谷物水分检测仪的设计.doc

1前言1.1谷物水分检测的意义粮食的储存是关系到民生的一件大事，而粮食水分的检测更是粮食储存的重中之重。粮食在收获之后往往含有过多的水分，而含水量过多的粮食往往会引发很多问题，由于含水量过多的粮食容易发热，变质。这将影响到粮食的质量和粮食种子的选择。因此，谷物在收获之后，必须进行检测。粮食的安全储存还会影响到我国工业和农业的发展，这时粮食水分的检测就显得很重要。工业生产中会大量的用到各种粮食作物。如果粮食的含水量不过关，就会影响到产品的质量，更有甚至，生产出的副食品会危害人的健康。在农业方面更要注意水分的检测，全国的大小粮库是国家粮食的储备，如果水分控制不好，将会是大批量的粮食坏掉，这将直接影响我国农业的发展。所以，在工业和农业中要根据各种参数和和工艺合理的控制谷物的水分。这时就要求有好的谷物水分检测仪，用以对谷物的水分进行检测。因而，一款好的水分检测仪就显得尤为重要。一款好的水分检测仪将在很大程度上促进我国工农业的发展。1.2谷物水分检测仪的发展背景和方向谷物水分的检测通常有两种方法，它一般分为直接测量和间接测量。直接测量法是指在对谷物进行热干燥后在对谷物的水分进行直接测量。这种方法是一种基准法，在测量的过程中样品的性质是不会发生改变的，但这种方法是间歇进行的，不能连续进行测量，这种方法具有较长的测量周期，当使用不同的方法时，测量所需的时间也会大大不同，这种方法不能对谷物的水分进行连续的测量，因而此方法控制指标不高。间接测量法是指通过检测与水分变化相关的物理量来得到谷物水分的变化，这种方法适合于在线测量。间接测量法包括化学反应法、电容法、电导法、微波法、光学法等。其中，电容法具有很多的优点，电容传感器具有简单的结构，较高分辨率，能够抵抗多种干扰，具有较快的动态响应，能在恶劣的环境下进行工作，价格合理等一系列优点。但它也存在一些缺点，它容易受到多种因素的影响，它的数据比较复杂等。所以，我们要通过建模理论创建谷物水分检测仪的物理模型，同时我们还要了解被测谷物的含水量与谷物水分检测仪传感器的参数关系，这些工作量将对我们谷物水分检测仪的设计产生重大的影响。目前，国内利用电容法测定粮食水分的仪器的种类较多，如TM-I型谷物水分检测仪，这种检测仪集机械设计、电控、检测与传感技术、物理解析法、现代通讯技术于一体，ZHS1003微量水分全自动测定仪，它具有操作方便、稳定速度快精度高、灵敏度高等优点。国外主要有美国帝强M-3G/M-20P便携式谷物水分检测仪，它提供了精密补偿，应用独特的运算法则，无需称重或挤压样品，采用简单易读的LCD液晶显示，它具有独立的偏差和斜率。1.3谷物水分检测仪的测量原理从电磁理论的角度研究，谷物的不同的内部成分和分子的结构定性共同决定了谷物的节电特性粮食的介电特性的，但是通过大量的试验表明，当粮食的游离水分小时，它的介电常数(ε)也会随之变小，从这一点我们可以得出，对于粮食内部的淀粉等分子它们的极性是比较小的。但是水的介电常数却是相当的大，通过查相关数据得出水的介电常数为81。从以上的描述我们可以得出，游离的水分子是影响是影响介电常数的重要因素。这就为我们的设计指明了思路，我们要通过测目标的介电常数，间接的得到谷物的水分。但介电常数的测量是一个比较复杂的过程，这就要求我们弄清原理，认真心的进行设计。当电容传感器内部充满介质时，他的电特性就不单一受到电容的影响，电导也成了影响它的一个重要部分。因此，当我们在电容传感器两端加以交流电压信号时，它的电抗就由容抗和阻抗共同构成。它的等效电路如图1.1所示，当在我们在电容器两端加以交变电压信号时，它所产生的电流矢量图如图1.2所示。图1.1等效电路图IRUIICθ(图1.2电流矢量图在不考虑外部因素影响的前提下，电流I和电压U相位相差应该是90°，但当传感器中有电导存在是，电流I和电压U相位偏差将会产生变化。从图1.2我们可以得到电流I会产生一个偏离的角度，在这里我们把它叫做介质损失角。我们一般用tanθ来表示：(有功分量IR即电导分量)/(无功分量IC即电容分量)。在弄清了设计原理后，我们需要对信号的处理电路进行设计了信号处理线路，在这里我们选用数字信号的传感器，因而在这里省略了A/D转换的过程。传感器把产生的数字信号直接输送给STR89C52，经传感器的处理即可得到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。1.4设计要求和预期研究结果1）应用范围：糙米、精米、稻米、小麦、大麦、裸麦等水分含量测量；2）测量范围：糙米、精米、稻米10-40%，小麦、大麦、裸麦10-35%；3）LCD数字屏幕显示，数字清楚易读；4）所有的操作只需轻按按钮即可完成；5）精确度：土0.5%(10%-