徐仁慶，李建飛，陸松花

(1.蘇州技師學院，江蘇 蘇州 215000； 2.佐竹機械(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

稻谷干燥機是以機械的形式，通過熱風干燥將稻谷水分干燥至安全儲藏水分，可替代傳統自然晾曬的谷物干燥方式，近年來已在國內推廣開來。目前國內較為常見的稻谷干燥機主要有批量循環(huán)式、橫流式、混流式、順流式，以及間歇式干燥機五大類，其中以批量循環(huán)式干燥機最為流行[1]。傳感器是將感受到的被測量信息，按照一定規(guī)律轉換成電信號或其他形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄及控制等要求的一種檢測器件[2]。傳感器根據其工作原理可涉及到光(可見光、紅外光、激光)、聲(超聲)、電(電阻、電容、電感、電荷)、磁(磁場效應)等方面，并根據其不同用途與特點被廣泛應用于各個領域。

近年來，隨著糧機設備智能化、無人化技術的不斷發(fā)展，以及稻米加工產業(yè)對于稻谷干燥品質的要求不斷提高，促使稻谷干燥機的智能化程度，以及稻谷干燥信息的精準度與聯網追溯等功能成為糧機企業(yè)與研究者新的關注點。而傳感器作為干燥機智能監(jiān)控系統構建的首要環(huán)節(jié)，對于以上功能的實現至關重要。目前，國內關于各類傳感器的研究已有較多，谷物干燥智能監(jiān)控系統的設計也有一些報道[3-6]，但有關傳感器在稻谷干燥機上的具體應用與介紹還未見報道。為此，筆者重點闡述各類傳感器在循環(huán)式稻谷干燥機上的應用，旨在為谷物干燥機智能化監(jiān)控系統的開發(fā)提供一定參考。

1 稻谷干燥機用傳感器的選擇

循環(huán)式干燥機的智能控制系統主要由單片微機系統主機、控制電路、傳感器等組成[5]，傳感器部分是智能控制系統信息接收與傳輸的首要環(huán)節(jié)。由于稻谷的水分含量和稻谷表面干燥溫度是決定稻谷最終干燥品質的關鍵因素，因而水分傳感器與溫度傳感器在各類稻谷干燥機中被普遍使用。此外，為進一步保障稻谷的干燥品質與作業(yè)安全性、節(jié)省工作能耗，以及提升設備監(jiān)控系統的智能化程度，濕度傳感器、風壓傳感器、料位傳感器、回轉傳感器、感震傳感器等各類傳感器越來越多被應用于稻谷干燥機上。由于稻谷烘干車間的作業(yè)環(huán)境普遍較為惡劣(如：噪音較大、粉塵濃度較高等)，且作業(yè)方式一般為24 h連續(xù)作業(yè)，因而在傳感器的選擇上對其測定精準度、靈敏度、環(huán)境適用性、安裝與維護便利性等方面要求較高。

2 傳感器在稻谷干燥機上的具體應用

以國內S公司所開發(fā)的新型低溫循環(huán)式干燥機為例，對各類傳感器在稻谷干燥機上的具體應用進行闡述。

2.1 水分傳感器

在稻谷干燥過程中，稻谷干燥后的水分含量是確保稻谷干燥品質的首要指標。稻谷水分含量越高其儲存品質越差，如：真菌生長迅速、發(fā)芽率降低、脂肪酸值升高等[7]。稻谷水分含量對籽粒的破裂載荷的影響程度要高于環(huán)境溫度，稻谷含水量越高其破裂載荷則越低[8]，即在后期運輸、貯存、加工等過程中越容易產生破碎。但稻谷的水分含量過低則會對大米的食味造成不良影響[9]，并會增高干燥成本、降低經濟效益。因此，做好稻谷干燥過程中水分含量的實時監(jiān)測至關重要。

稻谷的水分測定可通過烘箱法或儀器法進行，其中儀器測定法因其測定速率快而被廣泛應用于稻谷烘干車間，其測定方式主要有紅外線、中子式、電容式、電阻式、微波式等。在稻谷干燥過程中的水分監(jiān)測上，又可分為在線檢測和線下檢測兩種方式。其中線下檢測需要人工取樣，既耗時又耗力，現已被線上水分檢測裝置逐漸取代。對于在線水分檢測傳感器的研發(fā)，電阻式傳感器因其靈敏度與穩(wěn)定性高、測定速度快及線性度好等優(yōu)點，現已成為稻谷干燥機在線水分檢測裝置的首選，該型傳感器的基本原理是根據不同水分含量谷物所對應的導電率不同來測定水分含量。目前國內外較為高端的稻谷干燥機上所采用的單粒水分測定儀，其傳感器均為電阻式[10-13]。其次，電容式傳感器以其構造簡單、測定速度快、互換性好及造價低等特點也備受歡迎，其測定原理是根據不同水分含量的稻谷，其介電常數不同引起電容量的變化來進行測量。傳統的電容式傳感器的接觸探頭以平行極板式或圓筒式為主，但測定精度受外部因素影響較大，難以保證在線測定精度。為此，國內相關科研工作者對此進行了一系列改進措施，以提高電容式傳感器的測定精度和穩(wěn)定性，如：電路設計改進[14]、采用邊緣電場電容式傳感器[15]、CAN總線的應用[16]等。此外，微波式水分檢測作為一種無損檢測新技術，以其測量范圍廣、檢測精度較高、對環(huán)境敏感性好，以及適合用于動態(tài)檢測等優(yōu)勢[17]，在糧食在線水分檢測上也得到了一定推廣。

2.2 溫度傳感器

相關研究表明，干燥溫度是影響稻米食味的主要因素。高溫干燥可促使稻米脂肪酸值和直鏈淀粉含量升高，內部結構由有序排列變得雜亂無序[18]，且相對于低溫干燥，高溫干燥會導致爆腰率的升高[19]。因此，在稻谷干燥過程中，為保障稻谷最終的干燥品質，需要通過溫度傳感器嚴格把控稻谷溫度和熱風溫度。

溫度傳感器可分為接觸式與非接觸式兩大類別。具體包括應用較為廣泛的熱電偶與熱電阻傳感器[20]，以及應用于特殊領域的新型傳感器，如：光纖溫度傳感器、特種測溫熱敏電纜、石英溫度計[21]等。熱電偶測溫原理是利用熱電效應，即由兩種不同導體材料制成的電極組成閉合回路，當兩個節(jié)點溫度不同時，在閉合回路中就會產生熱電動勢[22]。熱電阻傳感器的測溫原理是基于電阻值隨溫度變化而變化的特性[23]，其電阻材料可根據使用要求選用金屬導體或半導體材料。

2.3 濕度傳感器

通過搭載濕度傳感器，可持續(xù)測量外部空氣濕度。當外部空氣濕度較高(雨天等)或較低時，濕度傳感器可將空氣濕度信息傳送至計算機，系統通過對稻谷水分含量、稻谷溫度等信息綜合分析與判斷，自動調高或降低送風溫度，從而在高濕度時能夠維持干燥速率，在低濕度時防止過度干燥導致品質下降。

濕度傳感器通常采用電容式與電阻式等濕敏元件，近年來隨著傳感技術的不斷引進與拓展，濕度傳感器的集成化和智能化，以及多指標測量技術已得到飛速發(fā)展。與之相關的新型研究成果也是層出不窮，如基于可調諧激光吸收光譜的濕度傳感器[24]、基于還原氧化石墨烯的干涉型光纖濕度傳感器[25]、基于光纖錐級聯的Mach-Zehnder干涉濕度傳感器[26]等。

2.4 風壓傳感器

風壓傳感器又稱為微差壓傳感器，其在干燥機上主要用于監(jiān)測干燥過程中的熱風量，以便于根據進料量進行熱風量的自動變頻調節(jié)，從而達到最符合進料量與水分值的風量，最終達到節(jié)約電力、減少燃料消耗量的目的。其工作原理是當壓力作用在傳感器的膜片上時，膜片會發(fā)生與介質壓力成正比關系的微位移，同時傳感器的電阻也會產生相應變化，測量電路檢測到相應變化后隨即轉換并輸出一個對應于這個壓力的電信號。

2.5 其他傳感器

料位傳感器在干燥機上也被稱為滿量傳感器，當稻谷進料量達到干燥機滿倉位置時，閥門可自行關閉。目前在糧機企業(yè)中以電容式和阻旋式料位傳感器較為常見。對于電容式物料傳感器，采用雙電容式結構可消除溫度和濕度對測定過程的干擾[27-28]，因而更適合應用于谷物干燥機上。此外，有些干燥機廠家會在下部絞龍搭載回轉傳感器用于監(jiān)視谷物循環(huán)量。由于谷物性狀的不同，回轉閥中排出的稻谷量有可能過多或過少，通過回轉傳感器及控制盤對電機運轉進行實時監(jiān)控，能夠保證合適的循環(huán)量。

3 結語

隨著國家對谷物干燥機的補貼與推廣力度的不斷加大，以及國內干燥機用戶對于干燥機的智能化要求不斷提高，如何完善干燥機的智能監(jiān)控系統已成為未來生產企業(yè)進行研發(fā)的重點。而傳感器作為稻谷干燥機智能監(jiān)控系統的重要組成部分，其在稻谷干燥機上的應用必將越來越為廣泛。