平行板電容器測(cè)量煙葉含水率的方法

羅麗瓊 張軍情 魯紹坤等

摘要[目的]為提高煙葉含水率的檢測(cè)效率，建立平行板電容器測(cè)量煙葉含水率的方法。[方法]通過(guò)對(duì)BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF 6個(gè)等級(jí)煙葉含水率與電容進(jìn)行檢測(cè)，研究不同等級(jí)煙葉含水率與測(cè)量電容值的關(guān)系，建立電容與煙葉含水率的對(duì)數(shù)模型。[結(jié)果] 以6種等級(jí)煙葉電容為基礎(chǔ)建立的含水率對(duì)數(shù)模型為Y=A×ln（x）+B，其預(yù)測(cè)結(jié)果與采用烘箱法測(cè)定結(jié)果的擬合效果理想。[結(jié)論] 用平行板電容器測(cè)量煙葉含水率的方法是可行的。

關(guān)鍵詞含水率；電容器；擬合方程；烘箱法

中圖分類號(hào)S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）31-025-03

Method of Parallel Plate Capacitor Measuring Moisture Content of Tobacco

LUO Liqiong，ZHANG Junqing， LU Shaokun et al （Yunnan Agricultural University， Kunming， Yunnan 650201）

Abstract[Objective] In order to improve the detection efficiency of the tobacco moisture， the method of parallel plate capacitor measuring moisture content of tobacco leaves was established. [Method]By detecting tobacco moisture and capacitance of BXK， B3F， C3F， X2F， CSF and BSF， the relationship between water content and capacitance measurements of the different grades of tobacco leaves was studied， and a logarithmic model of the tobacco moisture content and capacitance was established. [Result] On the basis of the capacitance of the six grade of tobacco leaves， the logarithm model of the moisture content was Y = A ln （x） + B. The fitting effect of prediction results and that of the oven method was ideal. [Conclusion]The method of parallel plate capacitor measuring tobacco moisture content is feasible.

Key wordsMoisture content； Capacitor； Fitting equation； Oven method

煙葉屬于膠質(zhì)毛細(xì)管多孔體物質(zhì)[1-3]，對(duì)空氣濕度十分敏感，具有靈敏的吸濕性和放濕性[4]。煙葉含水率會(huì)影響煙葉的物理特性（質(zhì)量、抗破碎性、填充性等），也會(huì)影響煙葉的生物化學(xué)變化，影響煙葉的色香味[5]。因此，煙葉含水率與加工、貯存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)關(guān)系密切[6]。煙葉含水率過(guò)低，葉片易破碎，不易成包調(diào)運(yùn)，在醇化加工和打葉復(fù)烤過(guò)程中會(huì)增加損耗，降低生產(chǎn)利潤(rùn)；煙葉含水率過(guò)高，不利于儲(chǔ)存保管，煙葉顏色易變暗，甚至霉變而降低或失去使用價(jià)值。適宜的含水率能夠保持煙葉的完整性，確保煙葉的使用價(jià)值，并且在平衡含水率的條件下達(dá)到自然醇化和提高煙葉品質(zhì)的目的。目前，煙草、煙草制品含水率檢測(cè)主要以烘箱法[7-9]為依據(jù)，但是該方法的檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)費(fèi)力。通過(guò)測(cè)量煙葉的電容后轉(zhuǎn)換成含水率，可減少水分檢測(cè)的時(shí)間。平行板電容器是利用物體的介電特性原理來(lái)檢測(cè)的。目前，已有許多學(xué)者利用植物的電特性對(duì)物料的含水率進(jìn)行檢測(cè)[10-11]。平行板電容器快速檢測(cè)水分的方法在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)很多，同時(shí)在棉花[12]、大豆[13-14]、土壤[15]、木材[16]等含水率檢測(cè)已得到實(shí)踐。有研究表明，電容值與煙葉含水率間的相關(guān)性達(dá)到0.01顯著水平[17]。利用同軸圓筒形電容器進(jìn)行煙絲含水量的測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到0.5%～2.0%，適用于卷煙生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)[18]。該研究中平行板電容器容積小，適用于實(shí)驗(yàn)室少量煙葉含水率的測(cè)量。從電磁理論分析，煙葉的介電特性應(yīng)由煙葉的各種成分、分子結(jié)構(gòu)的電性共同決定，因此不同等級(jí)煙葉的電容測(cè)量結(jié)果可能稍有差異。以煙葉為電容器的極間介質(zhì)，當(dāng)電容器的正對(duì)面積、極間距離保持不變時(shí)，通過(guò)測(cè)量電容值，即可轉(zhuǎn)換成被測(cè)煙葉的含水率。為此，通過(guò)研究不同等級(jí)煙葉含水率與測(cè)量電容值的關(guān)系，建立平行板電容器測(cè)量煙葉含水率的方法，以期實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)煙葉含水率的目標(biāo)。該試驗(yàn)有助于開(kāi)發(fā)新的庫(kù)存煙葉含水量快速檢測(cè)儀器，為研制更快捷檢測(cè)煙葉含水量的儀器提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料和儀器供試樣品取自云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司昆明市紅錦路煙葉存儲(chǔ)庫(kù)區(qū)。6個(gè)等級(jí)煙葉分別是BXK、B3F、C3F、X2F、CSF、BSF。

檢測(cè)儀器有10002型電子天平（1 000 g/0.01 g，瑞安市安特稱量設(shè)備有限公司）；DHG1010電熱鼓風(fēng)干燥箱（電壓220 V，功率0.8 kW，容積35 cm×35 cm×35 cm，上虞市滬越儀器設(shè)備廠）；TH2822C智能LCR測(cè)試儀（準(zhǔn)確度0.25%，常州銳品精密儀器有限公司）；平行板電容器（面積85 mm×55 mm，兩板距離20 mm）；⑤手動(dòng)攪碎機(jī)（9 cm×9.5 cm×14.5 cm，永康市重中重五金制品廠）；⑥電飯鍋（額定電壓220 V，額定頻率50 Hz，額定功率350 W，廉江市歐美善電器廠）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1取樣。分別取6個(gè)等級(jí)煙葉各500 g，用手動(dòng)研磨機(jī)磨碎，每個(gè)等級(jí)分成15份，每份30 g。利用電飯鍋煮沸水的蒸汽對(duì)樣品加濕。每份樣品采用不同的加濕時(shí)間，使樣品獲得不同梯度的含水率。

1.2.2測(cè)試。分別把每個(gè)等級(jí)的15份不同含水率的樣品填充于平行板電容器中，用智能LCR測(cè)試儀分別檢測(cè)其在頻率1、10和100 kHz下的電容值，并且記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在每份樣品測(cè)試完畢后，取出樣品稱量，其質(zhì)量記為m1。待15份樣品測(cè)試稱量完畢后一起放入烘箱中烘干，每份樣品烘干后質(zhì)量記為m2。6個(gè)等級(jí)煙葉的測(cè)試試驗(yàn)重復(fù)以上步驟。含水率計(jì)算公式為：

W=m1-m2m2×100%（1）

2結(jié)果與分析

2.1煙葉含水率與電容的對(duì)數(shù)模型分別在1、10、100 kHz頻率下繪制以電容為自變量、以含水率為因變量的擬合曲線，取相關(guān)系數(shù)最大的對(duì)數(shù)模型（圖1）。從擬合方程可以看出，不同等級(jí)煙葉在不同頻率下測(cè)量的電容與含水率的關(guān)系可用對(duì)數(shù)模型Y=A×ln（x）+B描述，其中x為電容，A為系數(shù)，B為常數(shù)。由表1可知，頻率1 kHz下的ln（x）的系數(shù)A平均值為0.072，頻率10 kHz的ln（x）系數(shù)的平均值為0.244 8，頻率100 kHz的ln（x）系數(shù)平均值為0.151 5，表明ln（x）系數(shù)大小與頻率有關(guān)，但不同等級(jí)煙葉同一頻率下系數(shù)相差不大，說(shuō)明測(cè)試頻率對(duì)對(duì)數(shù)模型的系數(shù)有顯著影響；頻率越高，擬合方程常數(shù)越大，但不同煙葉等級(jí)同一頻率下常數(shù)相差較大；1 kHz平均決定系數(shù)（R2）為0.976 4，10 kHz平均決定系數(shù)為0.930 0，100 kHz平均決定系數(shù)為0.954 0，三者對(duì)比用頻率1 kHz測(cè)量的電容與含水率的擬合方程相關(guān)性最高，且在同一等級(jí)下頻率1 kHz下檢測(cè)的電容與含水率的擬合方程擬合度均最高。

2.2測(cè)試頻率與煙葉等級(jí)對(duì)電容的影響對(duì)測(cè)試頻率與煙葉等級(jí)對(duì)電容的影響進(jìn)行可重復(fù)雙因素分析。從表2可以看出，用于檢測(cè)“等級(jí)”的P值=0.48>α=0.05，表明不同煙葉等級(jí)的測(cè)量電容值之間無(wú)顯著差異，即煙葉等級(jí)對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響；用于檢測(cè)“頻率”的P值=0<α=005，表明不同測(cè)試頻率下測(cè)量的電容值之間有0.05水平顯著差異，即測(cè)試頻率對(duì)測(cè)量結(jié)果有顯著結(jié)果；交互作用反映等級(jí)因素和頻率因素聯(lián)合產(chǎn)生的對(duì)測(cè)量電容值結(jié)果的附加效應(yīng)，用于檢驗(yàn)的P值=0.72>α=0.05，說(shuō)明煙葉等級(jí)和測(cè)試頻率的交互作用對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)顯著影響。

2.3總模型模擬及驗(yàn)證由于煙葉種類等級(jí)繁多，如果每個(gè)等級(jí)都建立一個(gè)模型，那么將會(huì)耗費(fèi)很大精力。方差分析結(jié)果表明，煙葉等級(jí)對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)顯著差異。因此，把所有煙葉等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，模擬出一個(gè)不分等級(jí)的模型。由此可知，在頻率1 kHz下檢測(cè)結(jié)果的精度最高，因此選擇頻率1 kHz下測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行模擬（圖2），總數(shù)學(xué)模型為y=0.071 1ln（x）-0.063，R2=0.952。雖然模型擬合度在0.9以上，但其精度低于單個(gè)等級(jí)模型的精度。

將6個(gè)等級(jí)煙葉隨機(jī)加濕到任一含水率，分別在頻率1 kHz下測(cè)量其電容值，利用其單模型與總模型預(yù)測(cè)含水率，并且以烘箱法檢測(cè)的含水率為實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型精度。從表3可以看出，針對(duì)每個(gè)等級(jí)煙葉建立的模型預(yù)測(cè)出的含水率與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在0.29%～7.49%之間，平均相對(duì)誤差為3.52%；而總模型的相對(duì)誤差在1.02%～10.79%之間，平均相對(duì)誤差為4.95%，總模型的穩(wěn)定性比單模型低。但是，B3F與CSF等級(jí)單模型的相對(duì)誤差比總模型高，表明等級(jí)不是影響模型精度的主要因素。因此，建立一個(gè)忽略等級(jí)因素的數(shù)學(xué)模型是可行的。其前提條件是要收集大量等級(jí)煙葉的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模。

3討論

以6種等級(jí)煙葉電容為基礎(chǔ)，建立含水率對(duì)數(shù)模型Y=A×ln（x）+B。其預(yù)測(cè)結(jié)果與烘箱法測(cè)定結(jié)果相比，擬合效果理想。單模型測(cè)量精度為0.29%～7.49%，總模型精度為1.02%～10.79%。但是，與文獻(xiàn)[18]利用同軸圓筒形電容器進(jìn)行煙絲含水量的測(cè)量精度達(dá)0.5%～2.0%相比，該平行板電容器測(cè)量精度略低。其原因可能是測(cè)量時(shí)的煙葉尺寸不夠小，電容器之間的填充有縫隙，導(dǎo)致介質(zhì)不穩(wěn)定，影響測(cè)量結(jié)果。

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