糧食收購(gòu)運(yùn)輸過(guò)程中溫濕水在線檢測(cè)儀的研究

張亞秋，徐 巖，劉 哲，牛立坤，吳文福

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

糧食作為人們生存的必需品，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱和基礎(chǔ)。2019 年，全國(guó)糧食總產(chǎn)量 66384 萬(wàn)t，再創(chuàng)歷史新高，截至 2020 年 11 月，我國(guó)糧食產(chǎn)量連續(xù) 6 年穩(wěn)定在65000 萬(wàn)t 以上。糧食產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，對(duì)糧食的物流也提出了更高的要求。糧食已經(jīng)成為繼煤炭和礦石之后的第三大散貨貨種[1]。糧食運(yùn)輸是糧食物流體系的重要環(huán)節(jié)，直接影響著整個(gè)物流系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)雖是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但糧食的生產(chǎn)分布具有非均衡性[2]，糧食供應(yīng)不平衡，為促進(jìn)糧食的區(qū)域平衡，糧食運(yùn)輸顯得至關(guān)重要。在我國(guó)，糧食的主要運(yùn)輸途徑為公路、水路、鐵路，此外還有小部分航運(yùn)。目前，我國(guó)集裝箱糧食運(yùn)輸仍處于初級(jí)階段[3]，但隨著集裝箱運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)的凸顯，集裝箱運(yùn)糧的比例也在逐年上升。

糧食運(yùn)輸是糧食流通中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[4]，糧食在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸過(guò)程中，由于外部空氣的溫濕度變化，導(dǎo)致運(yùn)糧車箱內(nèi)部環(huán)境會(huì)發(fā)生高溫、高濕的現(xiàn)象，如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取防控措施，糧食發(fā)生霉變機(jī)率就會(huì)大大增加，甚至?xí)l(fā)糧食安全等嚴(yán)重問(wèn)題[5]。因此，本文研制一種基于射頻原理的集溫濕水檢測(cè)于一體的檢測(cè)儀，可解決糧食運(yùn)輸過(guò)程中的全程監(jiān)控問(wèn)題。

1 檢測(cè)原理

該檢測(cè)儀基于射頻原理，等效原理如圖1 所示。

圖1 射頻式電路原理

由圖1 可知，不同的探測(cè)物體反饋信號(hào)不同，把糧食的水分作為介質(zhì)，不同的水分反饋信號(hào)不同。依據(jù)射頻法測(cè)量水分的研究方法[6,7]，取100 MHz 正弦波。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中α為檢波系數(shù)；ZL為遇到介質(zhì)產(chǎn)生的阻抗，Ω；Z0為特性阻抗，Ω。

根據(jù)SKAAR C[8]的研究，當(dāng)溫度和測(cè)試信號(hào)頻率一定時(shí)，介電常數(shù)和含水率間存在一定的線性相關(guān)性。

根據(jù)試驗(yàn)可知，溫度等因素對(duì)水分測(cè)量有較大影響，一般的檢測(cè)方法都需要做溫度補(bǔ)償，因此本文采用兩個(gè)檢測(cè)單元進(jìn)行差分可以消除溫度的干擾。檢測(cè)單元1 距離糧食距離為D1，檢測(cè)單元2 距離糧食距離為D2，D2＞D1，如圖2 所示，其信號(hào)經(jīng)過(guò)相位檢波過(guò)濾后差分，就能夠得到穩(wěn)定的電壓值。

信號(hào)源選取100 MHz 高頻信號(hào)，一路信號(hào)返回信號(hào)HF1，另一路信號(hào)返回信號(hào)HF2，經(jīng)過(guò)相位檢波將信號(hào)HF1 與HF2 轉(zhuǎn)換為模擬量HINA、HINB。經(jīng)過(guò)單片機(jī)STM32F103RCT6 處理，對(duì)HF1 與HF2 進(jìn)行差分得到信號(hào)VHPS。

式中 VHPS為經(jīng)過(guò)差分后的模擬信號(hào)，V；RφIP為比例系數(shù)，30 mV/dB；HINA為檢測(cè)單元1模擬量，0≤HINA≤1.8V；HINB為檢測(cè)單元2模擬量，0≤HINB≤1.8V。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由檢測(cè)儀單元（主要包括水分檢測(cè)儀，溫度、濕度檢測(cè)儀）、主控器單元、人機(jī)交互單元3 部分組成，如圖3 所示。檢測(cè)單元主要把采集到的信號(hào)通過(guò)控制單元傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件程序可保存數(shù)據(jù)，方便日后處理；也可顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，方便在線查看糧情。

圖3 系統(tǒng)組成

2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路如圖4 所示。主要由信號(hào)源通過(guò)信號(hào)功分器把信號(hào)分為兩個(gè)檢測(cè)單元，再通過(guò)差分相位檢波電路進(jìn)行差分，最后通過(guò)放大電路把信號(hào)放大。主控制器單元不僅包含水分檢測(cè)單元，還包括溫濕度檢測(cè)模塊，最后通過(guò)串口通信電路把信號(hào)傳到上位機(jī)。

圖4 檢測(cè)電路工作流程

2.2 檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

該檢測(cè)儀采用即插式，方便檢測(cè)，有3 個(gè)隱蔽探針，兩側(cè)探針有屏蔽作用，形成差分，可以使傳輸信號(hào)免受干擾。

1）探針長(zhǎng)度。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，探針越短，誤差越大，HEIMOVAARA 給出了三針式探頭含水量測(cè)試誤差[9]。

式中θ為按體積計(jì)算的含水量，%；c為電磁波傳播速度，m/s；L為探針長(zhǎng)度，cm；Δtδ為時(shí)間分辨率。

通過(guò)求取

由式（3）與（4）可得質(zhì)量含水率測(cè)試誤差

式中ρw/ρd為介質(zhì)的特性阻抗系數(shù)，取0.5～0.7。

通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最終確定探針長(zhǎng)度為11 cm。

2）探針寬度和間距。陳偉[9]認(rèn)為探針表面存在“趨服效應(yīng)”，建議間距與寬度比值小于10；同時(shí)KNIGHT 建議寬度與間距比值大于0.1 可以減小探針周圍的能量集中。因此，參考上述意見并結(jié)合實(shí)際情況選取探針寬度為3 mm，探針間距為15 mm。

在此基礎(chǔ)上得到的電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。把此硬件電路結(jié)構(gòu)加上外殼，做成梭形，便于往糧堆插入，用樹脂材料便于加工且不易腐蝕損壞，如圖6 所示。

圖5 電路硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6 檢測(cè)儀外殼

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序用KELL5 軟件編寫，程序模塊設(shè)計(jì)如圖7 所示，主要包括系統(tǒng)主程序、時(shí)鐘子程序、電壓采集子程序（采集水分）、溫濕度子程序及串口通訊子程序。

圖7 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)選用玉米，按照GB/T 5497-1985《糧食、油料檢驗(yàn)水分測(cè)定法》制備成不同含水率，然后測(cè)量不同含水率對(duì)應(yīng)的電壓值，建立含水率—電壓關(guān)系曲線。

4.1 材料的選取

選用先玉335 玉米，經(jīng)去雜、優(yōu)選后制備成不同含水率的樣品備用。

4.2 數(shù)據(jù)處理

共制備了5 個(gè)水分梯度的樣品[10]，取樣間隔為2 min/次，共取200次，如表1。不同含水率對(duì)應(yīng)的電壓值曲線如圖8、9、10、11、12所示。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

圖8 含水率12.23%對(duì)應(yīng)的電壓值

圖9 含水率13.58%對(duì)應(yīng)的電壓值

圖10 含水率14.60%對(duì)應(yīng)的電壓值

圖11 含水率15.92%對(duì)應(yīng)的電壓值

圖12 含水率16.83%對(duì)應(yīng)的電壓值

取電壓平均值作為標(biāo)定電壓，含水率與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖13 所示。含水率和電壓關(guān)系曲線存在一定的偏差，為了減小偏差，提高精度，需要對(duì)回歸方程進(jìn)行處理。

圖13 含水率-電壓關(guān)系曲線

用最小二乘法得出含水率與電壓值的線性回歸方程，偏差為

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持含水率基本不變，所以Δxi2可以忽略，因此偏差由電壓測(cè)量值yi產(chǎn)生，所以

為了確定回歸方程系數(shù)，使總的偏差最小。首先求偏差平方和

用二元函數(shù)求極值法，把上式對(duì)a 和b 分別求偏導(dǎo)，得到式（9）、（10）

令式（9）、（10）等于0 解得

用最小二乘法求出a、b 值，從而得到線性回歸方程。為了驗(yàn)證回歸方程的準(zhǔn)確性，求取標(biāo)準(zhǔn)差σs

最終計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 相關(guān)系數(shù)值

由表2 可以看出R2=0.9904，達(dá)到要求。最后得到線性回歸方程為y=-4.876x+2.628。其中x為含水率，y 為電壓值。其轉(zhuǎn)換后得

式中 M為所測(cè)量糧食的水分，%；U為測(cè)量電壓，V。

式（14）可以作為糧食含水量測(cè)量的模型使用。

5 結(jié)語(yǔ)

將檢測(cè)儀插到運(yùn)糧車內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)輸過(guò)程中在線檢測(cè)了玉米溫度、濕度和水分，將實(shí)際水分與檢測(cè)水分進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，測(cè)定值最大絕對(duì)誤差在±0.5%以內(nèi)，檢測(cè)精度符合國(guó)標(biāo)規(guī)定。因此，開發(fā)的溫濕水檢測(cè)儀可以檢測(cè)糧食在長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中溫度、濕度、水分等指標(biāo)，而且可以多點(diǎn)布置檢測(cè)儀，做到全面防范無(wú)死角，實(shí)時(shí)掌握糧食的安全狀況，防患于未然。