（测试计量技术及仪器专业论文）新型水分快速测定电子天平研究.pdf

摘要 针对长期困扰水分检测领域的测量准确性与测量速度之间的矛盾，本文在传统烘干失 重法基础上，将红夕 烘箱和电子天平相结合，提尚了采用撼于滑块采样的承分检测自适应 数据融合方法、在被测样品皋完全烘干时麓对被测样品水分含鼹进行预佑的耨型承分快速 测定方法，设计了一种新型水分快速测定电子天平。 新型农分快速测是电子天平能在保证毫精度测量的兹提下，使诸多罩亍业广泛采用豹水 分标准检测方法烘于失重法的测量时间从l 4 小时缩短为1 0 3 0 分锄，躬决了传统 烘干失熏法水分检测存在的测量时阗长、操作繁琐、样品在冷却过程中吸收空气中水分造 成附加误差等闻题，具有广阔的应用前最。 全文分为6 部分： 第一章阐述了水分检测的意义，介绍了本文研究背景，归纳总结了本文的创新之处。 第二章介绍了水分检测标准方法烘干失重法的测量原理、研究现状及存在的不 足，提出了一种基于数据融合预估理论的新型水分快速测定电子天平设计思想。 第三章系统地阐述了新型水分快速测定电子天平的工作原理，设计了一种以i n t e l1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 为信怠处理核心的水分测定电子天平测控系统，详细介绍了新型水 分测定电子天平的红外烘箱及单片机系统的设计，给出了电路原理图。 第西章掇出了一种具有良好实时性、自适瘟性、稳健性和准确性的滑块采样数据融合 赣倍方法。利用这种数据融合预估方法，在保证溺量精度的前提下，可大大缩短水分测定 时阀。运过几种典型样品的多次实验，验i 正了算法的逶用性、准确性与可靠牲。 第五章介绍了仪器设计、实验过程中，遇到洳勰决了豹部分关键技术。 第六章总结了论文工作存在的不足，对项目的后续研制提出了改进意见。 关键词：水分快速测定；电子天平；烘干失重法；级外辐射；滑块采样；自适应数据融 合；预估 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an e w h i g h s p e e dm o i s t u r ed e t e r m i n a t i o n b a l a n c eb a s e do nt h el o s so n d r y i n g m e t h o da n dt h ea d a p t i v ed a t af u s i o nt h e o r yw i t hs h i f ts a m p l i n gm e t h o di sp r o p o s e d c o n s i s t e d o ft h ei n f r a r e do v e na n dt h ee l e c t r o n i cb a l a n c e ，t h en e wm o i s t u r eb a l a n c ec a np r e c d i c tt h e s a m p l e sm o i s t u r ec o n t e n tw i t hh i g ha c c u r a c yw h i l et h es a m p l ei ss t i l lu n d e rd r y i n g s oi tc a n s o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es p e e da n dt h ea c c u r a c yo ft h em o i s t u r em e a s u r e m e n tf o ra l o n g t i m e t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt od e t e r m i n et h em o i s t u r ec o n t e n ti s p r o l i x b e c a u s es a m p l e a b s o r b sw a t e ri nt h ea i r , t h ec o o l i n gp r o c e d u r eo f t e nl e a d st oa d d i t i o n a le r r o r s t h en e w m o i s t u r eb a l a n c ec a ns o l v et h e s ep r o b l e m si tc a nr e d u c et h et i m eo fm o i s t u r em e a s u r e m e n tt o 1 0 3 0m i n u t e sf r o m1 4h o u r s 1 1 1 ep a p e rc o n s i s t so f 6 c h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e re x p o u n d st h eg r e a ts i g n i f i c a n c eo fm o i s t u r ed e t e r m i n a t i o n , t h er e s e a r c h b a c k g r o u n da n dt h ei n n o v a t i o no f t h ep a p e r t h es e c o n dc h a p t e rd i s c u s s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dl i m i t a t i o no ft h ep r e s e n ts t a n d a r d m o i s t u r ed e t e r m i n a t i o nm e t h o d st h e nt h en e wm o i s t u r eb a t a n c eb a s e do nt h ed a t af u s i o na n d p r e d i c t i o nt h e o r yi sp r e s e n t e d t h et h i r dc h a p t e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft h en e wm o i s t u r eb a l a n c eb a s e d o ni n t e l1 6 - b i tm i c r o c o n t r o l l e r 8 0 c 1 9 6 k c ，t h e ni n t r o d u c e st h ed e s i g n so fi n f r a r e do v e na n dt h e m c u s y s t e m ，t h eh a r d w a r es c h e m a t i c sa r ea l s op r e s e n t e d t h ef o u r t hc h a p t e rp r e s e n t st h ea d a p t i v ep r e d i c t i o nt h e o r yw i t hs h i f ts a m p l i n gm e t h o dt o s p e e du p t h em e a s u r i n gp r o c e d u r e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sh a v et e s t i f i e dt h a ti t i sa na l g o r i t h m w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h a c c u r a c y , r e a l - t i m er e s p o n s e ，s t a b i l i z a t i o na n da d a p t a t i o n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa l s os h o wt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e i nt h ef i f t hc h a p t e ls o m e k e yt e c h n i q u e st oq u i c k l yo b t a i nt h ea c c u r a t em o i s t u r er e s u l t sa r e i n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ed e f i c i e n c i e so ft h ep a p e ra r es u m m a r i z e d ，a n dt h em e t h o d st oi m p r o v et h e m a r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm o i s t u r ed e t e r m i n a t i o n ；e l e c t r o n i cb a l a n c e ；l o s so n d r y i n gm e t h o d ； i n f r a r e d ；s h i f ts a m p l i n g ；a d a p t i v ed a t af u s i o n ；p r e d i c t i o n 第一章绪论 物质的水分含量是决定物质物理、化学、生物特性的重要指标，其准确测定具有重要 意义。随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，物质的水分检测已广泛运用于生产、 加工、运输、储藏和消费领域。物质中的水分分布复杂，受外界因素影响较大，很难实现 快速、准确测定【1 1 。 本章探讨水分含量对物质的影响，说明水分检测的巨大意义，指出本文的研究背景、 研究思路、工作重点及本文创新之处。 1 1 水分含量对物质的影响 水存在于任何物质中。液体、固体物质中的水分量称为水分含量( m o i s t u r ec o n t e n t ) ， 空气中水分量则用湿度( h u m i d i t y ) 表示【邮i i1 。本文所指水分是液体、固体物质中所含水 分的量，即水分含量。 水分含量是产品质量的一个重要指标。以粮食和畜禽鲜肉为例，它们的水分含量，直 接影响到产品的储藏、加工、贸易与食用。粮食的水分含量一般在1 0 2 7 之间，畜禽 鲜肉的水分含量一般在6 8 7 8 之间，两者分别属于中、高含水物质，与人们生活密切 相关。研究水分含量对粮食、畜禽肉的影响在水分检测领域具有代表性。 1 1 1 水分对粮食储藏加工的影响 粮食储藏规定的各种粮食的安全水分标准，就是在不同的环境条件下，各种粮食结合 水的极限含量i 。对谷类粮食而言，如果水分在1 35 以下，此时粮食的生命活动很微弱， 微生物无法生长发育，粮食不会发霉。随着粮食水分含量的增高，粮食的生命活动不断增 强，酶活力上升，呼吸作用加强，储藏稳定性也随之减弱。水分含量过高，粮食会发热发 霉，或者发芽，失去食用品质与储藏价值。 粮食加工时，要求粮食的含水量适宜。含水量过高、过低都会影响粮食的物理性质和 工艺品质，对加工不利。例如制米，若粮食水分过高，稻粒硬度低，容易碾碎，碎米增多， 出米率降低；若粮食水分过低，稻粒硬度高，也容易产生碎米，降低出米率。因此，水分 含量的高低，直接影响粮食的加工过程。 1 1 2 水分对畜禽肉储藏食用的影响 水分含量也直接影响畜禽肉的加工、储藏、贸易与食用。肉类的水分含量过高，细菌、 霉菌的繁殖加剧，容易引起肉的腐败变质，同时风味变差；而脱水干缩不仅使肉品失重， 造成直接经济损失，而且影响肉的颜色、风味和组织状态，并造成脂肪氧化，营养价值降 低f 5 1 0 近年来，随着城乡生活水平的提高，畜禽鲜肉的食用量越来越大，人们对鲜肉的质量 要求也越来越高。但许多不法商贩为牟取暴利，大量制作注水肉，不但造成消费者直接的 经济损失，还严重威胁人们的身体健康。 1 2 水分检测的意义 据国家粮食储备局公布，我国粮食年产量达4 5 0 0 亿公斤，在收购、储藏、运输等过 程中，因水分含量过高造成的损失高于5 ，折合人民币1 0 0 亿元以上，损失惊人。 使用g o o g l e 中文搜索引擎，对关键字“注水肉”的搜索结果就有3 0 0 0 多条，触 目惊心。我国城乡居民每年至少食用4 0 0 0 万吨家畜禽鲜肉，其中至少1 为注水肉，消 费者购买注水猪肉，在身体健康受到侵害的同时，每年购买的“水”量在2 万吨以上，由 此每年造成的经济损失在l 亿人民币以上【6 】。 物质在运输过程中，若含水量过高的话，就将耗费巨大的财力在水的运输上。以我国 目前的生产力水平来看，运输物资每增加1 的水分，就不得不多花费几十亿元人民币。 在化工、木材、医药、造纸、建筑材料、石油工业、冶炼、陶瓷、食品、烟草、茶叶、 饲料、棉花等行业，水分是决定产品质量和工艺的基本参数，水分含量的准确测定是产品 质量的重要保证。 可见，水分检测对国民经济建设有着积极的社会意义和巨大的经济价值。 1 3 本文的研究背景 2 0 世纪6 0 年代以来，随着人们产品质量意识的提高，水分检测技术开始受到重视， 新的水分测定技术不断出现并得到迅速发展。 水分检测主要方法有：烘干失重法、化学法、电测法和射线法等。除易燃、易爆、易 挥发物质外，绝大部分物质水分检测的标准方法( 仲裁依据) 是烘干失重法，即1 0 5 。c 恒 重法和1 3 0 。c 定温定时烘干法，俗称经典方法【”。而其中传统的1 0 5 。c 恒重法一次测量需 要2 4 小时，水分测定电子天平的测量时间为1 3 小时，而1 3 0 2 快速烘干失重法( 准 确性较1 0 5 方法差) 一次测量至少也需要0 ，5 1 小时。电测法和射线法等水分测定方法， 测量速度快，但测量精度普遍较低，不能作为标准方法和仲裁依据。 作者所在单位研究开发了插杆式粮食水分快速测定仪、肉类水分快速测定仪、粮食烘 干塔水分在线检测系统等系列水分检测设备，产生了较大的社会影响。项目组研究人员对 水分检测有深入的理论研究与丰富的工程经验积累，致力于解决水分检测领域的技术难 2 题，于2 0 0 2 年申请并获得了湖南省杰出中青年专家基金项目“具有阈值约束的新型 数据融合方法及其应用”。该项目研究的目的是提出种具有阂值约束和良好实时性、自 适应性、稳健性与准确性的时变量智能检测数据融合预估方法，建立烘干失重法水分检测 的滑块采样自适应数据融合预估模型，研制一种新型水分快速测定电子天平，在样品烘干 失水前期准确预估样品完全烘干状态的质量，实现对样品水分含量的快速、准确测定。 这一研究思想，是本文研究的基本内容。 1 4 本文的主要工作与创额 1 4 1 本文的主要工作 本文分析传统水分测定标准方法烘干失重法( l o s so nd r y i n g ) 的特点、适用范 围及存在的不足，探讨水分检测技术的发展方向，提出基于滑块采样自适应数据融合预估 理论的水分快速测定方法，在此基础上设计一种新型水分快速测定电子天平。这种仪器能 较好解决水分快速、准确测定的技术难题，操作简便，具有明显节能效果，测量结果可作 为仲裁依据。 新型水分测定电子天平投产后，可望取代传统烘干失重法，产生较大的社会效益与经 济效益。 1 4 2 本文的创新 本文的创新在于： ( 1 ) 提出了基于滑块采样自适应数据融合预估理论的水分快速测定方法，建立了基 于滑块采样的烘干失水过程数据融合预估模型，大量实验验证了模型的通用性、准确性与 可靠性。 ( 2 ) 提出了融合阈值概念。利用融合阈值，可以控制数据融合过程和融合精度，为 数据融合在智能检测领域的广泛应用探索了一条可行途径。 ( 3 ) 设计了一种将红外烘箱与电子天平结为一体，采用数据融合预估方法，在被测 样品烘干失水前期对水分含量进行准确预估的新型水分快速测定电子天平，介绍了以i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c1 6 位单片机为信息处理核心的新型水分快速测定电子天平的组成、工作原理 及硬、软件设计。 ( 4 ) 研究了新型水分快速测定电子天平烘箱温度精确控制、仪器的温漂与时漂补偿、 抗干扰设计等关键技术，为项目研究的产品化奠定了基础。 第二章传统烘干失重法及其不足 本章介绍水分测定标准方法烘干失重法的测量原理、特点、适用范围及其不足， 讨论水分检测技术的发展方向，提出水分快速测定电子天平的设计思想。 2 1 水分测定的标准方法 根据被测物质的性质和特点，水分测定标准方法可分为烘干失重法和化学滴定法( 简 称化学方法) 。前者应用非常广泛，是诸多行业水分检测的标准方法和仲裁依据；后者主 要用于易燃、易爆、易挥发物质的水分测定及样品中微量水分的准确测定 s - l o i 。 水分检测最直接的方法就是把物质中的水分分离出来，从而测得水分含量【8 】。在 1 0 5 的温度下维持足够长的时间，被测样品中绝大部分非结合水和结合水都能挥发出来， 从而可测得水分含量。可见，利用分离法测得的物质水分含量是游离水和结合水的总和。 在水分检测的各种化学分析法中，容量滴定卡尔费休水分测定法最为准确，是国内 外通用的物质水分标准测定方法之一。瑞士梅特勒托利多公司( m e t t l e r - t o l e d o ) 生产的 m 4 - d l 3 i d l 3 8 卡尔费休水分仪，采用永停法的卡尔- 费休滴定法，配合1 1 0 0 0 0 滴定管 分辨率，检测极限可达1 0 p p m i “1 。卡尔- 费休水分测定法是基于“碘氧化二氧化硫时需要 一定量水参加反应”的原理，其反应式为【1 0 j 1 2 + s 0 2 + 3 c 5 h s n + c h 3 0 h + h 2 0 2 c 5 h 5 n h i + c 5 h 5 n s 0 4 c h 3 从碘的消耗量即可算出水分含量。滴定终点既可用反应中的游离碘的颜色判断，也可用永 停法，特别是在测定微量水分或深色样品时必须采用永停法。 本文只研究烘干失重法。 2 2 烘干失重法 烘干失重法也简称烘干法和干燥法。在一定条件下，样品中水分及挥发性组分脱离样 品本体而逸失，失去物质量( 测定前后样品的减轻量) 与样品干燥前质量的比值为水分含 量m 即 m ：罢兰1 0 0 ( 2 1 ) 形 式中，为被测样品干燥前的质量；为被测样品干燥后的质量。 干燥样品的方法很多，根据实验条件的不同，烘干失重法主要有：常压干燥法( 直接 干燥法) 、减压干燥法、高温定时干燥法、红外干燥法、微波干燥法等。 4 2 2 1 直接干燥法 直接干燥法又称经典法，它具有测量准确、测量范围大、应用广泛等特点。 直接干燥法是在正常压力下，以空气作为加热介质对样品进行加热。样品经过一段时 间1 0 5 。c 士2 。c 的恒温干燥，水分挥发逸失，通过称量干燥前后样品的质量，得到样品中失 去物的质量。即水分含量。 测量过程中用到的主要设备有【8 】： ( 1 ) 电热恒温干燥箱( 电热恒温烘箱，简称烘箱) 箱内各点温度差不应超过 i 3 。c ，自动恒温精度应不低于士1 ，升温速度快。 ( 2 ) 称量盘( 瓶) 称量盘( 瓶) 为铝制或玻璃制，内径大于4 5 m m 。 ( 3 ) 天平双盘天平、单盘机械天平或电子天平，其分度值应不低于千分之一克， 即l m g 。 其测量步骤如图2 1 所示， 图2l直接干燥法水分测量步骤 样品制备前，必须清洁称量盘( 瓶) 并将其烘干至恒重。为了保证样品中水分能迅速 挥发逸失，一般样品都要进行制备，通过粉碎、均匀分取等过程，使样品达到粒径小、水 分含量均匀的要求。对高温下容易溢出或飞溅的半固体、液体状态的样品，还要在一定量 的样品中加入定量、纯净、干燥的石英砂以分散样品，扩大水分挥发面积。 2 2 2 减压干燥法 减压干燥法又称负压干燥法。常压干燥法适用于高温下不易分解的样品，而易分解或 高温下存在其它组分变化的样品，如糖制品、味精制品、动物油脂等则可采用减压干燥法。 水分测定时，样品处于低压( 3 5 3 k p a ) 、低温( 4 1 0 04 c ) 环境中。根据热物理学 理论，环境压力降低，水的蒸汽压将降低，样品中的水分挥发温度必然降低。因此，在低 压条件下，较低温度即可使样品中的水分挥发。经过一段时间的减压干燥，即可得到样品 中的水分含量。 2 2 3 高温定时法 经典法一次测量需2 4 小时。若样品在高温下能保持性质稳定，为了提高测量速度， 可采用固定干燥时间、较高温度( 1 3 0 ) 干燥的方法测定水分含量。由于采用高温干燥， 样品中的水分挥发速度加快，高温干燥法水分测定速度快于1 0 5 。c 经典法。 常用的高温定时法为隧道式烘箱法。其测量原理是用隧道式烘箱代替恒温干燥箱，从 而实现试样干燥、称量、结果换算及水分含量显示一体化。根据设定，试样在1 3 0 a ：2 。c 、 3 0 m i n 或1 6 0 士2 。c 、2 0 m i n 两种条件下加热烘干，定时到即直接给出水分含量值。其测量 步骤如图2 2 所示。 图2 2 隧道式烘干法测量步骤框图 隧道式烘箱法具有测量过程连续，操作简便，测定速度快的优点，但是由于在较高温 度下，有些物质中的其它组分不可避免要发生分解、挥发、炭化，且不同物质样品中水分 在固定的时间内( 一般时间较短) 挥发逸失的程度也不尽相同，所以高温干燥法测量精度 相对于直接干燥法较差，需用直接干燥法校正。要保证测量结果有趣好的重复性和准确性， 需认真进行样品制备。准确控制样品称样量，严格控制干燥过程与干燥时间。 2 2 4 红外、微波加热千燥法 红外线和微波均是不可见的射线，在电磁波谱中占有很宽的波段，位于可见光的波长 范围之外。可见光的波长范围约为o3 8 o 7 5 # m ，红外辐射的波长范围约为o 7 5 1 0 0 0 t , m ，波长大于1 0 0 0 t m 则属于微波和无线电波【b 】。 红外或微波加热方式可直接从物质内部加热，作用均匀，直接有效，大大缩短了烘干 时间，因而在加热烘干领域得到了广泛应用。其加热机理及实现方法将在本文33 节论述。 2 3 传统烘干失重法的不足与发展方向 2 3 1 传统烘干失重法存在的不足 烘干失重法测量精度高，测量范围广，但操作复杂，测量时间长，工作效率低。长期 以来，快速、准确的水分检测方法一直是亟待解决的国内外热门研究课题。 为解决这一问题，科研人员通过改进烘干失重法来达到加速测量的目的【】2 】。对烘干 失重法的改进有两个方面：一是加快烘干速度，二是简化操作步骤。利用红外、微波加热 的方法改善被测样品的加热均匀性，可加速样品中的水分逸失，可提高水分测定速度。将 烘箱和电子天平构成一体，可简化测量步骤，使水分测定速度得到进步提高。水分测定 电子天平( m o i s t u r eb a l a n c e ) 就是上述技术改进的结晶。 2 3 2 水分测定电子天平的研究现状 水分测定电子天平的测量机理基于传统烘干失重法，它是随着红外辐射加热技术和 电子天平技术的进步而发展起来的。 利用红外辐射敏感物质对红外线存在吸收峰的特性可加速物质的干燥。红外辐射早 在1 9 世纪初就被发现，之后又发现了远红外辐射。从5 0 年代开始，红外加热技术便锝到 迅速了发展。7 0 年代，日本研究人员提出了“匹配吸收加热的干燥理论”，随之红外加热 技术才广泛应用于工农业生产 1 3 j 。之后十多年内，红外辐射技术的优越性愈来愈被人们 认识，对红外辐射技术的机理与各种物质加热干燥的复杂关系，都处于探索提高阶段。2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代末，红外辐射技术才真正得到广泛应用l l 。 电子天平技术的发展，是新型传感器技术与计算机技术发展的结果。电子天平通常 采用电磁力平衡原理，在称量物体质量时，通过检测磁场中流过线圈电流强度的变化，得 到被测物体的质量。相对于机械天平，电子天平体积小，不存在读数误差，操作简单，无 须阻尼机构，称量速度远远快于机械天平和光学天平，而且还可以实现许多机械天平、光 学天平无法实现的智能功能，例如自动校正、去皮、量程自动转换、故障报警、数据存储 和通信等1 5 i i “i 。 将红外加热烘箱与电子天平结合，可简化烘干失重法测量水分的步骤，提高测量速 度。2 0 世纪8 0 年代，出现了最初的水分测定电子天平。如日本k e t t 制作所研制的f d 6 2 0 水分测定电子天平【1 7 】。我国在8 0 年代也研究出类似产品，如湖南仪器仪表总厂的s c t - 3 水分测定天平、z s t - 1 水分测定电子天平及上海和平仪表厂的m y - i 型水分测定电子天平 ”l 等。利用红外辐射加热被测试样，结合电子天平，使测量时间由过去的2 4 小时缩短 到1 - 3 小时( 测量时间与被测物质结构有关) 。水分测定电子天平的出现，是对传统烘干 失重法的重大改进，它拥有与标准烘干失重法相同的测量精度，可作为仲裁依据。但此阶 段的水分测定电子天平还只是红外烘箱和电子天平的简单结合，虽然简化了操作步骤，但 没有从根本上改变烘干失重法测量时间过长的问题。 2 0 世纪末，国外逐渐出现了智能水分测定电子天平，它不但将红外烘箱与电子天平 结合体，而且利用电子天平中的计算机系统控制红外烘箱，使整个测量过程智能化。由 于影响水分测定电子天平测量速度的主要因素还是被测样品的烘干速度，为加速测量，也 出现了一些新的样品烘干方法，如微波加热、卤素红外加热、混合加热等烘干加热方法， 从而使水分测定速度更快，操作更简便【“l 。国外生产水分测定电子天平的公司主要有【1 9 】： 瑞士梅特勒- 托利多公司( m e t t l e r - t o l e d o ) 、p r e c i s a 公司；德国塞多利斯( s a r t o f i u s ) 公司： 美国o h a u s 公司、a r i z o n a 科学仪器公司、a & d w e i g h i n g 公司、a d a m 公司等，国内有上 海天平仪器厂、湖南仪器仪表总厂等单位。各公司代表产品如表2 1 所示。 7 表2 1国内外现有电子天平产品 采用智能水分测定电子天平测量样品水分含量，操作过程简便，只需将被测样品放 在秤盘上，再经过简单设定，即可在较短时间内得出样品水分含量。由于新的烘干方法的 采用，并结合计算机系统对测量过程的智能控制，水分测量速度得到进一步提高。有关产 品商业报道表明，对特定理想分布样品，国外仪器测量时间最快只需1 5 分钟【”i 。但目前 图书资料和网络检索均未发现利用智能化信息处理方法估计水分检测结果的技术报道。 2 3 3 新型水分快速测定电子天平的提出 水分测定电子天平的出现是对传统烘干失重法的重大改进。水分测定电子天平采用传 统烘干失重法原理来实现水分测定，不但拥有与标准法相同的精度，而且测量速度有所加 快。国外水分测定电子天平水分测量时间一般在1 5 9 0 分钟，在测量速度上相对烘干失 重法有很大改进，但其测量速度仍然较慢。人们希望在获得高精度测量结果同时有更快的 测量速度。但是在烘干加速及测量步骤简化上，现有国外水分测定电子天平技术上已较成 熟，测量速度难以改进。 在国内，我国自主研究、生产水分测定电子天平一直未得到足够重视，整体技术水 平仍停留在2 0 世纪8 0 年代。由上海天平仪器厂生产的d h s 2 0 1 多功能红外水分测定电 子天平，应用远红外辐射加热技术、m c s 一5 1 单片机技术与上皿式电子天平联机组成水分 测定系统，十多年来基本没有多大改进，一次测量时间仍需3 0 分9 w a 上，而且售价高达 1 1 8 0 0 元【1 9 】。2 0 世纪8 0 年代中期，作者导师领衔的课题室研制的z s t - 1 智能水分测定电 子天平，十多年来一直是湖南仪器仪表总厂水分测定仪器的骨干产品，关键技术至今未做 任何改进。 针对水分检测技术现状，作者所在项目组提出了一种具有水分测定预估功能的新型水 分快速测定电子天平。这种仪器将电子天平与红外烘箱结合为一体，利用红外辐射加速试 样干燥，结合单片机信息处理，通过数据融合预估理论，可实现水分快速、准确测定，大 大缩短水分测定时间，降低能源消耗，提高测量效率及仪器智能化程度。这种仪器无须等 到被测样品完全失水，就可准确预估样品的水分含量，可以从根本上解决长期以来烘干失 重法测量时间长的技术难题。 第三章新型水分快速测定电子天平设计 本章介绍新型水分快速测定电子天平的工作原理，给出新型水分快速测定电子天平的 设计组成，简要介绍系统的功能设计。 3 1 仪器的工作原理 在湖南仪器仪表总厂生产的t m p 1 上皿式电子天平的基础上，作者研制了一种新型 水分快速测定电子天平。它利用基于i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 的1 6 位单片机系统，将电子天平与 红外烘箱组成一个有机整体，利用红外辐射加速试样干燥，并采用一系列智能检测与控制 算法，实现水分快速检测。 新型水分快速测定电子天平主要由红外小烘箱、温度传感器、温度控制电路、信号调 理电路、电磁力平衡机构、a d 转换器、单片机、l c d 显示器、打印与通讯接口等部分 组成。其结构原理如图3 1 所示。图中虚线框内为电磁力平衡传感器，其上端为红外烘箱， 右侧为单片机系统【2 0 l 。整个水分测定过程由单片机控制。 图3 1新型水分快速测定电子天平原理图 参见图3 1 ，红外烘干箱内的温度传感器l 将温度信号送至单片机，单片机根据键盘 设定温度及实测红外烘箱温度，通过p w m 控温电路实现对烘箱的精确控温。同时经光电 转换及电阻采样，电磁力平衡传感器将被测样品质量转换为电流信号，该信号经取样电阻 胤转换为电压信号后，通过信号调理电路后送a d 转换器，然后由单片机处理测量信息， 显示、打印或向上位机输出测量结果。 1 0 3 1 1 质量称量原理 水分测定电子天平质量称量范围0 3 0 0 9 ，其中0 3 0 9 量程内，感量为0 0 0 1 9 ，允 许误差为0 , 0 0 2 9 ，量程大于3 0 9 ，感量为0 0 g ，允许误差为0 0 2 9 。 质量称量原理如下：秤盘加载前，电磁力平衡传感器处于初始平衡状态，拉簧的拉力 与秤盘、立柱、动圈、遮光片等可动部分的重力相当，发光二极管d ，的发光被遮光片完 全挡住，硅光电池d 2 的输出电压为0 。秤盘加载后，被称质量为珊的样品重量g 使电磁 力平衡传感器的可动部分带动遮光片发生位移，遮光片的位移使硅光电池d 2 接收到d i 的发光，从而产生一个电压输出信号，该电压信号经p i d 调节，产生一个逐渐增大的电 流，f 流经动圈。载流动圈在永磁体的磁场作用下产生向上的反馈作用力只，使电磁力平衡 传感器的可动部分向上移动。由于p i d 积分环节的存在，流经动圈的电流 逐渐增大， 力e 也逐渐增大直至可动部分回到初始平衡的位置，光敏电池d 2 的输出电压为0 。此时 只= 鼠u 。 ( 31 ) 而 f = 皿，= m g ( 32 ) 由式( 3 1 ) 、式( 32 ) 有 用：土丑u ：k l( 3 - 3 ) g 式中，占为永磁体气隙中的磁感应强度；三为动圈的导线长度；g 为重力加速度；k 为b 、 、膏决定的常数。 式( 3 3 ) 即为水分测定电子天平质量称量的数学模型。 3 1 2 水分测定原理 红外干燥箱的发热元件为红外辐射器件，烘箱温度可设定范围为5 0 - 2 0 0 。c 。为提高 烘干速度，在烘干前，首先应对大样进行分样( 碎化、研磨、均分) 处理，再称取一定量 ( 5 2 0 9 ) 的试样，将试样均匀平铺在称量盘内，以便水分受热蒸发。盛有试样的称量盘 置于秤盘上后，关上红外烘箱，通过键盘设置烘干温度，即可对红外发热元件通电加热。 红外干燥箱内的温度恒定后，电子天平每隔8 s 自动称取一次被测样品的质量，并显 示失水过程中的被测样品质量和失水百分量。水分测定电子天平可以设定多种工作模式： 常规模式、定温定时模式、预估模式等三种模式。在常规模式下，如果连续3 0 m i n 内测 量结果的分散性00 0 2 9 ，即认为达到恒重状态，此时发热元件断电，停止对试样的烘干， 电子天平显示试样烘干后的质量和水分百分比含量；在定温定时模式下，样品根据设定的 温度加热，电子天平每隔8 s 自动称取一次被测样品的质量，所定时间一到，输出样品的 质量既及水分含量 以在预估模式下，单片机根据试样的失水规律，对实测样品的水分 含量进行处理，预估完全失水后的试样质量h 么( 或样品最终水分含量 如) 。 若待测样品烘干前质量为，则试样的水分百分比含量为 m ：w o - w m 1 0 0 ( 3 4 ) 矾 式( 34 ) 即为水分测定电子天平的水分测定数学模型。 水分快速测定电子天平的水分测定原理与标准烘干失重法一致，测量精度优于o 2 ， 水分测量结果可作为仲裁依据。 3 2电子天平的选用与改造 电子天平是应用广泛的实验室精密仪器，主要用于质量称量。与传统的杠杆式机械天 平、光学天平相比，电子天平具有体积小、灵敏度高、响应速度快、结构简单、无读数误 差、稳定性好、可靠性高、智能化程度高等优点f ”j 。 3 2 1 现有电子天平的性能比较 按照测量原理的不同，电子天平可分为光栅式、码盘式、感应同步式、电磁力平衡式、 电阻应变片式及陀螺式等1 6 1 。各种电子天平的方案及其性能列表比较如表3 i 所示。 表3 1 各种电子天平性能比较 、类型 光栅式码盘式感应式电磁力式 曩导粪 陀螺式 项目 系统工作方式开环开环开环闭环开环闭环 各环节要求均严均严均严个别严一般均严 称重位移大大大很小小很小 抗干扰性能较差较差较差好一般好 动态特性较差较差较差较好一般好 信号输出形式数字信号数字信号数字信号模拟信号模拟信号数字信号 线性一般一般一般一般较好线性 温度特性一般一般差一般可补偿很好 工艺和调试 要求高要求高要求高要求一般要求简单要求高 准确度 1 0 1 。1 0 。4l o l o 。4l o 1 0 。4 1 0 4 l o _ 6 l o 。1 0 41 0 4 l o 。7 1 2 考虑到水分测定电子天平水分测量精度( 02 ) 、成本、温度补偿特性( 由于红外烘 箱高温热源的存在，水分测定电子天平的温度补偿尤其重要) 、抗干扰性等因素，经综合 考虑，在各类电子天平中，可选用电磁力平衡式或电阻应变片式电子天平作为水分测定电 子天平的基础仪器。 由于电阻应变片式和电磁力平衡式电子天平易于实现，成本较低，且具有较高测量精 度，所以现有电子天平产品大多采用上述两种原理实现。电阻应变片式和电磁力平衡式电 子天平分别利用了变化法和零位法的称重原理。变化法即利用测量弹性元件的变形和物体 的应变来确定物体的质量；零位法是利用杠杆平衡原理来确定被测物体的质量i “】。 电阻应变片式电子天平具有测量范围广、频率响应特性好、结构简单、尺寸小、重量 轻、价格低廉等优点。但是在大应变状态中，电阻应变片式电子天平具有较明显的非线性、 输出信号微弱，抗干扰能力及动态特性较差，且需对其作较复杂的温度补偿 。基于上 述原因和课题组对电磁力平衡式电子天平具有的研究基础，本项目研究选用电磁力平衡式 电子天平构建新型水分快速测定电子天平。 3 2 。2 电磁力平衡式电子天平 电磁力平衡式电子天平利用电磁力与被称量物体重力相平衡的原理完成力信号一电 信号转换。其结构组成及工作原理己在本文3 i 节水分测定电子天平质量称量原理中进行 介绍。 电磁力平衡式电子天平采用了带有负反馈闭环系统的“零位法”测量方法，因而减少 了机械传动部分的影响，具有较高的准确度。其反馈回路是由电磁线圈与磁钢来实现的， 称之为反向传感器【“j 。系统的负反馈称重调节过程如图3 2 所示。平衡电流发生器( p i d 调节环节) 供给电磁线圈直流电流，使电磁线圈和磁钢相互产生一个电磁力，与载荷重量 相平衡。 图3 2 负反馈称重调节过程框图 较之电阻应变片式电子天平，电磁力平衡式电子天平除了具有较高的测量精度外，抗 干扰特性及温度特性均优于电阻应变片式电子天平，而且其实现原理较简单，工艺要求不 很高。由于水分快速测定电子天平要求试样取样一般为5g - 2 0g ，要达到o2 的水分测 量精度，电子天平的质量称量精度应达到1 x l og 。 为提高仪器的信息处理能力，实现水分含量快速准确测定，项目研究过程中，对选用 的t m p 一1 上皿式电子天平进行了改进，将原天平采用的8 0 3 1 单片机系统改进为基于i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 的1 6 位单片机系统。改进后的单片机系统实时信息处理能力及过程控制能力 得到大大提高。 由于高温热源的存在，对电子天平的温度特性及抗干扰特性有了更高的要求。在原有 电子天平的基础上，本文对电子天平的温度补偿及抗干扰措施进行了重新设计，进一步提 高了水分测定电子天平的温度特性及抗干扰能力，相关关键技术的实现将在本文第五章专 门介绍。 3 3 干燥机理的研究 要加快烘干失重法水分测定速度，关键之一是要提高被铡样品的烘干速度。标准法采 用基于对流传热的传统电阻丝电热烘箱对被测样品进行烘干处理，试样的失水速度慢，测 量效率低。红外法、微波法的加热方式可直接从物质内部加热，大大缩短了烘干时间，而 且还具有清洁、无附件、安装方便等优点，因此在烘干加热领域得到了广泛的应用 2 2 】。 由于微波加热方式一般功率较大，难以控制，而且可能导致辐射泄漏，因此新型水分 快速测定电子天平采用了红外辐射加热方式加速样品烘干。 3 3 1 红外辐射千燥机理 红外线可分为近红外线、中红夕卜线和远红夕 线。国际照明委员会根据石英玻璃仅能透 过波长3 u m 以下的红外线的原则，把波长0 7 6 1 却m 的红外线称作近红外线，1 4 3 m 的红外线称作中红外线，3 1 0 0 0 一m 的红外线称为远红外线13 1 ，其划分如图3 3 所示。图 中，i r - a 、i r b 分别为近红外和中红外线。图3 3 还给出了相应波长对应的色温【2 ”。 3 6 2 0 k2 0 7 0 k9 6 5 k 0 3 舡m o 7 6 , u r n 1 4 u m 舡n li 叩m 图3 3 红外波谱分类图 红外辐射的热传递方式主要是热辐射。其加热机理是，红外敏感物质的分子、原子吸 收与自身固有频率相当的红外线后，不仅发生转动能级的跃迁，还扩大了以平衡位置为中 心的各种运动幅度，宏观表现即为物质温度的升高，从而达到升温干燥的目的。对比基于 对流传热的传统电阻烘箱烘干方式，红外辐射直接从物质内部加热，作用均匀、直接有效， 可大大缩短烘干时间，降低能量消耗和缩小干燥箱体积，而且使用方便，造价低，便于控 温。 3 3 2 物质中的水分 要完全烘干物质中的水分，就必须了解水分在物质中的存在状态及分布。物质中所含 水分的性质，一般可按如下二种方式进行分类 4 1 。按物质与水分间的结合方式，可分为化 学结合水、物理化学结合水、机械结合水分。按物质中所含水分去除的难易分，可分为： ( 1 ) 非结合水分。水分子以偶极作用力、诱导作用力、色散力等分子问力与其它物 质相互作用而被吸附或凝聚在物质的表面、内部及细胞间隙中和分子细胞内。这种水分与 物质纯属机械结合，与物质的结合强度极小，易于除去，也称游离水。它具有普通水的一 般性质，是物质进行生化反应的介质。以谷类粮食为例，其水分达到1 4 1 5 时，开始 出现游离水。 ( 2 ) 结合水分。这种水分主要通过物化结合方式存在于物质中，难以去除。要排除 这种水分，需要消耗较多的能量。结合水一般用以维持物质的生化特性。以粮食为例，干 燥的粮食只含有结合水，其生理活性很弱，故较为稳定，而完全烘干的粮食，将不再具有 其生理特性。 加热烘干被测样品，不但要除去其非结合水分，还要去除其结合水分。传统烘干失重 法烘干过程时间长，主要原因就是结合水分难以去除。而采用红外烘干，通过波长匹配， 就能直接作用于被测样品内部水分，达到加速烘干的目的。 3 3 3 红外波长的匹配吸收 匹配吸收的含义是指红外加热器发射的选择性辐射的频率与被加热物质分子本身的 振动频率相一致，此时引起的共振吸收即 一 为匹配吸收 2 2 】。再8 0 应用红外加热技术时，应确定被测定螫6 0 物质是否为红外辐射敏感物质，以及该物 4 n 质强烈吸收红外线波长的范围。但是水分 。n 被测试样多种多样，难以实现被测样品红 。 外吸收波长的动态匹配吸收。 波长0 m ) 由于被测物中均含有水分，可以通过图3 4 水的吸收光谱 对水的红外吸收光谱匹配来加热试样。水的红外吸收光谱如图3 4 所示。由图3 4 可知水 三蒸 对红外光谱的吸收峰在l 3 k t m 、5 7 # m 或1 4 l 劬m 之间。而且许多物质特别是大部分 有机高分子化合物的吸收光谱位于2 5 2 5 9 m 的远红外区，红外辐射加热的实效区也在 o 7 5 1 5 “m 之间，所以选择红外辐射器的红外辐射峰值波长 与水的吸收峰k 相匹配， 可较好的实现试样加热。因而利用红外辐射脱水干燥，宜选用与水红外吸收峰匹配的辐射 源。 3 3 4 红外辐射传热分析 热源以对流、辐射和传导三种方式把热能传递给被加热的物体。除热源与被加热物体 直接接触外，一般热传导传热所占比例极小，红外辐射传热主要是对流和辐射两种传热方 式。对流传热是通过热空气的对流来传递热量，效率低。辐射传热是利用物体对特定波长 红外线的吸收达到传热目的。红外线和可见光一样都 是电磁波，因此它们具有许多相同的性质。它们都是 按直线传播，遇到物体表面或两种物质的分界面会发 生反射、折射、吸收和透射现象。红外线的传输特性 如图3 5 所示。设入射红外线强度为，被吸收、透射、 反射的强度为厶、厶。可推得：红外线的吸收率a 、 fff 透射率n 反射率p 分别为等、等、等。 图3 5 红外线的传输特性 要提高烘干速度和加热效率，应尽量提高辐射传热的比重。辐射和对流传热所占比例 与辐射元件表面温度、