引言

目前，糧食烘干過(guò)程中水分檢測(cè)技術(shù)還不是很成熟，干燥過(guò)程中物料水分控制方面還不能較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化，物料水分的測(cè)定數(shù)據(jù)還不夠準(zhǔn)確，影響干燥物料的品質(zhì)、產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本。

微波水分檢測(cè)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，它具有檢測(cè)精度高、測(cè)量范圍廣、便于動(dòng)態(tài)檢測(cè)、對(duì)環(huán)境的敏感性小、可以在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強(qiáng)的穿透性，它所檢測(cè)的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無(wú)損的情況下檢測(cè)到糧食內(nèi)部的水分含量[1]。

為此，本文采用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并根據(jù)我國(guó)原糧狀況和干燥設(shè)備技術(shù)規(guī)范，對(duì)糧食烘干過(guò)程中的水分變化情況進(jìn)行了連續(xù)、在線式檢測(cè)，為糧食烘干過(guò)程中水分檢測(cè)與控制提供了技術(shù)保障。

1 糧食水分檢測(cè)原理及方法

糧食中的水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子雜亂無(wú)章分布著。在外電場(chǎng)作用下偶極子會(huì)形成定向排列。水分子中的偶極子受微波電磁場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量(儲(chǔ)能)，又不斷釋放能量(釋能)，前后者分別表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移和衰減。復(fù)介電常數(shù)ε可表征為[3-4]：

ε=ε’-jε’’

或 (1)

式中ε’為儲(chǔ)能的度量;ε’’為衰減的度量;衰減角正切表示介質(zhì)損耗大小的一個(gè)常數(shù)。

ε’與ε’’不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān)。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(nèi)，而水的ε’則高達(dá)64～80，因此，物料中含有少量水分時(shí)，其ε’將顯著上升，ε’’也有類似性質(zhì)。電磁波經(jīng)過(guò)與有損耗介質(zhì)作用后，其相移量和衰減量與ε’，ε’’的關(guān)系可表示為[5-6]：

式中λ0為自由空間的波長(zhǎng)(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(hào)相移量ΔΦ和衰減量ΔA是介電常數(shù)的函數(shù)。糧食水分檢測(cè)的原理就是利用微波作用于物料引起的微波信號(hào)相移和衰減量信息來(lái)?yè)Q算成物料的水分含量。

糧食中水的介電常數(shù)和衰減因子比其中干物質(zhì)的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場(chǎng)作用下極化，表現(xiàn)出對(duì)微波的特殊敏感性。糧食水分檢測(cè)正是利用水對(duì)微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號(hào)相位、幅值等參數(shù)變化的原理進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。微波水分檢測(cè)可以采用透射式和反射式檢測(cè)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(shí)，采用透射式檢測(cè)方法;物料厚度比較厚，密度比較大時(shí)采用反射式檢測(cè)方法。在微波水分檢測(cè)中，為了達(dá)到應(yīng)用的靈敏度，常用微波的X波段：8.2～10.9GHz。

采用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確性高、速度快、可連續(xù)測(cè)量，不會(huì)受到物料的顏色、結(jié)構(gòu)等的影響，有利于實(shí)現(xiàn)糧食水分實(shí)時(shí)在線式檢測(cè)。

2 糧食烘干過(guò)程中水分檢測(cè)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)糧食烘干過(guò)程中水分在線式檢測(cè)，在理論分析和大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，作者設(shè)計(jì)了如圖2所示的糧食烘干過(guò)程中水分檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由微波水分傳感器、溫度傳感器、信號(hào)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(hào)發(fā)生器、隔離器、微波傳感器天線、檢波器。溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)物料的溫度。信號(hào)采集控制器將采集到的微波水分傳感器信號(hào)和物料溫度信息，通過(guò)CAN總線發(fā)送到顯示終端。顯示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

微波發(fā)生器工作頻率為10.5GHz，微波傳感器采取反射式檢測(cè)方法布置。隔離器使正向傳輸?shù)奈⒉o(wú)衰減或衰減很小地通過(guò)，而對(duì)于反向傳輸?shù)奈⒉▌t有較大的衰減。使用隔離器，可把負(fù)載不匹配所引起的反射通過(guò)隔離器吸收掉，不能返回到信號(hào)源，使信號(hào)源能穩(wěn)定地工作。檢波器把微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)放大、濾波，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)CAN總線發(fā)送到顯示終端中，顯示終端完成對(duì)數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)顯示。傳感器信號(hào)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(guò)溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以獲得微波檢測(cè)信號(hào)與糧食水分含量的理想線性關(guān)系，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。

圖3為糧食烘干過(guò)程中水分監(jiān)測(cè)終端界面。首先選擇要檢測(cè)的物料，主要為玉米、小麥、水稻等主要糧食作物。系統(tǒng)在初次安裝或檢測(cè)的物料品種變換時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，可以通過(guò)終端的水分標(biāo)定菜單來(lái)完成參數(shù)標(biāo)定工作。系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定一般需要3個(gè)以上物料水分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，采用冒泡法先進(jìn)行排序，選用中間的數(shù)據(jù)加權(quán)平均，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通過(guò)國(guó)標(biāo)烘干法獲取物料的真實(shí)水分含量，擬合近似水分含量曲線。根據(jù)事先的標(biāo)定值和平滑預(yù)處理后的結(jié)果，通過(guò)線性匹配換算成糧食水分含量值并顯示。主界面顯示當(dāng)前的水分值和溫度值及趨勢(shì)曲線，通過(guò)切換顯示界面可以查看歷史數(shù)據(jù)，了解糧食烘干過(guò)程中水分變化情況，對(duì)糧食合理烘干進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)微波在線式水分檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際糧食烘干過(guò)程中監(jiān)測(cè)情況，將該系統(tǒng)安裝到了實(shí)際烘干設(shè)備上，如圖4所示。烘干設(shè)備內(nèi)的物料為玉米籽粒，烘干前水分含量在18%~22%之間。

首先進(jìn)行系統(tǒng)水分值標(biāo)定，將糧食烘干過(guò)程中不同時(shí)間段，獲得微波傳感器檢測(cè)結(jié)果，用標(biāo)準(zhǔn)干燥法獲得物料樣品水分含量值，標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表1。表1數(shù)據(jù)反映了對(duì)不同水分含量，檢測(cè)的電壓值具有很好的區(qū)分度。微波水分檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定完以后，進(jìn)行了實(shí)際烘干過(guò)程糧食水分的檢測(cè)，用標(biāo)準(zhǔn)干燥法獲得物料樣品水分含量值標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。進(jìn)行多次檢測(cè)，微波水分檢測(cè)重復(fù)性好，檢測(cè)含水量范圍為10%~21%，測(cè)量精度±0.5%以內(nèi)，完全可以滿足糧食烘干過(guò)程中水分含量實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。

4 結(jié)論

糧食烘干過(guò)程中水分在線式檢測(cè)系統(tǒng)采用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，嵌入式監(jiān)控終端進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、記錄與顯示，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)糧食烘干過(guò)程中水分的在線式檢測(cè)，為提高糧食烘干質(zhì)量，優(yōu)化烘干過(guò)程提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以滿足在糧食烘干過(guò)程中水分含量的檢測(cè)需要，而且有很好的發(fā)展前途。在以后的研究中采用多點(diǎn)測(cè)量，多傳感器融合技術(shù)，對(duì)高溫度、高水分物料的水分檢測(cè)進(jìn)行深入的分析，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的適用性，達(dá)到理想的含水量檢測(cè)結(jié)果。

關(guān)鍵詞： 糧食烘干 糧食水分 微波 在線檢測(cè) 201402