果蔬冻干过程含水率无线监测系统设计与试验

发布时间：2019-09-07 09:23

【摘要】：真空冷冻干燥技术不但能够最大限度地保留果蔬的营养成分和活性物质,且能最大程度保持原有的色泽、风味与形态,因此,在果蔬加工领域有着广阔的应用前景。但真空冷冻干燥能耗大、耗时久、加工成本高,使得这一干燥新技术在果蔬干燥加工领域中推广缓慢,因此,研究优化低能耗得到广泛关注。近年来,我们在低能耗冻干工艺优化研究中获得果蔬相对介电常数与含水率有极好的相关性,可以利用果蔬相对介电常数监测其冻干过程含水率,以此原理构建了新型冻干过程水分在线检测系统,鉴于果蔬冻干加工生产实际的装备要求,若能实现无线检测,将给实际生产应用带来很大方便。本文就在此应用背景下研究设计了果蔬冻干相对介电常数在线无线检测系统,并基于该系统进行了果蔬冻干过程含水率无线检测的相关试验。主要内容包括：(1)设计了果蔬冻干水分在线无线监测系统。该系统包括测量装置、收发器和上位机软件。测量装置包括电容传感器、温度传感器和ZigBee终端节点,实现测量相对介电常数和冻干箱内温度,并发送测量数据到收发器。收发器包括ZigBee协调器节点和串口转USB电路,用以接收测量装置中的ZigBee终端节点发送的数据,并发送数据到上位机,从而建立测量装置与上位机软件之间的通信。上位机软件接收数据,并对数据进行实时处理、显示、保存和画图。(2)在室温、高温下评估监测系统的精度。在室温下,RCL测试仪和监测系统分别测量8个大小不同的瓷片电容,测量结果表明监测系统测量相对误差小于3%,测量精度高。为评估监测系统的温度稳定性,在室温和高温下分别使用该系统测量大小不同的平板电容。测量结果表明系统的高温相对误差小于0.5%,具有很好的热稳定性。因此,本系统能够准确检测电容,并且具有很好的温度稳定性,能够应用于冻干加工仓中准确检测果蔬相对介电常数。(3)干燥箱温度、果蔬含水率对其相对介电常数的影响研究。以苹果和土豆为试材,在60、65、70、75和80℃的干燥温度下进行了真空冷冻干燥试验,当材料含水率为10、20、30、40和50%时测量其相对介电常数。试验结果表明材料含水率一定时,其相对介电常数与温度之间有极好的相关性,且温度是影响相对介电常数的关键因素。在相同含水率时,温度越高相对介电常数越大,且含水率越高,温度对相对介电常数影响越大。(4)在特定温度下,建立苹果和土豆相对介电常数与含水率之间的关联模型。以苹果和土豆试材,分别在60、70、80℃为干燥温度下进行真空冻干试验,测量材料的相对介电常数与含水率。对相对介电常数与含水率线性拟合结果表明,在各个温度下,苹果和土豆的相对介电常数与含水率之间都有极好的相关性,相关系数R20.93。因此,可以利用本系统基于相对介电常数实现果蔬冻干含水率的在线测量。本文设计的果蔬相对介电常数实时无线测量系统,为探索低能耗果蔬冻干加工工艺和冻干水分在线检测提供了一种新技术和装置。
【图文】：

结构图,测量装置,结构图,收发器

２．１系统设计总迷逡逑本文设计的探针式介电常数测量系统包括测量装置、收发器和上位机软件。测量装逡逑置结构如图２－１所示，包括电容传感器、温度传感器和ＺｉｇＢｅｅ终端节点，其中电容传感器逡逑和温度传感器分别用于测量相对介电常数和冻干箱内温度，ＺｉｇＢｅｅ终端节点用于驱动传逡逑感器，并读取传感器测量数据，最后发送测量数据到收发器。收发器包括Ｚｉ班ｅｅ协调器逡逑节点和串口转ＵＳＢ电路，其中Ｚｉ巧ｅｅ协调器节点用Ｗ接收测量装置中的Ｚｉ班ｅｅ终端节点逡逑发送的数据，串口转Ｕ犯电路用Ｗ发送数据到上位机，从而建立测量装置与上位机软件逡逑之间的通信。上位机软件接收数据，并对数据进行实时处理、显示、保存，并画介电常逡逑数随时间变化图。收发器与上位机链接方式如框图２－２所示。逡逑Ｉ邋Ｉ帷探针Ｉ邋Ｉ温度传感器逡逑！电逦＾邋Ｉ逦ＩＩ逡逑１５电容检测￣逡逑ｊ感逦！模拟＾邋Ｉ逦Ｚ子写ｒｉ冬逡逑！器￣字量＞邋捆－口点逡逑Ｉ邋ＡＤ邋转换逡逑Ｌ…——逡逑图２－１测量装置结构图逡逑Ｆｉｇ．２－１．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑Ｌ邋收发器上位机ｒ逡逑图２－２收发器结构图逡逑Ｆｉｇ．２－２．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ逡逑数据采集过程：测量装置放置在冻干箱内，该装置的电容传感器和温度传感器分别逡逑－１１－逡逑

结构图,收发器,结构图,测量装置

２．１系统设计总迷逡逑本文设计的探针式介电常数测量系统包括测量装置、收发器和上位机软件。测量装逡逑置结构如图２－１所示，包括电容传感器、温度传感器和ＺｉｇＢｅｅ终端节点，其中电容传感器逡逑和温度传感器分别用于测量相对介电常数和冻干箱内温度，ＺｉｇＢｅｅ终端节点用于驱动传逡逑感器，，并读取传感器测量数据，最后发送测量数据到收发器。收发器包括Ｚｉ班ｅｅ协调器逡逑节点和串口转ＵＳＢ电路，其中Ｚｉ巧ｅｅ协调器节点用Ｗ接收测量装置中的Ｚｉ班ｅｅ终端节点逡逑发送的数据，串口转Ｕ犯电路用Ｗ发送数据到上位机，从而建立测量装置与上位机软件逡逑之间的通信。上位机软件接收数据，并对数据进行实时处理、显示、保存，并画介电常逡逑数随时间变化图。收发器与上位机链接方式如框图２－２所示。逡逑Ｉ邋Ｉ帷探针Ｉ邋Ｉ温度传感器逡逑！电逦＾邋Ｉ逦ＩＩ逡逑１５电容检测￣逡逑ｊ感逦！模拟＾邋Ｉ逦Ｚ子写ｒｉ冬逡逑！器￣字量＞邋捆－口点逡逑Ｉ邋ＡＤ邋转换逡逑Ｌ…——逡逑图２－１测量装置结构图逡逑Ｆｉｇ．２－１．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｍｅａｓｕｒｉｎｇ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑Ｌ邋收发器上位机ｒ逡逑图２－２收发器结构图逡逑Ｆｉｇ．２－２．邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ逡逑数据采集过程：测量装置放置在冻干箱内，该装置的电容传感器和温度传感器分别逡逑－１１－逡逑
【学位授予单位】：山西农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S126;S609

【参考文献】