CN105548282A - 粮食水分测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粮食水分测量仪，包括分别用于侦测粮食介电常数和温度的电容传感器和温度检测装置、用于接收电容传感器和温度检测装置的检测结果并计算出粮食颗粒含水率的控制模块、输入和显示模块，及为该测量仪供电的电源模块，所述电容传感器包括用于容纳待测粮食颗粒的测量容器和以其正面与容器底板相对而贴装于底板外侧并对容器内的粮食颗粒的介电常数进行识别的测量板，所述测量板正面设有环状的发射电极和环绕发射电极设置的接收电极,所述发射电极与接收电极之间形成间隙，并且在两个电极之间产生从发射电极到接收电极的测量电场。本发明的测量仪可以对各种水分含量的粮食进行含水率检测，并且检测精度高。

Description

粮食水分测量仪

技术领域

本发明涉及粮食加工器械领域，具体而言，本发明涉及基于平面电容的粮食水分测量仪。

背景技术

粮食的水分含量是评价粮食品质的重要指标，因此，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,会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，影响成品粮产量。而粮食水分过低,则减少了粮食重量,影响粮食品质，减少了粮食最终的总售价。

现有的粮食水分检测方法主要有烘箱法、电阻法、电容法、近红外法、微波法等。

谷物水分的检测以烘箱法为标准，在国际上广泛应用的是ISO712(4g粉碎样品，烘箱干燥130℃，2h)，这种方法测量精确，但是检测周期长，并且需要对谷物进行破碎，造成一定程度上的浪费。

电阻法是利用粮食水分含量的不同,其导电率不同的原理,通过检测谷物电阻值的变化间接地反映其水分含量。但这种方法需要对被测粮食进行破碎，造成一定程度上的浪费。

电容法、近红外法和微波法都属于无损检测手段，但是近红外法易受被测物料的形状、大小、密度的影响，并且不能测量物料内部的水分。微波法受被测物料的形状、密度的影响，且价格较高，难以推广其应用。而电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其他成分的介电常数，水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量谷物电容值间接计算粮食的水分含量。相比起来，电容法测量的仪器具有结构简单，价格低廉，操作方便等优点，应用相对较广。

目前，国内外电容式水分检测仪主要由内外两个圆柱形黄铜(或者不锈钢)同轴电极组成，通过检测两个电极间的电容、粮食温度以及粮食重量来计算粮食的含水率。然而，该种电容检测方式中，电容极板与被测物料直接接触，如果物料含水率较高，会导致电容极板间的绝缘度下降，降低测量仪器在高水分下的测量精度。此外，需要操作人员经常对称重传感器进行人为归零校准，操作较为繁琐不便。

因此，业界急需在一种可以在各种含水率的情景下测量粮食水分的粮食水分测量仪，以提高检测精度。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种可以在各种含水率情景下检测粮食水分的粮食水分测量仪，以在低成本、操作简便的前提下提高粮食水分检测的精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种粮食水分测量仪，包括用于侦测粮食介电常数的电容传感器、用于检测粮食温度的温度检测装置、用于接收电容传感器和温度检测装置的检测结果并计算出粮食颗粒含水率的控制模块、用于向控制模块输入外部控制指令并显示控制模块处理结果的输入和显示模块，及为该测量仪供电的电源模块，所述电容传感器包括用于容纳待测粮食颗粒的测量容器和以其正面与容器底板相对而贴装于底板外侧并对容器内的粮食颗粒的介电常数进行识别的测量板，所述测量板包括具有正反两个端面的介质板，该介质板正面设有环状的发射电极和环绕发射电极设置的接收电极,所述发射电极与接收电极之间形成间隙，并且在粮食水分检测过程中，两个电极之间产生其电场线从发射电极出发后返回到接收电极的测量电场。

进一步的，所述电容传感器还包括环绕所述接收电极设置并且接地的等位环。

进一步的，所述发射电极与接收电极之间的间隙内形成接地带。

进一步的，所述发射电极和接收电极被设置成两个同心的椭圆环。

优选的，所述电路板由为成分为FR-4环氧树脂的介质板经双面覆铜制成，并且覆铜厚度为35μm。

优选的，所述控制模块包括单片机单元和与单片机单元电连接的电容信号转换电路，所述电容信号转换电路与发射电极和接收电极连接。

优选的，所述电容信号转换电路通过同轴电缆与发射电极和接收电极连接，并且所述同轴电缆的屏蔽层接地。

优选的，所述输入和显示模块为触摸屏。

进一步的，所述控制模块还包括与单片机单元电和触摸屏电连接的触摸屏通信电路。

优选的，所述电源模块包括可充电电池、均与可充电电池连接的电量计算电路和充电电路、及与电量计算电路连接的升压电路，所述电量计算电路和充电电路还与控制模块电连接。

优选的，所述温度检测装置为数字式温度传感器，所述测量容器上开设有安装孔，该数字式温度传感器置于该安装孔内。

优选的，所述控制模块在接收电容传感器和温度检测装置的结果后，基于以下公式计算出粮食颗粒的平均含水率(mois)：mois(N)＝1.7598×C+5.0624+(T/10-18)×0.3/12，其中，C为电容传感器的电容变化量，T为粮温。

相比现有技术，本发明的方案具有以下优点：

由于电容传感器的两个电极设于测量容器的底板外侧，不与待测的粮食颗粒直接接触，因而可以避免在粮食水分过高时导致两个电极间的绝缘度下降的风险，可以对各种水分含量的粮食进行含水率检测,并且检测精度较高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的粮食水分测量仪的原理框图；

图2为本发明的粮食水分测量仪中的电容传感器的立体图；

图3为图2所示的电容传感器中的测量板的正面示意图；

图4为图3所示测量板的反面示意图；

图5为图1所述的粮食水分测量仪的电路原理图；

图6a—6C为本发明粮食水分测量仪在检测粮食含水率过程中，触摸屏上所显示的人机交互界面；

图7为图1所示的粮食水分测量仪所实施的检测粮食含水率操作的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

众所周知的，一定条件下，物料比如粮食颗粒的介电常数可以被它的含水率(MOIS)唯一确定，并且介电常数和含水率的对应关系也是一一对应的，所以当其它条件没有改变时，可以利用电容传感器来测量出粮食的介电常数，再根据介电常数和含水率的对应关系计算出粮食的含水率。本发明就是根据该原理对粮食进行含水率测量。

图1至图7共同示出了本发明的粮食水分测量仪100(以下简称为“测量仪)，用于测量待测粮食的含水率。所述测量仪100包括用于识别粮食介电常数的电容传感器1、用于测量粮食温度的温度检测装置2、接收并处理电容传感器1和温度检测装置2的检测结果的控制模块(未标号，下同)、用于向控制模块输入外部的控制指令及接收并显示控制模块处理结果的输入和显示模块4、及为该测量仪100供电的电源模块5。

请结合图2，所述电容传感器1包括用于容纳粮食颗粒的测量容器11和于测量容器11的底板(未标号，下同)外侧与该测量容器11相固定的测量板12。

优选地，所述测量容器11由一段厚度为5mm、长度为90mm、内径为80mm的钢化玻璃管与一块直径为80mm、厚度为5mm的钢化玻璃圆盘粘合而成，该圆盘粘合在钢化玻璃管的一端作为测量容器11的所述底板。

请结合图3和图4，所述测量板12包括正反双面均覆铜的电路板120、均形成于电路板120正面1201并且均呈环状的发射电极121和接收电极122。所述电路板120由成分为FR-4环氧树脂材料的介质板经双面覆铜制成，并且该电路板每面上的覆铜厚度为35μm。所述发射电极121与接收电极122之间具有一定的间隙(未标号，下同)，并且在粮食含水率检测时，两个电极121、122之间的空间中产生其电场线从发射电极121出发后返回接收电极122的测量电场。该测量板12以其正面1201面对测量容器11的底板而与测量容器11相贴装。

优选地，所述发射电极121和接收电极122为两个同心设置的椭圆环，以避免表面曲率大的地方(比如尖锐、细小物的顶端)由于等电位面密集、电场强度剧增而致使附近的空气被电离而放电，进而影响检测精度。

当两个电极121、122上方的介电常数随着测量容器11内待测粮食的增加而发生变化时，两个电极121、122之间的电容量也随之改变并发送相应的电信号到所述控制模块中。

所述温度检测装置2为数字式温度检测装置2，用于识别测量容器内粮食的温度。所述测量容器11上开设有贯通测量容器内外侧壁的安装孔111(参见图2)，该数字式温度检测装置2的探头(图未示)置于该安装孔111内。

所述控制模块包括单片机单元3和与单片机单元3电连接的信号转换电路。该信号转换电路包括电容信号转换电路10，以对电容传感器1输出的电容信号进行放大，并将表征电容信号的模拟信号转换为第一数字信号以便为单片机单元3接收并处理。所述数字式温度检测装置2以第二数字信号输出温度检测结果，因而其与单片机单元3直接连接即可向单片机单元3传输相关温度数据。

所述单片机单元3根据接收到的第一数字信号和第二数字信号，基于以下公式计算待测粮食的平均含水率(mois)：

mois(N)＝1.7598×C+5.0624+(T/10-18)×0.3/12，其中，C为电容传感器的电容变化量，T为粮温。

所述输入和显示模块4用于供用户选择不同操作，以对该测量仪100输入不同的控制指令，同时，输出并显示单片机单元3处理的结果。该输入和显示模块4比如包括键盘和LCD显示屏。

在本发明中，由于电容传感器1的两个电极121、122设于测量容器11的底板外侧，不与待测的粮食颗粒直接接触，因而可以避免在粮食水分过高时导致两个电极121、122间的绝缘度下降的风险，可以对各种水分含量的粮食进行含水率检测,并且检测精度较高。

进一步地，所述电容传感器1还包括环绕所述接收电极122设置并且接地的等位环123，以防止测量电场的溢出。

进一步地，所述发射电极121与接收电极122之间的间隙内形成接地带124，以减少两电极121、122间的边缘效应。

总而言之，为了保证含水率的检测精度，防止测量电场外溢及两电极间的边缘效应，电路板上两电极之外的其他区域接地，以构建地等位环，排除地磁及其他外界干扰。

请结合图4，进一步地，两个电极121、122与电容信号转换电路10通过同轴电缆(未示出)连接，并且所述同轴电缆的屏蔽层(也即同轴电缆的外导体)接地，以消除两个电极引线1211、1221间及引线线缆间的寄生电容。

各种形式的现有粮食水分测量仪主要通过按键和数码管来实现人机交互操作，用户体验不佳，而且需要对操作人员专门进行技能培训方能胜任检测工作。

为了解决上述问题，提高用户的体验，所述输入和显示模块4为触摸屏4，以方便操作人员的输入命令和读取数值操作。为此，所述信号转换电路还包括触摸屏通信电路，该触摸屏通信电路分别与触摸屏4和单片机单元3电连接，以将通过触摸屏4输入的控制指令转换为单片机单元3可以接收并处理的第三数字信号。

相比之下，使用触摸屏4能大大提高用户体验，用户能够根据显示屏上的文字提示并通过触摸屏4上的虚拟按钮输入相应的控制指令，无需进行员工技能培训即可完成粮食水分测量操作。

如前文所述，所述电源模块5为该测量仪100供电。所述电源模块5包括可充电电池比如锂电池50、均与锂电池50连接的电量计算电路51和充电电路52、与电量计算电路51连接的升压电路53，及与升压电路53连接的稳压电路54。

所述电量计算电路51和充电电路52还与单片机单元3电连接，以在单片机单元3的控制下由电量计算电路51对锂电池50进行电量计算，及驱动所述充电电路52经由一电源接口55接入外部电源为锂电池50充电。

所述锂电池50输出的电压经电量计算电路51处理并由升压电路53升压后对触摸屏4供电；升压后的电压再经过稳压电路54调整后为单片机单元3、信号转换电路及数字式温度传感装置2提供工作电压。

由于本发明的测量仪100中的电源模块5由锂电池50、充电电路52及其他匹配电路组成，该测量仪100在使用过程中不再需要时刻与外部的市电保持连接，使得该测量仪100具有便携的特性。

参见图5，图5为本发明的测量仪的优选实施方式的电路原理图。以下就该电路图描述该测量仪电路的具体构成。

所述单片机单元3进一步包括单片机30和驱动单片机30工作的晶振电路31。所述单片机30采用型号为STC12LE5620AD(20SOP)单片机，晶振电路31为22.1184M有源晶振，并且晶振电路31和单片机30的驱动电源由下文所述的高效线性稳压器AMS1117-3.3提供(该稳压器AMS1117-3.3及其***电路组成所述的稳压电路54，将5V输入电压调整为3.3伏)。

所述电容信号转换电路10包括高精度、全集成的AD7745芯片及其***电路，AD7745芯片的1脚和16脚分别与STC12LE5620AD的P1.1口和P1.2口相连，进行IIC通信；两个电极121、122的引线1211、1221分别与AD7745芯片的3脚(即EXCA)和8脚(即CIN1(+))相连。前文提到，电极引线1211、1221与电容信号转换电路10之间用屏蔽层接地的同轴电缆连接以减小寄生电容，因此，AD7745的3脚和8脚通过屏蔽层接地的同轴电缆与两个电极的引线连接，以使寄生电容小于1pF。

所述触摸屏4采用型号为DMT48270C043_02W、4.3寸16位色触摸屏。触摸屏的RxD脚和TxD脚分别与STC12LE5620AD芯片的P3.0口和P3.1口相连，进行标准串口通信，通信方式为38400bps，无校验，停止位1位。

所述数字式温度传感装置2采用DS18b20芯片进行温度信号采集，其供电电压为3.3V。该DS18b20芯片通过数据线和STC12LE5620AD芯片的P3.5口相连。

所述电源模块5中，锂电池50采用4500mAh的锂聚合物电池；锂电池的充电电路52为线性充电电路，其由LTC4054-4.2芯片及其***电路构成，LTC4054芯片的第4脚经电源接口55接外部AC-DC适配器(5V，900mA)直流输出端，LTC4054芯片的第3脚接锂电池50正极，LTC4054芯片的第5脚与地间连接1.65k电阻(精度1％)，LTC4054芯片的第1脚接STC12LE5620AD的P1.3口；锂电池50的电量计算电路51由DS2764芯片及其***电路构成，DS2764芯片的第10脚、第14脚和第7脚分别与STC12LE5620AD的P3.2口、P3.3口和P3.4口相连，DS2764芯片的第8脚和第9脚间连接一个容值为0.1uF的电容，DS2764芯片的第4、5、6、11、12、13脚接锂电池50负极，DS2764芯片的第15脚接锂电池50负极，DS2764芯片的第16脚与锂电池50正极间连接一个1k电阻，DS2764芯片的第1脚和第3脚各自通过1k电阻连接IRF9530场效应晶体管，DS2764芯片的第2脚连接用户端电压正极(即STC12LE5620AD芯片、AD7745芯片、DS18b20芯片等的正极，下同)；升压电路53由LTC3426芯片及其***电路构成，LTC3426芯片的第6脚和第2脚连接用户端电压正极,LTC3426芯片的第6脚与的第1脚间连接一个2.2uH贴片电感，LTC3426芯片的第2脚接地，LTC3426芯片的第1脚和第脚间连接一个肖基特二极管(ONSemiconductorMBRA210LT2)。

参见图6a-6c，图6a-6c为本发明的测量仪100工作时，触摸屏4上所显示的人机交互界面。界面6a为欢迎页面，在测量仪上电时显示，测量仪初始化完成后自动跳转到界面6b；界面6b为准备测试界面，界面中的文字为该界面所包含模块显示的信息，包含：温度不稳、清除、剩余电量、含水率值、粮温值和测量次数，该界面也设有“测试”和“平均”两个触摸按键；界面6c为计算界面，界面6c中显示的模块与6b一致，并且也具有“计算”和“平均”两个触摸按键。

图7为使用本发明的测量仪进行粮食含水率检测的流程图。首先，仪器上电，触摸屏上显示界面6a，并进行***初始化：1.单片机30通过串口向触摸屏4发送“AA00CC33C33C”,如果触摸屏4返回“AA00‘OK_V*.*’P1P2P3Pic_IDCC33C33C”(OK_V*.*是触摸屏软件版本号，P1是显示屏配置模式，P2是串口波特率，P3是触摸屏配置模式，Pic_ID是当前显示图片号)则触摸屏初始化成功，如果单片机30接收不到应答，则触摸屏4初始化失败；2.单片机通过IIC总线向AD7745发送0xA00x0A0xF90x80，设置AD7745的工作方式为连续、浮地、内部均值滤波次数为100次，如果发送成功则AD7745初始化成功，相反则AD7745初始化失败；3.单片机通过DALLAS单总线查询DS18B20采集的温度数据，如果温度值在0～60℃内则DS18B20初始化成功，否则DS18B20初始化失败。如果初始化全部成功，***等待3s，触摸屏4切换至页面6b。接着用户清空电容传感器，如果电容传感器内电容大于1pF，***在屏幕上方显示“清除”，用户必须确保电容传感器测量前干净，否则会影响最终的测量精度。如果电容传感器内的电容小于1pF，则表明传感器已经清理干净，用户点击触摸屏页面6b上的“测试”按键，***记录下传感器的空载电容C0，触摸屏切换至页面6c。用户向电容传感器1的测量容器11内均匀倒满被测粮食，如果粮温每秒变化超过1℃，***在屏幕上方显示“温度不稳”，由于粮食电容随着粮温的升高而增大，因此用户必须等待DS18B20检测出准确粮温，否则会影响测量精度。如果粮温每秒变化小于1℃，则表明DS18B20已经检测出准确粮温，用户点击触摸屏页面6c上“计算”按键，***记录下传感器的满载电容C1以及当前粮温T，被测粮食的电容量C＝C1-C0，根据标定的公式mois(N)＝1.7598×C+5.0624+(T/10-18)×0.3/12计算出当前被测粮食的含水率mois(N)，测量次数N＝N+1。经过几次测量后，用户点击触摸屏页面6b或者页面6c上“平均”按键，根据公司计算出平均含水率，测量次数N＝0。

综上所述，本发明的粮食水分测量仪100中，由于电容传感器1的两个电极不与粮食颗粒直接接触，可以检测各种水分含量的粮食的含水率。同时，由于采用触摸屏4来作为输入和显示设备，用户体验较高。此外，由于使用包含锂电池及其充电电路的电源模块5，该测量仪100还具有便携的特点。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种粮食水分测量仪，包括用于侦测粮食介电常数的电容传感器、用于检测粮食温度的温度检测装置、用于接收电容传感器和温度检测装置的检测结果并计算出粮食颗粒含水率的控制模块、用于向控制模块输入外部控制指令并显示控制模块处理结果的输入和显示模块，及为该测量仪供电的电源模块，其特征在于，所述电容传感器包括用于容纳待测粮食颗粒的测量容器和以其正面与容器底板相对而贴装于底板外侧并对容器内的粮食颗粒的介电常数进行识别的测量板，所述测量板包括具有正反两个端面的电路板，该电路板正面设有环状的发射电极和环绕发射电极设置的接收电极,所述发射电极与接收电极之间形成间隙，并且在粮食水分检测过程中，两个电极之间产生其电场线从发射电极出发后返回到接收电极的测量电场。

2.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述电容传感器还包括环绕所述接收电极设置并且接地的等位环。

3.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述发射电极与接收电极之间的间隙内形成接地带。

4.根据权利要求1至3任一项所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述发射电极和接收电极被设置成两个同心的椭圆环。

5.根据权利要求1至3任一项所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述电路板由为成分为FR-4环氧树脂的介质板经双面覆铜制成，并且覆铜厚度为35μm。

6.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述控制模块包括单片机单元和与单片机单元电连接的电容信号转换电路，所述电容信号转换电路与发射电极和接收电极连接。

7.根据权利要求6所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述电容信号转换电路通过同轴电缆与发射电极和接收电极连接，并且所述同轴电缆的屏蔽层接地。

8.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述输入和显示模块为触摸屏。

9.根据权利要求8所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述控制模块包括单片机单元及均与该单片机单元电连接的电容信号转换电路和触摸屏通信电路，所述电容信号转换电路与发射电极和接收电极连接，所述触摸屏通信电路与触摸屏连接。

10.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述电源模块包括可充电电池、均与可充电电池连接的电量计算电路和充电电路、及与电量计算电路连接的升压电路，所述电量计算电路和充电电路还与控制模块电连接。

11.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述温度检测装置为数字式温度传感器，所述测量容器上开设有安装孔，该数字式温度传感器置于该安装孔内。

12.根据权利要求1所述的粮食水分测量仪，其特征在于，所述控制模块在接收电容传感器和温度检测装置的结果后，基于以下公式计算出粮食颗粒的平均含水率(mois)：

mois(N)＝1.7598×C+5.0624+(T/10-18)×0.3/12，其中，C为电容传感器的电容变化量，T为粮温。