过干或未达安全水分的情况相当普遍。达不到安全水分的谷物易发潮发热，导致降等降级，甚至霉烂变质，为确保安全贮藏，往往要进行二次处理，费时费工增加成本。而过度干燥会损耗商品粮重量，增加能源、人工和设备消耗，同时降低谷物烘后品质，如出现裂纹、糊化粒等现象。为避免“欠干燥”及“过干燥”问题，干燥过程中需进行水分在线测试。在干燥机上配备谷物水分在线测试系统，对谷物水分进行实时动态测量，可避免干燥机烘干不足或过度干燥，并且可提高谷物烘干的均匀性，既保证了烘干的产量，又可保证烘后质量，为谷物生产及贮藏部门带来巨大的经济效益，因此粮食水分的测定就有着十分重要的意义。谷物水分含量测量方法的分类目前，国内外已经有许多先进的谷物水分快速测定仪器研制出来并得到应用。按照测量原理的不同，谷物水分快速测定方法可分为电阻法、烘干法、电容法、红外法、微波法、中子法、高频阻抗法、核磁共振法、声学法等。采用电阻式水分测定法，由于测量精度较低因此测定出的含水量参考意义不大；采用烘干法测量谷物的含水量，虽然精度很高，但由于它测定时间很长，操作过程复杂，因此不宜对大批量样本进行测定；红外法主要用于表面水分测量，多见于纸张水分检测中；中子法和核磁共振法基于水分中氢原子效应，系统复杂，造价高，不能体现检测对象的专用性；微波法是利用水对微波能量的吸收或作用于粮食的微波参量随水分变化的原理进行水分测量，其测量值与物料成分有关，测量电路及信号处理较复杂，价格偏高；相比较而言，电容法具有成本低、灵敏度高及动态特性好等优点，并且适于在线测试。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。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。两种设计方案的对比电阻式谷物水分的测量电阻式传感器的测量原理及其电路 【课本275页】系统组成及工作原理出、K、平均值、标定值设定密码等选项，只有当操作者的K、平均值、标定值设定密码等选项，只有当操作者的些值是不能随意修改的。温度传感器用于补偿环境温输入密码与系统给定的密码相同时，才能进行标定值的设定，度对粮食内部水分的影响。键盘电路由模式键、加键、减键、确认键、退出键、测试键、平均键、清除键、停止键、修正键等组成，用于实现测量品种的选择、参数的设定与修改、测试与数据处理等工作。电机驱动电路由继电器驱动芯片ULN2003和+5VDc继电

器组成，测试开始时，单片机发出控制信号，由电机带动取样器使样品压结实，保持压力恒定，以获取比较一致的电阻取样值，当一个样品测试完成后，使取样器复位，准备下次测量。单片机通过Rs232串行通信接口实现与Pc机的通信，把测量数据上传至计算机中，以进行进一步的数据处理，同时也可进行远程操作，实现在线测量。信号调理电路采用555芯片构成的非重复触发的单稳触发电路，为提高响应速度，555芯片采用CMOs工艺的7555型号。具体的信号调理电路如图2所示。+5V」MAX4624触发输入2下降沿有效为消除电容由于长期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路进行测量，测出它的脉冲宽度：—CVohGNDTHR」MAX4624触发输入2下降沿有效为消除电容由于长期工作U4A21U4A-TRIGDISVSN74LS04SN74LS04路进行测量，测出它的脉冲宽度：—CVohGNDTHR所产生的变化误差，测量采用电阻比值103Tp1=Rref*C*ln3值法，即在测量时首先对标准的精密参考电阻和电容构成的电2⑴再通过导通电阻为1Q的电子开关MAX4函'切换到测量输入电阻的状态，测出它的脉冲宽度:Tp2=Rin*C*ln3式⑴和⑵相除就得到输入电阻和脉宽的关系：=Rin=Tp2*Rref/Tp1 (3国2信号电一般情况下测量电阻和参考电阻都是兆欧级的，因此，，由电子开关引入的测量误差可以忽略。电子开关和触发信号都由单片机控制。脉宽的测量由单片机的外中断和定时中断来完成，由于单片机的外部中断INTO和INT1均为负跳沿触发中断，因此在555的输出端加一级反相器，INTO中断采样输出信号的上跳沿，然后再经过一级反相器，INT1采样输出信号的下跳沿。两者采样的时间差就是脉冲宽度。时间差的计算可由单片机的定时中断来实现，在INTO的中断程序里开启定时中断，在INT1的中断程序里关闭定时中断。电容式谷物水分的测量(1)电容式传感器原理及电路电容式传感器测量谷物水分是由于干燥谷物的相对介电常数远小于水，而含水谷物的相对介电常数是介于干燥谷物和水之间，谷物水分含量的高低直接影响谷物介电常数£以谷物作为电容器的极间介质，当电容器的极板面积A和极板间的距离d保持不变时，通过测量电容器的电容值变化即可测定谷物的相对介电常数£值，由此可获得被测谷物的含水量。电容式传感器采用的圆柱形结构如图1所示。圆柱体内芯为柱状绝缘实体，与圆柱外壁间形成电容传感器的双电极，圆柱体底部与外壁间留有一定间隙，以保证谷物的流动，并充满圆柱体。图(2)中，R为电容传感器外筒的内径，r为电容传感器内筒外径，L为传感器放入介质的高度。设电容器两极板所带电荷分别为+q和-q，忽略边缘效应(L»Rr)，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入=q/L。因为圆柱电场的轴对称性，所以两圆柱间离圆柱轴线距离S处的电场强度E为：TOC\o"1-5"\h\zE=A/(2n£Os) (1)因此，两极板间的电势差为： U=U1-U2=rREds=rR入2n£0Sds=q2n£OLlnRr (2)由电容的定义可得到传感器的电容为： C0=q/U=2n£OLlnRr (3)当放入介电常数为的谷物时，相对介电常数为£r时，有： C=£rCO=2ner£OLlnRr (4)由此可见，传感器电容的变化与谷物的相对介电常数成线性关系，而相对介电常数随谷物所含水分而改变，因此可得到谷物的水分含量。图1电容式传感器结构如下所示(2)电容式传感器检测电路电容式传感器检测电路采用脉冲宽度调制电路如图2所示。该电路利用传感器电容的充电和放电的原理，使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而发生变化，通过低通滤波器可得到对应于被测量变化的直流信号。电容式传感器检测电路如图3所示电容式传感器检测电路由比较器人1和A2、双稳态触发器、电容充电、放电回路及低通滤波器所组成。其中，Cx为电容传感器。脉冲宽度调制电路具有线性输出，无需解调器即能获得直流输出的特点。U0U0图2电容式传感器检测电路系统组成及工作原理报警部分I：位计算机ATm佬巴6单片机报警部分I：位计算机ATm佬巴6单片机入口电容传感器干燥设备图3系统结构框图系统由入口谷物水分检测传感器、出口谷物水分检测传感器、大型干燥设备、调速控制电路、报警电路、液晶显示以及上位计算机等组成，如图1所示。入口和出口谷物水分检测传感器在线检测谷物颗粒的水分，并将水分值以电容信号的形式提取后转

换成电压信号形式输出。经过信号放大处理后，由ATmega16单片机内部的A/D进行转换，实现对信号的处理，然后经过D/A转换，输出标准的电流信号。输出的信号传输至调速控制电路，并与标准信号比较后输出控制干燥设备机器的转速，从而对谷物水分的干燥进行自动控制。系统可通过串口与上位计算机进行通信，以实现计算机显示和输出打印等功能，同时液晶显示部分也可对入口和出口的谷物水分含量进行实时显示。如果出现出入口处谷物水分含量超标、风热温度超标及干燥设备停机等情况，报警器可进行自动报警。误差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之间的关系式为：C= C= —H AdI+Af（加一1）其中，C一传感器所测电容值；£0一真空介电常数；M一谷物含水率；£1—谷物中干物质的介电常数；£2—谷物中水分的介电常数；£3一谷粒孔隙中空气的介电常数；D一极板间距；A一极板面积，A=HXL；Yd一谷物干物质的容重；e—谷物孔隙率。由式⑴可知，传感器所测电容值与下列因素有关：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。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，对于测量结果没有影响。三相物质的介电常数£1、£2、£3。不同的谷物品种有不同的介电常数£1，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。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。五.设计总结在本次设计中通过对电阻式和电容式谷物水分测量装置的设计我对于谷物水分含量的测量有了初步的了解，知道了其测量原理，如何测量，以及使用不同工具测量的优缺点。在设计中我仅对测量工具-传感器的选择和如何组成系统电路做了设计，系统电路中的其它部件如：温度传感器，电机驱动，键盘输入，干燥设备，调速控制，液晶显示等等，没有细致研究，只是拿来用。这次的设计我是通过阅读相关书籍，网上搜集资料，请教同学等途径才做出来的，所以对于相关知识我理解的还不够透彻，还需要努力学习，深入研