（检测技术与自动化装置专业论文）桑枝屑含水率快速检测方法及检测设备的研究.pdf

摘要 随着我国食用菌产业迅速发展，食用菌培养基原料供给不足。桑枝屑作为新 型、优质的培养基原料，不仅解决了食用菌产业原料供给不足的瓶颈，而且可以 充分利用可再生资源，增加桑蚕生产附加值，促进我国食用菌产业的可持续发展。 在桑枝屑食用菌培养基自动化生产线中，含水率检测是一项难题。桑枝屑属 于颗粒极不规则的散碎物料，杂质含量高，物料紧密度受外界影响大，而且检测 对象桑枝屑干料和培养基成品属于电测法等间接测湿法的“盲区”( 前者含水率 过低，后者含水率过高) ，检测难度大、重复性差；而烘干称重法等直接测湿法 存在着时间长，人工参与多，物料易燃等缺点，对于物料快速检测尚显不足。因 另外，由于农业废弃物长期不受重视，相关应用研究尚处空白。 本课题针对桑枝屑的特点，作含水率的快速检测方法与检测设备的研究。 首先综述了各类含水率检测方法的优缺点及适用范围，确定了桑枝屑快速检 测适用方法。 根据高温真空试验和微波烘干试验，绘制了物料的干燥曲线，分析了干燥机 理，掌握了其干燥特性。通过分析和对比，确定微波烘干法在快速性和准确度上 具有明显优势，采用微波烘干法作为最终的检测方案。 作者采用正交试验法分析了初始质量、初始含水率、微波功率、烘干时间等 因素对干燥过程的影响，摸索出适合低含水率区间桑枝屑的最佳干燥工艺参数， 据此确定了桑枝屑干料的实际检测方案。 为了解决高含水率桑枝屑( 培养基成品) 的检测问题，本文基于神经网络理 论，采用系统辨识方法对桑枝屑的干燥过程建模，并以该神经网络模型预测物料 含水率，实现高湿度桑枝屑的水分的快速检测。通过m a l a b 软件仿真，预测误差 符合检测要求。 在上述研究基础上，本文以微波实验炉、c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机、p c 构建检测系 统，进行下位机软硬件设计，上位机软件研发。检测设备己通过测试，并已上线 使用。 虽然存在诸多不足，但是为实现不同湿度桑枝屑快速检测做了有益的探索。 关键词：桑枝屑，含水率检测；系统识别；m a t l a b ；c 8 0 5 1 f 0 0 5 t h er e s e a r c ho nt h er a p i dd e t e c t i o nm e t h o d sa n de q u i p m e n t s f o rt h em o i s t u r ec o n t e n to fm u l b e r r ys a w d u s t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe d i b l em u s h r o o m si n d u s t r y ，r a wm a t e r i a l sf o r c u l t u r em e d i u mo fe d i b l em u s h r o o m sa r ei nt h es i t u a t i o no fd e f i c i e n c y a san e wa n d h i g hq u a l i t yr a wm a t e r i a l s ，m u l b e r r ys a w d u s tn o to n l ym e e t st h er e q u i r e m e n tf o r r a p i dd e v e l o p m e n to fe d i b l em u s h r o o m si n d u s t r y ，b u ta l s ot a k e sf u l la d v a n t a g eo f r e c y c l i n gr e s o u r c e ，p r o t e c t st h ee n v i r o n m e n ta n di n c r e a s e s a d d i t i o n a lv a l u eo f s i l k w o r mp r o d u c t i o n ，a c c e l e r a t et h ep e r s i s t e n td e v e l o p m e n to fe d i b l em u s h r o o m s i n d u s t r y i nt h e p r o c e s so fm a k i n g c u l t u r em e d i u mb ya u t o m a t i cp r o d u c tl i n e ，t h e d e t e c t i o no fm o i s t u r ec o n t e n t ( m c ) i sac h a l l e n g e m u l b e r r ys a w d u s ti sas o r to f l o o s ea n db r o k e nm a t e r i a lw i t hi r r e g u l a rs h a p e s w i t ha b u n d a n tm i x t u r e ，v a r i a b l e t i g h t n e s so ft h em a t e r i a lc a u s e db yi t ss u r r o u n d i n g ，s ot h em o i s t u r ec o n t e n t ( m c ) o f t h em a t e r i a li si m p o s s i b l ym e a s u r e dt h r o u g ht r a d i t i o n a ld e t e c t i v et e c h n o l o g ys u c ha s e l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t a n dt h er a wm a t e r i a la n dt h ef i n i s h e dp r o d u c to fc u l t u r e m e d i u m ，w h i c ha r et h eo b j e c t si nd e t e c t i o n ，a r ej u s ti nt h eb l i n ds p o t so fm c d e t e c t i o n 。b e c a u s eo ft h ee x c e s s i v el o w l e v e lm co rh i g hl e v e lo n e i na d d i t i o n ， t r e a t e da so f f a la ta l lt i m e s t h es i t u a t i o no fr e l e v a n tt h e o r i e si sn a u g h t t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e s e a r c ho nd e t e c t i v em e t h o d sa n de q u i p m e n t sf o r m u l b e r r ys a w d u s tm c f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa l ls o r t s o fd e t e c t i v em e t h o d s c o n s e q u e n t l y ，w e i g h i n gm e t h o d ，w h i c hi n c l u d e sv a c u u m d r y i n ga n dm i c r o w a v ed r y i n g ，i sf i g u r e do u ta st h eb a s i cp l a n b yt h ee x p e r i m e n t so f v a c u u md r y i n ga n dm i c r o w a v ed r y i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e s e a r c ho n d r y i n gc u r v eo fb o t hm e t h o d s ，a n a l y z e st h ed r y i n gm e c h a n i s m s ，c o m p a r e s t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ei nt h ea s p e c t so fv e l o c i t ya n de x a c t n e s s a sar e s u l t ， m i c r o w a v ed r y i n gi st h eo p t i m a ld e t e c t i v em e t h o d s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e st h ea n a l y s i so ff a c t o r si nm i c r o w a v ed r y i n gb y o r t h o g o n a ld r y i n gt e s t ，t h e np r o p o s e dt h eb e s t c o m b i n a t i o no fm i c r o w a v ed r y i n g c r a f tp a r a m e t e rf o rl o wm cm a t e r i a l s ，w h i c hc a nb eu s e di nt h ep r a c t i c a ld e t e c t i o no f l o wm c b u t f o rt h em e d i u ma n dh i g hm cm a t e r i a l s ，t h em e t h o di sn o ts u i t a b l e b e c a u s eo ft h el a c ko fv e l o c i t ya n dc o n v e n i e n c e a i m i n ga tt h es o l u t i o no fd e t e c t i o no ft h et h ef i n i s h e dp r o d u c tw i t hh i g hm c ， t h ed i s s e r t a t i o nc o n s t r u c t s d r y i n g m o d e lo fm u l b e r r ys a w d u s t b ys y s t e m i d e n t i f i c a t i o n w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t r a i n st h e n e t w o r kb a s e db vi 0d a t ai ns y s t e m ，o b t a i n st h er e l a t i o nh i d d e nb e h i n dt h ei 0d a t a i nt h er e s e a r c h ，d r y i n gm o d e l sa r ec o n s t r u c t e dt h r o u g hb p ，r b f ，e l m a nn e t w o r k a n dt h ee l m a ni sr e g a r d e da st h eb e s tc h o i c et h r o u g hc o m p a r i s o no ft h ea c c u r a c yo f f o r e c a s td a t a l a s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ed e t e c t i v es y s t e mm a d eu po fc 8 0 5 1 f 0 0 5 ， p c ，m i c r o w a v eo v e n ，a n df i n i s h e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n d e s p i t es o m e f a u l t s ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h em e t h o d so fd e t e c t i o nf o rm co fm u l b e r r y s a w d u s t k e yw o r d s ：m u l b e r r ys a w d u s t ，d e t e c t i o no fm o i s t u r ec o n e t e n t ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ， m a t l a b ，c 8 0 51f 0 0 5 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均己说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名； 导师签名： 王冠 淼 日 期：口，7 耸占月羽 致谢 在本文完稿之际，衷心感谢我的指导教师冯谦教授和郁昊副教授。本文 是在他们的悉心指导下完成的，他们从研究方向选择、关键内容确定、试验 方案设计、试验的调试以及试验数据的处理等等各个环节都给予了我重要的 理论指导，并在他们的严格要求与悉心指导下，我的论文才能顺利完成。两 位导师严谨的治学作风、富于远见的学术眼光、渊博的学识是我受益匪浅， 他们是我今后学习和工作的榜样。谨此再次向两位导师表达我深深的谢意和 诚挚的敬意! 感谢同学和朋友给我的论文提供了许多的帮助。 感谢我的父母多年来在我的求学道路上给予我始终如一的支持与无私的 关怀。在学业完成之际，向一直含辛茹苦供我读书的父母表达我最深挚的谢 意! 感谢所有关心过我、帮助过我的人们! 王冠 2 0 0 7 年6 月1 7 日 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于江苏省科技攻关项目“桑枝食用菌培养基自动化加工成套装备 与技术的研究”。 近年来，国内食用菌产业发展十分迅速，我国2 0 0 2 年食用菌总产量达8 7 6 万吨，产值4 0 0 多亿，出口创汇达5 亿美元，是全世界食用菌发展最快、产量最 大的国家。食用菌产业已逐步发展成为我国现代农业的重要组成部分，同种植业、 养殖业并驾齐驱，成为农业的三大支柱产业。 培养基是食用菌生长发育的人工配制土壤，主要以树木碎屑为原料制作而 成。随着食用菌产业的快速发展，对培养基的需求大幅增长。国家森林保护政策 制约了林木原料的供应，加上平原地区原材料匮乏，加快研究开发新的木屑型培 养基已迫在眉睫。各地都在开发以农作物秸秆及工业下脚料为培养基原料。 我国是世界蚕桑大国，拥有1 1 2 5 万亩的巨大桑树资源，每年桑树经夏、冬 两伐修剪都会产生大量的废弃桑枝。研究与实践表明，桑枝条经粉碎、加工后是 培育食( 药) 用菌的优质基料，以此产出的食用菌，营养价值高、口感好，无农 药残留，是真正的绿色食品，更易进入国际市场。开发桑枝屑为主料的食用菌培 养基，可以充分利用可再生资源，保护环境，增加蚕桑生产附加值，增加农民收 入，实现将资源优势转变为经济、社会和生态效益，促进我国蚕桑业、食用菌产 业乃至生态型农业的可持续发展。 江苏省重点攻关项目“桑枝食用菌培养基自动化加工成套装备与技术的研 究”利用机电液一体化技术，研发了食用菌培养基自动化加工生产线，规模化 加工废弃桑树技，为食用菌生产提供丰富的原料，解决我国食用菌产业链中原料 制备和供应的滞后问题，提高劳动效率、降低劳动强度和生产成本，促进食用菌 培养基生产的产业化、工厂化和规模化。 1 1 2 课题研究的目的和意义 在培养基基料自动化、规模化生产流程中，桑枝屑含水率的检测是研究的重 点和难点之一：物料上线前，含水率的快速检测将为后续工序提供工艺参数；产 品下线后，含水率的准确检测又完善了产品质量保证体系，确保了培养基成品合 格率、食用菌产品的质量规格，对于生产线的自动化控制水平与产品质量具有重 要意义。 桑枝屑属于颗粒极不规则的散碎物料，杂质含量高，紧密度变化受外界影响 大，难以采用电测法等传统检测手段；由于原料含水率过低，而成品含水率则过 高，都属于含水率检测的“盲区”，检测难度大、重复性差。另外，由于农业废 弃物长期不被重视，相关领域的应用研究尚处空白。 本课题针对桑枝屑这种颗粒不规则的散碎物料，做含水率快速检测方法与检 测设备的研究，开发出与桑枝屑培养基自动化生产线配套的物料含水率快速检测 装备。 i 2 课题的研究内容及技术路线 作者通过对各种水分快速检测方法进行调研、实验与分析，发现热风烘干法、 高温真空法、微波烘干法三种方法( 同属于烘干称重法) 具有测定范围宽，测定 精度准，适合测定散碎物料等优点，较适合课题需要。 由于桑枝屑这种散碎物料的干燥特性的研究目前尚处于空白。作者采用热风 烘干、高温真空、微波烘干等三种方法进行干燥试验，得出了桑枝屑的干燥曲线， 分析其干燥机理，掌握了桑枝屑的干燥特性，并确定一种测定周期最短，准确度 最高，最适合课题的检测方法。 此后，通过正交试验分析了初始质量、初始含水率、微波功率、烘干时间等 不同因素对桑枝屑微波干燥过程的影响，并以一组最佳工艺参数作为低含水率桑 枝屑干燥的检测方案。 作者还发现，在本课题的研究中，高含水率桑枝屑的快速测定是一项难题。 由于干燥时间长，且干燥过程中各种因素随机干扰作用难以控制，重复性差，不 宜作为实际测定方法。作者利用人工神经网络的系统辨识特点，选择最适当的神 经网络模型逼近桑枝屑实际干燥模型，并用该模型预测桑枝屑含水率值。作者拟 采用m a t l a b 的神经网络工具箱对辨识与预测过程进行了软件仿真。 在上述研究的基础上，作者采用微波实验炉、单片机c 8 0 5 1 f 0 0 5 与上位机 p c 组成的系统进行集成开发了检测设备，下位机、上位机软件编程与调试，完 成一个与桑枝屑培养基自动化生产线配套的含水率快速检测装置。 1 3 国内外研究动态 目前，国外木材含水率检测研究主要集中在实体木材( s o l i dw o o d ) 即锯材 ( 成材) 领域，主旨在于提高大型板材的干燥速率和质量。比如：加拿大国微波 干燥山毛榉【9 1 、前苏联高温红外辐射干燥松木【1 1 1 、美国高温高速喷射干燥黄杨木 u o 】及低温蒸气干燥水青冈的干燥动力学参数i l ”。 在散料水分检测领域，国外已有用于粮食和烟草行业的含水率检测仪，如： 日本s d n 米麦循环干燥机【1 3 】( 测量范围1 0 - 2 5 ) 、加拿大d m - 1 5 0 系列干燥控制 机 1 4 l ( 1 0 - 2 5 ) 、n d c 红外在线水分仪t m 7 1 0 ”i 及瑞典波通仪器的谷物近红外测 定仪等。但是检测物料多为颗粒均匀的非木质物料，水分测量范围多低于纤维饱 和点( 约3 0 以下) ，且价格昂贵。 2 在国内，木材含水率快速检测水平较低，主要集中在小型便携式木材含水率 检测装置，检测对象多为低湿度、木质均匀致密的板材。如：s t - 8 5 数字式木材 测湿仪( 6 3 0 ) 和p t - 8 5 袖珍式木材测湿仪( 6 2 8 ) 。 在国内散料水分检测领域，主要产品如：上海青浦绿洲检测仪器有限公司 l d 5 - 3 a 型粮食水分监测仪( 水分测量范围：1 0 一2 5 ) ，l s k 插杆式水分检测仪【1 6 1 等。但目前的水分快速测定仪受间接检测原理的限制，不能排除各种相关因素的 影响，检测的局限性较大，普遍存在检测误差大与重复性差等问题，未能得到广 大用户的首肯和国家有关部门的认可，达不到推广使用的条件。 对于桑枝屑这样的非均匀木质散料，由于其试验可重复性差、材料的组成、 密度、形态等因素均不确定，且资源分布不均( 国外由于林业资源情况不同，不 采用木质散料做培养基原料) ，所以目前尚无针对该物料的成熟的含水率快速检 测方法。 本课题进行含水率快速检测的研究，并研发了桑枝食用菌培养基含水率的快 速检测设备，为改变目前国内食用菌基料生产的落后状况作出贡献。此项研究在 国内尚处首创。 2 1 概述 第二章木废料含水率检测方法的综述 木材在采伐和加工过程中产生大量散碎木料，俗称“木废料”。它的来源复 杂一一主要由木材采伐剩余物、制材与木制品加工剩余物、各种人造板加工剩余 物组成。在我国，“木废料”长期被作为工农业废弃物，由于数量巨大，增长迅 速，造成环境污染，同时也浪费大量的资源。近年来，研究人员和木材生产、加 工企业逐渐重视木废料的处理和再生利用问题。木废料的再生利用的途径，主要 包括燃料、人造板、农副业生产( 如食用菌基料) 、工业原料等几类。 在各类生产中，物质含水率是重要检测和控制参数之一，其控制精度直接影 响到后续工序的进行和产品性能的优劣。但是针对散碎木料的含水率测定的研究 目前尚处空白。 桑枝屑是由每年桑树冬夏两伐产生的废枝粉碎而得，属于典型的“木废料”。 对桑枝屑含水率的研究，不仅对其再生利用必不可少，对其他“木废料”的循环 再利用也有重要的借鉴价值。 本章节从含水率的概念出发，介绍木材中水分存在的类型，最后综述了各类 含水率检测方法，介绍不同方法的优缺点，以及适用范围。通过对比、分析，确 定了桑枝屑快速检测的适用方法。 2 1 1 含水率的概念 物质含水率是造纸、烟草、食品等众多领域工业生产过程中的重要检测和控 制参数之一。含水率可用下列二式来计算： ：m - m o 1 0 0 w o ：m - m o 1 0 0 干基法： m o ；湿基法： m 。 式中为干基法含水率；w o 为湿基法含水率；所为湿试样的质量；m o 为干试 样的质量，即绝干质量。 在工业测量中，采用湿基法较多。本系统采用湿基法进行标定。 此外，烘干特定时间后，表征物料残余水分的量一最终含水率， w ：m ：e 。- - 一r t l 0 1 0 0 肌终 ，m 终一最终质量，埘。一绝干质量。 2 t 2 木材中水分存在的类型 木材中的水分有以下三种形式： ( 1 ) 、结构水是木材分子结构的组成部分。只是在燃烧时，因破坏了木材的分 子结构，这部分水才能排除； 4 ( 2 ) 、自由水是木材空隙中的水分，在木材中移动较为容易，即无需供给能量 就能自由扩散的水分； ( 3 ) 、吸着水或称饱和水，即细胞壁所含的水分。它通过毛细管吸着力和细胞壁 紧密相连。只有在得到一定能量，破坏了水分和该多孔材料间的化学结合或电结 合后，这部分水才能移动。 在木材干燥过程中，自由水总是最先被排除。从理论上讲，自由水排除后才开始 排除吸着水。 干燥则指自由水和吸着水二者的排除。 2 2 含水率测定方法综述1 2 0 1 物料含水率测定方法的大致归类如下： 含水率测定方法 直接法i 烘干 其他方法：如瓶筒法、容积法等 臌鬻 图2 - 1 物质含水率测定方法分类 其中，烘干法是测定含水量的经典方法，它的操作过程是：分别测量试样烘 干前后的重量，再根据干基法、湿基法公式计算物料含水量。 电测法是木材含水率的测定方法中最快速、简便、经济的方法，电测法分为 电导式和电容式两种。 射线法分为红外测湿法( 近红外) 、微波测湿法、y 射线法、x 射线法、中 子法。本节将逐一对上述方法作简要介绍，为下一步研究奠定基础。 2 2 1 热风烘干法 热风烘干法。即电烘箱法是利用电烘箱对被测物质进行加热使水分蒸发的物 理现象进行水分检测的。利用样品烘干前后重量的变化检测样品水分，检测精度 高，测量范围宽。主要缺点是操作较繁琐，分析时间较长，耗能大，能量利用率 低，灵敏度较低和环境湿度干扰大，尤其是烘干熟敏性试料，易焦糊甚至起火。 可以作为检测其它方法的检测标准，一般用于实验室检测。 法法 肝肝法纰飙徽鸵鳓 干 千 烘 烘 规 速 常 快 法 2 2 2 真空法 真空干燥，即减压干燥法是在密闭容器内，在真空条件下对木材进行干燥。 按照作业方式可分为间歇真空法和连续真空法两种。前者按常压加热和负压干燥 两个阶段间歇交替地进行，用蒸汽、热水、烟气、或电加热。后者是加热和真空 同时连续地进行，用热板、薄膜、高频、微波实现加热。 真空干燥的优点是：在真空条件下水的沸点降低，木材内部压力较高，因而 可以在较低温度下加快干燥速度，此外，在低压条件下，干燥介质中的氧气稀少， 因热作用与氧化作用引起的物料变色少，基本可以保持物料的天然色泽。因此， 真空干燥是一项低温、快速的干燥技术，在热敏性材料、易燃和易爆危险品的干 燥中具有非常重要的应用价值。缺点是：设备复杂，容量较小，投资较大。 2 2 3 红外烘干法 红外加热以辐射方式传递热量，当被加热分子受到某种频率的红外线照射 时，即辐射源的辐射能谱与被加热物分子产生共振吸收，加速分子内部的热运动， 从而达到升温加热的目的。基于红外加热的机理，红外加热干燥具有加热速度快， 加热均匀、清洁、产品质量高等特点。 红外线透入木材的深度有限，故用于锯材干燥时，干燥不均匀，往往产生严 重的干燥缺陷，特别是干燥硬阔叶树材时；容易起火，酿成火灾。因此，木材加 工工业中，红外辐射干燥广泛用于干燥油漆涂层，效果良好；也可用于干燥单 板和薄木( 但成本较高) 。 与微波干燥相比，红外辐射干燥升温速率小，周期长、板温低，供给能量不 足，因而干燥速率难以保证。 2 2 4 微波烘干法 微波烘干法与热风烘干法、真空法、远红外烘干法同属于烘干法，含水率测 定原理相同，但是由于干燥机理独特，因此具有其它常规干燥方法不具备的优点。 2 2 4 1 微波干燥机理分析 微波指波长1 i n 至1 m m 、频率3 0 0 m h z 至3 0 0 g h z 的电磁波。微波干燥都是 把湿木料作为电介质，置于高频或微波电磁场中，在频繁交变的电磁场作用下， 木材中的极化水分子迅速旋转，相互摩擦，产生热量，加热和干燥木材。 微波干燥与其它干燥方法的区别是，热量不是从木材外部传入，而是在被干 燥的木材内部直接发生。木料沿整个厚度同时热透，且热透所需的时间与木料厚 度无关。木料在电磁场中加热时，如果没有表面的冷却，沿木料整个断面的温度 将是相同的。但由于木料表面有热损失及水分蒸发，实际上木材内部温度高于表 面。因此，微波干燥时，木材中水分的移动不仅依靠含水率梯度，还依靠温度梯 6 度。特别是当木材内部温度高于水的沸点时，木材中还产生相当大的超常压水蒸 气压力，更加速了水分的有内向外移动。因此，微波干燥过程中，温度梯度、传 热和蒸汽压迁移方向均一致，从而大大改善了干燥过程中的水分迁移条件，当然 要优于常规干燥。同时由于压力迁移动力的存在，使微波干燥具有由内向外的干 燥特点，即对物料整体而言，将是物料内层首先干燥。这就克服了在常规干燥中 因物料外层首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续外移的缺点。 工业加热上只允许使用特定的频率，我国在食品工业中规定使用和常用的频 率有9 1 5 m h z 、2 4 5 0 m h z 。目前，很多农产品( 如茶叶、谷物、蔬菜、水果和大 豆等) 都已成功应用了微波干燥，并取得了显著的经济效益。与此同时，农产品 微波干燥机理的研究也比较活跃，这势必会促进农产品微波干燥的发展。由于微 波具有的独特优点，发展很快，微波技术及其应用作为一项高新技术被指定为我 国“十五”计划重点研发项目。 2 2 4 2 微波干燥的特点 ( 1 ) 干燥速度快、时间短。由于微波能够深入到物料内部而不是靠物体本身的热 传导进行加热，所以干燥时间可缩短5 0 或更多。 ( 2 ) 加热均匀、产品质量高。由于对水有选择加热的特点，可以在较低温度下进 行干燥，而不致使产品中的干物质过热而损坏，且微波加热还可以产生一些有利 的物理或化学作用。 ( 3 ) 节能高效、设备占地少。由于含有水分的物质极易吸收微波而发热，因此除 少量的传输损耗外几乎无其它损耗。微波加热与远红外加热相比，节约能量1 3 1 2 。微波干燥设备可以做得较小些，这样能节省占地面积。 ( 4 ) 易于控制。微波加热的热惯性极小。若配用微机控制，则特别适宜于加热过 程加热工艺的自动化控制。 ( 5 ) 工艺先进，可连续生产。只要控制微波功率即可实现加热或终止。 ( 6 ) 选择性加热。微波对不同性质的物料有不同的作用，这点对干燥作业有利。 因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量 较低的部位这就是选择加热的特点。烘干木材、纸张等产品时，利用这一特点可 以做到均匀加热和均匀干燥。 2 2 4 3 微波组合干燥方法 近几年来，微波法与其它常规干燥方法组合使用，如微波热风、微波真空干 燥、微波冷冻干燥等。医药、食品和生物制品行业中广泛应用，干燥品质好，能 保留药品和食品原有色香味、营养成分和生物活性，但是设备昂贵，且操作费用 高，且时间较长，不切合桑枝培养基生产线含水率测定的实际需要。 7 2 2 5 电导法 电导法是利用被测物料的含水率与电导成正比的关系来测量水分的。吸湿性 物质的含水率仲。和固有电阻r 之间的关系通常用下式表示为l g r = a ”o + c ，式中a 、 c 分别表示不同条件( 如物料种类、温度、密度等) 的样品之不同常数。可见，含水 率”o 的微小变化，将导致电阻r 的明显变化。通过适当的测试转换线路，可将 电阻的变化转变成所需电量输出信号的变化。 依据电导法研制的木材含水率测定仪能快速测定木材的含水率，但由于木材 的电学性能和木材的其它性能指标一样，不仅取决于其含水率，而且与木材的温 度、树种和密度、生物学构造及测量方向、深度以及其他环境条件等有关，所以 测量尚不够精确，而且需要根据上述条件指标对仪表读数加以修正。 此外，当木材含水率高于2 5 3 0 时，含水率对电阻值的影响就很小。所以， 用木材含水率测定仪测量含水率高于3 0 的木材时，精确度是不会很高的。同样， 当木材的含水率低于6 时，木材的电阻值特别大，也不容易测得精确的含水率 值。国内研制的s t - 8 5 数字式木材测湿仪和p t - 8 5 袖珍式木材测湿仪，测量含水 率范围仅为6 2 8 。因此不宜检测微量水和高水分物料。 2 2 6 电容法 电容法是目前我国最常用的一种测水形式。其原理是：当被测散碎物料( 如 谷物) 进入电容传感器两极板间时，由于含水量不同，电容传感器的介电系数 发生变化，即引起了电容值变化。在电容传感器一端施加一个正弦高频激励信号， 则在其输出端将产生一个衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位 发生了平移，通过测量电压即可求得电容值，从而间接测出物料的含水量。 由于电容法检测的影响因素较多，只检测电容值一个参数确定桑枝屑的水分是不 准确的，还要考虑其它因素的影响( 如温度、紧实度、寄生电容等) ，另外还有抗 干扰问题，只有综合分析处理这些因素，才能提高水分仪的检测精度。目前只用 于低含水率检测，对高含水率检测不敏感。 2 2 7 射线法 红外测湿法( 近红外) 在常用的含水率检测仪器中，红外水分仪具有不损坏试样、测量速度快、可连续 实时检测等优越性，在现代工业生产中被广泛采用。 红外水分仪是把近红外波段( 0 7 8 2 5 pm ) 水分子吸收波长的光投射到被测物质 上，物质中的水份含量越大，则这一波长的能量被吸收的越多。因此，测量出从 被测物反射回来的光能量的多少，即可间接测出被测物的水份含量。 但是，红外水分仪在检测水分过程中受到温度以及外界光的干扰，极大影响其测 量精度，致使水分的含量得不到精确的测量。 8 微波测湿法 在微波频率下，水的介电常数要比一般的物质高得多，大多数物质在含有水分后， 介电常数都会明显增加，这样微波在这种媒质中传输时衰减明显增大。 微波水分仪是依据微波的透射原理( 即被测样品的湿度是由穿透被测样品的微波 信号的衰减和相移决定的) ，测定物体中的水分含量，可用来测量水泥、化肥、 煤炭中的含水量。常用的微波水分仪可以在0 4 5 范围内工作，测量物质含水 量的范围为0 3 3 0 ，相对误差为0 5 左右【9 】。受环境温度、物料厚度、密度 的不同，测量精度、重复性有待进一步提高。 其他 y 射线法、x 射线法、中子法都是根据射线透射被测介质后强度衰减，并 通过衰减强度与物料含水率的对应关系，精确计算出含水率的值。缺点：有泄漏 对人体有害需特殊防护，且投资大。 2 3 本章小结：方法比较与选择 综合上述，烘干称重法( 包括：热风烘干法、微波烘干法、真空法、红外线 法等) 均采用热源加热物料( 微波烘干法的热源是物料体本身) ，烘干物料后， 根据前后质量差计算出含水率的值。采用烘干称重法测定物料含水率，测试范围 宽、测定精度高。主要欠缺是测定周期较长，且在烘干过程中，易“欠烘干”、 “烘过头”。 组合烘干法( 诸如：微波热风、微波真空干燥、微波冷冻干燥) ，往往设备 投资大，主要是为保证药品、食品或特种木材的烘干需要，不适合本课题需要。 间接法( 电测法、近红外反射法、射线法等) ，是利用物料的电磁特性( 如： 电阻、电容、介电常数、高频微波电磁性能等) 等来检测物料含水率，可实现快 速水分测定，但准确性与重复性不高，且易受环境干扰、测试范围主要集中在低 含水率。由于本课题要求检测的桑枝屑属于极不规则的散碎物料，紧实度不一、 电磁特性重复性差、易受环境干扰；且桑枝屑培养基成品含水率过高( 湿基法标 定下6 5 ) ，因此无法采用该法测量。 结合实验结果综合考虑，作者认为烘干称重法测试范围宽、测定精度高的优 点比较适合本课题中桑枝屑含水率变化区间大，且物料散碎的检测要求。 9 第三章水分测定实验及分析 由于桑枝屑属农业废弃物，相应的烘干研究尚处空白，因此研究桑枝屑烘干 曲线对于掌握其干燥特性，及确定含水率检测方法有着重要意义。本章节采用热 风烘干法、高温真空、微波干燥法( 均属烘干称重法) 进行了干燥实验，并着重 依据高温真空干燥实验、微波干燥实验中的数据绘制了干燥曲线，分析了干燥机 理，确定干燥工艺并设计检测方案。 作者采用正交试验法，进行了微波烘干试验工艺参数的研究，分析了初始质 量、初始含水率、微波功率、烘干时间等工艺参数对干燥过程的影响，摸索适合 不同含水率区段的桑枝屑的最佳干燥工艺参数为检测方案提供可信的依据。 3 1 桑枝屑干燥曲线及干燥方案的确定 3 1 1 热风干燥法 称量法是传统的、也是最基本的木材含水率测量方法。我国林业行业标准1 1 7 及国家标准【1 8 ，1 9 l 中都规定以称量法测量的含水率为准。 由于散碎木质材料含水率测定并无相关标准，本课题研究参鉴锯材方面的国 家标准规定：在实际测量过程中，于同一包中选取两份桑枝屑试料立即称量，精 确到0 1 9 ，然后放入烘箱，在( 1 0 3 2 ) 下烘干，至最后两次称量值相同( o 5 h 间隔) ，即认为该试料达到了恒定质量，再用公式：桑枝屑含水率= ( 湿木材质量 一绝干木材质量) 湿木材质量1 0 0 计算试料的含水率及两份试料的平均含水 率，作为桑枝屑的含水率值。从理论上讲，称量法是木材含水率测量最准确的方 法【2 1 1 ，但在操作过程中也存在很多引起含水率测量误差的因素，使所测含水率 值与实际值有偏差造成误差的原因有如下几点： 气候条件 指试验环境空气的温、湿度所对应的平衡含水率与桑枝屑本身含水率不一致 所引起的水分转移。在绝干材测量时，环境空气的平衡含水率高于木材含水率， 试料由烘箱中取出到称量完毕，试料会迅速从空气中吸收水分，环境空气越湿， 造成的绝干材质量的误差越大，导致计算出的含水率出现偏差。 操作熟练程度 操作者动作不熟练，易造成试料在空气中暴露时问过长，引起称量误差增大。 由于桑枝屑属于热敏性物料，在临近绝干含水率时易焦糊、燃烧，不但导致测 定失败，甚至酿成安全事故。 本课题研究中，采用热风烘干法( h g 2 0 2 3 电热恒温干燥箱) 测定桑枝屑试 料( 3 0 9 ，1 5 左右) 至少需要2 h ，且在试验中多次出现焦糊现象，不适合快速 测定含水率及绘制干燥曲线。 3 1 2 高温真空干燥实验 通过四组实验分析桑枝屑含水率随真空高温作用时间的变化规律，并绘制出 1 0 桑枝屑干燥曲线，研究温度、物料初始含水率、真空度等因素对干燥曲线的影响。 3 i 2 1 实验材料与方法 实验材料：批量购入新鲜桑树枝，以保持其相对接近的物性。 实验设备：d z g 6 0 5 0 s a 型电热真空干燥箱( 上海森信实验仪器有限公司) 、 h g 2 0 2 3 电热恒温干燥箱、q s 4 5 0 - 4 型粉碎机； 样本制备：割取新鲜桑树枝( 长1 1 5 米) ，于阴凉处放置2 周后用q $ 4 5 0 4 型粉碎机粉碎，颗粒大小8 8 2 m m ，左右，烘至绝干( 所用烘干设备h g 2 0 2 3 电 热恒温干燥箱) ，按湿基基准下含水率6 5 、3 0 、1 5 的比例加水搅拌，并于密 封容器中放置1 0 小时。样本重量取3 0 9 。 实验步骤： ( 1 ) 、先将真空干燥箱升温至所需温度； ( 2 ) 、放入样本( 每次只做一个样本) ； ( 3 ) 、设定干燥箱真空度，开始计时； ( 4 ) 、每1 5 m i n 称重一次，记录。连续两次重量不变视为材料已烘至绝干， 停止加热，记录该时刻的时间。 3 1 2 2 结果与分析 桑枝屑真空干燥曲线( 3 0 9 、6 5 ，1 0 0 。c 、- 0 0 8 m p a ) 时同佃i n ) 图3 - 1 真空度- 0 0 8 m p a 、温度1 0 0 1 2 、初始含水率6 5 ，物料干燥曲线 在图3 1 中，该干燥曲线大致分为3 个不同的阶段：在干燥的第一阶段( a b 段) ，桑枝屑处于高湿状态，内部极性分子( 主要是自由水) 在电热作用下吸收热 量，干燥速率上升，含水率降低较缓慢，说明试料正处在预热阶段；在干燥的第 二阶段( b c 段) ，桑枝屑表面有充分的自由水分，其内部的水蒸汽气压远高于表 面气压，此阶段内桑枝屑内部水分很快移向表面以满足表面水分汽化的需要，因 此水分以蒸汽的形式大量逸出，因此含水率下降迅速。此阶段是干燥的主要阶段； 干燥的第三阶段( c d 段) ，桑枝屑内的自由水基本上已蒸发，含水率也下降缓慢。 这主要是因为桑枝屑水分降到一定数值后，其导热性变小，由于热量来自外部， 所以内外温差增大，且由于水分变少，内外蒸汽梯度减小，并与温度、传热梯度 相反，因而水分外移蒸发速率下降，水分排去缓慢。另外，物料外层由于首先干 燥形成硬壳板结也阻碍内部水分继续外移。 真空法干燥曲线( 3 0 9 ，6 5 ，- 0 0 8 m p a ) 主7 0 替6 0 蔫5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 - o - - - 烘干温度1o o - = 1 2 - - 烘干温度1 10 - - a - 烘干温度1 2 0 c 0 1 53 04 56 07 59 01 0 5 时间( m i n ) 图3 - 2 真空度- 0 0 8 m p a 、初始含水率6 5 ，不同温度下的物料干燥曲线 在图3 2 所示的试验中，在相同的真空度下( 一o 0 8 m p a ) ，对初始含水率相 同( 均为6 5 ) 的三份桑枝屑进行烘干，实验中未发生桑枝屑变色、炭化等现象。 由图可见，1 2 0 时的干燥时间要比1 0 0 、l l o 时明显缩短；烘干3 0 r a i n 时， l o o 、1 1 0 的剩余含水率为4 0 6 8 ，2 6 5 7 ，而1 2 0 的剩余含水率仅为3 6 7 ； 1 0 0 烘干9 0 m i n 时，剩余含水率仍为6 2 5 ，且干燥曲线几乎水平，含水率下 降缓慢，1 1 0 烘干7 5 m i n 时，含水率降为o ，而1 2 0 在烘干4 5 r a i n 时即为绝干。 由此可知，定真空度、定初始含水率条件下，烘于温度对干燥速度的影响十分明 显，提高烘干温度可以大幅减少烘干时间。 真空法干燥曲线( 3 0 9 、1 0 0 。c 、一0 0 8 m p a ) 主7 0 ；6 0 蓉5 0 4 0 3 0 2 0 l o o - = o - 初始含水率6 5 s o 一初始含水率3 0 = - a - - 初始含水率15 * 01 5 3 04 56 0 7 59 01 0 5 加热时间( m i n ) 图3 - 3 真空度- 0 0 8 m p a 、1 0 0 1 2 ，不同含水率物料的干燥曲线 图3 3 中，3 条曲线分别为1 0 0 。c ，真空度- 0 0 8 m p a 条件下，初始含水率 6 5 、3 0 、1 5 样本的干燥曲线。由图可见，桑枝屑初始含水率越高，干燥所 需时间越长：初始含水率6 5 的桑枝屑烘干9 0 m i n 时，剩余含水率仍为6 2 5 ， 而初始含水率3 0 烘干6 0 m i n ，含水率为o 4 7 ，初始含水率1 5 烘干4 5 m i n ， 含水率为0 。另外，与初始含水率6 5 相比，3 0 、1 5 在干燥初期几乎没有加 速干燥阶段，而主要为恒速干燥阶段，这是由于物料所含水分较少，加热初期即 充分吸收热能，含水率迅速减小。 真空法干燥曲线( 3 0 9 ，6 5 ，1 0 0 0