果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量裝置設(shè)計與試驗

李國鵬，謝煥雄，王嘉麟,2，顏建春，魏 海，陳智鍇

(1. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014；2. 南京工程學(xué)院，南京 211167)

0 引言

果蔬營養(yǎng)價值豐富，是除谷物以外最重要的農(nóng)產(chǎn)品。大部分果蔬含水率在75%～90%，常溫下不易儲存[1-2]。果蔬干燥是提高果蔬產(chǎn)品附加值的主要形式之一，也可以延長其保存期，減輕質(zhì)量、縮小體積、便于運輸[3-5]。隨著生活水平的提高，我國果蔬干燥工業(yè)迅速發(fā)展，成為提高農(nóng)業(yè)效益的重要行業(yè)[6-7]。果蔬干燥過程中的含水率是評價干燥設(shè)備運行狀態(tài)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，實時監(jiān)測果蔬干燥過程中的含水率變化對優(yōu)化控制工藝、把控干燥品質(zhì)及判斷干燥終點至關(guān)重要[8]。熱風(fēng)干燥是果蔬干燥常用的手段之一，目前可用于果蔬干燥含水率在線測量的技術(shù)主要有介電常數(shù)法、數(shù)學(xué)模型法及在線稱重等方法。1945年，Dunlap 和Makower[9-11]就開始探索介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系方面，研究表明：胡蘿卜的介電常數(shù)主要取決于含水率。秦文和張慧等[12]通過研究結(jié)果表明：果蔬含水率與介電常數(shù)線性相關(guān)。已有眾多的國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型對果蔬干燥過程進行模擬，預(yù)測干燥過程中果蔬的水分變化[13-17]。鄧彩玲、林羨等[18]通過研究龍眼在不同溫度和風(fēng)速下的熱泵干燥特性，進行回歸分析確立了Midilli模型在不同干燥條件下的擬合方程，方程對龍眼干燥過程中含水率的預(yù)測值與試驗測量值在0.01水平下顯著相關(guān)。

對于利用數(shù)學(xué)模型法測量含水率的實際應(yīng)用，尚未發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)文章。本文以雞腿菇為研究對象，通過熱風(fēng)干燥試驗，建立果蔬干燥數(shù)學(xué)模型，并將數(shù)學(xué)模型法通過編程寫入測量系統(tǒng)，實現(xiàn)基于數(shù)學(xué)模型法的含水率測量；另外，研究雞腿菇含水率對其介電常數(shù)的影響規(guī)律，建立雞腿菇介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系模型；將介電常數(shù)法與數(shù)學(xué)模型法相結(jié)合，以IAP15W4K58S4型單片機為主控芯片，研究基于MCU的果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量技術(shù)。

1 果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量裝置設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計方案

果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量裝置硬件系統(tǒng)主要包括供電電路、微處理器、電容信號采集裝置、按鍵輸入電路、液晶顯示器和報警裝置等，如圖1所示。電容傳感器采集電容信號，微處理器將傳遞過來的電容信號進行運算處理，并將最終的含水率結(jié)果通過LCD顯示出來。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1.2 電容信號采集裝置設(shè)計

1.2.1 電容傳感器

本系統(tǒng)中的電容傳感器采用亞德諾半導(dǎo)體公司(ADI公司)的AD7746電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，該芯片集成了電容信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號的所有電路，分辨率達4aF，測量精度達4fF，通過編程控制DAC寄存器，量程可達0～21pF[19-21]。AD7746芯片具有兩條電容輸入通道，每條通道都具有差分輸入和單端輸入兩種模式，本文以通道1為例進行設(shè)計，測量系統(tǒng)框圖如圖2所示。輸入電容與輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系為[21]

DATA≈CX-CAPDAC(+)-
[CY-CAPDAC(-)]

其中，DATA為AD7746的輸出的二進制電容值；CAPDAC(+)與CAPDAC(-)為可編程配置電容，電容可變范圍為0～17pF；CX與CY為差分輸入電容，CX為待測電容與附件電容之和，CY為附加電容，采用這種輸入方式可以消除外部環(huán)境變化帶來的影響。圖2中CIN1(+)、CIN1(-)、EXCA、SDA、SCL和RDY均為AD7746芯片引腳。其中，SDA和SCL是AD7746與MCU之間的雙線IIC串行通信引腳，RDY為電容轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出引腳，下降沿表示電容轉(zhuǎn)換完成。

圖2 電容測量系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of capacitance measure system

1.2.2 傳感器探頭設(shè)計

考慮到電容傳感器的測量精度、量程以及使用的方便性和穩(wěn)定性，設(shè)計探針式探頭[22-26]，如圖3所示。探頭由電極、電極和絕緣骨架組成。電極直徑為0.8mm，骨架以下部分長18mm，且進行表面絕緣處理；兩電極之間間距3mm，材質(zhì)為HSS高速鋼，硬度高耐磨性好，骨架上設(shè)有接線端。采用單芯屏蔽線作為探頭與傳感器的鏈接線，屏蔽層接地，以消除導(dǎo)線中寄生電容。利用ANSYS Maxwell16.0建立3D模型，進行仿真分析，求解得出此模型在真空中的理論電容值為0.256pF；后經(jīng)試驗測量，傳感器電容探針在空氣中的初始電容值為0.261pF。

1.3 微處理器

本系統(tǒng)采用宏晶公司的STC系列IAP15W4K58S4型單片機，芯片內(nèi)部集成58K字節(jié)Flash程序存儲器，4K字節(jié)SRAM；內(nèi)置高精準(zhǔn)時鐘，5～30MHz編程時可任意設(shè)置，且溫漂小，運行穩(wěn)定。芯片在資源和性能方面滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

1,2.電極 3.絕緣骨架圖3 傳感器探頭Fig.3 Probe of capacitance sensor

1.4 其他硬件

按鍵電路用來進行人機交互，往系統(tǒng)中輸入相關(guān)參數(shù)；存儲器采用串行接口芯片F(xiàn)M24C04，用來存儲系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，防止掉電數(shù)據(jù)丟失；UART串口通信采用CH340T芯片，用來進行程序下載以及數(shù)據(jù)傳輸；顯示屏選用128×64圖像點陣LCD，用來顯示設(shè)置菜單、系統(tǒng)運行狀態(tài)以及故障信息等。

1.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)主程序、電容-含水率計算子程序、數(shù)學(xué)模型-含水率計算子程序及按鍵和液晶驅(qū)動子程序，所有程序均在Keil uVision5開發(fā)平臺上用C語言進行編寫及編譯。系統(tǒng)主程序用于完成液晶顯示器與電容傳感器的初始化，開啟系統(tǒng)中斷，根據(jù)按鍵輸入調(diào)用其他子程序等。電容-含水率計算子程序與數(shù)學(xué)模型-含水率計算子程序是本軟件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵：前者將傳感器采集的電容信號傳遞給微處理機，將其轉(zhuǎn)換為相對介電常數(shù)εr后，調(diào)用相對介電常數(shù)-含水率轉(zhuǎn)換模型，計算得出含水率；后者根據(jù)干燥進行時間t，預(yù)測該時刻的水分比MR，根據(jù)干燥初始含水率計算得出該時刻的物料含水率。按鍵驅(qū)動子程序主要完成按鍵消抖、按鍵識別及子程序調(diào)用等功能，液晶驅(qū)動用于顯示系統(tǒng)運行過程中的相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)流程如圖4所示。該系統(tǒng)設(shè)有兩種操作模式，使裝置具有更好的適用性，同時通過優(yōu)化算法可提高測量結(jié)果的可靠性。

圖4 程序流程圖Fig.4 The flow chart of grogram

1.6 性能評估

在干燥試驗之前,對裝置電容測量精度進行評估。在室溫下分別使用本裝置與HIOKI IM3536-LCR測試儀對標(biāo)稱容量為10、15、18pF的瓷片電容進行測量，對比兩者測量結(jié)果，如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可以看出：本裝置對電容測量誤差小于1%，能準(zhǔn)確測量干燥過程中的物料電容。

表1 電容測量結(jié)果對比Table 1 Data of accuracy test

續(xù)表1

2 熱風(fēng)干燥試驗及模型建立

2.1 干燥試驗

2.1.1 試驗原料

以雞腿菇為研究對象，同樣的研究方法亦可以在其他果蔬物料上進行復(fù)制。雞腿菇購買于徐州一夜茸農(nóng)場，選取大小一致且菇體完好的雞腿菇作為試驗原料。

2.1.2 試驗儀器

KETT FD-720紅外水分儀(株式會社kett科學(xué)研究所)；HH數(shù)顯恒溫水浴鍋；HIOKI LCR測試儀IM3536。

2.1.3 試驗裝置

熱風(fēng)干燥試驗裝置，由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究獨立研制，主要由烘干倉、料盤、換向通風(fēng)裝置、電加熱裝置、風(fēng)機組、控制及測試系統(tǒng)組成。

2.1.4 試驗方法

將雞腿菇清洗干凈后，沿生長方向切片，放入95℃熱水中漂燙3min進行護色[27]；處理完畢之后，將探針插入電容測量樣本中，測量初始電容后將雞腿菇放入干燥箱進行干燥，試驗方案如表2所示。干燥過程中，每隔30min測量一次電容，并取樣用紅外水分儀測其濕基含水率，轉(zhuǎn)換為干基含水率后記錄數(shù)據(jù)。

表2 干燥試驗設(shè)計Table 2 Drying experiment design

續(xù)表2

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

用數(shù)學(xué)模型法描述熱風(fēng)干燥過程，可預(yù)測物料薄層干燥過程中的含水率。本文選取7中常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，如表3所示。在模型方程中，MR為水分比，計算公式簡化為

其中，M為實時干基含水率(%)；M0為初始干基含水率(%)。則實時含水率為

M=MR·M0

用表3中模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，選取決定系數(shù)R2、卡方 χ2及均方根誤差RMSE評價模型擬合好壞。R2數(shù)值越大，χ2與RMSE數(shù)值越小，模型擬合效果越好。擬合分析結(jié)果如表4所示。從表4數(shù)據(jù)可知：對于試驗組1～7中的數(shù)據(jù)，Demir模型均有最佳擬合效果，即有最大的R2值，有最小的χ2與RMSE值。對于第6組試驗中的數(shù)據(jù)，Diffusion approach模型擬合效果最好，Demir模型擬合效果次之。因此，Demir模型為描述雞腿菇熱風(fēng)干燥過程的最佳選擇，即

MR=a·exp(-ktn)+b

其中，a、b、k、n均為模型中常量參數(shù)；t為干燥進行時間(min)。

表3 常用薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 3 Commonly used mathematical models for thin-layer drying

表4 擬合分析結(jié)果Table 4 Analytical results of the different models

續(xù)表4

續(xù)表4

進一步研究Demir模型參數(shù)a、b、k、n與干燥條件之間的關(guān)系，對各組試驗中Demir模型的參數(shù)值進行回歸分析，建立參數(shù)a、b、k、n與熱風(fēng)溫度T、熱風(fēng)風(fēng)速V、切片厚度H之間的函數(shù)關(guān)系。在模型R2值大于0.999，χ2值小于3.96×10-6條件下，關(guān)系式為

a=4.356265-0.07967T+2.114V-0.732665H+
0.000607T2-1.16625V2+0.064522H2,R2=1

k=0.905331-0.016003T-0.13205V-0.125732H+
0.000138T2+0.0365V2+0.011139H2,R2=1

n=-6.771655+0.267125T-0.491V+0.015833H-
0.002292T2+0.537V2-0.008547H2,R2=1

b=-0.051248+0.00177T+0.0205V+0.008078H-
0.000018T2-0.01V2-0.000963H2,R2=1

根據(jù)上式，可得出任意干燥條件下雞腿菇熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型，通過預(yù)測干燥過程中任意時刻的水分比MR，從而間接得出物料熱風(fēng)干燥過程中的實時含水率M。

2.2.2 介電常數(shù)與含水率模型

介電常數(shù)法測量含水率是利用物料相對介電常數(shù)大小與含水率相關(guān)的原理，物料相對介電常數(shù)計算公式為

其中，Cm為探針插入物料中測得的電容值(pF)；C0為探針空載時的電容值(pF)，C0=0.261。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)：在干燥初期，雞腿菇含水率較高，且干燥過程中存在干燥不均勻現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確測量物料電容值；當(dāng)物料濕基含水率下降到30%以下時，物料介電常數(shù)與含水率之間存在十分顯著的線性關(guān)系。選取60℃熱風(fēng)溫度條件下測量的數(shù)據(jù)為分析對象，其他溫度條件下相對介電常數(shù)-含水率模型可采用相同方式建立。利用SAS軟件對雞腿菇相對介電常數(shù)與含水率之間的線性關(guān)系進行擬合，結(jié)果如圖5所示。擬合方程為

Mdry=6.0668εr-3.4698

方程決定系數(shù)R2=0.991 1，表明利用本裝置可實現(xiàn)基于相對介電常數(shù)的雞腿菇熱風(fēng)干燥含水率快速測量。

3 含水率測量裝置測量結(jié)果驗證

在熱風(fēng)溫度60℃、熱風(fēng)風(fēng)速1.5m/s、切片厚度4mm條件下，對本裝置的測量效果進行驗證。干燥初期僅使用數(shù)學(xué)模型模式進行測量，當(dāng)含水率下降到30%以下時，開啟相對介電常數(shù)測量模式，兩種模式同時運行，增強裝置的抗干擾性能。將裝置測量值與紅外水分儀測量值進行對比，相對誤差小于3%，去除極少數(shù)干基含水率大于400%的點，結(jié)果如圖6所示。圖6曲線擬合斜率K=0.994 7，表明利用該裝置可以準(zhǔn)確測量雞腿菇熱風(fēng)干燥過程中的實時含水率，將研究方法推廣至其他果蔬即實現(xiàn)果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量。

圖5 含水率與相對介電常數(shù)擬合曲線Fig.5 The curve of moisture content versus relative dielectric constant

圖6 測量結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison of measuring results

4 結(jié)論

1)設(shè)計了探針式電容檢測探頭，結(jié)合高集成度電容數(shù)字傳感器AD7746，以IAP15W4K58S4型單片機為主控芯片，完成了果蔬熱風(fēng)干燥含水率在線測量裝置的設(shè)計。將數(shù)學(xué)模型法與介電常數(shù)法相結(jié)合，使系統(tǒng)具有兩種測量模式：①根據(jù)干燥時間t預(yù)測該時刻水分比，從而實現(xiàn)含水率測量；②根據(jù)物料的實時相對介電常數(shù)實現(xiàn)含水率測量，兩種模式提高了裝置的適用性，加強了測量系統(tǒng)的靠干擾能性。

2)以雞腿菇為研究對象，建立了雞腿菇熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型和相對介電常數(shù)-含水率計算模型，利用本裝置成功實現(xiàn)了雞腿菇熱風(fēng)干燥含水率在線測量，所用研究方法在其他果蔬物料上具有可復(fù)制性，本文可提供參考。