便携电容式棉花含水量测量仪

    　0　引言

　　含水量多少是衡量棉花质量好坏的一个重要指标,对其进行精确测量有着非常重要的意义,它是棉花储存、运输、加工、交易中不可缺少的环节。目前棉花含水量的测量大多采用电阻法[1-2],测量时给插入棉花的两金属探头加直流电,通过测量流过棉花电流来得到棉花含水量。这种方法的缺点是当棉花含水量较低时,直流电阻达到MΩ,甚至数百MΩ,近似绝缘,流过棉花的电流太小,小到μA以下,对这么小电流的测量难度较大,精度难以保证。提高测量电压是一个解决办法,但电压的提高往往意味着测量仪器体积和功耗的增大,难以做到便携,此外电压的提高给仪器的安全性和便携性带来较大困难。

　　电容器的电容大小与极板间材料的介电常数有关,把被测棉花当作电容的中间介质,其介电常数取决于棉花中的含水量,通过测量电容的大小就可得到棉花含水量。目前电容测量方法较为成熟[3],电路容易做到小型化和低功耗,针对这一问题,提出了解决方案和具体的设计。

　　1　测量探头设计

　　测量棉花湿度时一般是将测量传感器插入到棉花包裹中去,传感器称为测量探头。传感器的灵敏度对仪器精度具有决定作用,所以测量探头设计是关键。探头设计就是要构造测量电容,电容极板采用金属导体,按采用介质不同,电容有两种构造方式,对应有两种测量方法。第一种方法:直接测量法,直接把被测棉花作为中间介质,这种方法的优点是测量速度快,灵敏度高,但在测量过程中,易受棉花多少和疏密程度影响,可操作性差;第二种方法:间接测量法,用吸附材料作为介质,常用吸附材料有多孔硅和聚酰亚胺。这类材料能够吸附棉花中的水分子,当棉花含水量变化时其介电常数会随着变化。图1是测量探头的结构图,测量探头设计为尖头长杆状,主体是导杆部分,为中空钢管,测量时为了保证顺利插进棉包内部,前端做成尖头,即前导头。所构造的测量电容就在导杆前端,结构分为3层。最内层和导杆一体,为不锈钢中空钢管,为测量电容的一个极板;中间层用聚酰亚胺薄膜做成,为测量电容的介质;最外层用不锈钢薄片做成梳状,和前导头一体,为测量电容的另一个极板,外露的聚酰亚胺用来吸收水分子,梳状作为极板。内层极板引出线直接通过导杆引出,外层极板的引出线用导线从导杆中间引出。

　　测量探头结构图测量时将探头插进棉花内部,聚酰亚胺的暴露部分就会吸附棉花中水份,其介电常数随之改变,当吸附过程达到平衡后,电容值也稳定下来,通过测量电容的大小就可以测出棉花中含水量。