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粮食水分检测方法及国内外研究状况沈玉杰 2011257002摘要：水分检测是粮食行业必不可少的重要检测环节。谷物水分含量影响着谷物的存储、运输、加工等各个方面。随着智能传感技术、计算机技术及数据处理技术的快速发展，谷物水分检测已朝着智能化方向迈进，各种应用于谷物水分检测的便携式水分仪和在线检测设备相继出现。本文参阅国内外测量粮食水分的文献，总结出各种可用的测量方法，给出了原理和应用特点，以便粮食水分测量研发人员参考研究用。关键字：粮食；水分；检测1 研究背景和意义我国自2007年以来，年产粮食总量超过5亿吨，成为世界最大的粮食生产国和消费国。然而在我国，粮食收获后经脱粒、晾晒、贮存、运输、加工、消费等过程，损失率达到18%，这一数字远超过了联合国粮农组织限定的标准值5%。粮食水分是影响粮食质量的重要因素，也是粮食储存、收购、加工、运输环节中必须检测的重要指标。在我国,每年由于粮食水分含量过高造成数百亿吨粮食在储存或运输中霉烂变质，粮食水分检测技术手段的不完善、不精确是造成这一损失的重要原因。干燥是减少谷物因水分含量过高而霉烂变质最行之有效的方法。长期以来，人们普遍采用的干燥方法是自然干燥，即依靠阳光人工晾晒。目前我国的谷物机械化干燥率仅占总产量的1%，与世界发达国家的95%相差甚远，谷物干燥机械化亟待快速发展。不论是人工晾晒，还是机械化干燥，都对水分检测提出了很高要求。只有使谷物水分降到安全标准以下，才能保证在贮存、运输等过程中不发生霉烂变质；然而，谷物水分含量过低又会破坏谷物的有机物质，影响谷物的营养成分和品质，因此对谷物水分含量做出准确检测至关重要。2 水分检测方法综述随着近20年以来对谷物水分检测技术的不断研究，新型谷物水分检测方法和思想层出不穷。各类谷物水分检测方法各具特点，各有优劣，适用于不同的水分检测要求和场合。谷物水分检测方法可分为无损检测和有损检测。无损检测不破坏谷物自身性状，通过其物理、光学及化学特性来测量水分；有损检测则需要对谷物进行物理粉碎或使其发生化学变化而不能保持原有状态。2.1无损检测方法谷物水分的无损检测方法主要包括以下几种：电容法、红外线加热干燥法、微波加热法、高频阻抗法、声学法、核磁共振法、射线法和中子法等。（1） 电容法：电容法根据不同含水量的粮食其介电常数不同的原理, 来检测粮食水分。根据传感器结构形式不同分两种类型, 即量筒或量杯取样传感器和平板式电容传感器。设在量筒或量杯取样传感器中粮食的装料高度h , 介电常数为Ex , 则电容Cx = C0+ Kch ( Ex- E0 )ln ( b/ a)式中, C0、K c 为常数, E0 为空气介电常数, a 为内圆筒外半径, b为外圆筒内半径。电容量的变化正比于被测样品介电常数的变化。但一方面介电常数的变化与水分含量M 的变化并非线性关系, 即电容量与水分含量的关系为非线性。另一方面, 电容量受温度升高而变大。因此, 在电容法测量水分中, 非线性补偿和温度补偿十分重要。对于平板电容器, 设两平板间距为d , 高为H , 宽为b, 设待测粮食中干物质和水分在电容中的等效高度分别为H 1、H 2 , 相应的等效电容分别为C1 及C2 , 则总电容Cx = C1+ C2=H bd( E1H 1H+ E2H 2H) ( 3)式中, E1、E2 分别为粮食中干物质、水分的介电常数。介电常数是随温度变化的, 水的介电常数尤此。H 1 随粮粒大小及在电容中的充实度而变, 在表观上表现为粮食的容重不同。因此, 在模型中要引入密度和温度的修正关系。特点：电容法水分测量的优点是结构相对简单、价格便宜。缺点是受温度影响大, 且无法在线检测高水分粮食。电容法属于非接触测量，成本较低，维护方便，适用于在线测量，但检测过程中受谷物品种、密度、环境温湿度等因素影响，稳定性较差，难以获得准确的检测模型。（2）红外线加热干燥法和微波加热法：红外加热干燥法通过红外辐射产生与水的吸收峰值波长相匹配的波长，使水分子剧烈运动升温从而加速干燥。微波加热利用微波炉磁控管产生的超高频率微波使谷物中水分子产生快速振荡和摩擦来去除水分。特点：这两种加热法比较传统烘干法能缩短时间，减小能耗，且具有很高的精度。红外法的主要影响因素为温度和加热时间，微波法的主要影响因素为微波炉功率、谷物质量、密度和介电特性等。（3）高频阻抗法：导电浴盆效应是指谷物在特定频带的交流电场激励下，阻抗值呈现最小值的特性。该频带称为谷物水分的敏感频带，谷物的水分含量与其交流阻抗呈对数关系，高频电阻法利用这一特性进行谷物水分测量。特点：高频阻抗法检测速度快，精度较高，误差影响因素相对较小，但不适用于在线测量。（4）声学法：声学法利用流动谷物碰撞产生的噪声来测量水分。研究表明：谷物籽粒的弹性和振动特性与水分含量相关，不同水分含量的谷物在流动过程中碰撞时会产生不同频率和振幅的声波。利用籽粒碰撞产生的声波的声压级、频率和谷物含水率之间的关系，可以进行含水率的检测。特点：声学法重复性好，反应迅速，可进行在线测量；受噪声、籽粒大小与形状的影响，噪声信号的屏蔽是其最主要的问题。（5）核磁共振法：核磁共振法通过测定物质在电磁场中对射频辐射的能量吸收强度来测量水分。在高磁场中，原子核自旋重新取向对特定频率的射频辐射吸收能量发生能级跃迁现象，吸收能量的多少与物质中的核子数有关。特点：核磁共振法检测速度快、精度高、范围宽，能区分自由水和结合水，但检测设备成本昂贵，保养费用高，且检测前需经过精确标定。（6）射线法：射线法主要包括红外线反射光谱法和微波吸收法。红外线法利用朗伯比尔定律，即不同分子对不同波长的红外线光具有不同特征的吸收。物质水分含量不同，对不同红外线辐射的吸收能量也不同，红外线法通过检测谷物的吸光度来得到谷物的水分值。微波法利用微波作用下，谷物中的水分吸收微波能量，或产生微波空腔谐振这一特性来检测水分。谷物的介电特性值主要由谷物中水的介电特性决定，水分子在微波场作用下极化，表现出对微波的特殊敏感性，在超高频范围内水的介电损耗有最大值。吸收的能量及产生的谐振频率与相位随谷物水分含量变化而变化。特点：红外线反射光谱法检测迅速、简单、连续性好，但属于表面检测技术，难以反映谷物内部真实水分；微波吸收法灵敏度高、速度快，易于实现在线无损检测，但其检测下限不够低，易引起驻波干扰。两种方法的精度都受到谷物籽粒大小、形状和密度的影响。（7）中子法：中子法利用慢中子探测器中产生的电压脉冲个数与谷物水分值有关这一原理来检测水分。谷物的水分含量取决于其含氢量。中子源产生的快中子在运动过程中与谷物中的氢原子碰撞，发生散射减慢速度成为慢中子，计算探测器中慢中子的密度即可反映出谷物的含氢量，从而对应得到谷物的水分含量。特点：中子法的突出优点是高水分段灵敏度高，且对冰冻状态谷物仍可以检测水分；不足之处在于氢的散射性不够稳定，不同品种、产地谷物对计数比的影响差异较大，测定前需要进行人工标定并采取防护。2.2有损检测方法谷物水分的有损检测方法主要包括以下几种：烘箱法、快速失重法、减压干燥法、直流电阻法、甲苯蒸馏法、卡尔费休法和压力法等。（1）烘箱法：烘箱法主要包括105恒重法、1302电烘箱法和双烘法。105恒重法采用略高于水沸点的温度（1052）对定量粉碎的谷物样品加热，使其水分全部蒸发，根据谷物质量损失来计算水分值。1302电烘箱法采用较高的烘干温度对一定的谷物样品加热一定时间，根据质量损失来计算水分值。双烘法首先将谷物整粒样品送入105的烘箱中烘干30分钟，取出冷却后称重并粉碎样品，再利用105恒重法进行二次烘干测量。特点：烘干法采用电烘箱对被测谷物加热使其水分蒸发，通过其烘干前后质量改变来计算水分值。烘干法需要较长的检测时间，但作为实验室检验方法具有很高的精度，通常用作其他水分检验方法的标定。其中105恒重法称为标准法，双烘法用于高水分含量谷物的测量。（2）快速失重法：快速失重法将谷物置于其极限失重温度下烘干，极限失重温度是在不影响谷物组分条件下谷物所能承受的最高烘干温度。特点：相比于其他标准烘干法，快速失重法能缩短烘干时间，可用于一切粉体物料的水分检测，目前该方法主要用于玉米的水分检测。（3）减压干燥法：减压干燥法利用真空处理技术，在抽成真空的密闭容器内对粉碎谷物样品在较低温度下加热干燥，并采用微小重量测定和数据处理方法测定水分。特点：减压干燥法可靠性高，不受谷物形状影响，主要用于0.01%10%的微量水分检测，不能用于在线测量。（4）电阻法：电阻法是最早工业化应用的粮食水分非电量的电测方法, 是利用粮食含水量不同, 其导电率不同的原理测量粮食水分的方法。大量实践证明,粮食具有明显的电阻特性: 在一定的含水率范围( 9% 20%) 内, 电阻的对数与含水量近似呈显线性; 温度对电阻的影响表现为粮食的等效电阻随温度升高而减小, 在常温( - 10+ 50 e ) 条件下, 温升1 e 对电阻的影响相当于其水分量增大011%。电阻法粮食水分测量模型为M= K 1+ K 2 lnRx ( 1)式中, Rx 为测量电阻值; M 为粮食所含水分; K 1、K2 为常数。电阻法的粮食水分测量装置结构简单、价格便宜, 但所测粮食水分范围受限。干燥粮食一般为绝缘体, 其直流电阻很大, 例如稻谷电阻为106M M/ cm3 数量级, 而水的电阻为10M M/ cm3 数量级。被测粮食过干以及颗粒过大都会影响测量精度。所以, 直流电阻法测量水分时需对被测粮食颗粒破碎取样。破碎后, 所测数据可以是粮食内部水分信息, 且可以增强测量信号强度, 减小对测量的干扰, 提高信噪比。为改善测量信号的传输和抗干扰性能, 电阻法水分测量出现了许多创新的方法。一种是通过电路设计将测量输出的电阻信号转化为频率信号,通过测频测周方法来测量粮食含水量; 另一种是利用150 350kHz 的交流电场激励下粮食呈现的导电浴盆效应, 即存在粮食水分的敏感频带,对粮食施加这一水分敏感频带的激励信号, 便可实现粮食水分的快速检测。特点：低水分段谷物的电阻很大，使用该方法检测信号很弱，适用的检测水分段为10%20%，检测结果受谷物品种、紧实度、温度和电极间距的影响。（5）甲苯蒸馏法：甲苯蒸馏法利用不溶于水的蒸馏液（甲苯、二甲苯）与检测样品粉末混合组成沸点较低的蒸馏液，蒸馏出样品中的水分，是一种常用的化学测量法。特点：检测的结果比一般干燥法略高，蒸馏过程中容器壁易附着水分产生一定误差。（6）卡尔费休法：卡尔费休水分测定法是以甲醇为介质，以卡氏液为滴定液进行样品水分测量的一种化学方法。在甲醇和吡啶环境下，水与碘及亚硫酸发生定量化学反应，通过检测碘的消耗量来检测水分含量。特点：卡尔费休法检测精度很高，可测量微量水分，常作为许多物质水分的标准测定方法，但其检测试剂成本较高，设备较复杂。（7）压力法：压力法也称碳化钙法，它利用一定条件下水与碳化钙发生化学反应生成乙炔，而乙炔气体的压力与水分含量呈线性关系这一原理来进行水分检测。特点：碳化钙法操作方便，可用于现场快速检测，目前主要用于土壤、混凝土及混凝土制品水分检测方面。3 国外研究概况国外对于谷物水分检测技术的研究起步比较早，研究范围也比较广，对于谷物水分检测的各项技术和方法均有研究和应用。电测法是谷物水分检测技术中研究得最早也应用得最为广泛的方法。前苏联研制的谷物水分仪中，采用电容法原理的约占43%，日本在1984年研制了在线电导式水分仪，芬兰在1987年生产的基于电容法原理的WILE100水分仪可用于谷物、豌豆等作物的水分检测。美国帝强公司（DICKEY-JOHN）自上世纪70年代起开始研制电容式的谷物水分仪，目前推出的GAC2100系列和GAC500系列高精度谷物水分仪能达到检测精度0.1%，测水范围5%45%，重复率0.1%。射线法也是谷物水分检测领域运用得较多的方法之一。近年来，基于红外线法的水分仪研究发展迅速，产品有诸如美国Zeltex公司生产的ZX880近红外检测仪、英国红外工程有限公司生产的SM4红外水分仪、日本千野制作所研制的IR-AM300水分仪等。基于微波法和无线电波法原理的水分检测仪器有日本地崎电机制造所开发的UAM-100在线微波水分仪、瑞典生产的Aquamatic 5100型快速水分分析仪和美国JOINT SYSTEMS公司生产的M100微波水分仪等。中子法作为水分检测中的一种先进方法，其研究也起步较早。上世纪40年代中子式水分仪率先在美国研究成功，日本于50年代也开始使用中子式水分仪并于60年代开始研发产品。随后，前苏联、英国等世界各国也相继开发出各种用途的中子式水分仪，中子式水分仪实现商品化并逐渐向智能化方向发展。对于减压干燥法、卡尔费休法等其他水分检测方法，日本等发达国家也有比较先进的研究成果。日本利用减压干燥原理研制的VME型水分仪可用于低水分段的测量，测量精度为0.01%，测水范围为0.01%10%。日本京都电子利用卡尔费休法研制的MKS-500水分仪测量精度为0.015%，测水范围为10%100%。此外卡尔费休法水分仪的代表产品还有瑞士万通公司生产的V20/V30系列水分仪。4 国内研究概况我国从上世纪50年代起开始对谷物水分检测技术进行研究，主要方法集中在电容法和电导法上。上世纪50年代生产的LSKC-4型和LSK-1型水分仪，检测精度可达0.5%，但由于受到谷物类型、温度补偿因素影响未大范围推广。80年代以来随着智能传感技术的发展，谷物水分检测技术的研究步入了新的阶段。目前国内采用电容法研制的谷物水分仪产品较多，例如上海SWS-5A型粮食水分测定仪、哈尔滨WS-1型粮食温度水分测试仪、黑龙江DLS-3A型电脑粮食水分仪等，其检测精度一般达到0.5%，重复率为0.2%，检测时间小于5min，但与发达国家生产的同类产品相比，国产水分仪在检测精度和检测范围方面还存在差距。同时国内对射线法、中子法等水分检测技术方法也开展了相关研究并开发了相关检测仪器，例如深圳后王电子科技有限公司研发的SF-60红外快速水分测定仪、深圳冠亚电子生产的SFY-60系列粮食快速水分测定仪、江苏精泰公司生产的JT-100/60红外水分测定仪等。对于中子法现阶段我国也已经开发了六、七种不同方式和用途的新产品，例如南京大学研制的插入式SHD-1中子水分仪可用于玉米水分的测定。对于测量微量水分有很高精度的卡尔费休法，国内许多科研单位及公司也研制了许多产品，例如北京先驱威锋技术公司的ZDJ-1S型全自动卡氏微量水分测定仪、淄博库伦仪器分析有限公司的SF系列微量水分测定仪、上海禾工科学仪器有限公司的AKF系列卡尔费休水分测定仪等。但由于卡氏检测法试剂昂贵，成本很高，目前主要用在油料、化学制剂及药物制剂等的水分检测方面。在国内，虽然对于除电测法以外的其它水分检测方法也有所研究，但为了实现谷物水分实时在线检测，使水分检测向通用化或专门化、智能化方向发展，对于电容式传感器的影响因素和电容式水分在线检测系统的研究偏多。李庆忠等建立了测试频率与谷物含水率之间的数学关系模型，研制了一种不受谷物堆积密度影响的在线检测系统，该系统经试验最大误差范围为0.7%。曹云东等研制了一种基于电容式传感器的在线水分测控系统，具有线性和温度修正功能并能实现实时控制与报警。翟宝峰等分析了电容法水分检测技术的影响因素，采用多传感器检测方法采集各参数数据，并采用人工神经网络数据融合方法对数据进行了分析。滕召胜等研制了一种可用于粮食干燥机的水分在线检测系统，系统采用多路水分传感器进行实时测量并采用信息融合算法进行处理。裘揆等研制了一种分别采用三个独立电路测量电容、质量和温度参数的种子含水率测量系统，分析了不同温湿度对电容测量的影响。刘佳等采用有限元方法模拟分析了圆筒式电容传感器的不同极板直径、长度、厚度、间距、个数对传感器极板间场强分布的影响，找到了场强随这些参数的变化规律，对电容式传感器进行了结构优化并通过实验分析设计了一种多层电容模型，推荐了最佳尺寸。参考文献1鲍一丹,朱哲燕.2006.基于电特性的大豆含水率测量研究.中国食品学报,6(2):94982蔡利民,孔力.2009.圆筒形电容式粮食水分传感器的数学模型与影响因素分析.分析仪器,1:49523曹云东,林国栋,张阳,黄喆.2003.粮食水分在线检测控制系统.仪器与仪表,4:17194陈有庆,胡志超,王海鸥,吴峰,谢焕雄.2009.谷物水分在线检测技术及发展趋势.农业机械,28:85875丁英丽.2003.基于电容式传感器的粮食水分测量仪.传感器技术,22(4):54566丁英丽.2003.粮食水分在线检测系统的设计.计测技术,6:14157丁元明,张学东,张宏勋.1996.快速失重法测量玉米水分的研究.分析仪器,4:23258董怡为.2007.基于非匀强电场的谷物水分在线检测方法研究.博士学位论文.南京:南京农业大学9杜先锋,张胜全,张永林.2004.基于微波的粮食水分检测技术与系统.武汉工业学院学报,23(2):323410方建军.2000.粮食水分在线测量的声学方法.北方工业大学学报.12(1):576011郝晓莉,张本华,孟淑洁,杨玉芬.2006.介电特性在粮食含水率检测中的应用研究.农机化研究,2:12112312黄操军,田芳明.2006.粮食水分检测技术及发展趋势.农机化研究,12:444613李庆忠,高玉根,张道林,苏宝义.1995.谷物含水率在线测试系统的研究.农业机械学报,26(3):808414李业德,王一鸣.1995.一种在线检测谷物干燥机出粮含水率的方法.农业机械学报,26(2):737715廖宇兰,翁绍捷,张海德,朱伯靖.2008.基于介电特性的农产品品质无损检测研究进展.热带作物学报,29(2):25525816刘大森.1999.中子式谷物水分测定原理及其测定装置.农村实用工程技术,1:222517陆静霞.2005.基于电容式传感器的粮食水分测量仪的研究.农机化研究,6:12212318孙健,周展明,唐怀建.2007.国内外粮食水分快速检测方法的研究.粮食储存,3:464819孙骊,仇农学.1998.农产品物理特性及测量.陕西:陕西科技出版社:142220王剑平,盖玲,汪春,王成芝.1997.干谷物作为干燥介质的谷物吸收干燥过程平衡含水率模型.农业工程学报,13(2):22022421王颖,郭玉明.2010.农业物料介电特性的测试及影响.农产品加工（学刊）,2:828722邢丽娟,杨世忠.2007.谷物水分的测量方法.粮油加工,1:10310523翟宝峰.2002.基于数据融合的粮食水分检测技术的研究.硕士学位论文.沈阳:沈阳工业大学24翟宝峰,白媛.2003.电容式粮食水分检测仪的设计.辽宁工学院学报,23(1):343525翟宝峰,郭宏林,许会.2001.粮食水分检测技术的综合分析及发展概况.沈阳工业大学学报,23(5):41341626张胜全.2005.电阻式粮食水分含量的测定方法.粮油加工与食品机械,2:666727张小璐.2007.数据融合在种子含水率测量中的研究.硕士学位论文.上海:上海交通大学28Cozzolino D.C,Fassio,Gimenez A.2000.The use of near-infrared reflectance spectroscopy to pre