糧食水分檢測(cè)方案及綜合分析

1、糧食水分檢測(cè)方案及綜合分析 摘要：糧食在收購(gòu)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和加工的過(guò)程中，水分的檢測(cè)和控制非常重要，現(xiàn)對(duì)目前的糧食水分檢測(cè)方案進(jìn)行總結(jié)和綜合分析，在重點(diǎn)講述電容式和微波吸收式水分無(wú)損檢測(cè)方法的原理、框圖、傳感器特性以及實(shí)現(xiàn)方案的同時(shí)，系統(tǒng)地闡述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的各種糧食水分的測(cè)量的常用方法、原理及其測(cè)量特性。最后，本文給出糧食水分檢測(cè)方案的綜合分析，同時(shí)展望了糧食水分檢測(cè)未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)必定是逐漸朝著系統(tǒng)化、通用化、數(shù)字化方向發(fā)展的。檢索工具：書(shū)籍、網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵詞：糧食水分；水分檢測(cè)；總結(jié)分析1 引言糧食的水分含量是評(píng)價(jià)糧食品質(zhì)的重要指標(biāo)，是糧食檢測(cè)的基本項(xiàng)目。正常的糧食都含有適量的

2、水分，并且水分含量通常保持在一定范圍之內(nèi)，這是糧食維持生命及保持其固有良種品質(zhì)和食用品質(zhì)所必需的。由于受到收獲早晚、成熟度及氣候條件的影響，糧食的水分含量是變化的數(shù)值。糧食水分的檢測(cè)方法概括起來(lái)可分為無(wú)損檢測(cè)和有損檢測(cè)兩大類(lèi)。無(wú)損檢測(cè)是指在不破壞待測(cè)物原來(lái)的狀態(tài)和化學(xué)性質(zhì)等前提下，通過(guò)糧食本身的物理、光學(xué)及化學(xué)特性來(lái)測(cè)其含水量1；有損檢測(cè)則是指在測(cè)量的過(guò)程中待測(cè)物粉碎或發(fā)生了化學(xué)變化，致使其不能保持原有的形狀、結(jié)構(gòu)或組分。在這兩類(lèi)中，無(wú)損檢測(cè)的方法更經(jīng)濟(jì)、快捷，發(fā)展也最為迅速，是當(dāng)今世界水分檢測(cè)的主流。現(xiàn)就糧食水分檢測(cè)淺談其常用的測(cè)量方案并進(jìn)行綜合分析。2 糧食水分無(wú)損檢測(cè)的主要方法2.1 直

3、接干燥法2.1.1 基本原理直接干燥法是指將待測(cè)樣品置于烘箱中，根據(jù) ASAE 標(biāo)準(zhǔn)，在 130 的溫度下保持 19 h，測(cè)量前后的質(zhì)量差，即為其水分含量。2.1.2 方案分析直接干燥法雖然測(cè)量原理簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟，但測(cè)量周期較長(zhǎng)，人為干擾因素多，并且不能進(jìn)行在線測(cè)量.2.2 電容法2.2.1基本原理電容法是根據(jù)水分的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于糧食中其它成分的介電常數(shù)，水分含量的變化勢(shì)必引起電容量變化的原理，通過(guò)測(cè)量與樣品中水分變化相對(duì)應(yīng)的電容變化即可知糧食的水分含量2.代表儀器為 SCY-1A，其測(cè)量精度0.3%，測(cè)量時(shí)間為 5s，測(cè)水范圍為 10%20%，主要影響因素為溫度、品種和緊實(shí)度。該法可進(jìn)行在

4、線測(cè)量。2.2.2電容式水分儀傳感器的測(cè)量原理 電容式水分儀采用圓柱形容器作為傳感器,與采用平板式容器作為傳感器相比,測(cè)量值受邊緣效應(yīng)影響小,操作也較為方便。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示3-4。柱型電容器由兩個(gè)同心金屬圓柱面作為電極組成,兩電極高為L(zhǎng),內(nèi)電極半徑為r,外電極半徑為R。當(dāng)L>>R-r時(shí),可忽略圓柱的邊緣效應(yīng),設(shè)電容器兩極板各帶電荷+q和-q時(shí),電荷均勻分布在內(nèi)外兩圓柱面上,圓柱每單位長(zhǎng)度所帶電荷的絕對(duì)值為K(K=qL),由于兩圓柱面間的電場(chǎng)具有軸對(duì)稱(chēng)性,故兩圓柱間離開(kāi)圓柱軸線距離為s處的電場(chǎng)強(qiáng)度的大小為:兩極板間的電勢(shì)差為：由電容器電容的定義可求得柱型電容器的電容為:當(dāng)放入介

5、電常數(shù)為的物質(zhì)時(shí)相對(duì)介電常數(shù)為r為:放入介質(zhì)后的電容為：把（5），電容的計(jì)算公式即為對(duì)于水分含量為M的糧食,其對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)為r,當(dāng)糧食水分含量發(fā)生變化為M+M時(shí),其相對(duì)介電常數(shù)亦相應(yīng)變化為r+r,由此而引起的電容變化為:所以,電容值相對(duì)變化與糧食相對(duì)介電常數(shù)的相對(duì)變化之間呈線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量電容值的變化求得糧食介電常數(shù)的變化。2.2.3 電容值的檢測(cè)方法目前微小電容值的檢測(cè)方法有運(yùn)算放大電路法、電橋電路法、諧振電路法以及脈沖寬度調(diào)制法等,本文采用了直流充/放電檢測(cè)方法來(lái)對(duì)微小電容進(jìn)行檢測(cè)。該方法不僅有抗雜散電容的能力,而且電路簡(jiǎn)單,檢測(cè)電路如圖2所示。但是它有一些缺點(diǎn):（1）模擬電路

6、的后續(xù)部分需要對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行放大,會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移:（2）充/放電檢測(cè)電路中,采用了CMOS電子開(kāi)關(guān),會(huì)產(chǎn)生注入電流,從而影響測(cè)量精度;（3）在開(kāi)關(guān)切換的瞬間,相鄰兩個(gè)開(kāi)關(guān)要經(jīng)歷由開(kāi)到關(guān)、由關(guān)到開(kāi)的過(guò)渡過(guò)程,然后再達(dá)到穩(wěn)定的充電或放電狀態(tài),影響不可忽略,有效的方法是讓兩個(gè)開(kāi)關(guān)做到先關(guān)后開(kāi)。在這個(gè)電路中,開(kāi)關(guān)S1和S4關(guān)閉, S2, S3斷開(kāi)的半個(gè)周期是充電周期,電荷為: Q1=VcCx （8）Q1經(jīng)放大器1沖電到電容上,這個(gè)循環(huán)過(guò)程以頻率f重復(fù)著,這樣得到一個(gè)校小的流入放大器的平均電流:I1=fQ1=fVcCx (9)放大器1上得到一個(gè)平均輸出電壓:V1=-I1Rf=-fVcCxRf (10)開(kāi)

7、關(guān)S1和S4斷開(kāi),S2,S3閉合的半個(gè)周期是放電周期,經(jīng)過(guò)放大器2對(duì)電容進(jìn)行放電,得到一個(gè)平均的輸出電壓:V2=fVcCxRf (11)這兩個(gè)電壓信號(hào)在差分放大器中相減的到一個(gè)輸出電壓:V3=V2-V1 (12)這個(gè)電路中,在保持f, Vc和Rf不變的情況下,可以得出電容變化Cx與輸出電壓V3的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,將電路的靈敏度提高了一倍。放大器1、2在選擇時(shí),盡量選擇精度高、性能基本一致的器件,最好選用雙封裝的放大器。檢測(cè)電路總體設(shè)計(jì)如圖3所示。通過(guò)做實(shí)驗(yàn)得到不同糧食品種的不同水分含量與所測(cè)得的電壓之間的關(guān)系,以及改變環(huán)境溫度、糧食重量、緊實(shí)度等其他因素引起的所測(cè)電壓的變化,通過(guò)設(shè)計(jì)的電路裝置做大

8、量的實(shí)驗(yàn)找出這些因素之間關(guān)系。即達(dá)到通過(guò)所測(cè)得的電壓值及環(huán)境溫度值得到某品種糧食的水分含量值,然后送LCD顯示。2.2.4 方案分析電容法測(cè)糧食水分含量方便簡(jiǎn)單，可在線快速測(cè)量，但因電容法的影響因素較多，在精度和重復(fù)性方面較難達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。隨著人工智能和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)綜合處理提供了新的途徑，目前也取得了一些可喜的結(jié)果。上面所述的電容式水分儀傳感器就達(dá)到了較高的測(cè)量精度和水準(zhǔn)。2.3微波吸收法2.3.1 基本原理 微波水分檢測(cè)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，它具有檢測(cè)精度高、測(cè)量范圍廣、穩(wěn)定性好、便于動(dòng)態(tài)檢測(cè)、對(duì)環(huán)境的敏感性小、可以在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。微波作為一

9、種頻率非常高的電磁波具有很強(qiáng)的穿透性，它所檢測(cè)的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無(wú)損的情況下檢測(cè)到糧食內(nèi)部的水分含量。糧食中水的介電常數(shù)和衰減因子比其中干物質(zhì)的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場(chǎng)作用下極化，表現(xiàn)出對(duì)微波的特殊敏感性5。微波糧食水分檢測(cè)正是利用水對(duì)微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號(hào)相位、幅值等參數(shù)變化的原理進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。微波水分檢測(cè)正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應(yīng)性差的電容法、電阻法等傳統(tǒng)水分檢測(cè)方法，成為一種理想的糧食水分檢測(cè)技術(shù)。微波水分檢測(cè)可以采用透射式和反射式檢測(cè)方法，其微波傳感器布置如圖3 所示。 圖3 微波檢測(cè)方式 一般物料厚度比較薄時(shí)，采用

10、透射式檢測(cè)方法；物料厚度比較厚，密度比較大時(shí)采用反射式檢測(cè)方法6。微波檢測(cè)是一種深度測(cè)量技術(shù)，所測(cè)結(jié)果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測(cè)量技術(shù)要優(yōu)越得多。2.3.2 方案分析基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)、準(zhǔn)確地對(duì)糧食水分含量進(jìn)行檢測(cè)，為糧食的收購(gòu)、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。 相對(duì)于傳統(tǒng)的電容、電阻等糧食水分檢測(cè)方法，微波檢測(cè)速度快、精度高、穩(wěn)定性好，解決了目前在國(guó)內(nèi)糧食收購(gòu)時(shí)，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)定結(jié)果極不可靠 、不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等問(wèn)題。大量室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足在糧食收購(gòu)、儲(chǔ)藏、加工等過(guò)程中水分含量的檢測(cè)需要，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。2.4射線法2.4.1 基本原

11、理近紅外線反射光譜（NIRS）是在 1964 年應(yīng)用于糧食水分測(cè)定的。由于不同的分子對(duì)不同波長(zhǎng)的近紅外光具有不同特征的吸收，當(dāng)用近紅外光（波長(zhǎng)為 1 940 nm）照射樣品時(shí)，漫反射光的強(qiáng)度與樣品的成分含量有關(guān)，服從朗伯比爾定律。2.4.2 方案分析該方法測(cè)量快速、簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)糧食進(jìn)行烘干，只需在儀器前流動(dòng)即可檢測(cè)，但僅屬于表面測(cè)量技術(shù)，很難反映整個(gè)物料的體積水分（內(nèi)部水分），測(cè)量精度受糧食籽粒的大小、形狀和密度影響。2.5 紅外線加熱干燥法紅外線加熱干燥法是利用紅外線加熱樣品使其失水，從而達(dá)到測(cè)量水分含量的目的。主要影響因素為溫度和加熱時(shí)間，該法不能進(jìn)行在線測(cè)量。3 糧食水分有損檢測(cè)的主要方

12、法3.1 烘箱法3.1.1 105恒重法 用比水沸點(diǎn)略高的溫度（105°±2）使經(jīng)過(guò)粉碎的定量式樣中的水分全部汽化蒸發(fā)，根據(jù)所失水分的質(zhì)量來(lái)計(jì)算水分含量。該方法是水分檢測(cè)最常用的標(biāo)準(zhǔn)方法之一7。3.1.2 定溫定時(shí)烘干法 該方法又稱(chēng) 130°±2電烘箱法。其原理為：在一定規(guī)格的烘盒內(nèi)稱(chēng)取經(jīng)過(guò)粉碎的試樣，在規(guī)定加熱溫度的烘箱內(nèi)烘干一定時(shí)間，烘干前后質(zhì)量差即為水分含量。3.1.3 雙烘法 雙烘法主要用于測(cè)量高含水量糧食。測(cè)量時(shí)，先稱(chēng)取整粒試樣 2030g，放入 105烘箱中烘干30min，取出冷卻稱(chēng)質(zhì)量，然后粉碎，再用 105恒重法進(jìn)行烘干測(cè)量。3.1.4

13、隧道式烘箱法 隧道式烘箱法也是定溫定時(shí)法的一種，它將象限秤與烘箱結(jié)合起來(lái)，烘干試樣后無(wú)需冷卻可直接用象限秤稱(chēng)量，并可在象限秤上直接讀出試樣的水分含量。3.2 快速失重法、減壓干燥法與直流電阻法3.2.1 快速失重法 該方法是在物料的極限失重溫度下烘干物料，與經(jīng)典烘箱法的主要區(qū)別是烘干溫度不同。它可以測(cè)量一切粉體物料，目前主要用來(lái)測(cè)量玉米水分。3.2.2 減壓干燥稱(chēng)重法 該方法利用真空處理技術(shù)、微小定量測(cè)定技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)測(cè)定水分的。它不受被測(cè)物料形狀影響，無(wú)需特殊的預(yù)處理，操作簡(jiǎn)便，可靠性高，并可檢測(cè)微量水分。代表儀器為 VME 型，測(cè)量精度為0.01%，測(cè)水范圍為 0.01%10%。該法

14、不能進(jìn)行在線測(cè)量。3.2.3 直流電阻法干燥糧食的直流電阻很大，而水的電阻很小，被測(cè)樣品的含水量的變化勢(shì)必引起其導(dǎo)電能力的變化。含水量越高，電阻越小，通過(guò)測(cè)量樣品的電阻，即可以間接地測(cè)定含水量。由于被測(cè)樣品的電阻較大，影響檢測(cè)取樣，必須降低電阻以獲得更大的取樣信號(hào)，因此該方法一般要求將樣品粉碎后再進(jìn)行測(cè)量8。代表儀器為 LSKC-4B，測(cè)量精度為±0.5%，測(cè)水范圍為 10%20%，主要影響因素為溫度、品種、緊實(shí)度和電極間距。該法可進(jìn)行在線測(cè)量。4 糧食水分檢測(cè)方法分析糧食水分檢測(cè)總體上可分為直接法和間接法兩大類(lèi)。直接方法是通過(guò)干燥方法和化學(xué)方法，直接檢測(cè)出糧食中的絕對(duì)含水量，檢測(cè)精

15、度高，但費(fèi)時(shí)，不適于在線和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。間接法是通過(guò)檢測(cè)與水分有關(guān)的物理量（例如物質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等），間接地測(cè)定物質(zhì)的水分，一般速度較快，易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。目前比較常用的是烘箱法，當(dāng)然，也有其他方法被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。5 水分檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)水分儀的種類(lèi)雖然很多，但其市場(chǎng)潛力卻不盡相同，計(jì)算機(jī)技術(shù)、原子技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，給糧食水分檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。為了實(shí)現(xiàn)全數(shù)字、實(shí)時(shí)在線測(cè)量，就必須要有快速無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為保證。隨著對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的需要，無(wú)損檢測(cè)儀器將逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，大規(guī)模可編程邏輯器件和數(shù)字信號(hào)處理器的推廣和成本的降低，必將加速其在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)上的應(yīng)用，不僅提高信號(hào)采集和處理速度，滿(mǎn)足市場(chǎng)大量實(shí)時(shí)性要求，也將縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，增加硬件的功能和擴(kuò)展性。計(jì)算機(jī)軟件及硬件在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)上的應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)溫度等重要檢測(cè)因素的自動(dòng)補(bǔ)償，使檢測(cè)儀器由過(guò)去的單一化向多用途方向發(fā)展，適用于多種不同環(huán)境下的無(wú)損檢測(cè)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展會(huì)為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享和遠(yuǎn)程控制，避免人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。參考文獻(xiàn):1 陳 斌.黃星奕.食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:29-30.2黃操軍.田芳明. 糧食水分檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)J.