基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪及测定方法技术

本发明专利技术公布了一种基于介电法的含水量测定仪及测定方法，用于测量面粉或类似物质的含水量；含水量测定仪包括测试电路和显示电路；测试电路主要包括信号源电路、平行双棒式探针、相位差检测电路采用AD8302；显示电路包括ARM处理器电路和LCD显示屏。将平行双棒式探针置于面粉或类似物质样本中；通过信号源电路采用的有源晶振产生信号；该信号经平行双棒式探针在面粉或类似物质样本中传播；通过相位差检测电路分别检测信号源产生信号和探针传输后的信号；测量得到相位差；绘制标定曲线；计算标定曲线上VPHS值对应的含水量数值。本发明专利技术可实现快速无损检测含水量，不仅经济而且高效，具有很高的应用价值，值得推广应用。

Moisture Content Measuring Instrument and Method for Flour or Similar Substances Based on Dielectric Method

The invention discloses a moisture content measuring instrument based on dielectric method and a measuring method for measuring the moisture content of flour or similar substances; the moisture content measuring instrument includes a testing circuit and a display circuit; the testing circuit mainly includes a signal source circuit, a parallel two-bar probe, and a phase difference detecting circuit using AD8302; and the display circuit includes an ARM processor circuit and an LCD display screen. The parallel double-bar probe is placed in the sample of flour or similar substances; the signal is generated by the active crystal oscillator used in the signal source circuit; the signal is propagated through the parallel double-bar probe in the sample of flour or similar substances; the signal generated by the signal source and the signal transmitted by the probe are detected respectively by the phase difference detection circuit; the phase difference is measured; the calibration curve is drawn; and the calibration curve is calculated. The water content corresponding to the VPHS value above. The invention can realize fast non-destructive detection of water content, is economical and efficient, has high application value, and is worth popularizing and applying.

【技术实现步骤摘要】
基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪及测定方法
本专利技术属于农作物含水量测定
，涉及面粉或类似物质含水量测定技术，尤其涉及一种基于介电法的面粉或类似物质含水量测定仪及测定方法。
技术介绍
农作物含水量测定技术，特别是面粉或类似物质含水量测定应用广泛，有很高的应用和经济价值。如面粉含水量测量在面点加工工厂有举足轻重的作用。面粉含水量的不同会影响酵母的活性，含水量少的面团发酵速度要低于水分适当的面团发酵速度，在同等发酵时间里，含水量过少会使产气量不足，需要较长的时间才可以达到正常的蓬发体积。但面团含水量也不应过高，含水量过高将会导致PH值降低、酸度增加、面团弹性不足等一系列问题。在面点生产车间，仅凭面点师傅的经验对面团发酵的含水量进行监控，既不经济也难以实现，并且会造成产品质量良莠不齐。目前面团含水量的管理和监控主要通过各种传感器以及机械的自动调节，这是面粉或类似物质含水量测定仪的主要应用范围。现有水分测定方法繁多，大都通过物理方法进行测量，被测物体中的水分经干燥、烘干或者蒸馏分离，通过被测物体的重量变化确定含水量。采用物理方法测定水分存在耗时长、对物质本身有较大损耗、检测过程复杂、对测量样本要求较高等缺点。新型测量方法大多利用物质特性进行含水量快速测量，初步解决了传统含水量测定方法中耗时长、对物质本身存在损耗的问题。如：利用水分对某一波长的红外光的吸收程度与水分在样品中含量的关系测定水分含量；运用微波衰减原理以及水分对微波衰减的特点来进行水分测量；利用微波红外测温方法快速测量水分等等。但这些方法大多需要专业器材，且器材价格昂贵，不被小型商家所接受。测量介电常数对水分测量研究领域起着重要的作用，典型的如使用介电技术对伊朗小麦水分含量进行预测、使用电介质法测量气体湿度等。在与介电常数相关的水分测量研究中大多运用介电物理学中介电常数本身作为电场中显示极化程度的物理量的原理。介电常数是介质的物理参数，表示介质材料的介电性质或极化性质。当电场中存在高介电常数的材料时，会产生感应电荷而削弱电场，使电介质内的电场的强度明显减弱。在同等条件下，因为不同物质介电常数有着本质的区别，不同比例混合的两种物质的介电常数不同。在电磁波传输理论中，介质的存在对电磁波的传播有所作用。同频率的电磁波在不同的介质中具有不同的传播特性，它们在介质中的传播速度随介质的不同有所不同。结合电磁波传输理论和介电常数性质可用来进行含水量的测量。
技术实现思路
为了克服上述技术的不足，本专利技术提供一种基于介质介电常数测量含水量的方法及基于介电法的含水量测定仪，用于解决现有传统含水量测量方法和新型含水量测量方法中耗时长、检测过程复杂、测量仪器价格昂贵、对测量样本要求较高等问题。本专利技术的原理是：本专利技术利用物质的介电常数值及电磁波在介质中的传播特性，通过将发射探针和接收探针插入介质中，计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的关系实现对介质的介电常数的测量。根据不同含水量的同一介质介电常数不同以及介质的介电常数与相位差的关系，将相位差测量电压值与已知介电质含水量数值进行标定，得到标定曲线模型。可利用此标定曲线模型测量介质的含水量。下面具体阐述利用本专利技术测量面粉或类似物含水量的测量原理。已知空气的介电常数值为1.0006，水的介电常数值为83.83，干面粉的介电常数值为2.5-3.0。面粉与水的介电常数值偏差大，面粉中掺杂一小部分水就会造成其介电常数值的偏移。本专利技术将电磁波传输理论与AD8302芯片结合，对不同含水量面粉的介电常数进行有效测量。以面粉作为电磁波传输介质，电磁波的传播速度v(非真空介质中)与传输介质的介电常数的关系表示为式1：其中：c表示真空中电磁波的传播速度(c＝3×108m/s)，ε表示传输介质的介电常数。同频率的电磁波在不同含水量的面粉中传播速度不同，在面粉或类似物质含水量介电测量仪的实现中选择固定的传播距离s作为固定指标。结合上面的式1，当传播距离一定时，电磁波在介质中的传播时间t和传输介质介电常数ε存在某种物理联系。某一固定频率的电磁波在传输介质中传播到距离s处的时间：其中，s为固定的传播距离，c为光速(c＝3×108m/s)，ε是传输介质的介电常数。将发射探针和接收探针插入传输介质中，接收探针处的震动的时间比在空气中晚，可知由于传输介质的存在，使得接收探针接收的电磁波出现不同的相位偏移。角频率公式为式3：其中，T＝1×10-5s，f＝100MHz，π指代圆周率。通过式3可得发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差公式：其中：f＝100MHz，c为光速(c＝3×108m/s)，ε是面粉的介电常数。通过式4可知，同一电磁波在不同介质中传播产生的相位差不同，且相位差与传输介质的介电常数呈正向比例。AD8302的主要功能是测量幅度比和相位差，它可以对两个分别由AD8302芯片中的2号引脚(INPA)和6号引脚(INPB)输入的信号的相位差进行测量，输出一个与相位差相关的电压VPHS：VPHS＝VΦ[Φ(VINA)-Φ(VINB)](式5)其中，Φ(VINA)和Φ(VINB)分别为A、B两通道的输入信号相位，VΦ为斜率，VPHS为相位比较输出。通过相位差和传输介质介电常数的关系，结合式4，可以得到：其中：f＝100MHz，c为光速(c＝3×108m/s)，ε是面粉的介电常数，s为固定的传播距离，VΦ为斜率，VPHS为相位比较输出。通过对相位差的测量即可实现对传输介质的介电常数的测量。不同含水量面粉的介电常数不同，即VPHS值不同。选取恰当且具有代表性的几组(具体实施时选取8组)不同含水量的面粉样本，使用本专利技术测量相位差检测电压VPHS，得到一标定曲线：含水量＝(6.383*VPHS-4.158*VPHS2+0.9634*VPHS3-3.037)％(式7)可通过测量相位差检测电压VPHS结合标定曲线中VPHS和含水量的对应关系对未知含水量面粉进行含水量检测。本专利技术提供的技术方案是：一种基于介电法的含水量测定仪，可用于测量面粉或类似物质的含水量；其包括测试电路和显示电路。测定仪的测试电路主要由信号源电路、平行双棒式探针、相位差检测电路组成；测定仪显示电路主要由ARM处理器电路、LCD显示屏组成。在测试电路中，信号源电路采用有源晶振产生100MHz信号，经平行双棒式探针在面粉样本中传播。相位差检测电路主体为AD8302芯片，将芯片输出引脚VMAG(13号引脚)和VPHS(9号引脚)直接跟芯片反馈设置输入引脚MSET(12号引脚)和PSET(10号引脚)相连(13号引脚连12号引脚，9号引脚连10号引脚)，使芯片的测量模式工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mV/dB，精确相位测量比例系数为10mV/度，中心点为900mV)。信号源电路有源晶振产生的100MHz信号和经探针传输后接收到的信号分别由AD8302芯片中的2号引脚(INPA)和6号引脚(INPB)输入，进行两信号间的相位差测量，在9号引脚输出相位差测量电压VPHS。显示电路中，将相位差检测电路中输出的VPHS由PC2(10号引脚)输入到ARM处理器电路主体STM32F103RCT6芯片中，此芯片属于嵌入式-微控制器，可进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于介电法的含水量测定方法，其特征是，待测介质为面粉或类似物质；将平行双棒式探针的发射探针和接收探针插入待测介质中，计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的关系实现对介质介电常数的测量；根据不同含水量的介质介电常数不同以及介电常数与相位差的关系，将相位差测量电压值与已知介电质含水量数值进行标定，得到标定曲线模型；利用此标定曲线模型求得介质的含水量；；包括如下步骤：1)将平行双棒式探针置于面粉或类似物质样本中；2)通过信号源电路采用有源晶振产生100MHz测试信号；3)该信号经平行双棒式探针在面粉或类似物质样本中传播；4)通过相位差检测电路分别检测步骤2)信号源电路产生的信号和步骤3)经平行双棒式探针传输后的信号两信号间的相位差；所述相位差检测电路采用用于射频RF/中频IF幅度和相位测量的单片集成电路AD8302；5)相位差检测电路针对两信号进行相位差测量，获得相位差检测电压VPHS；以面粉或类似物质作为测量样本，通过式6表示得相位差检测电压VPHS和介电常数的关系以及介电常数与含水量的关系，实现对待测样本含水量的测量：

【技术特征摘要】
1.一种基于介电法的含水量测定方法，其特征是，待测介质为面粉或类似物质；将平行双棒式探针的发射探针和接收探针插入待测介质中，计算发射探针发出的波形和接收探针收到的波形的相位差，通过相位差和介电常数的关系实现对介质介电常数的测量；根据不同含水量的介质介电常数不同以及介电常数与相位差的关系，将相位差测量电压值与已知介电质含水量数值进行标定，得到标定曲线模型；利用此标定曲线模型求得介质的含水量；；包括如下步骤：1)将平行双棒式探针置于面粉或类似物质样本中；2)通过信号源电路采用有源晶振产生100MHz测试信号；3)该信号经平行双棒式探针在面粉或类似物质样本中传播；4)通过相位差检测电路分别检测步骤2)信号源电路产生的信号和步骤3)经平行双棒式探针传输后的信号两信号间的相位差；所述相位差检测电路采用用于射频RF/中频IF幅度和相位测量的单片集成电路AD8302；5)相位差检测电路针对两信号进行相位差测量，获得相位差检测电压VPHS；以面粉或类似物质作为测量样本，通过式6表示得相位差检测电压VPHS和介电常数的关系以及介电常数与含水量的关系，实现对待测样本含水量的测量：其中：f＝100MHz，c为光速，ε是面粉的介电常数，s为固定的传播距离，VΦ为斜率，VPHS为相位比较输出；6)根据介质的介电常数与测量相位差的关系，将电压值VPHS与待测物质进行标定，绘制标定曲线模型；执行如下操作：61)选取多组不同含水量与待测物质相同的物质，执行步骤1)～5)进行多次测定，测得物质的VPHS；采用卤素水分测定仪多次测量，测得物质的确切含水量，即每ml物质中含水的ml数；分别记录；62)将得到的物质的VPHS与物质的确切含水量分别作为x轴和y轴描点拟合，绘制得到标定曲线模型；7)利用步骤6)得到的标定曲线模型，对未知含水量的面粉或类似物质进行含水量测定；具体将待测样本的相位差测量电压VPHS由模拟量转换为数字量，并通过显示电路显示；再计算标定曲线上VPHS值对应的含水量数值，并通过显示电路显示。2.如权利要求1所述基于介电法的含水量测定方法，其特征是，待测介质为面粉；标定得到的标定曲线表示如下：含水量＝(6.383*VPHS-4.158*VPHS2+0.9634*VPHS3-3.037)％即可通过测量面粉的VPHS值得到面粉的含水量。3.如权利要求1所述基于介电法的含水...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴静珠，刘茜，王克栋，刘翠玲，余乐，李慧，
申请(专利权)人：北京工商大学，
类型：发明
国别省市：北京,11