数字式谷物水分测试仪

　　1　引言

　　测量谷物水分最准确的方法是依据定义从谷物中取样烘干,然后通过称重测量(烘干法)。但这种方法耗时较长(在130℃时烘24 h),不利于快速测量谷物水分。目前,实用的测量谷物水分测量方法主要有电阻法和电容法,但这两种方法都存在重复性差、精度低等缺点。

　　2　测量原理及传感器

　　2·1　测量原理

　　电容传感器在充满介质时的电特性不只受电容的影响,而且还受电导的影响。当在其两端加以交流激励信号时,其电抗不再是纯容抗,而是由容抗和阻抗组成。其等效电路如图1所示,当在电容器两端加以交流电压信号(50 kHz),所产生的电流矢量图如图2所示。

　　在理想情况下,即传感器由纯电容组成时,I和U相位差应为90°,当有介质电导时存在,I和U相位差不再是90°。由图2可知I会有一个偏离角θ,称它为介质损失角[1]。通常用tanθ来表示:(有功分量IR即电导分量)/(无功分量IC即电容分量)。

　　设计了信号处理线路,把传感器输出电流信号转换成电压信号再经相敏检波和低通滤波电路处理后,变成相互独立的直流电压,经A/D转换和AT89C52采样处理得到tanθ值。由于谷物水分与传感器的介质损失角呈单值分段线形关系,所以经软件温度补偿,用烘干法水分标定后,即可得到水分-介质损失角的对应关系[2]。

　　2·2　传感器设计

　　电容值越大越好,但电容器的极间距离又不能太小。特别是在线使用,由于谷物中杂质较多,如果极间距离太小,容易堵塞。考虑到现场使用方便,采用圆桶型电容器,设计尺寸如下:筒长L=18 cm,外电极半径R=4 cm,内电极半径r=1·5 cm,经计算电容值为10 pF.传感器总体设计还需考虑:由于空气和谷物的介电常数不同,每次电容器充满谷物时,它的松紧度不同,对测试精度有很大影响。所以传感器需在每次采样之前对电容器中的粮食加以相同程度的振动。

　　3　谷物水分测量系统的硬件组成

　　系统的硬件研制的目的是在给传感器施加交变电压信号的同时,测出流过传感器电流的相位,然后经相敏检波,低通滤波,信号放大及A/D转换等环节送入单片机,求得该次采样的损失角以及水分含量。其原理框图如图3所示。

　　3·1　50 kHZ信号源电路的设计

　　系统选用能同时产生正弦信号和余弦信号的电路。选取正交振荡器产生相差90°的两个正弦波的目的是用一正弦波作为传感器的信号源,且要产生两个相位差90°的方波信号给后面的相敏检波器。由于传感器的电容只有10 pF,即工作频率不能选得太小,以防传感器的电抗太大,使阻抗电压变换器的灵敏度下降。如果太大,电路的寄生电容将会影响信号。经分析,可选工作频率为50 kHz[2].