CN1963478A

CN1963478A - 一种检测谷物含水率的方法及其装置

Info

Publication number: CN1963478A
Application number: CNA2006101234613A
Authority: CN
Inventors: 李长友; 班华
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: CN100533134C

Abstract

本发明公开了一种谷物含水率的检测方法及其装置。其检测方法是首先将谷物送入一对作相向转动且施加有电势差的压辊传感器中；并通过转换得到谷物的实时电阻等效电压的时序变化曲线；通过解析所述曲线图的特征峰高或峰面积，计算得到谷物含水率；并进行温度补偿，最后得到补偿后的谷物含水率。其检测装置主要包括压辊传感器、温度计、测量电路和输出显示器。本发明的测试范围大，不仅可以测量含水率在23.5％以下的谷物，还可以测量含水率大于23.5％的谷物；检测精度高，可靠性好，操作方便；可以在温度动态变化和谷物水分分布变动范围较大的情况下，精确地测量谷物的含水率。

Description

一种检测谷物含水率的方法及其装置

技术领域

本发明涉及谷物检测领域，特别涉及一种检测谷物含水率的方法及其装置。

背景技术

谷物含水率的精确检测技术一直是粮食干燥、加工、流通领域的一个技术难题，如何可靠、精确地检测谷物的含水率是影响粮食加工业发展的关键因素之一。目前，谷物含水率的检测方法有微波法、红外法、电容法、中子法和电阻法等。微波法、红外法和电容法的共同缺点是受谷物的形状、厚度、密度以及谷物内部水分分布的影响较大，在温度变化较大和谷物内部水分分布波动较大时，这几种方法的检测精度较低。中子法的最大问题是由于氢的散射特性不稳定，中子计数比与谷物容积含水率的关系变化规律会随着谷物品种的不同而相异；而且，采用中子法检测谷物含水率时必须对每一批物料做相应的预处理工作，所以目前还没有一种可靠性好、精率高的中子法谷物水分检测仪。现在比较常用的是电阻法检测谷物含水率，它是根据谷物中的水分会影响固体物质导电性能的原理来进行检测的。但是，现有的检测谷物含水率的方法，只能在谷物含水率在13％～24％条件下才能满足精度的要求，而当谷物含水率低于13％或者高于24％时，现有方法的检测误差较大，不能精确地测量谷物含水率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种测量精度高、可靠性好、操作方便的检测谷物含水率的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于上述方法的检测谷物含水率的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种检测谷物含水率的方法，包括下述步骤：首先将谷物送入一对作相向转动且施加有电势差的压辊传感器中；然后在谷物受挤压的过程中，通过所述压辊传感器采集到采样信号并输出到阻抗转换电路，经过阻抗转换电路的转换，将信号送入A/D转换电路，得到所述谷物的实时电阻等效电压的时序变化曲线；通过解析所述时序变化曲线的特征峰高或峰面积，计算得到谷物含水率；同时还实时测量检测过程中的温度变化，根据温度变化情况对所述计算得到的谷物含水率进行补偿，最后得到补偿后的谷物含水率。

当谷物含水率小于或等于23.5％时，通过解析所述时序变化曲线的特征峰高计算得到谷物含水率，计算公式为：

w_{s} % = K_{1} \frac{R_{X \min}}{R_{i} + R_{X \min}} E + b_{I}

，其中：W_s％为谷物含水率、K_I为斜率、R_xMin为曲线的峰高特征值、R_I为比例电阻、E为标准电源、b_I为截距。

当谷物含水率大于23.5％时，通过解析所述时序变化曲线的峰面积计算得到谷物含水率，计算公式为：

w_{s} % = K \times [Σ_{i = 1}^{N} (A_{i} \times T) / N] + b

，其中：W_s％为谷物含水率、K为转换斜率系数、A_i为波形特征点、T为采点周期、b为截距、i∈(0，200)。式中，(A_i×T)代表曲线的峰面积。

在检测过程中，还实时测量检测过程中的温度变化，根据温度变化的强度和方向对所述计算得到的谷物含水率进行补偿，补偿公式为w_b％＝-0.0031t²+0.1613t+20.704，W_b％为谷物温度变化对测量造成影响的补偿，是对谷物含水率的校正，t为谷物温度。

最后得到补偿后的谷物含水率即实测含水率为根据时序变化曲线特征峰高或峰面积计算的谷物含水率与温度补偿的谷物含水率之和，具体计算公式为：w％＝w_s％+w_b％，式中w％为实测谷物含水率。所述压辊传感器上施加的电势差为

V = \frac{R_{X}}{Ri + R_{X}} E (V)

，其中R_i为第i路比例电阻、R_x为被测谷物的电阻、E为标准电源。

本发明采用检测谷物在定间隙间压碎过程中表征出来的电阻特征值，通过阻抗变换电路得到转换电压的时序变化曲线。因为谷物在被压碎过程中，谷物与压辊传感器的接触面积的变化规律是由零变化到最大然后再变化到最小，这是一个向上凸起的曲线，与之对应的取样电路电阻变化曲线则经历由开路(电阻最大)→电阻最小(水分最大)→开路(电阻最大)这样一个过程；所得到的曲线是一个向下凹的曲线(其中曲线的纵坐标是转换电压，横坐标是时间)。

一种用于上述方法的检测谷物含水率的装置，包括压辊传感器1、温度传感器、测量电路、A/D模数转换单元、运算控制单元和输出显示器6；所述测量电路包括取样电路、多路转换电路、阻抗转换电路和可调谐电源；压辊传感器1检测到采样信号并输入到测量电路中的取样电路，取样电路由比例电阻转换器和信号电极组成，比例电阻转换器的输入为压辊传感器1检测到的采样信号，经过比例电阻选择特定的电阻信号并输出到信号电极，信号电极将提取到的电阻信号输出到阻抗转换电路，阻抗转换电路将输入的电阻信号进行阻抗转换后形成电压信号并输出到A/D模数转换单元，信号经过A/D转换后通过运算控制单元，将最后得到的数值输送到输出显示器6；可调谐电源同时与阻抗转换电路和多路转换电路连接，多路转换电路的输出为取样电路。

所述压辊传感器1的表面上设计有网纹。压辊传感器1是一对用不生锈的导电材料(如不锈钢)加工成的圆柱形辊。在测定如稻谷、大麦之类的带壳谷物时，为避免有脱壳现象，压辊传感器最好采用等速转动。在测定如小麦、大豆之类的谷物，压辊传感器最好采用差速转动，以利于改善测试效果。

所述的测试装置还包括一个端面上设计有承种槽的送料圆盘3，送料圆盘3和同步器4安装在同根轴上，轴上还安装有齿轮，通过齿轮带动送料圆盘3、采样同步器4和压辊传感器1一起转动。在送料圆盘3向压辊传感器1投料时，采样同步器4便发出一个同步信号。采样同步器4发出的是一个开关量信号，可选用霍尔传感器、光电传感器或者触点开关等；其作用是实时向检测装置5发出开始检测的指令，保证检测装置5检测到的谷物信息准确无误。

所述检测电路的可调频电源由三端可调整集成稳压电源LM317、电容C1、C2、C3、定电阻R1和可变电阻器R2构成。三端可调整集成稳压电源LM317的作用是把+12～25V的电压调节为+10V的电源电压；C1、C3两个电容的作用是进行滤波，提高电源质量；电容C2、定电阻R1和可调电位器R2的作用是调节电源的输出幅度值。

所述比例电阻转换器由3路高速电子转换开关K1、K2、K3和比例电阻R3、R4、R5组成，其作用是根据输入的采样信号的特征来选择特定的比例电阻，用与不同水分区域的自动测量转换。所述信号电极F的作用是用来提取谷物的电阻信号。

所述阻抗转换电路由仪用运算放大器INA102、电容C6、C7、可调电位器R6、R9、电阻R8、R10、R11和集成运算放大器OP27组成。其中仪用运算放大器INA102是用来提高信号采集单元的输入阻抗，可调电位器R6是用来调节输出电压的极性，电容C6、C7是去耦合电容，集成运算放大器OP27、R8、R9、R10、R11的整体作用是用来调校阻抗转换电路的零位。

所述A/D模数转换单元由运算控制器AD8x构成。

所述输出显示器6是一个人机对话的窗口，可选用触摸屏或者LCD显示屏。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明的测试范围大，不仅可以测量含水率在23.5％以下的谷物，还可以测量含水率大于23.5％的谷物。

(2)本发明的检测精度高，可靠性好，操作方便。

(3)本发明可以在温度动态变化和谷物水分分布变动范围较大的情况下，精确地测量谷物的含水率。

(4)本发明的装置简单、检测方便。

附图说明

图1是压辊传感器结构图。

图2是本发明测试电路的功能框图。

图3是实施例1的电路图。

图4是测量出的不同水分下的电压时序图。

图5是本发明实施例测出的转换电压的时间曲线图。

图6是稻谷含水率与温度变化的补偿曲线。

图7是检测装置功能示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

送料圆盘3的端面上开有承种槽，检测时送料圆盘在纵截面内旋转，由均布在送料圆盘外端面上的承种槽逐个把谷物送到两个压辊传感器1之间。

如图1所示，压辊传感器1是一对用不锈钢加工成的圆柱形辊。测量时两个压辊传感器1做向内的相向转动，这两个压辊传感器就是两个电极，其上施加的电势差为

V = \frac{R_{X}}{R_{i} + R_{X}} E (V)

，其中R_i为第i路比例电阻，R_X为被测稻谷的电阻，E为标准电源。

当稻谷从送料圆盘落入两个压辊传感器之间后，由于稻谷的存在，就把两个电极接通了，使两电极形成了闭合的回路(参见图3)，在稻谷逐渐被压碎的过程中，通过压辊传感器的一端传出电阻信号，并经过阻抗变换电路的转换如图3所示，送入A/D转换电路，得到待测稻谷取样过程的实时电阻等效电压的时序变化曲线(如图5)。本发明采用检测稻谷在定间隙间压碎过程中表征出来的电阻特征值，通过阻抗变换电路得到转换电压的时间曲线。因为稻谷在被压碎过程中，稻谷与压辊传感器的接触面积的变化规律是由零变化到最大然后再变化到最小，这是一个向上凸起的曲线，与之对应的取样电路电阻变化曲线则经历由开路(电阻最大)→电阻最小(水分最大)→开路(电阻最大)这样一个过程；所得到的曲线是一个向下凹的曲线(其中曲线的纵坐标是转换电压，横坐标是时间)如图4和图5所示。图4是一组典型的曲线簇表示谷物水分从13.7％～31.7％的各种曲线。图5是谷物水分在21％时的典型曲线。

当稻谷含水率小于或等于23.5％时，通过测量出的时序变化曲线图(图4)的特征峰高，即曲线的最低点的纵坐标值来计算得到谷物的含水率，计算公式为：

w_{s} % = K_{I} \frac{R_{X \min}}{R_{i} + R_{X \min}} E + b_{I}

；其中：K_I-斜率，R_i-比例电阻，R_Xmin-峰高特征值，b_I-截距，E-标准电源。

当谷物含水率大于23.5％时，通过测量出的时序变化曲线图(图4)的峰面积，即图5或者图4中的某一条曲线与横坐标(时间坐标)包围的面积，来计算得到谷物的含水率，计算公式为：

w_{s} % = K \times [Σ_{i = 1}^{N} (A_{i} \times T) / N] + b

；其中：w_s％-被测稻谷水分，T-采点周期，K-转换斜率系数，b-截距，A_i-波形特征点。i∈(0，200)。

按照测量检测过程中的温度和稻谷温度变化的强度和方向如图6所示，对所计算得到的谷物含水率按照w_b％＝-0.0031t²+0.1613t+20.704[注式中的t是稻谷的温度(℃)]的计算式进行补偿后，即可得到稻谷的真实含水率值，即w％＝w_s％+w_b％，其中：w％稻谷的真实含水率值。

Claims

1、一种检测谷物含水率的方法，其特征在于包括下述步骤：首先将谷物送入一对作相向转动且施加有电势差的压辊传感器中；然后在谷物受挤压的过程中，通过所述压辊传感器采集到采样信号并输出到阻抗转换电路，经过阻抗转换电路的转换，将信号送入A/D转换电路，得到所述谷物的实时电阻等效电压的时序变化曲线；通过解析所述时序变化曲线的特征峰高或峰面积，计算得到谷物含水率；同时还实时测量检测过程中的温度变化，根据温度变化情况对所述计算得到的谷物含水率进行补偿，最后得到补偿后的谷物含水率。

2、根据权利要求1所述的检测谷物含水率的方法，其特征在于：当谷物含水率小于或等于23.5％时，通过解析所述时序变化曲线的特征峰高计算得到谷物含水率，计算公式为：

W_{s} % = K_{I} \frac{R_{X \min}}{R_{i} + R_{X \min}} E + b_{I}

，其中：W_s％为谷物含水率、K_I为斜率、R_xMin为曲线的峰高特征值、R_I为比例电阻、E为标准电源、b_I为截距；当谷物含水率大于23.5％时，通过解析所述时序变化曲线的峰面积计算得到谷物含水率，计算公式为：

w_{s} % = K \times [Σ_{i = 1}^{N} (A_{i} \times T) / N] + b,

其中：W_s％为谷物含水率、K为转换斜率系数、A_i为波形特征点、T为采点周期、b为截距、i∈(0，200)。式中，(A_i×T)代表曲线的峰面积。

3、根据权利要求1或2所述的检测谷物含水率的方法，其特征在于：在检测过程中，还实时测量检测过程中的温度变化，根据温度变化的强度和方向对所述计算得到的谷物含水率进行补偿，补偿公式为w_b％＝-0.0031t²+0.1613t+20.704，W_b％为谷物温度变化对测量造成影响的补偿，是对谷物含水率的校正，t为谷物温度。

4、根据权利要求1所述的检测谷物含水率的方法，其特征在于：所述压辊传感器上施加的电势差为

V = \frac{R_{X}}{Ri + R_{X}} E (V),

其中Ri为第i路比例电阻、R_X为被测谷物的电阻、E为标准电源。

5、一种用于上述权利要求1～4任一项所述方法的检测谷物含水率的装置，其特征在于包括压辊传感器、温度传感器、测量电路、A/D模数转换单元、运算控制单元和输出显示器；所述测量电路包括取样电路、多路转换电路、阻抗转换电路和可调谐电源；压辊传感器检测到采样信号并输入到测量电路中的取样电路，取样电路由比例电阻转换器和信号电极组成，比例电阻转换器的输入为压辊传感器检测到的采样信号，经过比例电阻选择特定的电阻信号并输出到信号电极，信号电极将提取到的电阻信号输出到阻抗转换电路，阻抗转换电路将输入的电阻信号进行阻抗转换后形成电压信号并输出到A/D模数转换单元，信号经过A/D转换后通过运算控制单元，将最后得到的数值输送到输出显示器；可调谐电源同时与阻抗转换电路和多路转换电路连接，多路转换电路的输出为取样电路。

6、根据权利要求5所述的检测谷物含水率的装置，其特征在于：还包括一个端面上设有承种槽的送料圆盘，送料圆盘与采样同步器、齿轮安装在同一根轴上。

7、根据权利要求5所述的检测谷物含水率的装置，其特征在于：所述检测电路的可调频电源由三端可调整集成稳压电源LM317、电容C1、C2、C3、定电阻R1和可变电阻器R2构成。

8、根据权利要求5所述的检测谷物含水率的装置，其特征在于：所述比例电阻转换器由3路高速电子转换开关K1、K2、K3和比例电阻R3、R4、R5组成。

9、根据权利要求5所述的检测谷物含水率的装置，其特征在于：所述阻抗转换电路由仪用运算放大器INA102、电容C6、C7、可调电位器R6、R9、电阻R8、R10、R11和集成运算放大器OP27组成。

10、根据权利要求5所述的检测谷物含水率的装置，其特征在于：所述A/D模数转换单元由运算控制器AD8x构成。