电容式粮食水分检测技术的探讨与研究

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摘 要：本文阐述了粮食水分检测的重要性，介绍了电容式粮食水分检测技术的原理、特点及检测方法。在对2种检测方法综合分析的基础上指出了现有电容式粮食水分仪存在的问题，提出了电容式粮食水分检测技术的发展方向。

关键词：粮食水分；电容式；发展趋势

中图分类号：TS211.41 文献标识码：A

前言

粮食是人类赖以生存的物质基础，其质量的好坏是关系到国计民生的大事[1]。在运输和储藏过程中，粮食的含水率是影响其质量的一个非常重要的指标。粮食中的水分按物理性质可分为游离水（自由水）和结合水（结晶水）。游离水是通过物理吸附作用凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分；结合水是通过化学作用吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的水分。游离水具有普通水的一般性质，其对粮食的质量有着重要的影响，粮食的含水率就是指游离水占粮食重量的百分比[2]。

粮食刚收获时一般内部都含有较高的水分，高含水率会促使粮食生命活动旺盛，容易造成粮食发热、霉变、生虫和其他的生化反应。为了确保粮食的安全储藏，必须对收获后的粮食进行及时干燥，将其含水率降至安全储藏标准[3-4]。因此，粮食水分检测技术在粮食干燥过程中显得尤为重要。

1 粮食水分的检测方法

粮食水分的检测方法主要有直接法和间接法。直接法通过对粮食进行加热干燥后直接测量其水分的含量。这种检测方法是一种基准法，测量时不会改变样品的性质，但它是一种间歇式的测量方法，一般需要较长的测量周期，根据所使用的方法不同，测量时间大约需要十几分钟到几个小时不等，不能实现对粮食水分含量的连续测量。间接法是通过测量与水分含量变化相关的物理量从而得到粮食的水分含量，因此容易实现水分的在线测量。间接法包括化学法、电导法、电容法、中子法、微波法、光学法等[5]。其中，电容法具有结构简单、分辨率高、动态响应快以及价格便宜等特点，但其受外界影响的因素较多，数据处理也相对复杂。

2 电容式粮食水分传感器及原理

电容式粮食水分传感器是依据电容法为基础设计的，其原理是：在常温下，干燥粮食的介电常数为2～4，而水的介电常数约为80。粮食干质的介电常数远远小于水的介电常数。当电容式水分传感器以粮食作为极间介质时，粮食含水率的变化必将引起其介电常数的相对变化，在电容器极板面积和极板间距不变的条件下，可以通过测量此电容器的电容值变化来测定粮食的相对介电常数值，由此得出被测粮食的含水率[6]。

目前，常见的电容式粮食水分传感器的极板结构主要有2 种型式：圆筒型和平行极板型[7]。

2.1 圆筒式电容传感器

圆筒式电容传感器一般是把传感器的电容极板制作成同心轴圆柱形，即类似量筒或量杯的形状，2块圆形极板的中空部分是粮食的采样区域。

圆筒式电容传感器的极板结构如图1所示。

图中圆筒式电容传感器的高为L，内极板为半径为r，外极板半径为R，当L>>R-r时，可忽略圆柱的边缘效应。当2极板分别带有电荷+q和-q时，电荷均匀的分布在两极板的表面上，则圆柱每单位长度的所带电荷量绝对值为λ（λ=q/L）。由于电容传感器两极板具有轴对称性，那么两极板间离圆柱轴线距离为s处的电场强度E为：

其中，为真空介电常数。

两极板间的电势差ΔU为：

则圆筒式传感器的电容为：

当电容传感器两极间放入介电常数为的被测样品时，其相对介电常数为：

极板电容值则变为：

由上式可以看出，当粮食内部的含水量变化时，其相对介电常数也会相应改变，从而导致电容传感器的输出电容值发生变化。因此，可以通过测量电容传感器的电容值来得出被测粮食的含水率。这就是圆筒式电容传感器测量粮食含水率的工作原理。

圆筒式电容传感器在使用时一般需要垂直接入或嵌入到干燥机的粮食流道中[8]，其占用了较大的高度空间，不适用于低矮体积小的干燥机。此外，圆筒式电容传感器内部的间断启闭采样装置常有堵塞或机械故障等问题的发生，需要工作人员停机给予维修。

2.2 平行极板式电容传感器

平行极板式电容传感器是由2块相对的平行极板构成的，2块平行极板中间的部分是粮食的采样区域。

平行极板式电容传感器的结构如图2所示。

其极板的电容计算公式为：

式中，为真空介电常数，为被测物料的相对介电常数，A为电容极板的面积（），D为两极板间的距离。

当2块电容极板间充满被测粮食时，其内部空间可以抽象成是由粮食的干质、粮食中的水分和粮食颗粒孔隙中的空气3者所组成的。设3者的介电常数分别为、、。则此时电容传感器的电容值C为[9]：

式中，，e为两极间粮食的孔隙比，为粮食干质的容重，M为被测粮食的含水率。

上式给出了电容传感器电容值与其影响因素之间的关系，只要确定了相关的影响因素，就可以用所测极板电容值来反应被测粮食的水分含量。

将平行极板式电容传感器应用在粮食干燥装置上进行在线测量粮食水分时，需要粮食从极板间流过，这样会导致安装十分困难。且为了提高传感器的灵敏度，通常需要加大极板相对面积来实现传感器的初始电容值的增加，因此，在用于对传感器体积有特殊要求的场合时则受到了一定的限制。如果用减小传感器极板间距的方法来保证灵敏度，则传感器的量程又会受到直接限制[10]。

3 电容检测技术的发展趋势

目前，根据不同的水分检测技术而生产出来的水分仪种类有很多，它们按市场的不同需求被应用在各种场合中。电容检测技术作为众多检测方法之一，以其诸多优点被广泛应用。研究人员也针对电容式传感器的影响因素提出了很多解决方法。例如，将平行极板式电容传感器的2块极板置于同一平面上，成为了平板式电容传感器，减小了安装难度。给电容器加装排粮轮来减小被测粮食紧实度变化对测量结果造成的影响等。但电容式水分传感器领域仍有很大的研究空间。提高检测精度和在线检测的稳定性等难题，还需要研究人员深入探索加以解决。

参考文献

[1] 林国栋.粮食水分在线检测控制系统的研究[D].辽宁：沈阳工业大学，2003.

[2] 单成祥.传感器的理论与设计基础及应用[M].北京：国防工业出版社，1999.

[3] 张永林，王旺平，郑长征，等.谷物干燥实时在线智能水分测量系统[J].农业工程学报，2007，23（09）：137-140.

[4] 李振涛，张阳，张丽梅.谷物类粮食水分自控系统的研制[J].沈阳师范大学学报，2008，26（01）：79-81.

[5] 丁元明，张学东，王雪.粮食水分测量技术概况[J].分析仪器，1997（02）：5-8.

[6] 蔡利民，孔力.圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析[J].分析仪器，2009（01）：49-52.

[7] 杨荣辉.电容式粮食水分仪的研究[D].沈阳：沈阳工业大学信息科学与工程学院，2003.

[8] 程卫东，柏雪源，王相友，等.干燥过程中谷物水分在线测量系统[J].农业机械学报，2000，31（02）：53-55.

[9] 李庆中，高玉根，张道林，等.谷物含水率在线测试系统的研究[J].农业机械学报，1995，26（03）：80-84.

[10] 杨柳，毛志怀，董兰兰.电容式谷物水分传感器平面探头的研制[J].农业工程学报，2010，26（02）：185-189.

作者简介：孙耀强（1985-），男，吉林长春人，吉林农业大学研究生。研究方向：电容式粮食水分在线检测系统。