粮食水分检测技术分析（共4篇）
粮食水分检测技术分析 篇1
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。其中干燥法主要包括电烘箱法、减压法、红外加热法、微波加热法;化学法包括蒸馏法、卡尔.费休法和碳化钙法等。这些方法的检测精度高, 适用于实验室检测, 但费时, 无法实现快速、在线检测。因此, 近年来人们越来越重视研究粮食水分的快速检测, 新的检测设备不断涌现。
粮食水分的快速检测, 是通过对与水分有关的物理量 (例如物质的电导率、介电常数等) 的检测, 相应地测定物质的含水量, 一般来说速度较快, 易实现在线检测。主要有电容法、电阻法、射线法、中子法、核磁共振法和声学法等。
1 电容法
电容法测量粮食水分的原理是:不同水分的粮食经过电容传感器, 使电容传感器介质的介电系数E发生变化, 随着介电系数E的变化, 电容传感器的电容量亦发生变化, 这样就可以间接地测出粮食的含水量。比如含水量较高的粮食相对介电常数越大。
电容法的优点是:结构简单, 成本低, 易于实现连续快速测量。缺点是测量精度不高, 稳定性差。影响电容式水分计测量精度和稳定性的原因是多方面的, 如被测物料的品种、温度、紧密度等。
根据电容法研究开发的水分测量仪称为电容式水分仪, 目前, 国内利用电容法测定粮食水分的仪器的种类较多, 如上海生产的SSY-1B型电脑水分测定仪、哈尔滨自动化仪表研究所研制的WS-1型粮食温度水分测试仪等。黑龙江生产的DLS-3A型电脑粮食水分仪, 可以测试玉米、稻谷、小麦、大豆、高粱等9个粮食种类54个品种, 水分测量误差≤±5%, 重现性为0.2% (20%水分以下) , 使用温度为-5℃~40℃。国外主要有美国制造的FARMEX
谷物水分测定仪, 法国特里百特-雷诺 (Tripet te&Renaud) 公司生产的Wile55, 日本KETT研究所生产的PM5013和PM888等。
2 电阻法
粮食的电阻特性为: (1) 在一定的含水范围内电阻对数与含水量关系近似呈线性; (2) 在粮食的含水范围内, 电阻的量值变化很大, 根据水分含量的不同, 电阻值可能在较低的兆欧级直到高达几十兆欧级之间; (3) 温度对粮食电阻的影响十分显著, 性质上表现为被测的等效电阻随降温度的升高而减小。电阻法测定粮食水分即是利用粮食水分含量的不同, 其导电率不同, 电阻值的变化间接地反映粮食水分含量。
电阻式粮食水分仪结构简单, 价格便宜, 缺点是信号强度小, 取样要求高, 不宜于微量水和高含水量的测定, 传感器与样品接触状态会影响测量精度。
3 近红外法
近红外法是利用波长范围为780~2526 nm的电磁波, 在样品中被含氢HX (C, N, O) 官能基团的倍频、合频吸收来测定水分的方法由于水对近红外具有特征吸收光谱, 所以被吸收的能量与物质的含水量有关。
近红外粮食水分仪为非接触测量, 易于连续测量, 无需化学预处理, 分析快速, 适用范围广。缺点是物料大小、密度、环境温度、振动等对测量结果均有影响。Zeltex公司生产的ZX880近红外检测仪平均相对误差小于4%, 可以满足实际生产的求。
4 微波和无线电波法
微波为300 MHz~300 GHz间的电磁波, 其主要物理特性似光性和近声性。微波检测水分的原理是:利用微波作用于粮食产生的功率变化、幅度变化、相位变化或频率改变信息来推算粮食的水分含量。实质上这种方法是综合研究微波和物质的相互作用, 根据物料介电常数与非电量之间存在的函数关系, 利用微波反射、穿透、散射和腔体微扰等物理特性的改变, 通过测量微波信号基本参数 (如幅度、相位、频率等) 的改变量进行检测。
粮食中水的介电常数和损耗因子比其中干物质的介电特性值高很多, 水分子在微波场作用下极化, 表现出对微波的特殊敏感性。粮食在干燥状态下的相对介电常数为2~5 (小麦的介电系数约为2.3) , 而水的相对介电常数接近80, 水在超高频范围内存在介电损耗的最大值。利用超高频能量通过含水粮食产生能量损耗、相移或发射波参数的变化, 可换算出粮食水分值。微波水分测量正是利用水对微波能量的吸收或微波谐振腔谐振频率等参数随水分变化的原理进行水分测量的。不同的应用对象, 微波的检测原理略有不同。其中, 用于水分检测的主要有:透射法、反射法、腔体微扰法。
微波式水分仪的优点是:灵敏度高, 速度快, 非介入无损式测量, 易于实现水分连续测定, 测量信号易于联机数字化、可视化, 所测结果为体积总体水而有代表性。缺点是测量结果受物料形状、密度等因素影响, 仪器价格高。
瑞典生产的Aquamat ic 5100型快速水分分析仪, 采用150MHz的无线电波技术, 采用温度和密度修正, 由测定介电常数来测定粮食水分。由于采用了合适的校正方法, 减少了各种误差, 如收获年份、品种区别和产品产地, 并且产品水分分布状况不影响检测结果, 适合所有谷物和油料作物, 且所有的谷物与油料产品均使用一条校准曲线, 在检测水分的同时, 还可检测容重和温度。无需校准更新, 一条曲线适合所有产品。分析时间短, 仅为20 s, 样品温度为~10℃~40℃
5 核磁共振
在一定条件下, 由于原子核自旋重新取向的结果是物质在某一确定的频率上吸收电磁场的能量, 进入共振的频率的数据与原子核的性质以及作用到物质上的外磁场大小有关。改变磁场的大小可以取出核磁共振的频谱, 并能测出在试样中的某种原子核。吸收能量的多少, 与试样中所含有其它质子的物质, 可以按能量吸收的强度来判断物质中的湿度。情况复杂时, 用信号加以区分, 用核磁共振法对湿度进行测量, 用荧光屏通过信号的强度直接测定其含水量。其优点是测量迅速, 非破坏性, 精度很高, 还可区分自由水和结合水, 其不足之处是仪器昂贵, 保养费用大, 需精确标定。
6 其它
赛多利斯水分测定系统WDS 400可以选择性测量表面水、毛细管水和结晶水。利用热敏分析和电量分析相结合的方法, 能精确有效地测量水分。使用热敏分析法, 用户可根据水的不同形式 (如表面水、毛细管水、结晶水) 自定义加热温度, 然后由电化学传感器进行水分测定。根据不同样品, 可测量物质中从15%到百万分之几的水分含量, 最少可测量1 ug的水分含量。■
粮食水分检测技术分析 篇2
在学习借鉴就仓干燥法、粮食低温脱水技术后, 我们根据生产应用实际, 在事件中逐渐改进, 形成了一套能将高水分湿粮食 (含水率25%~30%) 直接入仓集中干燥且成本较低的新方法。
一、材料与方法
1. 试验处理
处理1:高水分稻谷的干燥处理
2013年9月25日, 处理刚收获的稻谷 (30%的含水量) , 干燥后 (13%的含水量) 稻谷重量6 500kg。全程使用一台5.5kw风机, 一台4.5kw高效节能加热器。干燥时间48小时。
处理2:高水分小麦的干燥处理
2014年5月18日, 处理刚收获的小麦 (26%的含水量) , 干燥后 (14%的含水量) 重量78 220kg。全程使用5台5.0kw风机, 每天干燥15小时, 连续10天, 干燥时间150小时。
处理3:高水分小麦的干燥处理
2014年5月18日, 处理刚收获的小麦 (25%的含水量) , 干燥后 (14%的含水量) 重量164 160kg。全程使用2台5.5kw风机, 2台4.5kw高效节能加热器。每天干燥24小时, 连续6天, 干燥时间144小时。
2. 试验实施
处理1:2013年9月25日, 将田间刚收回来的湿稻谷 (含水30%左右) 6 500kg堆放在能通风透气的定制托盘和袋子里面, 采用1台风机 (5.5kw) +1台高效节能发热器 (4.5kw) , 合计10kw, 进行强通风, 48小时后稻谷已干燥到 (水分13%) , 完全达到国家粮食安全储藏标准。
处理2:2014年5月18日, 在粮食基地机棚内堆放了16m (长) ×9m (宽) ×1.5m (高) =216m3小麦×760kg/m3=16.4216×104kg小麦 (含水25%左右) 在能通风透气的地笼上, 用5台电动风机 (5kw) 进行通风排湿, 5月28日结束, 已达干燥效果 (含水14%左右) 。
处理3:2014年5月14号, 在合作社米厂 (绵远河边) 敞棚内堆放了7.822×104kg小麦 (含水26%左右) , 在能通风透气的地笼上用了2台电动风机+2台高效节能发热器进行了强通风排湿, 5月20日结束, 已达干燥效果 (含水14%左右) 。
3. 调查记载项目
处理时间;处理结束时间;处理粮食的数量;处理前后粮食的水分;动力;电价;耗电数, 处理所需电费;辅助人工费用;机械设备折旧。
二、结果与分析
1. 处理3的能耗低于处理2, 处理3能耗较高
研究表明, 处理1的稻谷水分降幅17%, 每吨水份30%的稻谷干燥到13%水份, 需要消耗73.85kwh, 而处理2将26%水份的小麦干燥到14%, 需要消耗36.82kwh, 处理3将25%水份的小麦干燥到14%, 仅需要消耗22.84kwh。
处理1的能耗较高, 这可能和其处理方式为将高水分的稻谷堆放在能通风透气的定制托盘和袋子里面进行处理有关。处理2、处理3的能耗比处理1低, 但处理2、处理3之间, 水分差异小, 但能耗相差较大, 这可能与对方的厚度和形式有关。
2. 处理3的效率最高
采用该技术, 处理3的效率最高, 每千克含水率25%的小麦, 仅需要0.91小时即可干燥到含水率14%。处理2的效率次之, 处理3最低, 需要7.38小时。
3. 成本分析
在试验条件下, 处理3、处理2的成本较低, 处理1的成本较高。处理3、处理2的成本在0.1元/kg, 处理1较高, 也仅0.143元/kg。
试验结果表明, 处理2、处理3的成本比在响晴天采取人工晾晒的成本 (0.12元/kg) 还低;即使是成本较高的处理1, 也仅0.143元/kg。这在收获季节很紧张的人工和非响晴天气状况下, 具有重要的意义。特别是持续阴天多的天气状况下。
三、结论与讨论
在新的农业生产形势下, 种粮大户、专业合作社、以及从事土地流转进行粮食生产的企业正越来越多。随着生产经营规模的不断扩大, 以及粮食成熟相对集中、晾晒场地、收获季节天气变化大等因素的综合影响, 粮食干燥成为制约粮食生产的最关键的环节。一旦收获季节气候稍差一点, 一个规模500亩以上的大户就会造成几十吨或更多的粮食发芽霉变, 及造成种粮大户一季辛苦血本无归, 更影响粮食安全。
粮食水分检测技术分析 篇3
1 检测电路
本课题所采用的湿度检测电路原理图如图1所示。粮食水分测量控制系统的核心控制芯片为AVR系列的单片机,频率输出信号由555芯片构成的振荡电路产生,利用采用RISC结构的ATmega128单片机,可以使得系统在粮食水分的测量中速度更快、执行效率也更高[3]。
其中R为R20和R10的等效电阻,二极管D 1起抑制干扰的作用,电阻R10为变位器,可以在一定的范围内调节所需的频率范围。
2 硬件设计
2.1 主控制芯片
系统的主控制芯片采用的是爱特梅尔公司(ATMEL)生产的ATmega128控制芯片。ATmega128单片机的最大特点是处理速度快,端口资源丰富,可以提供多达64个端口。这就可以为粮食水分测量系统提供各自独立的端口资源[4]。
2.2 温度传感器
温度传感器采用的是美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20。该传感器结构简单,性能可靠,采用“一线总线”的结构特点,可用一根I/O数据线既供电又传输数据。与ATMEL128微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20传感器的双向通讯[5]。
整个粮食水分测量控制系统由主控制板、温度和湿度电路板、电源和电机电路板、按键电路板共4快电路板组成。整个粮食水分测量仪实物图如图2所示。
3 程序设计
粮食水分测量仪控制系统整个工作流程是:在给控制系统接上电源并开机后,控制系统首先开始自检并进行参数的初始化,分配对应的端口地址,按照设置好的测量参数,分别采集温度信号和湿度信号,并把采集来的信号进行处理,把测量结果显示在液晶显示器上,然后根据各个功能按键的指令,执行相应的测量功能。至此,粮食水分测量仪的整个控制系统便开始进入正常工作的状态。系统的主流程图如图3所示。
4 结束语
该文分析了基于555集成电路的粮食水分检测技术,提出了采用电容法检测原理,并给出了电路检测原理图。在此基础上,完成了硬件电路设计。由于影响粮食水分测量的因素较多,测量时因充分考虑各种因素带来的影响。该文在大量实验数据的基础上,提出了粮食水分含量、温度、重量等几个参数的关系。通过实验室大量实验表明,该测量仪具有结构简单、精度较高等优点。目前由于程序的单一性,对稻谷水分可以实现较为精确的测量。下步随着程序的不断完善,可以测量更多品种粮食的水分(高粱、小麦、大豆等)。
摘要：为了快速准确的检测粮食中所含的水分,以便能更好地贮存和保持粮食的各项生理性能和食用品质。该文提出一种基于555集成电路的粮食水分检测方法,含有一定水分的粮食等效于相对应的介电常数,在由555芯片构成的水分检测电路中,产生不同的频率信号。该文所提出的粮食水分检测方法,正是基于这一原理来实现的。文中重点介绍了采用555集成电路的粮食水分检测电路原理,并给出了最后的运行效果图。
关键词：控制系统,ATmega128,粮食水分测量仪,AVR单片机
参考文献
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粮食水分检测技术分析 篇4
在粮食收购、储藏、加工、运输等各个环节，迫切需要及时干燥，以保证粮食品质、利于储藏。水分检测对粮食的各个环节都具有十分重要的意义。我国是世界上最大的粮食生产和消费国，年总产粮食约5亿t，由于经济和技术等方面的原因，除大型农场和经济较发达的地区外，粮食干燥还多依靠传统的自然晾晒法，粮食干燥机械化程度很低，收获的粮食经常因得不到及时干燥而发生发芽、变质、霉烂，造成巨大的损失。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[1]。这些方法的检测精度高，适用于实验室检测，但较费时，不适合快速、在线检测。近年来，人们越来越重视研究粮食水分的快速检测。干燥就是以供热的方式从物料中脱去水分的过程，是一个复杂的热质交换过程。粮食干燥的对象是一个有生命的有机体，在不断地进行着呼吸作用，水分含量是影响粮食呼吸作用强弱的最重要的因素。粮食干燥的目的在于降低粮食的水分，从而降低呼吸强度，利于安全储藏;但是，如果干燥条件过于强烈，粮食中的一些酶将失活，蛋白质将变性，使粮食失去生命力，从而对粮食品质产生一定的影响[2]。本文主要研究粮食干燥机水分快速检测节点[3]。
1 粮食水分快速检测方法现状
国内外水分在线检测的主要有电容法、电阻法、射线法、中子法、核磁共振法和声学法等。其中，电阻法和电容法应用最多，其他方法由于价格昂贵、应用技术条件苛刻等原因用得很少，有的还处于研究阶段。因此，重点介绍和研究电容间接测量法和电阻间接测量法[4]。
1.1 电容间接测量法
电容间接测量法测量粮食水分的原理是:将电容间接传感器放置于粮食中，如粮食水分含量发生变化，将会导致介电常数发生改变，进而改变传感器两电极之间的电场分布，引起电容的变化。检测电容的变化后，可通过一定的变换关系得到粮食的水分含量。例如，含水量越高的粮食相对介电常数越大。这种方法的优点是结构简单、体积小、成本低，易于实现连续快速测量;缺点是测量精度不高、稳定性差。影响电容测量法测量精度和稳定性的原因是多方面的，如被测物料的品种、温度及紧密度等[5]。
1.2 电阻间接测量法
电阻水分测量法亦称电导法，是利用物料中含水量不同则其导电率不同的原理来测量水分的方法。近年来，出现了许多新的基于电阻测量原理的创新方法，如双量程直流电阻法、交流阻抗法、电阻测频测周集成方法、脉冲电阻法和复阻抗分离法等。电阻测量法粮食水分仪具有结构简单、价格便宜等优点;缺点是信号强度小、取样要求高，不适于微量水和高含水量的测定，传感器与样品接触情况会影响测量精度。
粮食的导电浴盆效应:在某一频带，粮食的阻抗呈现较低状态，其导电能力与水分含量成正比关系。施加幅值不变的某一频带的标准激励信号，通过测量由被测粮食的阻抗所决定的导通电流，可以间接测量出粮食的水分含量。插杆式水分传感器就是基于这一原理工作的，信号传输距离可达100m，应用在粮食干燥机上距离是完全满足的[6]。
2 快速检测智能节点的硬件组成
基于现场总线粮食干燥水分快速检测节点的硬件结构组成，如图1所示[7]。节点由C8051F041高速混合信号ISP FLASH微控制器、CAN总线电路、水分信号电路及电源电路等组成，可以完成6点水分测量与传输。C8051F041是完全集成的混合信号片上系统型MCU，功能强大，具有64个I/O引脚，片内包含了1个CAN2.0B控制器，高速、流水线结构的8051，兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)，具有可编程数据更新方式;64kB可在系统编程的FLASH存储器，4352(4K+256)字节的片内RAM，可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口;硬件实现的SPI,SMBus/I2C和两个UART串行接口，5个通用的16位定时器，具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，片内Watchdog定时器、VDD监视器和温度传感器[8]。
2.1 接口的研究与设计
C8051F041有1个片内12位SAR ADC(ADC0)、1个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。它最大可以完成8个通道输入，C8051F041的AIN0.0引脚、AIN0.1引脚通过信号调理电路和插杆式传感器1连接，C8051F041的AIN0.2引脚、AIN0.3引脚通过信号调理电路和插杆式传感器2连接，C8051F041的P3.0引脚、P3.1引脚通过信号调理电路和插杆式传感器3连接，C8051F041的P3.2引脚、P3.3引脚通过信号调理电路和插杆式传感器4连接，C8051F041的P3.4引脚、P3.5引脚通过信号调理电路和插杆式传感器5连接，C8051F041的P3.6引脚、P3.7引脚通过信号调理电路和插杆式传感器6连接。由此可见，C8051F041不需要外接8路选择开关，本身自有而且还有可编程增益放大器功能。水分传感器和C8051F041微控制器接口如图2所示。图2中，为了抑制共模干扰，采用双端输入。
2.2 CAN总线电路的设计
干燥机水分检测点多一些测量数据更精确，控制干燥的效果更好。由于电子元器件的功能越来越强，价格越来越低，分布式测控和数据融合技术应用越来越广泛。干燥机水分检测不止需要1个水分检测节点，这就涉及每个节点和上位机通讯的问题，在此采用CAN总线实现每个节点和上位机通讯。CAN总线具有通用性优良、适宜于远距离通讯、线路少、维修方便、精度高、抗干扰能力强、价格低廉，应用范围广泛等特点。CAN在没有中继器情况下通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)，通信速率最高可达1MbPs(此时通信距离最长为40m)，完全满足需要[9]。C8051F041微控制器包括CAN控制器，但是没有CAN总线收发器和高速光电耦合器等。这里，由CAN总线收发器TJA1050和高速光电耦合器6N137等组成CAN总线电路。CAN总线电路和C8051F041微控制器接线示意框图[10]如图3所示。
3 快速检测智能节点的软件组成
基于现场总线粮食干燥水分快速检测节点软件主要由智能节点初始化程序、CAN总线程序和具体应用程序组成。其中，CAN总线程序叙述的比较多，在此不再赘述。
3.1 智能节点初始化程序
智能节点初始化程序完成智能节点各功能单元的初始化工作包括微控制器的初始化、输入/输出通道初始化、看门狗初始化、UART初始化及CAN初始化[11]，流程图如图4所示。
3.2 智能节点水分测量的软件
基于现场总线粮食干燥水分快速检测节点具体应用程序主要是6点水分测量，采用定时中断方式进行6点水分测量。其程序流程框图如图5所示。
4 结论
研究设计表明，节点微控制器采用C8051F041具有功能强、集成度高、编程简单等特点;用插杆式水分传感器和CAN总线组成粮食干燥水分快速检测节点可以解决水分快速检测问题。其精度高、体积小巧、通用性好、抗干扰性能强、造价降低，根据水分检测点数目可以调整节点的数目，还可以进行数据融合，对我国粮食干燥设备和粮食干燥水平的提高有积极的促进作用。
摘要：根据目前粮食水分快速检测存在的问题,应用电阻法插杆式水分传感器测量原理,研究设计了一种基于现场总线粮食水分快速检测智能节点。节点微控制器采用C8051F041,水分检测点6个,节点和上位机通信运用CAN总线,适用于分布式粮食干燥控制系统。研究设计表明,该节点具有体积小巧、通用性好、抗干扰性能强、造价降低、线路少、维修方便、精度高且抗干扰能力强的特点,可满足分布式粮食干燥控制系统的要求。
关键词：粮食干燥,水分检测,智能节点,CAN总线
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