糧食烘干過程中水分在線檢測系統研究

　　引言

　　目前，糧食烘干過程中水分檢測技術還不是很成熟，干燥過程中物料水分控制方面還不能較好地實現自動化、連續化，物料水分的測定數據還不夠準確，影響干燥物料的品質、產量，增加生產成本。

　　微波水分檢測是近幾年發展起來的一項無損檢測新技術，它具有檢測精度高、測量范圍廣、便于動態檢測、對環境的敏感性小、可以在相對惡劣環境條件下進行等優點。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強的穿透性，它所檢測的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無損的情況下檢測到糧食內部的水分含量[1]。

　　為此，本文采用微波無損檢測技術，并根據我國原糧狀況和干燥設備技術規范，對糧食烘干過程中的水分變化情況進行了連續、在線式檢測，為糧食烘干過程中水分檢測與控制提供了技術保障。

　　1 糧食水分檢測原理及方法

　　糧食中的水分子是極性分子，常態下成偶極子雜亂無章分布著。在外電場作用下偶極子會形成定向排列。水分子中的偶極子受微波電磁場的作用而反復取向，不斷從電場中得到能量(儲能)，又不斷釋放能量(釋能)，前后者分別表現為微波信號的相移和衰減。復介電常數ε可表征為[3-4]：

　　ε=ε’-jε’’

　　或 (1)

　　式中ε’為儲能的度量;ε’’為衰減的度量;衰減角正切表示介質損耗大小的一個常數。

　　ε’與ε’’不僅與材料有關，還與測試信號頻率有關。所有極性分子均有此特性，一般干燥的物料，如木材、皮革、谷物、塑料等，其ε’在1～5范圍內，而水的ε’則高達64～80，因此，物料中含有少量水分時，其ε’將顯著上升，ε’’也有類似性質。電磁波經過與有損耗介質作用后，其相移量和衰減量與ε’，ε’’的關系可表示為[5-6]：

　　式中λ0為自由空間的波長(米);ΔΦ為相移量(度);ΔA為衰減量(dB);t為物料厚度(米)。由(2)、(3)式可得：

　　式(4)(5)表明，微波信號相移量ΔΦ和衰減量ΔA是介電常數的函數。糧食水分檢測的原理就是利用微波作用于物料引起的微波信號相移和衰減量信息來換算成物料的水分含量。

　　糧食中水的介電常數和衰減因子比其中干物質的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場作用下極化，表現出對微波的特殊敏感性。糧食水分檢測正是利用水對微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號相位、幅值等參數變化的原理進行水分含量檢測的。微波水分檢測可以采用透射式和反射式檢測方法[7-9]，其微波傳感器布置如圖1。一般物料厚度比較薄時，采用透射式檢測方法;物料厚度比較厚，密度比較大時采用反射式檢測方法。在微波水分檢測中，為了達到應用的靈敏度，常用微波的X波段：8.2～10.9GHz。

　　采用微波無損檢測技術準確性高、速度快、可連續測量，不會受到物料的顏色、結構等的影響，有利于實現糧食水分實時在線式檢測。

　　2 糧食烘干過程中水分檢測系統

　　為了實現糧食烘干過程中水分在線式檢測，在理論分析和大量實驗基礎上，作者設計了如圖2所示的糧食烘干過程中水分檢測系統。該系統主要由微波水分傳感器、溫度傳感器、信號采集控制器和顯示終端等組成。微波水分傳感器包括微波信號發生器、隔離器、微波傳感器天線、檢波器。溫度傳感器用來檢測物料的溫度。信號采集控制器將采集到的微波水分傳感器信號和物料溫度信息，通過CAN總線發送到顯示終端。顯示終端進行數據分析、處理和結果實時顯示。

　　微波發生器工作頻率為10.5GHz，微波傳感器采取反射式檢測方法布置。隔離器使正向傳輸的微波無衰減或衰減很小地通過，而對于反向傳輸的微波則有較大的衰減。使用隔離器，可把負載不匹配所引起的反射通過隔離器吸收掉，不能返回到信號源，使信號源能穩定地工作。檢波器把微波信號轉換為電信號，通過放大、濾波，經A/D轉換后，通過CAN總線發送到顯示終端中，顯示終端完成對數據分析與實時顯示。傳感器信號A/D采樣為12位，參考電壓為5伏，分辨率為1.22毫伏/位。通過溫度傳感器信號進行溫度補償，以獲得微波檢測信號與糧食水分含量的理想線性關系，提高系統檢測精度。

　　圖3為糧食烘干過程中水分監測終端界面。首先選擇要檢測的物料，主要為玉米、小麥、水稻等主要糧食作物。系統在初次安裝或檢測的物料品種變換時，需要進行系統標定，可以通過終端的水分標定菜單來完成參數標定工作。系統參數標定一般需要3個以上物料水分數據點，采用冒泡法先進行排序，選用中間的數據加權平均，并對采樣數據進行溫度補償，通過國標烘干法獲取物料的真實水分含量，擬合近似水分含量曲線。根據事先的標定值和平滑預處理后的結果，通過線性匹配換算成糧食水分含量值并顯示。主界面顯示當前的水分值和溫度值及趨勢曲線，通過切換顯示界面可以查看歷史數據，了解糧食烘干過程中水分變化情況，對糧食合理烘干進行科學指導。

　　3 試驗結果與分析

　　為了檢驗微波在線式水分檢測系統在實際糧食烘干過程中監測情況，將該系統安裝到了實際烘干設備上，如圖4所示。烘干設備內的物料為玉米籽粒，烘干前水分含量在18%~22%之間。

　　首先進行系統水分值標定，將糧食烘干過程中不同時間段，獲得微波傳感器檢測結果，用標準干燥法獲得物料樣品水分含量值，標定結果見表1。表1數據反映了對不同水分含量，檢測的電壓值具有很好的區分度。微波水分檢測系統標定完以后，進行了實際烘干過程糧食水分的檢測，用標準干燥法獲得物料樣品水分含量值標準值，試驗結果如表2所示。進行多次檢測，微波水分檢測重復性好，檢測含水量范圍為10%~21%，測量精度±0.5%以內，完全可以滿足糧食烘干過程中水分含量實時檢測的需要。

　　4 結論

　　糧食烘干過程中水分在線式檢測系統采用微波無損檢測技術，嵌入式監控終端進行自動測量、記錄與顯示，自動化程度高，操作簡便，可實現糧食烘干過程中水分的在線式檢測，為提高糧食烘干質量，優化烘干過程提供了強有力的技術保障。經過一段時間的實際應用表明，該系統可以滿足在糧食烘干過程中水分含量的檢測需要，而且有很好的發展前途。在以后的研究中采用多點測量，多傳感器融合技術，對高溫度、高水分物料的水分檢測進行深入的分析，進一步提高系統的適用性，達到理想的含水量檢測結果。