糧食水分檢測技術(shù)探討

　　摘要：民以食為天，糧食是人們賴以生存的基礎(chǔ)。我國既是農(nóng)業(yè)大國又是人口大國，人們對糧食需求量大，糧食的安全存儲是極其重要的問題。在糧食中，水分對糧食的影響是很嚴(yán)重的。水分的含量直接影響著糧食的安全存儲以及貿(mào)易定級，因此，在儲藏和貿(mào)易的過程中都需要對水分進(jìn)行嚴(yán)格的檢查。本文主要介紹了幾種當(dāng)前比較普遍的水分檢測技術(shù)，同時著重分析了電容傳感器的工作原理。

　　關(guān)鍵詞：傳感器;電容;水分測定

　　引言

　　水分是糧食作物中的一個重要的參考量，糧食作物中含有水分的不同，則糧食的生化特性也不一樣，這給糧食的儲存帶來一系列困難，對糧食作物進(jìn)行干燥、除濕。確保相關(guān)糧食符合儲存的要求，確保糧食顆粒歸倉，這就需要對糧食進(jìn)行精確的水分檢。被測物如果要取得較高的檢測精度，常需要將被測量的糧食作物制作成規(guī)定大小要求的樣品，然后對樣品進(jìn)行檢測，該種方法的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，缺點(diǎn)是所費(fèi)時間較長，對在線檢測則不適用。另外為了節(jié)省時間，常常是直接對需要儲存的糧食作物進(jìn)行檢測，這種方法適合在線的實(shí)時測量，可以對糧食水分進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。

　　1.電阻法

　　電阻法]有高頻阻抗法和直流電阻法兩種，直流電阻法的原理是谷物的導(dǎo)電率隨著谷物含水率的不同而變化，因此通過測量谷物電阻值，可以間接得到谷物含水率。高頻阻抗法的原理則是導(dǎo)電浴盆效應(yīng)，谷物的含水率同谷物的交流阻抗呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，高頻電阻法就是利用了這一特性實(shí)現(xiàn)了谷物含水率的檢測。直流電阻法雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但其測量精度低。另外，測量要將一定的樣品粉碎，為有損量，所用時間較長，對高水分含量測量有明顯障礙。相對于國家標(biāo)準(zhǔn)方法，直流電阻法的普及性有限。高頻阻抗法雖然具有速度快、精度高、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但不能夠用在在線實(shí)時測量的場合。

　　2.微波加熱法和紅外干燥法

　　隨著儀器和測量技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，微波與紅外加熱技術(shù)被運(yùn)用到谷物含水率檢測中，紅外干燥法是紅外線的輻射作用，產(chǎn)生能夠同水的吸收峰值波長相符的波長，使得水分子產(chǎn)生劇烈運(yùn)動，使物體溫度升高來加速干燥。微波加熱法則是利用微波爐的磁控管產(chǎn)生超高頻率的微波，使谷物內(nèi)部的水分子進(jìn)行快速振蕩與摩擦以達(dá)到去除水分的目的。微波加熱法和紅外干燥法兩種技術(shù)的應(yīng)用，縮短了檢測的時間，但由于加熱干燥法耗時長，須對谷物進(jìn)行粉碎處理，無法滿足無損檢測和在線測量的要求，因此一般用于實(shí)驗(yàn)室檢測[2]。

　　3.核磁法

　　糧食水分檢測方法中科技含量較高的是核磁法，該方法主要是被測糧食中水分不同，原子核的自旋運(yùn)動也不同，這表現(xiàn)在原子核的自旋量子數(shù)也不同。自旋量子數(shù)與原子的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)之間存在一定的比例關(guān)系，根據(jù)這一比例關(guān)系，就可以測量出所含的水分。這種測量方法的優(yōu)點(diǎn)是所得結(jié)果的精度高、結(jié)果迅速、測量范圍寬，缺點(diǎn)是設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用大、維護(hù)設(shè)備成本過于高昂、且測量設(shè)備在使用前需要精確標(biāo)定。

　　4.電容法

　　電容法檢測谷物含水率的原理是在常溫狀態(tài)下，干燥谷物介電常數(shù)一般為2～4，而水的介電常數(shù)大約為80?？梢?，水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于谷物干質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)谷物中的水分發(fā)生改變時，介電常數(shù)也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變，引起電容的變化。因此，可以通過對電容值變化的測量間接測量到谷物的相對介電常，得到待測谷物的水分含量。電容法測量谷物含

　　水率的方法，目前的研究有平行板電容器、筒形電容器和針型電容法測量谷物含水率三種方法。由于裝置的結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，成本低，測量精度較高且不需要破碎谷物等原因，是目前研究使用最多的一種方法。但是很多因素會影響測量精度，如物料的堆積厚度、溫度及季節(jié)等。下面對電容法進(jìn)行介紹。

　　4.1硬件資源配置

　　4.1.1單片機(jī)系統(tǒng)

　　硬件電路是由五個模塊組成，分別為鍵盤模塊、單片機(jī)控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、報警電路以及MAX7219顯示模塊。這些模塊主要實(shí)現(xiàn)測量、計(jì)算、顯示、堵糧判斷以及報警的功能。工作原理是通過電容傳感器來測量糧食中的水分，再通過AD轉(zhuǎn)換模塊，將結(jié)果送到單片機(jī)控制模。測量人員可以通過單片機(jī)控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與顯示，可以反復(fù)進(jìn)行多次測量，通常都是5次的有效測量，將這五次的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理，得出最后的結(jié)果。同時，還可以通過三次有效的測量數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較判斷，然后可以分析出是否堵糧，如果出現(xiàn)堵糧的情況，則會進(jìn)行警報告示。

　　4.1.2傳感器部分設(shè)計(jì)

　　圓桶型電容式傳感器就是通過被測量的水分的非物理量轉(zhuǎn)化為電容量變化的一種傳感器。它是由兩個同心圓桶構(gòu)成，內(nèi)桶為內(nèi)電極，外桶為外電極，兩者之間為介質(zhì)空腹。其工作原理就是將要測量水分的糧食放在傳感器內(nèi)外極電板之間的介質(zhì)空腹中。糧食中的水分可以使傳感器的相對介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，從而可以檢測出糧食中存在的水分。

　　4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括顯示程序、警報程序、測量程序、讀入程序、初始化程序以及平均值計(jì)算程序等。主要流程就是AD轉(zhuǎn)換模塊測量糧食中的水分以及溫度，然后將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)控制模塊進(jìn)行處理，通過顯示器進(jìn)行顯示，控制MAX7219實(shí)現(xiàn)顯示功能，完成堵糧判定，并通過控制高低電平的輸出，實(shí)現(xiàn)報警控制，讀鍵盤完成人機(jī)交流，并且實(shí)現(xiàn)平均值計(jì)算。

　　5.結(jié)論

　　谷物含水率的檢測是保證糧食安全的重要環(huán)節(jié)，目前谷物含水率的檢測方法很多，各種方法具有各自優(yōu)勢的同時也具有一定的局限性。本文通過分析電容傳感器測量糧食中的水分的方法，可以看出，此法能有效地提高工作效率，節(jié)省人工成本。這對于提高糧食水分的檢測自動化具有重要的作用。隨著技術(shù)的不斷更新，會有更多新的方法被提出。谷物含水率檢測的研究會向著精度越來越高、檢測速度越來越快、裝置體積越來越小、裝置成本越來越低的高精度快速便捷檢測方向發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]邱禹，李長友，徐鳳英，等.基于平板結(jié)構(gòu)的糧食水分檢測儀的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，(1).

　　[2]康忠偉.基于時域傳輸技術(shù)的谷物含水率測試技術(shù)研究[D].哈爾濱：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2011.

　　[3]李愛傳，汪志強(qiáng)，李琳，等.電容式糧食水份檢測系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009(2)：114-116.

　　郭翠清 鐵力國家糧食儲備庫有限責(zé)任公司

《糧食水分檢測技術(shù)探討》

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