一種基於介電參數的穀物含水率在線裝置的製作方法

2023-09-13 13:28:05 1

本實用新型涉及一種基於介電參數的穀物含水率在線裝置，屬於穀物水分在線測量技術領域。

(二)

背景技術：

穀物含水率是穀物品質評價的重要指標之一，穀物含水率的檢測對穀物收購、加工等都具有十分重要的意義。穀物含水率過高，容易引起穀物發熱、黴變等，不利於貯藏與流通。而穀物含水率過低則會影響穀物品質，降低穀物種子的發芽率。穀物含水率在線檢測是優化穀物乾燥過程控制，提高穀物乾燥品質的瓶頸問題之一。

穀物含水率的檢測方法可分為直接法和間接法兩類，直接法是通過乾燥方法或化學方法直接測量穀物中的絕對水分含量，檢測精度高，但費時，且對操作條件有要求，不適合在線及現場測量，現作為穀物含水率檢測標準的烘箱法即為直接法。間接法是通過檢測與水分含量有關的物理量(電導率、介電常數等)，間接測定穀物含水率，可滿足在線及現場測量要求，如電阻法、電容法、近紅外法、微波法以及中子法等。電阻法是利用穀物水分含量不同，其電導率不同的原理，通過檢測破碎穀物電阻值的變化來間接測量穀物含水率，電阻法設備成本較低且容易實現在線測量，但是穩定性較難滿足要求，且對環境的適應性較差。近紅外線法是通過測量近紅外線投射及反射的能量差來進行穀物含水率的測量。微波法是利用水對微波能量的吸收和反射原理，通過測量微波信號的相位和幅值變化進行含水率的檢測。紅外法和微波法測量精度高、重複性好，但易受穀物密度、厚度等影響，且檢測設備複雜，價格較高。中子法是利用水分子裡的氫原子對快中子的減速原理進行穀物含水率測量，中子法無需破壞穀物結構，能夠測量冰凍狀態的穀物水分，但易受穀物密度、外形等因素的影響，且標定及維護較為複雜，難以推廣。電容法是根據穀物水分含量不同導致其介電常數不同的原理，即通過測量電容間接測量穀物含水率，現國內外電容式穀物水分檢測儀多採用同時測量穀物電容值、穀物溫度值以及穀物重量來計算穀物含水率，但穀物重量的稱量限制了其在線連續測量方面的應用，且常規電容法未考慮介電損耗對測量結果的影響。

測量電極間填充物質為穀物與空氣，即為穀物乾物質、水與空氣的混合。其介電參數測量值(介電常數和介電損耗)與穀物含水率、穀物容積密度以及溫度有關，因此採用測量穀物介電參數的方法檢測穀物含水率需進行穀物容積密度及溫度修正。

不同品種穀物籽粒大小及表面摩擦力差異、同一品種不同含水率穀物籽粒大小及表面摩擦力差異以及穀物堆積或流動狀態的差異都會引起電極容腔內穀物孔隙率即容積密度的變化，而通過測量穀物介電參數(介電常數和介電損耗)的方法進行穀物含水率的檢測需要對穀物(同一品種相同含水率)堆積或流動狀態不同所造成容積密度波動進行修正。

靜態測量時靜止穀物容積密度波動可通過統一充料方式(如固定體積穀物自由落體充料)及稱量穀物重量來修正，但靜態測量實時性較差且複雜工況下在線稱量穀物重量難度較大，很難實現真正的含水率在線實時測量；動態測量時流動穀物容積密度波動除通過控制電極容腔內穀物流均勻穩定加以限制外同樣很難通過實時測量電極容腔內穀物重量進行進一步修正。

穀物介電參數測量電極主要包括平行板電極與平面板電極等，其中平面板電極間為開放電場，易受外界電磁場幹擾，不適合應用於穀物含水率在線檢測實際工況。而平行板電極受邊緣效應影響相對較大，且穀物在平行板電極間流動性較差，限制了其在穀物含水率在線檢測方面的應用。

穀物含水率在線檢測還應考慮環境溼度、粉塵及電磁幹擾等實際工況條件影響。

(三)

技術實現要素：

為了解決上述問題，本實用新型提供了一種基於介電參數的穀物含水率在線裝置；本實用新型能夠適應高粉塵、高溼度及電磁幹擾等複雜工況，通過測量穀物介電常數及介電損耗實現流動穀物含水率的在線實時檢測，並可在適用範圍內修正電極容腔內穀物容積密度波動引起的測量誤差。

本實用新型所採用的技術方案是：

一種基於介電參數的穀物含水率在線裝置，包括同軸圓柱式介電參數測量傳感器及測控器；所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器包括由內向外依次同軸多層嵌套安裝的內電極組件、外電極、聚四氟乙烯絕緣層、屏蔽層和聚四氟乙烯保護層；所述內電極組件由半徑相同的內電極、兩個絕緣墊片和兩個等位環電極組成；內電極兩端經一個絕緣墊片電氣絕緣後分別與一個等位環電極等電位連接，以消除邊緣效應影響；所述外電極與內電極組件同軸放置，外電極長度與內電極組件的長度(即內電極、兩個絕緣墊片和兩個等位環電極的長度之和)相等；內電極組件與外電極之間設有空隙構成圓柱式電極容腔即介電參數測量電場；所述測控器通過雙層屏蔽同軸電纜與同軸圓柱式介電參數測量傳感器實現電氣連接，對同軸圓柱式電極容腔內穀物的介電參數進行測量；屏蔽層下端接地，屏蔽層長度略大於外電極長度，以屏蔽外界對介電參數測量電場的電磁幹擾；屏蔽層與外電極之間設置聚四氟乙烯絕緣層，以實現電氣絕緣；所述聚四氟乙烯保護層對同軸圓柱式介電參數測量傳感器內部進行防溼、防塵保護。所述同軸圓柱式介電參數傳感器頂部和底部均設有安裝法蘭盤；安裝法蘭盤用於將同軸圓柱式介電參數傳感器安裝在穀物烘乾機上，以確保穀物含水率測量的實時性及準確性。

所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器內部穀物流動通道分為上部緩衝段、圓柱式電極容腔和下部緩衝段；所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器進料口至外電極上邊緣為上部緩衝段，外電極上邊緣至外電極下邊緣為圓柱式電極容腔，外電極下邊緣至同軸圓柱式介電參數測量傳感器出料口為下部緩衝段，上部緩衝段及下部緩衝段能提高圓柱式電極容腔內穀物流的均勻度和穩定性。

所述聚四氟乙烯立柱由通過螺紋上下連接在一起的聚四氟乙烯上立柱和聚四氟乙烯下立柱組成；所述聚四氟乙烯下立柱下端通過螺紋連接安裝在聚四氟乙烯屏蔽層底座橫梁上，起固定支撐作用；內電極組件嵌套於聚四氟乙烯立柱外表面，內電極組件外表面和聚四氟乙烯上立柱外表面平齊；外電極嵌套於聚四氟乙烯絕緣層內表面，外電極內表面和絕緣層內表面平齊；聚四氟乙烯絕緣層分為絕緣層底座和絕緣層上蓋，以方便外電極和屏蔽層的安裝；屏蔽層嵌套於聚四氟乙烯絕緣層外表面，屏蔽層和聚四氟乙烯絕緣層外表面平齊；聚四氟乙烯保護層環套於聚四氟依稀絕緣層外，對內部起保護作用。內電極組件、外電極、屏蔽層和聚四氟乙烯保護層均為直徑不同的圓管狀結構。

所述下部緩衝段安裝有與測控器相連接的溫度傳感器，用於測量穀物溫度。

所述雙層屏蔽同軸電纜採用等電位及接地雙重屏蔽，實現信號抗幹擾傳輸；所述雙層屏蔽同軸電纜由內向外依次設置的信號內芯、內絕緣層、內屏蔽層、外絕緣層、外屏蔽層以及保護層組成，其信號內芯與內屏蔽層等電位連接，外屏蔽層接地，實現信號抗幹擾傳輸。

使用時，同軸圓柱式介電參數測量傳感器作為穀物流通通道利用頂部安裝法蘭盤和底部安裝法蘭盤安裝於穀物烘乾機適宜處(如連續式穀物烘乾機排糧口處及循環式穀物烘乾機循環進糧口處)，流速與穀物烘乾機排糧速度保持一致的均勻穩定穀物流由同軸圓柱式介電參數測量傳感器進料口流入，流經電極容腔後由同軸圓柱式介電參數測量傳感器出料口流出，測控器實時測量電極容腔內穀物的介電常數ε'、介電損耗ε」以及穀物溫度值T，進而實現流動穀物含水率的在線實時測量。

與現有技術相比較，本實用新型具有以下優點及有益效果：

1、本實用新型通過測量同軸圓柱式電極容腔內流動穀物介電常數ε'、介電損耗ε」以及溫度T計算穀物含水率，並通過容積密度修正式在適用範圍內修正電極容腔內穀物容積密度波動引起的測量誤差，提高測量精度，實現流動穀物含水率的在線實時測量；

2、本實用新型利用等位環、雙層屏蔽信號傳輸及電極容腔靜電屏蔽等技術提高抗幹擾能力，減小測量誤差，同時利用聚四氟乙烯保護層對同軸圓柱式介電參數測量傳感器內部進行防溼、防塵保護，可適應穀物烘乾現場高粉塵、高溼度以及高電磁幹擾的複雜工況。

(四)附圖說明

圖1為本實用新型所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器剖視圖(聚四氟乙烯絕緣層底座橫梁軸向)；

圖2為圖1中所標I處細節示意圖；

圖3為圖1中所標II處細節示意圖；

圖4為圖1中所標III處細節示意圖；

圖5為圖1中所標IV處細節示意圖；

圖6為本實用新型所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器剖視圖(聚四氟乙烯絕緣層底座橫梁垂直方向)；

圖7為本實用新型所述聚四氟乙烯絕緣層上蓋與外電極、屏蔽層裝配剖視圖；

圖8為圖7中所標Ⅰ處細節示意圖

圖9為本實用新型所述聚四氟乙烯絕緣層底座與外電極、屏蔽層裝配剖視圖；

圖10為圖9中所標Ⅰ處細節示意圖

圖11為本實用新型所述聚四氟乙烯立柱與內電極組件裝配剖視圖；

圖12為圖11中所標Ⅰ處細節示意圖；

圖13為圖11中所標Ⅱ處細節示意圖；

圖14為圖11中所標Ⅲ處細節示意圖；

圖15為圖11中所標Ⅳ處細節示意圖；

圖中：1.聚四氟乙烯絕緣層，2.聚四氟乙烯立柱，3.外電極，4.屏蔽層，5.內電極組件，6.聚四氟乙烯保護層，7.溫度傳感器，8.等位環電極，9.絕緣墊片，10.內電極，11.進料口，12.出料口，13.橫梁，14.頂部安裝法蘭盤，15.上部緩衝段，16.電極容腔，17.下部緩衝段，18.底部安裝法蘭盤，19.聚四氟乙烯絕緣層上蓋，20.聚四氟乙烯絕緣層底座，21.聚四氟乙烯上立柱，22.聚四氟乙烯下立柱。

(五)具體實施方式

實施例1：附圖為本實用新型的一個實施例，但不用來限制本實用新型的範圍，下面結合附圖介紹本實用新型的具體實施方法。

如圖1～15所示，本實施例所述基於介電參數的穀物含水率在線測量裝置，包括同軸圓柱式介電參數測量傳感器及測控器，所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器為同軸多層嵌套結構，由內電極組件、外電極、聚四氟乙烯立柱、聚四氟乙烯絕緣層、屏蔽層、聚四氟乙烯保護層組成，所述內電極組件由內電極、兩個絕緣墊片與兩個等位環電極組成，內電極兩端經絕緣墊片電氣絕緣後分別與一個等位環電極等電位連接，消除邊緣效應影響，內電極、絕緣墊片與等位環電極半徑相同且均環套於聚四氟乙烯立柱外表面；所述外電極嵌於聚四氟乙烯絕緣層內表面上，外電極內表面與聚四氟乙烯內絕緣層內表面平齊，外電極與內電極組件同軸放置，外電極長度與內電極、絕緣墊片及等位環電極長度之和相等；內電極與外電極之間構成圓柱形電極容腔即介電參數測量電場，測控器(測控器可以由現有市購件自行組裝設計完成，屬於測量模塊，依據現有技術可以實現，其可進行穀物介電常數ε'、穀物介電損耗ε」以及穀物溫度T的測量，進而實現穀物含水率的測量)將激勵信號經雙層屏蔽同軸電纜加載於內電極與外電極，即對同軸圓柱式電極容腔內穀物的介電參數進行測量；所述屏蔽層嵌於聚四氟乙烯絕緣層外表面，屏蔽層外表面與聚四氟乙烯絕緣層外表面平齊，其與外電極同軸放置且接地，屏蔽層長度略大於外電極長度，以屏蔽外界對介電參數測量電場的電磁幹擾；所述聚四氟乙烯絕緣層由聚四氟乙烯絕緣層底座和聚四氟乙烯絕緣層上蓋組成，聚四氟乙烯屏蔽層底座出口處保留有聚四氟乙烯立柱安裝橫梁，聚四氟乙烯絕緣層底座和聚四氟乙烯絕緣層上蓋均設計有安裝法蘭盤，便於進行安裝；所述聚四氟乙烯立柱由通過螺紋連接的聚四氟乙烯上立柱與聚四氟乙烯下立柱組成，所述聚四氟乙烯下立柱通過螺紋安裝在聚四氟乙烯屏蔽層底座橫梁上，起固定支撐作用，並確保聚四氟乙烯立柱與聚四氟乙烯絕緣層的同軸裝配；所述聚四氟乙烯上立柱環套有內電極、絕緣墊片與等位環電極，上立柱內部有鏤空，方便布置內電極及等位環電極傳輸信號線，上立柱頂部設計有錐形的尖端料鍾，穀物自上而下流動的時起到均勻分布作用，用以增加電極容腔內穀物流的均勻度；所述聚四氟乙烯保護層環套於聚四氟乙烯絕緣層及屏蔽層外部，對同軸圓柱式介電參數測量傳感器內部進行防溼、防塵保護。所述同軸圓柱式介電參數傳感器作為穀物流動通道安裝於適宜處(穀物流均勻穩定，流速與主體設備保持一致)，以確保穀物含水率測量的實時性及準確性。

所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器進料口至外電極上邊緣為上部緩衝段，外電極上邊緣至外電極下邊緣為中部測量工作段，外電極下邊緣至同軸圓柱式介電參數測量傳感器出料口為下部緩衝段，上部緩衝段及下部緩衝段作用為提高電極容腔內穀物流的均勻度和穩定性。

所述下部緩衝段安裝有與測控器相連接的溫度傳感器，用於測量穀物溫度。

所述雙層屏蔽同軸電纜由信號內芯、內絕緣層、內屏蔽層、外絕緣層、外屏蔽層以及保護層組成，信號內芯與內屏蔽層等電位連接，外屏蔽層接地，實現信號抗幹擾傳輸。

在本實用新型中，所述同軸圓柱式介電參數測量傳感器內部為圓柱形，直上直下，但是內電極組件為嵌套於立柱上，內電極外表面和立柱外表面平齊，外電極為嵌套於聚四氟乙烯絕緣層，外電極內表面和聚四氟乙烯內表面平齊；聚四氟乙烯立柱和聚四氟乙烯絕緣層的長度要大於內電極組件和外電極的長度，即傳感器內部空腔自上而下也就是穀物流通通道可以分為三段，從傳感器進料口至外電極上邊緣，此段空腔兩側均為聚四氟乙烯材質，是非介電參數測量區域，為上部緩衝段；外電極上邊緣至外電極下邊緣，此段空腔兩側為金屬材質的內外電極，即介電參數測量區域，為電極容腔；外電極下邊緣至傳感器出料口，此段空腔兩側為聚四氟乙烯材質，也是非介電參數測量區域，為下部緩衝段，上部緩衝段及下部緩衝段能提高圓柱式電極容腔內穀物流的均勻度和穩定性。

使用時，穀物自上而下流經同軸圓柱式介電參數測量傳感器，測控器連續採集同軸圓柱式電極容腔內流動穀物的介電常數ε'(測量頻率範圍f＝0.3～300MHz)、介電損耗ε」(測量頻率範圍f＝0.3～300MHz)以及溫度值T，將容積密度修正式代入預先標定的回歸公式並利用溫度值T進行溫度校正，實現流動穀物含水率的在線實時測量。

所述預先標定的回歸公式如下：

式中：M為穀物含水率(％)，ε'為穀物介電常數，ε」為穀物介電損耗，A和B容積密度修正式係數，為標定回歸公式，T為穀物溫度，f為測量頻率。

利用本實用新型所測含水率與烘箱法測量標準含水率絕對誤差最大值不超過0.5％，且有效修正了容積密度波動引起的測量誤差，能夠滿足現場應用要求。

本實用新型通過測量穀物介電常數及介電損耗實現流動穀物含水率的在線實時測量，具有較高的測量精度和穩定性，並可在適用範圍內修正電極容腔內穀物容積密度波動引起的測量誤差，且能夠適應穀物烘乾現場高粉塵、高溼度及電磁幹擾等複雜工況。