糧食水分檢測方案及綜合分析

1、糧食水分檢測方案及綜合分析 摘要：糧食在收購、存儲、運輸和加工的過程中，水分的檢測和控制非常重要，現(xiàn)對目前的糧食水分檢測方案進行總結(jié)和綜合分析，在重點講述電容式和微波吸收式水分無損檢測方法的原理、框圖、傳感器特性以及實現(xiàn)方案的同時，系統(tǒng)地闡述了國內(nèi)外現(xiàn)有的各種糧食水分的測量的常用方法、原理及其測量特性。最后，本文給出糧食水分檢測方案的綜合分析，同時展望了糧食水分檢測未來可能的發(fā)展趨勢。糧食水分檢測系統(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：書籍、網(wǎng)絡關(guān)鍵詞：糧食水分；水分檢測；總結(jié)分析1 引言糧食的水分含量是評價糧食品質(zhì)的重要指標，是糧食檢測的基本項目。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。糧食水分的檢測方法概括起來可分為無損檢測和有損檢測兩大類。無損檢測是指在不破壞待測物原來的狀態(tài)和化學性質(zhì)等前提下，通過糧食本身的物理、光學及化學特性來測其含水量1；有損檢測則是指在測量的過程中待測物粉碎或發(fā)生了化學變化，致使其不能保持原有的形狀、結(jié)構(gòu)或組分。在這兩類中，無損檢測的方法更經(jīng)濟、快捷，發(fā)展也最為迅速，是當今世界水分檢測的主流。現(xiàn)就糧食水分檢測淺談其常用的測量方案并進行綜合分析。2 糧食水分無損檢測的主要方法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樣品置于烘箱中，根據(jù) ASAE 標準，在 130 的溫度下保持 19 h，測量前后的質(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量原理簡單且技術(shù)成熟，但測量周期較長，人為干擾因素多，并且不能進行在線測量.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)遠遠大于糧食中其它成分的介電常數(shù)，水分含量的變化勢必引起電容量變化的原理，通過測量與樣品中水分變化相對應的電容變化即可知糧食的水分含量2.代表儀器為 SCY-1A，其測量精度0.3%，測量時間為 5s，測水范圍為 10%20%，主要影響因素為溫度、品種和緊實度。該法可進行在

4、線測量。2.2.2電容式水分儀傳感器的測量原理 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,測量值受邊緣效應影響小,操作也較為方便。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示3-4。柱型電容器由兩個同心金屬圓柱面作為電極組成,兩電極高為L,內(nèi)電極半徑為r,外電極半徑為R。當L>>R-r時,可忽略圓柱的邊緣效應,設電容器兩極板各帶電荷+q和-q時,電荷均勻分布在內(nèi)外兩圓柱面上,圓柱每單位長度所帶電荷的絕對值為K(K=qL),由于兩圓柱面間的電場具有軸對稱性,故兩圓柱間離開圓柱軸線距離為s處的電場強度的大小為:兩極板間的電勢差為：由電容器電容的定義可求得柱型電容器的電容為:當放入介

5、電常數(shù)為的物質(zhì)時相對介電常數(shù)為r為:放入介質(zhì)后的電容為：把（5），電容的計算公式即為對于水分含量為M的糧食,其對應的相對介電常數(shù)為r,當糧食水分含量發(fā)生變化為M+M時,其相對介電常數(shù)亦相應變化為r+r,由此而引起的電容變化為:所以,電容值相對變化與糧食相對介電常數(shù)的相對變化之間呈線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^測量電容值的變化求得糧食介電常數(shù)的變化。2.2.3 電容值的檢測方法目前微小電容值的檢測方法有運算放大電路法、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/放電檢測方法來對微小電容進行檢測。該方法不僅有抗雜散電容的能力,而且電路簡單,檢測電路如圖2所示。但是它有一些缺點:（1）模擬電路

6、的后續(xù)部分需要對直流信號進行放大,會產(chǎn)生零點漂移:（2）充/放電檢測電路中,采用了CMOS電子開關(guān),會產(chǎn)生注入電流,從而影響測量精度;（3）在開關(guān)切換的瞬間,相鄰兩個開關(guān)要經(jīng)歷由開到關(guān)、由關(guān)到開的過渡過程,然后再達到穩(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開關(guān)做到先關(guān)后開。在這個電路中,開關(guān)S1和S4關(guān)閉, S2, S3斷開的半個周期是充電周期,電荷為: Q1=VcCx （8）Q1經(jīng)放大器1沖電到電容上,這個循環(huán)過程以頻率f重復著,這樣得到一個校小的流入放大器的平均電流:I1=fQ1=fVcCx (9)放大器1上得到一個平均輸出電壓:V1=-I1Rf=-fVcCxRf (10)開

7、關(guān)S1和S4斷開,S2,S3閉合的半個周期是放電周期,經(jīng)過放大器2對電容進行放電,得到一個平均的輸出電壓:V2=fVcCxRf (11)這兩個電壓信號在差分放大器中相減的到一個輸出電壓:V3=V2-V1 (12)這個電路中,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的線性對應關(guān)系,將電路的靈敏度提高了一倍。放大器1、2在選擇時,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。檢測電路總體設計如圖3所示。通過做實驗得到不同糧食品種的不同水分含量與所測得的電壓之間的關(guān)系,以及改變環(huán)境溫度、糧食重量、緊實度等其他因素引起的所測電壓的變化,通過設計的電路裝置做大

8、量的實驗找出這些因素之間關(guān)系。即達到通過所測得的電壓值及環(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 方案分析電容法測糧食水分含量方便簡單，可在線快速測量，但因電容法的影響因素較多，在精度和重復性方面較難達到國家規(guī)定標準。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到了較高的測量精度和水準。2.3微波吸收法2.3.1 基本原理 微波水分檢測是近幾年發(fā)展起來的一項無損檢測新技術(shù)，它具有檢測精度高、測量范圍廣、穩(wěn)定性好、便于動態(tài)檢測、對環(huán)境的敏感性小、可以在相對惡劣環(huán)境條件下進行等優(yōu)點。微波作為一

9、種頻率非常高的電磁波具有很強的穿透性，它所檢測的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無損的情況下檢測到糧食內(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作用下極化，表現(xiàn)出對微波的特殊敏感性5。微波糧食水分檢測正是利用水對微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號相位、幅值等參數(shù)變化的原理進行水分含量檢測的。微波水分檢測正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應性差的電容法、電阻法等傳統(tǒng)水分檢測方法，成為一種理想的糧食水分檢測技術(shù)。微波水分檢測可以采用透射式和反射式檢測方法，其微波傳感器布置如圖3 所示。 圖3 微波檢測方式 一般物料厚度比較薄時，采用

10、透射式檢測方法；物料厚度比較厚，密度比較大時采用反射式檢測方法6。微波檢測是一種深度測量技術(shù)，所測結(jié)果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測量技術(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系統(tǒng)可以連續(xù)、準確地對糧食水分含量進行檢測，為糧食的收購、運輸和儲藏提供了強有力的技術(shù)保障。 相對于傳統(tǒng)的電容、電阻等糧食水分檢測方法，微波檢測速度快、精度高、穩(wěn)定性好，解決了目前在國內(nèi)糧食收購時，檢測時間長、測定結(jié)果極不可靠 、不能實現(xiàn)在線檢測等問題。大量室內(nèi)外實驗表明，該系統(tǒng)可以滿足在糧食收購、儲藏、加工等過程中水分含量的檢測需要，具有廣闊的應用前景和經(jīng)濟效益。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 年應用于糧食水分測定的。由于不同的分子對不同波長的近紅外光具有不同特征的吸收，當用近紅外光（波長為 1 940 nm）照射樣品時，漫反射光的強度與樣品的成分含量有關(guān)，服從朗伯比爾定律。2.4.2 方案分析該方法測量快速、簡單，無需對糧食進行烘干，只需在儀器前流動即可檢測，但僅屬于表面測量技術(shù)，很難反映整個物料的體積水分（內(nèi)部水分），測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，從而達到測量水分含量的目的。主要影響因素為溫度和加熱時間，該法不能進行在線測量。3 糧食水分有損檢測的主要方

12、法3.1 烘箱法3.1.1 105恒重法 用比水沸點略高的溫度（105°±2）使經(jīng)過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)量來計算水分含量。該方法是水分檢測最常用的標準方法之一7。3.1.2 定溫定時烘干法 該方法又稱 130°±2電烘箱法。其原理為：在一定規(guī)格的烘盒內(nèi)稱取經(jīng)過粉碎的試樣，在規(guī)定加熱溫度的烘箱內(nèi)烘干一定時間，烘干前后質(zhì)量差即為水分含量。3.1.3 雙烘法 雙烘法主要用于測量高含水量糧食。測量時，先稱取整粒試樣 2030g，放入 105烘箱中烘干30min，取出冷卻稱質(zhì)量，然后粉碎，再用 105恒重法進行烘干測量。3.1.4

13、隧道式烘箱法 隧道式烘箱法也是定溫定時法的一種，它將象限秤與烘箱結(jié)合起來，烘干試樣后無需冷卻可直接用象限秤稱量，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。它可以測量一切粉體物料，目前主要用來測量玉米水分。3.2.2 減壓干燥稱重法 該方法利用真空處理技術(shù)、微小定量測定技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)來測定水分的。它不受被測物料形狀影響，無需特殊的預處理，操作簡便，可靠性高，并可檢測微量水分。代表儀器為 VME 型，測量精度為0.01%，測水范圍為 0.01%10%。該法

14、不能進行在線測量。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，被測樣品的含水量的變化勢必引起其導電能力的變化。含水量越高，電阻越小，通過測量樣品的電阻，即可以間接地測定含水量。由于被測樣品的電阻較大，影響檢測取樣，必須降低電阻以獲得更大的取樣信號，因此該方法一般要求將樣品粉碎后再進行測量8。代表儀器為 LSKC-4B，測量精度為±0.5%，測水范圍為 10%20%，主要影響因素為溫度、品種、緊實度和電極間距。該法可進行在線測量。4 糧食水分檢測方法分析糧食水分檢測總體上可分為直接法和間接法兩大類。直接方法是通過干燥方法和化學方法，直接檢測出糧食中的絕對含水量，檢測精

15、度高，但費時，不適于在線和現(xiàn)場檢測。間接法是通過檢測與水分有關(guān)的物理量（例如物質(zhì)的電導率、介電常數(shù)等），間接地測定物質(zhì)的水分，一般速度較快，易實現(xiàn)在線檢測。目前比較常用的是烘箱法，當然，也有其他方法被應用于實際生產(chǎn)中。5 水分檢測方法的發(fā)展趨勢水分儀的種類雖然很多，但其市場潛力卻不盡相同，計算機技術(shù)、原子技術(shù)與半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，給糧食水分檢測技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。為了實現(xiàn)全數(shù)字、實時在線測量，就必須要有快速無損檢測技術(shù)作為保證。隨著對無損檢測技術(shù)的需要，無損檢測儀器將逐步實現(xiàn)標準化、通用化和系列化，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蛿?shù)字信號處理器的推廣和成本的降低，必將加速其在無損檢測技術(shù)上的應用，不僅提高信號采集和處理速度，滿足市場大量實時性要求，也將縮短開發(fā)時間，增加硬件的功能和擴展性。計算機軟件及硬件在無損檢測技術(shù)上的應用，將實現(xiàn)溫度等重要檢測因素的自動補償，使檢測儀器由過去的單一化向多用途方向發(fā)展，適用于多種不同環(huán)境下的無損檢測?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展會為無損檢測技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍，實現(xiàn)多用戶共享和遠程控制，避免人力、物力和財力的浪費。參考文獻:1 陳 斌.黃星奕.食品與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)M.北京:化學工業(yè)出版社,2004:29-30.2黃操軍.田芳明. 糧食水分檢測技術(shù)及發(fā)展趨勢J.