专利摘要
本发明涉及一种基于介电参数的谷物含水率在线装置及其测量方法；包括同轴圆柱式介电参数测量传感器及测控器；同轴圆柱式介电参数测量传感器包括由内向外依次同轴多层嵌套安装的内电极组件、外电极、聚四氟乙烯绝缘层、屏蔽层和聚四氟乙烯保护层；测控器通过双层屏蔽同轴电缆与同轴圆柱式介电参数测量传感器实现电气连接；本发明通过测量同轴圆柱式电极容腔内流动谷物介电常数ε'、介电损耗ε″以及温度T计算谷物含水率，并通过容积密度修正式在适用范围内修正电极容腔内谷物容积密度波动引起的测量误差，提高测量精度，实现流动谷物含水率的在线实时测量。
权利要求
1.一种基于介电参数的谷物含水率在线装置，其特征在于：包括同轴圆柱式介电参数测量传感器及测控器；所述同轴圆柱式介电参数测量传感器包括由内向外依次同轴多层嵌套安装的内电极组件、外电极、聚四氟乙烯绝缘层、屏蔽层和聚四氟乙烯保护层；所述内电极组件由半径相同的内电极、两个绝缘垫片和两个等位环电极组成；内电极两端经一个绝缘垫片电气绝缘后分别与一个等位环电极等电位连接，以消除边缘效应影响；所述外电极与内电极组件同轴放置，外电极长度与内电极组件的长度相等；内电极组件与外电极之间设有空隙构成圆柱式电极容腔，即介电参数测量电场；所述测控器通过双层屏蔽同轴电缆与同轴圆柱式介电参数测量传感器实现电气连接，对同轴圆柱式电极容腔内谷物的介电参数进行测量；屏蔽层下端接地，屏蔽层长度略大于外电极长度，以屏蔽外界对介电参数测量电场的电磁干扰；屏蔽层与外电极之间设置聚四氟乙烯绝缘层，以实现电气绝缘；所述聚四氟乙烯保护层对同轴圆柱式介电参数测量传感器内部进行防湿、防尘保护；所述同轴圆柱式介电参数测量传感器顶部和底部均设有安装法兰盘；安装法兰盘用于将同轴圆柱式介电参数测量传感器安装在谷物烘干机上，以确保谷物含水率测量的实时性及准确性；
所述同轴圆柱式介电参数测量传感器内部谷物流动通道分为上部缓冲段、所述圆柱式电极容腔和下部缓冲段；所述同轴圆柱式介电参数测量传感器进料口至外电极上边缘为上部缓冲段，外电极上边缘至外电极下边缘为圆柱式电极容腔，外电极下边缘至同轴圆柱式介电参数测量传感器出料口为下部缓冲段，上部缓冲段及下部缓冲段能提高圆柱式电极容腔内谷物流的均匀度和稳定性；
聚四氟乙烯立柱由通过螺纹上下连接在一起的聚四氟乙烯上立柱和聚四氟乙烯下立柱组成；所述聚四氟乙烯下立柱下端通过螺纹连接安装在屏蔽层底座横梁上，起固定支撑作用；内电极组件嵌套于聚四氟乙烯立柱外表面，内电极组件外表面和聚四氟乙烯上立柱外表面平齐；外电极嵌套于聚四氟乙烯绝缘层内表面，外电极内表面和绝缘层内表面平齐；聚四氟乙烯绝缘层分为绝缘层底座和绝缘层上盖，以方便外电极和屏蔽层的安装；屏蔽层嵌套于聚四氟乙烯绝缘层外表面，屏蔽层和聚四氟乙烯绝缘层外表面平齐；聚四氟乙烯保护层环套于聚四氟乙烯绝缘层外，对内部起保护作用；内电极组件、外电极、屏蔽层和聚四氟乙烯保护层均为直径不同的圆管状结构；
所述下部缓冲段安装有与测控器相连接的温度传感器，用于测量谷物温度；
所述双层屏蔽同轴电缆采用等电位及接地双重屏蔽，实现信号抗干扰传输；所述双层屏蔽同轴电缆由由内向外依次设置的信号内芯、内绝缘层、内屏蔽层、外绝缘层、外屏蔽层以及保护层组成，其信号内芯与内屏蔽层等电位连接，外屏蔽层接地，实现信号抗干扰传输。
2.如权利要求1所述的一种基于介电参数的谷物含水率在线装置的测量方法，其特征在于步骤如下：
当谷物自上而下流经同轴圆柱式介电参数测量传感器，温度传感器测得谷物温度T；测控器连续采集圆柱式电极容腔内流动谷物的介电常数
所述预先标定的回归公式如下：
M=F(
式中：M 为谷物含水率，
所述
说明书
(一)技术领域
本发明涉及一种基于介电参数的谷物含水率在线装置及其测量方法，属于谷物水分在线测量技术领域。
(二)背景技术
谷物含水率是谷物品质评价的重要指标之一，谷物含水率的检测对谷物收购、加工等都具有十分重要的意义。谷物含水率过高，容易引起谷物发热、霉变等，不利于贮藏与流通。而谷物含水率过低则会影响谷物品质，降低谷物种子的发芽率。谷物含水率在线检测是优化谷物干燥过程控制，提高谷物干燥品质的瓶颈问题之一。
谷物含水率的检测方法可分为直接法和间接法两类，直接法是通过干燥方法或化学方法直接测量谷物中的绝对水分含量，检测精度高，但费时，且对操作条件有要求，不适合在线及现场测量，现作为谷物含水率检测标准的烘箱法即为直接法。间接法是通过检测与水分含量有关的物理量(电导率、介电常数等)，间接测定谷物含水率，可满足在线及现场测量要求，如电阻法、电容法、近红外法、微波法以及中子法等。电阻法是利用谷物水分含量不同，其电导率不同的原理，通过检测破碎谷物电阻值的变化来间接测量谷物含水率，电阻法设备成本较低且容易实现在线测量，但是稳定性较难满足要求，且对环境的适应性较差。近红外线法是通过测量近红外线投射及反射的能量差来进行谷物含水率的测量。微波法是利用水对微波能量的吸收和反射原理，通过测量微波信号的相位和幅值变化进行含水率的检测。红外法和微波法测量精度高、重复性好，但易受谷物密度、厚度等影响，且检测设备复杂，价格较高。中子法是利用水分子里的氢原子对快中子的减速原理进行谷物含水率测量，中子法无需破坏谷物结构，能够测量冰冻状态的谷物水分，但易受谷物密度、外形等因素的影响，且标定及维护较为复杂，难以推广。电容法是根据谷物水分含量不同导致其介电常数不同的原理，即通过测量电容间接测量谷物含水率，现国内外电容式谷物水分检测仪多采用同时测量谷物电容值、谷物温度值以及谷物重量来计算谷物含水率，但谷物重量的称量限制了其在线连续测量方面的应用，且常规电容法未考虑介电损耗对测量结果的影响。
测量电极间填充物质为谷物与空气，即为谷物干物质、水与空气的混合。其介电参数测量值(介电常数和介电损耗)与谷物含水率、谷物容积密度以及温度有关，因此采用测量谷物介电参数的方法检测谷物含水率需进行谷物容积密度及温度修正。
不同品种谷物籽粒大小及表面摩擦力差异、同一品种不同含水率谷物籽粒大小及表面摩擦力差异以及谷物堆积或流动状态的差异都会引起电极容腔内谷物孔隙率即容积密度的变化，而通过测量谷物介电参数(介电常数和介电损耗)的方法进行谷物含水率的检测需要对谷物(同一品种相同含水率)堆积或流动状态不同所造成容积密度波动进行修正。
静态测量时静止谷物容积密度波动可通过统一充料方式(如固定体积谷物自由落体充料)及称量谷物重量来修正，但静态测量实时性较差且复杂工况下在线称量谷物重量难度较大，很难实现真正的含水率在线实时测量；动态测量时流动谷物容积密度波动除通过控制电极容腔内谷物流均匀稳定加以限制外同样很难通过实时测量电极容腔内谷物重量进行进一步修正。
谷物介电参数测量电极主要包括平行板电极与平面板电极等，其中平面板电极间为开放电场，易受外界电磁场干扰，不适合应用于谷物含水率在线检测实际工况。而平行板电极受边缘效应影响相对较大，且谷物在平行板电极间流动性较差，限制了其在谷物含水率在线检测方面的应用。
谷物含水率在线检测还应考虑环境湿度、粉尘及电磁干扰等实际工况条件影响。
(三)发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于介电参数的谷物含水率在线装置及其测量方法；本发明能够适应高粉尘、高湿度及电磁干扰等复杂工况，通过测量谷物介电常数及介电损耗实现流动谷物含水率的在线实时检测，并可在适用范围内修正电极容腔内谷物容积密度波动引起的测量误差。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于介电参数的谷物含水率在线装置，包括同轴圆柱式介电参数测量传感器及测控器；所述同轴圆柱式介电参数测量传感器包括由内向外依次同轴多层嵌套安装的内电极组件、外电极、聚四氟乙烯绝缘层、屏蔽层和聚四氟乙烯保护层；所述内电极组件由半径相同的内电极、两个绝缘垫片和两个等位环电极组成；内电极两端经一个绝缘垫片电气绝缘后分别与一个等位环电极等电位连接，以消除边缘效应影响；所述外电极与内电极组件同轴放置，外电极长度与内电极组件的长度(即内电极、两个绝缘垫片和两个等位环电极的长度之和)相等；内电极组件与外电极之间设有空隙构成圆柱式电极容腔即介电参数测量电场；所述测控器通过双层屏蔽同轴电缆与同轴圆柱式介电参数测量传感器实现电气连接，对同轴圆柱式电极容腔内谷物的介电参数进行测量；屏蔽层下端接地，屏蔽层长度略大于外电极长度，以屏蔽外界对介电参数测量电场的电磁干扰；屏蔽层与外电极之间设置聚四氟乙烯绝缘层，以实现电气绝缘；所述聚四氟乙烯保护层对同轴圆柱式介电参数测量传感器内部进行防湿、防尘保护。所述同轴圆柱式介电参数传感器顶部和底部均设有安装法兰盘；安装法兰盘用于将同轴圆柱式介电参数传感器安装在谷物烘干机上，以确保谷物含水率测量的实时性及准确性。
所述同轴圆柱式介电参数测量传感器内部谷物流动通道分为上部缓冲段、圆柱式电极容腔和下部缓冲段；所述同轴圆柱式介电参数测量传感器进料口至外电极上边缘为上部缓冲段，外电极上边缘至外电极下边缘为圆柱式电极容腔，外电极下边缘至同轴圆柱式介电参数测量传感器出料口为下部缓冲段，上部缓冲段及下部缓冲段能提高圆柱式电极容腔内谷物流的均匀度和稳定性。
所述聚四氟乙烯立柱由通过螺纹上下连接在一起的聚四氟乙烯上立柱和聚四氟乙烯下立柱组成；所述聚四氟乙烯下立柱下端通过螺纹连接安装在聚四氟乙烯屏蔽层底座横梁上，起固定支撑作用；内电极组件嵌套于聚四氟乙烯立柱外表面，内电极组件外表面和聚四氟乙烯上立柱外表面平齐；外电极嵌套于聚四氟乙烯绝缘层内表面，外电极内表面和绝缘层内表面平齐；聚四氟乙烯绝缘层分为绝缘层底座和绝缘层上盖，以方便外电极和屏蔽层的安装；屏蔽层嵌套于聚四氟乙烯绝缘层外表面，屏蔽层和聚四氟乙烯绝缘层外表面平齐；聚四氟乙烯保护层环套于聚四氟依稀绝缘层外，对内部起保护作用。内电极组件、外电极、屏蔽层和聚四氟乙烯保护层均为直径不同的圆管状结构。
所述下部缓冲段安装有与测控器相连接的温度传感器，用于测量谷物温度。
所述双层屏蔽同轴电缆采用等电位及接地双重屏蔽，实现信号抗干扰传输；所述双层屏蔽同轴电缆由内向外依次设置的信号内芯、内绝缘层、内屏蔽层、外绝缘层、外屏蔽层以及保护层组成，其信号内芯与内屏蔽层等电位连接，外屏蔽层接地，实现信号抗干扰传输。
使用时，同轴圆柱式介电参数测量传感器作为谷物流通通道利用顶部安装法兰盘和底部安装法兰盘安装于谷物烘干机适宜处(如连续式谷物烘干机排粮口处及循环式谷物烘干机循环进粮口处)，流速与谷物烘干机排粮速度保持一致的均匀稳定谷物流由同轴圆柱式介电参数测量传感器进料口流入，流经电极容腔后由同轴圆柱式介电参数测量传感器出料口流出，测控器实时测量电极容腔内谷物的介电常数ε'、介电损耗ε”以及谷物温度值T，进而实现流动谷物含水率的在线实时测量。
本发明还提供了一种基于介电参数的谷物含水率在线测量方法，当谷物自上而下流经同轴圆柱式介电参数测量传感器，温度传感器测得谷物温度T；测控器连续采集圆柱式电极容腔内流动谷物的介电常数ε'(测量频率范围f＝0.3～300MHz)、介电损耗ε”(测量频率范围f＝0.3～300MHz)以及温度值T，将容积密度修正式 代入预先标定的回归公式并利用温度值T进行温度校正，实现流动谷物含水率的在线实时测量。
所述预先标定的回归公式如下：
式中：M为谷物含水率(％)，ε'为谷物介电常数，ε”为谷物介电损耗，A和B为容积密度修正式系数， 为标定回归公式，T为谷物温度，f为测量频率。
所述ε'、ε”、A和B、f可以通过测控器获得，其中ε'、ε”为测控器测量值，A和B、f是测控器内部程序预设值需要人为设置。A和B、f可通过前期所做的标定试验得出的固定值，然后人为设置输入到测控器，测控器根据A和B、f这些固定值和测量得到的ε'、ε”实现谷物含水率的测量。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明通过测量同轴圆柱式电极容腔内流动谷物介电常数ε'、介电损耗ε”以及温度T计算谷物含水率，并通过容积密度修正式 在适用范围内修正电极容腔内谷物容积密度波动引起的测量误差，提高测量精度，实现流动谷物含水率的在线实时测量；
2、本发明利用等位环、双层屏蔽信号传输及电极容腔静电屏蔽等技术提高抗干扰能力，减小测量误差，同时利用聚四氟乙烯保护层对同轴圆柱式介电参数测量传感器内部进行防湿、防尘保护，可适应谷物烘干现场高粉尘、高湿度以及高电磁干扰的复杂工况。
(四)附图说明
图1为本发明所述基于介电参数的谷物含水率在线测量方法的工作流程图；
图2为本发明所述同轴圆柱式介电参数测量传感器剖视图(聚四氟乙烯绝缘层底座横梁轴向)；
图3为本发明所述同轴圆柱式介电参数测量传感器剖视图(聚四氟乙烯绝缘层底座横梁垂直方向)；
图4为本发明所述聚四氟乙烯绝缘层上盖与外电极、屏蔽层装配剖视图；
图5为本发明所述聚四氟乙烯绝缘层底座与外电极、屏蔽层装配剖视图；
图6为本发明所述聚四氟乙烯立柱与内电极组件装配剖视图；
图中：1.聚四氟乙烯绝缘层，2.聚四氟乙烯立柱，3.外电极，4.屏蔽层，5.内电极组件，6.聚四氟乙烯保护层，7.温度传感器，8.等位环电极，9.绝缘垫片，10.内电极，11.进料口，12.出料口，13.横梁，14.顶部安装法兰盘，15.上部缓冲段，16.电极容腔，17.下部缓冲段，18.底部安装法兰盘，19.聚四氟乙烯绝缘层上盖，20.聚四氟乙烯绝缘层底座，21.聚四氟乙烯上立柱，22.聚四氟乙烯下立柱。
(五)具体实施方式
实施例1：附图为本发明的一个实施例，但不用来限制本发明的范围，下面结合附图介绍本发明的具体实施方法。
如图1所示，本实施例所述基于介电参数的谷物含水率在线测量方法为，谷物自上而下流经同轴圆柱式介电参数测量传感器，测控器连续采集同轴圆柱式电极容腔内流动谷物的介电常数ε'(测量频率范围f＝0.3～300MHz)、介电损耗ε”(测量频率范围f＝0.3～300MHz)以及温度值T，将容积密度修正式 代入预先标定的回归公式并利用温度值T进行温度校正，实现流动谷物含水率的在线实时测量。
所述预先标定的回归公式如下：
式中：M为谷物含水率(单位：％)，ε'为谷物介电常数，ε”为谷物介电损耗，A和B容积密度修正式系数， 为标定回归公式，T为谷物温度，f为测量频率。
如图2～5所示，本实施例所述基于介电参数的谷物含水率在线测量装置，包括同轴圆柱式介电参数测量传感器及测控器，所述同轴圆柱式介电参数测量传感器为同轴多层嵌套结构，由内电极组件、外电极、聚四氟乙烯立柱、聚四氟乙烯绝缘层、屏蔽层、聚四氟乙烯保护层组成，所述内电极组件由内电极、两个绝缘垫片与两个等位环电极组成，内电极两端经绝缘垫片电气绝缘后分别与一个等位环电极等电位连接，消除边缘效应影响，内电极、绝缘垫片与等位环电极半径相同且均环套于聚四氟乙烯立柱外表面；所述外电极嵌于聚四氟乙烯绝缘层内表面上，外电极内表面与聚四氟乙烯内绝缘层内表面平齐，外电极与内电极组件同轴放置，外电极长度与内电极、绝缘垫片及等位环电极长度之和相等；内电极与外电极之间构成圆柱形电极容腔即介电参数测量电场，测控器(测控器可以由现有市购件自行组装设计完成，属于测量模块，依据现有技术可以实现，其可进行谷物介电常数ε'、谷物介电损耗ε”以及谷物温度T的测量，进而实现谷物含水率的测量)将激励信号经双层屏蔽同轴电缆加载于内电极与外电极，即对同轴圆柱式电极容腔内谷物的介电参数进行测量；所述屏蔽层嵌于聚四氟乙烯绝缘层外表面，屏蔽层外表面与聚四氟乙烯绝缘层外表面平齐，其与外电极同轴放置且接地，屏蔽层长度略大于外电极长度，以屏蔽外界对介电参数测量电场的电磁干扰；所述聚四氟乙烯绝缘层由聚四氟乙烯绝缘层底座和聚四氟乙烯绝缘层上盖组成，聚四氟乙烯屏蔽层底座出口处保留有聚四氟乙烯立柱安装横梁，聚四氟乙烯绝缘层底座和聚四氟乙烯绝缘层上盖均设计有安装法兰盘，便于进行安装；所述聚四氟乙烯立柱由通过螺纹连接的聚四氟乙烯上立柱与聚四氟乙烯下立柱组成，所述聚四氟乙烯下立柱通过螺纹安装在聚四氟乙烯屏蔽层底座横梁上，起固定支撑作用，并确保聚四氟乙烯立柱与聚四氟乙烯绝缘层的同轴装配；所述聚四氟乙烯上立柱环套有内电极、绝缘垫片与等位环电极，上立柱内部有镂空，方便布置内电极及等位环电极传输信号线，上立柱顶部设计有锥形的尖端料钟，谷物自上而下流动的时起到均匀分布作用，用以增加电极容腔内谷物流的均匀度；所述聚四氟乙烯保护层环套于聚四氟乙烯绝缘层及屏蔽层外部，对同轴圆柱式介电参数测量传感器内部进行防湿、防尘保护。所述同轴圆柱式介电参数传感器作为谷物流动通道安装于适宜处(谷物流均匀稳定，流速与主体设备保持一致)，以确保谷物含水率测量的实时性及准确性。
所述同轴圆柱式介电参数测量传感器进料口至外电极上边缘为上部缓冲段，外电极上边缘至外电极下边缘为中部测量工作段，外电极下边缘至同轴圆柱式介电参数测量传感器出料口为下部缓冲段，上部缓冲段及下部缓冲段作用为提高电极容腔内谷物流的均匀度和稳定性。
所述下部缓冲段安装有与测控器相连接的温度传感器，用于测量谷物温度。
所述双层屏蔽同轴电缆由信号内芯、内绝缘层、内屏蔽层、外绝缘层、外屏蔽层以及保护层组成，信号内芯与内屏蔽层等电位连接，外屏蔽层接地，实现信号抗干扰传输。
在本发明中，所述同轴圆柱式介电参数测量传感器内部为圆柱形，直上直下，但是内电极组件为嵌套于立柱上，内电极外表面和立柱外表面平齐，外电极为嵌套于聚四氟乙烯绝缘层，外电极内表面和聚四氟乙烯内表面平齐；聚四氟乙烯立柱和聚四氟乙烯绝缘层的长度要大于内电极组件和外电极的长度，即传感器内部空腔自上而下也就是谷物流通通道可以分为三段，从传感器进料口至外电极上边缘，此段空腔两侧均为聚四氟乙烯材质，是非介电参数测量区域，为上部缓冲段；外电极上边缘至外电极下边缘，此段空腔两侧为金属材质的内外电极，即介电参数测量区域，为电极容腔；外电极下边缘至传感器出料口，此段空腔两侧为聚四氟乙烯材质，也是非介电参数测量区域，为下部缓冲段，上部缓冲段及下部缓冲段能提高圆柱式电极容腔内谷物流的均匀度和稳定性。
实施例2：利用实施例1所述基于介电参数的谷物含水率在线测量装置和方法对玉米和水稻含水率进行在线实时测量。
依据前期标定试验，确定标定回归公式具体计算方程为：
式中：M为谷物含水率，ε'为谷物介电常数，ε”为谷物介电损耗，A和B为容积密度修正式系数， 为标定回归公式， 为标定回归公式具体计算方程，C0、C1、C2、C3为具体计算方程的回归系数，T为谷物温度，f为测量频率。
下表为标定回归公式具体计算方程所需计算参数表：
计算参数表
利用本发明对不同容积密度的玉米及水稻(玉米含水率范围：12.23％-30.67％，水稻含水率范围：12.29％-22.69％；玉米容积密度波动范围：32kg/m
本发明通过测量谷物介电常数及介电损耗实现流动谷物含水率的在线实时测量，具有较高的测量精度和稳定性，并可在适用范围内修正电极容腔内谷物容积密度波动引起的测量误差，且能够适应谷物烘干现场高粉尘、高湿度及电磁干扰等复杂工况。
一种基于介电参数的谷物含水率在线装置及其测量方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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