張鶴嶺，郭玉明,張建華

(山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷　030800)

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果蔬凍干水分在線無線監(jiān)測裝置設計與試驗

張鶴嶺，郭玉明,張建華

(山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷030800)

摘要：果蔬真空冷凍干燥技術(shù)的應用推廣，進行低能耗凍干工藝優(yōu)化具有著重要意義。果蔬凍干工藝優(yōu)化中關(guān)鍵技術(shù)是果蔬凍干水分的在線監(jiān)測，筆者對此進行了廣泛深入的探索；介紹了基于介電方法的果蔬凍干水分無線實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計，基本思路是：無線采集果蔬凍干過程的相對介電常數(shù)，利用實驗測取的果蔬介電常數(shù)與凍干過程的含水率相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)果蔬凍干過程含水率在線檢測；在凍干倉內(nèi)利用集成電容轉(zhuǎn)換芯片對插入果蔬內(nèi)部的電極探針間電容進行采樣，經(jīng)過ZigBee收發(fā)芯片無線采集測量結(jié)果，并通過上機軟件將電容測量值轉(zhuǎn)換為相對介電常數(shù)；在不同溫度下對傳感器進行校準，保證在凍干倉內(nèi)加熱溫度下介電常數(shù)的在線精確測量。同時，以蘋果和土豆為試材的試驗驗證，結(jié)果表明：含水率與相對介電常數(shù)有極顯著的線性正相關(guān)性，無線在線檢測果蔬凍干過程含水率可行。

關(guān)鍵詞：果蔬；凍干水分；相對介電常數(shù)；無線監(jiān)測裝置

0引言

真空冷凍干燥技術(shù)很好地保持了農(nóng)產(chǎn)品物料的營養(yǎng)、形態(tài)和品質(zhì)，在農(nóng)產(chǎn)品干燥加工領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注；但由于耗時長、加工能耗大，致使加工成本高成為制約其發(fā)展的主要因素[1]。探索低能耗凍干加工工藝，需針對凍干過程進行在線實時監(jiān)測凍干物料的含水率，目前對于凍干過程物料水分在線監(jiān)測的方法主要有壓力升高法、稱重法、濕度傳感器法及核磁共振法等[2]。Tang等人[3]基于動壓溫度法計算水分對事件的變化率，進而計算失水量；但實驗發(fā)現(xiàn)該方案對凍干箱的密封性有嚴格要求，而生產(chǎn)環(huán)境中漏率是一個不確定值。崔清亮等[4]利用稱重法，設計了基于可重組虛擬儀器的凍干物料含水率在線監(jiān)測系統(tǒng)；但傳感器受溫度影響較大，測量精度和穩(wěn)定性待解決。Roy 等人[5]使用Al2O3 薄膜設計了濕度傳感器，但該傳感器無法消毒且價格昂貴。Hjalre等人[6]應用近紅外成像技術(shù)分析了凍干果蔬的含水率，但該技術(shù)不能在線監(jiān)測凍干過程。徐建國等人[7]利用核磁共振法實現(xiàn)了蘿卜水分的在線分析，但作為實時監(jiān)測需要更快的圖像協(xié)議，難以應用于工業(yè)生產(chǎn)。

與以上監(jiān)測方法相比，筆者研究的基于介電特性的含水率監(jiān)測方法具有簡單經(jīng)濟、無損傷、可重復性等優(yōu)點[8]，但利用介電特性檢測含水率應用于農(nóng)產(chǎn)品凍干加工還較少。Cuibus等[9]以土豆為試材證明了可根據(jù)介電特性優(yōu)化凍干過程。Grace等[10]在凍干試驗中建立了基于含水率和溫度計算介電常數(shù)的模型。因此，本文嘗試在特定溫度下，基于果蔬相對介電常數(shù)檢測其含水率。具體過程為：運用電容法測定相對介電常數(shù)，在工作倉內(nèi)實現(xiàn)傳感器連續(xù)在線監(jiān)測果蔬的相對介電常數(shù)；設計無線傳輸接受介電信號裝置，并利用實驗建立的相對介電常數(shù)與含水率之間的關(guān)系實現(xiàn)無線在線監(jiān)測果蔬凍干過程含水率。

1材料與方法

1.1系統(tǒng)的總體設計方案

基于介電法的果蔬凍干水分無線實時測量系統(tǒng)包括測量裝置、上位機軟件和收發(fā)器。測量裝置包括電容傳感器、溫度傳感器和ZigBee終端節(jié)點，分別用于測量相對介電常數(shù)、監(jiān)測凍干箱內(nèi)溫度、發(fā)送測量數(shù)據(jù)，如圖1所示。上位機軟件用于對數(shù)據(jù)實時處理、顯示、保存。收發(fā)器包括ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和串口轉(zhuǎn)USB電路，用于建立測量裝置與上位機軟件之間的通信，如圖2所示。

1.2測量裝置

1.2.1電容傳感器

電容法測量相對介電常數(shù)已被廣泛使用，具有低成本、低能耗、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。因此，本文采用該方法設計介電常數(shù)測量裝置，裝置包括電容探針、電容檢測模塊及AD轉(zhuǎn)換模塊。

1)電容探針。電容法一般采用平板電容器，但平行板電容器不僅受磁場影響較大而且影響干燥速率。本文設計了基于探針式電容器的介電常數(shù)測量裝置，探針采用直徑1.3mm、長11mm的鐵釘，兩鐵釘之間的距離為10mm。探針模型如圖3所示。

圖1　測量裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2　收發(fā)器機構(gòu)圖

圖3　探針模型圖

2)電容檢測模塊。根據(jù)測量原理不同，電容檢測電路設計方案主要有交流電橋法、差動脈寬調(diào)制法、調(diào)頻法、電荷法和運算放大器法。相比其他方案，電荷法具有更高的靈敏度、穩(wěn)定性和分辨率，特別適用于動態(tài)測量。

差分式開關(guān)電容電路是電荷法的一種實現(xiàn)電路，如圖4所示。當S1閉合、S2斷開時，C2充電，C1和Cf放電，運算放大器負輸入端的電荷量等于C2儲存電荷Q1=VIn·C2；當S2閉合、S1斷開時，C2放電，C1和Cf充電，運算放大器負輸入端的電荷量等于C1和Cf儲存電荷Q2=VIn·C1+VO·Cf。利用電荷守恒定律得知Q1=Q2，得到輸出電壓為

(1)

圖4　差分式開關(guān)電容電路

上述電路中求得的公式假定開關(guān)和運算放大器為理想情況，但開關(guān)不可避免地存在延遲，造成輸出電壓有噪音。本文采用基于該電路設計的集成電容檢測芯片MS3110進行電容檢測，使用其集成了低通濾波電路消除高頻開關(guān)產(chǎn)生的干擾。運算放大器總是存在缺陷，使其虛地效果不理想，輸入端產(chǎn)生失調(diào)電壓，造成輸出電壓中引入偏置電壓。為增加電容測量的準確度，芯片集成了電壓補償電路。

差分式開關(guān)電容電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化量，后經(jīng)過低通濾波電路與信號增益電路的處理，得到與電容變化量成正比的電壓信號。MS3110的原理框圖如圖5所示。

圖5　MS3110原理圖

芯片在集成了增益和補償之后，電容-電壓轉(zhuǎn)換公式為

(2)

其中，GAIN為內(nèi)部可調(diào)增益，可配置為2或4，本系統(tǒng)配置為GAIN=2V/V；V2P25為芯片參考電壓，默認值為2.25V，為保證芯片的精準測量，需要配置寄存器使得V2P25保持在2.24～2.26V；CS1T=CS1，CS2T=CS2+CIN；VREF可配置為0.5/2.25V，本系統(tǒng)配置為0.5V。

果蔬凍干試驗中，電容變化范圍為0.2～5pF，為滿足量程需要的前提下提高精度，配置芯片寄存器使本系統(tǒng)檢測范圍為0～7pF。

3) AD轉(zhuǎn)換。MS3110的電容分辨率達到4aF/rtHz，但只有配合高分辨率的AD轉(zhuǎn)換芯片才能達到高精度測量。本文采用ADI公司的高精度、工業(yè)級A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7710，該芯片采用Δ-Σ技術(shù)實現(xiàn)24位無失碼。凍干試驗環(huán)境溫度不穩(wěn)定，但芯片的自校準模式能夠有效消除溫漂的影響，從而消除零點和滿量程誤差。

本文采用精密且微功率電壓參考芯片REF194作為AD7710的基準電壓輸入端。REF194采用專用的溫度漂移曲率校正電路、高穩(wěn)定的激光微調(diào)和薄膜電阻等技術(shù)，實現(xiàn)極低溫度系數(shù)和極高的精準度。

1.2.2溫度傳感器

在凍干初期階段，凍干箱內(nèi)溫度不斷升高，果蔬介電特性受溫度影響較大。本文目的是在凍干箱溫度達到穩(wěn)定時，找到果蔬相對介電常數(shù)與其含水率之間的關(guān)系，因此測量裝置包括溫度傳感器。

DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的一線式數(shù)字溫度測量芯片，僅有一根數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)讀寫，溫度變化功率也來源于數(shù)據(jù)總線。其總線本身可以向所掛接的DS18B20供電，本文提供了3.3V的外部供電以保障芯片穩(wěn)定工作；溫度傳感器的測量范圍為-55 ～ +125oC，固有的測溫分辨率為0.5oC，適用于凍干實驗。

1.2.3ZigBee終端節(jié)點

為給凍干廠商提供更為方便、快捷的在線檢測含水率方案，采用了具有自組網(wǎng)、低功耗、低成本、短延遲的ZigBee技術(shù)。Chipcon公司應用于ZigBee技術(shù)的片上系統(tǒng)CC2530是一款高性能單片機，結(jié)合該公司配套的集成開發(fā)環(huán)境IAR使得ZigBee開發(fā)更加快捷。CC2530集成了性能優(yōu)良的ZigBee收發(fā)器、增強型8051CPU、可編程閃存、8-KB RAM 和許多其他強大的功能。另外，CC2530具有完全集成的壓控振蕩器，因此設計CC2530無線模塊只需要天線、晶振等少量的外圍電路元器件就能在2.4GHZ的頻段上工作。傳感器模塊的各元件的連接圖如圖6所示。

圖6　傳感器模塊電路原理圖

1.3收發(fā)器和上位機軟件

收發(fā)器從測量裝置接收試驗數(shù)據(jù)并通過串口轉(zhuǎn)USB電路將數(shù)據(jù)上傳到上位機。收發(fā)器也采用CC2530，作為ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點，硬件電路與終端節(jié)點相同。收發(fā)器采用串口轉(zhuǎn)USB芯片CH340實現(xiàn)了CC2530與上位機通信，電路原理圖如圖7所示。上位機軟件是基于面向?qū)ο箝_發(fā)軟件VB6.0開發(fā)。上位機軟件通過對接收數(shù)據(jù)的反算，得到相應的電容值、相對介電常數(shù)和溫度。軟件實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動讀取、處理、存儲和顯示。

圖7　CH340鏈接圖

1.4性能評估實驗

本系統(tǒng)在應用于凍干實驗之前，需要評估其電容傳感器測量精度。在室溫下，3532-50型RCL測試儀(HIOKI，精度160nF)和電容傳感器分別測量8個大小不同的瓷片電容，測量結(jié)果用于評估電容傳感器在室溫下的精度；但凍干實驗是在高溫下進行的，需要評估傳感器在高溫凍干箱內(nèi)的測量精度。市面上的電容普遍溫漂較高，無法應用于檢驗溫度對傳感器測量精度的影響。為此，使用鐵板制作簡易平板電容，電容外形較大但溫漂很小，適用于檢測溫度對傳感器的影響。據(jù)文獻介紹，多種果蔬凍干的最優(yōu)溫度在70℃左右。為此，將測量裝置放到凍干箱內(nèi)，在常溫與70℃下對不同平板電容進行測量，評估系統(tǒng)在70℃的檢測精度。

1.5果蔬凍干實驗

1.5.1實驗材料

本實驗使用太谷本地富士蘋果和土豆作為實驗材料。

1.5.2實驗設備

所用到的儀器主要有：DW-40L92型立式低溫保存箱(青島海爾集團)，JDG-0.2型真空凍干試驗機(蘭州科近真空凍干技術(shù)有限公司)，計算機(聯(lián)想集團，G470系列)，凍干箱內(nèi)在線稱重天平(山西農(nóng)業(yè)大學自制)，CP1502型電子天平(Ohaus Corporation，精度0.01g)。

1.5.3實驗材料

不同溫度下，為檢測系統(tǒng)對不同果蔬的測量可行性，本文在60、70、80℃下分別對蘋果和土豆進行凍干實驗。

蘋果或土豆切成20mm×20mm×10mm薄片，取10片為實驗材料，任取一片插入探針內(nèi)，另外9片均勻放到稱重料盤中；將傳感器和料盤放入-40℃冰箱中，冷凍12h，以保證蘋果或土豆溫度降至其共晶點以下；開啟凍干機冷阱并等待其溫度降至-40℃，將料盤和傳感器放進凍干箱內(nèi)；設置真空度為40～45Pa，達到真空度后開啟加熱板，初始溫度設置為40℃，每隔10min增加10℃，直到加熱板溫度設為預定干燥溫度；每隔2min計算機自動記錄一次稱重料盤質(zhì)量和探針電容值，并畫質(zhì)量和電容分別隨時間變化曲線圖。

2結(jié)果與討論

2.1性能評估實驗

在室溫下，RCL測試儀和電容傳感器的測量結(jié)果如表1所示。其電容傳感器的相對誤差小于3%，說明傳感器具有較高精度，能夠在室溫下精準測量電容。

在室溫和70℃下，傳感器對平板電容的測量結(jié)果如表2所示。其相對誤差小于0.5%，說明傳感器具有較好的溫度穩(wěn)定性，裝置能夠在凍干實驗過程中精準測量電容。

表1　常溫精度測量

表2　高溫精度測量

2.2果蔬凍干實驗

物料水分含量有兩種表示方式：一種稱為濕基含水率ωwater，其數(shù)值小于100%；另一種成為干基含水率ωdry，其數(shù)值可以遠大于100%。計算公式分別為

(3)

(4)

其中，mwater為物料中水的質(zhì)量，mdry為干物料的質(zhì)量。

物料相對介電常數(shù)與含水量直接相關(guān)，因此本文使用干基含水率表示水分含量。

根據(jù)電容計算相對介電常數(shù)的公式為

(5)

其中，Cmeasure為探針插入果蔬時電容值，Cno-load為空載時傳感器電容值。

蘋果和土豆在不同溫度的凍干試驗中，相對介電常數(shù)隨時間變化如圖8所示。

圖8　不同溫度下蘋果和土豆相對介電常數(shù)隨時間變化曲線

實驗中相對介電常數(shù)隨溫度上升而上升，蘋果和土豆分別在50min和110min左右達到最大值，土豆到達峰值更慢是因為土豆比蘋果細胞排列更緊密，造成加熱更慢引起的；在峰值之后，凍干箱內(nèi)溫度已經(jīng)穩(wěn)定，相對介電常數(shù)不受溫度影響，隨含水率下降而下降；當果蔬干燥接近結(jié)束時，曲線都趨于平穩(wěn)。對于同一果蔬，在干燥初期，溫度越高相對介電常數(shù)上升越快、峰值越大；干燥結(jié)束時，溫度越高相對介電常數(shù)越大。

蘋果和土豆在不同溫度的凍干實驗中，相對介電常數(shù)與含水率的關(guān)系分別如圖9、圖10所示。其中，60、70、80℃是凍干試驗的最終干燥溫度。

在不同溫度下，對蘋果和土豆的相對介電常數(shù)與含水率之間進行了線性擬合，擬合方程和相關(guān)系數(shù)分別顯示在各個圖像中。擬合結(jié)果表明：在各個溫度下，蘋果和土豆的相對介電常數(shù)與含水率之間都有極好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2>0.93，可以利用本系統(tǒng)基于相對介電常數(shù)實現(xiàn)果蔬含水率的測量。

圖9　不同溫度下蘋果含水率與相對介電常數(shù)擬合曲線

圖10　不同溫度下土豆含水率與相對介電常數(shù)擬合曲線

3結(jié)論

本文設計了基于ZigBee協(xié)議的含水率在線檢測系統(tǒng)，為評估該系統(tǒng)性能，進行了室溫和高溫的電容測量實驗。另外，利用土豆和蘋果的凍干實驗檢驗基于相對介電常數(shù)檢測含水率的方案可行性。

基于上述研究結(jié)果，結(jié)論如下：

1)系統(tǒng)能夠準確在線檢測相對介電常數(shù)準確檢測電容值，并且具有很好的溫度穩(wěn)定性。

2)基于相對介電常數(shù)監(jiān)測含水率的方案可行。通過蘋果和土豆的凍干實驗說明，冷凍干燥過程中，果蔬的相對介電常數(shù)與含水率之間有很好的線性相關(guān)。

3)在冷凍干燥過程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測果蔬含水率，并準確測量相對介電常數(shù)。根據(jù)已經(jīng)建立的含水率與相對介電常數(shù)的數(shù)學模型，可實現(xiàn)在線實時監(jiān)測果蔬含水率，為果蔬凍干工藝優(yōu)化提供試驗裝置。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0092-EA

Design and Experiment of Wireless Online Device which Monitors Moisture of Fruit and Vegetable during Freeze Drying

Zhang Heling, Guo Yuming, Zhang Jianhua

(College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030800, China)

Abstract：Real-time monitoring of the moisture content of fruits and vegetables in vacuum freeze-drying process, this can provide technical support for the freeze-drying process monitoring and optimization. In order to investigate the way based on relative dielectric constant monitor the moisture content, this paper designed a wireless and real-time monitoring system which can realize relative dielectric constant acquisition, calculation and storage, it can also draw the change curve of the relative dielectric of material.The test uses apple and potato as test material to validate moisture content and relative dielectric constant has an illustrious linear correlation.Experiment has built correlation association models based on relative dielectric constant and moisture content.Therefore, moisture content of fruit and vegetables can be monitored based on its relative dielectric constant.

Key words：fruit and vegetable； freeze-drying moisture； relative dielectric constant； wireless monitoring devic

文章編號：1003-188X(2016)05-0092-06

中圖分類號：S375

文獻標識碼：A

作者簡介：張鶴嶺(1987-),男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail) zhl834@sina.com。通訊作者：郭玉明(1954-)，男，山西平定人，教授，博士生導師，(E-mail)guoyuming99@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(31171450)

收稿日期：2015-04-12