弥散场电容粮食水分传感器及其在储粮中的应用

胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微长安电子有限公司，六安 237000)

弥散场电容粮食水分传感器及其在储粮中的应用

胡 佳 李 臻 潘笑俊

(安徽博微长安电子有限公司，六安 237000)

基于弥散场电容检测的原理设计了一种封装在柔性电缆中的粮食水分传感器，可分布安装在粮仓内对储藏的粮食进行水分在线监测。经过校正，可以实现储粮水分±0.5%以内的在线检测精度。

水分传感器 粮食储藏 弥散场电容

水分直接关系粮食品质与价值，粮食水分检测对粮食储藏具有十分重要的意义[1-4]。传统的粮食水分检测多是通过干燥或化学方法直接去除粮食中的水分,检测出样品的绝对含水量。这些方法的检测精度高,但费时，适用于实验室检测。近年来粮食水分快速检测技术得到快速发展，其中比较常见的有电容水分检测仪和电阻水分检测仪。传统的电容水分检测仪以杯式为主，检测时需要将粮食倒入内部测量，难以实现粮仓内在线测量。电阻水分检测仪又主要分插入式和研磨式两种，插入式较为低端，普遍存在精度不够的问题，研磨式工作时候需要把检测样品研磨成粉末测量，精度较高，目前在烘干机中应用较多，但是检测过程复杂，样品量小，无法实现在水分均匀程度较差的粮仓中在线监测。

本试验采用弥散场电容的原理测量粮食水分，可以检测较大体积内粮食水分的平均值，而且水分传感器的结构设计与目前粮仓内常用的测温电缆相仿，可在粮仓内进行分布式安装，实现仓内多点水分的准确测量，对粮食保管具有很强的参考价值。

1 测量原理及传感器设计

1.1 测量原理

通过测量粮食电容来估计粮食水分是目前常见的方法。本研究所述的传感器的特色在于对传感器结构的设计。商用的电容型水分传感器除了同心圆结构外，其他多为布置在平面或圆柱面上的叉指电极电容器，其尺寸以及电极距离小，因此检测区域被限制在叉指电极表面上很薄的一层空间，空间的尺寸与粮粒相当，因此在颗粒物测量的应用中造成一定的误差。本研究所述的水分传感器实质为一个电容器，正极与负极均为一个直径相同的同轴圆筒。正极位于两只负极之间，如图1所示，电场线垂直于正极表面射出后垂直于负极表面射入，与平行板和叉指电极电容器相比，电场线能在更深的空间中传播。这不仅扩大了测量空间，还有利于提高传感器的电容灵敏度。这种结构被称为弥散场电容。

图1 弥散场电容器示意图

粮粒中的水分分布在粮粒的外部和内部。低水分粮食的水分主要分布在粮粒内部。粮粒内部的水分子受到淀粉等周围其他分子的束缚，自由转动受限，偶极矩较小。随着粮食水分升高，粮食水分逐渐从粮粒内部扩展到外部。外部水分以多层分子膜的形式存在，随着水分的增加，分子膜的层数逐渐增加。外部受到的束缚比内部少，因此偶极矩更大，且多层膜高层分子的偶极矩比底层大。由此可知，随着粮食水分增加，粮食介电常数(或传感器电容)单调增加，且斜率呈增加的趋势。

本研究设计的传感器电缆采用测温电缆类似的柔性结构(见图2)，水分传感器封装在PVC外皮内，整根电缆外部光滑，无突起物，内部用一根钢丝绳提高受拉强度。电缆内供电和通讯采用总线制，最多可封装15个传感器。传感器内置DS18B20温度传感器，用于温度补偿。传感器基于振荡工作模式，传感器作为电容连入电路。输出的方波频率与传感器电容值相关。

图2 测水电缆示意图

传感器的电容C分为只与传感器外部介质相关的外部敏感电容Cex和不与外部介质相关的内部寄生电容Cin，如公式(1)所示：

C=Cex+Cin

(1)

由此可知，不同传感器Cex是一致的；不同传感器的Cin存在不同，且随机变化，原因有内部走线差异等。为解决此问题，通过函数将频率值换算成电容值，将粮食中的电容值Ccorn与空气中的电容值Cair之差(即电容变化量)C来表征水分值MC：

ΔG=Ccorn-Cair

(2)

弛豫振荡器频率f的表达式为：

(3)

式中：C为电容；R为电阻；A为常数。当R值一定时，试验数据拟合的结果为：

(4)

式中：C为电容；a、b为常数。由于在储粮水分正常范围内频率与电容曲线较为平缓，试验数据还可以近似为线性函数。若振荡器之间的频率f与电容C函数差异过大，需要逐个校准，检测前逐个输入相关系数。

温度对振荡电路的元器件影响(不包括对粮食介电常数的影响)在0～50 ℃的范围内可通过标定试验获得，以线性函数或分段函数表示。

温度在不同水分下对电容(实质为粮食介电常数)的影响可由标定试验获得，以线性函数或分段函数表示平行板电容公式为：

(5)

(6)

式中：等式右边第一项是粮食的电容值，第二项为传感器内部的寄生电容，后者不随粮食水分变化，可视为常数。

1.2 传感器设计

传感器结构如图3所示。该电容式水分传感器的2个负极(3，4)中间夹着正极(5)。正负极之间用连接件相连。传感器驱动电路板(11)和温度传感器(12)置于传感器一端。一根钢丝绳从传感器中心穿过，传感器两端各有一个卡箍将传感器固定在钢丝绳上。传感器外径16 mm，长度220 mm。

图3 电容式传感器结构

2 粮仓内水分在线监管方法和检测结果

2.1 安装方法

使用电动扦样器将扦样钢管逐个打进粮食中，直到达到敖间地面。接下来将电缆插入钢管中，最后逐个拔出拆卸钢管，电缆留在粮食中。一根电缆的安装时间大约5 min。

2.2 校正方法

沿用现有粮食水分快速检测仪的校正方式，直接减去绝对误差。传感器安装时，当扦样钢管打到传感器安装深度时取出部分粮食样品，用于烘干法检测作为校正值，但粮库内水分分布不均匀，因此每个传感器逐个校正不现实，要求传感器具有较高的一致性。

2.3 实测结果

传感器测试分为实验室和粮库现场两部分。2015年9月进行了一次实验室试验，粮食品种为安徽省六安市产的籼稻。任选2只传感器置于2个相同的容器(直径1 m，高度1 m的圆筒)中，倒入粮食，用风机从底部向粮食通风降低水分。因为粮食较少，所以粮温与气温一致，大约20 ℃。

1号和2号传感器的双试验数据如图4所示， Ⅰ区为不间断吹风阶段测量的数据，Ⅱ区为吹风后静置36 h以上测量的数据。电容变化量与水分呈单调趋势，在Ⅰ和Ⅱ各自区域内，电容变化量与水分可以各形成一条直线。在分界线上有2组数据点。纵坐标位置更低的是Ⅰ区的(边吹风边测量)，更高的是Ⅱ区(停止吹风36 h后)。试验发现停止吹风后传感器电容逐渐增大，在12 h后达到稳定，几乎不变，可认为静置12 h后粮粒内外部水分已经大致平衡。造成这种差异的原因是，本装置的风量较大，粮粒外部水分蒸发速度比内部水分向外部扩散的速度快得多，Ⅰ区的水分主要集中在内部；经过静置后粮粒内部的水分得以充分扩散到了外部并达到新的平衡。粮粒外部水分对传感器电容的贡献大于粮粒内部，因此虽然水分值不变但传感器的电容差异明显。

稻谷含水量17.0%以下是储粮可能的水分范围，粮库对此有明确的水分测量误差要求(≤±0.5%)。将图5中2个传感器的数据用二次函数拟合，电容变化量为自变量，水分值为参变量。分别将2只传感器的电容变化量带入该函数中，得到的水分值减去实际水分值即为传感器测量误差，如表1所示。由此可知传感器在12.9%～17.0%范围内最大测量误差为0.32%。

由图4、图5、表1的数据可以看出，2只传感器的数据一致性较好。应指出的是，传感器输出数据稳定，输出信号的最大噪声换算成水分值为≤±0.16%。试验过程中，传感器水分测量值连续测量跳读幅度≤±0.1%，反而作为水分真值的测量方法(国标法)的数据波动较大，变化幅度达到≤±0.5%。其原因是，粮食在静止状态下吹风，烘干法粮食取样高度不一致等原因导致粮粒水分不均匀，而水分传感器检测的粮食样品(直径15.2 mm，高度200 m的容积内的粮食)比国标法(十几克粮食，一小撮)多，都是取平均值，前者波动的幅度就更小。

图4 整个双试验的数据点

图5 低水分阶段的数据点

表1 双试验的结果/%

2016年12月在重庆铜梁国有粮库安装水分传感器，经过数个月的运行，刚安装完的传感器测量数据如表2所示，电缆4～5传感器数据与烘干法比较表3所示。电缆1～2传感器2个月的数据变化如表4所示。

表2 铜梁库水分传感器测量数据/%

表3 铜梁库水分传感器测量数据与烘干法比较/%

表4 铜梁库水分传感器测量数据随时间的变化/%

3 结论

本试验研究了一种基于弥散场电容检测的原理的粮食水分传感器，封装在柔性电缆中，可分布安装在粮仓内实现就仓粮食水分在线监测。双试验表明传感器具有较好的一致性。经过校正，可以实现储粮水分±0.5%以内的在线检测精度。

[1]GB/T 29890-2013 粮油储藏技术规范.

[2]LS/T 1203-2002 l粮情测控系统

[3]王若兰.粮油仓储学[M].中国轻工业出版社, 2009

[4]杨洲, 罗锡文, 李长友. 稻谷含水率分布及变化规律[J].农业机械学报, 2005, 36(10), 81-84

Yang Z, Luo X W, Li C Y. Distribution and variation of rice kernel moisture content [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2005,36(10):81-84.

Dispersion Field Capacitive Grain Moisture Sensor and Its Application in Storage

Hu Jia Li Zhen Pan Xiaojun

(Anhui Brainware Changan Electrics Co., Ltd. Lu′an 237000)

A grain moisture sensor, integrated into a flexible cable, was designed in this paper, according to the principle of dispersion field capacitance inspection. A number of such sensors could be used to monitor the moisture content of the grain online in the granary. After a calibration process, an error of0.5% of moisture measurement was achieved.

moisture sensor, grain storage, dispersion field capacitance

S379

A

1003-0174(2017)11-0108-04

2017-04-30

胡佳，男，1982年出生，博士，电子科学与技术

李臻，男，1977年出生，博士，电子科学与技术