果蔬粉含水率在線檢測系統(tǒng)設(shè)計

趙 勇 武旭瑤 黃文英 胥慧麗 吳中華,2

(1. 天津市科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津 300222)

中國是蔬菜和水果生產(chǎn)大國，2019年蔬菜和水果產(chǎn)量分別為7.2億，2.7億t左右；但是國內(nèi)果蔬深加工轉(zhuǎn)化率(不足15%)遠遠低于發(fā)達國家(60%)，資源和經(jīng)濟損失較大[1]。近年來，由于果蔬粉具有保質(zhì)期長、種類豐富、原料利用率和營養(yǎng)價值高等優(yōu)點[2-4]，更多的果蔬被干燥加工成果蔬粉，作為沖泡食品、保健食品、嬰幼兒食品輔料。含水率是果蔬粉生產(chǎn)加工過程中的一個重要指標，只有果蔬粉達到安全含水率(5%～14%)才能長期保存。因此在果蔬粉生產(chǎn)過程中，有著快速、準確和實時地測量含水率的實際需求。

含水率測量方法有脫水失重法、卡爾費休法、近紅外光法、微波法和核磁共振法等[5-6]。脫水失重法和卡爾費休法屬于間歇檢測法，需人工取樣，無法滿足生產(chǎn)加工過程的快速、在線檢測要求。近紅外光法和核磁共振法能快速、準確和無損地檢測水分含量，但是設(shè)備昂貴。微波透射含水率檢測方法具有檢測速率快、精度高、價格適中、材料無損和可在線檢測等優(yōu)點，因而被國內(nèi)外眾多學(xué)者采用[7-9]。Agranovich等[10]設(shè)計了一套以微波傳感器為核心的水分檢測裝置，在40 GHz下，以150多份的牛奶樣品進行測量，成功地利用微波功率的衰減來預(yù)測牛奶中的水分。Trabelsi等[11]利用微波傳感器制成微波水分儀，用于測量帶殼花生的含水率，測量誤差在5%以內(nèi)。張秀艷等[12]設(shè)計了一套煙包含水率微波透射在線檢測儀，測試結(jié)果表明，該測試儀在誤差范圍內(nèi)可測量0%～30%含水率，最高測量精度達0.18%，單次測量轉(zhuǎn)換時間小于100 ms。偉利國等[13]設(shè)計了一套糧食水分微波在線檢測系統(tǒng)，以小麥、玉米、水稻等糧食作物進行試驗，結(jié)果表明水分檢測范圍為10%～21%，測量精度±0.5%，可滿足糧食烘干過程中含水率在線連續(xù)檢測的需要。盡管已有前人對含水率微波檢測方法和裝置進行研究，但研究對象主要集中于高含水率物料，對于果蔬粉之類的低含水率物料的在線檢測還未發(fā)現(xiàn)，不能完全滿足實際檢測要求。

試驗擬設(shè)計一套微波含水率在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過利用微波水分檢測技術(shù)與生產(chǎn)線相結(jié)合，在保證檢測精度的同時進行快速檢測，將檢測數(shù)據(jù)實時反饋給生產(chǎn)線，從而調(diào)整優(yōu)化果蔬干燥制粉中的工藝參數(shù)以達到節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由進料模塊、檢測模塊、卸料模塊、控制顯示模塊組成。進料模塊包括漏斗和振動器，用于實現(xiàn)進料量和進料速度的調(diào)節(jié)。檢測模塊包括介質(zhì)振蕩器、隔離器、發(fā)射接收天線、波導(dǎo)同軸、數(shù)控衰減器、檢波器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機等單元，用于檢測果蔬粉的含水率。卸料模塊包括集成器和風(fēng)機，用于及時排出已檢測的果蔬粉?？刂骑@示模塊為PLC+觸摸屏的一體機，用于對整個檢測操作過程的精確控制。

圖1 果蔬粉水分在線檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作流程為開機后，進料模塊從生產(chǎn)線取出一定量的果蔬粉進入檢測料盒。此時，由介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生微波信號，經(jīng)隔離器和喇叭口發(fā)射天線發(fā)出，通過料盒后被接收天線接收。因為果蔬粉中含有水分，接收到的信號功率會發(fā)生衰減。接收天線收到衰減后的信號，通過波導(dǎo)同軸傳輸?shù)綌?shù)控衰減器，調(diào)頻后對信號進行隔離處理，達到檢波器檢波出直流電壓。直流電壓經(jīng)運算器放大和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，上傳至單片機。利用單片機中含水率校正程序得到具體的含水率值，然后被上傳至上位機進行采集和處理。測量完成后，卸料模塊排出物料，然后開始下一個檢測流程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 進料模塊

進料模塊由漏斗和振動器組成，振動器的作用是防止物料下落阻塞，通過提供振動力使物料順利下落。通過試驗發(fā)現(xiàn)對于胡蘿卜粉，振動器(型號為R-370，深圳新永泰電機有限公司)工作電壓為24 V，6 000 r/min可滿足條件。

2.2 檢測模塊

基于微波透射原理的硬件設(shè)計中，能產(chǎn)生穩(wěn)定微波信號的發(fā)射源是較為關(guān)鍵的一個單元，使用介質(zhì)振蕩器產(chǎn)生微波，具有功耗小、可靠性高、頻率和功率穩(wěn)定等優(yōu)點，試驗設(shè)計針對的物料是低含水率果蔬粉，經(jīng)過前期試驗，發(fā)現(xiàn)選用X波段(8.20×109～1.09×1010Hz)作為微波發(fā)射源較為合適，其輸出功率為80 mW，工作電壓+12 V。數(shù)控衰減器是用來控制信號輸出大小，保證傳輸出合適功率的微波信號，衰減范圍包括0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，16.0 dB，總衰減量為31.5 dB。隔離器只允許微波沿一個方向通過，不能反向通過，反向的微波都被吸收，降低了微波的消耗。該設(shè)計采用外置BJ100隔離器，工作帶寬一般到20%左右，插入損耗為0.25 dB，隔離度25 dB，駐波比1.12。發(fā)射接收天線采用喇叭口傳輸通道，能減少微波的損耗。檢波器的作用是檢測到微波信號并進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)微波頻率的裝換。使用的檢波器是由波導(dǎo)同軸加上微波檢波二極管及調(diào)配螺釘組成，當(dāng)微波輸入信號是連續(xù)波，整流后輸出為直流，當(dāng)微波信號為方波調(diào)制，則輸出低頻信號。

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號便于后期處理；該設(shè)計選用8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，其功耗15 mV，時鐘頻率范圍為1.00×104～1.28×106Hz。單片機型號選用AT89C51，擁有8位中央處理器(CPU)，32個可編程I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器。上位機使用臺式計算機[Intel(R) Xeon(R) CPU，10 GB RAM]與單片機通過串行線USB連接，用于收集數(shù)據(jù)，便于后期分析處理。

2.3 卸料模塊

卸料模塊包括風(fēng)機和集塵器，風(fēng)機選用LH-50P型(九葉風(fēng)管道風(fēng)機工廠)，其風(fēng)壓為570 Pa，功率18 W，噪音58 dB。檢測物料重量為30 g/次，重力則為0.3 N。該設(shè)計中，風(fēng)機提供的吸力大于檢測粉末重量，以便果蔬粉順利排出；風(fēng)機可根據(jù)實際使用情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，破壞卸料途中可能產(chǎn)生的“拱橋現(xiàn)象”(粉末在下降過程中由于相互交錯咬合易形成拱橋空間，造成粉末流動不暢)。集塵器采用自制旋風(fēng)集塵器。

2.4 控制顯示模塊

控制顯示模塊負責(zé)控制物料的進入、含水率檢測和排出，綜合考慮選用型號為MC-24MR-4MT-500-FX-A的PLC觸摸屏一體機(中達優(yōu)控)，輸出點Y1～Y5分別接振動器、第一個電動球閥、介質(zhì)振蕩器、第二個電動球閥和風(fēng)機。PLC內(nèi)程序控制整個流程的運行，系統(tǒng)執(zhí)行部件選用220 V電動球閥。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 含水率與微波信號關(guān)聯(lián)模型

使用微波透射法檢測果蔬粉含水率，需建立含水率與微波信號之間關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型(也稱標定曲線模型)。以胡蘿卜粉為物料，通過試驗建立關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型。首先，通過控制干燥時間制備不同含水率(5%～14%)胡蘿卜粉；對某個含水率胡蘿卜粉樣品，利用微波測試單元測量并取得微波電壓值，多次測量取平均值；然后將含水率與微波電壓值進行擬合回歸，得到以下數(shù)學(xué)模型：

X=33.63-5.546×M，

(1)

式中：

X——含水率，%；

M——微波電壓值，V。

該擬合模型中，胡蘿卜粉含水率和微波電壓值呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.957。在實際測量胡蘿卜粉含水率時，通過測得的微波電壓值，依據(jù)關(guān)聯(lián)模型即可換算成對應(yīng)的含水率。

微波信號處理與含水率換算通過內(nèi)置程序?qū)崿F(xiàn)。該程序采用C++語言編寫，含水率換算流程如圖2所示。對果蔬粉樣品進行含水率測量，若測量的含水率(Ci)與標定曲線方程中電壓對應(yīng)的參考含水率(Cref)差值大于1%，則進行定標曲線的校正，若小于1%，則記讀數(shù)為C1，再次測量讀數(shù)記為C2，若兩次測量差值小于0.5%，則最終含水率(C)為兩次讀數(shù)的平均值。若兩次測量結(jié)果大于0.5%，則重新進行定標曲線的校正。

圖2 含水率計算程序流程圖

3.2 上位機軟件的開發(fā)

上位機軟件的開發(fā)是為了將所測量的含水率在電腦上進行采集和處理，需要編寫一套上位機軟件，以STC12系列LE5A56S2為主控芯片，利用STC-ISP軟件，將單片機插入編程器并與電腦連接進行程序編寫，具體過程：

(1) 選擇單片機型號和確定數(shù)據(jù)寫入范圍。

(2) 裝入編譯好的BIN或HEX文件。

(3) 選擇串口，并設(shè)置波特率。

(4) 設(shè)置工作模式與下載條件。

(5) 點擊下載按鈕進行下載，然后再接通編程器的電源。

3.3 時序控制和組態(tài)設(shè)計

果蔬干燥粉的進出和檢測時序控制由PLC完成，內(nèi)控程序使用三菱GX Works2進行編程，采用梯形圖設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)要求分為手動和自動控制兩種運行模式，手動控制運行模式是人為控制果蔬干燥粉的進出和含水率的檢測；自動控制模式是按照程序進行。觸摸屏是整個系統(tǒng)的顯示操作界面，分為啟動、停止和終止工作狀態(tài)。操作界面包含首頁、手動操作和自動操作3個界面。自動操作時，只需在自動操作界面打開開關(guān)，PLC中的程序會自動控制整體系統(tǒng)運行。

4 裝置評價

果蔬粉微波快速檢測裝置開發(fā)調(diào)試后，2019年8月委托有檢測資質(zhì)第三方——中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院標準與質(zhì)量檢測中心，進行裝置檢測性能評價。以含水率范圍5%～14%的胡蘿卜粉(山東佐緣食療科技有限公司)為試驗物料，分別利用微波水分檢測方法和按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中的第一法，檢測試驗物料含水率。國標法測量得到的含水率為10.09%，微波水分測量重復(fù)進行20次，結(jié)果如表1所示，并比較檢測數(shù)據(jù)，檢測準確度計算公式為：

(2)

式中：

η——裝置水分檢測準確度，%；

A——國標法測量含水率，%；

B——試驗裝置測量含水率，%。

表1 微波水分檢測含水率表

裝置評價報告顯示：該裝置檢測每份樣品的含水率耗時約7.33 s，樣品水分檢測準確度為98.2%，樣品水分檢測重復(fù)性為0.15%。

5 結(jié)論

研究設(shè)計了一套果蔬粉含水率在線檢測系統(tǒng)，由進料模塊、檢測模塊、卸料模塊和控制顯示模塊組成。進料模塊通過振動力消除果蔬粉進料阻塞現(xiàn)象，使得料粉順利進入檢測料盒；檢測模塊利用微波透射衰減法快速檢測出果蔬粉含水率進行處理、收集和顯示；卸料模塊通過風(fēng)機提供的風(fēng)力破壞果蔬粉可能產(chǎn)生的“拱橋現(xiàn)象”加速物料排出；控制顯示模塊通過PLC中的程序自動控制整體運行。軟件系統(tǒng)包括含水率標定程序、上位機軟件開發(fā)、PLC的時序控制程序和組態(tài)設(shè)計。以胡蘿卜粉為試驗物料，進行檢測系統(tǒng)第三方評價，結(jié)果顯示：檢測每份樣品的含水率耗時約7.33 s，檢測胡蘿卜粉含水率準確度為98.2%，重復(fù)性為0.15%，裝置可操作性好，可實現(xiàn)對低含水率的果蔬粉在線、連續(xù)檢測。