控制工程师论坛

这是本人前几年搞项目时对检测和精细化的愚见，与大家探讨

粮情检测与精细化分析

一、前 言

21世纪的技术创新进化必然具有鲜明的时代特征，人类必须创造新的生产方式、生活方式与发展模式，在国家储备粮总公司2006年工作会议上，就提出“以仓储环节为突破口，率先推行仓储精细化管理”的工作要求。规范仓储基础工作，应尽量使每一个管理环节数据化。有了数据化，精确性才有了基础，才能依此进行科学核算。精细化管理在不同储备规模、不同地域的承储库体现不同，必须以持续不断的自我改进为动力，提高共性，突出个性，推进精细化管理过程中，积极引导辖区直属库开展科技创新工作，以科技化推进精细化，突破一些关键性的仓储技术，带动仓储科技的开展。近几年随着我国粮食储藏政策的完善，仓房条件和粮仓设备配套、仓储管理工作得到进一步加强，储粮发展方向逐步以通风降温、低温密闭、惰性气体、保质保鲜等绿色生态储粮工程体系发展，我国大部分地区均适宜采用通风降温、低温密闭、保质保鲜等绿色储粮形式，实施绿色储粮管理工作过程中，粮堆温度湿度检测技术将完善计算机粮情检测系统的精细化检测分析控制等工作，在诸多储粮因素中研制适宜同步检测粮堆各部位温度湿度的探头，只精确检测粮堆各部位温度和湿度这两项生态因子，结合储粮的原始资料、粮食储藏技术、空气动力学原理就能以简单的投入，较好的精细化分析控制粮堆生态状况，以简单的形式和较少的投入、精细的分析粮堆生态状况，以最适宜的检测分系控制模式对粮堆低温密封闭环控制，达到不用药剂熏蒸，实现绿色环保现代化储藏的管理。特别在现代粮食绿色保质保鲜储藏中，必须完善对库房粮堆各部位严密及时的温度湿度检测分析和控制，即可达到粮情精细化检测分析管理的工作要求。

二、精细化分析管理中粮食水分介电特性原理分析

我们知道干燥的木材是绝缘体、不导电，而潮湿的木材就具有导电特性，因此导电特性和水有关系;粮食也如此，而我们保管的粮食在安全状态，水分含量少，其导电特性很弱，飘突不定，粮食是由淀粉、蛋白质、脂肪等高分子有机化合物以及水分和微量矿物质组成的混合物。不同品种的粮粒内部存在着不同结构、不同性质的基因，因此粮食的介电特性应是由各种物质结构与成分的综合反映，粮食水分与各种极性基因和微量矿物质结合的数量形式是复杂的，因此其电特性和电导介质也极不确定。1982年由陕西省粮食局提出，陕西省粮科院立项“粮食电学特性研究”的科技研究项目课题，主要研究了关中、陕南、陕北有关地县具有代表性的粮食，粮食在不同含水量下，电学特性的变化规律及其品种、地区间的差异；研究粮食在相同含水量下，电学特性随温度变化的规律。理论上验证了粮食的一些物理指标与电特性和电介质的关联，通过检测不同粮食同样环境和同样粮食不同环境的电特性和电导介质具有不确定的因数，甚至同品种不同地区种植和同品种不同年份种植其电特性也有很大差异，相关补偿因素较多，关系错综复杂。而通过电子技术检测粮堆电特性和电导介质得到粮食水分数据，其关系更为复杂，不同的测量手法及不同农户、不同品种、不同区域、不同土壤、不同施肥状况，其粮食形状、大小、密度、、不同成熟度、不同杂质含量，粮堆的疏松紧密压力及储藏期限不同、季节温差等都会具有不同测量数据的差异，使用中粮堆的导电性能电介质等因素千差万别，其准确性、重复性、稳定性均达不到理想要求。并且由于电路、器件结构局限、特别检测数量的增加，测量方式及测量距离都有所限制，很多技术问题至今也没得到真正解决。因此直接利用粮食的电特性和电介质准确检测粮堆水分含量的自动检测系统尚未完善和实用。

三、精细化分析管理储藏中的粮食水分和湿度

粮粒是具有生理作用的物质，水分子可以通过毛细管的呼吸作用进入粮粒内部，在毛细管内壁凝聚一层水分子，并成多层分子。水分是粮食中的一个重要化学成分，它不仅对粮食籽粒的生理有很大作用，而且对粮食贮藏、加工都有重要影响。粮食中有两种不同状态的水，一是游离水，二是结合水。游离水存在于粮粒的细胞间隙中和毛细管中，粮粒分子间隙的水分子，靠分子间的作用力而吸附，它具有普通水的性质，根据粮食成份不同或些微差异而具有不同的导电能力，是粮食进行生化反应的介质。游离水在粮食籽粒内其含量是不稳定的，随环境温度湿度的变化而变化，能在环境温度湿度的影响下自由出人。贮藏过程中粮食水分的增减，主要是游离水的变化。结合水存在于粮粒的细胞内，与淀粉、蛋白质等亲水性物质相结合，其性质比较稳定，一般不易散失，在105℃的温度下维持一定时间，粮食中绝大部分的结合水都能挥发出来。因此，用烘干法测得的粮食水分，是游离水与结合水的总和。

粮食籽粒和粮堆是具有生命生理作用的物质，时刻进行着消耗陈化和劣变的生命活动，空间水分子可以通过粮食籽粒毛细管的呼吸作用进入粮粒内部，周围环境温度、湿度变化频繁，粮食籽粒毛细管内的水蒸气也频繁的与周围环境中的水蒸气进行交换达到平衡，粮食水分含量也与周围环境湿度而变化，由于密闭粮堆内空间间隙的湿度主要由粮食含水率决定，在粮堆密闭的情况下，由于粮粒呼吸机能和温度的作用下，粮食将时刻与粮堆内空间环境的湿度达到相应的平衡。如果环境温度降低，则粮粒内部的游离水分逸出呈现散湿；如果环境温度升高，则呈现吸湿，粮食的水分增加。粮食在入仓储藏一段时间后，密闭粮堆粮食水分和粮堆湿度变化基本处于相互稳定的平衡状态，由于利用粮食的电特性和电介质准确检测粮堆水分含量的自动检测系统尚未完善和实用，因此同步准确检测粮堆温度湿度即可作为粮堆含水率的分析依据，间接准确地分析确定储粮水分的变化。

粮食储藏中采用水分活度的方式来分析粮堆生态安全状况，水分活度=相对湿度/100，表示湿度与粮堆生态活性的关系，即粮堆湿度大，表明粮堆生态活性旺盛。粮食储藏中要用各种检测项目确知粮堆安全状况，经过对粮食储藏技术的实践研究，对维持生命物质的三大因素以选择检测温度和湿度作为储粮中粮情生态分析的两个主要因子,并可由此分析出粮堆生态状况和安全现状，现在的粮情检测系统中,粮堆温度的检测已趋完善,因此粮食水分和粮堆湿度的检测更需加强和完善。

四、精细化分析管理中粮堆湿度检测的必要性

目前我国粮食的储备陈化质量主要是以限期轮换进行控制，而对粮食的质量要求主要是以能保证粮食在常规储藏条件下不生虫、不发霉和不酸变为标准，这样很难保证粮食的营养价值和新鲜度。而粮食新鲜程度即可代表粮食的营养质量，国内外对粮食营养质量和新鲜程度衡量的检验指标主要有水分、脂肪酸、还原糖、粘度、色泽、香味、酶活性和带菌量等，这些指标中最能反映粮食新鲜度的是香味和酶活性，影响粮食香味和酶活性的最主要因素之一是粮食的水分含量，粮食水分含量不仅影响粮食的安全储藏，而且影响粮食的营养质量。粮食成份中的活性生理因子和营养物质、维生素等随着粮食水分的散失而减少。粮食水分降的过低，不但会影响到粮食的品质和食味口感，由于粮食籽粒中的蛋白质由凝胶状态转化为干胶状态，凝胶空间结构受到破坏，失去粮食品种固有的活性光泽，并且是不可逆转的。因此要保证粮食的新鲜程度，就应在安全前提下适当提高储藏粮食中的水分标准，始终保持粮食在储藏期间有适宜的活性水分含量。储存绿色粮食就是保证粮食的营养质量和新鲜度。为保证储藏粮食的新鲜程度，尽量保持原有风味、质量、重量，减少陈化，利于人们健康、符合环保要求，就要对储藏管理方式进行改革、使之即能长期安全储藏又能保质保量保鲜，在现代粮食绿色保质保鲜储藏中，由于要适当提高粮食水分，粮堆生态保持着潜在的活跃旺盛状态，随时受自身因素和外界影响而有所变化，粮堆湿度水分的准确检测将更显重要；

我国现有的计算机粮情检测分析系统，由于技术原因目前只能检测粮堆温度和仓内空间湿度，一些其它工作（查虫、查霉、化验粮食水分等）则需要仓库管理人员进仓扦样检查，春夏季节气温较高，工作人员进仓会破坏粮堆的密闭效果，引起虫害霉菌感染，因此现有的粮情检测分析控制系统仅此温度和空间湿度数据，并不能全面的检测分析控制储粮状况，根本达不到精细化分析管理的要求，远不能满足现代化粮食储藏管理的需求；

在粮食储藏中，推行仓储精细化分析管理，规范仓储基础工作，用各种检测项目检测分析粮堆安全状况，经过我们对粮食储藏技术的实践研究，对各种粮堆检测项目的组合筛选，在现有的计算机粮情温度检测系统基础上，研制适宜同步检测粮堆各部位温度湿度的探头，只用定期同步准确检测粮堆各部位温度和湿度这两项因素，综合储粮的各类资料，检测分析系统就能以简单的投入，精细的分析粮堆生态状况和安全状况，因此粮堆各温度检测部位同时增设湿度检测和完善相应的分析系统是必不可少的，特别在现代粮食绿色保质保鲜储藏中，必须完善对库房粮堆各部位严密及时的温度湿度检测分析和控制，即可达到仓储精细化分析管理的工作要求。

而水分和湿度是影响粮质变化、虫害、微生物生存敏感的基本因素，所以必须时刻精细的掌握粮堆内各部位和粮面、四周温度、湿度及分析粮食水分变化，以此分析储粮品质、调控合适的粮堆现状。粮堆温度湿度检测分析技术将是现代粮食绿色保质保鲜安全储藏应用的核心装备之一，粮堆温湿度检测技术的应用将使储粮检测分析管理工作更进一步精细化，计算机粮情检测分析系统通过粮堆温度湿度检测技术就可简便的较全面精确的分析粮堆各部位安全状况，分析知道虫害霉菌兹生活动情况，准确的反映和显示出粮堆内部各处温度、湿度、粮食水分、绝对湿度、饱和湿度、露点温度、气体、气流等粮堆状况，结合外温外湿、仓温仓湿及粮质数据、不同虫害霉菌兹生活动的适宜温度湿度状态，同时通过大量同步检测的全仓储粮数据进行统计、综合、预测分析，实时控制指导机械通风、降温制冷、粮仓密闭、精细的控制粮仓设备运行，保证储粮处于安全状况，在诸多储粮因素中只同步检测粮堆各部位温度和湿度这两项生态因子，就能在现有仓储条件下以简单的形式和较少的投入、精细的分析粮堆生态状况，以精密的数据控制粮堆的安全温度、湿度，对粮食不施药不熏蒸，确保储粮品质，实现绿色保质保鲜储粮。使储粮真正达到保质、保鲜，取得较好的社会效益和经济效益，达到低投入、低损耗、高保质、高效益的目的，有利于国家粮食储备安全、有利于推动我国绿色储粮安全运行、有利于提高国际市场竞争能力。

五、精细化分析管理中粮堆湿度检测的成熟性

上世纪50年代以来，国内外粮食科研部门和历来的储藏实践对粮食水分和周围空气湿度的相互关系都作了充分的验证，由于粮食本身的生命特征及各类杂质、虫、霉的不同特性活动参与变化、加之粮堆气体和周围气温季节变化，形成了独特缓变的粮堆生态环境。粮食自身特性与空气流体物理特性作用下，粮食和周围环境时刻进行着温度、湿度、水分、气体的交换平衡，粮食籽粒的水分含量始终与空气中(粮堆内)的湿度进行交换，相互间通过空气对流和呼吸达到一定的平衡，形成不同空气湿度下与粮食水分的一种平衡关系。由于密闭粮堆内的湿度主要由粮食含水率决定，粮食在入仓储藏一段时间后，密闭粮堆粮食水分和粮堆湿度变化基本处于相互稳定的平衡状态，因此准确同步检测粮堆各部位温度湿度即可作为粮堆含水率的分析依据。

近几年也有兄弟单位对部分粮食品种的平衡水分和空间湿度进行验证，我们也不断的在实践中对粮堆平衡湿度等关系进行验证整理规纳，要准确检测粮堆各部位的温度湿度和分析粮食水分，就要选择良好的温度湿度传感器件和粮食平衡水分分析模式，现在的电子技术、计算机技术及空间湿度检测、传感器技术已相当成熟，只是如何将湿度传感器检测技术与电子技术、计算机数据处理技术结合应用到粮食储藏，运用粮食储藏理论和流动空气动力学理论，把检测的粮堆湿度、粮堆温度、气温气湿等和粮质相关的数据建立粮堆生态气候分析模型模式对库房粮情进行分析,以此掌握分析和控制粮堆储粮安全状况.

选用适宜粮堆使用和较高精确度的温度湿度传感器，其检测误差和重复误差控制在很小范围内，温度湿度检测技术的应用同时解决以往粮堆各部位温度湿度检测中存在的一致性、互换性、稳定性、准确性、耐用性、性价比等关键性问题, 温度湿度检测技术必须采用标准接口方式，在全国各粮食储备仓库现有的计算机粮情检测分析控制系统中均可方便的安装连接增设完善，达到同步准确及时精细的检测粮堆各部位温度湿度两项生态因子，

现有的集成数字温湿度传感器已可达到上述要求，其具有如下特点：

  1、 相对湿度和温度一体测量

  2、 精确露点测量

  3、 全量程标定，无需重新标定即可互换使用

  4、超快响应时间

  5、两线制数字接口 (最简单的系统集成，较低的价格)

  6、微小尺寸（20.0 ×3.7×3.1 mm）

  7、高可靠性 (工业 CMOS  工艺)

  8、优化的长期稳定性

  9、可完全浸没水中

  10、基于请求式测量，因此低能耗

  11、具有湿度传感器元件的自检测能力

  12、传感器元件加热应用，亦可获得极高的精度和稳定性

  13、部分品种具有抗化学腐蚀性能（并不能在库房高浓度的药物熏蒸状态下应用）

    集成数字温湿度传感器详细规格

1、相对湿度传感器（RH）

    A 检测范围:  0 to 100 ％ RH

    B 检测精度:  ±2 ％ RH （20 到80 ％ RH ）

    C 检测响应时间:  ≤3  秒

    D  检测复现性:  ±0.1 ％ RH

    E  检测分辨率:  0.03 ％ RH

    F  检测工作温度: -40℃到 +120℃

2、温度传感器（T）

    A  检测范围:   -40℃到 +120℃

    B  检测精度:   ±0.5℃在 25℃时；±0.9℃（0  到 40℃）

    C  检测响应时间: ≤15  秒

    D  检测复现性:   ±0.1℃

    E  检测分辨率:   0.01℃

3、电气数据

A  能耗:  典型 30μW (@ 5 V，12-bit，测量周期 2  秒)

               典型 1μW  (@ 2.4 V，8-bit，测量周期 2  分)

B 供电范围:  2.4 V 到 5.5 V

C 检测电流： 0.5 mA

E 待机电流:  0.3 μA

集成数字温湿度传感器其优异的性能完全能采用电缆等结合方式下入粮堆进行温度湿度的同步检测。由于其抗化学腐蚀性能并不能在库房高浓度的药物熏蒸状态下应用，（可在相对低浓度的药物熏蒸状态和熏蒸放气后残留气体下应用，但对传感器件具有潜在性损害）但完全适合在当今我国大部分地区采用的通风降温、低温密闭、保质保鲜实施储粮不用药物熏蒸等绿色储粮形式下应用。

六、增设粮堆各部位湿度检测的途径

现在的电子技术、计算机技术及空间湿度检测、传感器技术已相当成熟。由于湿度传感器不能密封，必须与空气接触才能检测 ，而且要便于下入粮堆各部位并反复使用不易损坏，经过对湿度传感器件的筛选，以及对湿度传感技术的改进应用，在粮堆检测多年实验探索的基础上，结合集成数字温湿度传感器的特点，开发成检测电缆形式的产品下入粮堆检测温湿度，它可以解决以往粮堆各部位温度湿度检测中存在的一致性、稳定性、准确性、耐用性、性价比等关键性问题,由于集成数字温湿度传感器采用两线制并行数字接口标准，连线简单，完全可在现有的计算机粮情检测分析控制系统的基础上增设完善，根据使用需求，采用由不同型号电缆和集成数字温湿度传感器结合为一体，在电缆上设置一个或多个传感器保护外壳的技术，传感器保护外壳极好的保护了集成数字温湿度传感器，并直接与周围气体连通，传感器保护外壳和电缆本身特性对传感器影响甚小，传感器通过保护外壳传递能快速准确的感知周围或空间环境状况，配备专用的电缆下线器，便于将集成数字温湿度传感器结合为一体的不同型号电缆下入粮堆内部，保证电缆和传感器的安全使用，与现有的计算机粮情检测系统形成网络检测，结合粮堆测量要求，按层次布点，全面准确、快速敏捷等布设特点，电缆的整体性能同时检测粮堆温度、湿度、分析粮食水分及粮堆气流等状态，（也有报道采用金属插杆内设置温度湿度传感器检测粮堆温湿度状况，使用中不便和不易实施，费用大量金属插杆，金属插杆本身及线路的上下连接不易操作，金属插杆本身传导特性上下连通以及对内部温度湿度等传感器颇有影响，不能真实检测该处湿度数据，直接影响检测的准确性，因此并不是采用金属插杆内设置温度湿度传感器就可准确检测粮堆温度湿度，相关技术也还未见成熟应用的报道），在粮堆大批量多部位温湿度检测使用中，电缆的灵活性便于铺设、便于方便的布设放置在空间、粮堆内等不同场合，便于使用安装、便于大面积大批量布设、便于回收存放管理，该技术完全适宜在粮食储藏部门和其他行业大量普及应用。

七、粮堆湿度检测控制精细化分析部分技术项目对比

采用准确同步检测粮堆各部位温度湿度作为分析粮堆含水率的应用，应搜集、整理和完善我国各地区域性粮食品种、不同温度区间、不同湿度下粮食平衡水分数据资料的完整性，结合以往粮食平衡水分和粮食储藏技术、空气动力学原理汇编空气湿度和粮食平衡水分分析模式软件，粮食平衡水分和空气湿度分析模式也可参用气象预报系统中的部分分析技术，储粮虫害繁衍活动分析预防模式可参用成都粮科所的储粮昆虫与螨类识别防治咨询系统。

粮堆增设湿度检测由此可延伸的部分分析控制项目如表：

 计算机粮情检测分析系统通过粮堆温湿度检测电缆技术就可在现有仓储条件下简便的较全面精确的检测粮堆各部位温湿度，通过大量同步检测的数据分析知道虫害霉菌兹生活动情况，准确的分析、反映和显示出粮堆内部各处温度、湿度、粮食水分、绝对湿度、饱和湿度、露点温度、气体、气流等粮堆状况，结合外温外湿、仓温仓湿及粮质数据、不同虫害霉菌兹生活动的适宜温湿度，同时通过大量同步检测的数据进行统计、综合、预测分析，精细的控制粮仓设备等处于安全运行状况，实时控制指导机械通风、降温制冷、粮仓密闭等设备运行，以精密的数据控制粮堆的安全状况.

八、结束语：

粮堆温湿度检测电缆技术将是现代粮食绿色保质保鲜储藏中应用的核心装备之一，将使储粮检测分析管理工作更进一步精细化，在现有的计算机粮情检测分析控制系统的基础上以简单的形式和较少的投入，增设完善同步检测粮堆各部位温度湿度，分析粮堆生态状况，解决粮堆温湿度检测中存在的一致性、稳定性、准确性、耐用性、性价比等关键性问题。粮堆温湿度检测电缆技术的应用将利于国家粮食储备安全、发展绿色生态储粮，达到保质、保鲜，降低储粮成本，达到粮情检测精细化分析管理的要求，取得较好的社会效益和经济效益.