粮食水分检测方案及综合分析

1、粮食水分检测方案及综合分析 摘要：粮食在收购、存储、运输和加工的过程中，水分的检测和控制非常重要，现对目前的粮食水分检测方案进行总结和综合分析，在重点讲述电容式和微波吸收式水分无损检测方法的原理、框图、传感器特性以及实现方案的同时，系统地阐述了国内外现有的各种粮食水分的测量的常用方法、原理及其测量特性。最后，本文给出粮食水分检测方案的综合分析，同时展望了粮食水分检测未来可能的发展趋势。粮食水分检测系统必定是逐渐朝着系统化、通用化、数字化方向发展的。检索工具：书籍、网络关键词：粮食水分；水分检测；总结分析1 引言粮食的水分含量是评价粮食品质的重要指标，是粮食检测的基本项目。正常的粮食都含有适量的

2、水分，并且水分含量通常保持在一定范围之内，这是粮食维持生命及保持其固有良种品质和食用品质所必需的。由于受到收获早晚、成熟度及气候条件的影响，粮食的水分含量是变化的数值。粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。无损检测是指在不破坏待测物原来的状态和化学性质等前提下，通过粮食本身的物理、光学及化学特性来测其含水量1；有损检测则是指在测量的过程中待测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能保持原有的形状、结构或组分。在这两类中，无损检测的方法更经济、快捷，发展也最为迅速，是当今世界水分检测的主流。现就粮食水分检测浅谈其常用的测量方案并进行综合分析。2 粮食水分无损检测的主要方法2.1 直

3、接干燥法2.1.1 基本原理直接干燥法是指将待测样品置于烘箱中，根据 ASAE 标准，在 130 的温度下保持 19 h，测量前后的质量差，即为其水分含量。2.1.2 方案分析直接干燥法虽然测量原理简单且技术成熟，但测量周期较长，人为干扰因素多，并且不能进行在线测量.2.2 电容法2.2.1基本原理电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其它成分的介电常数，水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可知粮食的水分含量2.代表仪器为 SCY-1A，其测量精度0.3%，测量时间为 5s，测水范围为 10%20%，主要影响因素为温度、品种和紧实度。该法可进行在

4、线测量。2.2.2电容式水分仪传感器的测量原理 电容式水分仪采用圆柱形容器作为传感器,与采用平板式容器作为传感器相比,测量值受边缘效应影响小,操作也较为方便。其结构原理如图1所示3-4。柱型电容器由两个同心金属圆柱面作为电极组成,两电极高为L,内电极半径为r,外电极半径为R。当L>>R-r时,可忽略圆柱的边缘效应,设电容器两极板各带电荷+q和-q时,电荷均匀分布在内外两圆柱面上,圆柱每单位长度所带电荷的绝对值为K(K=qL),由于两圆柱面间的电场具有轴对称性,故两圆柱间离开圆柱轴线距离为s处的电场强度的大小为:两极板间的电势差为：由电容器电容的定义可求得柱型电容器的电容为:当放入介

5、电常数为的物质时相对介电常数为r为:放入介质后的电容为：把（5），电容的计算公式即为对于水分含量为M的粮食,其对应的相对介电常数为r,当粮食水分含量发生变化为M+M时,其相对介电常数亦相应变化为r+r,由此而引起的电容变化为:所以,电容值相对变化与粮食相对介电常数的相对变化之间呈线性关系。可以通过测量电容值的变化求得粮食介电常数的变化。2.2.3 电容值的检测方法目前微小电容值的检测方法有运算放大电路法、电桥电路法、谐振电路法以及脉冲宽度调制法等,本文采用了直流充/放电检测方法来对微小电容进行检测。该方法不仅有抗杂散电容的能力,而且电路简单,检测电路如图2所示。但是它有一些缺点:（1）模拟电路

6、的后续部分需要对直流信号进行放大,会产生零点漂移:（2）充/放电检测电路中,采用了CMOS电子开关,会产生注入电流,从而影响测量精度;（3）在开关切换的瞬间,相邻两个开关要经历由开到关、由关到开的过渡过程,然后再达到稳定的充电或放电状态,影响不可忽略,有效的方法是让两个开关做到先关后开。在这个电路中,开关S1和S4关闭, S2, S3断开的半个周期是充电周期,电荷为: Q1=VcCx （8）Q1经放大器1冲电到电容上,这个循环过程以频率f重复着,这样得到一个校小的流入放大器的平均电流:I1=fQ1=fVcCx (9)放大器1上得到一个平均输出电压:V1=-I1Rf=-fVcCxRf (10)开

7、关S1和S4断开,S2,S3闭合的半个周期是放电周期,经过放大器2对电容进行放电,得到一个平均的输出电压:V2=fVcCxRf (11)这两个电压信号在差分放大器中相减的到一个输出电压:V3=V2-V1 (12)这个电路中,在保持f, Vc和Rf不变的情况下,可以得出电容变化Cx与输出电压V3的线性对应关系,将电路的灵敏度提高了一倍。放大器1、2在选择时,尽量选择精度高、性能基本一致的器件,最好选用双封装的放大器。检测电路总体设计如图3所示。通过做实验得到不同粮食品种的不同水分含量与所测得的电压之间的关系,以及改变环境温度、粮食重量、紧实度等其他因素引起的所测电压的变化,通过设计的电路装置做大

8、量的实验找出这些因素之间关系。即达到通过所测得的电压值及环境温度值得到某品种粮食的水分含量值,然后送LCD显示。2.2.4 方案分析电容法测粮食水分含量方便简单，可在线快速测量，但因电容法的影响因素较多，在精度和重复性方面较难达到国家规定标准。随着人工智能和数据融合技术的发展，为数据综合处理提供了新的途径，目前也取得了一些可喜的结果。上面所述的电容式水分仪传感器就达到了较高的测量精度和水准。2.3微波吸收法2.3.1 基本原理 微波水分检测是近几年发展起来的一项无损检测新技术，它具有检测精度高、测量范围广、稳定性好、便于动态检测、对环境的敏感性小、可以在相对恶劣环境条件下进行等优点。微波作为一

9、种频率非常高的电磁波具有很强的穿透性，它所检测的不仅仅是粮食表面的水分，还能够在无损的情况下检测到粮食内部的水分含量。粮食中水的介电常数和衰减因子比其中干物质的介电特性值高很多，且作为极性分子的水在微波场作用下极化，表现出对微波的特殊敏感性5。微波粮食水分检测正是利用水对微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信号相位、幅值等参数变化的原理进行水分含量检测的。微波水分检测正在逐步取代精度低、取样要求高、适应性差的电容法、电阻法等传统水分检测方法，成为一种理想的粮食水分检测技术。微波水分检测可以采用透射式和反射式检测方法，其微波传感器布置如图3 所示。 图3 微波检测方式 一般物料厚度比较薄时，采用

10、透射式检测方法；物料厚度比较厚，密度比较大时采用反射式检测方法6。微波检测是一种深度测量技术，所测结果为体积总体水分而具有代表性，这比之表面测量技术要优越得多。2.3.2 方案分析基于微波的粮食水分检测系统可以连续、准确地对粮食水分含量进行检测，为粮食的收购、运输和储藏提供了强有力的技术保障。 相对于传统的电容、电阻等粮食水分检测方法，微波检测速度快、精度高、稳定性好，解决了目前在国内粮食收购时，检测时间长、测定结果极不可靠 、不能实现在线检测等问题。大量室内外实验表明，该系统可以满足在粮食收购、储藏、加工等过程中水分含量的检测需要，具有广阔的应用前景和经济效益。2.4射线法2.4.1 基本原

11、理近红外线反射光谱（NIRS）是在 1964 年应用于粮食水分测定的。由于不同的分子对不同波长的近红外光具有不同特征的吸收，当用近红外光（波长为 1 940 nm）照射样品时，漫反射光的强度与样品的成分含量有关，服从朗伯比尔定律。2.4.2 方案分析该方法测量快速、简单，无需对粮食进行烘干，只需在仪器前流动即可检测，但仅属于表面测量技术，很难反映整个物料的体积水分（内部水分），测量精度受粮食籽粒的大小、形状和密度影响。2.5 红外线加热干燥法红外线加热干燥法是利用红外线加热样品使其失水，从而达到测量水分含量的目的。主要影响因素为温度和加热时间，该法不能进行在线测量。3 粮食水分有损检测的主要方

12、法3.1 烘箱法3.1.1 105恒重法 用比水沸点略高的温度（105°±2）使经过粉碎的定量式样中的水分全部汽化蒸发，根据所失水分的质量来计算水分含量。该方法是水分检测最常用的标准方法之一7。3.1.2 定温定时烘干法 该方法又称 130°±2电烘箱法。其原理为：在一定规格的烘盒内称取经过粉碎的试样，在规定加热温度的烘箱内烘干一定时间，烘干前后质量差即为水分含量。3.1.3 双烘法 双烘法主要用于测量高含水量粮食。测量时，先称取整粒试样 2030g，放入 105烘箱中烘干30min，取出冷却称质量，然后粉碎，再用 105恒重法进行烘干测量。3.1.4

13、隧道式烘箱法 隧道式烘箱法也是定温定时法的一种，它将象限秤与烘箱结合起来，烘干试样后无需冷却可直接用象限秤称量，并可在象限秤上直接读出试样的水分含量。3.2 快速失重法、减压干燥法与直流电阻法3.2.1 快速失重法 该方法是在物料的极限失重温度下烘干物料，与经典烘箱法的主要区别是烘干温度不同。它可以测量一切粉体物料，目前主要用来测量玉米水分。3.2.2 减压干燥称重法 该方法利用真空处理技术、微小定量测定技术和数据处理技术来测定水分的。它不受被测物料形状影响，无需特殊的预处理，操作简便，可靠性高，并可检测微量水分。代表仪器为 VME 型，测量精度为0.01%，测水范围为 0.01%10%。该法

14、不能进行在线测量。3.2.3 直流电阻法干燥粮食的直流电阻很大，而水的电阻很小，被测样品的含水量的变化势必引起其导电能力的变化。含水量越高，电阻越小，通过测量样品的电阻，即可以间接地测定含水量。由于被测样品的电阻较大，影响检测取样，必须降低电阻以获得更大的取样信号，因此该方法一般要求将样品粉碎后再进行测量8。代表仪器为 LSKC-4B，测量精度为±0.5%，测水范围为 10%20%，主要影响因素为温度、品种、紧实度和电极间距。该法可进行在线测量。4 粮食水分检测方法分析粮食水分检测总体上可分为直接法和间接法两大类。直接方法是通过干燥方法和化学方法，直接检测出粮食中的绝对含水量，检测精

15、度高，但费时，不适于在线和现场检测。间接法是通过检测与水分有关的物理量（例如物质的电导率、介电常数等），间接地测定物质的水分，一般速度较快，易实现在线检测。目前比较常用的是烘箱法，当然，也有其他方法被应用于实际生产中。5 水分检测方法的发展趋势水分仪的种类虽然很多，但其市场潜力却不尽相同，计算机技术、原子技术与半导体技术的飞速发展，给粮食水分检测技术的发展提供了广阔的空间。为了实现全数字、实时在线测量，就必须要有快速无损检测技术作为保证。随着对无损检测技术的需要，无损检测仪器将逐步实现标准化、通用化和系列化，大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器的推广和成本的降低，必将加速其在无损检测技术上的应用，不仅提高信号采集和处理速度，满足市场大量实时性要求，也将缩短开发时间，增加硬件的功能和扩展性。计算机软件及硬件在无损检测技术上的应用，将实现温度等重要检测因素的自动补偿，使检测仪器由过去的单一化向多用途方向发展，适用于多种不同环境下的无损检测。互联网技术的迅猛发展会为无损检测技术带来质的飞跃，实现多用户共享和远程控制，避免人力、物力和财力的浪费。参考文献:1 陈 斌.黄星奕.食品与农产品品质无损检测新技术M.北京:化学工业出版社,2004:29-30.2黄操军.田芳明. 粮食水分检测技术及发展趋势J.