技术领域
[0001] 本
发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种快速测量固体含水率的装置及方法。
背景技术
[0002] 随着科学研究的发展和生产技术的进步，固体水分的定量分析已经成为一项重要的
质量指标。固体的水分会影响其品质和储存，尤其是对于食品一类的固体，如粉丝、腐竹等，
含水量过高会
加速食品的腐败，不仅储藏期缩短，更会引发
食品安全问题。
[0003] 固体含水率的检测方法有直接测定法和间接测定法，利用固体所含水分本身物理和化学性质测定含水率的方法叫直接测定法，如105℃干燥法、
真空烘干法、130℃快速法、红外线干燥法、
微波干燥法等；利用固体比重、折射率、电导、
电解常数等物理指标测定含水率的方法叫间接测定法。然而，目前大批量生产时采用的检测方法只能采用抽检的方式检测，不仅周期长、检测效率低、数值不准确，而且对于产品来说是破坏性测量，对于大规模生产中产品的质量控制非常不利。
发明内容
[0004] 本发明针对
现有技术存在的不足，提供一种快速、简单、可靠、低成本的测量固体含水率的装置及方法，适合于大规模工业化应用。
[0005] 一种快速测量固体含水率的装置，所述装置包括两个
电极、电极驱动机构、电极压
力检测机构和控制系统；所述两个电极安装在所述电极驱动机构上，其底面平行于放置固体的平面，所述两个电极和电极驱动机构位于所述固体的上方；所述电极驱动机构包括直线运动驱动机构、连接板、电极安装板、
弹簧和导柱；所述电极压力检测机构用于检测所述两个电极压向所述固体时的压力，其输出
信号为一
开关量，当所述电极压向所述固体的压力达到设定值时，其
输出信号的状态改变；所述控制系统接收所述电极压力检测机构的输出信号，并控制所述电极驱动机构带动所述电极上下运动。
[0006] 进一步的，所述两个电极为导电
橡胶；导电橡胶电极容易
变形，与所述固体的
接触面积更大。此外，所述两个电极还可以采用导电金属材料，如紫
铜、不锈
钢等。
[0007] 进一步的，所述直线运动驱动机构包括一
块气缸顶板，所述气缸顶板可沿直线运动；所述连接板固定在所述直线运动驱动机构的气缸顶板上，可随气缸顶板一起做直线运动；所述导柱的一端固定在所述电极安装板上，另一端穿过所述连接板上的孔，并可在该孔中沿孔的轴线方向滑动，所述导柱穿过所述连接板上的孔的一端有限位结构；所述弹簧位于所述连接板和电极安装板之间，其弹性力作用于所述电极安装板和连接板上；所述两个电极安装于所述电极安装板的下表面上，并且所述电极安装板与所述两个电极是电气绝缘的。
[0008] 进一步的，所述直线运动驱动机构为气缸、
液压缸、电动
推杆或电动滑台。
[0009] 进一步的，所述电极压力检测机构包括一个行程开关，所述行程开关安装在所述连接板或电极安装板上，位于所述连接板和电极安装板之间，其安装
位置应保证当所述电极压向所述固体的力达到设定值时，所述行程开关的输出状态改变。
[0010] 进一步的，所述装置还包括电极位移测量机构；所述电极位移测量机构包括位移
传感器，所述位移传感器可以直接测量所述两个电极的最大位移，也可通过测量所述连接板或电极安装板的最大位移间接测量所述两个电极的最大位移。所述位移传感器连接到所述控制系统，每次测量时，所述控制系统测量所述电极的最大位移。
[0011] 进一步的，所述控制系统包括计算机、开关量
接口、模拟量接口、含水率测量
电路、位移测量电路和指示装置。所述含水率测量电路包括一个分压
电阻和一个跟随器，所述分压电阻一端接电源，另一端连接一个电极和跟随器的输入，另一个电极接地，跟随器的输出连接所述模拟量接口的一个通道。
[0012] 采用上述装置的一种快速测量固体含水率的方法，具体包括以下步骤：
[0013] 步骤1、所述电极最初位于比所述固体略高（譬如5mm）的位置，控制系统控制所述电极驱动机构驱动所述两个电极下降；
[0014] 步骤2、控制系统循环检测所述电极压力检测机构的信号，在检测到两个电极压力达到设定值的时刻，控制所述 电极驱动机构停止驱动所述两个电极下降，改为驱动两个电极上升，同时采集所述含水率测量电路的信号和所述位移测量电路的信号；
[0015] 步骤3、根据所述含水率测量电路的信号计算所述固体的含水率H1，根据所述位移测量电路的信号计算所述固体的含水率H2，当H1和H2均超出正常测量范围时，通过所述指示装置报警；当只有H1超出正常测量范围时，用H2作为测量结果；当只有H2超出正常测量范围时，用H1作为测量结果；当H1和H2均未超出正常测量范围时，用(H1+H2)/2作为测量结果；测量结果通过所述指示装置输出；
[0016] 步骤4、继续控制所述电极驱动机构驱动所述两个电极上升，直到两个电极回到所述初始位置为止，停止驱动所述两个电极上升。
[0017] 本发明的工作原理为：不同含水率的固体的
电阻率不同，对于相同长度和相同截面积的固体来说，其电阻也不同，通过实验可以找出
指定长度和截面积的固体的电阻与其含水率的关系，据此，通过测量指定长度和截面积的固体的电阻可以测量其含水率。同时，不同含水率的固体在相同的压力下，其变形量也不同，通常，含水率低变形小，含水率高变形大，通过实验可以找出固体的含水率与在电极相同压力下的变形量之间的关系。每次测量时，在电极上施加的是相同的压力，电极的最大位移反映了固体的变形量，据此，即可测出固体的含水率。
[0018] 例如，对于含水率在5%-16%范围内的粉丝饼，其指定长度和截面积的部分的电阻与其含水率的相关性较好；在所述电极相同的压力作用下，电极的位移量（粉丝饼的变形量）与粉丝饼的含水率的相关性也较好。
[0019] 本发明的技术效果：
[0020] （1）本发明的测量固体含水率的装置及方法快速、简单、可靠、成本低，适合于大规模工业化应用；
[0021] （2）本发明的电极在电极驱动机构驱动下压向固体时，弹簧可以提供一个缓冲，减少冲击，并通过弹簧的压缩保持电极对固体的压力，每次压下时电极压力相同，保证电极与固体每次接触情况相同，测量误差小；
[0022] （3）本发明每次测量时电极对固体的压力相同，在此前提下测量两个电极间固体的电阻以及变形量，能够准确测量固体的含水率。
[0023] 本发明还有一个优点是：测量结果不只反映所述固体表面的含水率，还能在一定程度上反映固体内部的情况，是一个整体指标。
附图说明
[0024] 图1为本发明中快速测量固体含水率的装置的总体结构的示意图。
[0025] 图2为本发明中快速测量固体含水率的装置的局部结构的示意图。
[0026] 图3为本发明中电极到达恒定压力测量位置的局部结构的正视图。
[0027] 图4为本发明中电极到达恒定压力测量位置的局部结构的右视图。
[0028] 图5为本发明中含水率测量电路原理图。
[0029] 图6为本发明中位移测量电路原理图。
[0030] 图7为本发明中控制系统的结构示意图。
[0031] 附图标记：1、
工作台，2、立柱，3、气缸，3-1、气缸缸体，3-2、气缸顶杆，3-3、气缸顶板、4、气缸
固定板，5、固体，6、位移传感器，6-1、位移传感器顶杆，6-2、位移传感器电位器，6-3、位移传感器上接线端，6-4、位移传感器中间接线端，6-5、位移传感器下接线端、7、位移传感器
支架，8、辅助杆，9、连接板，10、导柱，11、弹簧，12、电极安装板，13、第一电极，14、第二电极，15、行程开关，16、控制系统。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0033] 如图1-图7所示，本发明的快速测量固体含水率的装置包括第一电极13和第二电极14、电极驱动机构、电极压力检测机构、电极位移测量机构和控制系统16。
[0034] 如图1-图3所示，电极驱动机构包括气缸3、连接板9、电极安装板12、弹簧11和导柱10等部件。
[0035] 其中，气缸3包括气缸缸体3-1、气缸顶杆3-2和气缸顶板3-3，气缸顶杆3-2连接气缸顶板3-3，带动气缸顶板3-3作直线运动。连接板9固定在气缸顶板3-3上，随气缸顶板3-3作直线运动；导柱10的一端固定在电极安装板12上，另一端穿过连接板9上的孔，导柱10穿过该孔的部分与该孔为间隙配合，导柱10在该孔中沿孔的轴线方向滑动，为了减少导柱与该孔之间的摩擦，避免导柱中心线偏斜，可在该孔中安装直线
轴承，如圆
法兰直
线轴承，导柱10穿过直线轴承中间的孔；导柱10穿过连接板9上的孔的一端设有一个六
角头，该六角头的外接圆柱面的直径大于导柱10穿过连接板9上的孔的直径，用以限制连接板9与电极安装板12之间的最大距离，即限制第一电极13和第二电极14的工作行程；弹簧11套设在导柱10上，安装并弹性作用于连接板9和电极安装板12之间；电极安装板12为酚
醛塑料板（电木板），第一电极13和第二电极14安装于电极安装板12的下表面。
[0036] 电极驱动机构通过立柱2和气缸固定板4固定于工作台1上。将待检测固体5（本
实施例中为粉丝团）放置于工作台1上，置于第一电极13和第二电极14下方（第一电极13和第二14为紫铜材料）。第一电极13和第二电极14的底面平行于工作台1的上表面，电极驱动机构驱动第一电极13和第二电极14运动。
[0037] 如图3所示，电极压力检测机构包括行程开关15，行程开关15安装在连接板9上，位于连接板9和电极安装板12之间，其安装位置应保证当电极13和14压向固体5的力达到设定值时，行程开关15的输出状态改变。行程开关15的输出连接到控制系统16，每次测量时，控制系统16控制电极驱动机构带动两个电极向下运动，使两个电极压到所述固体5上，同时检测行程开关15的输出，当行程开关15的输出状态改变时，停止两个电极向下运动，并转为控制两个电极向上抬起。
[0038] 如图3、图6所示，电极位移测量机构包括位移传感器6，位移传感器6连接到控制系统16，每次测量时，控制系统16控制两个电极的最大位移。该位移传感器6为电位器式位移传感器或激光位移传感器，包括位移传感器电位器6-2和位移传感器上接线端6-3、位移传感器中间接线端6-4和位移传感器下接线端6-5，该三个接线端分别内部连接到位移传感器电位器6-2的两端和滑动端；位移传感器6还包括位移传感器顶杆6-1和固定安装在电极安装板12上的辅助杆8，辅助杆8上端平面顶在位移传感器顶杆6-1上。位移传感器6通过位移传感器支架7安装在气缸固定板4上，由于第一电极13和第二电极14安装在电极安装板12上，可通过
测量电极安装板12的位移测得第一电极13和第二电极14的位移。
[0039] 如图7所示，控制系统16包括计算机、开关量接口、模拟量接口、含水率测量电路、位移测量电路、气
阀、报警器和显示器。控制系统16主要通过含水率测量电路和位移测量电路测得固体5的含水率。控制系统16控制电极驱动机构带动两个电极上下运动，第一电极13、第二电极14、电极驱动机构和电极压力检测机构均连接到控制系统。每次测量时，控制系统16控制电极驱动机构带动两个电极向下运动，使第一电极13、第二电极14压到固体5上，同时通过电极压力检测机构检测两个电极的压力，当两个电极压力达到某个设定值时停止向下运动，转为控制两个电极向上抬起，在此过程中，检测两个电极间固体的电阻的最小值，以此来判断固体5的含水率。显示器（显示装置）用以显示含水率测量结果。
[0040] 如图5所示，含水率测量电路包括一个分压电阻R0和一个跟随器，所述分压电阻R0一端接电源Vm，另一端接第一电极13和跟随器的输入端，第二电极14接地，跟随器的输出端接模拟量接口的一个通道，本实施例中，电源Vm为5V，分压电阻R0的阻值为10MΩ，跟随器用CA3140
运算放大器实现，设跟随器的
输出电压为V1，则固体5的电阻Rx=V1R0/(Vm-V1)。
[0041] 事先通过实验得到固体5的电阻与其含水率的对应关系，测得固体5的电阻即可测得固体5的含水率。
[0042] 如图6所示，位移测量电路依所用位移传感器而定，位移测量电路包括一个跟随器，位移传感器上接线端6-3接电源Vm，位移传感器下接线端6-5接地，位移传感器中间接线端6-4接跟随器的输入端，跟随器的输出端接模拟量接口的另一个通道，本实施例中，所述跟随器用CA3140
运算放大器实现。
[0043] 位移测量电路根据电极位移测量机构的运动测量固定含水率：位移传感器顶杆6-1连接位移传感器电位器6-2的滑动端，位移传感器顶杆6-1的移动带动位移传感器电位器
6-2的滑动端移动，从而改变位移传感器中间接线端6-4的输出电压，该电压为零表示位移传感器顶杆6-1处在其工作行程的一端，该电压等于Vm表示位移传感器顶杆6-1处在其工作行程的另一端，传感器顶杆6-1的位移与传感器中间接线端6-4的输出电压（等于跟随器的输出电压V2）成线性关系，假设位移传感器7的量程为L，则位移传感器顶杆6-1的位移为x=V2L/Vm。
[0044] 事先通过实验得到固体5的含水率与恒定压力下电极13和14的最大位移的对应关系，测得第一电极13和第二电极14的最大位移即可测得固体5的含水率。
[0045] 此外，该实施例中气缸3选择双作用气缸，气阀相应地选择二位五通
电磁阀，报警器选择220V声光报警器。计算机采用STC15F2K60S2
单片机；开关量接口使用该单片机的P0、P2和P3端口，并增加输出驱动电路（固态继电器）以连接所述气阀和报警器；模拟量接口直接使用单片机片上A/D转换器（引脚P1.0-P1.7）；显示器为LCD1602
液晶显示器。行程开关15的一对触点通过开关量接口与计算机连接计算机通过开关量接口控制气阀电源的通断，并通过气缸3控制第一电极13和第二电极14的升降；当控制系统16检测到固体5的含水率超过设定值，或本发明的快速测量固体含水率的装置出现故障时，计算机通过开关量接口接通报警器电源报警。
[0046] 本发明采用上述快速测量固体含水率的装置进行测量固体含水率测量，具体的一种快速测量固体含水率的方法主要包括以下步骤：
[0047] 步骤1、第一电极13和第二电极14最初位于比固体5略高（譬如5mm）的位置，控制系统16控制电极驱动机构驱动第一电极13和第二电极14下降；
[0048] 步骤2、控制系统16循环检测行程开关15的信号，在该信号转换状态的时刻，控制电极驱动机构停止驱动第一电极13和第二电极14下降，变为驱动第一电极13和第二电极14上升，同时采集含水率测量电路的信号和位移测量电路的信号；
[0049] 步骤3、根据含水率测量电路的信号计算固体5的含水率H1，根据位移测量电路的信号计算固体5的含水率H2，当H1和H2均超出正常测量范围时，通过报警器报警；当只有H1超出正常测量范围时，用H2作为测量结果；当只有H2超出正常测量范围时，用H1作为测量结果；当H1和H2均未超出正常测量范围时，用(H1+H2)/2作为测量结果；测量结果送显示器显示，当测量结果超出设定值时，通过报警器报警；
[0050] 步骤4、继续控制电极驱动机构驱动第一电极13和第二电极14上升，直到第一电极13和第二电极14回到所述初始位置为止，停止驱动第一电极13和第二电极14上升。
[0051] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
