摘要：设计了分流式取样装置，对不同谷物进行了试验研究，分析了排粮轮转速、含杂率以及温度等因素对传感器输出频率的影响，得出了不同温度下不同谷物的含水率与传感器输出频率间的定量关系。将关系曲线经数据处理后编入系统软件，并对传感器进行标定试验，试验结果表明：当谷物含水率小于15.5%时，传感器的测量误差在±0.3%范围内。关键词：谷物；含水率；电容式；水分传感器；在线测试；取样装置；回归方程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，必须将收获后谷物的水分降至安全贮藏标准[1-2]。而目前我国生产的谷物干燥机大多缺少高质量的水分在线检测装置，操作盲目性大，烘后谷物过干或未达安全水分的情况相当普遍。为了避免产生“欠干燥”及“过干燥”现象，需要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，以确保烘后谷物的控制水分量，提高谷物烘干的均匀性和烘干质量。国内外目前已有的谷物水分快速测定仪器按测量原理的不同，可分为电阻法、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[3]等；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，适于在线测试。2 实验装置与试验方法2.1实验装置传感器的外型需考虑其在干燥机中的安装位置及干燥机的具体结构。因所研制的传感器用于谷物水分的在线测试，为了准确地测量干燥机的出粮水分，传感器宜装于干燥机的出粮口处。资料分析[4-5]表明，传感器所测电容除与谷物水分M成单值函数关系外，还受谷物干物质、谷物水分及谷粒孔隙中的空气这三相的介电常数 以及谷物孔隙比e变化的影响。影响介电常数 的主要因素是温度及电容器所加交流电场的频率，在确定的温度及频率下， 均可视为常量。温度变化引起的介电常数的变化可由软件补偿法来修正。孔隙比e的变化，即谷物堆积密度的变化是影响电容传感器测试精度的最主要因素，必须克服其影响。为了确保测量时孔隙比的稳定，设计了一个分流式取样装置，可保证出粮流量变化时通过取样装置的谷物流量恒定。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器的测试表面直接接触，从而可直接测出谷物的电容值。在取样装置的下端安装排粮轮，通过排粮轮均匀排粮，从而保证恒定的孔隙比。实验装置如图1所示。试验观察发现：谷物流动过程没有死角，并且靠近传感器部分谷物流动波动不明显，因此对传感器的测量结果不会产生影响。克服在线测试时谷物孔隙比变化影响的方法是：从干燥设备出料口流出的谷物，一部分流入取样装置，与传感器测试表面直接接触，然后由取样装置出料口处的排粮轮均匀排出，进入料箱；另一部分不进入取样装置，直接流入料箱。排粮轮的转速可由无级变速器自由调节。当取样装置充满流动谷物时，谷物的含水率不同， 的值也就不同，因此电容C的值也不同，通过测量电容C的变化就可得知谷物含水率的大小。式中 C —极板间电容； —真空介电常数； —谷物的相对介电常数；D—极板间距； A—极板面积。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，使之不受外界环境的干扰。2.2试验方法为了获得不同谷物的水分同传感器输出频率间的定量关系，并求得温度变化对传感器输出频率的影响，从而实现温度的软件补偿，需进行测定温度和水分的试验研究。试验方法为：将玉米、小麦和水稻三种谷物分别制备一系列不同水分的大样，用快速水分仪粗测其水分，然后取小样送入烘箱，用105℃标准烘箱法测定谷物实际水分。其余样品送入实验装置，在流动过程中用前文所设计的在线水分传感器进行实时测量，记录传感器输出的频率值与所测得的实际水分相对应。根据试验结果建立起传感器输出频率与谷物水分的对应关系模型。3 试验结果分析3.1 排粮轮转速对传感器输出频率的影响要实现谷物水分在线测试，必须保证排粮轮转速可调，因此须考虑排粮轮转速对输出频率的影响。试验时，取不同含水率水平的小麦、玉米和水稻，通过无级变速器调节排粮轮转速，并由二次侧系统测量传感器的输出频率。在试验过程，谷物温度基本恒定，排粮轮的转速分别取为10 r/min、13 r/min、18 r/min、24 r/min及30 r/min。试验结果表明：在上述转速变化范围的同一含水率水平下，所测频率的波动范围很小，基本上不受谷物流动速度变化的影响。通过对玉米、小麦及水稻实测观察发现：在排粮轮均匀排料时，取样装置中流动谷物的孔隙比基本保持一致，且在通常的排粮轮转速范围内（一般为<30 r/min）与排料速度无关。同时不存在堵塞及架空问题。既然所测频率与谷物流动速度无关，则可以通过调节排粮轮转速，使取样装置分流谷物的流量与干燥设备的排料速度基本保持一定的对应关系，从而实现真正的在线测试。本研究试验过程中采用13 r/min的排粮轮转速。3.2 含杂率对传感器输出频率的影响杂质与谷物的介电系数不同，在同一含水率水平下不同含杂率的谷物其传感器输出频率值也不同。用不同含杂率的玉米进行试验，不同含杂率的玉米，其含水率与传感器输出频率（多次测量求平均值）之间的关系曲线如图2所示：由图2可知，常温（15℃）下不同含杂率玉米含水率（M）与输出频率（f）之间均有较好的线性关系，其线性回归方程分别为：不含杂： M=0.0416f-49.1757 （2）其线性相关系数r= 0.9899。含杂率3.7%： M =0.0412 f - 48.2781 （3）其线性相关系数r= 0.9852。含杂率5%： M =0.0415 f - 48.5757 （4）其线性相关系数r= 0.9935。由图2及式（2）～（4）可见，三条曲线非常接近，并且回归方程的斜率近似相等；由此可知含杂率对测试结果的影响很小。具体测试中，我们可以通过键标定来消除不同含杂率谷物间含水率的偏差，故含杂率的影响在本研究中不做定量分析。3.3 温度的测量在实际干燥过程，谷物温度始终在变化，要进行温度的软件补偿，必须随时测知谷物的温度值，因此要求出温度与传感器输出频率之间的关系。不同温度下，通过二次侧系统测出传感器的输出频率，温度与传感器输出频率的关系曲线如图3所示。由图3可知，温度T与传感器输出频率f之 间有较好的线性关系，对试验数据进行回归分析，可得如下关系式：T=0.0154f-1.1628 （5）其线性相关系数r=0.9981。3.4 温度变化对于传感器输出频率的影响温度变化会引起谷物介电常数的变化，从而影响传感器测试结果。要分析温度变化对传感器输出频率的影响，首先要获得不同温度的谷物。本研究中采用山东天力干燥设备有限公司生产的智能型流化床干燥机对谷物进行加热。加热时，由于谷物少，为避免干燥及加热不均，而采取先用固定床加热，然后开振动流化床排料的方式。谷物排出后搅拌冷却，分别在50℃、40℃、30℃、25℃及20℃五种不同温度下，研究谷物含水率与传感器输出频率之间的关系。因条件所限，所获得谷物的含水率值范围比较小，为9%～22%，但足以满足干燥生产的要求。3.4.1 玉米不同温度下，玉米含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图4。由图4可知，20～50℃时玉米含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为： 50℃： M =0.0355 f - 43.9733 （6）其线性相关系数r=0.9901。40℃： M =0.0412 f - 52.1372 （7）其线性相关系数r=0.9880。30℃： M =0.0446 f - 56.7408 （8）其线性相关系数r=0.9889。25℃： M =0.0487 f - 62.8024 （9）其线性相关系数r=0.9911。20℃： M =0.0528 f - 68.8596 （10）其线性相关系数r=0.9916。图示规律：玉米含水率一定时，温度越高，传感器输出频率也越高。温度越高，对应的含水率—频率曲线的斜率则越小。3.4.2 小麦不同温度下，小麦含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图5。由图5可知，20～50℃时小麦含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为：50℃： M =0.0418 f - 55.8736 (11) 其线性相关系数r=0.9937。40℃： M =0.0549 f - 76.4704 （12）其线性相关系数r=0.9967。30℃： M =0.0643 f - 90.9197 （13）其线性相关系数r=0.9967。 25℃： M =0.0692f - 98.3305 （14）其线性相关系数r=0.9957。20℃： M =0.0751f - 107.4158 （15）其线性相关系数r=0.9958。图示规律：与玉米同。3.4.3 水稻不同温度下，水稻含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图6。由图6可知，20～50℃时水稻含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为： 50℃： M =0.0725f - 95.3949 （16）其线性相关系数r=0.9898。40℃： M =0.0815f - 108.1667 （17）其线性相关系数r=0.9933。30℃： M =0.0955 f - 128.4349 （18）其线性相关系数r=0.9988。25℃： M =0.0991f - 133.4959 （19）其线性相关系数r=0.9982。20℃： M =0.1034 f - 139.3950 （20）其线性相关系数r=0.9982。图示规律：与玉米同。3.5 试验验证将试验得出的回归方程进行数据处理后编入软件，固化到89C51中，再进行重复标定试验，试验结果表明：运用该测试系统对玉米、小麦及水稻进行测试，当谷物含水率低于15.5%（安全贮存水分附近）时，系统的测量误差在 0.3%范围内；当谷物含水率为15.5%～19%时，系统的测量误差在 0.5%范围内；而当谷物含水率高于19%（可暂时贮藏水分），即处于高水分段时，系统的测量误差在 1%范围内。观察显示结果可发现，系统的读数精度为 0.1%。4 结束语本文设计了分流式取样装置，提出通过排粮轮均匀排粮来消除谷物孔隙比变化对电容式水分传感器输出频率的影响，建立了不同温度下不同谷物的含水率同传感器输出频率间的定量关系。将关系曲线经数据处理后编入二次侧系统软件，并对传感器进行标定试验，试验结果表明：当谷物含水率小于15.5%时，传感器的测量误差在 0.3%范围内。本研究为谷物水分在线测试提供了有效的方法，为谷物精确干燥提供了可能。
试验观察发现：谷物流动过程没有死角，并且靠近传感器部分谷物流动波动不明显，因此对传感器的测量结果不会产生影响。克服在线测试时谷物孔隙比变化影响的方法是：从干燥设备出料口流出的谷物，一部分流入取样装置，与传感器测试表面直接接触，然后由取样装置出料口处的排粮轮均匀排出，进入料箱；另一部分不进入取样装置，直接流入料箱。排粮轮的转速可由无级变速器自由调节。当取样装置充满流动谷物时，谷物的含水率不同， 的值也就不同，因此电容C的值也不同，通过测量电容C的变化就可得知谷物含水率的大小。
式中 C —极板间电容； —真空介电常数； —谷物的相对介电常数；D—极板间距； A—极板面积。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，使之不受外界环境的干扰。2.2试验方法为了获得不同谷物的水分同传感器输出频率间的定量关系，并求得温度变化对传感器输出频率的影响，从而实现温度的软件补偿，需进行测定温度和水分的试验研究。试验方法为：将玉米、小麦和水稻三种谷物分别制备一系列不同水分的大样，用快速水分仪粗测其水分，然后取小样送入烘箱，用105℃标准烘箱法测定谷物实际水分。其余样品送入实验装置，在流动过程中用前文所设计的在线水分传感器进行实时测量，记录传感器输出的频率值与所测得的实际水分相对应。根据试验结果建立起传感器输出频率与谷物水分的对应关系模型。3 试验结果分析3.1 排粮轮转速对传感器输出频率的影响要实现谷物水分在线测试，必须保证排粮轮转速可调，因此须考虑排粮轮转速对输出频率的影响。试验时，取不同含水率水平的小麦、玉米和水稻，通过无级变速器调节排粮轮转速，并由二次侧系统测量传感器的输出频率。在试验过程，谷物温度基本恒定，排粮轮的转速分别取为10 r/min、13 r/min、18 r/min、24 r/min及30 r/min。试验结果表明：在上述转速变化范围的同一含水率水平下，所测频率的波动范围很小，基本上不受谷物流动速度变化的影响。通过对玉米、小麦及水稻实测观察发现：在排粮轮均匀排料时，取样装置中流动谷物的孔隙比基本保持一致，且在通常的排粮轮转速范围内（一般为<30 r/min）与排料速度无关。同时不存在堵塞及架空问题。既然所测频率与谷物流动速度无关，则可以通过调节排粮轮转速，使取样装置分流谷物的流量与干燥设备的排料速度基本保持一定的对应关系，从而实现真正的在线测试。本研究试验过程中采用13 r/min的排粮轮转速。3.2 含杂率对传感器输出频率的影响杂质与谷物的介电系数不同，在同一含水率水平下不同含杂率的谷物其传感器输出频率值也不同。用不同含杂率的玉米进行试验，不同含杂率的玉米，其含水率与传感器输出频率（多次测量求平均值）之间的关系曲线如图2所示：
由图2可知，常温（15℃）下不同含杂率玉米含水率（M）与输出频率（f）之间均有较好的线性关系，其线性回归方程分别为：不含杂： M=0.0416f-49.1757 （2）其线性相关系数r= 0.9899。含杂率3.7%： M =0.0412 f - 48.2781 （3）其线性相关系数r= 0.9852。含杂率5%： M =0.0415 f - 48.5757 （4）其线性相关系数r= 0.9935。由图2及式（2）～（4）可见，三条曲线非常接近，并且回归方程的斜率近似相等；由此可知含杂率对测试结果的影响很小。具体测试中，我们可以通过键标定来消除不同含杂率谷物间含水率的偏差，故含杂率的影响在本研究中不做定量分析。3.3 温度的测量在实际干燥过程，谷物温度始终在变化，要进行温度的软件补偿，必须随时测知谷物的温度值，因此要求出温度与传感器输出频率之间的关系。不同温度下，通过二次侧系统测出传感器的输出频率，温度与传感器输出频率的关系曲线如图3所示。
由图3可知，温度T与传感器输出频率f之 间有较好的线性关系，对试验数据进行回归分析，可得如下关系式：T=0.0154f-1.1628 （5）其线性相关系数r=0.9981。3.4 温度变化对于传感器输出频率的影响温度变化会引起谷物介电常数的变化，从而影响传感器测试结果。要分析温度变化对传感器输出频率的影响，首先要获得不同温度的谷物。本研究中采用山东天力干燥设备有限公司生产的智能型流化床干燥机对谷物进行加热。加热时，由于谷物少，为避免干燥及加热不均，而采取先用固定床加热，然后开振动流化床排料的方式。谷物排出后搅拌冷却，分别在50℃、40℃、30℃、25℃及20℃五种不同温度下，研究谷物含水率与传感器输出频率之间的关系。因条件所限，所获得谷物的含水率值范围比较小，为9%～22%，但足以满足干燥生产的要求。3.4.1 玉米不同温度下，玉米含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图4。
由图4可知，20～50℃时玉米含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为： 50℃： M =0.0355 f - 43.9733 （6）其线性相关系数r=0.9901。40℃： M =0.0412 f - 52.1372 （7）其线性相关系数r=0.9880。30℃： M =0.0446 f - 56.7408 （8）其线性相关系数r=0.9889。25℃： M =0.0487 f - 62.8024 （9）其线性相关系数r=0.9911。20℃： M =0.0528 f - 68.8596 （10）其线性相关系数r=0.9916。图示规律：玉米含水率一定时，温度越高，传感器输出频率也越高。温度越高，对应的含水率—频率曲线的斜率则越小。3.4.2 小麦不同温度下，小麦含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图5。
由图5可知，20～50℃时小麦含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为：50℃： M =0.0418 f - 55.8736 (11) 其线性相关系数r=0.9937。40℃： M =0.0549 f - 76.4704 （12）其线性相关系数r=0.9967。30℃： M =0.0643 f - 90.9197 （13）其线性相关系数r=0.9967。 25℃： M =0.0692f - 98.3305 （14）其线性相关系数r=0.9957。20℃： M =0.0751f - 107.4158 （15）其线性相关系数r=0.9958。图示规律：与玉米同。3.4.3 水稻不同温度下，水稻含水率与传感器输出频率之间的关系曲线见图6。
由图6可知，20～50℃时水稻含水率（M）与输出频率（f）之间有较好的线性关系。对试验数据进行线性回归，得线性回归方程为： 50℃： M =0.0725f - 95.3949 （16）其线性相关系数r=0.9898。40℃： M =0.0815f - 108.1667 （17）其线性相关系数r=0.9933。30℃： M =0.0955 f - 128.4349 （18）其线性相关系数r=0.9988。25℃： M =0.0991f - 133.4959 （19）其线性相关系数r=0.9982。20℃： M =0.1034 f - 139.3950 （20）其线性相关系数r=0.9982。图示规律：与玉米同。3.5 试验验证将试验得出的回归方程进行数据处理后编入软件，固化到89C51中，再进行重复标定试验，试验结果表明：运用该测试系统对玉米、小麦及水稻进行测试，当谷物含水率低于15.5%（安全贮存水分附近）时，系统的测量误差在 0.3%范围内；当谷物含水率为15.5%～19%时，系统的测量误差在 0.5%范围内；而当谷物含水率高于19%（可暂时贮藏水分），即处于高水分段时，系统的测量误差在 1%范围内。观察显示结果可发现，系统的读数精度为 0.1%。4 结束语本文设计了分流式取样装置，提出通过排粮轮均匀排粮来消除谷物孔隙比变化对电容式水分传感器输出频率的影响，建立了不同温度下不同谷物的含水率同传感器输出频率间的定量关系。将关系曲线经数据处理后编入二次侧系统软件，并对传感器进行标定试验，试验结果表明：当谷物含水率小于15.5%时，传感器的测量误差在 0.3%范围内。本研究为谷物水分在线测试提供了有效的方法，为谷物精确干燥提供了可能。
