糧情微波水分傳感器研制及應用

管 超，商曉東，馬寶臨，張 帆，李興軍，陳紅娟

（1.國貿工程設計院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲庫，北京 101103；3.國家糧食局科學研究院，北京 100037）

糧情微波水分傳感器研制及應用

管 超1，商曉東1，馬寶臨1，張 帆2，李興軍3，陳紅娟3

（1.國貿工程設計院，北京 100037；2.北京通州大杜社糧食收儲庫，北京 101103；3.國家糧食局科學研究院，北京 100037）

介紹了糧情微波諧振腔水分傳感器工作原理和糧堆水分在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成，及其在糧食倉儲作業(yè)中的相關應用情況。系統(tǒng)的研制，為糧食行業(yè)糧堆水分在線監(jiān)測提供了新的技術手段，對行業(yè)糧情測控技術進步起到積極意義。

糧食水分；微波諧振腔水分傳感器；糧堆水分在線監(jiān)測

糧食水分是儲糧過程的重點檢測指標之一，糧庫目前主要采用人工抽樣方法進行檢測。在糧食儲藏和通風、干燥水分遷移的變化趨勢研究中，快速和連續(xù)的糧堆水分監(jiān)測方式需求強烈。

微波水分檢測技術中的諧振腔式水分傳感器產(chǎn)品性能優(yōu)良，檢測范圍寬（0～60%），精度高（優(yōu)于0.5%），重復性和長期穩(wěn)定性好，具有非接觸測量特點，可以滿足糧情水分在線檢測的要求。國內基于微波原理的研究報告多年前已出現(xiàn)，但至今沒有量產(chǎn)產(chǎn)品推出，市場上目前主要為價格很高的國外產(chǎn)品。

針對上述狀況，結合儲糧作業(yè)特點，對微波諧振腔水分傳感器進行了開發(fā)和應用。

1 微波水分傳感器研制

1.1 微波水分檢測機理

微波水分檢測機理，是基于測量被測材料（介質）的相對介電常數(shù)εγ＝ε’（1－jtgδ）。在微波頻率范圍內，水的介電常數(shù)為60～80左右，損耗角正切tgδ＝0.3～1.1；而其他大多數(shù)材料的介電常數(shù)為2～5，tgδ＝1x10－4～10－2，其介電常數(shù)和損耗角正切主要由其水分含量決定。［1］

微波諧振腔微擾水分檢測是微波水分測量技術中的一種，其傳感器的具體實現(xiàn)是，設計一個開口的諧振腔體（本傳感器空載諧振點在2GHz左右），置于腔體窗口外的被測物料將對腔內電磁場產(chǎn)生微擾而使諧振點發(fā)生頻率偏移，其相對空載諧振點的頻差主要隨腔外材料的含水量（介電常數(shù)）大小而變化，分別測量腔體空載（無外接微擾時f0）、以及放置不同含水量材料時的各諧振頻率（f1...fn），計算其相對空載時的差值，即可得到被測材料含水量變化的大小，將測試材料的實際含水量（水分）與對應頻偏值進行擬合，可得到諧振點頻率偏差與被測材料所含水分的計算方程，將方程直入測量系統(tǒng)，根據(jù)測得的諧振頻率可計算得到對應的物料水分值。［2］

基于測量原理，設計的傳感器相關檢測電路框如圖1：

圖1 微波水分傳感器電路原理圖

圖1中單片機控制系統(tǒng)各功能模塊進行大步幅的掃頻工作，確定諧振點大概位置后，轉向圍繞諧振點附近的小步幅掃頻工作，記錄下若干個頻率—功率數(shù)據(jù)，處理后找到諧振點，與溫度數(shù)據(jù)（用于補償溫度偏移產(chǎn)生的測量偏差）一起發(fā)送給上位計算裝置。上述檢測過程循環(huán)往復，實現(xiàn)了微波諧振腔式糧情水分的連續(xù)快速檢測。［3］

1.2 測量方程擬合

試驗結果表明，在0～40%測量范圍內，計算模型可擬合為一階線性方程：M%＝a×（Xo－Xn＋（To－Tn）Kt）＋b。其中M%為水分值，Xo，To為空載時的諧振頻率值和內部溫度，Xn，Tn為不同水分各點相應的諧振值和溫度，Kt為溫度補償系數(shù)，a和b為方程系數(shù)。

實際使用中，檢測系統(tǒng)將Kt和方程系數(shù)a，b設計為可現(xiàn)場設置的參數(shù)，結合對應物料實際檢測水分值，可方便對傳感器計算方程進行現(xiàn)場校準操作。參數(shù)設置界面如圖2：

圖2 水分計算方程參數(shù)設置界面

系統(tǒng)將各傳感器空載諧振頻率值保存為初值，根據(jù)擬合方程設置相應溫度補償系數(shù)、系數(shù)a（斜率）和b（截距），通過傳感器檢測到的不同諧振頻率值，即可計算得到對應水分值。

圖3 稻谷、小麥和玉米部分實驗結果及相應擬合方程

圖3a、3b、3c為以空載值與測量值差值為變量的曲線方程，圖3d、3e、3f為以測量值為變量的曲線方程。

1.3 配套接口裝置

糧情微波水分傳感器數(shù)據(jù)輸出接口設計為RS232，其特點是完成了信息采集數(shù)字化，使用方便，其對外為一對一形式，因此需要研制配套通訊轉換裝置，以RS485串口形式傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡化采集應用。

具體使用中設計了帶有地址編碼的專用模塊，其功能為自動采集傳感器發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，接收上位系統(tǒng)指定地址的數(shù)據(jù)上傳指令，匹配完成后，轉發(fā)所采集的糧情水分數(shù)據(jù)和溫度信息。

目前模塊設計有8位地址編碼，可實現(xiàn)子系統(tǒng)內64點糧情水分聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測功能，如需擴容，可通過多子系統(tǒng)設計，實現(xiàn)m×64點水分網(wǎng)絡化監(jiān)測。系統(tǒng)組成示意見圖4。

圖4 糧情微波水分在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

1.4 對外接口及協(xié)議

系統(tǒng)設計了采集分機＋通訊轉換模塊＋糧情微波水分傳感器部署形式，傳感器負責原始數(shù)據(jù)采集和輸出，通訊轉換模塊負責原始數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)轉發(fā)，水分數(shù)據(jù)計算、校準和對外數(shù)據(jù)互聯(lián)在采集分機側完成。為方便微波水分傳感采集系統(tǒng)今后更廣泛領域的應用，系統(tǒng)對外數(shù)據(jù)接口設計為標準串口通訊或以太網(wǎng)口，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用了廣泛應用的MODBUS標準數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。

這種設計的優(yōu)勢在于，系統(tǒng)可作為標準儀表，方便地集成于各類通用的工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)中，當然也包含行業(yè)廣泛推廣的儲備糧信息管理系統(tǒng)。

2 糧食水分在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

水分傳感器尺寸直徑49（mm）×高62（mm），防護等級IP55。糧食水分檢測范圍0～40%，檢測周期小于1s，檢測分辨率0.1%，校準后測量精度優(yōu)于±0.6%，長期測量穩(wěn)定性優(yōu)良，可滿足靜態(tài)和低速流動儲糧水分在線檢測使用要求。目前實現(xiàn)了產(chǎn)品小批量試制，成本較國外同類產(chǎn)品也實現(xiàn)大幅下降，系統(tǒng)在多個糧庫使用一年多，穩(wěn)定性優(yōu)良。

考慮到應用成本，目前示范應用中每個廒間配置3～6只傳感器，采用傳感器組糧堆直埋方式；將來考慮再提供一種便攜移動傳感器插桿應用形式，可以根據(jù)需要部署觀測點，進行臨時或定期糧堆水分監(jiān)測。

采集分機為彩色人機界面，可實時顯示和定時記錄物料水分檢測數(shù)據(jù)，并以曲線和記錄表形式展現(xiàn)。檢測數(shù)據(jù)可保存于外置U盤，或以通訊形式對外傳輸。

系統(tǒng)已成功應用于糧庫上層信息系統(tǒng)對接和通風作業(yè)控制，實現(xiàn)了糧情水分實時在線監(jiān)測及糧堆水分變化趨勢記錄和展示。

本系統(tǒng)在某糧庫對倉儲玉米通風過程糧堆上層水分的變化進行了監(jiān)測，由于通風采用了精準的大氣窗口邊界條件自動控制技術，風機使用安裝在倉房兩側的軸流風機，使通風過程中糧堆水分下降減緩，達到了降溫保水通風的良好效果。在未來的糧食通風作業(yè)中，通過監(jiān)測大氣溫濕度，結合糧堆水分解析吸附方程研究成果和本系統(tǒng)的使用，可根據(jù)相應通風策略（降溫保水、降溫降水、降溫增濕）實時計算糧堆通風窗口邊界條件，實現(xiàn)真正意義上的儲糧智能精準通風控制。

3 有待改進的問題

通過近一年的糧食實倉應用，糧情微波水分傳感器還有待進一步改進，主要為：（1）降低自身溫升（目前有5～10度內部溫升，鋁制機殼對外溫升約1～2度）以獲得更高測量精度；（2）進一步縮小體積，以利于糧堆中的深層敷設；（3）擴大傳感器檢測范圍，以適應更廣泛的應用領域；（4）目前傳感器諧振點測量穩(wěn)定，但對測試物料形態(tài)穩(wěn)定性亦要求嚴格，形態(tài)改變會引起測量偏移，這需要通過現(xiàn)場校準或引入諧振點波束寬度加以改良。

糧情微波水分傳感器及糧堆水分在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制，為國內糧食行業(yè)增添了新的糧堆水分在線連續(xù)監(jiān)測和糧食水分抽樣檢測先進技術手段，在糧食儲藏、干燥等儲糧作業(yè)領域推廣應用前景廣闊。

［1］傅尤章.新編傳感器技術手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［2］姜宇，王琢.微波諧振腔物料水分測量技術［M］.哈爾濱：東北林業(yè)大學出版社，2007.

［3］張旭峰，劉宇，張婷.微波諧振腔諧振頻率實時測量系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.傳感技術學報，2009，22（10）：1451.

S 379.3

B

1007－7561（2017）01－0092－03

2016－08－29

2013年糧食公益性行業(yè)科研專項（201313008－3）

管超，1962年出生，男，教授級高級工程師.