粮食烘干过程中水分在线检测系统研究

引言

目前，粮食烘干过程中水分检测技术还不是很成熟，干燥过程中物料水分控制方面还不能较好地实现自动化、连续化，物料水分的测定数据还不够准确，影响干燥物料的品质、产量，增加生产成本。

　　微波水分检测是近几年发展起来的一项无损检测新技术，它具有检测精度高、测量范围广、便于动态检测、对环境的敏感性小、可以在相对恶劣环境条件下进行等优点。微波作为一种频率非常高的电磁波具有很强的穿透性，它所检测的不仅仅是粮食表面的水分，还能够在无损的情况下检测到粮食内部的水分含量[1]。

为此，本文采用微波无损检测技术，并根据我国原粮状况和干燥设备技术规范，对粮食烘干过程中的水分变化情况进行了连续、在线式检测，为粮食烘干过程中水分检测与控制提供了技术保障。

　　1 粮食水分检测原理及方法

粮食中的水分子是极性分子，常态下成偶极子杂乱无章分布着。在外电场作用下偶极子会形成定向排列。水分子中的偶极子受微波电磁场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量(储能)，又不断释放能量(释能)，前后者分别表现为微波信号的相移和衰减。复介电常数ε可表征为[3-4]：

ε=ε’-jε’’

或 (1)

式中ε’为储能的度量;ε’’为衰减的度量;衰减角正切表示介质损耗大小的一个常数。

ε’与ε’’不仅与材料有关，还与测试信号频率有关。所有极性分子均有此特性，一般干燥的物料，如木材、皮革、谷物、塑料等，其ε’在1～5范围内，而水的ε’则高达64～80，因此，物料中含有少量水分时，其ε’将显著上升，ε’’也有类似性质。电磁波经过与有损耗介质作用后，其相移量和衰减量与ε’，ε’’的关系可表示为[5-6]：

式中λ0为自由空间的波长(米);ΔΦ为相移量(度);ΔA为衰减量(dB);t为物料厚度(米)。由(2)、(3)式可得：

式(4)(5)表明，微波信号相移量ΔΦ和衰减量ΔA是介电常数的函数。粮食水分检测的原理就是利用微波作用于物料引起的微波信号相移和衰减量信息来换算成物料的水分含量。

粮食中水的介电常数和衰减因子比其中干物质的介电特性值高很多，且作为极性分子的水在微波场作用下极化，表现出对微波的特殊敏感性。粮食水分检测正是利用水对微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信号相位、幅值等参数变化的原理进行水分含量检测的。微波水分检测可以采用透射式和反射式检测方法[7-9]，其微波传感器布置如图1。一般物料厚度比较薄时，采用透射式检测方法;物料厚度比较厚，密度比较大时采用反射式检测方法。在微波水分检测中，为了达到应用的灵敏度，常用微波的X波段：8.2～10.9GHz。

采用微波无损检测技术准确性高、速度快、可连续测量，不会受到物料的颜色、结构等的影响，有利于实现粮食水分实时在线式检测。

2 粮食烘干过程中水分检测系统

为了实现粮食烘干过程中水分在线式检测，在理论分析和大量实验基础上，作者设计了如图2所示的粮食烘干过程中水分检测系统。该系统主要由微波水分传感器、温度传感器、信号采集控制器和显示终端等组成。微波水分传感器包括微波信号发生器、隔离器、微波传感器天线、检波器。温度传感器用来检测物料的温度。信号采集控制器将采集到的微波水分传感器信号和物料温度信息，通过CAN总线发送到显示终端。显示终端进行数据分析、处理和结果实时显示。

微波发生器工作频率为10.5GHz，微波传感器采取反射式检测方法布置。隔离器使正向传输的微波无衰减或衰减很小地通过，而对于反向传输的微波则有较大的衰减。使用隔离器，可把负载不匹配所引起的反射通过隔离器吸收掉，不能返回到信号源，使信号源能稳定地工作。检波器把微波信号转换为电信号，通过放大、滤波，经A/D转换后，通过CAN总线发送到显示终端中，显示终端完成对数据分析与实时显示。传感器信号A/D采样为12位，参考电压为5伏，分辨率为1.22毫伏/位。通过温度传感器信号进行温度补偿，以获得微波检测信号与粮食水分含量的理想线性关系，提高系统检测精度。

图3为粮食烘干过程中水分监测终端界面。首先选择要检测的物料，主要为玉米、小麦、水稻等主要粮食作物。系统在初次安装或检测的物料品种变换时，需要进行系统标定，可以通过终端的水分标定菜单来完成参数标定工作。系统参数标定一般需要3个以上物料水分数据点，采用冒泡