一種水含量測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種水含量測量裝置及測量方法，其測量裝置包括依次相連的水含量測量探頭、接口電路、嵌入式控制器和PWM驅動電路，還包括均與嵌入式控制器相連的電阻電壓轉換電路、智能交互儀器和云端接收與存儲模塊，PWM驅動電路和電阻電壓轉換電路均與水含量測量探頭相連，智能交互儀器和云端接收與存儲模塊相連。水含量測量裝置的測量靈敏度高、精度高，而且其中的恒溫控制結構對稱性好、易實現。本發明提供的測量方法采用多環多級控制方式的多環路兩級PID智能控制算法，并引入智能互補濾波器核心，以最大程度上增強核心區溫度穩定度，避免出現溫度波動；實時讀取數據，控制算法合理靈活，多級遞進，平坦度穩定性好。
【專利說明】
-種水含量測量裝置及測量方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種水含量測量裝置及測量方法，屬于控制系統結構的技術領域。
【背景技術】
[0002] 液體或者固體中水含量的測量在農業和工業上有著廣泛的應用。糧庫中糧食的存 儲需要時刻檢測其中的水含量W免糧食發霉發芽，食用油的存儲也需要時刻檢測其中的水 含量W免食用油變質，工業中，石油制品、化學藥劑等的存儲同樣需要時刻檢測水含量。
[0003] 目前國內的水含量測量方法方式還比較落后，還沒有系統化、連續性的測量裝置 及測量方法方式。通常，糧庫中通常采取烘賠或烘烤稱重法，即取少量樣品，在烘干水分前 后稱量得到前后兩次的重量W計算出其中的水含量，至于食用油等液體類，則通過放置于 容器中烘烤的方式稱量得到前后兩次重量差，運些方法方式精確度低且只能單次采樣測 量，不能實現連續測量。而大型實驗室中，水含量的測量精度雖然非常高，但往往測量儀器 體積龐大，通常為坐立式儀器，并且其實現的也是單次采樣測量。
[0004] 市場上大致有兩類體積小巧的手持式水含量測量儀器，其只能測量各種不同的谷 物，一類是數顯插桿式水分儀，其只有一個細長的測量天線，利用測量天線發射正弦波信號 并同時采集反射回的正弦波信號比較衰減量的方式測得水含量，運種測量方式精度低、靈 敏度差；另一類其原理是通過測量電阻的方式測量水含量的大小，其含有兩根測量金屬天 線，測量時將兩根測量金屬天線插入被測量谷物中，通過測量兩天線之間的電阻來得到谷 物中的水含量值。運種手持式的水含量測量儀器雖然非常便捷，但不能測量液體，尤其是一 些具有一定導電性的液體，因其電阻很小導致測量區分度非常小，并且運種水含量測量儀 器也只能夠單次采樣測量。對于持續不間斷測量一些需要長期儲存的樣品或者監測一些高 危險性的樣品時，顯然，運種手持式測量儀器并不適用。
[0005] 綜上，采用上述方法方式測量水含量具有不夠便攜、不能連續采樣只能單次采樣、 精確度不高、測量靈敏度低、測量范圍不廣的缺點。
【發明內容】
[0006] 本發明的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種新型結構的水含量測 量裝置及測量方法，可提高水含量測量的精確度和靈敏度，實現便捷化的連續采樣。
[0007] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[000引一種水含量測量裝置，包括依次相連的水含量測量探頭、接口電路、嵌入式控制器 和PWM驅動電路，還包括均與嵌入式控制器相連的電阻電壓轉換電路、智能交互儀器和云端 接收與存儲模塊，所述PWM驅動電路和電阻電壓轉換電路均與水含量測量探頭相連，所述智 能交互儀器和云端接收與存儲模塊相連。
[0009]其中，所述嵌入式控制器包括數據接收端口、PWM產生器、串口發送模塊、模擬數字 轉換模塊和PID控制模塊，所述數據接收端口用于接收接口電路傳送過來的數據，所述模擬 數字轉換模塊用于接收電阻電壓轉換電路的數據、并進行轉換后傳送給PID控制模塊，所述 PID控制模塊用于接收模擬數字轉換模塊傳送來的數據并進行處理后傳送給PWM產生器，所 述P歷產生器用于產生相應的P歷波并作用于P歷驅動電路，所述串口發送模塊用于發送數 據給智能交互儀器和云端接收與存儲模塊。
[0010] 而且，所述PID控制模塊包括一級PID控制器和二級PID控制器，所述一級PID控制 器包括第一 PID控制器和第二PID控制器，所述二級PID控制器包括第ΞΡΙ0控制器和智能互 補濾波器;所述第一 PID控制器的輸入端和第二PID控制器的輸入端與模擬數字轉換模塊相 連，所述第一 PID控制器的輸出端和第二PID控制器的輸出端均通過智能互補濾波器與第Ξ PID控制器的輸入端相連，所述第一PID控制器的輸出端、第二PID控制器的輸出端和第Ξ PID控制器的輸出端均與PWM產生器相連。
[0011] 本發明進一步設置為:所述水含量測量探頭包括依次從上到下設置的電容測量探 頭、高介電常數環氧樹脂層和恒溫控制結構;所述電容測量探頭通過接口電路與數據接收 端口相連。
[0012] 其中，所述恒溫控制結構包括絕緣加熱片和測溫傳感器，所述絕緣加熱片包括第 一絕緣加熱片、第二絕緣加熱片和第Ξ絕緣加熱片，所述測溫傳感器包括第一測溫傳感器 和第二測溫傳感器;所述第一測溫傳感器位于第一絕緣加熱片和第二絕緣加熱片之間，所 述第二測溫傳感器位于第二絕緣加熱片和第Ξ絕緣加熱片之間，所述第一絕緣加熱片、第 二絕緣加熱片和第Ξ絕緣加熱片通過加熱片導線引出控制，所述第一測溫傳感器依次通過 電阻電壓轉換電路和模擬數字轉換模塊與第一 PID控制器的輸入端相連，所述第二測溫傳 感器依次通過電阻電壓轉換電路和模擬數字轉換模塊與第二PID控制器的輸入端相連；
[0013] 而且，所述第一 PID控制器的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第一絕 緣加熱片相連，所述第二PID控制器的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第Ξ絕 緣加熱片相連，所述第ΞΡΙ0控制器的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第二絕 緣加熱片相連。
[0014] 本發明進一步設置為:所述串口發送模塊通過RS485轉換模塊與智能交互儀器相 連、通過WIFI模塊與云端接收與存儲模塊相連。
[0015] 本發明進一步設置為:所述水含量測量探頭還包括絕緣油漆，所述電容測量探頭 為正負極對狀梳齒，所述正負極對狀梳齒附著在高介電常數環氧樹脂層上，并浸沒在絕緣 油漆中、通過絕緣油漆固定在高介電常數環氧樹脂層上;所述正負極對狀梳齒包括正電極、 負電極、若干個成對的正極梳齒和負極梳齒，所述正極梳齒并聯于正電極，所述負極梳齒并 聯于負電極，所述正極梳齒和負極梳齒相互交叉平面設置;所述正電極、負電極、正極梳齒 和負極梳齒均采用PCB工藝中的印制覆銅。
[0016] 本發明進一步設置為:所述高介電常數環氧樹脂層采用FR-4材料。
[0017] 本發明進一步設置為:所述正極梳齒和負極梳齒均為15個梳齒，每個梳齒的尺寸 是長為10mm、寬為0.3mm，相鄰梳齒的間隔均為0.6mm。
[0018] 本發明進一步設置為:所述正極梳齒和負極梳齒均等距交叉設置，正極梳齒和負 極梳齒的交叉深度為9.7mm，正極梳齒遠離正電極的一端距離負電極邊緣為0.15mm，負極梳 齒遠離負電極的一端距離正電極邊緣為0.15mm。
[0019] 本發明還提供一種水含量測量裝置的測量方法，包括W下步驟：
[0020] 步驟一，通過水含量測量探頭讀取水含量測量探頭的溫度，并經過電阻電壓轉換 電路和模擬數字轉換模塊處理后傳送給PID控制模塊；
[0021 ]步驟二，設目標變量為T，實際變量為t，它們的差值為Δ，輸出量為OUT，P、I和D分 別為比例、積分和微分系數，在PID控制中，輸出量OUT為差值Δ的比例系數乘積、差值Δ累 加和的積分系數乘積和差值A之微分的系數乘積之和，且差值Δ實時隨著外界參量的改變 而改變，可W表述為：
[0022] 〇υΤ = Ρ*Δ+Ι*Σ Δ+〇*Δ' (1)
[0023] 設第一PID控制器的導入實際變量為ti，差值為Δ 11，輸出量為OUTl，比例、積分和 微分系數為Pll、111和化1;設第二PID控制器的導入實際變量為t2，差值為Δ 12，輸出量為 0UT2，比例、積分和微分系數為Pi2、11沸化2，由公式（1)可得到：
[0024] Aii = T-ti (2)
[002引 Ai2 = T-t2 (3)
[0026] 抓Τ1=Ριι*Δη+Ιιι*Σ Δη+〇ιι*Δη' (4)
[0027] 〇υΤ2 = Ρ?2*Δ?2+Ι?2*Σ Δι2+Οι2*Δι2' (5)
[00%]步驟Ξ，智能互補濾波的輸入量為第一PID控制器和第二PID控制器的輸出量，而 輸出量設為0UT1&2,設α為互補系數，則輸出關系可表述如下：
[0029] 〇υΤ1&2 = α*〇υΤ1+(1-α)*〇υΤ2 (6)
[0030] 將互補系數α與第一 PID控制器和第二PID控制器中的目標和實際的差值Δη和 Δ 12的下一次計算值成比例，差值設為Δ all和Δ α?2，推導如下：
[0037] 步驟四，第SPID控制器的導入實際變量是一個溫度的間接值0UT1&2,再設第Ξ PID控制器的差值為Δ 2，輸出量為0UT3，比例、積分和微分系數為Ρ2、12和化，則推導如下： [003引 Δ2 = Τ-0υΤ1&2 (10)
[0039]
[0041 ] 步驟五，獲得的第一 PID控制器輸出量OUTl、第二PID控制器輸出量0UT2和第SPID 控制器輸出量0UT3分別通過PWM產生器和PWM驅動電路作用于水含量測量探頭，使水含量測 量換頭保持t旦溫狀態；
[0042] 步驟六，通過水含量測量探頭、接口電路和嵌入式控制器讀取數據并傳送給智能 交互儀器，同時傳送給云端接收與存儲模塊。
[0043] 與現有技術相比，本發明具有的有益效果是：
[0044] 1、本發明提供的一種水含量測量裝置的測量靈敏度高，測量精度高；而且水含量 測量裝置中恒溫控制結構對稱性好，易實現。具體體現在，電容測量探頭采用高密度大面積 的基于PCB工藝的覆銅探頭，測量范圍廣、精度高、靈敏度高；恒溫控制結構采用絕緣加熱 片-溫度傳感器-絕緣加熱片-溫度傳感器-絕緣加熱片的疊層形式，多點溫度采樣和多片區 恒溫加熱使得系統控制更加靈活方便，運行更加平穩。
[0045] 2、本發明提供的一種水含量測量裝置的測量方法采用多環多級控制方式的多環 路兩級PID智能控制算法，并引入智能互補濾波器核屯、，有選擇的對于邊緣加熱片進行單級 雙環控制，而對于核屯、加熱片則采用雙級多環輸入加 W互補濾波器的控制方式，W最大程 度上增強核屯、區溫度穩定度，避免出現溫度波動;通過控制系統通過嵌入式控制器實時讀 取數據，控制算法合理靈活，多級遞進，平坦度穩定性好。
[0046] 上述內容僅是本發明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發明的技術手段，下 面結合附圖對本發明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發明的一種水含量測量裝置的結構示意圖；
[0048] 圖2為本發明的一種水含量測量裝置中PID控制模塊的連接示意圖；
[0049] 圖3為本發明的一種水含量測量裝置中水含量測量探頭的正視結構示意圖；
[0050] 圖4為本發明的一種水含量測量裝置中水含量測量探頭的俯視結構示意圖；
[0051] 圖5為本發明的一種水含量測量裝置中恒溫控制結構的俯視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0052] 下面結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
[0053] 如圖1所示，一種水含量測量裝置，包括依次相連的水含量測量探頭、接口電路、嵌 入式控制器和PWM驅動電路，還包括均與嵌入式控制器相連的電阻電壓轉換電路、智能交互 儀器和云端接收與存儲模塊，所述PWM驅動電路和電阻電壓轉換電路均與水含量測量探頭 相連，所述智能交互儀器和云端接收與存儲模塊相連。
[0054] 所述嵌入式控制器包括數據接收端口、pmi產生器、串口發送模塊、模擬數字轉換 模塊和PID控制模塊，所述數據接收端口用于接收接口電路傳送過來的數據，所述模擬數字 轉換模塊用于接收電阻電壓轉換電路的數據、并進行轉換后傳送給PID控制模塊，所述PID 控制模塊用于接收模擬數字轉換模塊傳送來的數據并進行處理后傳送給PWM產生器，所述 P麗產生器用于產生相應的P歷波并作用于P歷驅動電路，所述串口發送模塊用于發送數據 給智能交互儀器和云端接收與存儲模塊。
[0055] 如圖2所示，所述PID控制模塊包括一級PID控制器和二級PID控制器，所述一級PID 控制器包括第一 PID控制器(PID控制器1)和第二PID控制器(PID控制器2)，所述二級PID控 制器包括第SPID控制器(PID控制器3)和智能互補濾波器;所述第一 PID控制器(PID控制器 1) 的輸入端和第二PID控制器(PID控制器2)的輸入端與模擬數字轉換模塊相連，所述第一 PID控制器(PID控制器1)的輸出端和第二PID控制器(PID控制器2)的輸出端均通過智能互 補濾波器與第ΞΡΙΟ控制器(PID控制器3)的輸入端相連，所述第一 PID控制器(PID控制器1) 的輸出端、第二PID控制器(PID控制器2)的輸出端和第SPID控制器(PID控制器3)的輸出端 均與PWM產生器相連。
[0056] 如圖3和圖4所示，所述水含量測量探頭包括依次從上到下設置的電容測量探頭4、 高介電常數環氧樹脂層1和恒溫控制結構2;所述電容測量探頭4通過接口電路與數據接收 端口相連。
[0057] 所述水含量測量探頭還包括絕緣油漆3,所述電容測量探頭4為正負極對狀梳齒， 所述正負極對狀梳齒附著在高介電常數環氧樹脂層1上，并浸沒在絕緣油漆3中、通過絕緣 油漆3固定在高介電常數環氧樹脂層1上;所述正負極對狀梳齒4包括正電極C、負電極D、若 干個成對的正極梳齒A和負極梳齒B，所述正極梳齒A并聯于正電極C，所述負極梳齒B并聯于 負電極D，所述正極梳齒A和負極梳齒B相互交叉平面設置;所述正電極C、負電極D、正極梳齒 A和負極梳齒B均采用PCB工藝中的印制覆銅。
[005引所述高介電常數環氧樹脂層1為中層，采用FR-4材料制成，厚度為1.6mm±0.05mm。
[0059] 所述正極梳齒A和負極梳齒B均為15個梳齒，每個梳齒的尺寸是長為10mm、寬為 0.3111111，相鄰梳齒的間隔均為0.6111111。15個正極梳齒41、42、43、44、45、46、47、48、49、410、411、 A12、A13、A14、A15長為10mm，寬為0.3mm，間隔為0.6mm，同樣的，15個負極梳齒Bl、B2、B3、B4、 65、86、87、88、89、810、811、812、813、814、615長為10111111，寬為0.3111111，間隔為0.6111111，15個正極 梳齒并聯于正電極C，15個負極梳齒并聯于負電極D。
[0060] 所述正極梳齒和負極梳齒均等距交叉設置，正極梳齒和負極梳齒的交叉深度為 9.7mm，正極梳齒遠離正電極的一端距離負電極邊緣為0.15mm，負極梳齒遠離負電極的一端 距離正電極邊緣為0.15mm。
[OOW] 正極梳齒A1和負極梳齒B1間隔為0.15111111，同樣的，81和42,42和82,82和43,43和 B3，B3和A4，A4和B4，B4和A5，A5和B5，B5和A6，A6和B6，B6和A7，A7和B7，B7和A8，A8和B8，B8和 A9，A9和B9，B9和A10，A10和B10，B10和A11，A11和B11，B11和A12，A12和B12，B12和A13，A13和 B13，B13和A14，A14和B14，B14和A14，A14和B14,共有29對正負梳齒電容，間隔都為0.15mm， 正負梳齒和正負電極之間都是兩兩等距的。
[0062] 如圖5所示，所述恒溫控制結構2包括絕緣加熱片5和測溫傳感器6,所述絕緣加熱 片5包括第一絕緣加熱片E、第二絕緣加熱片F和第Ξ絕緣加熱片G，所述測溫傳感器6包括第 一測溫傳感器Η和第二測溫傳感器I;所述第一測溫傳感器Η位于第一絕緣加熱片E和第二絕 緣加熱片F之間，所述第二測溫傳感器I位于第二絕緣加熱片F和第Ξ絕緣加熱片G之間，所 述第一絕緣加熱片Ε、第二絕緣加熱片F和第Ξ絕緣加熱片G通過加熱片導線7引出控制。
[0063] 如圖1和圖2所示，所述第一測溫傳感器Η(溫度傳感器1)依次通過電阻電壓轉換電 路和模擬數字轉換模塊與第一 PID控制器的輸入端相連，所述第二測溫傳感器(溫度傳感器 2) 依次通過電阻電壓轉換電路和模擬數字轉換模塊與第二PID控制器的輸入端相連;所述 第一 PID控制器(PID控制器1)的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第一絕緣加熱 片(絕緣加熱片1)相連，所述第二PID控制器(PID控制器2)的輸出端依次通過PWM產生器和 PWM驅動電路與第Ξ絕緣加熱片(絕緣加熱片3)相連，所述第SPID控制器(PID控制器3)的 輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第二絕緣加熱片(絕緣加熱片2)相連。
[0064] 所述串口發送模塊通過RS485轉換模塊與智能交互儀器相連、通過WIFI模塊與云 端接收與存儲模塊相連。
[0065] 通過第一測溫傳感器和第二測溫傳感器的多點溫度采樣，使用智能互補濾波器為 核屯、，對于第一絕緣加熱片和第Ξ絕緣加熱片進行單級雙環控制，而對于第二絕緣加熱片 則采用雙級多環輸入加 W互補濾波器的控制方式，W最大程度上增強核屯、區溫度穩定度， 避免出現溫度波動，使得系統控制更加靈活方便，運行更加平穩。
[0066] 而Ξ塊獨立的絕緣加熱片分布于探頭底部可W為探頭的測量提供恒定的環境溫 度，并且當探頭裸露于空氣中時，可W提升溫度W加快蒸發探頭表面由于上一次測量所沾 染的被測量液體，保持探頭的干燥，運樣也可W提高測量效率并減小探頭被液體腐蝕的風 險。由于探頭的高靈敏度檢測表面電容面積較大，沾染液體時表面溫度不均勻，所W恒溫控 制結構采用Ξ塊獨立的絕緣加熱片，每塊絕緣加熱片都可W獨立控制，另外兩個溫度傳感 器放置于絕緣加熱片之間可W保證絕緣加熱片的邊緣溫度達到恒定值，采用絕緣加熱片- 溫度傳感器-絕緣加熱片-溫度傳感器-絕緣加熱片的疊層結構，保障了核屯、區的溫度穩定 性。
[0067] 本發明還提供一種水含量測量裝置的測量方法，包括W下步驟：
[0068] 步驟一，通過水含量測量探頭讀取水含量測量探頭的溫度，并經過電阻電壓轉換 電路和模擬數字轉換模塊處理后傳送給PID控制模塊；
[0069] 步驟二，設目標變量為T，實際變量為t，它們的差值為Δ，輸出量為OUT，P、I和D分 別為比例、積分和微分系數，在PID控制中，輸出量OUT為差值Δ的比例系數乘積、差值Δ累 加和的積分系數乘積和差值A之微分的系數乘積之和，且差值Δ實時隨著外界參量的改變 而改變，可W表述為：
[0070] 〇υΤ = Ρ*Δ+Ι*Σ Δ+〇*Δ' (1)
[0071] 設第一PID控制器的導入實際變量為ti，差值為Δ 11，輸出量為OUTl，比例、積分和 微分系數為Pll、111和化1;設第二PID控制器的導入實際變量為t2，差值為Δ 12，輸出量為 0UT2，比例、積分和微分系數為Pi2、11沸化2，由公式（1)可得到：
[0072] Aii = T-ti (2)
[007；3] Ai2 = T-t2 (3)
[0074]抓Τ1=Ριι*Δη+Ιιι*Σ Δη+〇ιι*Δη' (4)
[007引 0UT2 = Pi2* Δ 12+112* Σ Δι2+Οι2*Δ 12' (5)
[0076] 步驟Ξ，智能互補濾波的輸入量為第一PID控制器和第二PID控制器的輸出量，而 輸出量設為0UT1&2,設α為互補系數，則輸出關系可表述如下：
[0077] 〇υΤ1&2 = α*〇υΤ1+(1-α)*〇υΤ2 (6)
[0078] 將互補系數α與第一 PID控制器和第二PID控制器中的目標和實際的差值Δη和 Δ 12的下一次計算值成比例，差值設為Δ all和Δ α?2，推導如下：
[0079]
[0085] 步驟四，第SPID控制器的導入實際變量是一個溫度的間接值0UT1&2,再設第Ξ PID控制器的差值為Δ 2，輸出量為0UT3，比例、積分和微分系數為Ρ2、Ι2和化，則推導如下：
[0086] Δ2 = Τ-〇υΤ1&2 (10)
[0087]
[
[0089] 步驟五，獲得的第一 PID控制器輸出量0UT1、第二PID控制器輸出量0UT2和第SPID 控制器輸出量0UT3分別通過PWM產生器和PWM驅動電路作用于水含量測量探頭，使水含量測 量換頭保持t旦溫狀態；
[0090] 步驟六，通過水含量測量探頭、接口電路和嵌入式控制器讀取數據并傳送給智能 交互儀器，同時傳送給云端接收與存儲模塊。
[0091] 本發明提供的測量方法在核屯、控溫區也就是檢測電容中屯、位置(絕緣加熱片2)， 采用兩級控制的方式，而在兩邊采用一級控制方式，使得散熱量比較大的兩邊控制的反應 速度提高，而核屯、區兩級控制的方式使得溫度控制相對較慢，運樣可W減緩加熱速度縮小 與散熱量的差距，不至于出現較大幅度的溫度變化，在兩個一級控溫點和互補濾波器的輔 助下，核屯、區溫度非常穩定，使得整體結構更加穩定。
[0092] W上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖 然本發明已W較佳實施例掲露如上，然而并非用W限定本發明，任何熟悉本專業的技術人 員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述掲示的技術內容做出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質 對W上實施例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍 內。
【主權項】
1. 一種水含量測量裝置，其特征在于:包括依次相連的水含量測量探頭、接口電路、嵌 入式控制器和PWM驅動電路，還包括均與嵌入式控制器相連的電阻電壓轉換電路、智能交互 儀器和云端接收與存儲模塊，所述PWM驅動電路和電阻電壓轉換電路均與水含量測量探頭 相連，所述智能交互儀器和云端接收與存儲模塊相連； 所述嵌入式控制器包括數據接收端口、PWM產生器、串口發送模塊、模擬數字轉換模塊 和PID控制模塊，所述數據接收端口用于接收接口電路傳送過來的數據，所述模擬數字轉換 模塊用于接收電阻電壓轉換電路的數據、并進行轉換后傳送給PID控制模塊，所述PID控制 模塊用于接收模擬數字轉換模塊傳送來的數據并進行處理后傳送給PWM產生器，所述PffM產 生器用于產生相應的PWM波并作用于PWM驅動電路，所述串口發送模塊用于發送數據給智能 交互儀器和云端接收與存儲模塊； 所述PID控制模塊包括一級PID控制器和二級PID控制器，所述一級PID控制器包括第一 PID控制器和第二PID控制器，所述二級PID控制器包括第三PID控制器和智能互補濾波器； 所述第一 PID控制器的輸入端和第二PID控制器的輸入端與模擬數字轉換模塊相連，所述第 一 PID控制器的輸出端和第二PID控制器的輸出端均通過智能互補濾波器與第三PID控制器 的輸入端相連，所述第一 PID控制器的輸出端、第二PID控制器的輸出端和第三PID控制器的 輸出端均與PWM產生器相連。2. 根據權利要求1所述的一種水含量測量裝置，其特征在于:所述水含量測量探頭包括 依次從上到下設置的電容測量探頭、高介電常數環氧樹脂層和恒溫控制結構； 所述電容測量探頭通過接口電路與數據接收端口相連； 所述恒溫控制結構包括絕緣加熱片和測溫傳感器，所述絕緣加熱片包括第一絕緣加熱 片、第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片，所述測溫傳感器包括第一測溫傳感器和第二測溫 傳感器;所述第一測溫傳感器位于第一絕緣加熱片和第二絕緣加熱片之間，所述第二測溫 傳感器位于第二絕緣加熱片和第三絕緣加熱片之間，所述第一絕緣加熱片、第二絕緣加熱 片和第三絕緣加熱片通過加熱片導線引出控制，所述第一測溫傳感器依次通過電阻電壓轉 換電路和模擬數字轉換模塊與第一 PID控制器的輸入端相連，所述第二測溫傳感器依次通 過電阻電壓轉換電路和模擬數字轉換模塊與第二PID控制器的輸入端相連； 所述第一 PID控制器的輸出端依次通過PffM產生器和PWM驅動電路與第一絕緣加熱片相 連，所述第二PID控制器的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第三絕緣加熱片相 連，所述第三PID控制器的輸出端依次通過PWM產生器和PWM驅動電路與第二絕緣加熱片相 連。3. 根據權利要求1所述的一種水含量測量裝置，其特征在于：所述串口發送模塊通過 RS485轉換模塊與智能交互儀器相連、通過WIFI模塊與云端接收與存儲模塊相連。4. 根據權利要求2所述的一種水含量測量裝置，其特征在于:所述水含量測量探頭還包 括絕緣油漆，所述電容測量探頭為正負極對狀梳齒，所述正負極對狀梳齒附著在高介電常 數環氧樹脂層上，并浸沒在絕緣油漆中、通過絕緣油漆固定在高介電常數環氧樹脂層上； 所述正負極對狀梳齒包括正電極、負電極、若干個成對的正極梳齒和負極梳齒，所述正 極梳齒并聯于正電極，所述負極梳齒并聯于負電極，所述正極梳齒和負極梳齒相互交叉平 面設置； 所述正電極、負電極、正極梳齒和負極梳齒均采用PCB工藝中的印制覆銅。5. 根據權利要求2所述的一種水含量測量裝置，其特征在于:所述高介電常數環氧樹脂 層米用FR-4材料。6. 根據權利要求4所述的一種水含量測量裝置，其特征在于:所述正極梳齒和負極梳齒 均為15個梳齒，每個梳齒的尺寸是長為I Omm、寬為0.3mm，相鄰梳齒的間隔均為0.6mm。7. 根據權利要求4所述的一種水含量測量裝置，其特征在于:所述正極梳齒和負極梳齒 均等距交叉設置，正極梳齒和負極梳齒的交叉深度為9.7mm，正極梳齒遠離正電極的一端距 離負電極邊緣為〇. 15mm，負極梳齒遠離負電極的一端距離正電極邊緣為0.15mm。8. 根據權利要求1至7任意一項所述的一種水含量測量裝置的測量方法，其特征在于， 包括以下步驟： 步驟一，通過水含量測量探頭讀取水含量測量探頭的溫度，并經過電阻電壓轉換電路 和模擬數字轉換模塊處理后傳送給PID控制模塊； 步驟二，設目標變量為T，實際變量為t，它們的差值為Δ，輸出量為OUT，P、I和D分別為 比例、積分和微分系數，在PID控制中，輸出量OUT為差值Δ的比例系數乘積、差值Δ累加和 的積分系數乘積和差值A之微分的系數乘積之和，且差值△實時隨著外界參量的改變而改 變，可以表述為： OUT = P* Δ+1* Σ A+D*A' (1) 設第一PID控制器的導入實際變量為t，差值為Δ η，輸出量為OUTl，比例、積分和微分 系數為Pu、In和D11;設第二PID控制器的導入實際變量為t2，差值為Δ 12，輸出量為0UT2，比 例、積分和微分系數為Pl2、Il2和Dl2,由公式（1)可得到： An = T-ti (2) A 12 = T-t2 (3) OUTl = Pii* Δ n+Iii* Σ Δ n+Dn* Δ u (4) 0UT2 = Pi2* A 12+I12* Σ Δ 12+D12* A η (5) 步驟三，智能互補濾波的輸入量為第一 PID控制器和第二PID控制器的輸出量，而輸出 量設為0UT1&2,設α為互補系數，則輸出關系可表述如下： 0UTl&2 = a*0UTl+(l-a)*0UT2 (6) 將互補系數α與第一PID控制器和第二PID控制器中的目標和實際的差值Δ η和Δ 12的下 一次計算值成比例，差值設為A也和Δ α12，推導如下：、） 由上式(6)、（' ? 將式子(4)和(5)帶入(9)中，進一步得到：步驟四，第三PID控制器的導入實際變量是一個溫度的間接值0UT1&2,再設第三PID控 制器的差值為Δ 2,輸出量為0UT3,比例、積分和微分系數為P2、l2和D2,則推導如下：步驟五，獲得的第一 PID控制器輸出量OUTl、第二PID控制器輸出量0UT2和第三PID控制 器輸出量0UT3分別通過PffM產生器和PffM驅動電路作用于水含量測量探頭，使水含量測量探 頭保持丨旦溫狀態； 步驟六，通過水含量測量探頭、接口電路和嵌入式控制器讀取數據并傳送給智能交互 儀器，同時傳送給云端接收與存儲模塊。
【文檔編號】G01N27/22GK105842306SQ201610341212
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】劉恒, 阮瑋琪, 熊豐, 孫冬嬌
【申請人】南京信息工程大學