粮食水分检测（共5篇）
粮食水分检测 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。■
微波在线式粮食水分检测系统 篇2
关键词：在线检测,粮食水分,微波
0 引言
粮食水分含量决定粮食的物理、化学和生物特征,是粮食质量的关键指标,直接影响粮食的收购、运输、储藏和加工贸易等过程。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、稳定性好、便于动态检测、对环境的敏感性小以及可以在相对恶劣环境条件下进行检测等优点。作为一种频率非常高的电磁波,微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。微波检测技术广泛应用于食品、烟草、煤炭、药品、木材和混凝土等物料的水分检测。微波水分检测正在逐步取代精度低、取样要求高、适应性差的电容法和电阻法等传统水分检测方法,成为一种理想的粮食水分检测技术[1]。
1 微波水分检测原理及特性
微波是一种波长短、频率高的电磁波,其主要物理特性有似光性和近声性[2]。当波长远小于反射体时,微波和几何光学特性相似,即具有反射、折射、衍射及行程可逆等特性;当波长与反射体具有相同数量级时,微波又近于声学特性。微波能穿透非金属材料,在金属表面产生反射。
水分子是极性分子,常态下偶极子呈杂乱无章分布着,在外电场作用下偶极子会形呈定向排列。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。复介电常数可表征为[3,4]
或
式中 ε′—储能的度量;
ε″—衰减的度量;
tanδ—衰减角正切,表示介质损耗大小的一个常数,取
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、谷物和塑料等,其ε′为1～5范围,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、衰减量与ε′和ε″的关系可表示为[5,6]
式中 λ0—自由空间的波长(m);
Φ—相移量(°);
A—衰减量(dB);
t—物料厚度(m)。
由式(2)和式(3)可得
式(4)和式(5)表明,微波信号相移量和衰减量是介电常数的函数。微波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。微波粮食水分检测正是利用水对微波能量的吸收与反射等作用,引起微波信号相位和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],其微波传感器布置如图1所示。一般物料厚度比较薄时,采用透射式检测方法;物料厚度比较厚或密度比较大时,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,即频率为8.2～10.9GHz。
微波水分检测准确性高,速度快,便于动态实时检测;它能实现非介入式、非物理接触的、无损的以及在线连续的水分检测;微波水分检测的被测参量是多选的,可以用单参量测量,也可以用对比参量方法消除影响测量精度的物性参数的作用,从而实现如“与密度不相关”或“与形状不相关”的测量等;微波水分检测系统由固态器件组成,检测装置小巧、坚固、可靠且安装方便;微波检测是一种深度测量技术,所测结果为体积总体水分而具有代表性,这比表面测量技术要优越得多;微波水分检测操作简单,可连续测量,不会受到物料的颜色和结构等的影响,有利于实现粮食水分实时在线式检测。
2 微波在线式粮食水分检测系统
在理论分析和大量实验基础上,笔者设计了微波在线式粮食水分检测系统,如图2所示。该系统主要由微波信号发生器、隔离器、微波传感器天线、检波器、温度传感器、信号采集及分析处理等部分组成。
微波发生器工作频率为10.5GHz,微波传感器采取透射式检测方法布置。隔离器使正向传输的微波无衰减或衰减很小,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,通过放大和滤波,经A/D转换后,通过串行总线发送到计算机中,由计算机完成对数据分析与实时显示。AD采样为16位,参考电压为3V,分辨率为45.8mV/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。系统工作流程如图3所示。
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,一般需要标定2个或2个以上数据点。系统初始化完成后,采集一小段微波信号,对这段数据进行平滑处理。系统中采用冒泡法先进行排序,选用中间的数据加权平均,并对采样数据进行温度补偿。最后根据事先的标定值和平滑预处理后的结果,通过线性匹配换算成粮食水分含量值并显示。
3 结果与分析
选用小麦作为检测对象,其标准含水量范围为10%～18%。根据检波、采样处理的结果和标定值换算成粮食水分含量,实验检测结果如表1所示。用标准干燥法获得样本水分含量值,表1数据反映了对不同水分含量和检测的电压值具有很好的区分度。进行多次检测,微波水分检测重复性好,检测含水量范围为8%～20%,测量精度在±0.4%以内,完全可以满足粮食水分含量实时检测的需要。
4 结语
微波在线式粮食水分检测系统解决了目前在国内粮食收购时凭手摸或牙咬等经验来判断粮食水分所带来的测定结果极不可靠的问题。本检测系统可以在线连续、及时和准确地对粮食水分进行含量检测,为粮食的收购、运输和储藏提供了强有力的技术保障。大量室内外实验表明,该系统可以满足在粮食收购、储藏和加工等过程中水分含量的检测需要,而且有很好的发展前途。在以后的研究中,将对物料密度的影响做深入的分析,进一步提高系统的鲁棒性,达到理想的含水量检测结果。
参考文献
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粮食水分检测 篇3
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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粮食水分检测 篇4
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 篇5
粮食水分检测对粮食的收购、运输、储藏、加工贸易都具有十分重要的意义。水分过高浪费运力和仓容,促使粮食生命活动旺盛,容易引起粮食发热、霉变、生虫和其它生化变化。而粮食水分过低,减少了粮食重量,会影响粮食品质。因此,水分一直是粮食的一项重要质量指标,准确检测粮食水分含量成为一个重要课题。
粮食的水分检测技术总体上分为直接法和间接法[1]。直接法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。直接法检测水分,检测精度高,适用于实验室检测,缺点是检测的时间较长,无法实现快速、在线检测。间接法是通过检测与水分有关的物理量,主要包括电阻水分测定、核磁共振法、电容水分测定等。
本仪器检测水分采用的是电容水分测定。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,受各种因素影响稳定性较差。为了提高测量水分的准确度,鉴于近年来多传感器信息融合技术的不断发展,本设计在硬件上采用了多传感器同时检测来获得多个主要影响因素的数据,同时在软件的数据处理部分增加先进的信息融合算法,对采集数据进行综合处理,进而获得精确度较高的粮食水分检测结果。
2 基于多传感器信息融合技术的粮食水分测定仪原理
基于多传感器信息融合的粮食水分测定仪以高速单片机芯片C8051F020为主控制器[2]。主控制器负责管理水分传感器,温度传感器和容重传感器,将三个传感器采集到的数值进行存储和处理,最后通过LCD显示出来。系统构成如图1:
粮食水分检测采用常用的电容式传感器检测电路。基于电容式传感器的粮食水分测定仪是测量效果较好的水分检测装置。电容传感器利用圆筒形电容传感器,电容值的变化是和放入圆筒传感器的粮食水分值有关系的,不同含水量的粮食经过电容传感器,使电容传感器介质的介电系数ε发生变化,随着介电系数ε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。利用电容和粮食含水量的这种关系就可以通过检测电容值的变化来求出待检测的粮食水分大小。同时对于电容大小的测量采用LC振荡电路法将电容测量转化为对应的频率测量。
单纯的利用电容传感器法检测粮食水分是不准确的,这种方法忽略了在检测过程中受各种因素的影响,需要加以改善。影响电容式水分计测量精度和稳定性的原因是多方面的,粮食检测的电容值除与水分有关外,还与被测粮食的温度、品种、紧实度有关[3]。粮食的品种可以在测量之前自行确定,因此在粮食水分检测的同时还需要检测出被测粮食的温度和容重。粮食的容重就是紧实度。于是增加了粮食容重检测电路和粮食温度检测电路两部分,把通过电容传感器检测到的粮食水分值和容重值、温度值一起作为信息融合需要的数据。鉴于B P神经网路数据融合技术的不断成熟,采取B P神经网络作为信息融合方法。
BP神经网络是神经网络中采用误差反传算法作为其学习算法的前馈网络。误差反传算法的主要思路是把学习分为两个阶段。第一阶段是正向传播过程,给出输入信息,将输入信息传播到隐含层上,经过各神经单元的激活函数运算后,把隐含层的结果送到输出层神经元,处理并计算获得输出结果。第二个阶段是反向传播过程,若输出层不能得到期望的结果,则将实际输出的值和期望输出的值做算术差。得出差值进行反向传播,按原来的接通线路反传回去修改各层神经元的联接权值,逐次地向输入层传播,去进行运算,再经过正向传播过程得到差值,并用此差值来调节权值,即对每一个权值计算出接收单元与发送单元的激活值的乘积。这两个过程反复运行,使得误差信号最小,直至达到设计容许的误差范围内,则学习过程结束。典型结构如下图2:
3 粮食水分测定仪的信息融合设计
粮食的频率值、温度值、重量值通过相应的传感器及检测电路由软件控制送入单片机系统。单片机系统根据所得各种数据,利用信息融合技术计算出被测粮食的水分值。具体的水分信息融合设计分为四个步骤:
(1)粮食水分检测电路信息融合技术的数据预处理
首先采用复合滤波法对粮食电容传感器采集到的水分值进行数据预处理,算法如下:
先将N个采样点数据按照从小到大的顺序排队,即x1≤x2≤⋅⋅⋅≤xN(N≥3),去掉最大和最小的数据,只剩下x2,x3LxN-1。
然后采用限幅滤波法处理复合滤波后的数据,这种方法是将某采样点的值与其前面的信号值进行比较,如果发现信号值变化过大,超出了正常的范围,则说明信号受随机扰动影响较大,该点信号值必须调整或丢弃。具体算法过程即:
当|Xn-Xn-1|≤e,则e代表可能的最大变化范围。
e的计算公式:
从公式中可以看出,e是相邻数据变化的均值。经过限幅滤波后,采样数据曲线较处理前平滑。
经过上述两种方法数据预处理后可以将一些失真的数据剔除,结果已经较好地接近真实值。但是在剩余的数据中仍然存在着不等精度的测量数据。为了权衡各数据的不同精度和重要性,引用标志测量精度的特征数字“权”数Wi。精度高的数据误差小,权数应大;而精度低的数据误差大,权数应小。将测量列的各个数据按照其精度分别乘以权数再进行平均值处理,就会有利于提高估计值的准确性。可以采用测量的次数来确定相应的权数,如果同一个值,被几次测量,相应的权重就是几。数据处理公式如下:
假设对某一被测样品做等精度的多次独立检测而得到的测量列为X1,X2,…,Xn。
设Xi(i=1,2,…n),则真实值的加权融合估计值为
其中:
然后根据求出预处理后测得的粮食水分值。
例如采集到的经过前面处理过的粮食频率数据有6106,6119,6067,6119,6042,6119(KHz)。它们对应的权值分别为1,3,1,3,1,3。总的权值那么加权融合估计值就是
采用同一方法,获得经过数据预处理后的粮食温度和容重值。
(2)BP神经网络的数据融合结构
BP神经网络采用两层结构:即包括输入层、一个隐层、输出层。三个传感器检测出来的粮食水分值、容重值、温度值作为BP神经网络融合算法的输入值。输入层的节点数为3,融合后的粮食水分值是输出层,输出层节点数为1,隐层节点数选择为8。BP网络的基本处理单元(除输入层)为非线性输入关系,一般选用S型作用函数,处理单元的输入、输出值可以连续变化。
粮食水分BP神经网络信息融合的输入层和隐含层传递函数一般为(0,1)S型函数,公式为:
粮食水分B P神经网络信息融合第一层结构中,隐含层隐节点的输出公式为:
其中,输入节点的输入Xj,连接权值wij,节点阈值θi。
粮食水分BP神经网络信息融合第二层结构输出层节点输出公式为:
其中,连接权值Tij,节点阈值θl。输出层节点最终输出经过BP神经网络处理的粮食水分融合值[4]。
(3)BP神经网络的数据融合结果
我们选取粮食中常见的小麦作为实验样品。采用四组不同含水量的小麦样本数据,对应的水分值分别是10.7、11.5、14.1、14.8(即小麦样品水分标定值),其含水量从9%到16%,覆盖了检测仪的典型测量范围。小麦样品标定值是这样得到的:预先准备好即将进行测量的不同含水量的小麦样品,将样品先用设计好的粮食水分测定仪进行不同温度下的测量,温度值分别选取1 5℃、20℃、25℃;针对每一组小麦记录其在不同的温度环境中测得小麦的水分值和容重值;然后将测量过的小麦样品放进微波炉中一段时间,将粮食中的水分值蒸发掉,再利用仪器测试出除去水分后的容重值,未除水分的小麦样品容重值和除过水分的容重值之差就是小麦样品的水分重量值,水分的重量和样品容重之比就是小麦样品水分的标定值。表1列出了采集来的神经网络信息融合前的实验样本数据。这些就作为Matlab试验箱进行神经网络信息融合的输入层和输出层数据。
基于Matlab进行BP神经网络训练的创建语句格式是:
net=newff(minmax(p),[8,1],{’tansig’,’purelin’},’trainlm’);
该语句调用了Matlab用于BP神经网络仿真的“newff”函数。其中,“minmax(p)”表示输入向量的最小最大值矩阵;“[8,1]”表示此BP神经网络的隐层节点数为8,输出层节点数为1;“tansig”表示隐层采用Sigmoid型激活函数;“purelin”表示输出层采用Purelin型激活函数;“trainlm”表示采用LevenbergMarquardt算法的变梯度反向传播算法进行神经网络训练;权值和阈值等参数使用Matlab的缺省设置。
通过Matlab仿真,运用仿真命令语句y=sim(net,p),可以得到对应表样本数据的神经网络融合数值[5]。其中,net表示用L-M算法训练好的网络,p表示粮食水分3个传感器的输入向量,y表示Matlab神经网络仿真输出的粮食含水量融合值。通过粮食水分的已知标定值和仿真的融合值,可以观察出神经网络融合的误差,如表2所示:
可见BP神经网络数据融合后的粮食水分测定仪的输出结果和真实水分值的误差很小,说明这种信息融合技术对消除电容式粮食水分检测中受到多种因素影响的作用是很明显的。
(4)信息融合算法在单片机软件中的实现
调用Matlab用于BP神经网络仿真的函数iw1=net.IW{1},b1=net.b{1},lw2=net.LW{2},b2=net.B{2}可以分别求出BP神经网络隐含层的权值wij、阈值θi和输出层的权值Ti j、阈值θl。其中由于隐含层的点数为8,输入层的节点数为3,最终求出的wij为行数为8,列数为3的矩阵。输入层的传递函数选用的是tansig函数输出层的传递函数选用的是purelin(n)=n。隐含层的输出函数(公式4)和输出层的输出函数(公式5)都是确定的,各个变量的系数通过Matlab仿真得出。原来的思路是:输入变量就是单片机检测到的水分值、温度值和容重值,通过单片机的C语言编程将B P神经算法实现并嵌入到整个系统软件中,就可以得到经过信息融合技术的真实粮食水分值。但在具体编程调试过程中发现由于单片机编程的数学运算具有局限性,选用的传递函数是指数函数,不同的输入值会发生溢出情况,不能很好实现融合的目的。于是采用查表的方式来实现信息融合算法在单片机编程中的应用。具体步骤是:通过Matlab训练出满足条件的固定权值和阈值,整个神经网络就确定下来了,然后给网络输入不同的输入值,会得出相应的结果,通过实验得出这样的结论:粮食的水分值基本是由粮食的频率值决定的,在一定的频率值下,改变粮食的容重值和温度值会发现,粮食的容重在210~230(g)的范围内变化时,粮食的融合水分值变化很小,一旦超过这个范围,水分值就会有明显变化,而温度在10~55℃范围内变化,水分变化不大,一旦温度超过55℃时,相应的融合水分值也会有明显变化。我们将这种粮食的容重和温度对粮食水分测量的影响绘制成相应的数据表格存放在单片机的内存中,以便软件编程时调用,这样就实现了信息融合算法在单片机中的应用。具体的软件编程流程图3:
4 结束语
多传感器信息融合这种方法有效避免了单一传感器的缺点,提高了仪器的环境适应性,并且能获得较高精度的测量信息。但同时数据样本的全面性和准确性对神经网络的训练结果存在一定的影响。如果能够减少这个缺点带给信息融合的误差影响,那么最终的融合值将更加趋近于粮食水分的真实值。基于多传感器信息融合技术的粮食水分测定仪研制为粮食的品质测定和分等打下了可靠的基础。
参考文献
[1]翟宝峰,郭宏林,许会.粮食水分检测技术的综合分析及发展概况[J].沈阳工业大学学报.2001.23(5):413-416.
[2]张迎新,雷文,姚静波.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.8.
[3]翟宝峰,王昊.新型电容式粮食水分检测方法的研究[J].辽宁工学院报.2003.23(2):13-14.
[4]闻新,周露,李翔,张宝伟.MATLAB神经网络仿真与应用[M].北京:科学出版社,2003.7.
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电容式粮食水份检测系统研究10-17